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

Udviklingen af denne metode blev støttet af Fond d'Investissement (FINV) af Geosciences Fakultet på universitetet i Lausanne. Vi anerkender Uganda National Council for videnskab og teknologi og Uganda Wildlife myndighed for at give os tilladelse til at indsamle forskning prøver. Forfatterne yderligere vil takke Prof. Thierry Adatte for CHN og XRD analyser. Vi er taknemmelige til Prof. Erika Marin-Spiotta for indledende uddannelse i klassisk tæthed fraktionering. Vi takker også laboratory manager Laetitia Monbaron for hendes hjælp med at sikre forsyninger og udstyr.

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

CSDF eksperimenter succes afhænger valget af relevante parametre for metoden, så at brøkdele af relativt homogen sammensætning kan isoleres. Vigtige overvejelser i udvælgelsen af fraktionering parametre er beskrevet nedenfor.
FLF repræsenterer organisk materiale som interaktion med mineraler er minimal. Udvinding af denne fraktion er delikat, da blanding af jord med den tætte løsning kan allerede break-up nogle macroaggregates. Der er dog indikationer på, at det organiske stof i macroaggregates kan være mere ligner fLF snæver forstand end at oLF udgivet af højenergi sonikering18. Nogle forfattere har selv foreslået en lav-energi sonikering skridt for at isolere puljen af fri og svagt mineral-interagere organisk materiale, kaldes 'intra samlede organiske partikler', iPOM54.
For udgivelsen af tilstoppet organisk materiale findes forskellige teknikker for at forstyrre jorden aggregater. Den mest udbredte er sonikering, agitation med glasperler og brug af kemiske dispergeringsmidler33,62,63. Sonikering blev valgt her, fordi output energien kan styres fint og menes at fordele sig mere eller mindre ensartet i prøven. Af udelukker behovet for at bruge kemiske dispergeringsmidler, kan ultralydbehandling betragtes som forholdsvis konserveringsmiddel mod organo-mineral komplekser22,33. Trinnet dispersion dog stadig en af de mest vanskelige operationer. På den ene side en svag spredning vil forlade aggregater intakt og kan føre til en overdreven skøn over hF SOC; på den anden side kunne en meget energisk dispersion skridt forårsage omfordeling af SOC på tværs af fraktioner af delvis ødelæggelse af organo-mineral komplekser. Svage økologisk-sand foreninger kan være særligt sårbare over for denne proces. Da okklusion i aggregater og overflade Sorptionen er processer, der forekommer langs et kontinuum2, der findes ingen perfekt løsning. Energiniveauet ved ultralydbehandling skal derfor tilpasses eftertænksomt jordbundens egenskaber. Kaiser og Susanne64 har offentliggjort en meget hjælpsom anmeldelse, der foreslår en strategi for at minimere artefakter forårsaget af ultralyd når sprede jord.
Rapporteret sonikering energier spænder fra 60 til 5.000 J·mL-1. Flere forskergrupper har rapporteret, at 100 J·mL-1 kunne være tilstrækkelig til at ødelægge macroaggregates og effektivt sprede sandjord, mens 500 J·mL-1 ville ødelægge store microaggregates og give en rimelig spredning af reaktive jord63,65,66,67,68. I fysisk fraktionering ordninger, komplet spredning af silt og ler-størrelse aggregater muligvis ikke nødvendige, da beskyttelsesmekanisme er tilbøjelige til at blive umulig at skelne fra sorptive stabilisering i disse intervaller. En rimelig mål for spredning inden størrelse eller tæthed fraktionering kan være at forstyrre makro-(> 250 µm) og store mikro-(> 53 µm) aggregater. Energierne af 100 J·mL-1 (sandjord) til 200 J·mL-1 (lerede jord) kan være hensigtsmæssige valg. En energi på 200 J·mL-1 kan allerede udtrække en del af mikrobielle metabolitter (angiveligt mineral-forbundet)69, dermed højere sonikering energi bør være underlagt forsigtighed. Dog kunne mineralogically reaktiv jordbund med cementeret aggregater kræver op til 500 J·mL-1 til at sprede. Det er vigtigt, at spredning energi justeres til at matche hver jordtype samt studere mål. Endelig er det vigtigt at huske, at selv efter angiveligt komplet ultralyd spredning, ler-størrelse microaggregates er formodes at vare ved70.
Et problem med harmonisering fysiske fraktionering teknikker er bosat i den heterogenitet, der findes i jord, navnlig i deres mineralske sammensætning. Valget af tætte løsninger bør foretages på grundlag af kendte eller udledes jordens mineralogi, med det endelige mål at isolere fraktioner, som er så homogene som muligt.
I artiklen var den tætte løsning anvendes SPT - pH 371,72. Den lave pH minimerer tab af vandopløselige organiske forbindelser. Imidlertid kan tæthed fraktionering udføres med forskellige tætte løsninger. Historisk, organiske væsker blev brugt (tetrabromoethane, tetrachloromethane), men blev efterhånden opgivet på fortjeneste af uorganiske salte (natrium Iodid, SPT) på grund af toksicitet af halogenerede carbonhydrider og den iboende jordforurening Organics. I dag, SPT er den foretrukne løsning, fordi dens tæthed kan justeres mellem 1,0 til 3.1 g·cm-3, det kan genbruges og har en lav toksicitet (medmindre indtages)22,50. Vigtigste producenter tilbyder en vifte af SPT kvaliteter forskellige i niveau af kulstof og kvælstof forureningen. Til tæthed fraktionering af jord anbefales den reneste kvalitet, især hvis brøkdele, der skal analyseres for isotopiske sammensætning.
En løsning af tæthed 1,6 g·cm-3 er klassisk blevet brugt til at adskille lys økologisk fra mineral-associerede fraktioner - Se for eksempel Susanne et al.21. Mens nogle forfattere har foreslået, at en tæthed af 1 g·cm-3 (vand) kunne være tilstrækkelige til at udtrække de fleste af den lette fraktion73,74, har andre foreslået højere tæthed cut-offs såsom 1.62 eller 1,65 g·cm-3 baseret på tanken om, at nogle organiske komponenter kunne vise tætheder op til 1.60 g·cm-3 33,75,76. Tætheder så højt som 1.85 g·cm-3 har selv været ansat50. Når du vælger en tæthed til at adskille lys fra tunge fraktioner, skal det bemærkes, at der findes nogen perfekt løsning. Faktisk sænke tætheder risiko nogle "light" organics at tillægge de tunge fraktioner, mens højere tætheder risiko herunder nogle mineraler i de lette fraktioner. Denne sidste effekt kan påvises, når observere kulstofindholdet i de lette fraktioner, med en % SOC lavere end 40-45% med angivelse af en vis grad af mineralske forurening.
For tunge fraktioner, foreløbig analyse som XRD kan give indblik i mineralogi af bulk prøve60 og hjælpe med at definere tæthed cut-offs i stand til at skelne mellem de mineralske hovedkomponenter af en jord, holde sig for øje, at høj økologisk belastning vil sænke tætheden af et mineral i forhold til sin teoretiske værdi. På samme måde for partikelstørrelse adskillelse, kan en stoflige analyse77,78 hjælpe fastsatte passende grænser. Partikelstørrelse adskillelse er et særligt attraktivt ud til simple tæthed fraktionering når sekventielle tæthed fraktionering er vanskeligt. Dette gælder for eksempel for jord indeholder store mængder af oxyhydroxides og lav-aktivitet ler, hvilket resultere i stikprøven dispersion og forhindre klart separationer i tunge væsker. En partikelstørrelse adskillelse trin angives også for at adskille mineraler af lignende tætheder men forskellige størrelser (fx, kvarts og illite).
Frie calciumioner vil reagere med SPT danner uopløselige Ca metatungstate. Proceduren er således upassende for basisk jord indeholder store mængder af dårligt krystallinsk, pedogenic karbonater. Små mængder af lav-reaktivitet karbonater interfererer ikke med fraktionering så længe prøverne ikke efterlades i kontakt med SPT alt for længe. Ca metatungstate bundfald vil føre til en overdreven skøn over disse masser. Hvis LFs køres på et elementært analyzer for C koncentration, problemet vil blive opdaget men fraktionering vil være kompromitteret.
Ud over disse tekniske vanskeligheder skyldes den fundamentale begrænsning af CSDF (eller enhver fysisk fraktionering ordning), at reaktive mineraler i jordbunden sjældent forekomme som diskrete adskiller, men i stedet som belægninger og cement. Forekomsten af meget sorptive men meget tynde belægninger på ellers ureaktivt mineraler (såsom kvarts) kan føre til et skævt billede af organo-mineral foreninger. Forsigtighed er derfor påkrævet, når fortolkning af resultater, især for jord hvis reaktivitet er domineret af dårligt krystallinsk og oxid faser. Yderligere karakterisering af fraktioner kan bidrage til at afhjælpe disse tvetydigheder. Ikke desto mindre har detaljerede fysiske fraktionering metoder som CSDF en uovertruffen evne til at få indsigt i sammensætningen af naturligt forekommende organo-mineral komplekser. Sådan indsigt forventes at give ny forståelse af biogeokemi af den største pulje af organisk stof i jordbunden, et mineral-forbundet.

Jord er et komplekst system, der indeholder elementer af geologiske og biologiske oprindelse. Undersøgelse af deres indbyrdes relation er en hjørnesten i vores forståelse af økosystemets funktion1. Især menes organo-mineral interaktioner at spille en central rolle i jordbundens organiske materiale (SOM) dynamics2. Optrævling SOM dynamics er i øjeblikket en meget aktiv forskningsområde for flere grunde. En jord med højt SOM lagre tendens til at vise god iboende fertilitet og kan også udgøre en miljømæssigt værdifulde carbon sequestration mulighed for3,4.
Organisk materiale i jord er meget heterogen, med nogle komponenter drejning over i rummet inden for et par timer, mens andre kan vedvare i tusindvis af år5. Determinanter for denne heterogenitet stadig et kontroversielt emne, men foreningen med den mineralske matrix menes at være særlig vigtigt6,7, især for undergrunden horisonter8. Som et resultat, modtager mineralske faser kendt tilknyttes tæt med organiske komponenter stigende interesse9,10,11.
Jordbunden indeholder en bred vifte af mineraler med kvalitativt og kvantitativt varierende sorptive potentiale mod SOM. Mineraler med store specifikke overflade områder og/eller meget reaktive overflader har vist sig at have en høj sorption kapacitet for organiske forbindelser4,12. I jord, sekundære mineraler såsom højaktive phyllosilicates (fx smectites), har jern oxyhydroxides og dårligt krystallinsk aluminosilicater alle vist sig at engagere sig væsentligt i sorptive bevarelsen af nogle organiske forbindelser13 , 14 , 15 , 16 , 17. adskille jord i fraktioner forskellige i mineralogi kunne således bidrage til at isolere organisk materiale pools med relative funktionelle homogenitet.
Formålet med dette dokument er at præsentere en metode til at isolere organo-mineral komplekser ifølge sammensætning, som derefter letter undersøgelse af deres egenskaber. Metoden kombinerer størrelse og tæthed fraktionering for at fysisk separate bulk jord i en sekvens af fraktioner af forskellige sammensætning. Kombinerede størrelse og tæthed fraktionering (CSDF) integrerer to effektiv fysisk fraktionering tilgange (partikel størrelse adskillelse og tæthed adskillelse). Kombinationen af disse to tilgange bringer forbedret opløsning til vores forståelse af organo-mineral foreninger i jord.
Der er mange forskellige tilgange (kemiske, fysiske og / eller biokemiske), der kan bruges til at angive fraktioner i en bulk jord prøve18,19. Simpel tæthed fraktionering er en fysisk adskillelse, som har været meget anvendt af jord forskere til at studere SOM dynamics (Se for eksempel Grunwald et al., 2017 og referencer heri)20. I sin klassiske form adskiller enkelt massefylde fraktionering materialer lettere end en given cutoff (generelt 1,6 til 1,85 g·cm-3) - den lette fraktion (LF) fra tungere materialer - den tunge fraktion (hF). LF er undertiden yderligere opdelt i frie let fraktion (fLF) og tilstoppet lys brøkdel (oLF)21.
I mange jorder findes den største SOM pool i hF22. SOM i hF er generelt menes at være mere stabil end i LF23, men det har vist sig at bevare en høj kompositoriske og sandsynligvis, funktionelle heterogenitet18. Dette peger på behovet for yderligere separat på hF i mere homogene subfractions, med henblik på isolering af puljer af SOM med særskilte biogeokemiske egenskaber (såsom opholdstid eller funktionalitet). Sekventiel tæthed fraktionering, som beskrevet af Sollins et al. (2009)24, har faktisk vist sig for at være en succesfuld metode; endnu løber en adskillelse sted udelukkende på grundlag af tæthed en risiko for udsigt over forskelle som følge af variationen i kornstørrelse og dermed specifikke overfladeareal. For eksempel, kaolinit har cirka den samme tæthed som kvarts men kan adskilles på baggrund af sin størrelse mode (tabel 1). CSDF omfatter behandling af kornstørrelse og forbedrer opløsningen af fraktionering.
SOM fraktionering baseret på fysiske, kemiske eller biokemiske egenskaber har en lang historie. Fysiske metoder som CSDF er baseret på fysiske attributter for jord komponenter, såsom størrelse (af partikler eller aggregater) eller tæthed. Kemiske metoder omfatter selektiv ekstraktion af særlige forbindelser eller kategorier af stoffer, samt kemiske oxidation. Biokemiske metoder er afhængige af mikrobielle oxidation under forskellige forsøgsbetingelser. Kemiske og biokemiske metoder er baseret på forskellige principper og har forskellige mål i forhold til fysiske metoder, men er alligevel kort gennemgået nedenfor.
Alkalisk udvinding (med natriumhydroxid for eksempel) er blandt de tidligste metoder til kemisk isolere den organiske komponent i jord6. Eksempler på mere moderne, kemiske metoder til SOM fraktionering omfatter jeg) alkalisk ekstraktion med Na-pyrofosfat sigter mod at isolere SOM bundet til mineraler; II) sur hydrolyse (HCl) sigter mod at kvantificere gamle, vedvarende SOM; og iii) selektive oxidation af SOM med kemiske stoffer sigter mod at angribe gratis eller labile SOM2. Mens disse metoder kan være nyttigt at få indsigt i funktionelt forskellige organisk materiale pool, lider de af flere begrænsninger. Først, ekstraktioner kan være mangelfulde eller ufuldstændige. For eksempel ekstrakter metoden klassisk alkaliske kun 50-70% af jordens organiske kulstof (SOC)6. Andet, fraktionering produkter kan ikke være repræsentative for den SOM fundet i situ og kan være vanskeligt at kategorisere5. Tredje, disse kemiske metoder kun tilbyder begrænsede indsigt i organo-mineral interaktion da mange af dem ikke bevarer den oprindelige association mellem organics og mineraler.
Biokemiske udvinding herunder inkubationer eksperimenter bruges primært til at studere labil og reaktiv SOM (jf. Strosser32 for en gennemgang af biokemiske metoder). Inkubation eksperimenter kan opfattes som en foranstaltning af biokemiske iltforbrug og velegnet intuitivt til bestemmelse af biotilgængeligt økologisk substrater. Men behovet for lang inkubationstid gange under forhold, der afviger fra feltet (temperatur, luftfugtighed, fysisk forstyrrelse, fravær af nye input) gør ekstrapolation til in situ SOM dynamics delikat.
I forhold til kemiske eller biokemiske metoder, som menes at være enten transformative eller destruktiv, fysiske fraktionering teknikker kan betragtes som mere konserverende22 (vigtigt med undtagelse af opløselige organiske forbindelser, som er tabt under proceduren). På deres bedste, fysiske jord fraktioner kan opfattes som en 'snapshot' af fast-fase jord komponenter som findes i feltet og kunne dermed mere direkte vedrøre SOM dynamics i situ33. Desuden, den ikke-destruktive karakter af teknikken betyder, at fraktioner kan karakteriseres efterfølgende, ved hjælp af en række analyser eller yderligere fraktioneret efter kemiske eller biokemiske metoder.
Fysiske fraktionering af jord er ikke en nyere idé. Videnskabelige litteratur om fysisk adskillelse teknikker kan dateres tilbage til midten af 20 århundrede. Anvendelser af tæthed fraktionering blev rapporteret så tidligt som i 196534,35. I samme periode og i de følgende årtier publikationer om dynamikken i SOM og dens samspil med mineraler var allerede ved at blive udbredt blandt jordens videnskabsfolk36,37,38,39 .
Adskillelse baseret på tæthed, samlede størrelse eller partikel størrelse er de mest almindelige fysiske adskillelse, der bruges i øjeblikket. En af de vigtigste udfordringer af fysisk adskillelse er isolering af homogen funktionelle SOM pools, som defineret af turn-over rate, størrelse eller andre indikator for funktion. Kombinere adskillelse metoder eller kriterier, som i CSDF, kan hjælpe med at bringe funktionelle opløsning til jord fraktioner; faktisk synes disse metoder skal anvendes mere og mere i kombination18,40,41,42,43. Ved at kombinere fortløbende tæthed adskillelse, stand til at give fraktioner med forskellige økologiske noget indhold og mineralogiske sammensætning, med størrelse adskillelse, som tegner sig for forskelle kan henføres til specifikke overfladeareal, CSDF holder løftet om giver indblik i den mangfoldighed og funktion af organo-mineral foreninger i jord.
CSDF har til formål at fysisk fractionate bulk jordprøver i brøkdele af relative mineralogiske og stoflige homogenitet. De tæthed og partikel størrelse cut-offs, samt spredning energiforbruget her har været valgt baseret på vores jordtype, men disse parametre kan tilpasses alt efter prøver at være opsplittet og formålet med undersøgelsen. I dette eksempel har vi valgt at bruge en dispersion skridt, to tæthed og én størrelse cut-offs, resulterer i adskillelse af bulk jord i 6 fraktioner (tabel 2). Figur 1 giver en oversigt over metoden. Materialerne er opsplittet her er tropiske jordbundstyper, men metoden kan anvendes på enhver jordtype samt sedimenter. CSDF er generelt bruges som et forberedende skridt før yderligere analyser, selv om fordelingen af materialer blandt fraktioner kan være meget informative i sig selv. Når den anvendes til jordbund, udbytter CSDF fraktioner forskellige i (1) mineralske sammensætning (mineralogi og tekstur) og (2) SOM koncentration og sammensætning.

<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

Kombinerede størrelse og tæthed fraktionering (CSDF) er en metode til at fysisk separat jord i fraktioner forskellige i partikelstørrelse og mineralogi. CSDF er afhængig af sekventielle tæthed adskillelse og sedimentation skridt til at isolere (1) gratis let fraktion (uncomplexed organisk stof), (2) occluded let fraktion (uncomplexed organisk materiale fanget i Jordens aggregater) og (3) et variabelt antal tunge brøker (jord mineraler og deres tilknyttede organisk stof) forskellige i sammensætning. Forudsat at parametrene for CSDF (dispersion energi, tæthed cut-offs, bundfældning tid) er korrekt valgt, giver metoden tunge fraktioner af forholdsvis homogene mineralske sammensætning. Hver af disse fraktioner forventes at have en anden kompleksbindende evne til organisk stof, gør dette en nyttig metode til at isolere og studere natur af organo-mineral interaktioner. Kombinerer tæthed og partikel størrelse adskillelse bringer en forbedret opløsning i forhold til simple størrelse eller tæthed fraktionering metoder, at adskillelsen af tunge komponenter både mineralogi og størrelse (relateret til arealet) kriterier. Som er tilfældet for alle fysiske fraktionering metoder, kan det betragtes som mindre forstyrrende eller aggressiv end kemisk baseret udvindingsmetoder. Men CSDF er en tidskrævende metode og derudover mængden af materiale opnået nogle brøkdele kan være begrænsende for efterfølgende analyse. Efter CSDF, kan brøkdele, der analyseres for mineralogiske sammensætning, jordbundens organiske kulstof koncentration og organisk stof kemi. Metoden giver kvantitative oplysninger om organisk kulstof fordeling inden for en jordprøve og bringer lys til den sorptive kapacitet af de forskellige, naturligt forekommende mineral faser, hvilket giver mekanistiske information om de præferentielle arten af organo-mineral interaktioner i jord (i.e., hvilke mineraler, hvilken type af organisk materiale).

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

Kombinerede størrelse og tæthed fraktionering (CSDF) er en metode til fysisk separat jord i fraktioner forskellige i tekstur (partikelstørrelse) og mineralogi (tæthed). Formålet er at isolere fraktioner med forskellige reactivities mod jordbundens organiske materiale (SOM), for bedre at forstå organo-mineral interaktioner og SOM dynamik.

Samlet størrelse og tæthed fraktionering af jord for undersøgelser af Organo-Mineral interaktioner

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

Denne metode er en interessant tilgang til at studere organo-mineraler interaktioner, fordi det fraktionerer jordens organiske materiale i henhold til sin tilknytning til forskellige mineraler. Det er en fysisk fraktioneringsproces, hvilket betyder, at det ikke ændrer fraktionernes kemi. Som et resultat, analyse af fraktionen fortæller os noget om den naturlige sammensætning af organo-mineralske komplekser.Denne metode er virkelig nyttig, som vi forsøger at lære mere om muligheden for forskellige jord til sequester kulstof væk fra atmosfæren. For at adskille den frie lysfraktion vejes fem til otte gram lufttørret sigtede jord i et 50 milliliter konisk centrifugerør. Optag jordens masse med fire signifikante tal.Ved hjælp af en gradueret cylinder tilsættes 35 til 40 milliliter natriumpolytungstate eller SPT. Med en massefylde på 1,62 gram pr. kubikcentimeter centrifuge i 90 minutter ved 2500 gange tyngdekraften i en svingende spand centrifuge at give en klar adskillelse mellem det frie lys fraktion og pellet. Hæld alt flydende og ophængt materiale i en 250 milliliter polycarbonat centrifuge flaske.Sørg for, at pallen sidder fast i bunden af røret. Skyl materialet, der klæber til rørets væg, i den samme polycarbonatflaske. Brug en sprøjteflaske fyldt med deioniseret vand, der holder røret næsten på hovedet over polycarbonatflasken.Opsætning af en vakuum ultrafiltreringslinje med 0,45 mikronfiltre. Fugt filtrene en smule, og påfør vakuum, før tragte strammes for at undgå får. Hæld langsomt indholdet af polycarbonatflasken i tragten på en vakuumfiltreringsenhed.Skyl eventuelle rester, der er tilbage i polycarbonatflasken, i filtreringsenheden. Opløsningen må ikke trække over en dybde, der er større end ca. 1 centimeter over filteret. Der tilsættes mere end 10 milliliter deioniseret vand til filtreringsenheden mindst tre gange for at sikre, at alle spor af sømløses fjernes.Sørg for at skylle siden af filtreringstragten. Når vakuum på filtreringslinjen er sendet fri, fjernes tragten fra filtreringsenheden. Genvind materialet, der klæber til siderne, i en mærket aluminiumsskål ved hjælp af en sprøjteflaske fyldt med deioniseret vand.Løft forsigtigt filteret med pincet og skyl materialet til stede i samme aluminium skål ved hjælp af en sprøjte flaske fyldt med deioniseret vand. Tør bådens indhold ved højst 65 grader Celsius til konstant vægt. Efter mindst 48 timer afkøles skålindholdet i en ekssiccator, der indeholder frisk tørremiddel, i mindst 30 minutter.Skrab forsigtigt materialet af aluminiumskålen med en plastikspatel. Massen af den frie lysfraktion registreres med fire signifikante tal, hvor prøven anbringes i et opbevaringsglas. For at udføre frigivelse af den tilståede lysfraktion tilsættes 35 til 40 milliliter SPT med en masseitet på 1,62 gram pr. kubikcentcentimeter til centrifugerøret, der indeholder pellet fra den frie lysfraktionekstraktion.Opspræn din pellet. Sæt ultralydsonden på to centimeter under opløsningens overflade og læg røret i isvand for at forhindre bulkopløsningsopvarmning. Sonikere prøven ved hjælp af den nødvendige tid til at nå målenergien på 280 joule pr. milliliter.For at adskille den tilstærede lysfraktion, centrifuge i 90 minutter ved 2500 gange tyngdekraften i svingende spand centrifuge. Hæld alle flydende og suspenderede materialer i en 250 milliliter polycarbonat centrifuge flaske. Sørg for, at pellet forbliver fast fast i bunden af røret.Skyl det tilståede, lette organiske materiale, der klæber til hele røret, i den samme polycarbonatflaske som før. Der tilsættes kølet deioniseret vand til røret, der indeholder pellet op til 40 millilitermærket. Sonikere ved 75 joule pr. milliliter Lad indholdet blive afstemt i den tid, der er nødvendig for, at materialefineringsmaterialet end otte mikron kan falde til ro.Derefter pipette ud supernatant ned til 10 milliliter mærket i en 50 milliliter centrifuge rør. De rør, der indeholder den mindre end otte mikrofraktion, samt rørene, der indeholder den større end otte mikronfraktion, anbringes i ovnen ved 45 grader Celsius for at fordampe den resterende overskydende væske. For at udføre massetæthed fraktionering, tilsættes 35 til 40 milliliter sømløse med densitet på 2,78 gram pr kubikcentimeter til hver størrelse fraktion.Opspræn din pellet og centrifuge i 90 minutter ved 2500 gange tyngdekraften. Hæld derefter alle flydende og ophængte materialer i en 250 milliliter polycarbonatcentrifugeflaske, hvilket sikrer, at pallen forbliver fast anbragt i bunden af røret. Det kan være svært at få en klar adskillelse mellem det flydende materiale og pellet.I dette tilfælde kan du prøve aspiration af supernatant ned til et sæt niveau. Nu overføre pellets i 250 milliliter polycarbonat flasker ved hjælp af en sprøjte flaske fyldt med deioniseret vand. Der tilsættes deioniseret vand til polycarbonatflaskerne for at sænke tætheden uden at overskride 200 millilitermærket.Gør dette for alle brøker. Efter centrifugering af flaskerne i 20 minutter ved 5000 gange tyngdekraften, dekantere supernatant i den anvendte SPT krukke til genanvendelse. Efter at have udført vaskeproceduren som beskrevet i tekstprotokollen, indsamles den tunge fraktion i en aluminiumsskål, den tunge fraktion er pellet og fine partikler, der klæber til siden af flaskerne.Tør den tunge fraktion ved højst 105 grader Celsius til konstant vægt. Den tunge brøk opbevares på samme måde som den lette brøk. Fordelingen af materialemasse mellem fraktioner, viste store forskelle mellem steder.Som oprindeligt angivet ved mineralogi af bulkprøver, vurderet ved pulverudspraktion, på stedet, der er domineret af primære silikater såsom kvarts og feldspater, genvindes de fleste af materialerne i kraftig fraktion, som var designet til at koncentrere grove silikater. Sted to viste en større procentdel af phyllosilikater meste kaolinit under mineralogisk analyse. Derfor havde tunge fraktioner tre, som var designet til at koncentrere fine silikater, flere materialer på stedet to end på stedet et.Endelig var lokalitet tre det rigeste i oxider og viste også den største mængde materiale i kraftig fraktion to, som var designet til at koncentrere grove oxider. Samlet set viser dataene, at metoden havde held til fysisk at fraktionere bulkprøver i deres vigtigste mineralogiske komponenter. Som for enhver fysisk adskillelse ordning, er det vigtigt at skræddersy din fraktionering parameter til dine specifikke mål.Sørg for at have en testkørsel og til at arbejde med flere replikater for at kontrollere reproducerbarhed. Selvom Natriumpolytungstate er mindre giftigt end tidligere anvendt og opløsning, forbliver det irriterende og er skadeligt ved indtagelse eller indånding. Undgå dens udledning i miljøet.Efter isolationen kan de forskellige fraktioner analyseres for mineralogi samt indhold og sammensætning af organisk materiale. Det giver os information om både mineralet og organicstofpartneren i organo-mineralforeningen. Denne metode kan kaste nyt lys over nedbrydeligheden af organisk materiale.Faktisk tilsyneladende genstridige ikke kan være så meget en egenskab ved en given organisk forbindelse, men af dens affinitet for forskellige mineraler.

Research

JoVE Journal

Environment

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

Bestemmelse af Mikrobiel Extracellular enzymaktivitet i Vand, Jord og sediment ved hjælp af High Throughput Mikropladekrav Analyser

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

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

Integreret Field Lysimetry og porevandet Sampling for vurdering af kemiske Mobilitet i jord og Etableret Vegetation

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

Måling af Greenhouse Gas Flux fra landbrugsjorde Brug 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

En Bending Test for Bestemmelse af Atterberg Plastic Grænse i Jordbunden

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

Ekstraktion og analyse af Mikrobiel Phospholipid fedtsyrer i Jordbunden

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

Jord lysimeter Udgravning til Koblede Hydrologiske, geokemiske og mikrobiologiske undersøgelser

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

Metoder til Soil Resampling at overvåge ændringer i de kemiske Koncentrationer af skovbundens

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

Udvikling af nye metoder til kvantificering af fisk tæthed ved hjælp af undersøiske Stereo-video værktøjer

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

En ultra-rene Multilayer apparater til indsamling af størrelse fraktioneret marint Plankton og suspenderede partikler

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