Tamaño combinado y fraccionamiento de densidad de los suelos para las investigaciones de interacciones de abonos minerales

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Summary

Fraccionamiento combinado del tamaño y densidad (Forum) es un método para separar un suelo en fracciones que difieren en la textura (granulometría) y mineralogía (densidad). El propósito es aislar fracciones con reactividades diferentes hacia la materia orgánica del suelo (SOM), para entender mejor las interacciones de abonos minerales y la dinámica 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

Fraccionamiento combinado del tamaño y densidad (Forum) es un método utilizado para separar físicamente el suelo en fracciones diferentes en mineralogía y granulometría. Forum se basa en pasos de separación y la sedimentación secuencial densidad para aislar (1) la fracción ligera libre (materia orgánica uncomplexed), (2) la fracción de luz ocluida (uncomplexed materia orgánica en los agregados del suelo) y (3) un número variable de pesado fracciones (minerales del suelo y su materia orgánica asociada) difieren en composición. Siempre que se seleccionan adecuadamente los parámetros de la Forum (energía de dispersión, densidad cut-offs, tiempo de sedimentación), el método produce fracciones pesadas de composición mineralógica relativamente homogéneo. Cada una de estas fracciones se espera tener una capacidad de secuestrantes diferentes hacia la materia orgánica, haciendo de esto un método útil para aislar y estudiar la naturaleza de las interacciones de organo-mineral. Combinación de separación de tamaño densidad y partícula trae una resolución mejorada en comparación con el tamaño o la densidad fraccionamiento métodos simples, lo que permite la separación de componentes pesados según tamaño (relacionado con el área de la superficie) y Mineralogía criterios. Como es el caso para todos los métodos de fraccionamiento físico, puede considerarse como menos disruptivos o agresivos que los métodos de extracción basados en la química. Sin embargo, Forum es un método lento y además, se puede limitar la cantidad de material obtenido en algunas fracciones para posterior análisis. Después de Forum, las fracciones pueden analizarse para la concentración de carbono orgánico del suelo, composición mineralógica y química de la materia orgánica. El método proporciona información cuantitativa sobre la distribución de carbono orgánico en una muestra de suelo y trae luz a la capacidad absorbentes de las fases mineralógicas diferentes, naturales, proporcionando información mecanicista sobre la preferente naturaleza de las interacciones de organo-minerales en los suelos (es decir,., que minerales, qué tipo de materia orgánica).

Introduction

El suelo es un sistema complejo que contiene elementos de origen geológico y biológico. El estudio de su interrelación es la piedra angular de nuestra comprensión del ecosistema la función1. En particular, las interacciones de organo-mineral se cree que desempeñan un papel clave en el suelo materia orgánica (MOS) dinámica2. Dinámica SOM desentrañar es actualmente un área de investigación muy activa por varias razones. Un suelo con altos stocks SOM tenderá a mostrar buena fertilidad intrínseca y también puede constituir un secuestro de carbono ambientalmente valiosos oportunidad3,4.

Materia orgánica en el suelo es muy heterogénea, con algunos componentes de volcar en el espacio dentro de unas horas, mientras que otros pueden persistir por miles de años5. Los determinantes de esta heterogeneidad siguen siendo un tema controversial, pero la asociación con la matriz mineral se piensa para ser particularmente importante6,7, especialmente para subsuelo horizontes8. Como resultado, las fases que estrechamente asociado con componentes orgánicos están recibiendo creciente interés9,10,11.

Suelos contienen una amplia gama de minerales con cualitativa y cuantitativamente diversos absorbentes potencial hacia SOM. Minerales con grandes áreas superficiales específicas o superficies altamente reactivas han demostrado tener una capacidad de absorción alta de compuestos orgánicos4,12. En los suelos, minerales secundarios como filosilicatos de alta actividad (por ejemplo, smectites), oxihidróxidos de hierro y aluminosilicatos pobremente cristalinas han demostrado participar significativamente en la conservación absorbentes de algunos compuestos orgánicos13 , 14 , 15 , 16 , 17. separar el suelo en fracciones diferentes en mineralogía así podría ayudar a aislar la materia orgánica piscinas con relativa homogeneidad funcional.

El objetivo de este trabajo es presentar una metodología para aislar complejos organo-minerales según composición, que luego facilita el estudio de sus propiedades. El método combina el tamaño y densidad de fraccionamiento para separar físicamente el suelo a granel en una secuencia de fracciones de diferente composición. Fraccionamiento combinado del tamaño y densidad (Forum) integra dos métodos de fraccionamiento físico eficaz (separación de tamaño de partícula y densidad de separación). La combinación de estos dos enfoques trae resolución mejorada a nuestra comprensión de las asociaciones de abonos minerales en el suelo.

Hay muchos enfoques diferentes (químicos, físicos o bioquímicos) que pueden utilizarse para especificar fracciones en un grueso suelo muestra18,19. Fraccionamiento de densidad simple es una separación física que ha sido ampliamente utilizada por los científicos del suelo para estudiar dinámica SOM (véase por ejemplo Grunwald et al., 2017 y referencias en esto)20. En su forma clásica, fraccionamiento de densidad simple separa materiales más ligeros que un corte determinado (generalmente de 1.6 a 1.85 g·centímetro-3) - la fracción ligera (LF) de los materiales más pesados - la fracción pesada (hF). El LF es a veces más futuro dividido en fracción ligera libre (fLF) y fracción luz ocluida (oLF)21.

En muchos suelos, se encuentra la piscina más grande de SOM en el hF22. MOS en la hF se piensa generalmente para ser más estables que en la LF23, sin embargo, se ha demostrado que mantener una alta composición y probablemente, heterogeneidad funcional18. Esto apunta a la necesidad de más se separa el hF en subfracciones más homogéneos, con el fin de aislar piscinas de SOM con distintas propiedades biogeoquímicas (tales como tiempo de residencia o de funcionalidad). Fraccionamiento de densidad secuencial, como se describe por Sollins et al (2009)24, de hecho ha demostrado para ser un método exitoso; sin embargo una separación únicamente a partir de densidad corre el riesgo de con vistas a las diferencias resultantes de la variación en tamaño de grano y así la superficie específica. Por ejemplo, la caolinita tiene aproximadamente la misma densidad como cuarzo pero puede estar separado sobre la base de su modo de tamaño (tabla 1). Forum incluye consideración de tamaño de grano y mejora la resolución del fraccionamiento.

Fraccionamiento de la MOS basado en las propiedades físicas, químicas o bioquímicas tiene una larga historia. Métodos físicos como el Forum se basan en atributos físicos de los componentes del suelo, tales como el tamaño (de partículas o agregados) o la densidad. Métodos químicos incluyen la extracción selectiva de compuestos específicos o clases de compuestos, así como oxidación química. Métodos bioquímicos dependen de la oxidación microbiana bajo diferentes condiciones experimentales. Métodos químicos y bioquímicos se basan en principios diferentes y tienen diferentes objetivos en comparación con métodos físicos pero sin embargo brevemente se repasan a continuación.

La extracción alcalina (con hidróxido de sodio por ejemplo) alinea entre los primeros métodos utilizados para aislar químicamente el componente orgánico de suelos6. Métodos más modernos, químicos para el fraccionamiento de SOM ejemplos de i) extracción alcalina con Na-pirofosfato destinadas a aislar a SOM a minerales; II) hidrólisis ácido (HCl) dirigido a cuantificar SOM antiguo, persistente; y iii) oxidación selectiva de SOM con agentes químicos dirigidas a atacar gratis o lábil SOM2. Mientras que estos métodos pueden ser útiles para profundizar en la piscina de materia orgánica funcionalmente diferentes, sufren de varias limitaciones. En primer lugar, la extracción puede ser imperfecta o incompleta. Por ejemplo, el clásico método alcalino extractos solamente 50-70% de suelo carbono orgánico (SOC)6. En segundo lugar, productos de fraccionamiento pueden no ser representante de la SOM en situ y pueden ser difíciles de categorizar5. En tercer lugar, estos métodos químicos nadamas penetración limitada en la interacción de abonos minerales ya que muchos de ellos no preservar la asociación original entre materia orgánica y minerales.

Extracción bioquímica incluyendo los experimentos de las incubaciones se utilizan principalmente para el estudio SOM lábil y reactiva (véase Strosser32 para una revisión de métodos bioquímicos). Experimentos de incubación puede ser considerado como una medida de la demanda bioquímica de oxígeno y es intuitivamente muy adecuados para la determinación de substratos orgánicos biodisponible. Sin embargo, la necesidad de tiempos de incubación en condiciones que difieren del campo (temperatura, humedad, alteración física, ausencia de nuevas entradas) hace la extrapolación a la dinámica SOM in situ delicado.

Comparado con métodos químicos o bioquímicos que se creen que ser transformativa o destructivos, técnicas de fraccionamiento físico pueden ser consideradas como más preservativo22 (con la excepción importante de compuestos orgánicos solubles, que se pierden durante el procedimiento). En su suelo física, mejor fracciones pueden ser consideradas como una 'instantánea' de componentes de la fase sólida del suelo como presente en el campo y podrían así se refieren más directamente a la dinámica de la SOM en situ33. Por otra parte, la naturaleza no destructiva de la técnica significa que las fracciones se pueden caracterizar posteriormente usando una variedad de análisis o más se fracciona según métodos químicos o bioquímicos.

Fraccionamiento físico de los suelos no es una idea reciente. Literatura científica acerca de las fechas de las técnicas de separación física del siglo de mid-20. Solicitudes de fraccionamiento de densidad se registraron ya en 196534,35. Durante el mismo período y en las décadas siguientes, publicaciones sobre la dinámica de la MOS y su interacción con los minerales estaban ya llegando a ser extenso entre suelo científicos36,37,38,39 .

Separación basada en la densidad, tamaño tamaño o partícula agregado son los métodos de separación física más común utilizados actualmente. Uno de los principales retos de la separación física es el aislamiento de las piscinas SOM funcionales homogéneas, como lo define a su vez con frecuencia, tamaño u otro indicador de la función. Combinar métodos de separación o criterios, como en Forum, puede ayudar a traer resolución funcional a fracciones de suelo; de hecho, estos métodos parecen ser utilizados cada vez más en combinación18,40,41,42,43. Mediante la combinación de separación secuencial densidad, capaz de ceder fracciones con diferentes orgánicos materia contenidos y composición mineralógica, con separación por tamaño, que representa las diferencias atribuible al área de superficie específica, Forum mantiene la promesa de rendimiento en la diversidad y función de las asociaciones de abonos minerales en el suelo.

Forum pretende fraccionar físicamente las muestras de suelo a granel en fracciones de relativa homogeneidad mineralógica y textural. Las densidad y la partícula tamaño cortes, así como la energía de dispersión utilizado aquí ha sido seleccionadas según nuestro tipo de suelo, pero estos parámetros se pueden adaptados dependiendo de las muestras a ser fraccionada y el propósito del estudio. En este ejemplo, hemos elegido utilizar una dispersión paso, dos densidad y un tamaño de cortes, dando por resultado la separación de la tierra a granel en 6 fracciones (tabla 2). La figura 1 presenta un resumen conceptual del método. Los materiales aquí ser fraccionada son suelos tropicales, pero el método puede aplicarse a cualquier tipo de suelo, así como sedimentos. Forum se utiliza generalmente como un paso preparatorio antes de otros análisis, a pesar de que la distribución de materiales entre fracciones puede ser muy informativa en y de sí mismo. Cuando se aplica a los suelos, Forum produce fracciones que difieren en composición y concentración de SOM (2) y composición (1) mineral (mineralogía y textura).

Protocol

1. preparación de la muestra

  1. Deje secar al aire y 20 g o más de los suelos mayor a 2 mm del tamiz.
  2. Determinar el contenido de humedad residual del suelo a granel (masa de agua sigue presente en el suelo secado al aire) para la corrección del fraccionamiento inicial total44.

2. preparación de la solución denso

  1. Añadir politungstato de sodio (SPT) en porciones de agua desionizada (DI) se calienta en una placa de agitación caliente (~ 60 ° C) para obtener soluciones densas de la densidad deseada (es decir., 1.62 y 2.78 g·centímetro-3). Utilice la tabla 3 para aproximar las proporciones de agua y SPT a utilizar. Conjunto de una agitación vigorosa para ayudar a disolver el designado
    PRECAUCIÓN: SPT es corrosivo y es dañino si se traga. Provoca lesiones oculares graves. Llevar guantes/gafas protectoras. Perjudiciales para la vida acuática con efectos de larga duración. Evitar la liberación al medio ambiente.
  2. Comprobar la densidad final con un hidrómetro, una vez que la solución esté a temperatura ambiente (entre 20-25 ° C). Ajustar la densidad agregando agua o SPT.
    Nota: Es más fácil preparar SPT en una concentración levemente superior (+ 0.02 – 0.05 g·centímetro-3) que luego es necesario diluir hasta la densidad requerida.
  3. Tienda SPT a temperatura ambiente en recipientes de plástico. SPT es conocido por rescatar calcio de cristalería y precipitado insoluble metatungstate Ca. SPT también puede reaccionar con la baja calidad del acero inoxidable y cerámica. Evite guardar SPT durante varios meses puesto que cristales comenzará nucleación en puntos locales sobresaturadas.

3. separación de la fracción ligera (LF)

Nota: La EPA está aislada por flotación en una solución con la densidad de 1.62 g·centímetro-3 antes de la dispersión ultrasónica (fLF) y dispersión siguiente en 280 J·mL-1 (oLF).

  1. fLF separación
    1. Pesar 5-8 g de suelo secado al aire, tamizado en un tubo de centrífuga cónico de 50 mL. Registrar la masa del suelo con cuatro cifras significativas.
      Nota: La cantidad de suelo que se puede Agregar a cada tubo depende de la textura del suelo. Por lo general, cantidades más pequeñas puede usarse para suelos arcillosos y cantidades mayores pueden usarse para suelos arenosos. Para obtener una cantidad suficiente de material en cada fracción, es posible utilizar varios tubos para el mismo suelo (generalmente usamos dos) o más botellas cónicas (250 mL). Una carrera de piloto de fraccionamiento puede ayudar a tener una idea de la distribución de tierras entre fracciones y ajuste inicial de las masas de suelo.
    2. Mediante una probeta graduada, agregue 35-40 mL de SPT (1.62 g·centímetro-3). Busca una proporción suelo/solución de 1:5 o inferior.
      Nota: Para evitar el apagamiento del agregado, es posible saturar el suelo por ascenso capilar antes de añadir la solución42,45.
    3. Balance de la masa total de los tubos con las tapas a la vista de centrifugación. Igualar la masa del tubo con solución SPT. Instalar los tubos en una mesa de agitación por 10 min a 200 rpm.
      Nota: En suelos con pobre estabilidad de los agregados, este paso podrá ser sustituido por una inversión suave mano6 o saltados en conjunto42.
    4. Coloque los tubos en posición vertical y deje el settle contenido durante al menos 30 min de centrifugadora durante 90 minutos a 2.500 x g en una centrífuga oscilante-cubo para permitir una separación clara entre la fLF y el sedimento (material' hundimiento').
      Nota: Tiempos de centrifugación pueden reducirse para las muestras de arena o bien floculadas. No se recomienda centrifugar a velocidades cerca de capacidad máxima de la máquina; haciendo así corre el riesgo de dañar eje del rotor. Tenga en cuenta que la mayoría centrifugadoras no están diseñados para manejar soluciones de densidad muy superior a la del agua.
    5. Retirar los tubos de la centrifugadora con sumo cuidado, evitando cualquier choque. Coloque en posición vertical.
      Nota: en este punto, es posible comprobar la densidad de la SPT por pipetear 5 mL del sobrenadante claro entre el material flotante y el diábolo y pesado. Esto es particularmente importante si el suelo no estaba secado.
    6. Vierta todos los materiales suspendidos y flotantes (fLF) en una botella de centrífuga de policarbonato de 250 mL. Asegúrese de que el sedimento permanezca firmemente alojado en la parte inferior del tubo.
    7. Enjuague el material adherido a la pared del tubo en la misma botella de policarbonato. Utilice un frasco rociador llenado de agua DI, sujetando el tubo casi boca abajo encima de la botella de policarbonato. Tenga cuidado de no perturbar el sedimento.
      Nota: Para algunas muestras, el sedimento puede no adherirse fuertemente a la parte inferior del tubo, dificultando la recuperación completa de la fLF. En tales casos, puede ayudar la aspiración con una bomba o una pipeta de alto volumen.
  2. Lavar el fLs por ultrafiltración
    Nota: LFs se aclaran por ultrafiltración, ya que la densidad de algunas sustancias orgánicas puede ser menor que la del agua, que lavado por centrifugación. Una limitación de la ultrafiltración es que sub-micrométricas, coloides dispersos no pueden mantenerse. Gama de tamaños de poro filtro de 0,2 a 1,2 μm de uso general. Filtros con poros más grandes no pueden retener coloides como efectivamente pero son menos propensos a la obstrucción. Aquí, utilizamos 0,45 μm filtros.
    1. Configurar una línea de vacío de ultrafiltración con 0,45 μm filtros. Ligeramente humedezca los filtros y aplique vacío antes de apretar los embudos para evitar desgarros.
    2. Vierta lentamente el contenido de la botella de policarbonato en el embudo de una unidad de filtración de vacío. No permita que la solución a la piscina sobre una profundidad mayor de ~ 1 cm sobre el filtro. Enjuague fuera cualquier residuo dejado en la botella de policarbonato en la unidad de filtración.
    3. Una vez que la solución ha pasado por el filtro, recuperarlo en un frasco de plástico etiquetado "utilizado SPT" para el reciclaje. Aclaraciones posteriores pueden ser desechados en el fregadero.
    4. Añadir más de 10 mL de agua desionizada a la unidad de filtrado por lo menos 3 veces para asegurar que se eliminan todos los restos de SPT. Asegúrese de enjuagar la parte del embudo de filtración. Seguimiento de los lavados añadiendo una marca en el embudo cuando se añade agua.
      Nota: El retiro completo del SPT puede comprobarse mediante la medición de la conductividad eléctrica del último aclarado. La conductividad debe ser ≤ 5 μS·cm-1 46.
  3. Recuperar y almacenar el fLF
    1. Libere el vacío en la línea de filtración.
    2. Quite el embudo de la unidad de filtración y recuperar el material adherido a las paredes en un barco de aluminio etiquetados usando un frasco rociador llenado de agua desionizada. Levante cuidadosamente el filtro con pinzas y enjuague el material presente en él en el mismo barco de aluminio utilizando un frasco rociador llenado de agua desionizada.
    3. Secar el contenido del bote a un máximo de 65 ° C hasta peso constante (al menos 48 h después de la evaporación completa). Enfriar en un desecador con desecante fresco durante al menos 30 minutos.
      Nota: El uso de un freeze-drier es otra posibilidad.
    4. Raspar suavemente el material de la lancha de aluminio con una espátula de plástico. Si la muestra es adhiriéndose fuertemente a la embarcación de aluminio, es posible utilizar una espátula de metal. Tenga cuidado de no rayar en el barco de aluminio.
    5. Registrar la masa de la fLF con cuatro cifras significativas, entonces coloque la muestra en un frasco de almacenamiento. Evitar frascos plásticos debido a la electricidad estática que hace que pequeñas partículas orgánicas se adhieren a los lados.
  4. oLF comunicado por sonicación
    Nota: El objetivo es destruir los agregados macro estables y grandes micro agregados por sonicación a oclusión materia orgánica particulada, y reducir al mínimo la extracción o la redistribución de polímeros minerales absorbe. Una energía de sonicación de 280 J·mL-1 fue seleccionada aquí. Consulte la sección sobre estrategia de interrupción total en la discusión con el fin de ayudar con la elección de la energía de sonicación.
    1. Calcular la cantidad de tiempo necesario para alcanzar la energía de la blanco de sonicación de 280 J·mL-1 usando una amplitud baja (por ejemplo,., 30%) y la frecuencia de 20 KHz.
      Nota: Cada sonifier debe calibrarse regularmente para relacionar tiempo de sonicación a la salida de energía; véase North (1976)47 para ayudar con la calibración.
    2. Añadir 35-40 mL de SPT (1.62 g·centímetro-3) al tubo de centrífuga que contiene el precipitado de la extracción de fLF. Resuspenda el sedimento golpeando el tubo boca abajo y Vortex.
    3. Inserte la sonda de ultrasonidos a 2 cm debajo de la superficie de la solución y coloque el tubo en agua helada para evitar que la solución a granel de la calefacción.
    4. Someter a ultrasonidos la muestra utilizando el tiempo necesario para alcanzar la energía de la blanco de 280 J·mL-1. Siempre prefieren una baja amplitud y tiempo de sonicación. Amplitudes altas hacen materiales ligeros tales como partículas orgánicas deslizable la sonda y salpican del tubo, resultando en una pérdida de muestra.
  5. oLF separación
    1. Balance de la masa total de los tubos con las tapas a la vista de centrifugación. Igualar la masa del tubo con 1.62 g·centímetro-3 solución SPT.
    2. Coloque los tubos en posición vertical y deje el settle contenido durante al menos 30 min de centrifugadora durante 90 minutos a 2.500 x g en la centrifugadora de la hacer pivotar-cubo.
    3. Vierta todos los materiales suspendidos y flotantes (oLF) en una botella de centrífuga de policarbonato de 250 mL. Asegúrese de que el sedimento permanezca firmemente alojado en la parte inferior del tubo.
    4. Enjuague el material orgánico de luz ocluido adherido a la pared del tubo en la misma botella de policarbonato. Utilice un frasco rociador llenado de agua DI, sujetando el tubo casi boca abajo encima de la botella de policarbonato. Tenga cuidado de no perturbar el sedimento adherido a la parte inferior.
  6. Lavar el frente de Liberación Oromo por ultrafiltración
    1. Configurar una línea de vacío de ultrafiltración con 0,45 μm filtros. Ligeramente humedezca los filtros y aplique vacío antes de apretar los embudos para evitar desgarros.
    2. Vierta una pequeña cantidad de suspensión desde la botella de policarbonato en el embudo de una unidad de filtración de vacío. Si la solución no pasa por fácilmente, añadir DI agua para diluir el contenido de la botella de policarbonato.
      Nota: Las muestras alto contenido de materia orgánica (coloreada) va a ser difíciles al filtro. Si el filtro muestra signos de obstrucción, establecer una segunda unidad de filtración o probar un sistema de filtración de presión. Otra posibilidad es centrifugar diluido contenido de las botellas de policarbonato; el sobrenadante debe pasar por el filtro más fácilmente ya que contiene menos coloides y partículas en suspensión que la suspensión original. El material colocado puede resuspendió en agua y enjuagarse por centrifugación. Finalmente, todo el material debe ser enjuagados por lo menos 3 veces y se recuperó.
    3. Recuperar el primer filtrado SPT en un frasco de plástico etiquetado "utilizado SPT" para el reciclaje. Aclaraciones posteriores pueden ser desechados en el fregadero.
    4. Enjuagar el material de la unidad de filtración tres veces con > 10 mL de agua desionizada.
    5. Recoger el oLF en un barco de aluminio y seca en un máximo de 65 ° C hasta peso constante. Tienda de la misma manera como la fLF (vea el paso 3.3).

4. separación de la hFs según tamaño de partícula

Nota: El siguiente paso es fraccionar el residuo del paso 3 (hF) según tamaño de partícula. Aquí el límite de tamaño es ajustado de 8 μm y produce una arcilla de la fracción limo fino (< 8 μm) y un limo grueso + fracción arena (> 8 μm). La agrupación de arcilla y limo fino en la fracción más fina refleja la afinidad documentada de arcilla y limo fino para suelo materia orgánica absorción33,48. Separación de partículas tamaño aquí se hace por sedimentación (basado en la ley de Stokes49). Para cortes en 50 μm o más grandes, la separación puede realizarse simplemente mediante tamizado húmedo sin correr el riesgo de abrasión o perturbación de la complejos organo-minerales.

  1. Eliminación de SPT Residual de la hF
    1. Añadir 35-40 mL de agua desionizada al tubo que contiene el residuo del paso 4. Vuelva a suspender el residuo golpeando el tubo boca abajo y Vortex. Centrifugar 20 min a 2.500 x g.
    2. Vierta el sobrenadante. Si se ve turbia o lechosa, recogerlo y centrifugue otra vez para resolver los coloides. La nueva pastilla se combinan con uno dando por resultado de la primera centrifugación.
      Nota: más de un enjuague puede ser necesario si hubiera una cantidad significativa de SPT en el residuo del paso 3 (por ejemplo, incompleta decantación del sobrenadante). La densidad de la suspensión debe ser < 1,1 g·centímetro-3 antes de la sedimentación.
  2. Dispersión de la hF y la sedimentación
    Nota: Antes de la sedimentación, es importante tener un HF bien dispersos Utilizamos sonicación en lugar de dispersantes químicos, que sería difícil de enjuagar. Ley de Stokes requiere una temperatura constante (por ejemplo, 20 ° C). A partir de una suspensión fría antes de sonicación es una manera eficaz para prevenir el sobrecalentamiento.
    1. Añadir agua refrigerada DI al tubo que contiene la pastilla (hasta la marca de 40 mL). Poner en la nevera durante 30 minutos.
    2. Someter a ultrasonidos en 75 J·mL-1. Calcular el tiempo de sonicación necesaria como en 3.4.1.
    3. Lave la sonda ultrasónica con agua desionizada para recuperar todos los materiales. DI agua, ajustar el volumen a la marca de 50 mL en los tubos. Verifique la temperatura de la suspensión (deberá coincidir con la temperatura utilizada en el cálculo del tiempo de sedimentación).
    4. Homogeneizar el contenido del tubo por inversión a mano. Dejar el contenido de sedimento por el tiempo necesario para permitir que el material (< 8 μm) resolver. Ley de Stokes para un recorrido medio de partícula de 7 cm a 20 ° C, tiempo de sedimentación es 20 minutos.
    5. Pipetee hacia fuera el sobrenadante (hasta la marca de 10 mL) en un tubo de centrífuga de 50 mL.
    6. Repetir el paso de sedimentación 3 veces (pasos 4.2.1 – 4.2.5). Recoger cada sobrenadante en un nuevo tubo de centrífuga.
  3. Colección de las dos fracciones de tamaño
    1. Fijar los tubos que contienen el sobrenadante que se evapora en el horno a 45 ° C. No permita que se sequen. Una vez que el volumen se reduce suficientemente, consolidar los tres sobrenadantes en un tubo de centrífuga de 50 mL, que ahora contiene la fracción de < 8 μm.
    2. Introduzca los tubos conteniendo el < 8 μm fracción así como ésos que contienen el μm > 8 fracción (sedimento de paso 5.2) en el horno a 45 ° C para evaporar el exceso de líquido restante. No permita que el contenido se seque por completo.
      Nota: Revise el horno con frecuencia y eliminar las muestras tan pronto como hay agua no estancada en los tubos. La desecación puede provocar agregación fuerte, especialmente en las fracciones finas.

5. separación de las dos fracciones de tamaño según densidad

Nota: El fraccionamiento de densidad se aplica aquí a ambas fracciones de tamaño de partícula. El objetivo fue separar silicatos de óxidos. Así optamos por un corte de la densidad en 2.78 g·centímetro-3. Pueden llevar a cabo separaciones opcionales y adicionales. Por ejemplo, una solución de 2.4 g·centímetro-3 permitiría la separación de arcillas de alta actividad de caolín y silicatos primarios. Tenga en cuenta que carga alta de materia orgánica disminuye la densidad teórica de las partículas minerales43.

  1. Fraccionamiento de densidad
    1. Añadir a cada fracción de tamaño 35 – 40 mL de SPT con la densidad de 2.78 g·centímetro-3 . Balance de la masa de los tubos a la vista de centrifugación mediante SPT solución.
    2. Vuelva a suspender el material golpeando el tubo boca abajo y Vortex. Contenido mínimo 4 h en una mesa de agitación a 200 rpm.
      Nota: La fracción de < 8 μm es difícil correctamente vuelva a suspender. Si los terrones persisten después de 4 h, ubicado en la tabla de sacudida durante la noche. No se recomienda la sonicación en solución muy densa de SPT. Debido a la alta densidad y la viscosidad, la energía del baño de ultrasonidos no se propaga bien.
    3. Coloque los tubos en posición vertical y deje el settle contenido durante al menos 30 min de centrifugadora durante 90 minutos a 2.500 x g.
    4. Vierta todos los materiales suspendidos y flotantes (< 2,78 g·centímetro-3 fracciones) en una botella de centrífuga de policarbonato de 250 mL. Asegúrese de que el diábolo (> 2,78 g·centímetro-3 fracciones) permanezca firmemente alojada en la parte inferior del tubo.
  2. Lavar el hFs cuatro por centrifugación
    Nota: Después de la separación de la densidad, hemos obtenido cuatro hFs (hF1 a hF4; Tabla 2). Cada uno necesita para ser aclarados por centrifugación para eliminar la ultrafiltración designado no es recomendada para hFs (y no es posible para las fracciones finas, hF3 y hF4).
    1. Transferencia > 2,78 g·centímetro-3 pellets en botellas de policarbonato de 250 mL utilizando un frasco rociador llenado de agua desionizada.
    2. Añadir agua desionizada hasta las botellas de policarbonato para bajar la densidad, sin sobrepasar la marca de 200 mL. Hacer esto para todas aquellas fracciones.
    3. Pesan las botellas y las tapas y ecualizar usando agua desionizada a la vista de centrifugación de masas. Compruebe que no se sobrepase la carga máxima del rotor.
    4. Coloque en el vortex a volver a suspender el material. Centrifugar 20 min a 5.000 x g.
    5. Decantar el sobrenadante en tarro "utilizado SPT" para reciclaje. Después de los enjuagues pueden desecharse en el fregadero.
      Nota: Tenga cuidado de no perder las partículas finas y decantación. Detener la decantación como el sobrenadante muestra rastros de partículas en suspensión (espirales, escamas o aspecto nublado).
    6. Vuelva a suspender el sedimento en agua desionizada (lavado 1), no exceda la marca de 200 mL.
      Nota: Es importante asegurar la adecuada re-suspensión que SPT no puede quedar atrapado entre las partículas. Las partículas finas adheridas al lado de la botella se suspenden más fácilmente con un chorro de agua de una botella de squirt. El sedimento puede suspenderse nuevamente golpeando la botella boca abajo y Vortex. Si la muestra permanece sedimentada, utilice la tabla de sacudida. Un paso de sonicación de baja energía (por ejemplo, 75 J·mL-1) también es posible.
    7. Repita el procedimiento de lavado (pasos 5.2.3 – 5.2.6) dos veces más (lavar 3 2 y lavado).
    8. Comprobar la densidad del sobrenadante pasado pesando un volumen de 10 mL; su densidad debe ser < 1.01 g·centímetro-3. Si el sobrenadante es más denso que éste, realice un lavado 4 deth .
    9. Realizar un lavado final con 0.01 M de NaCl en una solución de enjuague para evitar la dispersión de los coloides. Decantar completamente la última solución de enjuague.
    10. Recoger hFs (pellet + las partículas finas adheridas al lado de las botellas) en un barco de aluminio y seca en un máximo de 105 ° C hasta peso constante. Almacenar en la misma forma que el LFs.

6. reciclaje de SPT

Nota: La solución SPT puede reciclarse debido a reutilizar pasándola a través de una columna que contiene carbón activado y una resina de intercambio catiónico50. Carbón activo retiene materia orgánica mientras que la resina de intercambio catiónico sodio saturado elimina calcio y otros cationes de la solución y las reemplaza con sodio. Digerimos el SPT en peróxido de hidrógeno antes de pasar a través de la columna para asegurar la eliminación cuantitativa de materia orgánica disuelta.

  1. Configurar y cambiar la columna de reciclaje
    1. 5-8 agujeros de aproximadamente 4-5 mm de diámetro en la base de un cilindro de policarbonato graduado de 1000 mL.
    2. Corte 2 filtros circulares de 11 μm tamaño de poro para tamaño y colocarlos en la parte inferior del cilindro. Superposición de los filtros con 3-5 cm de lana de vidrio. Añadir 8-10 cm de carbón activado.
      Nota: Porque la mayoría de los compuestos orgánicos se eliminan por el H2O2 la digestión, la cantidad de carbón de leña activado en la columna puede reducirse en comparación con la recomendación de seis50.
    3. Cubrir con 3-5 cm de lana de vidrio. Añadir 8-10 cm de resina de intercambio catiónico nuevo o regenerado. Terminar con 3-5 cm de lana de vidrio.
    4. Abrazadera de la columna para arriba en un soporte de metal. Embudos de plástico grandes lugar provisto de 2,5 μm tamaño de poro filtros en la parte superior e inferior de la columna. El embudo de la parte inferior se conectará a la tubería que conduce a una botella de plástico.
    5. Enjuagar la columna pasando de 2 L de DI agua a través de la columna antes del primer uso.
    6. Reemplazar el carbón activado y regenerar la resina de intercambio catiónico después de aproximadamente 10 a 15 L de SPT han pasado a través.
  2. SPT de limpieza
    1. Moviendo de lugar la solución SPT en una placa magnética. Añadir 15 mL de 35% H2O2 por cada litro de solución usada de SPT y compendiado por 24 h a aproximadamente 60 ° C.
    2. Quite el SPT de la placa caliente y deje la solución reposar un mínimo de 7 días a temperatura ambiente en recipientes de plástico.
    3. Filtrarse a través de la columna de reciclaje. Cambiar los filtros en las chimeneas cada día.
    4. Enjuagar la columna con aproximadamente 2 x 200 mL de agua DI recuperar todos designado
  3. Evaporación
    1. Moviendo de lugar el SPT reciclado sobre una placa magnética. Añadir 15 mL de etanol al 70% por cada litro de solución de SPT para neutralizar cualquier resto capacidad oxidante. Exceso etanol se volatiliza fácilmente de la solución durante la evaporación.
    2. Evaporar la solución a baja temperatura a la densidad deseada.
    3. Enfriar la solución y comprobar la densidad. Almacenar en botellas de plástico.

Representative Results

Las muestras son suelos tropicales originarios del valle del rift Albertine en Uganda. Consisten en perfiles de 3 sitios cultivados que no recibe insumos externos como fertilizantes o fitosanitarios. Estas muestras fueron elegidas para representar a un amplio espectro de la mineralogía. Análisis preliminares mostraron que 1 fue menos degradado y más ricos en silicatos primarios (Feldespatos). Sitio 2 mostrada signos de erosión más avanzado con un alto contenido de arcillas secundarias tales como caolinita y un relativo enriquecimiento en cuarzo. Sitio 3 fue muy resistido con signos de desilicification y la acumulación residual de hierro óxidos y oxihidróxidos. Sitio 3 contenía una concentración extremadamente alta de hierro total (34%, expresado como óxido de Fe2O3 ) debido a la presencia de material plinthic (ricos en hierro induración51,52). Para cada perfil se tomaron muestras de dos horizontes: suelo (A) y del subsuelo (B). Forum se realizó en las 6 muestras en cuatro repeticiones.

El primer paso en la evaluación de la efectividad del procedimiento de fraccionamiento es mirar las tasas de recuperación, (es decir, si el material inicial es cuantitativo obtenido al final del experimento). Se evaluaron las tasas de recuperación basadas en el suelo todo y el contenido de la SOC.

Las tasas de recuperación de suelo en general, todo eran consideradas muy buenos, con 16 de 20 repeticiones teniendo las tasas de recuperación de más del 90% y 4 repeticiones que muestra las tasas de recuperación entre 85-90% (tabla 4). La causa de la recuperación incompleta era probablemente una pérdida de sustancias disueltas y coloidales durante el enjuague. Dos réplicas mostraron un leve aumento de la masa (en el orden de 1%) que posiblemente podrían ser causados por residuos SPT o imprecisiones pesaje. Cabe señalar que razonable desequilibrios en masa (< 10-15%) son comunes y generalmente no compromiso la validez del fraccionamiento.

SOC la recuperación era generalmente dentro de la gama de informes de otros estudios53,54 y notable constante teniendo en cuenta la gran variación en el contenido de cos inicial (tabla 5). Mayoría de las muestras mostró una tasa de recuperación SOC de 80-85%. Las pérdidas son atribuibles a la descarga de C soluble, que es una característica ineludible del método; sin embargo, C orgánico soluble puede fácilmente ser cuantificada usando una extracción separada en agua, sal o productos químicos dispersantes55. Es probable también una pequeña pérdida de coloides orgánicos dispersos durante el fraccionamiento. Uno de los sitios mostró una leve ganancia de carbono que probablemente puede ser atribuido al error analítico, como el valor absoluto de la diferencia fue pequeña (3 mg).

La reproducibilidad del método puede ser verificada por análisis de dispersión entre repeticiones. Se evaluó el error estándar de la media (SEM) así como el coeficiente de variación (CV) de la masa de la fracción entre repeticiones.

Errores estándar de la media eran pequeñas (tabla 6), siendo generalmente de 1 a 2 órdenes de magnitud más pequeñas que los valores medios. Esto demuestra trabajando en 4 repeticiones nos permitidas estimar confiablemente la tendencia central para la distribución de materiales entre fracciones.

Coeficientes de variación oscilaron entre 2 y 70% (Tabla 7). Mayores que 35% se produjo para las fracciones con pequeñas cantidades de material todos CVs (< 0,25 g). Estos valores son simplemente debido al hecho de que la división por un medio pequeño produce alta CVs. Algunas fracciones hF1 y hF3 (silicatos gruesos y finos) demostraron CVs relativamente altas, entre 20-35%, sin embargo, compuesto por grandes cantidades de materiales (1-4 g). Esto puede reflejar la alta posibilidad de errores humanos durante varios pasos sensibles (es decir, (1) la separación de materiales suspendidos y flotantes de la pelotilla en soluciones densas, (2) sedimentación para aislar fracciones de tamaño de partícula, (3) lavado de la muestra y recuperación). Este resultado confirma la necesidad de trabajar en varias repeticiones para obtener resultados robustos. También se recomienda que todo el proceso sea manejado por la misma persona, que se convierte en un experto en la realización de manipulaciones de forma reproducible y agudo notará todos los detalles que pueden ser diferentes de lotes anteriores.

La distribución de masa entre fracciones mostraron fuertes diferencias entre sitios, como podría esperarse dadas las diferencias iniciales en mineralogía (figura 2). En el sitio 1, dominado por silicatos primarios como el cuarzo y los feldespatos, la mayoría del material fue recuperado en hF1 (diseñada para concentrar silicatos gruesos). Sitio 2 mostraron un porcentaje mayor de filosilicatos (principalmente caolinita) durante el Análisis mineralógico; por consiguiente, hF3 (diseñada para concentrar silicatos finos) tenían más materiales que en el sitio 1. Finalmente, sitio 3 era el más rico en óxidos y también mostró la mayor cantidad de material en hF2, diseñada para concentrar óxidos gruesos. Esto indica que el método era acertado en fraccionamiento físicamente las muestras a granel en sus principales componentes mineralógicos.

La cantidad de materiales recuperados en grueso (hF1 + hF2) versus bellas (hF3 + hF4) fracciones fue comparado con lo que esperaba basado en la distribución de tamaño de partícula determinada por la granulometría láser (Tabla 8). Acuerdo fue buena (< 10%) para tres muestras. Las otras tres muestras demostraron un exceso de material en la orden de 20% en la fracción gruesa. La gran cantidad de óxidos en los suelos (especialmente en el sitio 3) puede ser parcialmente responsable de esta diferencia. Granos del óxido tienen una mayor densidad en comparación a los silicatos y a sedimentos más rápido. Otros factores incluyen dispersión incompleta o floculación parcial de muestras durante la sedimentación, ya que no utilizamos la dispersión química y eliminación de algunos materiales finos en las fracciones ligeras (fLF y oLF). Por último, granulometría láser se basa en estimaciones de volumen bajo el supuesto de esfericidad de la partícula, mientras que la sedimentación produce estimaciones basadas en la masa. Estos principios de medición de contraste suelen dar resultados algo divergentes.

Forum aísla fracciones de relativa homogeneidad mineralógica y su materia orgánica asociada (complejos organo-minerales). Es más útil como paso previo a posteriores análisis geoquímicos y bioquímicos y mineralógicos preparación. Indiscutiblemente, los experimentos más de gran alcance el objetivo es caracterizar la materia orgánica y los minerales en cada fracción. Esto dará una evidencia directa de la naturaleza de Asociación de organo-minerales en los suelos.

Análisis de las muestras pueden incluir determinación de cantidad SOM (p. ej., análisis elemental de C orgánico y nitrógeno total) y calidad (por ejemplo, espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier diferencial, espectrometría de masas cromatografía de gas de la pirolisis o térmica Análisis como de57,56,58de pirólisis Rock-Eval). Cuando se observa el socio mineral, útiles análisis podrían incluir análisis granulométrico, cuantificación de reactivo de aluminio y hierro fases59, difracción de rayos x (DRX) en muestras en polvo para la mineralogía a granel o en diapositivas orientados para la mineralogía de la arcilla 60.

Técnicas capaces de producir información simultánea sobre los componentes orgánicos e inorgánicos pueden ser de interés particular. Mapeo elemental por spectrometry total de ion secundario (SIMS) o microscopia electrónica juntada con microanálisis de rayos x (WDS o EDS, longitud de onda o energía espectroscopia dispersiva de la radiografía) puede permitir la localización conjunta de C, N y elementos asociados con reactivos fases minerales como Fe, Al, Mn o Ca. rayos x espectroscopia del fotoelectrón (XPS) pueden revelar la composición química de la MOS y la superficie composición elemental de cada fracción61.

Figure 1
Figura 1: Diagrama de flujo. Pasos de fraccionamiento y recortes de madera utilizados en el método presentados aquí. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: distribución de materiales entre fracciones como una función de la mineralogía del suelo para dos horizontes (A y B) en tres sitios de. (A) gráfico de barras que muestra la distribución de materiales entre fracciones. Las barras representan la media y barras de error representan el error estándar de la media de cuatro repeticiones. Para cada muestra, la suma de cinco barras al 100%. (B) a granel mineralogía de la muestra según lo determinado por difracción de rayos x en polvo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Componente suelo Clase Densidad [g cm-3] Distribución de tamaño de Fuente
Orgánica Materia orgánica 1.00-1.50 Variable Múltiples fuentes. Ver Rühlmann et al (2006)25 para una revisión
Imogolite Fase cristalina mal 1.70-2.33 Arcilla Ama y ama (1977)26
Alofano Fase cristalina mal 1.84-2.35 Arcilla Ama y ama (1977)26 ; Wilson (2013)27
Opal Fase cristalina mal 1.90-2.30 Variable Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Montmorillonita Mineral de la arcilla 2.30-2.35 Arcilla Ama y ama (1977)26; Wilson (2013)27
Vermiculita Mineral de la arcilla 2.30-2.50 Arcilla Wilson (2013)27
Gibbsita Al óxido 2.42 2.34 Variable Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
K-feldespato Silicatos ricos en Si primarias 2.54-2.57 Limo y arena Klein y Philpotts (2017)29; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Albita Silicatos ricos en Si primarias 2.60 2.62 Limo y arena Klein y Philpotts (2017)29; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Caolinita Mineral de la arcilla 2.60 2.68 Arcilla y limo Klein y Philpotts (2017)29; Wilson (2013)27
Cuarzo Silicatos ricos en Si primarias 2,63 2,66 Limo y arena Klein y Philpotts (2017)29; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Calcita Carbonato de 2.71 Variable Klein y Philpotts (2017)29; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Anorthite Silicatos ricos en Si primarias 2.74 2.76 Limo y arena Klein y Philpotts (2017)29; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Ilita Mica de grano fino 2.75 2.80 Arcilla Wilson (2013)27; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Mica Mica 2.77 2.88 Variable Klein y Philpotts (2017)29; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Biotita Mica 3.20 2.78 Variable Klein y Philpotts (2017)29; Skopp (2000)30
Dolomita Carbonato de 2.84 2.86 Variable Klein y Philpotts (2017)29; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Anfíboles Primarias ferromagnesian silicatos 3.00-3.40 Limo y arena Klein y Philpotts (2017)29; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Piroxenos Primarias ferromagnesian silicatos 3.20 3.60 Limo y arena Klein y Philpotts (2017)29; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Goethita Óxido de fe 3.30-4,37 Variable Hiemstra y van Riemskijk (2009)31; Klein y Philpotts (2017)29
Ferrihidrita Óxido de fe 3.50 3.90 Arcilla Hiemstra y van Riemskijk (2009)31
Lepidocrocita Óxido de fe 4.13 4.00 Variable Hiemstra y van Riemskijk (2009)31; Instituto de Hudson de mineralogía (2017)28
Hematites Óxido de fe 5.30 4.80 Variable Klein y Philpotts (2017)29; Skopp (2000)30

Tabla 1: principales componentes del suelo en orden creciente de densidad. Su prevalencia en las clases texturales principales (fracción de arcilla, 0-2 μm; fracción de limo, 2-50 μm; fracción de arena, 50-2000 μm) para suelos moderadamente meteorizadas también está indicado.

Nombre de la fracción Abreviatura Cortes
Materia orgánica gratis fLF < 1,62 g cm-3 (antes sonicación)
Materia orgánica ocluida frente de Liberación Oromo < 1,62 g cm-3 (después de la sonicación)
Silicatos de gruesos hF1 > 8 μm, 1,62 g cm-3< hF1 < 2,78 g cm-3
Óxidos gruesos hF2 > 8 μm, > 2,78 g cm-3
Silicatos de finas hF3 < 8 μm, 1,62 g cm-3< hF3 < 2,78 g cm-3
Óxidos de finas hF4 < 8 μm, > 2,78 g cm-3

Tabla 2: Lista de las fracciones resultantes de Forum con una sonicación y densidad de dos pasos de separación de un tamaño.

Volumen de solución [mL] Densidad deseada [g cm-3] Masa SPT [g] Volumen 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

Tabla 3: Guía para la preparación de soluciones comunes de SPT.

Sitio Horizon Replicar A partir de masa
[g]
Misa final
[g]
Diferencia
[g]
Diferencia
[%]
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

Tabla 4: índice de recuperación de suelo entero, mostrando la puesta en marcha masiva al inicio del procedimiento de fraccionamiento y final masa calculada como la suma de todas fracciones. Las diferencias se expresan como % a partir de masa.

Sitio Horizon A partir de masa SOC Misa final de la SOC Diferencia Diferencia
[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

Tabla 5: tasa de recuperación del carbono orgánico del suelo. Contenido inicial de SOC se calculó como el producto de la concentración de C orgánico medido por análisis elemental y la inicial masa de la muestra. Contenido final del SOC se calculó como el producto de la concentración de C orgánico y la masa de cada fracción, suma de todas fracciones. Las diferencias se expresan como % a partir de masa.

Sitio Horizon fLF
1,62 g cm-3
frente de Liberación Oromo
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

Tabla 6: significa valor y SEM para la masa de la fracción (g). Cada celda representa una media de 4 repeticiones.

Sitio Horizon fLF
< 1,62 g cm-3
frente de Liberación Oromo
< 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

Tabla 7: Coeficientes de variación de la masa de la fracción de 4 repeticiones.

Sitio Horizon Textura
< 8 μm
%
Textura
> 8 μm
%
Materiales en fracciones finas
(hF3 + hF4)
%
Materiales en fracciones gruesas
(hF1 + hF2)
%
Fracción gruesa
'exceso'
%
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

Tabla 8: comparación entre la textura del suelo determinada por la granulometría láser y la distribución de las partículas en fracciones de tamaño de. La última columna muestra el exceso de materiales en las fracciones gruesas en comparación con lo que esperaba basado en el análisis textural.

Discussion

El éxito de los experimentos de Forum se basa en la selección de parámetros adecuados para el método, para que fracciones de composición relativamente homogénea pueden ser aislados. Consideraciones clave en la selección de parámetros de fraccionamiento se discuten a continuación.

El fLF representa materia orgánica para que la interacción con los minerales es mínimo. La extracción de esta fracción es delicada, ya que la mezcla de suelo con la solución densa puede ya romper algunos macroagregados. Sin embargo, hay indicios de que la materia orgánica presente en macroagregados puede ser más similar a los de fLF stricto sensu que a oLF por sonicación de alta energía18. Algunos autores incluso han propuesto un paso bajo sonicación para aislar la piscina libre y débil interacción con minerales materia orgánica, denominado 'el agregado materia orgánica particulada', iPOM54.

La liberación de la materia orgánica ocluida, existen técnicas diferentes para interrumpir los agregados del suelo. Las más difundidas son la sonicación, agitación con perlas de vidrio y el uso de dispersantes químicos33,62,63. Sonicación fue elegido aquí porque la energía de salida puede controlarse bien y se cree que distribuir más uniformemente en la muestra. Por que la necesidad de utilizar dispersantes químicos, sonicación puede considerarse como relativamente preservativo hacia complejos organo-minerales22,33. El paso de la dispersión, sin embargo, sigue siendo una de las operaciones más delicadas. Por un lado, una dispersión débil dejará intactos los agregados y puede conducir a una sobrestimación de hF SOC; por otro lado, un paso de dispersión altamente vigorosa podría causar redistribución del SOC a través de las fracciones por la parcial destrucción de complejos organo-minerales. Asociaciones de arena orgánica débiles pueden ser particularmente vulnerables a este proceso. Puesto que la oclusión dentro de agregados y de adsorción superficial son procesos que ocurren a lo largo de un continuum2, no existe ninguna solución perfecta. Por lo tanto, el nivel de energía de sonicación debe ajustarse cuidadosamente según las propiedades del suelo. Kaiser y Berhe64 han publicado una revista muy útil que propone una estrategia para minimizar los artefactos causados por ultrasonido cuando suelos de dispersión.

Informó el rango de energías de sonicación de 60 a 5.000 J·mL-1. Varios grupos de investigación han reportado que 100 J·mL-1 podría ser suficiente para destruir los macroagregados y dispersar eficazmente suelos arenosos, mientras que 500 J·mL-1 destruirían microagregados grandes y proporcionan una dispersión razonable de reactivos suelos63,65,66,67,68. En regímenes de fraccionamiento físico, completa dispersión de limo y arcilla-tamaño agregados puede no ser necesaria, puesto que el mecanismo de protección es probable que se vuelven indistinguibles de estabilización absorbentes en estas gamas del tamaño. Un objetivo razonable de dispersión antes de tamaño o densidad de fraccionamiento puede interrumpir macro (> 250 μm) y grandes micro (> 53 μm) agregados. Energías de 100 J·mL-1 (suelos arenosos) a 200 J·mL-1 (suelos margosos) pueden ser opciones adecuadas. Una energía de 200 J·mL-1 ya puede extraer una porción de metabolitos microbianos (supuestamente mineral asociado)69, así el uso de energías más altas de sonicación debe ser objeto de atención. Sin embargo, mineralógicamente reactivas suelos con agregados cementados pueden requerir hasta 500 J·mL-1 para dispersar. Es esencial ajustar la energía de dispersión para cada tipo de suelo, así como objetivos de estudio. Por último, es importante recordar que incluso después de supuestamente completa dispersión ultrasónica, microagregados tamaño de arcilla están probables que persistan70.

Una dificultad con la armonización de técnicas de fraccionamiento físico radica en la heterogeneidad que se encuentra en suelos, en particular en su composición mineral. La elección de soluciones densas debe hacerse sobre la base de conocidos o inferidos de la mineralogía del suelo, con el objetivo final para aislar fracciones que son tan homogéneas como sea posible.

En el artículo, la solución densa utilizada fue SPT - pH 371,72. El pH bajo reduce al mínimo las pérdidas de los compuestos orgánicos solubles. Sin embargo, fraccionamiento de densidad se puede realizar con diferentes soluciones densas. Históricamente, líquidos orgánicos fueron utilizado (tetrabromoethane, tetrachloromethane), pero fueron abandonados poco a poco en el beneficio de sales inorgánicas (yoduro de sodio, SPT) debido a la toxicidad de los hidrocarburos halogenados y la contaminación inherente del suelo materia orgánica. Hoy en día, SPT es la solución preferida porque se puede ajustar su densidad entre 1.0 a 3.1 g·centímetro-3, pueden ser reciclado y tiene una baja toxicidad (salvo ingestión)22,50. Principales fabricantes ofrecen a grados de rango de SPT difieren en el nivel de contaminación de carbono y nitrógeno. Para el fraccionamiento de densidad de los suelos, se recomienda el grado más puro, particularmente si las fracciones deben ser analizadas para la composición isotópica.

Una solución de densidad 1.6 g·centímetro-3 clásicamente se ha utilizado para separar la luz orgánica de fracciones minerales asociados - véase por ejemplo Golchin et al.21. Mientras que algunos autores han sugerido que una densidad de 1 g·centímetro-3 (agua) podría ser suficiente para extraer la mayor parte de la fracción ligera73,74, otros tienen propuesta mayor densidad cortes como 1.62 o 1.65 g·centímetro-3 basado en la idea de que algunos componentes orgánicos podrían mostrar densidades de hasta 1.60 g·centímetro-3 33,75,76. Densidades tan altas como 1.85 g·centímetro-3 han sido empleadas50. Al seleccionar una densidad para separar la luz de fracciones pesadas, debe señalarse que no hay solución perfecta existe. De hecho, menor riesgo de densidades atribuir algunos orgánicos 'light' a las fracciones pesadas, mientras que el mayor riesgo de densidades, incluyendo algunos minerales en las fracciones ligeras. Este último efecto puede detectarse al observar el contenido de carbono de las fracciones ligeras, con un % SOC inferior a 40-45% lo que indica algún grado de contaminación mineral.

Para fracciones pesadas, análisis preliminares tales como DRX pueden proporcionar la penetración en la mineralogía de la mayor parte de la muestra60 y ayudan a definir densidad capaz de distinguir entre los principales componentes minerales de un suelo, teniendo en cuenta que altas cortes orgánicos cargas bajará la densidad de un mineral comparado con su valor teórico. Del mismo modo, para la separación del tamaño de las partículas, un análisis textural77,78 puede ayudar a establecer límites apropiados. Separación de tamaño de partícula es una adición particularmente atractiva para fraccionamiento de densidad simple siempre que el fraccionamiento secuencial densidad es difícil. Este es el caso por ejemplo de suelos que contienen grandes cantidades de oxihidróxidos y arcillas de baja actividad, que resultan en la dispersión de la muestra y evitar separaciones claras en líquidos pesados. Un paso de separación de tamaño de partícula también está indicado para separar minerales de densidades similares pero diferentes tamaños (por ejemplo, cuarzo e illita).

Los iones de calcio libres reaccionarán con SPT para formar insolubles Ca metatungstate. El procedimiento es así inadecuado para suelos alcalinos que contienen grandes cantidades de carbonatos poco cristalinas, pedogenic. Pequeñas cantidades de carbonatos de baja reactividad no interfieren con el fraccionamiento siempre y cuando las muestras no queden en contacto con SPT durante demasiado tiempo. CA metatungstate precipitados dará lugar a una sobrestimación de las masas de la fracción. LFs se ejecutan en un analizador elemental para la concentración de C, se descubrirá el problema aunque el fraccionamiento se verá afectado.

Además de estas dificultades técnicas, la limitación fundamental de Forum (o de cualquier esquema de fraccionamiento físico) surge del hecho de que los minerales reactivos en suelos ocurren raramente como discreto se separa, sino como revestimientos y cementos. La ocurrencia de capas absorbentes muy pero muy finas en caso contrario no reacciona minerales (como el cuarzo) puede conducir a una visión sesgada de las asociaciones de organo-mineral. PRECAUCIÓN por lo tanto es necesaria al interpretar los resultados, particularmente para suelos cuya reactividad es dominada por mal cristalino y fases de óxido. La caracterización adicional de las fracciones puede ayudar a aliviar esas ambigüedades. Sin embargo, los métodos de fraccionamiento físico detallado como Forum tienen una capacidad incomparable para profundizar en la composición de complejos organo-minerales que ocurren naturalmente. Tal penetración se espera que nueva comprensión de la biogeoquímica de la piscina más grande de la materia orgánica en los suelos, un mineral asociado.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

El desarrollo de este método fue apoyado por Fond d ' Investissement (FINV) de la Facultad de Geociencias en la Universidad de Lausana. Reconocemos al Consejo Nacional de Uganda para ciencia y tecnología y autoridad de vida silvestre de Uganda para nosotros otorgar permiso para recoger las muestras de investigación. Los autores más desean agradecer profesor Thierry Adatte análisis CHN y DRX. Agradecemos a la Prof. Erika Marin-Spiotta por capacitación inicial en fraccionamiento de densidad clásica. También agradecemos a laboratorio responsable de Laetitia Monbaron su asistencia en la obtención de suministros y equipo.

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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