Çevresel Numunelerin Karbon ve Azot Analizi

Çevresel numunelerdeki karbon ve nitrojen miktarlarının analiz edilmesi - "element analizi" olarak bilinen bir süreç - çevrenin ekolojik özellikleri hakkında önemli bilgiler sağlar.

Karbon ve azot, yaşam için en önemli elementlerden ikisidir. Karbon, tüm canlıların temelini oluşturan organik bileşiklerin temelidir ve özellikle organizmalar için birincil enerji kaynağı olan karbonhidratlar gibi moleküller için bir ölçü olarak faydalıdır. Öte yandan azot, nükleik ve amino asitler gibi moleküllerde bulunur. Bunlar sırasıyla genetik materyal olarak ve organizmalar tarafından yapı ve işlev için kullanılan proteinlerin yapı taşları olarak hizmet eder.

Bu farklı organik molekül sınıfları farklı biyolojik rollere sahip olduğundan, organizmalar bunlara farklı miktarlarda ihtiyaç duyarlar. Örneğin, topraktaki mikroorganizmalar tipik olarak C:N oranı 24:1 olan besin kaynaklarına ihtiyaç duyar. Farklı bitki kalıntıları, mısırda olduğu gibi yonca gibi 13:1 ile 57:1 arasında değişen farklı C:N oranlarına sahip olduğundan, mikroplar tarafından farklı oranlarda ve farklı derecelerde ayrışacak ve bu da besinlerin toprağa nasıl geri döndüğünü etkileyecektir.

Bu video, karbon ve nitrojen element bileşimini analiz etme ilkelerini tanıtacaktır; toprak numuneleri üzerinde element analizi yapmak için bir protokol; ve son olarak, bu analiz yönteminin çevre araştırmalarına bazı uygulamaları.

Element analizi, genellikle güçlü asitleri içeren spesifik kimyasal reaksiyonların kullanılması gibi çeşitli şekillerde gerçekleştirilebilir ve bu da tespit edilebilen karakteristik ürünlerle sonuçlanır. Element analizi metodolojisindeki önemli bir gelişme, tehlikeli kimyasalların kullanılması ihtiyacını ortadan kaldıran, süreci büyük ölçüde basitleştiren ve hızlandıran ve otomasyona izin veren flaş yanma tekniğinin geliştirilmesiydi.

Flaş yanmaya dayalı element analizinin temeli, numuneyi bir "oksidasyon odasında", yaklaşık 1.000 °C gibi yüksek sıcaklıklarda oksijen varlığında yakarak oksitlemektir. Reaksiyonu hızlandıran bir katalizörün varlığında C. Bu, numunedeki karbonu karbondioksit gazına ve nitrojeni nitrojen oksit ve nitrojen gazlarına dönüştürür. Helyum gibi inert bir "taşıyıcı gaz" daha sonra bu yanma ürünlerini bakır dolgulu bir "indirgeme odasına" taşımak için kullanılır, burada nitrojen oksitler ayrıca nitrojen gazına dönüştürülür. Fazla su buharı, magnezyum perklorat gibi bir kurutucu ile süzülerek gaz karışımından uzaklaştırılır.

Flaş yanma ürünleri daha sonra gaz kromatografisi ile ayrılabilir, bu sırada gaz molekülleri ince bir sıvı veya polimer tabakası içeren bir kolon adı verilen borulardan geçer. Gazlar, moleküllerin substrat ve taşıyıcı gaz ile ne kadar güçlü etkileşime girdiğine bağlı oranlarda, kolondan geçerken bu substrattan tekrar tekrar çözünür ve buharlaşır. Alt tabakada çözünmüş olarak daha fazla zaman harcayan bir tür, kolon boyunca daha yavaş hareket edecek ve böylece gazların farklılaşmasına izin verecektir.

Kolondan çıktıklarında, gazlar, örneğin, termal iletkenlik olarak bilinen bir özellik olan ısıyı ne kadar iyi ilettiklerini tespit ederek tanımlanabilir. Bilim adamları, her bir gazın bobinden geçmesi için geçen süreyi çizerek, her gazı temsil eden tepe noktalarına sahip bir "kromatogram" elde ederler. Tespit edilen karbondioksit ve nitrojen gazı miktarları, ilgili tepe noktalarının altındaki alan kullanılarak hesaplanarak, orijinal numunedeki C:N oranı daha sonra çıkarılabilir.

Artık hızlı yanma yöntemini kullanarak karbon ve nitrojen element analizinin ilkelerini anladığınıza göre, bunu otomatik bir element analizörü kullanarak gerçekleştirmek için bir protokol gözden geçirelim.

Toprak numunelerini analize hazırlamak için önce numuneleri 60 ° C'de kurutun. 48 saat C fırın. Ardından, kurumuş toprağı 2 x 2 mm'lik bir elekten geçirin ve geçmeyen toprak parçacıklarını atın. Daha sonra, homojen bir toz elde etmek için yaklaşık 5 g toprağı 2 dakika öğütmek için bir bilyalı değirmen değirmeni kullanın. Öğütülmüş toprağı polietilen şişe gibi küçük bir kaba koyun ve kullanıma hazır olana kadar bir kurutucuda saklayın.

Elementel analizördeki analiz parametrelerini üreticinin talimatlarına göre ayarlayın. Bunlar, oksidasyon fırınının, indirgeme fırınının ve gaz kromatografi fırınının sıcaklıklarını, taşıyıcı gazın akış hızını, oksijen enjeksiyon hızını, referans gazın akış hızını, döngü çalışma süresini, numune damlası ile oksidasyon odasına oksijen enjeksiyonu arasındaki gecikme ve oksijen enjeksiyonunun süresini içerir.

Numunenin bileşimini kantitatif olarak belirlemek için, önce aspartik asit gibi bilinen bileşime sahip bir bileşiğin farklı miktarları kullanılarak standart bir eğri oluşturulur.

Bunu yapmak için, önce bir teneke numune tutma diskini bir paketten çıkarmak için forseps kullanın ve özel sızdırmazlık cihazını kullanarak bir fincan şekline getirin. Teneke diske parmaklarınızla dokunmaktan kaçının çünkü bu, yağların diske aktarılmasına neden olabilir.

Şimdi, teneke kabı bir mikro teraziye yerleştirin ve dara kütlesini ayarlayın. Teneke kabı çıkarın, ardından bardağa yaklaşık 1 mg aspartik asit standardı yerleştirmek için bir mikrospatula kullanın. Bardağı tartın ve kütleyi kaydedin. Ardından, teneke kabı kapatın ve her bir numuneyi otomatik olarak reaksiyon odasına iletecek olan otomatik numune alma cihazına yerleştirin.

Standardın birkaç miktarı için yukarıdaki adımları tekrarlayın. Ardından, tüm standartları otomatik numune alma cihazına yerleştirin.

Toprak numunelerini, her bir homojenize toprak numunesinden yaklaşık 50 mg kullanarak, standartlara benzer şekilde teneke kaplarda dağıtın ve tartın. Her numuneyi üç nüsha halinde hazırlayın.

Tüm numuneler otomatik numune alma cihazına yerleştirildikten ve cihazda uygun sıcaklıklara ulaşıldıktan sonra, ölçümleri çalışacak şekilde ayarlayın. Cihaz yazılımı, her standart ve numune için bir kromatogram üretecektir.

Kullanılan parametrelere bağlı olarak, nitrojen gazı için tepe noktası kromatogramda yaklaşık 110 s'de olmalıdır, karbondioksit zirvesi ise yaklaşık 190 s'de tespit edilir. Standart eğriler, karbon-nitrojen oranı 4'e 1 olan aspartik asit ile oluşturulur. Bu bilgiyle, her bir standardın konsantrasyonu ile birlikte, her bir zirvenin altındaki alan, her bir numunedeki nitrojen ve karbon miktarını hesaplamak için kullanılabilir.

Orijinal numunenin kütlesine bağlı olarak, her bir numunenin nitrojen yüzdesi ve yüzde karbonu hesaplanabilir. Bu gösteride, bu toprak örneğinin C:N oranının yaklaşık 13:1 olduğu, genellikle açık ormanlık alanların altındaki toprak için bulunan 14.25:1 oranından daha düşük olduğu ve istilacı Avrupa cehri ağaçlarının hakim olduğu ormanların göstergesi olduğu bulunmuştur.

Karbon ve azot içeriği analizi, toprağa ek olarak çeşitli çevresel örneklere de uygulanabilir ve çevre araştırmalarında geniş uygulama alanlarına sahiptir.

Bu örnekte, araştırmacılar mercan resifleri gibi çeşitli deniz habitatlarından su örnekleri topladılar. Organik besin maddelerinin deniz mikrobiyal toplulukları için mevcudiyetini anlamak için, karbon ve nitrojen element analizi dahil olmak üzere çeşitli kimyasal parametreler ölçüldü. Çözünmüş organik karbon seviyeleri doğrudan su numunesinden ölçülürken, partikül organik madde sudan filtrelendi ve analiz edildi.

Element analizi, su kaynaklarını kirletebilecek kentsel peyzajların ve çimlerin sulanmasından kaynaklanan akıştaki besin kaybını izlemek için de kullanılabilir. Burada bilim adamları, kentsel manzaraları simüle etmek ve bu süreci daha iyi anlamak için test arazileri kurdular. Toplanan akıştaki nitratlar ve amonyak gibi belirli besin maddelerini analiz etmek için çeşitli kimyasal testler kullanıldı ve çözünmüş organik karbon ve nitrojen seviyelerini ölçmek için yanma bazlı element analizi kullanıldı.

Son olarak, otobur karkaslardaki C:N oranının analiz edilmesi, avlanma riski ile topraktaki ayrışma oranı arasında ilginç bir bağlantı olduğunu ortaya çıkardı. Bu çalışmada, çekirgeler, örümcekler tarafından avlanma riski olsun ya da olmasın yetiştirildi. Bu çekirgelerin karkaslarının daha sonra toprak parsellerinde ayrışmasına izin verildi ve daha sonra ayrışma için toprağa bitki döküntüleri eklendi.

Element analizi, avlanma riski ile yetiştirilen çekirgelerde C:N oranının biraz arttığını gösterdi, ancak bu da stresli çekirgenin ayrıştığı toprakta ayrışma oranının önemli ölçüde azalmasına yol açtı ve ekosistem besin döngüsünde beklenmedik karmaşık dinamiklere işaret etti.

Az önce JoVE'nin çevresel numunelerin karbon ve nitrojen analizi hakkındaki videosunu izlediniz. Artık bu analiz yönteminin arkasındaki ilkeleri anlamalısınız; bir flaş yanma element analizörü kullanılarak nasıl gerçekleştirileceği; ve çevre bilimindeki bazı uygulamaları. Her zaman olduğu gibi, izlediğiniz için teşekkürler!