Tamanho combinado e fracionamento de densidade de solos para as investigações de interações de Organo-Mineral

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Summary

Fracionamento de tamanho e densidade combinado (CSDF) é um método para separar fisicamente o solo em frações, diferindo na textura (granulometria) e mineralogia (densidade). O objetivo é isolar frações com reatividades diferentes no sentido de matéria orgânica do solo (SOM), a fim de melhor compreender as interações organo-mineral e dinâmica SOM.

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Viret, F., Grand, S. Combined Size and Density Fractionation of Soils for Investigations of Organo-Mineral Interactions. J. Vis. Exp. (144), e58927, doi:10.3791/58927 (2019).

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Abstract

Fracionamento de tamanho e densidade combinado (CSDF) é um método usado para separar fisicamente o solo em frações, diferenciando-se em mineralogia e tamanho de partícula. CSDF depende de etapas de separação e sedimentação de densidade sequencial para isolar (1) a fração leve livre (uncomplexed de matéria orgânica), (2) a fração de luz visíveis (matéria orgânica uncomplexed presa em agregados de solo) e (3) um número variável de pesados fracções (minerais do solo e sua matéria orgânica associada) diferindo na composição. Desde que os parâmetros do CSDF (dispersão de energia, cortes de densidade, tempo de sedimentação) são devidamente selecionados, o método produz frações pesadas de composição mineral relativamente homogênea. Cada uma dessas fracções deverá ter uma capacidade de complexantes diferente no sentido de matéria orgânica, tornando este um método útil para isolar e estudar a natureza das interações de organo-mineral. Combinando a densidade e a partícula separação tamanho traz uma melhor resolução em relação ao tamanho ou densidade fracionamento métodos simples, que permite a separação de componentes pesados, de acordo com ambos, mineralogia e tamanho (relacionados à área de superfície) critérios. Como é o caso de todos os métodos de fracionamento físico, pode ser considerado como menos disruptivos ou agressivos do que os métodos de extração quimicamente baseados. No entanto, CSDF é um método demorado e além disso, a quantidade de material obtido em algumas frações pode ser um fator limitante para análise posterior. Após CSDF, as frações podem ser analisadas para a composição mineralógica, a concentração de carbono orgânico do solo e matéria orgânica química. O método fornece informações quantitativas sobre a distribuição do carbono orgânico dentro de uma amostra de solo e traz luz à capacidade das fases minerais diferentes, naturalmente, assim fornecendo informações mecanicistas sobre o preferencial sortivo natureza das interações de organo-mineral em solos (ou seja,., quais minerais, que tipo de matéria orgânica).

Introduction

O solo é um complexo sistema que contém elementos de origem geológica e biológica. O estudo da sua inter-relação é uma pedra angular da nossa compreensão do ecossistema função1. Em particular, organo-mineral interações são pensadas para jogar um papel chave no solo matéria orgânica (SOM) dinâmica2. Dinâmica SOM desfazer é atualmente uma área de pesquisa muito ativa por vários motivos. Um solo com altos estoques SOM tenderá a mostrar boa fertilidade intrínseca e também pode constituir um valioso ambientalmente carbono sequestro oportunidade3,4.

Matéria orgânica no solo é altamente heterogênea, com alguns componentes revirando no espaço, dentro de algumas horas, enquanto outros podem persistir durante milhares de anos5. Os determinantes desta heterogeneidade continuam a ser um tema controverso, mas associação com a matriz mineral é pensada para ser particularmente importante6,7, especialmente para o subsolo horizontes8. Como resultado, as fases minerais conhecidas para associar-se intimamente com componentes orgânicos estão recebendo crescente interesse9,10,11.

Os solos contêm uma grande variedade de minerais com qualitativa e quantitativamente diferentes sortivo potencial para SOM. Minerais, com grandes áreas de superfície específicas e/ou superfícies altamente reativas foram mostrados para ter uma capacidade de sorção elevada de compostos orgânicos4,12. Em solos, minerais secundários tais como filossilicatos actividade elevada (por exemplo, smectites), oxyhydroxides de ferro e aluminossilicatos cristalinos mal todos foram mostrados para envolver-se significativamente na preservação sortivo de alguns compostos orgânicos13 , 14 , 15 , 16 , 17. separação de solo em frações, diferenciando-se em mineralogia assim poderia ajudar a isolar piscinas de matéria orgânica com relativa homogeneidade funcional.

O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia para isolar complexos organo-mineral de acordo com a composição, que em seguida facilita o estudo de suas propriedades. O método combina o fracionamento de tamanho e densidade para separar fisicamente em massa de solo em uma sequência de frações de composição diferente. Fracionamento de tamanho e densidade combinado (CSDF) integra duas abordagens eficazes fracionamento físico (separação de tamanho de partícula e densidade de separação). A combinação dessas duas abordagens traz resolução de melhoria para a nossa compreensão das associações de organo-mineral no solo.

Existem muitas abordagens diferentes (químicas, físicas e / ou bioquímicas) que podem ser usadas para especificar fracções em amostra de solo um volume18,19. Fracionamento de densidade simples é uma separação física, que tem sido amplamente utilizada por cientistas do solo para estudar a dinâmica do SOM (ver por exemplo Grunwald et al, 2017 e referências nele)20. Na sua forma clássica, fracionamento de densidade simples separa materiais mais leves que um determinado limite (geralmente de 1.6 para 1,85 g·cm-3) - a fracção leve (LF) de materiais mais pesados - a fração pesada (hF). Se o é, por vezes, mais dividida em fração leve livre (fLF) e fração de luz visíveis (oLF)21.

Em muitos solos, a maior piscina SOM é encontrada no hF22. SOM em hF é geralmente pensado para ser mais estável do que o se23, no entanto, ficou demonstrado para manter uma alta composicional e, provavelmente, heterogeneidade funcional18. Isso aponta para a necessidade de separar mais o hF em subfractions mais homogêneas, com a visão isolando piscinas de SOM com distintas Propriedades biogeoquímicas (tais como tempo de residência ou funcionalidade). Fracionamento de densidade sequencial, conforme descrito por Sollins et al (2009)24, na verdade provou para ser um método bem sucedido; ainda uma separação feita unicamente com base na densidade corre o risco de com vista para as diferenças decorrentes de variação no tamanho de grão e, portanto, a área de superfície específica. Por exemplo, caulinita tem aproximadamente a mesma densidade, como o quartzo, mas pode ser separada com base no seu modo de tamanho (tabela 1). CSDF inclui a consideração de tamanho de grão e melhora a resolução do fracionamento.

Fracionamento de SOM com base nas propriedades físicas, químicas ou bioquímicas tem uma longa história. Métodos físicos como CSDF são baseados em atributos físicos dos componentes do solo, tais como o tamanho (de partículas ou agregados) ou densidade. Métodos químicos incluem extrações seletivas de compostos específicos ou classes de compostos, bem como a oxidação química. Métodos bioquímicos dependem de oxidação microbiana sob diferentes condições experimentais. Métodos químicos e bioquímicos são baseados em princípios diferentes e têm objectivos diferentes em comparação com métodos físicos mas são revistos, no entanto, brevemente abaixo.

A extração alcalina (com hidróxido de sódio, por exemplo) classifica-se entre os primeiros métodos usados para isolar quimicamente o componente orgânico dos solos6. Exemplos de métodos mais modernos, químicos para fracionamento de SOM eu) extração alcalina com at-pirofosfato visando isolar o SOM ligado para minerais; II) hidrólise ácida (HCl), visando quantificar o SOM antigo, persistente; e iii) oxidação seletiva de SOM com agentes químicos visando atacar SOM livre ou lábil2. Enquanto estes métodos podem ser úteis para ganhar a introspecção em piscina de matéria orgânica funcionalmente diferentes, eles sofrem de várias limitações. Primeiro, as extrações podem ser imperfeita ou incompleta. Por exemplo, o clássico método alcalino extrai apenas 50-70% do solo de carbono orgânico (SOC)6. Em segundo lugar, fracionamento produtos podem não ser representativos do SOM encontrado em situ ... e podem ser difícil de categorizar5. Em terceiro lugar, estes métodos químicos oferecem apenas limitada visão sobre a interação de organo-mineral desde que muitos deles não preservar a original associação entre produtos orgânicos e minerais.

Extração bioquímica, incluindo experimentos de incubations são usados principalmente para estudar o SOM instável e reativo (ver Strosser32 para uma revisão de métodos bioquímicos). Experiências de incubação pode ser pensado como uma medida da demanda bioquímica de oxigênio e é intuitivamente adequadas para a determinação da biodisponibilidade de substratos orgânicos. No entanto, a necessidade de tempos de incubação longa em condições que diferem do campo (temperatura, umidade, perturbação física, ausência de novas entradas) torna a extrapolação para a dinâmica do SOM in situ delicada.

Em comparação com métodos químicos ou bioquímicos que são acreditados para ser transformadora ou destrutivo, técnicas de fracionamento físico podem ser consideradas mais como conservante22 (com a exceção importante de compostos orgânicos solúveis, que são perdidos durante o procedimento). No seu solo melhor, físico frações podem ser pensadas como um 'snapshot' dos componentes da fase sólida solo como presente no campo e podem, portanto, se relacionam mais diretamente a dinâmica SOM em situ33. Além disso, a natureza não-destrutiva da técnica significa que as frações podem ser posteriormente caracterizadas usando uma variedade de análises ou mais fracionada de acordo com métodos de químicos ou bioquímicos.

Fracionamento físico dos solos não é um conceito recente. Literatura científica sobre datas de técnicas de separação física do século de mid-20 '. Aplicações de fracionamento de densidade foram relatadas logo em 196534,35. Durante o mesmo período e nas décadas seguintes, publicações sobre a dinâmica do SOM e sua interação com os minerais foram já se tornando generalizadas entre solo cientistas36,37,38,39 .

Separação com base na densidade, tamanho de tamanho ou partícula de agregação são os métodos de separação física mais comuns utilizados atualmente. Um dos principais desafios da separação física é o isolamento das piscinas SOM homogêneos funcionais, conforme definido pela taxa de turn-over, tamanho ou outro indicador de função. Combinar métodos de separação ou critérios, como em CSDF, pode ajudar a trazer a resolução funcional para frações de solo; na verdade, estes métodos parecem ser usado mais em combinação18,40,41,42,43. Combinando a separação sequencial de densidade, capaz de produzir frações com diferentes orgânicas importam conteúdas e composição mineralógica, com separação de tamanho, que é responsável por diferenças atribuível a área de superfície específica, CSDF mantém a promessa de rendendo o insight sobre a diversidade e a função das associações de organo-mineral no solo.

CSDF visa fisicamente fractionate amostras de solo em massa em frações de relativa homogeneidade mineralógica e textural. As densidade e a partícula tamanho cortes, bem como a energia de dispersão usadas aqui foram selecionados com base no nosso tipo de solo, mas esses parâmetros podem ser adaptados dependendo das amostras ser fracionado e o propósito do estudo. Neste exemplo, nós escolhemos usar um dispersão passo, dois densidade e cortes de um tamanho, resultando na separação do solo em massa em 6 frações (tabela 2). A Figura 1 dá uma visão geral conceitual do método. Os materiais a ser fracionado aqui são solos tropicais, mas o método pode ser aplicado a qualquer tipo de solo, bem como sedimentos. CSDF geralmente é usado como um passo preparatório antes de novas análises, mesmo que a distribuição de materiais entre frações pode ser muito informativa e nse. Quando aplicado aos solos, CSDF gera frações, diferenciando-se em composição (1) mineral (mineralogia e textura) e SOM (2) concentração e composição.

Protocol

1. preparação da amostra

  1. Secar ao ar e peneira 20 g ou mais de solos em massa a 2 mm.
  2. Determine o teor de umidade residual de solo em massa (massa de água ainda presente no solo air-dried) para correção de fracionamento inicial massa44.

2. preparação da solução denso

  1. Adicione polytungstate de sódio (SPT) em porções de água desionizada (DI) aquecido num prato quente celeuma (~ 60 ° C) para obter soluções densas das densidades desejadas (i.., 1.62 e 2,78 g·cm-3). Use a tabela 3 para aproximar proporções de água e SPT para usar. Definir uma agitação vigorosa para ajudar a dissolver a TSC.
    Cuidado: SPT é corrosivo, e é prejudicial se ingerido. Provoca lesões oculares graves. Use luvas/óculos de proteção. Prejudicial à vida aquática, com efeitos duradouros. Evite a libertação para o ambiente.
  2. Verifique a densidade final com um hidrômetro, uma vez que a solução é voltar à temperatura ambiente (entre 20-25 ° C). Ajuste a densidade, adicionando água ou SPT.
    Nota: É mais fácil de preparar SPT em uma concentração ligeiramente maior (+ 0,02-0,05 g·cm-3) do que o necessário então dilui-lo para a densidade necessária.
  3. Loja SPT em temperatura ambiente em recipientes de plástico. TSC é conhecido por salvar o cálcio dos produtos vidreiros e precipitado insolúvel Ca metatungstate. SPT pode também reagir com baixa qualidade em aço inoxidável e cerâmica. Evite guardar SPT durante vários meses desde cristais começará a nucleação em pontos locais supersaturados.

3. separação de fração luz (LF)

Nota: Os LFs são isolados por flotação em uma solução com a densidade de 1.62-g·cm-3 antes da dispersão ultra-sônica (fLF) e de dispersão seguinte a 280 J·mL-1 (oLF).

  1. fLF separação
    1. Pese 5-8 g de solo air-dried, peneirado em um tubo de centrifuga conico de 50 mL. Registro da massa de solo com quatro algarismos significativos.
      Nota: A quantidade de solo que pode ser adicionado a cada tubo depende da textura do solo. Geralmente, pequenas quantidades devem ser usadas para solos de argila e quantidades mais elevadas podem ser utilizadas para solos arenosos. A fim de obter quantidades suficientes de material em cada fração, é possível usar diversos tubos para o mesmo solo (geralmente usamos dois) ou mais frascos cônicos (250 mL). Uma corrida de fracionamento piloto pode ajudar a ter uma ideia da distribuição do solo entre frações e ajuste inicial massas de solo.
    2. Usando um cilindro graduado, adicione 35-40 mL de SPT (g·cm 1.62-3). Aponta para uma relação de solo/solução de 1:5 ou mais baixo.
      Nota: Para evitar slaking agregada, é possível saturar o solo por ascensão capilar antes de adicionar a solução42,45.
    3. Equilibre a massa total de tubos com tampas em virtude de centrifugação. Equalize a massa do tubo usando solução SPT. Instale os tubos em uma tabela de agitação por 10 min a 200 rpm.
      Nota: Em solos com pobre estabilidade do agregado, esta etapa pode ser substituída por uma inversão suave pela mão6 ou ignorada completamente42.
    4. Definir os tubos na posição vertical e deixe o conteúdo para resolver pelo menos 30 min. centrifugar para 90 min a 2.500 x g em uma centrífuga balançando-balde para pagar uma separação clara entre o fLF e a pelota ('naufrágio' material).
      Nota: Tempos de centrifugação podem ser reduzidos para amostras de areias ou bem floculadas. Não é recomendável para centrifugar a velocidades chegando a capacidade máxima da máquina; fazendo assim riscos prejudiciais eixo de rotor. Tenha em mente que maioria das centrífugas não são projetadas para lidar com soluções de densidade muito superior da água.
    5. Retire os tubos de centrífuga com muito cuidado, evitando qualquer choque. Situado na posição vertical.
      Nota: neste ponto, é possível verificar a densidade da TSC por pipetagem 5 mL do sobrenadante claro entre o material flutuante e a pelota e pesando. Isto é particularmente importante se o solo não estava seco.
    6. Todos os materiais flutuantes e em suspensão (o fLF) despeje uma garrafa de centrífuga de policarbonato de 250 mL. Certifique-se de que a pelota permanece firmemente alojada na parte inferior do tubo.
    7. Enxague o material aderindo à parede do tubo para a mesma garrafa de policarbonato. Use uma garrafa de água cheia de água DI, segurando o tubo quase de cabeça para baixo acima da garrafa de policarbonato. Tenha cuidado para não perturbar a pelota.
      Nota: Para algumas amostras, a pelota pode não aderir fortemente à parte inferior do tubo, tornando difícil a recuperação completa do fLF. Em tais casos, pode ajudar a aspiração com uma bomba ou uma pipeta de alto volume.
  2. Lavar a fLs por ultrafiltração
    Nota: LFs são lavadas por ultrafiltração, desde que a densidade de alguns produtos orgânicos pode ser menor do que de água, impedindo a lavagem por centrifugação. Uma limitação da ultrafiltração é tão sub micrométrica, coloides dispersos não podem ser guardados. Comumente usado filtro variam de tamanhos de poros de 0,2 a 1,2 μm. Filtros com poros maiores não podem reter os coloides como efetivamente, mas são menos propensos ao entupimento. Aqui, usamos 0,45 μm de filtros.
    1. Configuração de uma linha de vácuo ultrafiltração com 0,45 μm de filtros. Ligeiramente umedecer os filtros e aplicar vácuo antes de apertar os funis para evitar as lágrimas.
    2. Lentamente, despeje o conteúdo do frasco em policarbonato o funil de uma unidade de filtração de vácuo. Não permita que a solução para a piscina sobre uma profundidade maior que ~ 1 cm sobre o filtro. Enxague qualquer resíduo deixado de fora da garrafa de policarbonato para a unidade de filtração.
    3. Uma vez que toda a solução passou através do filtro, recuperá-lo em um frasco plástico rotulado "usado SPT" para reciclagem. Enxaguamentos posteriores podem ser descartados na pia.
    4. Adicione mais de 10 mL de água Desionizada para unidade de filtragem pelo menos 3 vezes para garantir que todos os vestígios de SPT são removidos. Certifique-se de enxaguar o lado do funil de filtração. Manter o controle das lavagens, adicionando uma marca no funil, ao adicionar água.
      Nota: A remoção completa do SPT pode ser verificada através da medição da condutividade elétrica da última lavagem. A condutividade deve ser ≤ 5 μS·cm-1 46.
  3. Recuperar e armazenar o fLF
    1. Libere o vácuo na linha de filtração.
    2. Retire o funil da unidade de filtração e recuperar o material aderindo aos lados em um barco de alumínio rotulados usando uma garrafa de esguicho preenchida com água. Levante cuidadosamente o filtro com uma pinça e lavar o material presente no mesmo barco de alumínio usando uma garrafa de esguicho preenchida com água.
    3. Seque o conteúdo de barco, num máximo de 65 ° C até peso constante (pelo menos 48 h após a evaporação completa). Arrefecer num exsicador contendo dessecante fresco durante pelo menos 30 min.
      Nota: O uso de um freeze-drier é outra possibilidade.
    4. Raspe suavemente o material do barco de alumínio com uma espátula de plástico. Se a amostra está aderindo fortemente para o barco de alumínio, é possível usar uma espátula de metal. Tenha cuidado para não riscar o barco de alumínio.
    5. Gravar a massa do fLF com quatro algarismos significativos e, em seguida, colocar a amostra em um frasco de armazenamento. Evite frascos plásticos por causa da eletricidade estática que faz com que pequenas partículas orgânicas aderem aos lados.
  4. oLF lançamento pelo Sonication
    Nota: O objetivo é destruir estáveis agregados macro e microagregados grandes pelo sonication para libertar ocluídas matéria orgânica particulada, minimizando a extração ou redistribuição de polímeros mineral-sorvido. Uma energia sonication de 280 J·mL-1 foi selecionada aqui. Consulte a seção sobre estratégia de interrupção agregada na discussão a fim de ajudar com a escolha da energia sonication.
    1. Calcular a quantidade de tempo necessário para alcançar a energia do alvo sonication de 280 J·mL-1 usando uma baixa amplitude (ex.., 30%) e frequência de 20 KHz.
      Nota: Cada sonifier deve ser regularmente calibrado para relacionar sonication tempo para produção de energia; Ver norte (1976)47 para ajudar com a calibração.
    2. Adicione 35-40 mL de SPT (g·cm 1.62-3) para o tubo de centrifuga contendo a pelota da extração fLF. Ressuspender o pellet tocando o tubo de cabeça para baixo e num Vortex.
    3. Introduzir a sonda ultrassônica a 2 cm abaixo da superfície da solução e colocar o tubo em água gelada para evitar volume solução de aquecimento.
    4. Proceda à sonicação a amostra usando o tempo necessário para alcançar a energia do alvo de 280 J·mL-1. Sempre prefiro baixa amplitude e maior tempo de sonication. Amplitudes altas fazem materiais leves como o slide de partículas orgânicas da sonda e respingos fora do tubo, resultando em perda da amostra.
  5. oLF separação
    1. Equilibre a massa total de tubos com tampas em virtude de centrifugação. Equalize a massa do tubo usando solução de SPT 1.62 g·cm-3 .
    2. Definir os tubos na posição vertical e deixe o conteúdo para resolver pelo menos 30 min. centrifugar por 90 min a 2.500 x g na centrífuga balançando-balde.
    3. Todos os materiais flutuantes e em suspensão (o oLF) despeje uma garrafa de centrífuga de policarbonato de 250 mL. Certifique-se de que a pelota permanece firmemente alojada na parte inferior do tubo.
    4. Enxague o material orgânico luz obscurecido aderindo à parede do tubo para a mesma garrafa de policarbonato. Use uma garrafa de água cheia de água DI, segurando o tubo quase de cabeça para baixo acima da garrafa de policarbonato. Tenha cuidado para não perturbar a pelota aderindo ao fundo.
  6. Lavar o oLF por ultrafiltração
    1. Configuração de uma linha de vácuo ultrafiltração com 0,45 μm de filtros. Ligeiramente umedecer os filtros e aplicar vácuo antes de apertar os funis para evitar as lágrimas.
    2. Despeje uma pequena quantidade de suspensão da garrafa policarbonato do funil de uma unidade de filtração de vácuo. Se a solução não passa pela facilmente, adicione água para diluir o conteúdo do frasco em policarbonato.
      Nota: Amostras elevado em produtos orgânicos (coloridos) será difícil para o filtro. Se o filtro mostra sinais de entupimento, montar uma segunda unidade de filtração ou tente um sistema de filtragem de pressão. Outra possibilidade é a centrífuga conteúdos diluídos de garrafões de policarbonato; o sobrenadante deve ir através do filtro mais facilmente porque contém menos coloides e partículas em suspensão do que a suspensão original. O material sedimentado pode ser re-suspenso em água e enxaguar por centrifugação. Eventualmente, todo o material precisa ser lavado pelo menos 3 vezes e se recuperou.
    3. Recupere o primeiro filtrado SPT em um frasco plástico rotulado "usado SPT" para reciclagem. Enxaguamentos posteriores podem ser descartados na pia.
    4. Enxaguar o material na unidade de filtração com três vezes > 10 mL de água Desionizada.
    5. Recolha o oLF em um barco de alumínio e seco a uma temperatura máxima de 65 ° C até peso constante. Loja da mesma forma como o fLF (ver passo 3.3).

4. separação do hFs de acordo com o tamanho de partícula

Nota: O próximo passo é para fracionar o resíduo da etapa 3 (hF), de acordo com o tamanho de partícula. O limite de tamanho aqui é de 8 µm e produz uma argila fração silte fino (< 8 µm) e uma grosseira silte + fração areia (> 8 µm). O agrupamento de argila e silte fino na fração mais fina reflete a afinidade documentada de argila e silte fino para matéria orgânica de solo a sorção33,48. Separação de partículas tamanho aqui é feita por sedimentação (com base na lei de Stokes49). Para cortes em 50 µm ou maior, a separação pode ser feita simplesmente por peneiração húmida sem arriscar demasiado abrasão ou interrupção de complexos organo-mineral.

  1. Removendo o SPT Residual do hF
    1. Adicione 35-40 mL de água Desionizada ao tubo contendo o resíduo da etapa 4. Ressuspender o resíduo tocando o tubo de cabeça para baixo e num Vortex. Centrifugar por 20 min a 2.500 x g.
    2. Despeje o líquido sobrenadante. Se está nublado ou leitoso, coletá-lo e centrifugue novamente para resolver os coloides. Combine a pelota de nova com a uma resultante da primeira centrifugação.
      Nota: mais de um enxágue pode ser necessário se houvesse uma quantidade significativa de SPT restantes no resíduo da etapa 3 (por exemplo, incompleto decantação do sobrenadante). A densidade da suspensão deve ser < 1.1 g·cm-3 antes da sedimentação.
  2. Dispersando o hF e sedimentação
    Nota: Antes da sedimentação, é importante ter um bem dispersos HF Nós usamos sonication, ao invés de dispersantes químicos, que seria difícil de lavar. Lei de Stokes exige uma temperatura constante (por exemplo, 20 ° C). Começando com uma suspensão fria antes sonication é uma maneira eficaz de evitar o superaquecimento.
    1. Adicione água refrigerada para o tubo contendo a pelota (até a marca de 40 mL). Coloque na geladeira por 30 min.
    2. Proceda à sonicação em 75 J·mL-1. Calcule o tempo necessário sonication como em 3.4.1.
    3. Enxague a sonda ultrassônica com água para recuperar todos os materiais. Usando água DI, ajuste o volume até a marca de 50 mL nos tubos. Verifique a temperatura da suspensão (que deve corresponder a temperatura usada no cálculo do tempo de sedimentação).
    4. Homogeneizar o conteúdo do tubo por inversão à mão. Deixe o conteúdo de sedimentos para o tempo necessário para permitir que a matéria (< 8 µm). Com base na lei de Stokes para uma distância de viagem de partícula média de 7 cm a 20 ° C, tempo de sedimentação é de 20 min.
    5. Pipetar para fora o sobrenadante (até a marca de 10 mL) em um tubo de centrífuga de 50 mL.
    6. Repetir a etapa de sedimentação 3 vezes (etapas 4.2.1-4.2.5). Recolha cada sobrenadante em um novo tubo de centrifugação.
  3. Coleção das duas frações tamanho
    1. Definir os tubos contendo o sobrenadante para evaporar no forno a 45 ° C. Não deixe-os secar. Uma vez que o volume é suficientemente reduzido, consolide os três sobrenadantes em um tubo de centrífuga de 50 mL, que agora contém a < 8 µm fração.
    2. Lugar os tubos contendo a < 8 µm fração, bem como aqueles contendo o > 8 µm fração (sedimentos de passo 5.2) de volta no forno a 45 ° C, para evaporar o excesso de líquido restante. Não deixe o conteúdo secar completamente.
      Nota: Verifique o forno com frequência e remover as amostras, assim como há não mais em pool de água nos tubos. Dessecação pode resultar em agregação forte, especialmente em frações bem.

5. separação entre as duas frações de tamanho de acordo com a densidade

Nota: Fracionamento de densidade é aplicado aqui, para ambas as fracções de tamanho de partícula. O objetivo era separar silicatos de óxidos. Assim, optou-se por um corte de densidade de no 2.78 g·cm-3. Separações de opcionais, adicionais podem ser realizadas. Por exemplo, uma 2.4 g·cm-3 solução permitiria a separação de argilas de atividade alta de caulinita e silicatos primários. Lembre-se de matéria orgânica elevada carga irá diminuir a densidade teórica das partículas minerais43.

  1. Fracionamento de densidade
    1. Adicione 35 – 40 mL de SPT com a densidade de 2,78 g·cm-3 para cada fração de tamanho. Equilibre a massa de tubos, tendo em conta a centrifugação utilizando solução SPT.
    2. Ressuspender o material tocando o tubo de cabeça para baixo e num Vortex. Agite para mínimo 4 h numa mesa agitando a 200 rpm.
      Nota: A < 8 µm fração é difícil re-suspensão adequada. Se os torrões persistirem após 4 h, definido na tabela de agitação durante a noite. Não se recomenda sonication em solução SPT muito densa. Devido à alta densidade e viscosidade, a energia sonication não propaga bem.
    3. Definir os tubos na posição vertical e deixe o conteúdo para resolver pelo menos 30 min. centrifugar por 90 min a 2.500 x g.
    4. Despeje todos os materiais flutuantes e em suspensão (< 2,78 g·cm-3 fracções) dentro de uma garrafa de centrífuga de policarbonato de 250 mL. Certifique-se de que a pelota (2,78 > g·cm-3 fracções) permanece firmemente alojada na parte inferior do tubo.
  2. Lavar o hFs quatro por centrifugação
    Nota: Após a separação de densidade, obtivemos quatro hFs (hF1 para hF4; Tabela 2). Cada precisa ser lavado por centrifugação para remover TSC Ultrafiltration não é recomendada para hFs (e não é possível para o bem fracções, hF3 e hF4).
    1. Transferi as pelotas de-3 g·cm > 2,78 para garrafões de policarbonato 250 mL, usando uma garrafa de esguicho preenchida com água.
    2. Adicione água DI com as garrafas de policarbonato para reduzir a densidade, sem ultrapassar a marca de 200 mL. Faça isso para todas as frações.
    3. Pesar os frascos e as tampas e equalizar massas usando água DI, tendo em conta a centrifugação. Verifica que a carga máxima do rotor não seja excedida.
    4. Coloque no vórtice para re-suspender o material. Centrifugar por 20 min a 5.000 x g.
    5. Decante o sobrenadante para "usado SPT" jar para reciclagem. Após lavagens podem ser descartados na pia.
      Nota: Tenha cuidado para não perder as partículas finas durante a decantação. Pare a decantação, tão logo o sobrenadante mostra traços de partículas em suspensão (redemoinhos, flocos ou aparência turva).
    6. Ressuspender o sedimento em água DI (lavagem 1), não exceda a marca de 200 mL.
      Nota: É importante garantir a re-suspensão adequada para que o SPT pode não permanecer preso entre as partículas. Aderindo ao lado da garrafa de partículas finas são mais facilmente suspenso com um jacto de água de uma garrafa de esguicho. A pelota pode ser re-suspenso por bater a garrafa de cabeça para baixo e num Vortex. Se a amostra permanece peletizada, use a tabela de agitação. Um passo de baixa energia sonication (por exemplo, 75 J·mL-1) também é possível.
    7. Repita o procedimento de lavagem (etapas 5.2.3 – 5.2.6) mais duas vezes (lavar 3 2 e lavagem).
    8. Verifique se a densidade do líquido sobrenadante última pesagem um volume de 10 mL; sua densidade deve ser < 1.01 g·cm-3. Se o sobrenadante é mais denso do que este, realize uma lavagem deth 4.
    9. Realize uma lavagem final usando 0,01 M NaCl como uma solução de lavagem, para evitar a dispersão de coloides. Totalmente decante a solução de lavagem a última.
    10. Colete hFs (pellet + partículas finas, aderindo ao lado das garrafas) em um barco de alumínio e seco a uma temperatura máxima de 105 ° C até peso constante. Loja da mesma forma como os LFs.

6. reciclagem de SPT

Nota: A solução SPT pode ser reciclada, tendo em conta a reutilização por passagem através de uma coluna contendo carvão ativado e uma resina de permuta catiónica50. Carvão ativado retém produtos orgânicos, enquanto a resina de troca de cátion sódio saturada remove o cálcio e outros cátions da solução e substitui-los com sódio. Digerimos o SPT em peróxido de hidrogênio antes de passá-la através da coluna para assegurar a remoção quantitativa de orgânicos dissolvidos.

  1. Configurar e alterar a coluna de reciclagem
    1. 5-8 furos de cerca de 4-5 mm de diâmetro na base de um cilindro de policarbonato graduado de 1.000 mL.
    2. Corte 2 circulares 11 μm de tamanho de poro filtros para dimensionar e colocá-los na parte inferior do cilindro. Sobrepor os filtros com 3-5 cm de lã de vidro. Adicione 8 a 10 cm de carvão ativado.
      Nota: Porque a maioria dos produtos orgânicos é removida por digestão H2O2 , a quantidade de carvão ativado na coluna pode ser reduzida em comparação com a recomendação de seis50.
    3. Cubra com 3-5 cm de lã de vidro. Adicione 8 a 10 cm de resina de troca catiônica novo ou regenerado. Terminar com 3-5 cm de lã de vidro.
    4. Braçadeira da coluna acima para uma base de metal. Lugar de Funis plásticos grandes equipados com 2,5 μm de tamanho de poro filtros na parte superior e inferior da coluna. O funil do fundo será conectado à tubulação levando a uma garrafa de plástico.
    5. Lave a coluna passando 2L de DI água através da coluna antes da primeira utilização.
    6. Substituir o carvão ativado e regenerar a resina de permuta catiónica após aproximadamente 10 a 15 L de SPT passaram.
  2. SPT limpeza
    1. Lugar da solução em uma placa quente com magnético SPT mexendo. Adicionar 15 mL de 35% H2O2 para cada litro de solução SPT utilizado e digerir por 24 h a aproximadamente 60 ° C.
    2. Remover o SPT do prato quente e deixar a solução à temperatura ambiente em plasticware durante um período mínimo de 7 dias.
    3. Infiltrar-se através da coluna de reciclagem. Mude os filtros em funís todos os dias.
    4. Lavar a coluna com cerca de 2 x 200 mL de água DI para recuperar todos os TSC...
  3. Evaporação
    1. Lugar do SPT reciclado em um prato quente com magnético mexendo. Adicione 15 mL de etanol a 70% para cada litro de solução SPT para neutralizar qualquer capacidade restante de oxidante. Etanol em excesso volatilize prontamente a partir da solução durante a evaporação.
    2. Evapore a solução em fogo baixo a densidade desejada.
    3. Esfriar a solução e verificar a densidade. Armazene em garrafas de plástico.

Representative Results

As amostras são solos tropicais originários do vale do rift de Albertine no Uganda. Eles consistem de perfis de 3 sites cultivadas recebendo sem insumos externos como fertilizantes ou fitossanitárias de produtos. Estas amostras foram escolhidas para representar um amplo espectro de mineralogia. Análises preliminares mostraram que esse site 1 era menos resistiu e mais rico em silicatos primários (feldspatos). Local 2 mostrou sinais de intemperismo mais avançado com um alto teor de argilas secundárias tais como caulinita e um relativo enriquecimento em quartzo. Local 3 foi altamente desgastado com sinais de desilicification e acumulação residual de óxidos de ferro e oxyhydroxides. Site 3 contivesse uma concentração extremamente elevada de ferro total (34%, expressado em óxido de3 2O Fe) devido à presença de material plinthic (ricos em ferro induração51,.52). Para cada perfil, foram amostrados dois horizontes: solo e subsolo (B). CSDF foi a estes 6 amostras em quatro repetições.

O primeiro passo na avaliação da eficácia do processo de fracionamento é olhar para as taxas de recuperação, (ou seja, se o material inicial quantitativamente é obtido ao final do experimento). Avaliamos as taxas de recuperação baseadas no solo todo e conteúdo SOC.

Taxas de recuperação global, todo o solo eram consideradas muito bons, com 16 dos 20 repetições com taxas de recuperação de mais de 90% e 4 Replica apresentando taxas de recuperação entre 85-90% (tabela 4). A causa da recuperação incompleta provavelmente foi uma perda de substâncias dissolvidas e coloidais durante a lavagem. Duas repetições mostraram um ligeiro ganho de massa (da ordem de 1%) que possivelmente poderia ser causada por resíduos SPT ou imprecisões de pesagem. Note-se que razoável massa desequilíbrios (< % de 10-15) são comuns e geralmente não faço compromisso a validade do fracionamento.

Recuperação SOC geralmente estava ao alcance dos relatórios de outros estudos53,54 e notavelmente constante, considerando a grande variação no conteúdo inicial de SOC (tabela 5). A maioria das amostras apresentou uma taxa de recuperação do SOC de 80-85%. As perdas são atribuíveis a descarga de C solúvel, que é uma característica inevitável do método; no entanto, C orgânico solúvel facilmente pode ser quantificado utilizando uma extração separada em água, sal ou produto químico dispersante55. Uma pequena perda de coloides orgânicos dispersos durante o fracionamento é igualmente provável. Um site que mostrou um ligeiro ganho de carbono que provavelmente pode ser atribuído a erro de análise, como o valor absoluto para a diferença era pequeno (3 mg).

A reprodutibilidade do método pode ser verificada através da análise de dispersão entre repetições. Avaliamos o erro padrão da média (SEM), bem como o coeficiente de variação (CV) de massa de fração entre repetições.

Erros-padrão da média eram pequenas (tabela 6), sendo geralmente de 1 a 2 ordens de magnitude menores do que os valores médios. Isso mostra que o trabalho em 4 repetições nos permitiu estimar confiavelmente a tendência central para distribuição de materiais entre frações.

Coeficientes de variação variou de 2 a 70% (tabela 7). Todos os CVs maiores que 35% ocorreu para fracções com pequenas quantidades de material (< 0,25 g). Estes valores elevados são simplesmente devido ao fato de que divisão por uma pequena média produz altas CVs. Algumas frações hF1 e hF3 (silicatos de grossos e fino) mostraram CVs relativamente altas, entre 20-35%, ainda composta por grandes quantidades de materiais (g 1-4). Isso pode refletir o elevado potencial de erros humanos durante várias etapas sensíveis (ou seja, (1) a separação de materiais flutuantes e em suspensão da pelota em soluções densas, (2) sedimentação para isolar frações de tamanho de partícula, (3) amostra de lavagem e recuperação). Este resultado confirma a necessidade de trabalhar em várias repetições para obter resultados robustos. Também é recomendável que todo o processo ser tratado pela mesma pessoa, que se torna um perito em executar manipulações de forma reprodutível e agudamente observará quaisquer detalhes que podem ser diferentes de lotes anteriores.

A distribuição da massa de material entre fracções mostrou diferenças fortes entre sites, como poderia ser esperado, dadas as diferenças iniciais em mineralogia (Figura 2). No site 1, predominam os silicatos primários tais como o quartzo e feldspatos, a maioria do material foi recuperado em hF1 (projetado para concentrar o grossos silicatos). Local 2 mostrou uma maior porcentagem de filossilicatos (principalmente caulinita) durante a análise mineralógica; por conseguinte, hF3 (projetado para concentrar bem silicatos) tinha mais materiais do que no site 1. Finalmente, o site 3 foi o mais rico em óxidos e também mostrou a maior quantidade de material em hF2, projetado para concentrar-se óxidos grosseiros. Isso indica que o método foi bem-sucedido em fisicamente fracionamento de amostras em massa em seus principais componentes mineralógicos.

A quantidade de materiais recuperados em grosseiros (hF1 + hF2) contra multa (hF3 + hF4) fracções foi comparado com o que era esperado com base na distribuição de tamanho de partícula, determinada pela granulometria do laser (tabela 8). Acordo foi bom (< 10%) para as três amostras. As outras três amostras mostraram um excesso de material na ordem de 20% nas fracções grosseiras. A grande quantidade de óxidos nos solos (particularmente no local 3) pode ser parcialmente responsável por essa diferença. Grãos de óxido tem uma densidade maior em comparação com silicatos e terá sedimentos mais rápido. Outros fatores podem incluir a dispersão incompleta ou floculação parcial de amostras durante a sedimentação, desde que nós não usamos química dispersão e remoção de alguns materiais finos em frações leves (fLF e oLF). Finalmente, granulometria do laser é baseada em estimativas de volume sob a suposição de esfericidade da partícula, enquanto sedimentação produz estimativas baseadas em massa. Estes princípios de medição de contraste são propensos a dar resultados um pouco divergentes.

CSDF isola frações de relativa homogeneidade mineralógica e seu associada matéria orgânica (orgânicos e minerais complexos). É mais útil como uma etapa de preparação antes de posteriores análises geoquímicas, bioquímicas e mineralógicas. Sem dúvida, as experiências mais poderosas terá por objectivo caracterizar tanto a matéria orgânica e os minerais em cada fração. Isto irá fornecer evidência direta para a natureza de associação organo-mineral em solos.

Análises poderiam incluir a determinação da quantidade SOM (por exemplo, a análise elementar de C orgânico e nitrogênio total) e qualidade (por exemplo, diferencial de Fourier espectroscopia de infravermelho, espectrometria de massa de cromatografia de gás de pirólise ou térmico análise como pirólise Rock-Eval56,57,58). Quando se olha para o parceiro mineral, análises úteis podem incluir análise de tamanho de partícula, quantificação de reativo de alumínio e ferro fases59, difração de raios x (XRD) em amostras em pó para mineralogia em massa ou em slides orientadas para mineralogia da argila 60.

Técnicas capazes de produzir informações simultâneas em ambos os componentes orgânicos e inorgânicos podem ser de particular interesse. Mapeamento elementar por espectrometria de massa de iões secundários (SIMS) ou microscopia eletrônica juntamente com microanálise de raios-x (WDS ou EDS, comprimento de onda ou energia espectroscopia dispersiva raio-x) pode permitir a localização co do C, N e elementos associados reativa as fases minerais tais como espectroscopia de fotoelétron Fe, Al, Mn ou Ca. raios x (XPS) podem revelar a composição química do SOM e a composição elementar da superfície de cada fração61.

Figure 1
Figura 1: fluxograma. Etapas de fracionamento e cortes utilizados no método são apresentados aqui. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: distribuição de materiais entre fracções em função da mineralogia do solo para dois horizontes (A e B) em três locais. (A) gráfico de barras mostrando a repartição de materiais entre frações. Barras representam a média e as barras de erro representam o erro padrão da média de quatro repetições. Para cada amostra, a soma de cinco barras para 100%. (B) a granel mineralogia amostra avaliada pelo pó difração de raios x. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Componente do solo Classe Densidade [g cm-3] Distribuição de tamanho Fonte
Orgânicos Matéria orgânica 1,00-1,50 Variável Várias fontes. Ver Rühlmann et al (2006)25 para uma revisão
Imogolite Fase cristalina mal 1,70-2.33 Clay Wada e Wada (1977)26
Allophane Fase cristalina mal 1.84-2,35 Clay Wada e Wada (1977)26 ; Wilson (2013)27
Opal Fase cristalina mal 1,90-2,30 Variável Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Montmorilonita Minerais de argila 2.30-2,35 Clay Wada e Wada (1977)26; Wilson (2013)27
Vermiculita Minerais de argila 2.30-2,50 Clay Wilson (2013)27
Gibbsita Óxido Al 2.34-2,42 Variável Hudson Institute de mineralogia (2017)28
K-feldspatos Primários silicatos ricos em Si 2.54-2,57 Silte e areia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Albita Primários silicatos ricos em Si 2.60-2,62 Silte e areia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Caulinita Minerais de argila 2.60-2.68 Argila e silte Klein e Philpotts (2017)29; Wilson (2013)27
Quartzo Primários silicatos ricos em Si 2,63-2.66 Silte e areia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Calcita Carbonato de 2.71 Variável Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Anortita Primários silicatos ricos em Si 2.74-2,76 Silte e areia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Ilita Mica de grão fino 2,75-2,80 Clay Wilson (2013)27; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Moscovita Mica 2,77-2,88 Variável Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Biotita Mica 3.20-2,78 Variável Klein e Philpotts (2017)29; Skopp (2000)30
Dolomita Carbonato de 2.84-2,86 Variável Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Anfíbolas Silicatos ferromagnesianos primários 3.00-3,40 Silte e areia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Piroxenas Silicatos ferromagnesianos primários 3.20-3.60 Silte e areia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Goethita Óxido de Fe 3.30-4.37 Variável Hiemstra e van Riemskijk (2009)31; Klein e Philpotts (2017)29
Ferrihydrite Óxido de Fe 3.50-3,90 Clay Hiemstra e van Riemskijk (2009)31
Lepidocrocite Óxido de Fe 4.13-4,00 Variável Hiemstra e van Riemskijk (2009)31; Hudson Institute de mineralogia (2017)28
Hematita Óxido de Fe 4,80-5,30 Variável Klein e Philpotts (2017)29; Skopp (2000)30

Tabela 1: principais componentes do solo em ordem crescente de densidade. Sua prevalência nas principais classes texturais (fração argila, 0-2 µm; fração silte, 2-50 µm; fração areia, 50-2000 µm) para solos moderadamente resistidos também é indicado.

Nome da fração Abreviatura Cortes
Organics grátis fLF < 1,62 g cm-3 (antes sonication)
Organics obscurecidas oLF < 1,62 g cm-3 (após sonication)
Silicatos grosseiros hF1 > 8 µm, 1,62 g cm-3< hF1 < 2,78 g cm-3
Óxidos grosseiros hF2 > 8 µm, > 2,78 g cm-3
Silicatos bem hF3 < 8 µm, 1,62 g cm-3< hF3 < 2,78 g cm-3
Óxidos de bem hF4 < 8 µm, > 2,78 g cm-3

Tabela 2: Lista de fracções resultantes CSDF usando um sonication, dois densidade e etapas de separação de um tamanho.

Volume da solução [mL] Densidade desejada [g cm-3] Massa SPT [g] Volume de H2O [mL]
1000 1.6 741 856
1000 1.8 990 810
1000 2 1250 750
1000 2.2 1490 715
1000 2.4 1803 595
1000 2.6 2052 545
1000 2.8 2297 504
1000 3 2552 450

Tabela 3: Guia para a preparação de soluções comuns de SPT.

Local Horizon Replicar Começando em massa
[g]
Massa final
[g]
Diferença
[g]
Diferença
[%]
1 A 1 10.110 9.531 0.579 5.73
2 10.057 9.354 0,703 6.99
3 10.010 8.589 1.421 14.19
4 10.043 10.197 -0.154 -1.53
B 1 10.054 9.891 0.163 1.62
2 10.069 9.746 0.323 3.21
3 10.058 9.699 0.359 3.57
4 10.059 9.782 0,277 2,76
2 A 1 10.130 9.252 0.878 8.67
2 10.182 9.246 0.936 9.20
3 10.053 9.372 0,681 6,77
4 10.031 9.577 0.454 4,53
B 1 10.123 8.824 1.299 12.83
2 10.052 8.938 1.114 11.08
3 10.029 9.006 1.023 10.20
4 10.086 9.118 0.968 9,60
3 A 1 10.020 9.187 0.833 8.32
2 10.060 9.139 0.921 9,15
3 10.069 9.386 0.683 6,79
4 10.049 9.638 0.411 4.09
B 1 10.071 9.207 0.864 8,58
2 10.065 9.314 0,751 7,46
3 10.155 10.241 -0.086 -0.85
4 10.046 9.549 0.497 4.95

Tabela 4: taxa de recuperação de solo inteiro, mostrando a partida em massa no início do processo de fracionamento e final massa calculada como a soma de todas as frações. As diferenças são expressas em % começando em massa.

Local Horizon Massa inicial do SOC Massa final do SOC Diferença Diferença
[g] [g] [g] [%]
1 A 0,50 0,41 0,09 18.07
B 0,026 0,029 -0.003 -10.63
2 A 0,34 0,27 0.07 20.19
B 0.07 0,06 0.01 12,33
3 A 1.08 0.94 0,14 12,56
B 0.31 0,27 0.05 14.51

Tabela 5: taxa de recuperação de carbono orgânico do solo. Conteúdo SOC inicial foi calculado como o produto da concentração de C orgânico medido por análise elementar e inicial massa da amostra. Conteúdo final SOC foi calculado como o produto da concentração de C orgânica e massa cada fração, resumiu para todas as frações. As diferenças são expressas em % começando em massa.

Local Horizon fLF
1,62 g cm-3
oLF
1,62 g cm-3
hF1
> 8 µm
< 2,78 g cm-3
hF2
> 8 µm
> 2.78 g cm-3
hF3
< 8 µm
< 2,78 g cm-3
hF4
< 8 µm
> 2.78 g cm-3
1 A 0.0794 ± 0.0052 0.1093 ± 0,0076 5.2188 ± 0.3079 0.3925 ± 0.0416 3.3699 ± 0.1504 0.2478 ± 0.0689
B 0.0044 ± 0,0005 0.0074 ± 0.0011 8.4351 ± 0,16 0.2569 ± 0.0301 0.9528 ± 0.1013 0.1226 ± 0.0124
2 A 0.066 ± 0.011 0.1353 ± 0,0152 5.722 ± 0.1033 0.2575 ± 0,008 3.0761 ± 0.1464 0.1047 ± 0.0364
B 0.0024 ± 0,0002 0,0165 ± 0.0022 4.5416 ± 0.0387 0.3082 ± 0,0072 4.0005 ± 0.0547 0.1025 ± 0.0268
3 A 0.2107 ± 0.0099 0.1489 ± 0.0223 3.8507 ± 0.6801 1.762 ± 0.0923 3.2862 ± 0.4892 0.0792 ± 0.0165
B 0.0305 ± 0.0035 0.0433 ± 0.0065 2.5929 ± 0.376 4.1277 ± 0.1025 2.6909 ± 0,13 0.0927 ± 0.0087

Tabela 6: dizer o valor e SEM para fração em massa (g). Cada célula representa uma média de 4 repetições.

Local Horizon fLF
< 1,62 g cm-3
oLF
< 1,62 g cm-3
hF1
> 8 µm
< 2,78 g cm-3
hF2
> 8 µm
> 2.78 g cm-3
hF3
< 8 µm
< 2,78 g cm-3
hF4
< 8 µm
> 2.78 g cm-3
1 A 0.13 0,14 0.12 0.21 0,09 0,56
B 0.22 0,29 0,04 0.23 0.21 0.20
2 A 0,33 0.22 0,04 0,06 0,10 0.70
B 0.17 0,26 0.02 0.05 0,03 0,52
3 A 0,09 0,30 0.35 0,10 0,30 0.42
B 0.23 0,30 0,29 0.05 0,10 0,19

Tabela 7: Coeficientes de variação da massa de fração para 4 repetições.

Local Horizon Textura
< 8 µm
%
Textura
> 8 µm
%
Materiais em frações bem
(hF3 + hF4)
%
Materiais em frações grossas
(hF1 + hF2)
%
Fração grossa
'excesso'
%
1 A 48 52 39 61 9
B 31 69 11 89 20
2 A 43 57 35 65 8
B 46 54 46 54 1
3 A 58 42 37 63 21
B 52 48 29 71 23

Tabela 8: comparação entre a textura do solo, determinada pela granulometria do laser e a distribuição de partículas em frações de tamanho. A última coluna mostra o excesso de materiais em frações grossas em comparação com o que era esperado com base na análise textural.

Discussion

O sucesso das experiências do CSDF depende a seleção de parâmetros apropriados para o método, para que as fracções de composição relativamente homogênea podem ser isoladas. Considerações-chave na seleção dos parâmetros de fracionamento são discutidas abaixo.

O fLF representa a matéria orgânica para que a interação com os minerais é mínima. Extração dessa fração é delicada, uma vez que a mistura de solo com a solução densa pode já terminar alguns macroaggregates. No entanto, há indícios de que a matéria orgânica presente no macroaggregates pode ser mais parecida com o fLF stricto sensu do que para o oLF lançado pela alta energia sonication18. Alguns autores propuseram mesmo um passo de baixa energia sonication para isolar o pool de livre e fracamente interagindo mineral matéria orgânica, denominado 'intra agregado orgânico particulado', iPOM54.

Para o lançamento de matéria orgânica obscurecida, técnicas diferentes existem para perturbar os agregados do solo. A mais difundida é sonication, agitação com contas de vidro e o uso de dispersantes químicos33,,62,63. Sonication foi escolhido aqui, porque a energia de saída pode ser finamente controlada e é acreditada para distribuir mais ou menos uniformemente na amostra. Por impedindo a necessidade de usar dispersantes químicos, sonication pode ser considerado como relativamente conservante para complexos organo-mineral22,33. A etapa de dispersão, no entanto, continua a ser uma das operações mais delicadas. Por um lado, uma fraca dispersão deixará os agregados intacta e pode levar a uma estimativa excessiva do hF SOC; por outro lado, um passo de dispersão altamente vigorosa pode causar re-distribuição de SOC entre as frações pela destruição parcial de complexos organo-mineral. Fracas orgânico-areia associações podem ser particularmente vulneráveis a esse processo. Desde que a oclusão dentro de agregados e sorção de superfície são processos que ocorrem ao longo de um continuum2, não existe nenhuma solução perfeita. Portanto, o nível de energia de sonication precisa ser ajustado cuidadosamente de acordo com as propriedades do solo. Kaiser e Flavio64 publicaram uma revisão muito útil que propõe uma estratégia para minimizar artefatos causados por ultra-som quando solos de dispersão.

Relatou sonication energias variam de 60 até 5.000 J·mL-1. Diversos grupos de pesquisa relataram que 100 J·mL-1 poderia ser suficiente para destruir o macroaggregates e eficazmente dispersar arenosos, enquanto 500 J·mL-1 destruiria grandes Latossolos e fornecer uma razoável dispersão de reativo solos63,,65,,66,67,68. Em esquemas de fracionamento físico, dispersão completa de silte e argila de tamanho de agregados pode não ser necessário, uma vez que o mecanismo de proteção é provável tornar-se indistinguível da estabilização sortivo nesses intervalos de tamanho. Um objetivo razoável de dispersão antes de fracionamento de tamanho ou densidade pode ser interromper a macro (> 250 µm) e micrograndes (> 53 µm) agregados. Energias de 100 J·mL-1 (solos arenosos) a 200 J·mL-1 (solos argilosos) podem ser opções apropriadas. Uma energia de 200 J·mL-1 já pode extrair uma porção de metabólitos microbianos (supostamente mineral associadas)69, assim o uso de energias sonication superiores deve ser objecto de atenção. No entanto, solos mineralógicamente reativos com agregados cimentados poderiam exigir até 500 J·mL-1 para dispersar. É essencial que a energia de dispersão ser ajustado para coincidir com cada tipo de solo, bem como objectivos de estudo. Finalmente, é importante lembrar que mesmo depois de supostamente completa dispersão ultra-sônica, tamanho de argila de Latossolos deverão persistir70.

Uma dificuldade com a harmonização das técnicas de fracionamento físico reside na heterogeneidade encontrada em solos, em particular na sua composição mineral. A escolha de soluções densas deve ser feita com base no conhecido ou inferida mineralogia do solo, com o objetivo de isolar frações que são tão homogéneas quanto possível.

No artigo, a solução densa usada foi SPT - pH 371,72. O baixo pH minimiza perdas de compostos orgânicos solúveis. No entanto, fracionamento de densidade pode ser realizado com diferentes soluções densas. Historicamente, líquidos orgânicos foram usado (tetrabromoethane, tetraclorometano), mas foram gradualmente abandonados do lucro de sais inorgânicos (iodeto de sódio, SPT) por causa da toxicidade de hidrocarbonetos halogenados e a contaminação inerente do solo produtos orgânicos. Hoje em dia, SPT é a solução preferida porque sua densidade pode ser ajustada entre 1.0 a 3.1 g·cm-3, pode ser reciclado e tem uma baixa toxicidade (a menos que ingeriu)22,50. Principais fabricantes oferecem um notas de gama de SPT, diferenciando-se do nível de contaminação de carbono e nitrogênio. Para fracionamento de densidade de solos, o grau mais puro é recomendado, especialmente se as frações estão a ser analisados para a composição isotópica.

Uma solução de densidade 1.6 g·cm-3 classicamente tem sido usada para separar luz orgânico de fracções mineral-associados - ver, por exemplo, Golchin et al.21. Enquanto alguns autores têm sugerido que uma densidade de 1 g·cm-3 (água) pode ser suficiente para extrair a maior parte da fracção leve73,,74, outros têm proposto maior densidade cortes como 1.62 ou 1,65 g·cm-3 com base em a ideia de que alguns componentes orgânicos podem mostrar as densidades até 1,60 g·cm-3 33,,75,76. Densidades tão altas quanto 1,85 g·cm-3 até tem sido empregados50. Ao selecionar uma densidade para separar a luz das frações pesadas, note-se que não existe nenhuma solução perfeita. De fato, menor risco de densidades atribuindo alguns produtos orgânicos 'luz' para as frações pesadas, enquanto o maior risco de densidades, incluindo alguns minerais em frações leves. Este último efeito pode ser detectado quando observando o teor de carbono das frações leves, com uma % menor do que 40-45% indica algum grau de contaminação mineral SOC.

Para frações pesadas, análise preliminar como XRD podem fornecer insights sobre a mineralogia da maior parte da amostra60 e ajudar a definir a densidade de madeira cortada capaz de distinguir entre os principais componentes minerais de um solo, mantendo em mente tão alto orgânico cargas irão diminuir a densidade de um mineral em relação ao seu valor teórico. Da mesma forma, para separação de tamanho de partícula, uma análise textural77,78 pode ajudar a definidos limites apropriados. Separação de tamanho de partícula é uma adição particularmente atraente para fracionamento de densidade simples sempre que o fracionamento sequencial densidade é difícil. Este é o caso, por exemplo, para solos que contém grandes quantidades de oxyhydroxides e argilas de baixa atividade, que resultem em dispersão da amostra e evitar separações claras em líquidos pesados. Um passo de separação de tamanho de partícula é indicado também para separar minerais de densidades semelhantes, mas tamanhos diferentes (por exemplo, quartzo e Ilita).

Íons de cálcio livre irão reagir com SPT para formar insolúvel Ca metatungstate. O procedimento é, portanto, inadequado para solos alcalinos contendo grandes quantidades de carbonatos mal cristalinas, pedogenic. Pequenas quantidades de baixa reatividade carbonatos não interfiram com o fracionamento, enquanto as amostras não são deixadas em contato com SPT por muito tempo. CA metatungstate precipitados vão levar a uma estimativa excessiva das massas de fração. Se LFs são executados em um analisador elementar para a concentração de C, o problema vai ser descoberto mas o fracionamento pode ser comprometido.

Além dessas dificuldades técnicas, a limitação fundamental do CSDF (ou de qualquer esquema de fracionamento físico) resulta do facto de que minerais reativos em solos raramente ocorrem como separa discreta, mas sim como revestimentos e cimentos. A ocorrência de revestimentos altamente sortivo mas muito finas no caso contrário ́ minerais (como quartzo) pode levar a uma visão tendenciosa das associações organo-mineral. Cuidado, portanto, é necessário ao interpretar os resultados, particularmente em solos cuja reatividade é dominada pelo mal cristalina e fases de óxido. Caracterização adicional das frações pode ajudar a aliviar essas ambiguidades. No entanto, métodos de fracionamento físico detalhado como CSDF tem uma habilidade incomparável para obter conhecimento sobre a composição dos complexos de organo-mineral naturalmente. Tal percepção é esperada para produzir a nova compreensão da biogeoquímica da maior piscina de matéria orgânica no solo, aquele mineral associadas.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

O desenvolvimento deste método foi apoiado por investimentos a Fond (INVF) da faculdade de Geociências da Universidade de Lausanne. Reconhecemos o Conselho Nacional de Uganda para a ciência e tecnologia e Uganda Wildlife Authority nos conceder permissão para coletar amostras de investigação. Os autores mais gostaria de agradecer a Prof Thierry Adatte para análises CHN e XRD. Agradecemos ao Prof Erika Mendonça-Spiotta para a prestação de formação inicial em fracionamento de densidade clássica. Agradecemos também o gerente de laboratório Laetitia Monbaron pela sua assistência na obtenção de suprimentos e equipamentos.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Fractionation
Sodium polytungstate Sometu SPT 0 (low C and N) is recommended. Lower grade polytungstate may contaminate samples.
Hydrometers (1-1.5, 1.5-2, 2-2.5, 2.5-3 g.cm-3) Allafrance Calibrated at 20 °C, e.g. 3050FG250/20-qp
Vortex mixer Fisher Fixed speed standard vortex mixer, e.g. 02-215-410
Sonifier VWR Qsonica LLC - Q500 system with standard probe 4220
Sonifier stand VWR Large clamp stand
Sonifier enclosure VWR Soundproof cabinet (optional)
Swinging-bucket centrifuge Beckman Able to achieve speeds of 4000 g or more, fitted with rotor accommodating 50 mL Falcon tubes
High-speed centrifuge with fixed angle rotor Beckman Able to achieve speeds of 7500 g or more, fitted with rotor accommodating 250 mL bottles
50 mL centrifuge Falcon tubes Corning e.g. 352070
250 mL centrifuge bottles Beckman Polycarbonate bottles (e.g. 352070) are recommended because they are clearer than other plastics.
Vaccum filtration units Semadeni Polusulfone reusable units, e.g. 3029
Polypropylene hose Semadeni To connect the filtration unit to vaccuum source
Ultrafiltration disks, 0.45 µm pore size Millipore e.g. HAWP04700
Dessicator cabinet Fisher scientific 3 shelves, e.g. 305317-0120
Drierite absorbent indicating Millipore Blue drierite, e.g. 10276750
Scintillation vials Fisher scientific HDPE - separated cap 20mL, e.g. 12341599
150 mL aluminium boats (smooth sides) Fisher scientific Any model.
Laboratory oven Fisher scientific Any model.
Recycling SPT column
Cation exchange resin Sigma-Aldrich Dowex® Marathon™ C sodium form, strongly acidic, 20-50 mesh
Activated charcoal Sigma-Aldrich Darco S-51, 4-12 mesh
Glass wool Fisher scientific Pyrex
Filter paper, 2.5 µm pore size Sigma-Aldrich Whatman grade 42, e.g. WHA1442150
Hydrogen peroxide Sigma-Aldrich Reagent grade.
Ethanol Sigma-Aldrich Reagent grade.
Polycarbonate 1000mL graduated cylinder Semadeni Any model.
Stand and clamp Sigma-Aldrich Size L - 2-prong
Polypropylene hose Semadeni Any model.
Polypropylene hose clamp Semadeni Any model.
Polypropylene funnels Semadeni Any model.
Polypropylene bottle (1L, 2L) Semadeni Any model.
Heating plate Fisher scientific Any model.

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