Name: electrostatic method to remove particulate organic matter from soil
Uploaded: 2021-02-10T13:30:00
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Diese Arbeit wurde ausschließlich durch USDA-ARS-Basisfinanzierung unterstützt. Die Autoren schätzen Mikayla Kelly, Caroline J. Melle, Alex Lasher, Emmi Klarer und Katherine Son sehr für ihre technische Hilfe.

1. Bodenvorbereitung
<ol><li>Sammeln Sie Bodenproben in der gewünschten Tiefe. Trocknen Sie den Boden gründlich bei 40 °C oder nach laborspezifischen Standardprotokollen.</li>
	<li>Sieben Sie den Boden durch bodensebgemischte Siebe, um ca. 10-25 g gesiebten Boden zu erhalten. Viele Studien verwenden ein 1- oder 2-mm-Sieb. Die Bodenmenge basiert auf der Masse, die für die nachgelagerten Analysen erforderlich ist, und beeinflusst die Häufigkeit, mit der der elektrostatische Entfernungsschritt wiederholt werden muss....

<ol>
	<li>Gosling, P., Parsons, N., Bending, G. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+are+the+primary+factors+controlling+the+light+fraction+and+particulate+soil+organic+matter+content+of+agricultural+soils.">What are the primary factors controlling the light fraction and particulate soil organic matter content of agricultural soils.</a> Biology and Fertility of Soils. 49 (8), 1001-1014 (2013).</li><li>Gollany, H. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soil+organic+carbon+accretion+vs.+sequestration+using+physicochemical+fractionation+and+CQESTR+simulation.">Soil organic carbon accretion vs. sequestration using physicochemical fractionation and CQESTR simulation.</a> Soil Science Society of America Journal. 77 (2), 618-629 (2013).</li><li>Cambardella, C. A., Gajda, A. M., Doran, J. W., Wienhold, B. J., Kettler, T. A., Kimble, J. M., Lal, R., Follett, R. F., Stewart, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Assessment methods for soil carbon. , 349-359 (2001).</li><li>Wander, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Soil organic matter in sustainable agriculture. , 67-102 (2004).</li><li>Curtin, D., Beare, M. H., Qiu, W., Sharp, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Does+particulate+organic+matter+fraction+meet+the+criteria+for+a+model+soil+organic+matter+pool.">Does particulate organic matter fraction meet the criteria for a model soil organic matter pool.</a> Pedosphere. 29 (2), 195-203 (2019).</li><li>Kirkby, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stable+soil+organic+matter:+A+comparison+of+C:N:P:S+ratios+in+Australian+and+other+world+soils.">Stable soil organic matter: A comparison of C:N:P:S ratios in Australian and other world soils.</a> Geoderma. 163 (3-4), 197-208 (2011).</li><li>Strickland, T. C., Sollins, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+method+for+separating+light-+and+heavy-fraction+organic+material+from+soil.">Improved method for separating light- and heavy-fraction organic material from soil.</a> Soil Science Society of America Journal. 51 (5), 1390-1393 (1987).</li><li>Golchin, A., Oades, J. M., Skjemstad, J. O., Clarke, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+free+and+occluded+particulate+organic+matter+in+soils+by+solid+state+13C+Cp/MAS+NMR+spectroscopy+and+scanning+electron+microscopy.">Study of free and occluded particulate organic matter in soils by solid state 13C Cp/MAS NMR spectroscopy and scanning electron microscopy.</a> Soil Research. 32 (2), 285-309 (1994).</li><li>Theodorou, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nitrogen+transformations+in+particle+size+fractions+from+a+second+rotation+pine+forest+soil.">Nitrogen transformations in particle size fractions from a second rotation pine forest soil.</a> Communications in Soil Science and Plant Analysis. 21 (5-6), 407-413 (1990).</li><li>Kaiser, M., Ellerbrock, R. H., Sommer, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Separation+of+coarse+organic+particles+from+bulk+surface+soil+samples+by+electrostatic+attraction.">Separation of coarse organic particles from bulk surface soil samples by electrostatic attraction.</a> Soil Science Society of America Journal. 73 (6), 2118-2130 (2009).</li><li>Kuzyakov, Y., Biriukova, O., Turyabahika, F., Stahr, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatic+method+to+separate+roots+from+soil.">Electrostatic method to separate roots from soil.</a> Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 164 (5), 541 (2001).</li><li>Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NIH+Image+to+ImageJ:+25+years+of+image+analysis.">NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis.</a> Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).</li></ol>

Die elektrostatische Anziehungsmethode war wirksam bei der Entfernung von POM aus den Schlammlehmböden. Die hier beschriebene Methode unterscheidet sich geringfügig von Kaiser et al.10, die eine Kombination aus Glas / Baumwolle verwendeten. Wir behandelten alle bis auf die feinste Bodenfraktion und verwendeten Polystyrol anstelle von Glas aufgrund des triboelektrischen Unterschieds, der für Polystyrol / Nylon 100 nC / J im Vergleich zu Glas / Baumwolle bei 20 nC / J12 beträgt...

Genaue Schätzungen des organischen Kohlenstoffs (SOC) im Boden sind wichtig für die Bewertung von Veränderungen, die sich aus der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung oder der Umwelt ergeben. Partikuläre organische Substanz (POM) hat wichtige Funktionen in der Ökologie und Physik eines Bodens, aber es ist oft kurzlebig und variiert basierend auf mehreren Faktoren, einschließlich Jahreszeit, Feuchtigkeitsbedingungen, Belüftung, Probenentnahmetechniken, jüngste Bodenmanagement, Vegetationslebenszyklus und andere1. Diese zeitlich instabilen Quellen können Schätzungen langfristiger Trends in stabilem und wirklich sequestriertem organischem Kohlenstoff im Bodenverwirren 2.
Obwohl POM gut definiert, häufig und wichtig ist, lässt es sich weder leicht vom Boden trennen, noch ist es einfach, es quantitativ zu messen. Es wurden organische Partikel gemessen als das, was in Flüssigkeiten schwimmt (leichte Fraktion, typischerweise 1,4-2,2 g cm-3),oder als das, was nach Größe getrennt werden kann (z. B. > 53-250 μm oder > 250 μm), oder eine Kombination derbeiden 3,4,5. Sowohl größenbasierte als auch dichtebasierte Techniken können die quantitativen und chemischen Ergebnisse der POM-Messung beeinflussen4. Eine sorgfältige visuelle Inspektion des Bodens, der mit Routinemethoden größenfraktioniert wurde, zeigt oft lange, schmale Strukturen wie Wurzeln und Blatt- oder Stängelsplitter, die den Bildschirm passiert haben. Es hat sich gezeigt, dass das einfache Entfernen dieser Strukturen von Hand die Messungen des Gesamt-SOC2,6 erheblichreduziert,aber die Methode unterliegt insbesondere der Sorgfalt und Sehschärfe des Bedieners. POM-Trennung von einer Bodenprobe als leichte Fraktion während der Flotation in einer dichten Flüssigkeit7 fängt nicht alle POM ein, und übermäßiges Schütteln während des Flotationsprozesses kann tatsächlich die Menge an Lichtfraktion reduzieren, die aus einer Probe gewonnen wird8. Die Flotation erfordert viele Schritte und setzt den Boden chemischen Lösungen aus, die die chemischen Eigenschaften verändern oder Bestandteile auflösen und entfernen können, die von Interesse sein könnten4.
Alternative Methoden zur Entfernung von POM wurden verwendet, um die Verwendung von dichten wässrigen Lösungen zu vermeiden oder zu verstärken. Kirkby, et al.6 verglichen die Entfernung leichter Fraktionen mit zwei Flotationsverfahren mit einer Trockensieb-/Winnowing-Methode9. Winnowing wurde durchgeführt, indem ein leichter Luftstrom über eine dünne Bodenschicht geleitet wurde, um das Licht sanft von der schweren Fraktion abzuheben. Das Trockensieben/Winnowing erfolgte ähnlich wie bei den beiden Flotationsverfahren in Bezug auf den Gehalt an C, N, P und S; Die Autoren schlagen jedoch vor, dass trockenes Sieben/Winnowing "etwas sauberere" Böden erzeugte6. POM wurde auch mit elektrostatischer Anziehung10,11 vom Bodengetrennt,bei der organische Partikel isoliert werden, indem eine elektrostatisch geladene Oberfläche über dem Boden passiert wird. Mit dem elektrostatischen Anziehungsverfahren konnte POM, sogenanntes Kursorganische Partikel, aus getrockneten, gesiebten (> 0,315 mm) Böden mit statistischer Wiederholgenauigkeit gewonnen werden, die mit anderen Methoden der Größen- und Dichtefraktionierung vergleichbarist 10.
Hier zeigen wir, wie elektrostatische Anziehung genutzt werden kann, um POM von Größen von sichtbar bis mikroskopisch zu entfernen. Im Gegensatz zu anderen berichteten Methoden entfernt die elektrostatische Anziehung von feinem Boden auch einen kleinen Teil des mineralischen und aggregierten Bodens, der sichtbar wie der verbleibende Boden ist. Angesichts unserer bisherigen Ergebnisse ist davon auszugehen, dass die Entfernung eines kleinen Teils des Nicht-POM-Bodens keine wesentlichen Auswirkungen auf die nachgelagerten Analysen haben wird; Diese Annahme sollte jedoch für einen bestimmten Boden überprüft werden, wenn große Teile der gesamten Bodenprobe elektrostatisch entnommen werden. Die hier angeführten Methoden und Beispiele wurden auf Schlufflehm-Lössböden aus einer semiariden Umgebung durchgeführt.
Diese Methode ist möglicherweise nicht für alle Bodentypen geeignet, hat aber den Vorteil, dass sie schnell und effizient organische Partikel entfernt, die zu klein sind, um sie manuell oder durch einen Luftstrom zu entfernen. Die Prozessgeschwindigkeit ist wichtig, um Ermüdung zu reduzieren, Konsistenz zu gewährleisten und eine größere Replikation für eine bessere Genauigkeit der Schlussfolgerungen zu fördern. Darüber hinaus ist die Fähigkeit, sehr kleine Partikel zu entfernen, wichtig, um Verzerrungen gegenüber Böden mit größeren statt kleinen Partikelgrößen zu vermeiden.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>brush, camel-hair</td>
			<td></td>
			<td></td>
<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>petri dish, glass or plastic</td>
			<td></td>
<td></td>
<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>polystyrene foam, cotton or nylon cloth</td>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>soil</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>soil sieves</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

electrostatic method to remove particulate organic matter from soil

Schätzungen des organischen Kohlenstoffs im Boden hängen von Bodenverarbeitungsmethoden ab, einschließlich der Entfernung von unabgebautem Pflanzenmaterial. Eine unzureichende Trennung von Wurzeln und Pflanzenmaterial vom Boden kann zu sehr variablen Kohlenstoffmessungen führen. Methoden zur Entfernung des Pflanzenmaterials beschränken sich oft auf die größten und sichtbarsten Pflanzenmaterialien. In diesem Manuskript beschreiben wir, wie elektrostatische Anziehung genutzt werden kann, um Pflanzenmaterial aus einer Bodenprobe zu entfernen. Eine elektrostatisch geladene Oberfläche, die in der Nähe von trockenem Boden passiert wird, zieht auf natürliche Weise sowohl unzersetzende als auch teilweise zersetzte Pflanzenpartikel sowie eine kleine Menge mineralischen und aggregierten Bodens an. Die Bodenprobe wird in einer dünnen Schicht auf einer ebenen Oberfläche oder einem Bodensieb verteilt. Eine Petrischale aus Kunststoff oder Glas wird elektrostatisch durch Reiben mit Polystyrolschaum oder Nylon- oder Baumwolltuch aufgeladen. Die geladene Schale wird wiederholt über den Boden geleitet. Das Gericht wird dann sauber gebürstet und wieder aufgeladen. Die erneute Ausbreitung des Bodens und die Wiederholung des Verfahrens führt schließlich zu einer abnehmenden Partikelausbeute. Der Prozess entfernt etwa 1 bis 5% der Bodenprobe und etwa das 2- bis 3-fache dieses Anteils an organischem Kohlenstoff. Wie bei anderen Partikelentfernungsmethoden ist der Endpunkt willkürlich und nicht alle freien Partikel werden entfernt. Der Prozess dauert ca. 5 minuten und erfordert keinen chemischen Prozess wie Dichteflotationsmethoden. Die elektrostatische Anziehung entfernt konsequent Material mit überdurchschnittlicher C-Konzentration und C: N-Verhältnis, und ein Großteil des Materials kann unter einem Mikroskop visuell als Pflanzen- oder Faunenmaterial identifiziert werden.

Die hier vorgestellten Ergebnisse basieren auf der Analyse von Schlufflehmböden aus landwirtschaftlichen Standorten im pazifischen Nordwesten (Tabelle 1). Die Böden wurden bis zu einer Tiefe von 0-20 cm oder 0-30 cm gesammelt, bei 40 °C getrocknet, durch ein 2 mm-Sieb geleitet und mit einer mit einem Nylontuch aufgeladenen Polystyroloberfläche behandelt.
Die Menge an Elektrostatisch aus einer Probe entnommen...

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Electrostatic Method to Remove Particulate Organic Matter from Soil

Die Entfernung von kürzlich abgelagertem und unvollständig zersetztem Pflanzenmaterial aus Bodenproben reduziert den Einfluss temporärer saisonaler Inputs auf die Messungen des organischen Kohlenstoffs im Boden. Die Anziehung zu einer elektrostatisch geladenen Oberfläche kann genutzt werden, um schnell eine beträchtliche Menge an organischem Feinstaub zu entfernen.

Elektrostatische Methode zur Entfernung organischer Partikel aus dem Boden

Estimations of soil organic carbon are dependent on soil processing methods including removal of undecomposed plant material. Inadequate separation of ...

Elektrostatische Anziehung ist eine effiziente Möglichkeit, organische Partikel in einer Bodenprobe zu reduzieren. Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass sie ein minimales visuelles Urteilsvermögen erfordert und an feinen Partikeln arbeitet, die für das Auge nicht sichtbar sind. Das Entfernen von nicht zusammengesetzten organischen Fragmenten verbessert die Genauigkeit und Konsistenz bei der Messung der langfristigen Kohlenstoffspeicherung im Boden.Nachdem Sie die Bodenproben in der gewünschten Tiefe gesammelt haben, trocknen Sie sie gründlich bei 40 Grad Celsius ab. Sieben Sie den Boden durch geeignete Seiten Bodensiebe, um etwa 10 bis 25 Gramm gesiebten Boden zu erhalten. Legen Sie den Boden in ein sauberes trockenes Metall oder eine Glaspfanne mit flachem Boden, die groß genug ist, damit der Boden dünn verteilt werden kann.Schütteln Sie den Schmerz vorsichtig horizontal, um den Boden in einer möglichst dünnen Schicht zu verteilen. Halten Sie ein Glas mit 100 mm Durchmesser oder eine Styrol-Petrischale oben oder unten in einer Hand und reiben Sie die Außenfläche mit einem sauberen Stück Nylontuch, Baumwolltuch oder Polystyrolschaum mehrmals kräftig ein. Führen Sie die Oberflächenladung außerhalb der Probe durch.Wenn Sie fertig sind, überprüfen Sie die Oberfläche der Petrischale, um sicherzustellen, dass sie sauber ist. Senken Sie die geladene Oberfläche auf 0,5 bis 2 Zentimeter über dem Boden und bewegen Sie sie horizontal, um so viel Partikelmaterial wie möglich aufzunehmen. Die Anziehungskraft auf die Oberfläche kann visuell und hörbar festgestellt werden.Wenn die Petrischale keine zusätzlichen Partikel mehr anzieht, bewegen Sie die Schale von der Probe weg. Um die elektrostatische Oberfläche zu reinigen, halten Sie sie über eine Auffangschale und übertragen Sie mit einer feinen Bürste das elektrostatisch angezogene Material von der Petrischalenoberfläche in die Auffangschale. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis die Anzahl der aufgenommenen organischen Substanzpartikel abnimmt.Verteilen Sie die Bodenprobe durch horizontales Schütteln der Bodenpfanne, um neues Material an der Oberfläche freizulegen und die elektrostatische Sammlung fortzusetzen. Bestimmen Sie den Endpunkt durch visuelle Inspektion der geladenen Oberfläche, um festzustellen, ob eine signifikante Menge organischer Partikel aus dem Boden entfernt wurde. Dieses Protokoll wurde für die Analyse von Lehmböden aus landwirtschaftlichen Standorten im pazifischen Nordwesten verwendet.Etwa 1% bis 6% der gesamten Bodenmasse wurden entfernt. In allen Fällen war der Anteil des gesamten entnommenen Probenkohlenstoffs größer als die entfernte Bodenmasse. Die Kohlenstoffkonzentration und das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis der elektrostatisch entfernten Bodenfraktion war immer größer als der verbleibende Boden.Die Umgebungsbedingungen und die Kombination der Materialien, die zur Herstellung der geladenen Oberfläche verwendet wurden, beeinflussten die Ergebnisse. Die Auswirkungen der Behandlungsendpunkte wurden untersucht, indem eine Reihe von drei elektrostatischen Proben nacheinander aus derselben Bodenprobe entnommen wurde. Die erste Behandlung sammelte die größte Menge an Kohlenstoff.Die folgenden beiden Behandlungen waren im Vergleich zum verbleibenden Boden noch stark mit Kohlenstoff angereichert. Schließlich wurde die Menge an partikelförmigem Material, die elektrostatisch aus der feinen schlickgroßen Fraktion entfernt werden konnte, die durch ein 53 Mikrometer großes Sieb ging, auf fünf Schlickdarlehensböden getestet. Die elektrostatisch entfernten Fraktionen zeigten eine sehr geringe Anreicherung von organischem Feinstaub.Die mikroskopische Untersuchung ergab, dass organische Partikel in der feinen Bodenfraktion der Böden vorhanden sind, jedoch in sehr geringen Mengen. Das C-zu-N-Verhältnis neigt dazu, sich zu stabilisieren, da vollständig zersetzte organische Substanz entfernt wird. Dies könnte zu besseren Modellen der langfristigen organischen Bodensubserie führen.

Research

JoVE Journal

Environment

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

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Aufbau und Betrieb einer Dauer<sup&gt; 13</sup&gt; C und<sup&gt; 15</sup&gt; N Labeling Kammer für Uniform oder Differential, Stoffwechsel-und Struktur, Pflanze Isotope Labeling

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes ...

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