Name: combined size and density fractionation of soils for investigations of organo-mineral interactions
Uploaded: 2019-02-15T13:30:00
Duration: 8 min 38 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Combined Size and Density Fractionation of Soils for Investigations of Organo-Mineral Interactions at JoVE.com

这种方法的发展得到了洛桑大学地球科学学院投资基金 (finv) 的支持。我们感谢乌干达国家科学和技术委员会和乌干达野生动物管理局允许我们收集研究样本。作者还希望感谢蒂埃里·阿特教授对 chn 和 xrd 的分析。我们感谢埃里卡·马林-斯皮奥塔教授提供经典密度分馏方面的初步培训。我们还感谢实验室经理莱蒂西亚·蒙巴龙协助确保用品和设备的安全。

1. 样品制备
<ol><li>风干和筛20克或更多的散装土壤到2毫米。</li>
	<li>确定散装土壤 (风干土壤中仍存在的水块) 的残余含水量, 以校正初始分馏质量44。</li>
</ol>2. 密集的解决方案准备
<ol><li>在热搅拌板 (~ 60°c) 加热的去离子 (di) 水中加入多钨酸钠 (spt), 以获得所需密度的密集溶液 (即1.62 和 2.78 g·cm-3).使用表 3估计要使用的水和 spt 的比例。设置一个有力的激动, 以帮助溶解的 spt。 注意: spt 具有腐蚀性, 吞咽时是有害的。它会造成严重的眼睛损伤。戴上防护手套/眼镜。对水生生物有害, 具有长期持久的影响。避免释放到环境中。</li>
	<li>溶液恢复到室温 (20-25) 后, 用流量计检查最终密度。通过添加 spt 或水来调整密度。 注: 最简单的方法是将 spt 的浓度 (+ 0.02-0.05 g· cm-3) 稍微大一些, 然后将其稀释到所需的密度。</li>
	<li>将 sptt 存放在室温下的塑料容器中。众所周知, spt 可以从玻璃器皿中回收钙, 并沉淀不溶性钙。spt 还可以与低质量的不锈钢和陶瓷发生反应。避免将 spt 储存几个月, 因为晶体会在局部过饱和点开始成核。</li>
</ol>3. 光分数 (lf) 分离
注: 在超声波分散 (flotation) 之前, 在密度为 1.62 g·cm-3 的溶液上, 在 280 j·ml-1 (tlf)下, 通过浮选分离 lf。
<ol><li>flf 分离
	<ol>
<li>在50毫升锥形离心管中称量5-8 克风干、筛分的土壤。用四个重要的数字记录土壤的质量。 注: 可添加到每个管的土壤量取决于土壤质地。一般来说, 黏土应用量较小, 沙质土壤应用量较大。为了在每个部分中获得足够数量的材料, 可以对同一土壤使用几个管 (我们通常使用两个) 或更大 (250 毫升) 锥形瓶子。试馏可以帮助了解土壤在分数之间的分布, 调整起始土块。</li>
		<li>使用刻度缸, 添加35-40 毫升的 spt (1.62 g· cm-3)。目的是使土壤溶液比达到1:5 或更低。 注: 为了防止骨料倾斜, 在添加溶液42,45 之前, 可以通过毛细管上升使土壤饱和。</li>
		<li>在离心的情况下, 用盖子平衡管的总质量。使用 spt 解决方案平衡管质量。在200转/分的情况下, 将管道安装在振动台上10分钟。 注: 在集料稳定性较差的土壤中, 此步骤可能会被手6的温和反转或总共跳过42。</li>
		<li>将管材直立设置, 使其含量在一个摇摆桶离心机中以 2500 x g 的速度沉淀至少 30分钟 , 以便在 flf 和颗粒 ("下沉" 材料) 之间进行明确的分离。 注: 砂质或絮凝样品的离心时间可以缩短。不建议以接近机器最大功能的速度进行离心机;这样做有可能损坏转子轴。请记住, 大多数离心机的设计并不是为了处理密度大大超过水的溶液而设计的。</li>
		<li>非常小心地从离心机上取出管道, 避免任何冲击。设置直立。 注: 此时, 可以通过在漂浮材料和颗粒之间移液5毫升来检查 spt 的密度, 并对其进行称重。如果土壤不干燥, 这一点尤其重要。</li>
		<li>将所有漂浮和悬浮材料 (flf) 倒进250毫升聚碳酸酯离心机瓶中。确保颗粒牢固地固定在管的底部。</li>
		<li>将粘附在管壁上的材料冲洗到相同的聚碳酸酯瓶中。使用一个充满 di 水的喷瓶, 拿着管几乎倒置在聚碳酸酯瓶的上方。小心不要破坏颗粒。 注: 对于某些样品, 颗粒可能不会强烈粘附在管的底部, 使 flf 的完全恢复困难。在这种情况下, 用泵或大容量移液器吸气会有帮助。</li>
	</ol></li>
	<li>超滤清洗 fLs 注: lf 通过超滤冲洗, 因为某些有机物的密度可能低于水的密度, 从而避免离心清洗。超滤的一个局限性是亚微测量、分散的胶体不能保留。常用的过滤孔径范围为0.2 至1.2 微米。毛孔较大的过滤器可能不会有效地保留胶体, 但更不容易堵塞。在这里, 我们使用0.45μm 过滤器。<ol>
<li>设置具有0.45μm 过滤器的真空超滤线。稍微润湿过滤器, 并在拧紧漏斗之前使用真空, 以避免撕裂。</li>
		<li>慢慢地将聚碳酸酯瓶的含量倒入真空过滤装置的漏斗中。不要让溶液在超过 ~ 1 厘米的深度上池在滤镜上。将聚碳酸酯瓶中残留的任何残留物冲洗到过滤装置中。</li>
		<li>一旦所有的溶液都通过过滤器, 将其回收在一个贴有 "使用过的 spt" 标签的塑料罐中进行回收。随后的冲洗可以丢弃在水槽中。</li>
		<li>在过滤单元中加入超过10毫升的 di 水至少 3次, 以确保去除 spt 的所有痕迹。确保冲洗过滤漏斗的一侧。在加水时, 通过在漏斗上添加一个标记来跟踪清洗。 注: 通过测量最后一次冲洗的电导率, 可以检查 spt 的完全去除。电导率应≤5μs·cm-146.</li>
	</ol></li>
	<li>恢复和存储 flf
	<ol>
<li>释放过滤线上的真空。</li>
		<li>从过滤装置中取出漏斗, 并使用充满 di 水的喷射瓶将粘附在两侧的材料回收到贴有标签的铝船中。小心地抬起过滤器与推子, 并冲洗其上的材料到同一铝船使用一个充满 di 水的喷瓶。</li>
		<li>将船内装物在最高65°c 干燥至恒定重量 (完全蒸发后至少 48小时)。在含有新鲜干燥剂的干燥剂中冷却至少30分钟。 注: 使用冷冻干燥机是另一种可能性。</li>
		<li>用塑料铲子轻轻刮掉铝船上的材料。如果样品强烈粘附在铝船上, 则可以使用金属铲子。小心不要划伤铝船。</li>
		<li>用四个重要的数字记录 flf 的质量, 然后将样品放入储存小瓶中。避免塑料小瓶, 因为静电, 使小有机颗粒粘附在两侧。</li>
	</ol></li>
	<li>通过超声发布 注: 目标是通过超声方法销毁稳定的宏观集料和大型微集料, 以释放闭塞的颗粒有机物, 同时尽量减少矿物吸附聚合物的提取或再分配。这里选择了 280 j·ml-1的声纳能量。请参阅讨论中关于聚合中断策略的部分, 以帮助选择声能。<ol>
<li>使用低振幅 (例如, 30%) 计算达到 280 j·ml-1 的声纳目标能量所需的时间和20千赫频率。 注: 每个声纳器应定期校准, 以将声纳时间与能量输出联系起来;看见北部 (1976)47帮助以定标。</li>
		<li>在含有 flf 提取颗粒的离心管中加入35-40 毫升的 spt (1.62 g·cm-3)。通过倒击管子并进行涡流, 重新悬挂颗粒。</li>
		<li>将超声波探头插入溶液表面以下2厘米处, 并将管放入冰水中, 以防止散装溶液加热。</li>
		<li>利用必要的时间对样品进行采样, 达到 280 j·ml-1的目标能量。总是喜欢低振幅和更长的超声时间。高振幅使有机粒子等轻质材料滑落到探头上, 从管中飞溅出来, 导致样品丢失。</li>
	</ol></li>
	<li>olf 分离
	<ol>
<li>在离心的情况下, 用盖子平衡管的总质量。使用 1.62 g/cm-3 spt 溶液平衡管质量。</li>
		<li>将管材直立设置, 让其内容在摆动桶离心机中以 2, 500 x克的速度沉淀至少30分钟。</li>
		<li>将所有漂浮和悬浮材料 (ol f) 倒进250毫升聚碳酸酯离心机瓶中。确保颗粒牢固地固定在管的底部。</li>
		<li>将粘附在管壁上的封闭的轻质有机材料冲洗成相同的聚碳酸酯瓶。使用一个充满 di 水的喷瓶, 拿着管几乎倒置在聚碳酸酯瓶的上方。小心不要破坏粘附在底部的颗粒。</li>
	</ol></li>
	<li>超滤清洗 of of
	<ol>
<li>设置具有0.45μm 过滤器的真空超滤线。稍微润湿过滤器, 并在拧紧漏斗之前使用真空, 以避免撕裂。</li>
		<li>将少量悬浮液从聚碳酸酯瓶中倒进真空过滤装置的漏斗中。如果溶液不容易通过, 添加 di 水稀释聚碳酸酯瓶的内容。 注: 高有机物 (有色) 的样品将很难过滤。如果过滤器出现堵塞迹象, 请设置第二个过滤装置或尝试压力过滤系统。另一种可能是离心稀释的聚碳酸酯瓶中的含量;上清液应更容易通过过滤器, 因为它含有较少的胶体和悬浮颗粒比原来的悬浮液。然后, 固定的材料可以重新悬浮在水中, 并通过离心冲洗。最终, 所有材料需要至少冲洗3次并进行回收。</li>
		<li>在贴有 "使用过的 spt" 标签的塑料罐中回收第一个 sptt 滤液, 以便进行回收。随后的冲洗可以丢弃在水槽中。</li>
		<li>用 gt;10 的 di 水毫升冲洗过滤装置上的材料三次。</li>
		<li>在铝船上收集低密度纤维板, 并在最高65°c 干燥, 使重量保持不变。以与 flf 相同的方式进行存储 (请参阅步骤 3.3)。</li>
	</ol></li>
</ol>4. 根据粒径分离 hFs
注: 下一步是根据粒径对步骤 3 (hf) 中的残留物进行分割。这里的尺寸截止设置为 8μm, 产生粘土 + 细淤泥分数 (< 8μm) 和粗淤泥 + 砂分数 (> 8μm)。粘土和细淤泥在精细分数中的组合反映了粘土和细淤泥对土壤有机质吸附的亲和力,33, 48。这里的粒径分离是通过沉降 (基于斯托克斯的第49号法律) 完成的。对于50微米或更大的切割, 只需通过湿筛分进行分离, 就不会有过多的磨损或有机矿物复合物破坏的风险。
<ol><li>
从 hf 中取出残余的小马
	<ol>
<li>在含有步骤4中残渣的试管中加入35-40 毫升的 di 水。通过倒击管并进行涡流, 重新悬挂残渣。离心 20分钟, 2, 500 x克。</li>
		<li>把上清液倒出来。如果它看起来多云或乳白色, 收集它, 并再次离心, 以解决胶体。将新颗粒与第一台离心产生的颗粒混合。 注: 如果第3步的残留物中仍有大量 spt 残留 (例如, 上清液的不完全脱皮), 则可能需要进行一次以上的冲洗。悬浮液的密度应在沉淀前 lt;1.1 g· cm-3.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
分散 hf 和沉淀物 注: 在沉淀之前, 重要的是要有一个良好的分散的 hf。我们使用的是超声而不是化学分散剂, 这将很难冲洗出来。斯托克斯定律要求恒温 (例如 20°c)。在超声之前从冷悬浮液开始是防止过热的有效方法。<ol>
<li>将冷冻 di 水添加到含有颗粒的试管中 (到40毫升标记)。放入冰箱30分钟。</li>
		<li>75 j·ml-1 的超声分。计算所需的声音时间, 如3.4.1。</li>
		<li>用 di 水冲洗超声波探头, 以回收所有材料。使用 di 水, 将体积调整为管内的50毫升标记。检查悬浮液的温度 (应与计算沉淀时间时使用的室温相匹配)。</li>
		<li>通过手工倒置使管材含量同质化。在允许材料 (< 8μm) 沉淀所需的时间内将含量留在沉积物中。根据斯托克斯定律, 在20°c 时平均粒子行程距离为7厘米, 沉积时间为20分钟。</li>
		<li>将上清液 (下降到10毫升标记) 移入50毫升离心管。</li>
		<li>重复沉淀步骤 3次 (步骤4.2.1 – 4.2.5)。将每个上清液收集在一个新的离心管中。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
两个大小分数的集合
	<ol>
<li>将含有上清液的管在45°c 时在烤箱中蒸发。不要让它们干燥。一旦体积充分减少, 将三个上清液整合成一个50毫升的离心管, 其中现在包含 < 8μm 分数。</li>
		<li>将含有 < 8μm 分数的管以及含有 > 8μm 分数 (步骤5.2 产生的沉积物) 的管在45°c 时放回烤箱中, 以蒸发剩余的多余液体。不要让里面的东西完全干燥。 注: 经常检查烤箱, 一旦管道中没有更多的集合水, 立即取出样品。干燥可以产生强聚合, 尤其是在精细分数中。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. 根据密度分离两个尺寸分数
注: 密度分馏适用于两个粒径分数。目的是将硅酸盐与氧化物分离。因此, 我们选择了 2.78 g· cm-3 的密度截止。可选的额外离职可以执行。例如, 2.4 g/cm-3 溶液可以从高岭石和初级硅酸盐中分离高活性粘土。请记住, 高有机质负荷会降低矿物颗粒的理论密度 43.
<ol><li>
密度分馏
	<ol>
<li>添加 35-40 ml 的 spt, 密度为 2.78 g·cm-3, 每个尺寸分数.在使用 spt 溶液离心时平衡管质量。</li>
		<li>通过倒击管, 重新悬挂材料。在200转/分的振动台上搅拌至少4小时。 注: < 8μm 分数很难正确地重新悬浮。如果血块在4小时后持续存在, 请在夜间放在晃动的桌子上。不建议使用非常密集的 spt 解决方案中的超声。由于高密度和粘度的原因, 超声能量不能很好地传播。</li>
		<li>将管直立设置, 让其含量至少沉淀 30分钟, 离心 90分钟, 在 2, 500 x克.</li>
		<li>将所有漂浮和悬浮材料 (& lt;2.78 g· cm-3组分) 倒进250毫升聚碳酸酯离心机瓶中。确保颗粒 (> 2.78 g· cm-3 组分)保持牢固地固定在管的底部。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
用离心离心离心清洗四 hFs 注: 密度分离后, 我们得到了四个 hFs (hf1 至 hf4;表 2)。每一个都需要通过离心进行冲洗才能去除 spt. 不建议对 hFs 进行超滤 (对于精细分数、hf3 和 hf4 不可能进行超滤)。<ol>
<li>使用充满 di 水的喷射瓶将 2.78 g/cm-3 颗粒转移到250毫升聚碳酸酯瓶中。</li>
		<li>在聚碳酸酯瓶中添加 di 水, 以降低密度, 而不会超过200毫升标记。对所有分数执行此操作。</li>
		<li>在离心的情况下, 使用 di 水称量瓶子和盖子, 并使质量相等。检查转子的最大负载是否超过。</li>
		<li>放置在涡旋上重新悬挂材料。离心 20分钟, 5, 000 x g。</li>
		<li>将上清液分解成 "用过的 spt" 罐进行回收。后续漂洗可能会丢弃在水槽中。 注: 在脱皮时, 请注意不要丢失细颗粒。一旦上清液显示悬浮颗粒 (旋涡、片状或多云的外观) 痕迹, 就停止脱垂。</li>
		<li>在 di 水 (洗涤 1) 中重新悬浮颗粒, 不超过200毫升标记。 注: 重要的是要确保适当的重新悬浮, 以便小组委员会不会停留在粒子之间。粘附在瓶子侧面的细颗粒最容易使用喷瓶中的喷水器悬挂。颗粒可以通过倒击瓶子和涡流重新悬挂。如果样品仍有颗粒, 请使用振动台。低能超声步 (例如 75 j·ml-1) 也是可能的。</li>
		<li>重复清洗过程 (步骤 5.2.3 5.2.6) 两次 (清洗2和清洗 3)。</li>
		<li>通过称量10毫升来检查最后一个上清液的密度;密度应 < 1.01 g· cm-3.如果上清液比这更密集, 进行第4次清洗.</li>
		<li>使用 0.01 m ncl 作为冲洗溶液进行最后清洗, 以防止胶体的分散。完全装饰最后一个漂洗液。</li>
		<li>收集 hFs (颗粒 + 细颗粒粘附在瓶的一侧) 在铝船和干燥在最大105°c 到恒定的重量。以与 lf 相同的方式存储。</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. 小组委员会的回收利用
注: 经含有活性炭的色谱柱和阳离子交换树脂50, 可在重复使用的情况下回收 spt 溶液。活性炭保留有机物, 而钠饱和阳离子交换树脂从溶液中去除钙和其他阳离子, 并将其替换为钠。我们先在过氧化氢中消化 spt, 然后再将其通过柱, 以确保定量去除溶解的有机物。
<ol><li>
设置和更改回收列
	<ol>
<li>在 1, 000 毫升聚碳酸酯刻度缸的底部钻5-8 个直径约为4-5 毫米的孔。</li>
		<li>切割 2个11μm 孔尺寸的滤光片, 使其尺寸变大, 并将其放置在气缸底部。用3-5 厘米的玻璃棉覆盖过滤器。加入8-10 厘米的活性炭。 注: 由于大部分有机物是通过 h2o2 消化去除的,因此与建议的六50相比, 色谱柱中的活性炭量可能会减少。</li>
		<li>盖上3-5 厘米的玻璃棉。加入8-10 厘米的新的或再生的阳离子交换树脂。用3-5 厘米的玻璃棉完成。</li>
		<li>把柱子夹在金属支架上。将装有2.5μm 孔径过滤器的大型塑料漏斗放置在色谱柱的顶部和底部。底部漏斗将连接到通往塑料瓶的管道上。</li>
		<li>在首次使用之前, 通过两升 di 水通过柱, 冲洗柱。</li>
		<li>在 spt 通过约10至 15 l 后, 更换活性炭并再生阳离子交换树脂。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
防范酷刑小组委员会清洁
	<ol>
<li>将使用过的 spt 溶液放在热板上, 并进行磁性搅拌。在使用过的 spt 溶液的每一升中加入15毫升的 35% h2o2, 并在大约60°c 时消化 24小时.</li>
		<li>将 spt 从热板上取下, 让溶液在室温下放置在塑料制品中至少7天。</li>
		<li>在回收列中渗透。每天更换漏斗中的过滤器。</li>
		<li>用大约 2 x 200 毫升的 di 水冲洗柱, 以恢复所有 spt。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
蒸发
	<ol>
<li>用磁性搅拌将回收的 spt 放在热板上。在 spt 溶液的每一升中添加15毫升70% 的乙醇, 以中和任何剩余的氧化能力。过量的乙醇在蒸发过程中很容易从溶液中挥发。</li>
		<li>将溶液在低热量下蒸发到所需的密度。</li>
		<li>冷却溶液并检查密度。存放在塑料瓶中。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

作者没有什么可透露的。

csdf 实验的成功取决于该方法的适当参数的选择, 因此可以隔离相对均匀成分的分数。下面讨论了分馏参数选择中的主要考虑因素。
flf 表示与矿物质相互作用最小的有机物。提取这个分数是微妙的, 因为土壤与致密溶液的混合可能已经分解了一些宏观集料。然而, 有迹象表明, 宏观聚集体中存在的有机物可能更类似于严格意义上的自由纤维, 而不是高能超声定律18释放的 olf。一些作者甚至提出了一个低能量超声步骤来分离自由和弱矿物相互作用的有机物池, 称为 "集料内颗粒有机质", iPOM54。
对于被遮挡的有机质的释放, 存在着不同的技术来破坏土壤聚集物。最普遍的是超声、玻璃珠搅拌和化学分散剂的使用 33,62,63。之所以选择超声, 是因为输出能量可以很好地控制, 并且被认为在样品中分布或多或少是一致的。通过排除使用化学分散剂的需要, 超声可被视为对有机矿物复合物的相对防腐剂22,33。然而, 分散步骤仍然是最微妙的行动之一。一方面, 弱色散会使集合体保持不变, 并可能导致 hf soc 的高估估计;另一方面, 极强的分散步骤可能会导致 soc 在各组分的再分布, 部分破坏有机矿物复合物。薄弱的有机和关联可能特别容易受到这一进程的影响。由于集料和表面吸附中的遮挡是沿连续体2发生的过程,因此不存在完美的解。因此, 超声的能级需要根据土壤特性进行深思熟虑的调整。kaiser 和 berhe64 发表了一篇非常有帮助的评论, 提出了一种策略, 以最大限度地减少超声波在分散土壤时造成的伪影。
报告的声能量范围从60到 5, 000j·ml-1.一些研究小组报告说, 100 j·ml-1足以破坏宏观集料, 有效分散沙质土壤, 而 500 j·ml-1 将破坏大型微集体, 并提供合理的反应分散土壤63,65,66,67,68。在物理分馏方案中, 可能没有必要完全分散淤泥和粘土大小的集料, 因为在这些尺寸范围内, 保护机制很可能与吸附稳定无法区分。在大小或密度分馏之前进行分散的一个合理目标可能是破坏宏观 (> 250 微米) 和大型微 (> 53μm) 集合体。100 j·ml-1 (沙质土壤) 到 200 j·ml-1 (沃土)的能量可能是适当的选择。200 j·ml-1 的能量可能已经提取了一部分微生物代谢物 (据称与矿物质相关)69, 因此使用更高的超声能量应受到警告。然而, 具有胶结集料的矿物学反应土壤可能需要高达 500 j·ml-1才能分散。必须调整分散能量, 以适应每种土壤类型以及研究目标。最后, 重要的是要记住, 即使在所谓的完全超声分散后, 粘土大小的微聚集体很可能会持续70.
协调物理分馏技术的一个困难在于土壤中的异质性, 特别是其矿物组成。应根据已知或推断的土壤矿物学选择致密溶液, 最终目的是分离出尽可能均匀的分数。
在文章中, 使用的致密溶液是 spt-ph 371,72。低 ph 值最大限度地减少可溶性有机化合物的损失。然而, 密度分馏可以用不同的致密溶液进行。从历史上看, 使用了有机液体 (四溴乙烷、四氯甲烷), 但由于卤代烃的毒性和土壤固有的污染, 有机液体逐渐被放弃, 而无机盐 (碘化钠、spt) 的利润有机物。如今, spt 是首选的解决方案, 因为它的密度可以调整在1.0 至 3.1g· cm-3 之间, 它可以回收利用, 毒性很低 (除非摄入)22,50。主要制造商提供一系列不同碳和氮污染水平的 spt 等级。对于土壤的密度分馏, 建议使用最纯净的品位, 特别是在分析分馏的同位素组成的情况下。
密度的溶液 1.6 g· cm-3 经典地用于分离轻有机从矿物相关的组分-例如看见 golchin 等. 虽然一些作者认为, 密度为 1 g·cm-3 (水) 足以提取大部分的光分数73,74, 而另一些作者则提出了更高密度的切割, 如1.62 或 1.62 g·cm-3 基于认为一些有机成分可以显示密度高达1.60 克·厘米-3 33,75, 76.密度高达1.85 克· cm-3, 甚至使用了50。当选择密度来分离轻与重分数时, 应该注意的是, 不存在完美的解决方案。事实上, 较低的密度有可能将某些 "轻" 有机物归因于重组分, 而较高的密度有可能将某些矿物 (包括某些矿物) 归入轻组分。在观察光体组分的碳含量时, 可以检测到最后的效果,% soc 低于 40-45%, 表明存在一定程度的矿物污染。
对于重组分, 初步分析 (如 xrd) 可以深入了解块体样品60的矿物学, 并有助于确定密度切断, 从而区分土壤的主要矿物成分, 同时牢记高有机含量与理论值相比, 负载会降低矿物的密度。同样, 对于颗粒大小的分离, 纹理分析77,78可以帮助设置适当的限制。在难以连续密度分馏的情况下, 颗粒尺寸分离是对简单密度分馏的一种特别有吸引力的补充。例如, 含有大量含氧物和低活性粘土的土壤就是这种情况, 这导致样品分散, 防止在重液中进行明确的分离。在分离密度相似但大小不同的矿物 (如石英和伊利石) 时, 也采用了颗粒大小的分离步骤。
游离钙离子与 spt 反应, 形成不溶于水溶的钙金属钨酸。因此, 对于含有大量结晶不良、剥落碳酸盐的碱性土壤来说, 这种做法是不合适的。只要样品与 spt 接触时间过长, 少量的低反应性碳酸盐就不会干扰分馏。钙元钨酸沉淀物会导致分数质量的高估。如果 lf 在 c 浓度的元素分析仪上运行, 问题就会被发现, 但分馏会受到影响。
除了这些技术上的困难外, csdf (或任何物理分馏方案) 的根本局限性还在于, 土壤中的活性矿物很少作为离散分离而出现, 而是作为涂层和水泥出现。在其他非反应矿物 (如石英) 上出现高度吸附但非常薄的涂层, 可能会导致对有机矿物组合的偏颇看法。因此, 在解释结果时需要谨慎, 特别是对于反应性以结晶和氧化物相影响的土壤而言。对分数的进一步定性有助于减轻这种含糊之处。然而, 详细的物理分馏方法, 如 csdf 具有无与伦比的能力, 以获得洞察自然发生的有机矿物复合物的组成。这种洞察有望对土壤中最大的有机质集合--与矿物相关的有机物质池--的生物地球化学有新的认识。

土壤是一个复杂的系统, 包含地质和生物来源的元素。研究它们之间的相互关系是我们理解生态系统功能的基石 1。特别是有机矿物相互作用被认为在土壤有机质 (som) 动力学中起着关键作用2。展开 som 动力学目前是一个非常活跃的研究领域, 原因有几个。som 储量高的土壤往往表现出良好的内在肥力, 也可能构成具有环保价值的固碳机会3,4。
土壤中的有机物是高度异质性的, 有些成分在几个小时内就会在空间中翻转, 而另一些成分可能会持续数千年5。这种异质性的决定因素仍然是一个有争议的话题, 但与矿物基质的联系被认为是特别重要的6,7, 特别是对底土层8。因此, 已知与有机成分密切相关的矿物阶段正受到越来越多的兴趣 9、10、11.
土壤中含有多种矿物, 对 som 具有质的和定量的不同吸附潜力。具有较大的比表面积和高反应表面的矿物已被证明对有机化合物具有较高的吸附能力 4,12。在土壤中, 次生矿物, 如高活性的硅酸盐 (如蒙皮石)、氢氧化铁和结晶不良的铝硅酸盐, 都被证明与某些有机化合物的吸附保存有显著的影响13,14,15,16,17. 因此, 将土壤分成矿物学不同的部分, 有助于分离具有相对功能均匀性的有机质池。
本文的目的是提出一种根据成分分离有机矿物复合物的方法, 为研究有机矿物复合物的性质提供依据。该方法结合大小和密度分馏, 将块状土壤物理分离为不同成分的分数序列。组合大小和密度分馏 (csdf) 集成了两种有效的物理分馏方法 (粒径分离和密度分离)。这两种方法的结合提高了我们对土壤中有机矿物组合的理解。
有许多不同的方法 (化学、物理和/或生化) 可用于指定散装土壤样品中的分数 18,19.简单密度分馏是一种物理分离, 土壤科学家广泛使用它来研究 som 动力学 (例如, 见 grunwald 等人, 2017年及其参考)20。在其经典形式, 简单的密度分馏分离材料轻比给定的截止 (一般1.6 至 1.85 g·厘米-3)-轻分数 (lf) 从较重的材料-重分数 (hf)。lf 有时会进一步分裂为自由光分数 (flf) 和遮挡光分数 (lof)21。
在许多土壤中, hf22 中发现了最大的 som 池.hf 中的 som 通常被认为比 lf 23 中的 som 更稳定, 但它已被证明保留了较高的成分, 并且可能保留了功能异质性18。这表明需要进一步将 hf 分离为更均匀的亚组分, 以期隔离具有不同生物地球化学特性 (如停留时间或功能) 的 som 池。sollins 等人 (2009年)24所描述的顺序密度分馏确实被证明是一种成功的方法;然而, 仅仅根据密度进行分离, 就有可能忽略由于晶粒尺寸的变化, 从而导致特定表面积的差异。例如, 高岭石的密度与石英大致相同, 但可根据其大小模式加以分离 (表 1)。csdf 包括考虑晶粒尺寸, 提高分馏的分辨率。
基于物理、化学或生化特性的 som 分馏有着悠久的历史。物理方法 (如 csdf) 基于土壤成分的物理属性, 如 (颗粒或集料的) 大小或密度。化学方法包括选择性提取特定化合物或一类化合物, 以及化学氧化。生化方法在各种实验条件下依赖于微生物氧化。化学品和生化方法基于不同的原理, 与物理方法相比有不同的目标, 但下文简要回顾。
碱性萃取 (例如氢氧化钠) 是最早用于化学分离土壤中有机成分的方法之一.som 分馏的更现代的化学方法的例子包括用钠-焦磷酸盐进行碱性萃取, 目的是分离与矿物结合的 som;ii) 酸水解 (hcl), 旨在定量旧的、持久性的 som;和 iii) 选择性氧化 som 与化学剂, 旨在攻击自由或不稳定的 som2。虽然这些方法可用于深入了解功能不同的有机物池, 但它们存在多种限制。首先, 提取可以是不完美的或不完整的。例如, 经典的碱性方法只提取50-70 的土壤有机碳 (soc)6。其次, 分馏产品可能不能代表在现场发现的 som, 并且可能难以分类5。第三, 这些化学方法只提供有限的洞察有机矿物相互作用, 因为其中许多不保持有机和矿物之间的原始联系。
包括孵化实验在内的生化提取主要用于研究不稳定和反应性 som (关于生化方法的综述, 请参见 strosser32 )。孵化实验可以被认为是生化需氧量的测量, 直观地非常适合生物可利用有机底物的测定。然而, 在与现场不同的条件下 (温度、湿度、物理扰动、没有新的输入) 需要长时间的孵育时间, 这使得就地 som 动力学的外推法变得微妙. 
与被认为具有变革性或破坏性的化学或生化方法相比, 物理分馏技术可以被认为是更多的防腐剂 22 (可溶性有机化合物的重要例外,会在过程中丢失)。在最好的情况下, 物理土壤分数可以被看作是现场存在的固相土壤成分的 "快照", 因此可以更直接地与现场 som 动力学 33相关。此外, 该技术的非破坏性意味着分数随后可以通过各种分析或根据化学或生化方法进一步细分来进行表征。
土壤的物理分馏不是最近的想法。关于物理分离技术的科学文献可以追溯到20世纪中期。密度分馏的应用早在 1965年34,35就有报道。在同一时期和随后的几十年里, 关于 som 动态及其与矿物相互作用的出版物已经在土壤科学家中普及了36、37、38、39.
基于密度、集料大小或粒径的分离是目前最常用的物理分离方法。物理分离的主要挑战之一是隔离同质功能 som 池, 其定义是翻转率、大小或其他功能指标。结合分离方法或标准, 如在 csdf, 可能有助于实现功能分辨率的土壤分数;事实上, 这些方法似乎在18、40、41、42、43组合中的使用越来越多。通过结合序贯密度分离, 能够产生不同有机质含量和矿物组成的分数, 并与大小分离相结合, 这也是特定表面积造成的差异, csdf 有望实现深入了解土壤中有机矿物组合的多样性和功能。
csdf 的目标是将块状土壤样品物理分离为相对矿物学和构造均匀性的分数。密度和粒径截断, 以及这里使用的分散能量是根据我们的土壤类型选择的, 但这些参数可以根据要分馏的样品和研究的目的进行调整。在本例中, 我们选择使用一个分散步骤、两个密度和一个大小截断, 结果将散装土壤分为6个分数 (表 2)。图 1给出了该方法的概念概述。这里的材料是热带土壤, 但该方法可以应用于任何土壤类型, 以及沉积物。csdf 通常被用作进一步分析之前的准备步骤, 尽管各部分之间的材料分布本身可以提供非常丰富的信息。当应用于土壤时, csdf 产生的分数在 (1) 矿物成分 (矿物学和质地) 和 (2) som 浓度和成分不同。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Fractionation</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium polytungstate</td>
			<td>Sometu</td>
			<td></td>
			<td>SPT 0 (low C and N) is recommended. Lower grade polytungstate may contaminate samples.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrometers (1-1.5, 1.5-2, 2-2.5, 2.5-3 g.cm-3)</td>
			<td>Allafrance</td>
			<td></td>
			<td>Calibrated at 20 &#176;C, e.g. 3050FG250/20-qp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vortex mixer</td>
			<td>Fisher</td>
			<td></td>
			<td>Fixed speed standard vortex mixer, e.g. 02-215-410</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sonifier</td>
			<td>VWR</td>
			<td></td>
			<td>Qsonica LLC - Q500 system with standard probe 4220</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sonifier stand</td>
			<td>VWR</td>
			<td></td>
			<td>Large clamp stand</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sonifier enclosure</td>
			<td>VWR</td>
			<td></td>
			<td>Soundproof cabinet (optional)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Swinging-bucket centrifuge</td>
			<td>Beckman</td>
			<td></td>
			<td>Able to achieve speeds of 4000 g or more, fitted with rotor accommodating 50 mL Falcon tubes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed centrifuge with fixed angle rotor</td>
			<td>Beckman</td>
			<td></td>
			<td>Able to achieve speeds of 7500 g or more, fitted with rotor accommodating 250 mL bottles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mL centrifuge Falcon tubes</td>
			<td>Corning</td>
			<td></td>
			<td>e.g. 352070</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>250 mL centrifuge bottles</td>
			<td>Beckman</td>
			<td></td>
			<td>Polycarbonate bottles (e.g. 352070) are recommended because they are clearer than other plastics.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vaccum filtration units</td>
			<td>Semadeni</td>
			<td></td>
			<td>Polusulfone reusable units, e.g. 3029</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polypropylene hose</td>
			<td>Semadeni</td>
			<td></td>
			<td>To connect the filtration unit to vaccuum source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrafiltration disks, 0.45 &#181;m pore size</td>
			<td>Millipore</td>
			<td></td>
			<td>e.g. HAWP04700</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dessicator cabinet</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td></td>
			<td>3 shelves, e.g. 305317-0120</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drierite absorbent indicating</td>
			<td>Millipore</td>
			<td></td>
			<td>Blue drierite, e.g. 10276750</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scintillation vials</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td></td>
			<td>HDPE - separated cap 20mL, e.g. 12341599</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>150 mL aluminium boats (smooth sides)</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td></td>
			<td>Any model.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory oven</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td></td>
			<td>Any model.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Recycling SPT column</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cation exchange resin</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Dowex&#174; Marathon&#8482; C sodium form, strongly acidic, 20-50 mesh</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Activated charcoal</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Darco S-51, 4-12 mesh</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass wool</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td></td>
			<td>Pyrex</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter paper, 2.5 &#181;m pore size</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Whatman grade 42, e.g. WHA1442150</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Reagent grade.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Reagent grade.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polycarbonate 1000mL graduated cylinder</td>
			<td>Semadeni</td>
			<td></td>
			<td>Any model.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stand and clamp</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Size L - 2-prong</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polypropylene hose</td>
			<td>Semadeni</td>
			<td></td>
			<td>Any model.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polypropylene hose clamp</td>
			<td>Semadeni</td>
			<td></td>
			<td>Any model.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polypropylene funnels</td>
			<td>Semadeni</td>
			<td></td>
			<td>Any model.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polypropylene bottle (1L, 2L)</td>
			<td>Semadeni</td>
			<td></td>
			<td>Any model.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating plate</td>
			<td>Fisher scientific</td>
			<td></td>
			<td>Any model.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

combined size and density fractionation of soils for investigations of organo-mineral interactions

结合大小和密度分馏 (csdf) 是一种将土壤物理分离成不同粒径和矿物学的分数的方法。csdf 依靠顺序密度分离和沉淀步骤来分离 (1) 自由光分数 (非络合有机物), (2) 闭塞的轻分数 (不复合的有机质被困在土壤集料中) 和 (3) 可变的重数组分 (土壤矿物及其相关的有机质) 不同的成分。如果正确选择了 csdf 的参数 (色散能、密度切割、沉积时间), 该方法就能得到相对均匀矿物组成的重分数。这些组分中的每一个都被期望对有机物有不同的络合能力, 使这成为分离和研究有机矿物相互作用性质的有用方法。与简单的粒度或粒度分馏方法相比, 密度和粒径分离的结合带来了更高的分辨率, 允许根据矿物学和尺寸 (与表面积相关) 标准分离重成分。与所有物理分馏方法的情况一样, 它可能被认为比基于化学的提取方法具有较小的破坏性或攻击性。然而, csdf 是一种耗时的方法, 此外, 在某些分数中获得的材料数量可能会受到限制, 以便进行后续分析。在 csdf 之后, 可以对其矿物学组成、土壤有机碳浓度和有机质化学进行分析。该方法提供了土壤样品中有机碳分布的定量信息, 并揭示了不同自然发生的矿物阶段的吸附能力, 从而提供了有关优惠的机械信息。土壤中有机矿物相互作用的性质 (即, 哪些矿物, 什么类型的有机物)。

Watch this Scientific Journal Video about Combined Size and Density Fractionation of Soils for Investigations of Organo-Mineral Interactions at JoVE.com

Combined Size and Density Fractionation of Soils for Investigations of Organo-Mineral Interactions

结合大小和密度分馏 (csdf) 是一种将土壤物理分离为纹理 (粒径) 和矿物学 (密度) 不同的分数的方法。目的是分离对土壤有机质 (som) 进行不同反应的分数, 以便更好地了解有机矿物相互作用和 som 动力学。

土壤联合粒径与密度的分离研究

Combined size and density fractionation (CSDF) is a method used to physically separate soil into fractions differing in particle size and mineralogy. CSDF ...

这种方法是研究有机矿物相互作用的有趣方法，因为它根据土壤与不同矿物的关联来分馏土壤有机物。这是一个物理分馏过程，这意味着它不会改变分数的化学性。因此，对分数的分析告诉我们一些关于有机矿物复合物的自然组成。这种方法真的很有用，因为我们试图更多地了解不同土壤将碳从大气中分离的能力。要分离自由光馏分，在50毫升锥形离心管中，重5至8克风干筛化土壤。用四个重要数字记录土壤质量。使用分级油缸，加入 35 至 40 毫升多聚通州钠或 SPT。密度为每立方厘米1.62克，在摆动桶离心机中，以2500倍的重力离心90分钟，可对自由光馏分和颗粒进行清晰分离。将所有漂浮和悬浮材料倒入 250 毫升聚碳酸酯离心瓶中。确保托盘保持牢固地固定在管的底部。将附着在管壁上的材料冲洗到同一个聚碳酸酯瓶中。使用装满去离子水的喷水瓶，将管子几乎倒置在聚碳酸酯瓶上方。设置带 0.45 微米过滤器的真空超滤线。在拧紧漏斗之前，稍微润湿过滤器并吸尘，以避免流泪。慢慢地将聚碳酸酯瓶的含量倒入真空过滤装置的漏斗中。将聚碳酸酯瓶中残留的任何残留物冲洗到过滤单元中。不要让溶液拉过超过过滤器大约一厘米的深度。至少三次向过滤装置添加超过 10 毫升的去越水，以确保去除 SPT 的所有痕迹。确保冲洗过滤漏斗的侧面。释放过滤管上的真空后，从过滤装置上拆下漏斗。使用装满去离子水的喷瓶将粘在两侧的材料回收到有标签的铝碗中。小心地用钳子提起过滤器，并使用装满去离子水的喷瓶将材料冲洗到同一个铝碗中。将船上的内装物在最高65摄氏度至恒定重量下干燥。至少 48 小时后，在含有新鲜干燥剂的干燥器中冷却碗内的内容物至少 30 分钟。用塑料铲轻轻刮掉铝碗上的材料。用四个重要数字记录自由光分数的质量，然后将样品放在存储小瓶中。为了释放被遮挡的光分数，向含有自由光馏分提取颗粒的离心管中加入35至40毫升的SPT，密度为每立方厘米1.62克。重新暂停颗粒。将超声波探针插入溶液表面以下两厘米处，并将管子放在冰水中，以防止散装溶液加热。使用必要的时间对样品进行声波化，以达到每毫升280焦耳的目标能量。为了分离遮挡的光分，在摆动桶离心机中，以 2500 倍的重力离心 90 分钟。将所有漂浮和悬浮材料倒入 250 毫升聚碳酸酯离心瓶中。确保颗粒保持牢固地卡在管的底部。将粘附在管上的所有管子上的遮光有机材料冲洗到与以前相同的聚碳酸酯瓶中。将冷冻去压水加入含有颗粒的管子中，高达40毫升。声波以每毫升 75 焦耳的速度将含量留在沉淀时间，所需材料细大于 8 微米才能沉淀。然后将上流液器移出至 10 毫升标记，放入 50 毫升离心管中。将含有小于 8 微米分数的管子以及含有大于 8 微米分数的管子放入 45 摄氏度的烤箱中，以蒸发剩余的多余液体。要执行密度分馏，请添加 35 到 40 毫升的 SPT，每个尺寸分数的密度为每立方厘米 2.78 克。在重力为 2500 倍时重新暂停颗粒和离心机 90 分钟。然后，将所有浮动和悬浮材料倒入 250 毫升聚碳酸酯离心瓶中，确保托盘牢固地固定在管底。在漂浮材料和颗粒之间可能很难得到清晰的分离。在这种情况下，您可以尝试将上一级的渴望向下到设定的级别。现在，使用装满去离子水的喷瓶将颗粒转移到 250 毫升聚碳酸酯瓶中。将去维水加入聚碳酸酯瓶中，以降低密度，不超过200毫升。对于所有分数都这样做。在5000倍重力下将瓶子离心20分钟后，将上经剂放入用过的SPT罐中进行回收。执行文本协议中描述的洗涤程序后，在铝碗中收集重分数，重分是附着在瓶子侧面的颗粒和细颗粒。在最大 105 摄氏度至恒定重量下干燥重分数。以与轻分数相同的方式存储重分数。物质质量在分数之间的分布，在站点之间表现出强烈的差异。正如最初通过粉末X射线衍射评估的散装样品矿物学所示，在一个以原硅酸盐（如石英和费尔德斯帕）为主的地点，大多数材料被回收在重馏分中，该部分被设计为浓缩粗硅酸盐。在矿物学分析中，第二地点显示，植物硅酸盐多为高岭土。因此，旨在浓缩细硅酸盐的重分三在二点比在工地一有更多的材料。最后，站点三是最丰富的氧化物，也显示了在重分数二中用于浓缩粗氧化物的最大物质量。总体而言，数据表明，该方法在物理上将散装样品分成其主要矿物学成分中是成功的。对于任何物理分离方案，根据您的特定目标调整分馏参数非常重要。请确保运行测试并处理多个复制以检查可重复性。尽管多聚态钠的毒性低于之前使用和溶液，它仍然是一个刺激性，如果吞咽或吸入是有害的。避免将其释放到环境中。分离后，可以分析不同分数的矿物学以及有机物含量和组成。这为我们提供了有关有机矿物关联中的矿物和有机物合作伙伴的信息。这种方法可以揭示有机物的降解性。事实上，明显的顽固性可能并不是给定有机化合物的属性，而是它对不同矿物的亲和力。

Research

JoVE Journal

Environment

Determination of Microbial Extracellular Enzyme Activity in Waters, Soils, and Sediments using High Throughput Microplate Assays

在使用高通量微孔板测定水，土壤，沉积物和微生物测定胞外酶活性的

Much of the nutrient cycling and carbon  processing in natural environments occurs through the activity of extracellular  enzymes released by ...

科研

环境科学

Integrated Field Lysimetry and Porewater Sampling for Evaluation of Chemical Mobility in Soils and Established Vegetation

综合外地Lysimetry和孔隙水采样的化学活动性土壤的评价和植被成立

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals ...

Measurement of Greenhouse Gas Flux from Agricultural Soils Using Static Chambers

Measurement of greenhouse gas (GHG) fluxes between the soil and the atmosphere, in both managed and unmanaged ecosystems, is critical to understanding the ...

A Bending Test for Determining the Atterberg Plastic Limit in Soils

弯曲试验在土壤确定阿太堡限塑

The thread rolling test is the most commonly used method to determine the plastic limit (PL) in soils. It has been widely criticized, because a ...

Extraction and Analysis of Microbial Phospholipid Fatty Acids in Soils

提取及土壤微生物磷脂脂肪酸分析

Phospholipid fatty acids (PLFAs) are key components of microbial cell membranes. The analysis of PLFAs extracted from soils can provide information about ...

Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations

土壤蒸渗仪开挖加之水文，地球化学和微生物调查

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled ...

Methods of Soil Resampling to Monitor Changes in the Chemical Concentrations of Forest Soils

土壤重采样的方法监控森林土壤的化学浓度的变化

Recent soils research has shown that important chemical soil characteristics can change in less than a decade, often the result of broad environmental ...

Development of New Methods for Quantifying Fish Density Using Underwater Stereo-video Tools

利用水下立体视频工具量化鱼类密度的新方法研究进展

The use of video camera systems in ecological studies of fish continues to gain traction as a viable, non-extractive method of measuring fish lengths and ...

An Ultra-clean Multilayer Apparatus for Collecting Size Fractionated Marine Plankton and Suspended Particles

海洋浮游生物和悬浮颗粒的超洁净多层采集装置

The distributions of many trace elements in the ocean are strongly associated with the growth, death, and re-mineralization of marine plankton and those ...