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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Die Bodendichtefraktionierung trennt die organische Bodensubstanz in verschiedene Pools mit unterschiedlichen Stabilisierungsmechanismen, Chemikalien und Umschlagzeiten. Natriumpolywolframatlösungen mit spezifischen Dichten ermöglichen die Trennung von freiem partikulärem organischem Material und mineralassoziiertem organischem Material, was zu Fraktionen organischer Substanz führt, die zur Beschreibung der Reaktion des Bodens auf Bewirtschaftung und Klimawandel geeignet sind.

Zusammenfassung

Organische Bodensubstanz (SOM) ist eine komplizierte Mischung aus verschiedenen Verbindungen, die den Bereich von freien, teilweise abgebauten Pflanzenbestandteilen über mikrobiell veränderte Verbindungen, die in den Bodenaggregaten gehalten werden, bis hin zu hochverarbeiteten mikrobiellen Nebenprodukten mit starken Assoziationen mit reaktiven Bodenmineralien umfasst. Bodenwissenschaftler haben sich bemüht, Wege zu finden, den Boden in Fraktionen zu trennen, die leicht messbar und für die Modellierung von Bodenkohlenstoff (C) nützlich sind. Die Fraktionierung des Bodens auf der Grundlage der Dichte wird zunehmend verwendet, und sie ist einfach durchzuführen und liefert C-Pools basierend auf dem Grad der Assoziation zwischen dem SOM und verschiedenen Mineralien; Daher kann die Bodendichtefraktionierung helfen, das SOM zu charakterisieren und SOM-Stabilisierungsmechanismen zu identifizieren. Die berichteten Protokolle zur Fraktionierung der Bodendichte variieren jedoch erheblich, so dass die Ergebnisse verschiedener Studien und Ökosysteme schwer zu vergleichen sind. Hier beschreiben wir ein robustes Dichtefraktionierungsverfahren, das partikuläre und mineralassoziierte organische Stoffe trennt, und erläutern die Vor- und Nachteile der Trennung des Bodens in zwei, drei oder mehr Dichtefraktionen. Solche Fraktionen unterscheiden sich häufig in ihrer chemischen und mineralischen Zusammensetzung, der Umlaufzeit und dem Grad der mikrobiellen Verarbeitung sowie dem Grad der Mineralstabilisierung.

Einleitung

Der Boden ist der größte Speicher an terrestrischem Kohlenstoff (C) und enthält mehr als 1.500 Pg C in den oberen 1 m und fast doppelt so viel in tieferen Schichten weltweit, was bedeutet, dass der Boden mehr C enthält als pflanzliche Biomasse und die Atmosphäre zusammen1. Organische Bodensubstanz (SOM) speichert Wasser und Bodennährstoffe und ist für die Pflanzenproduktivität und die Funktion des terrestrischen Ökosystems unerlässlich. Trotz weltweiter Anerkennung der Bedeutung ausreichender SOM-Bestände für die Bodengesundheit und die landwirtschaftliche Produktivität sind die Boden-C-Bestände aufgrund nicht nachhaltiger Wald- und Landwirtschaftsbewirtschaftung, Landschaftsveränderungen und Klimaerwärmung erheblich erschöpft 2,3. Das gestiegene Interesse an der Wiederherstellung der Bodengesundheit und an der Nutzung der Boden-C-Retention als Schlüsselakteur bei natürlichen Klimalösungen hat zu Bemühungen geführt, die die Sequestrierung und Stabilisierung von Boden-C in verschiedenen Umgebungen steuern 4,5.

Organische Bodensubstanz (SOM) ist eine komplizierte Mischung verschiedener Verbindungen, die den Bereich von freien, teilweise abgebauten Pflanzenbestandteilen über mikrobiell veränderte Verbindungen in den Bodenaggregaten (hier definiert als ein Material, das durch die Kombination separater Einheiten oder Elemente gebildet wird) bis hin zu hochverarbeiteten mikrobiellen Nebenprodukten mit starken Assoziationen mit reaktiven Bodenmineralien umfasst6 . In Fällen, in denen es nicht praktikabel ist, die gesamte Palette der einzelnen Verbindungen im SOM zu identifizieren, konzentrieren sich die Forscher häufig auf die Identifizierung einer kleineren Anzahl von funktionellen C-Pools, die als physikalische Realitäten existieren und die sich nach Umsatzraten, allgemeiner chemischer Zusammensetzung und dem Grad der Stabilisierung mit den mineralischen Bestandteilen des Bodens unterscheiden1. 7. Preise Damit die Pools kritisch interpretiert und modelliert werden können, ist es wichtig, dass die Anzahl der getrennten Pools gering ist, direkt messbar und nicht nur theoretisch ist und deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung und Reaktivität aufweist8.

Viele verschiedene Techniken, sowohl chemische als auch physikalische, wurden eingesetzt, um sinnvolle Pools von Boden C zu isolieren, und diese werden von von Lützow et al.9 und Poeplau et al.10 gut zusammengefasst. Chemische Extraktionstechniken zielen darauf ab, bestimmte Pools zu isolieren, wie z. B. C, die entweder mit schlecht kristallinem oder kristallinem Fe und Al11 assoziiert sind. Organische Lösungsmittel wurden verwendet, um spezifische Verbindungen wie Lipide12 zu extrahieren, und entweder die Hydrolyse oder die Oxidation von SOM wurde als Maß für einen labilen Pool von C13,14 verwendet. Keine dieser Extraktionsmethoden kategorisiert jedoch alle C-Pools in messbare oder modellierbare Fraktionen. Die physikalische Fraktionierung des Bodens kategorisiert alle Böden C nach Größe in Becken und geht davon aus, dass die Zersetzung von Pflanzenresten zu Fragmentierung und immer kleineren Partikeln führt. Obwohl die Größe allein freie Pflanzenreste nicht von mineralassoziiertem SOM15 trennen kann, ist die Quantifizierung dieser beiden Pools aufgrund gemeinsamer räumlicher, physikalischer und biogeochemischer Unterschiede in Bildung und Umsatz entscheidend für das Verständnis der Boden-C-Stabilisierung16.

Die Fraktionierung von Boden-C auf der Grundlage der Dichte wird zunehmend verwendet, und sie ist einfach durchzuführen und identifiziert verschiedene C-Pools basierend auf dem Grad der Assoziation mit verschiedenen Mineralien17,18,19; Daher kann die Fraktionierung der Bodendichte dazu beitragen, unterschiedliche Stabilisierungsmechanismen des Bodens C aufzuklären. Die Hauptvoraussetzung für die Fraktionierung des Bodens ist die Fähigkeit, die organischen und mineralischen Partikel vollständig zu dispergieren. Nach dem Dispergieren schwimmt abgebaute organische Substanz, die relativ frei von Mineralien ist, in Lösungen, die leichter als ~ 1,85 g / cm 3 sind, während Mineralien typischerweise in den Bereich von 2 bis 4,5 g / cm 3 fallen, obwohl Eisenoxide Dichten von bis zu 5,3 g / cm3 haben können. Die leichte oder freie Partikelfraktion hat tendenziell eine kürzere Umschlagszeit (es sei denn, es liegt eine signifikante Kontamination durch Holzkohle vor) und es hat sich gezeigt, dass sie sehr gut auf Kultivierung und andere Störungen reagiert. Die schwere (>1,85 g/cm3) oder mineralassoziierte Fraktion hat aufgrund der Resistenz gegen mikrobiell vermittelte Zersetzung, die entsteht, wenn organische Moleküle an reaktive mineralische Oberflächen binden, oft eine längere Umsatzzeit. Die schwere Fraktion kann sich jedoch sättigen (d. h. eine Obergrenze für die Mineralkomplexierungskapazität erreichen), während sich die leichte Fraktion theoretisch fast unbegrenzt ansammeln kann. Das Verständnis der physikalischen Verteilung organischer Stoffe in Pools von mineralassoziierter und partikulärer organischer Substanz hilft daher zu klären, welche Ökosysteme für eine effiziente Kohlenstoffbindung bewirtschaftet werden können und wie verschiedene Systeme auf den Klimawandel und die sich verändernden Muster anthropogener Störungen reagieren werden20.

Während die Verwendung der Dichtefraktionierung unter Verwendung von Lösungen von Natriumpolywolframat in unterschiedlichen Dichten in den letzten zehn Jahren stark zugenommen hat, variieren die Techniken und Protokolle erheblich, so dass die Ergebnisse verschiedener Studien und verschiedener Ökosysteme schwer zu vergleichen sind. Obwohl gezeigt wurde, dass eine Dichte von 1,85 g/cm3 die größte Menge an freier Lichtfraktion mit minimalem Einschluss von mineralassoziierter organischer Substanz (MAOM) zurückgewinnt17, wurden in vielen Studien Dichten im Bereich von 1,65 bis 2,0 g/cm3 verwendet. Während die meisten Studien Böden in nur zwei Becken aufgeteilt haben (eine leichte Fraktion und eine schwere Fraktion, im Folgenden LF und HF), haben andere Studien mehrere Dichten verwendet, um die schwere Fraktion weiter in Becken zu verfeinern, die sich durch die Mineralien, mit denen sie verbunden sind, das relative Verhältnis von Mineralien zur organischen Beschichtung oder den Aggregationsgrad (z. B. Sollins et al.17, Sollins et al.18, Hatton et al.21, Lajtha et al.22, Yeasmin et al.23, Wagai et al.24, Volk et al.25). Darüber hinaus wurden komplexere Fraktionierungsverfahren vorgeschlagen, die sowohl die Größen- als auch die Dichtetrennung kombinieren, was zu einer größeren Anzahl von Pools führt (z. B. Yonekura et al.26, Virto et al.27, Moni et al.15, Poeplau et al.10), aber auch mehr Spielraum für Fehler, sowohl in der Methodik als auch in Bezug auf die Poolgröße. Darüber hinaus haben die Autoren auch die Beschallung mit unterschiedlichen Intensitäten und Zeiten verwendet, um Aggregate und MAOM von mineralischen Oberflächen zu dispergieren28,29,30.

Hier beschreiben wir ein robustes Dichtefraktionierungsverfahren, das erstens zwei einzigartige Pools von Bodenkohlenstoff (LF und HF oder POM und MAOM) identifiziert, und wir bieten sowohl die Techniken als auch die Argumente an, um den HF-Pool weiter in zusätzliche Fraktionen zu trennen, die sich aufgrund ihrer Mineralogie, ihres Grades der organischen Beschichtung oder ihrer Aggregation unterscheiden. Es wurde gezeigt, dass sich die hier identifizierten Fraktionen hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, der Umlaufzeit, des Grades der mikrobiellen Verarbeitung und des Grades der Mineralstabilisierung unterscheiden18,19.

Das folgende Verfahren trennt Schüttgut in partikuläre organische Stoffe (POM) und mineralassoziierte organische Stoffe (MAOM), indem eine bekannte Menge Boden in einer Lösung mit einer bestimmten Dichte gemischt wird. Die Wirksamkeit des Verfahrens wird durch die kombinierte Rückgewinnung von Bodenmasse und Kohlenstoff im Verhältnis zur ursprünglichen Bodenprobenmasse und zum C-Gehalt gemessen. Eine dichte Lösung wird durch Auflösen von Natriumpolywolframat (SPT) in deionisiertem Wasser erreicht. Der Boden wird zunächst mit der dichten SPT-Lösung vermischt und gerührt, um die Bodenaggregate gründlich zu mischen und zu dispergieren. Durch Zentrifugation werden dann die Bodenmaterialien getrennt, die entweder in der Lösung schwimmen (leichte Fraktion) oder sinken (schwere Fraktion). Die Misch-, Isolierungs-, Rückgewinnungs- und Waschschritte werden mehrmals wiederholt, um die Trennung der leichten und schweren Fraktionen sowie die Entfernung von SPT aus dem Material sicherzustellen. Abschließend werden die Bodenfraktionen getrocknet, gewogen und auf C-Gehalt analysiert. Das fraktionierte Material kann für nachfolgende Verfahren und Analysen verwendet werden.

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Protokoll

1. Herstellung von Stammlösungen aus Natriumpolywolframat (SPT)

ACHTUNG: SPT ist reizend und beim Verschlucken oder Einatmen schädlich. Es ist giftig für Wasserorganismen; Vermeiden Sie die Freisetzung in die Umwelt.

  1. Um 1 l SPT-Lösung mit einer Dichte von 1,85 g/cm3 herzustellen, lösen Sie 1.051 g kristallisiertes SPT in etwa 600 ml deionisiertem destilliertem (DDI) Wasser. Rühren Sie die Lösung, bis sich der SPT vollständig aufgelöst hat, etwa 15 Minuten lang, und bringen Sie dann das Lösungsvolumen mit DDI auf 1 l.
    ANMERKUNG: Die Kohlenstoffrückgewinnung unter Verwendung einer Lösungsdichte <1,85 g/cm3 kann zu wenig Kohlenstoff aus der leichten Fraktion rekrutieren, der aus partikulären organischen Stoffen17,18 gewonnen wird, wodurch die Kohlenstoffmenge in der Probe falsch dargestellt wird. Daher wird eine SPT-Lösungsdichte von 1,85 g/cm3 empfohlen 8,17, um den Kohlenstoff, der mit partikulären organischen Stoffen verbunden ist, für eine typische Bodenprobe (d. h. die meisten Sand-, Schluff- und Tonlehme mit C-Gehalt <10 %) stärker einzubeziehen.
  2. Um 1 l SPT-Lösung mit einer Dichte von 2,40 g/cm3 herzustellen, werden 1.803 g fester SPT in etwa 500 ml DDI-Wasser gelöst. Rühren Sie die Lösung, bis sich der SPT vollständig aufgelöst hat, und bringen Sie dann das Lösungsvolumen mit DDI auf 1 l.
    ANMERKUNG: Über die mögliche Verwendung für die Bodenfraktionierung hinaus ist häufig eine Lösung mit einer Dichte von mehr als 1,85 g/cm3 für die Einstellung der SPT-Lösung in späteren Schritten des Protokolls erforderlich (siehe Schritt 3.2). Wenn eine zusätzliche Lösung von 2,40 g/cm3 übrig bleibt, kann die Lösung mit deionisiertem Wasser auf 1,85 g/cm3 verdünnt und zur Bodenfraktionierung verwendet werden.
  3. Analysieren Sie vor der Verwendung bei der Fraktionierung den SPT auf C- und N-Gehalt. Führen Sie diese Analyse mit einem Feststoff- oder Flüssigelementanalysator durch (Beispielmethoden: ISO 10694:1995, ISO 20236:2018).
    1. Führen Sie eine 1:100-Verdünnung der Lösung aus Schritt 1.1 für die Flüssigelementanalysatoren durch, um die Verschlechterung der Elementwäscher und Katalysatoren zu verringern. Die Toleranz für C- und N-Kontamination in der SPT-Lösung hängt von der Probe und der späteren Verwendung der Bodenfraktionen ab. Typischerweise wird eine SPT-Lösung mit einem C- und N-Gehalt <1 ppm bzw. <0,1 ppm als geeignet für die Verwendung angesehen, da Lösungen wie diese nur eine minimale Kapazität zur Veränderung der viel größeren C- und N-Pools im Boden aufweisen.

2. Auflösung des Bodens in SPT

  1. Geben Sie 50 g luftgetrocknete und auf 2 mm gesiebte Erde in ein konisches 250-ml-Zentrifugenröhrchen aus Polypropylen. Notieren Sie die Masse auf mindestens vier signifikante Zahlen. Verwenden Sie keine ofengetrocknete Erde, da dies den löslichen Kohlenstoff aufgrund der hitzeinduzierten Zelllyse erhöhen kann31.
    ANMERKUNG: Es kann feuchter Boden31 verwendet werden, es ist jedoch eine weitere Anpassung in den späteren Schritten erforderlich, um die Zieldichte der SPT-Lösung aufrechtzuerhalten. Es wird empfohlen, das Bodenmaterial auf 2 mm zu sieben, um großes Material zu entfernen, das die Fraktionierungsergebnisse verzerren kann, wie z. B. Steine und Holzreste.
    1. Passen Sie die Bodenmasse an, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Masse jeder Fraktion gewonnen wird, um signifikante Fehler bei der Quantifizierung zu vermeiden. Der häufigste Grund für eine Massenanpassung ist ein niedriger POM-Gehalt (z. B. <2% der gesamten Bodenmasse). Stellen Sie für solche Böden zusätzliche Bodenmasse bereit, um die POM-Ausbeute genau zu quantifizieren. Insgesamt ist es akzeptabel, die Bodenmasse für jede einzelne Probe anzupassen, da eine Änderung der Probenmasse das Verhältnis von POM zu MAOM nicht verändert. Es ist jedoch oft nützlich, eine gleichmäßige Masse zu verwenden, um das Auswuchten der Zentrifuge zu unterstützen.
    2. Behandeln Sie karbonatreiche Böden, um anorganische Karbonate vor der Fraktionierung zu entfernen32.
  2. Geben Sie 50 ml 1,85 g/cm SPT mit einer Dichte von3 in das Zentrifugenröhrchen und setzen Sie den Deckel fest auf. Passen Sie wie bei den Bodenmengen das SPT-Volumen nach Bedarf an. Verwenden Sie in POM-reichen Oberflächenböden (z. B. in vielen gemäßigten Waldböden) ein größeres Verhältnis von Boden zu SPT (z. B. 30 g Boden zu 60 ml SPT), um eine ausreichende Trennung der leichten und schweren Fraktionsmaterialien zu erreichen.
  3. Schütteln Sie das Röhrchen ~60 s lang kräftig von Hand, um nicht wasserstabile Aggregate aufzubrechen. Die starke Kollision der Bodenaggregate mit den Seitenwänden des Zentrifugenröhrchens ist erwünscht, was bedeutet, dass ein einfaches Wirbeln der Lösung möglicherweise nicht ausreicht.
  4. Befestigen Sie das Rohr an einem Plattformschüttler. Oft hilft das Aufstellen des Rohrs auf der Seite bei der Bodendispersion, indem es die Schwappkraft der Lösung erhöht und die Stehhöhe der Bodenschicht verringert. Achten Sie darauf, dass das Röhrchen dicht verschlossen ist, und schütteln Sie es 2 h lang bei 40-120 U / min. Entfernen Sie das Röhrchen regelmäßig aus dem Shaker und schütteln Sie es kräftig von Hand, um die Bewegung des dichteren aggregierten Materials zu erhöhen.

3. Durchführung einer groben Bodenfraktionierung

  1. Entfernen Sie das Röhrchen aus dem Shaker. Gleichen Sie die Massen des Zentrifugenröhrchens aus, indem Sie vorsichtig zusätzliche SPT-Lösung hinzufügen, um eine gleichmäßige Masse über den zu zentrifugierenden Röhrchensatz zu erreichen, und stellen Sie sicher, dass Sie nach Zugabe der SPT-Lösung 30 Sekunden lang kräftig von Hand schütteln. 10 min bei 3.000 x g in einer Schaufelzentrifuge zentrifugieren.
  2. Testen Sie vor dem Absaugen der Probe die Dichte des Überstands, indem Sie 5 ml der Lösung mit einer Pipette abziehen und die Masse auf einer Waage überprüfen. Passen Sie die SPT-Dichte nach Bedarf an, um die gewünschte Dichte zu erreichen. Schütteln und zentrifugieren Sie erneut, wenn eine Anpassung der Lösungsdichte durchgeführt wurde.
  3. Befestigen Sie einen 1-Liter-Seitenarmkolben an einer Vakuumpumpe. Setzen Sie einen 110-mm-Glasfaserfilter (0,7 μm Porengröße) in einen Porzellan-Buchner-Trichter mit 12 cm Innendurchmesser (ID) ein. Verschließen Sie den Trichter vorsichtig mit einer konischen Gummidichtung auf dem Seitenarmkolben.
    HINWEIS: Die Glasfaserfilter sollten in einem Trockenschrank bei 150 °C vorgewaschen und vor Gebrauch mit DDI gespült werden.
  4. Stellen Sie einen zusätzlichen 1-Liter-Seitenarmkolben auf, der am Staubsauger befestigt ist. Legen Sie einen Gummistopfen in die Oberseite des Kolbens mit einer ~0,5 m überstehenden Länge des Schlauchs, der zum Absaugen angebracht ist.
    HINWEIS: Es kann hilfreich sein, eine Kunststoffspitze (z. B. eine 5-ml-Einwegpipettenspitze, deren Ende schräg abgeschnitten ist) am Ende des Aspirationsschlauchs anzubringen, um die Kontrolle der Absaugung während der Aspiration zu verbessern (siehe Abbildung 1).
  5. Saugen Sie den Überstand und das Schwebstoff, das sich in der obersten Schicht der Lösung an den Seiten des Zentrifugenröhrchens abgesetzt hat, vorsichtig ab und achten Sie darauf, die Spitze des Aspirationsröhrchens nicht mit der darunter liegenden pelletierten Bodenoberfläche zu berühren.
    HINWEIS: Wenn ein Bodenpelletmaterial (schwere Fraktion) fälschlicherweise zusammen mit dem suspendierten (leichten Fraktions-) Material abgesaugt wird, sollte der Fraktionierungsvorgang wiederholt werden. Wenn ein solcher Fehler unbemerkt bleibt, führt er zu einer schwereren Leichtfraktionsmasse als erwartet mit einem niedrigeren C-Gehalt als erwartet, was durch die Datenanalyse von Proben mit ähnlichen Bodeneigenschaften ersichtlich sein kann.
    1. Um das Aspirationsröhrchen zwischen den Proben zu reinigen, tauchen Sie die Spitze des Röhrchens schnell (z. B. 0,1 s lang eintauchen) in DDI-Wasser und ziehen Sie ~ 5 ml DDI-Wasser bei eingeschalteter Vakuumpumpe durch die Leitung. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das gesamte Material aus der Vakuumröhre gespült wurde.
    2. Entfernen Sie den Gummistopfen und den Aufsatz des Ansaugschlauchs vom Seitenarmkolben und gießen Sie den Inhalt bei eingeschalteter Vakuumpumpe in die Oberseite des Buchner-Trichters.
    3. Spülen Sie den Kolben mit DDI-Wasser aus, schwenken Sie ihn und gießen Sie den Kolbeninhalt in den Büchner-Trichter. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis alle an den Seiten des Kolbens haften gebliebenen Rückstände entfernt sind.
  6. Geben Sie 50 ml SPT in das Zentrifugenröhrchen und schütteln Sie es 60 s lang kräftig von Hand (oder verwenden Sie einen Schütteltisch, wenn sich der Boden nicht schnell verteilt), wobei Sie darauf achten müssen, das harte Pellet am Boden des Röhrchens aufzubrechen, damit alle Rückstände wieder suspendiert sind. 10 min bei 3.000 x g zentrifugieren.
  7. Wiederholen Sie Schritt 3.5. Gießen Sie den Kolbeninhalt in den gleichen Büchner-Trichter wie in Schritt 3.5.2.
  8. Geben Sie 50 ml SPT in das Zentrifugenröhrchen und schütteln Sie es kräftig von Hand, wobei Sie darauf achten, dass das harte Pellet am Boden des Röhrchens aufgebrochen wird. 10 min bei 3.000 x g zentrifugieren.
  9. Wiederholen Sie Schritt 3.5. Gießen Sie den Kolbeninhalt in den gleichen Büchner-Trichter wie in Schritt 3.5.2.

4. Zusätzliche Dichtetrennung(en) unter Verwendung von SPT mit höherer Dichte

HINWEIS: Wenn mehr als eine zusätzliche Dichtefraktion durchgeführt wird, müssen die nachfolgenden Fraktionierungen in der Reihenfolge zunehmender Dichte durchgeführt werden. Hier sind die Schritte zur Isolierung mit 1,85-2,4 g/cm3 und >2,4 g/cm3 SPT mit einer Dichte von 1,85-2,4 g/cm3 dargestellt.

  1. 50 ml 2,4 g/cm3 SPT in das Zentrifugenröhrchen geben, das das >1,85 g/cm3 Bodenmaterial aus Schritt 3 enthält. Schütteln Sie kräftig von Hand (>60 s) und achten Sie darauf, dass das harte Pellet am Boden des Röhrchens aufgebrochen wird. 10 min bei 3.000 x g zentrifugieren.
  2. Testen Sie vor dem Absaugen der Probe die Dichte des Überstands, indem Sie 5 ml der Lösung mit einer Pipette abziehen und die Masse auf einer Waage überprüfen. Passen Sie die SPT-Dichte nach Bedarf an, um die gewünschte Dichte zu erreichen. Schütteln und zentrifugieren Sie erneut, wenn eine Anpassung der Lösungsdichte durchgeführt wurde.
  3. Wiederholen Sie Schritt 3 miteiner 2,4 g/cm3 SPT-Lösung anstelle der zuvor verwendeten 1,85 g/cm3 SPT-Lösung. Am Ende von Schritt 3 hat das im Buchner-Trichter isolierte Material eine Dichte zwischen 1,85 und 2,4 g/cm3, während das im Zentrifugenröhrchen verbleibende Material eine Dichte >2,4 g/cm3 aufweist.

5. Waschen des SPT von den Proben der schweren und leichten Fraktion

HINWEIS: Die folgenden Waschschritte müssen für das gesamte fraktionierte Material durchgeführt werden. Wenn die SPT-Lösung nicht vollständig aus dem Material gespült wird, sind die entsprechenden Fraktionsgewichte ungenau.

  1. Geben Sie 50 ml DDI-Wasser in das Zentrifugenröhrchen mit dem Schwerfraktionsmaterial und schütteln Sie es kräftig von Hand (60 s), wobei Sie darauf achten, dass das harte Pellet am Boden des Röhrchens aufgebrochen wird. 10 min bei 3.000 x g zentrifugieren.
  2. Absaugen wie in Schritt 3.5. Zu diesem Zeitpunkt sollte das gesamte Material der leichten Fraktion entfernt worden sein. Entsorgen Sie das klare Aspirat in einem Abfalleimer, anstatt es in den Filtertrichter zu geben.
  3. Wiederholen Sie die Schritte 5.1-5.2 zweimal. Bevor Sie die Lösung endgültig im Röhrchen absaugen, verwenden Sie eine Transferpipette, um 25 ml des Überstands abzuziehen, und überprüfen Sie die Dichte, indem Sie das Lösungsgewicht durch das Volumen dividieren, um sicherzustellen, dass der SPT ausreichend aus der Probe entfernt wurde. Wenn die Dichte <1,01 g/ml beträgt, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort. Wenn die Dichte 1,01 g/ml oder mehr beträgt, führen Sie zusätzliche Wasserwäschen wie oben beschrieben durch, bis die Dichte weniger als 1,01 g/ml beträgt.
  4. Um die vollständige Entfernung des SPT aus der leichten Fraktion zu gewährleisten, füllen Sie jeden Buchner-Trichter mit DDI-Wasser und filtern Sie den Inhalt durch Glasfaserfilter. Sobald das Wasser vollständig durchgesickert ist, wiederholen Sie dies noch zweimal. Wenn der Boden reich an organischen Stoffen ist, kann die Filtration bis zu 48 Stunden dauern.

6. Sammlung des Schwerfraktionsmaterials

  1. Kratzen Sie den Boden vorsichtig aus dem Zentrifugenröhrchen in ein sauberes, beschriftetes Becherglas oder Glas. Gießen Sie genügend DDI-Wasser in das Röhrchen, um den restlichen Boden zu lockern. Setzen Sie die Kappe wieder auf, schütteln Sie sie und geben Sie dann die Aufschlämmung in den Glasbehälter. Spülen Sie den gesamten restlichen Schmutz aus dem Zentrifugenröhrchen und geben Sie ihn mit deionisiertem Wasser in den Glasbehälter.
  2. Stellen Sie den Glasbehälter in einen Trockenofen zwischen 40-60 °C. Trocknen, bis ein konstantes Trockengewicht erreicht ist, typischerweise für 24-72 h.

7. Sammlung des Lichtfraktionsmaterials

  1. Schalten Sie die Vakuumpumpe aus und entfernen Sie den Trichter aus dem Seitenarmkolben. Halten Sie den Trichter horizontal über ein beschriftetes Becherglas oder ein Glas und spülen Sie die Partikel vorsichtig mit einer DDI-Wasserwaschflasche aus dem Filter.
    HINWEIS: Es kann erforderlich sein, den Filter vorsichtig mit einem Spatel abzukratzen und beide Seiten des Filters zu spülen, um alle Rückstände zu entfernen.
  2. Stellen Sie den Glasbehälter auf 40-60 °C in den Trockenofen. Trocknen, bis ein konstantes Trockengewicht erreicht ist, typischerweise für 24-72 h.

8. Wiegen der Trockenmasse des fraktionierten Materials

  1. Kratzen Sie vorsichtig das gesamte getrocknete Material aus jedem Behälter in ein Plastikwaagenboot. Notieren Sie die Masse bis zur vierten Dezimalstelle. Legen Sie die Probe in ein beschriftetes Aufbewahrungsfläschchen oder einen beschrifteten Aufbewahrungsbeutel.
  2. Wiederholen Sie den Vorgang für alle getrockneten Proben.

9. Datenerhebung und -analyse für den gesamten organischen Kohlenstoff

  1. Befolgen Sie die Analyseverfahren gemäß dem Gerät, das für die Analyse des elementaren C-Gehalts verwendet werden soll (z. B. ISO 10694:1995).
    HINWEIS: Das Mahlen des getrockneten Fraktionsmaterials zu einem feinen Pulver ist eine gängige Praxis, um die Homogenität der fraktionierten Probe vor der Elementaranalyse sicherzustellen.
  2. Stellen Sie sicher, dass die kumulative Masse aller Fraktionen mindestens ~90% der ursprünglichen Bodenprobenmasse entspricht. Wenn die Materialverluste >10 % betragen, werden zusätzliche Replikatfraktionierungen empfohlen.
  3. Quantifizierung der kumulativen Rückgewinnung von organischem Kohlenstoff (SOC) im Boden in den Fraktionen. SOC-Verluste korrelieren möglicherweise nicht perfekt mit dem Massenverlust aufgrund des unverhältnismäßigen Verlusts an Fraktionsmaterial und des Verlusts an gelöstem organischem Kohlenstoff. Die SOC-Verluste sollten jedoch auch <10 % des ursprünglichen SOC in der Bodenprobe betragen.

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Ergebnisse

Die Bodendichtefraktionierung ist ideal geeignet, um zu untersuchen, wie sich Böden in ihrem Gehalt an partikulärer und mineralischer organischer Substanz unterscheiden. Die Aufteilung des SOC in diese beiden unterschiedlichen Pools bietet eine Möglichkeit, die Veränderungen des C-Gehalts und der Stabilisierungsdynamik des Bodens aufzuklären, die sonst bei der Beobachtung von Trends im C-Gehalt des Bodens unklar sein könnten. Die weitere Trennung des schweren Materials (Dichte >1,85 g/cm3) gibt zusätzli...

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Diskussion

Während des gesamten Protokolls zur Fraktionierung der Bodendichte gibt es einige spezifische Verfahren, die genau überwacht werden müssen, um Fehler bei der Trennung und Analyse der Bodenfraktionen zu reduzieren. Ein kritischer Schritt bei der Fraktionierung der Bodendichte besteht darin, die Dichte der SPT-Lösung wiederholt zu überprüfen. Feuchtigkeit in der Bodenprobe verdünnt oft die SPT-Lösung, wodurch die Dichte der SPT verringert wird. Daher muss der Forscher immer sicherstellen, dass nach der Zentrifugati...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Danksagungen

Für diese Arbeit wurde Unterstützung durch die National Science Foundation Grants DEB-1257032 an K.L. und DEB-1440409 an das H. J. Andrews Long Term Ecological Research Program bereitgestellt.

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Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
Aspirator/vacuum tubing 1/4 x 1/2"Kimble10847-216
Conical polypropylene centrifuge tube, 250mLThermo Scientific376814
Conical rubber gasket for filtering flasksDWK Life Sciences292020001
Double flat ended stainless steel spatula/scraperFisher Scientific14-373-25A
Glass fiber filter, grade GF/F, 110 mmWhatmanWHA1825110
Glass mason jar, 16 ozBall Corporation500 ml beaker or glass weigh dish are also suitable 
Polypropylene conical bottle adapter, 250mLBeckman Coulter369385
Porcelain buchner funnel, 90mmFisherBrandFB966F
Reciprocating shaker, 2-speedEberbachE6000.00
Sidearm flask, 1000mLVWR89000-386
Sodium Polytungstate, crystallineSometuSPT-0 or SPT-1, see Discussion for SPT choiceShipping via FedEx from Germany
Swinging bucket centrifuge Beckman Coulter3362020

Referenzen

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