Partikül Organik Maddeyi Topraktan Çıkarmak için Elektrostatik Yöntem

Toprak organik karbonunun (SOC) doğru tahminleri, tarımsal yönetim veya çevreden kaynaklanan değişikliklerin değerlendirilmesinde önemlidir. Partikül organik madde (POM) bir toprağın ekolojisinde ve fiziğinde önemli işlevlere sahiptir, ancak genellikle kısa ömürlüdür ve mevsim, nem koşulları, havalandırma, numune toplama teknikleri, son toprak yönetimi, bitki örtüsü yaşam döngüsü ve diğerleri dahil olmak üzere çeşitli faktörlere göre değişir^1. Bu zamansal olarak kararsız kaynaklar, istikrarlı ve gerçekten inzdihal edilmiş toprak organik karbon^2'dekiuzun vadeli eğilimlerin tahminlerini şaşırtabilir.

İyi tanımlanmış, yaygın ve önemli olmasına rağmen, POM topraktan kolayca ayrılmaz veya nicel olarak ölçmek kolay değildir. Partikül organik madde, sıvılarda yüzen (hafif fraksiyon, tipik olarak 1,4-2,2 g cm^-3)veya boyuta göre ayrılabilen (örneğin, > 53-250 μm veya > 250 μm) veya iki³, 4^,5kombinasyonu olarak ölçülmüştür. Hem boyut bazlı hem de yoğunluk bazlı teknikler POM ölçümünün nicel ve kimyasal sonuçlarını etkileyebilir^4. Rutin yöntemler kullanılarak boyut kesirli olan toprağın dikkatli bir görsel incelemesi genellikle ekrandan geçen yaprak veya sapın kökleri ve dilimleri gibi uzun, dar yapıları ortaya koymaktadır. Sadece bu yapıların elle çıkarılması, toplam SOC²,⁶ ölçümlerini önemli ölçüde azalttığı^{gösterilmiştir,}ancak yöntem özellikle operatörün titizliğine ve görme keskinliğine tabidir. Yoğun bir sıvıda yüzdürme sırasında ışık fraksiyonu⁷ tüm POM'u yakalamadığı için toprak örneğinden POM ayrımı ve yüzdürme işlemi sırasında aşırı titreme aslında bir numuneden kurtarılan ışık fraksiyonu miktarını azaltabilir⁸. Yüzdürme birçok adım gerektirir ve toprağı kimyasal özellikleri değiştirebilecek veya ilgi çekici olabilecek bileşenleri çözüp çıkarabilecek kimyasal çözümlere maruz bırakır⁴.

Yoğun sulu çözeltilerin kullanımını önlemek veya artırmak için POM'un çıkarılması için alternatif yöntemler kullanılmıştır. Kirkby, vd.^6, iki yüzdürme prosedürü kullanarak ışık fraksiyonu çıkarma işlemini kuru bir eleme / winnowing yöntemi⁹ile karşılaştırdı. Winnowing, ışığı ağır fraksiyondan hafifçe uzaklaştırmak için ince bir toprak tabakası boyunca hafif bir hava akımı geçirilerek gerçekleştirildi. Kuru eleme/winnowing, C, N, P ve S içeriği açısından iki yüzdürme yöntemine benzer şekilde gerçekleştirildi; ancak, yazarlar kuru eleme / winnowing "biraz daha temiz" topraklar ürettiğini öne sürmeyin⁶. POM ayrıca, organik parçacıkların elektrostatik yüklü bir yüzeyden toprağın üzerine geçirilerek izole edildiği elektrostatik cazibe^10,11 kullanılarak topraktan ayrılmıştır. Elektrostatik çekim yöntemi, diğer boyut ve yoğunluk fraksiyonasyonu yöntemleriyle karşılaştırılabilir istatistiksel tekrarlanabilirliğe sahip kurutulmuş, elenmiş (> 0.315 mm) topraklardan, rota organik parçacıkları olarak adlandırılan POM'u başarıyla geri kazanmıştır¹⁰.

Burada elektrostatik cazibenin görünürden mikroskobik boyuta kadar değişen boyutlarda POM'ları çıkarmak için nasıl kullanılabileceğini gösteriyoruz. Bildirilen diğer yöntemlerin aksine, ince toprağın elektrostatik cazibesi, kalan toprağa gözle görülür şekilde benzeyen mineral ve agrega toprağının küçük bir kısmını da temizler. Bugüne kadarki sonuçlarımız göz önüne alındığında, POM olmayan toprağın küçük bir kısmının kaldırılmasının aşağı akış analizleri üzerinde önemli bir etkisi olmayacağını varsaymak mantıklıdır; bununla birlikte, toplam toprak örneğinin büyük bir kısmı elektrostatik olarak çıkarılıyorsa, bu varsayım belirli bir toprak için doğrulanmalıdır. Burada sağlanan yöntem ve örnekler yarı kurak bir ortamdan silt tınlı loess topraklarında gerçekleştirildi.

Bu yöntem tüm toprak türleri için uygun olmayabilir, ancak manuel olarak veya bir hava akımı ile çıkarılamayacak kadar küçük partikül organik maddeyi çıkarmada hızlı ve verimli olmanın avantajlarına sahiptir. Proses hızı yorgunluğu azaltmada, tutarlılığı sağlamada ve sonuçların daha iyi doğruluğu için daha fazla çoğaltmayı teşvik etmede önemlidir. Ek olarak, çok küçük partikülleri çıkarma yeteneği, küçük partikül boyutlarından ziyade daha büyük olan topraklara karşı önyargıdan kaçınmada önemlidir.

1. Toprak hazırlığı

1. Toprak örneklerini istediğiniz derinliğe kadar toplayın. Toprağı 40 °C'de veya laboratuvara özgü standart protokollere uyarak iyice kurulayın.
2. Yaklaşık 10-25 g elenmiş toprak elde etmek için toprağı uygun büyüklükteki toprak eleklerinden elekleyin. Birçok çalışmada 1 veya 2 mm'lik bir elek kullanılır. Toprak miktarı, aşağı akış analizleri için gereken kütleye dayanır ve elektrostatik kaldırma adımının tekrarlanması gereken sayıyı etkileyecektir.
3. Toprağı, toprağın ince yayılması için yeterince büyük (en az 20 cm çapında) temiz, kuru metal veya cam düz tabanlı bir tavaya yerleştirin. Toprağı mümkün olduğunca ince bir tabaka halinde eşit olarak dağıtmak için tavayı yatay olarak hafifçe sallayın.

2. Elektrostatik bir yüzeyi şarj edin

1. Bir elinizde 100 mm çapında bir cam veya polistiren Petri kabı üst veya alt tutun ve dış yüzeyi temiz bir naylon bez, pamuklu bez veya polistiren köpükle birkaç kez kuvvetlice ovalayın. Kumaş parçalarının numuneye girmesini önlemek için yüzeyi numuneden uzağa şarj edin.
2. Temiz olduğundan emin olmak için Petri kabının yüzeyini inceleyin.

3. Partikül organik maddeyi çıkarın

1. Şarjlı yüzeyi toprağın 0,5 cm ila 2 cm üzerine küsün ve mümkün olduğunca çok partikül malzeme almak için yatay olarak hareket ettirenin. Yüzeye çekicilik görsel ve işitsel olarak not edilebilir.
2. Petri kabı artık ek parçacıklar çekmediğinde, kabı numuneden uzaklaştırın.

4. Elektrostatik yüzeyi temizleyin

1. Şarjlı yüzeyi bir toplama kabının üzerinde tutun ve elektrostatik olarak çekilen malzemeyi Petri kabı yüzeyinden toplama kabına aktarmak için ince bir fırça kullanın. Deve saç fırçası iyi çalışır.

5. Partiküllerin verimi azalana kadar tekrarlayın

1. Toplanan organik madde parçacıklarının sayısı azalana kadar 2 ile 4 arasında olan adımları tekrarlayın. Yüzeyde yeni malzemeyi ortaya çıkarmak ve elektrostatik toplamayı sürdürmek için toprak tavasının yatay sallanmasıyla toprak örneğini yeniden dağıtın.
   NOT: Uç nokta keyfidir ve araştırmacının kararına bağlıdır. Toprağa maruz kaldıktan sonra yüklü yüzeyin incelenmesi, önemli miktarda organik partiküllerin hala topraktan çıkarılıp çıkarılmadığının görsel bir göstergesidir. Nihai ürünler, partikül içeriği azaltılmış toprak ve az miktarda elektrostatik olarak çıkarılmış toprak içeren konsantre POM'dur.

Burada sunulan sonuçlar, Pasifik Kuzeybatı'daki tarım alanlarından silt tınlı toprakların analizine dayanmaktadır (Tablo 1). Topraklar 0-20 cm veya 0-30 cm derinliklerde toplandı, 40 °C'de kurutuldu, 2 mm'lik bir elekten geçirildi ve naylon bir bezle şarj edilen bir polistiren yüzey kullanılarak işlendi.

Bir numuneden elektrostatik olarak çıkarılan toprak miktarı değişti. Toplam toprak kütlesinin yaklaşık% 1 ila% 6'sı çıkarıldı (Tablo 2). Her durumda çıkarılan toplam C örneğinin oranı, çıkarılan toprak kütlesinden daha fazlaydı. Ayrıca, elektrostatik olarak çıkarılan toprak fraksiyonunun C konsantrasyonu ve C:N oranı her zaman kalan topraktan daha fazlaydı. Bu faktörler, yöntemin tamamlanmamış organik maddelerin miktarını azalttığını göstermektedir.

Ortam koşulları ve yüklü yüzeyi üretmek için kullanılan malzemelerin kombinasyonu sonuçları etkiledi (Tablo 3). Elektrostatik kaldırma yönteminin daha düşük yüzey yükleri nedeniyle daha nemli bir laboratuvar ortamında daha az etkili olması beklanmaktadır. Elektrostatik proses için tüm malzemeler mümkün olduğunca kuru olmalıdır. Naylon, elektrostatik şarj için iyi bir malzemedir, çünkü tüy bırakmayandır ve polistiren Petri kapları ile kullanıldığında, en büyük elektrostatik yüklerden birini üretmelidir12. Alternatif olarak, bazı polistiren köpük türleri camla birlikte iyi çalışır. Bir cam tabak ve polistiren köpüğün kombinasyonu, cam (tabak)/pamuk veya polistiren (tabak)/naylon kombinasyonlarından daha fazla miktarda toprak ve C çıkardı.

Yüzey şarjı için kullanılan malzemelerden bağımsız olarak, elektrostatik işlem topraktan daha fazla C oranı çıkardı ve sadece cam / köpük ile farklılıklar önemli olmasına rağmen forseps / winnowing yöntemine kıyasla daha düşük C:N oranına sahip bir örnek üretti. Karşılaştırmalı olarak, yüzdürme, kalan numunenin en düşük C:N oranı ve çıkarılan fraksiyonun en büyük C:N oranı ile belirtildiği gibi konsantre partikül C'nin numuneden çıkarılmasında elektrostatik tedaviden daha etkiliydi.

Elektrostatik işlem, bulaşık yüzeyine çekilen partiküllerin azalması nedeniyle daha büyük oranlarda toprağı çıkarmaya başlayacak olsa da, birçok kez tekrarlanabilir. Tedavi uç noktalarının etkileri, aynı toprak örneğinden birbiri ardına üç elektrostatik numunenin toplanmasıyla incelenmiştir (Tablo 4). İlk tedavi en fazla C miktarını topladı ve aşağıdaki iki tedavi daha az toplanmasına rağmen, her ikisi de kalan toprağa kıyasla C'de hala yüksek oranda zenginleştirilmiştir. Çıkarılan fraksiyonda azalan C:N oranı, ardışık her adımda pom'a daha fazla toprak oranı gösteren azaldı.

ES prosedürünü bir polistiren Petri kabı kullanarak gerçekleştirirken, polistiren çanak yüzeyindeki çizikler görülebilirdi, bu da plastik tabaktan C'nin toprak örneklerini kirletebileceği olasılığını düşündürdü. ES tedavisi yıkanmış, C içermeyen kumda polistiren bir tabak kullanılarak gerçekleştirildiğinde, aynı ES fraksiyonunda tekrarlanan dört işlemden sonra bile ES fraksiyonlarında tespit edilebilir C yoktu (veriler gösterilmedi).

Son olarak, 53 μm ekrandan geçen ince silt boyutundaki fraksiyondan elektrostatik olarak çıkarılabilecek partikül malzeme miktarı beş silt tınlı toprak üzerinde test edildi (Tablo 5). Elektrostatik olarak çıkarılan fraksiyonlar, partikül organik maddenin çok az zenginleştiğini gösterdi. Mikroskobik inceleme, POM'un bu toprakların <53 μm fraksiyonunda (Şekil 1) var olduğunu, ancak çok küçük miktarlarda olduğunu ortaya koymaktadır. İnce toprak fraksiyonu (yani, <53 μm) çok az POM içeriyorsa, bu fraksiyon arıtılan toprak miktarını azaltmak için elektrostatik işlemden önce çıkarılabilir. Toprağı 53 μm gibi çok ince bir elek üzerine eleklayın. Toprağı elek üstünden çıkarın ve elektrostatik işlem için tepsiye yerleştirin veya elek numuneyi yaymak için tepsi olarak kullanın. İnce fraksiyonu (elekten geçen toprak) kimyasal analizden önce elektrostatik olarak işlenmiş toprağa geri verin.

Tablo 1: Topraklar test edildi. Partikül organik madde giderme için elektrostatik süreci karşılaştırmak için kullanılan örneklerin listesi.

Tablo 2: Temsilci kaldırma oranları. Elektrostatik olarak çıkarılan fraksiyondaki toprak miktarı (Kaldırıldı) ve kalan toprak fraksiyonu, toplam numune kütlesinin bir oranı ve toplam numune C'nin oranı olarak partiküllerde (Kalan) azalır. Ayrıca C, N ve C:N konsantrasyonları da verilmiştir. Tahmini POM C:N, Kaldırılan kesirin hesaplanan C:N'sini, muhtemelen çıkarılan POM'un C:N'si olan Kalan'daki konsantrasyonların üzerinde verir. Parantez içindeki sayılar ortalamanın standart hatasıdır. Varyans analizi, Kaldırıldı'nın hem C hem de C:N için Remainder'dan büyük olduğunu gösterdi (p > F 0.0001'den az). Yinelemeler, değer başına örnek çoğaltma sayısını gösterir. Elektrostatik ayırma, ince fraksiyonu (<53 μm) eledikten sonra naylon bezle şarj edilmiş bir polistiren çanak ile gerçekleştirildi.

Tablo 3: Teknik karşılaştırma. Partikül organik maddenin elektrostatik çekim (ES) kullanılarak Thatuna toprağından uzaklaştırılması, görünür parçacıkların forseps ve hava ile manuel olarak uzaklaştırılması (Forseps / winnow) ve 1.7 gcm-3'tesodyum iyodür çözeltisinde yüzdürme. Elektrostatik çekim, naylon bir bezle şarj edilmiş bir polistiren çanak veya pamuklu bir bez veya polistiren köpükle şarj edilmiş bir cam yüzeyle gerçekleştirildi. Cam/köpük de nemlendirilmiş koşullarda test edildi. Partiküllerin manuel olarak çıkarılması, havanın ince yayılmış bir toprağın yüzeyine hafifçe üflenerek yana doğru hareket ettirilerek ve görünür kalıntının forsepsle çıkarılmasıyla gerçekleştirildi. Veriler altı kopyanın ortalamasıdır. Ortak bir harfin takip ettiği araçlar, Tukey testine göre% 5 önem düzeyinde önemli ölçüde farklı değildir.

Tablo 4: Uç noktaların araştırılması. Partikül organik maddeyi çıkarmak için art arda üç elektrostatik tedavinin sonuçları. Thatuna topraklarından ortalama üç örnek ve Ritzville-R, Ritzville-E, Walla Walla-M topraklarından birer örnek. 53 μm elekten geçen toprak fraksiyonu elektrostatik işlemden önce çıkarıldı ve ayrı ayrı analiz edildi. Veriler, parantez içindeki standart hata ile altı analizin ortalamasıdır. C:N sütununda hem C hem de tahmini POM C:N. Harfleri için üretilen varyans analizi p < 0.05'te ardışık tedaviler arasında önemli farklılıklar olduğunu göstermektedir.

Tablo 5: İnce toprak fraksiyonunda partikül organik madde. Buğday kırpma sistemlerinden alınan beş toprak örneğinin ince fraksiyonu (<53 μm) üzerinde elektrostatik partikül giderme testi. Kaldırıldı ve Kalan'ın varyansının analizi C ve C:N için önemli değildi. Kaldırılan kesirlerde C:N farkı sürekli olarak daha büyük değildi.

Şekil 1: Partikül organik maddenin görsel tanımlaması. NT-AW toprağının(A)bütün toprak olarak mikroskopi görüntüleri, (B) yüklü polistiren yüzeyindeki fraksiyonu, (C) <53 μm toprak fraksiyonu ve (D) <53 μm fraksiyonlu toprağın su bulamacı yüzeyine yüzen malzeme. Görüntüler 50x veya 100x büyütme ile çekildi. Birkaç farklı odak noktasında toplanan görüntüler, Stack Focuser eklentisi (https://imagej.nih.gov/ij/plugins/stack-focuser.html) kullanılarak ImageJ yazılımı13'te birleştirildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.