שיפור ספקטרוסקופית אינפרא אדום אפיון של חומר אורגני בקרקע עם המתחוללות ספקטרלי
Summary
סום ביסוד אדמה פונקציות ותהליכים רבים, אבל את האפיון שלה על ידי FTIR ספקטרוסקופיה לעיתים קרובות תיגר הפרעות מינרלי. השיטה המתוארת יכול להגדיל את התועלת של ניתוח סום מאת FTIR ספקטרוסקופיה על-ידי חיסור ספקטרה הפניה מינרלים מינרלים הפרעות בספקטרה קרקע באמצעות מדעית שהושג.
Abstract
חומר אורגני בקרקע (סום) ביסוד אדמה תהליכי ופונקציות רבות. (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה מזהה חוב אורגני אינפרא אדום-פעיל המהווים את הרכיב האורגני של קרקעות. עם זאת, התוכן חומר אורגני נמוכה יחסית של קרקעות (בדרך כלל < 5% על ידי המוני) ואת ספיגת החפיפה של קבוצות פונקציונליות אורגניים ומינרליים באזור (מיר) אמצע אינפרא-אדום (4,000-400 ס מ-1) יוצר הפרעה משמעותית על ידי דומיננטי absorbances מינרליים, מאתגר או אפילו למנוע פרשנות של ספקטרה על אפיון סום. המתחוללות ספקטרלי, טיפול פוסט-הוק מתמטי של ספקטרה, יכול להפחית הפרעות מינרלים ולשפר את הרזולוציה של אזורים ספקטרלי התואם קבוצות פונקציונליות אורגני על ידי הסרת מתמטית absorbances מינרלים. פעולה זו דורשת קשת ההתייחסות מינרלים מועשר, אשר יכול להיות מדעית השיג עבור דגימת אדמה נתון על-ידי הסרת משתמשת הקשת הפניה מינרלים מועשר יופחת מקשת (מטופל) המקורי דגימת האדמה כדי לייצר קשת המייצג סום absorbances. שיטות להסרת סום נפוצים כוללים בעירה בטמפרטורות גבוהות (‘ashing’), חמצון כימי. בחירה של שיטת הסרת סום נושאת שני שיקולים: (1) הסכום של SOM הוסר, וההתייחסות ספיגת (2) ממצאים של המינרל ספקטרום ובכך הספקטרום החיסור המתקבלת. בעיות פוטנציאליות אלה יכול, צריך להיות מזוהה ואת לכמת על מנת למנוע פרשנויות מסולף או מוטים spectra עבור הרכב קבוצה פונקציונלית אורגני משתמשת בעקבות הסרת סום, המדגם מועשרת מינרל שנוצר משמש לאיסוף קשת ההתייחסות מינרלי. מספר אסטרטגיות קיימות כדי לבצע המתחוללות בהתאם מטרות הניסוי ואת מאפייני המדגם, ובראשם קביעת הגורם חיסור. הקשת החיסור המתקבלת מחייב פרשנות זהירה בהתבסס על המתודולוגיה הנ. עבור קרקע רבים ודוגמאות אחרות סביבתיים המכיל רכיבים מינרליים משמעותי, המתחוללות יש פוטנציאל חזק כדי לשפר את אפיון הרכב חומר אורגני ספקטרוסקופיות FTIR
Introduction
חומר אורגני בקרקע (סום) הוא נתין קטין על ידי המוני רוב דגימות קרקע אבל הוא מעורב מאפיינים מרובים ומעבד פונקציות קרקע המשמשת כבסיס, כגון מזין רכיבה על אופניים, פחמן פחמיות1. אפיון ההרכב של SOM הוא אחד מספר גישות כדי לקשר צורה סום והמסירה עם שלה תפקידים אדמה פונקציות2,3. אחת השיטות של אפיון הרכב סום היא (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה, אשר מציע גילוי של קבוצות פונקציונליות המהווים חומר אורגני קרקעות, דגימות סביבתיים אחרים (למשל, carboxyl C-O, C-H אליפטיות) 4. עם זאת, השירות של ספקטרוסקופיה FTIR חושפניים סום קבוצה פונקציונלית הרכב קוראים תיגר על-ידי רכיב מינרל הדומיננטי עבור רוב קרקעות (בדרך כלל > 95% מסה) עקב absorbances אורגניים חזק זה אתגר או קשה להגביל זיהוי ופענוח של absorbances אורגניים.
המתחוללות ספקטרלי מציעים דרך לשפר בעזרת FTIR אפיון ספקטרוסקופיות של חומר אורגני דגימות קרקע. הפחתה absorbances מינרלים מהספקטרום אדמה יכול לשמש כדי לשפר את absorbances של קבוצות פונקציונליות אורגני עניין בהניתוח של הרכב סום
(איור 1).
יתרונות המתחוללות ספקטרלי על ספקטרוסקופיה FTIR רגיל (כלומר, אדמת ספקטרה) כוללים:
(i) שיפור הרזולוציה ופרשנות של להקות ספיגת אורגני לעומת ספקטרום אדמה רגילה. על פי פרשנות של להקות אורגני ב ספקטרה אדמה יכול להתבצע על ידי בהנחה כי ההבדלים היחסי ספיגת נובעים הבדלים אורגני קבוצות פונקציונליות, זה מגביל השוואות כדי דגימות עם אותו מינרלוגיה, סום גבוה יחסית תוכן, עשוי להיות פחות רגיש לשינויים אורגניים להקות, אפילו אלה נחשב להיות נטולי מינרליים יחסית (למשל אליפטיות מתיחה C-H)5
(ii) ניתוח של קרקעות מעבר דוגמאות סום גבוהה או תמציות מועשרת חומר אורגני או שברים
(iii) סימון שינויים המושרה על ידי טיפולים ניסיוניים מ mesocosm לשדה מאזני6
יישומים נוספים של המתחוללות ספקטרלי בניתוח FTIR של SOM כוללים משלימים אפיוני מבנית ומולקולרית (למשל, ספקטרוסקופיה NMR, ספקטרומטר מסה)5,7, המזהה ההרכב של SOM הוסר על-ידי מיצוי או הרסני fractionation8, קומפוזיציה סום טביעות אצבע למז פ9. שיטה זו ישימה על מגוון רחב של תערובות מינרליים אורגניים מעבר בנוטריינטים, כולל המשקע10, כבול11ו12,פחם13.
הפוטנציאל של המתחוללות ספקטרלי לשיפור אפיון ספקטרוסקופיות FTIR סום הוכח באמצעות דוגמאות של חומר אורגני להסרת כדי להשיג הפניה מינרלים ספקטרה, וההתייחסות ואז, באמצעות מינרלים אלה ספקטרה, ביצוע, הערכת המתחוללות ספקטרלי אידיאלי, לא אידאליות. הפגנה זו מתמקדת ‘ מאטום לשקוף ‘ השתקפות ספקטרה (סחיפה) שנאספו באזור אמצע אינפרא-אדום (MIR, 4,000-400 ס מ-1), כמו זה גישה נפוצה לניתוח של דגימות קרקע4טרנספורם פורייה אינפרא-אדום.
דוגמה שתי השיטות להסרת סום להשגת ספקטרום הפניה מינרלים מועשר (i) טמפרטורה גבוהה בעירה (‘ashing’) הינם חמצון כימי (ii), באמצעות שתדללו נתרן תת-כלורי (NaOCl). יצוין, כי אלו הן דוגמאות של שיטות להסרת סום הנפוצות, יותר מאשר המלצות תיאורית. שיטות אחרות של הסרת סום עשויים להציע חפצים מינרלים מופחתת ו/או משופרת להסרת המחירים (למשל, אבדה ערפדה בטמפרטורה נמוכה)14. טמפרטורה גבוהה אבדה ערפדה היה אחד שיטות הראשונה כדי לקבל הפניה מינרלים מועשר ספקטרה עבור ביצוע המתחוללות, בתחילה עבור דגימות מועשרת אום נגזר קרקעות (למשל, חומר אורגני מומס, המלטה)15, 16 ואחריו היישום שלה בכמות גדולה אדמה דגימות17,18. דוגמה חמצון כימי המשמש להסרת סום מבוססת על השיטה של חמצון NaOCl מתוארת על ידי אנדרסון19. זה פותח במקור לחלקים הסרת חומר אורגני דגימות קרקע לפני ניתוח רנטגן עקיפה (XRD), נחקר גם פוטנציאל כימי fractionation רגישים סום מייצב20, 21. הן בטמפרטורות גבוהות וניקוי חמצון כימי באמצעות NaOCl יכול כרוכה חפצים ספציפיים אדמה ויש מגבלות על פרשנות ספקטרלי זה יש לקחת בחשבון בעת בחירת שיטת סום להסרת14, 22.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה של הסרת סום נושאת שני שיקולים: 1) כמות סום הוסר, וההתייחסות 2) ספיגת לכלוכים בתוך המינרל וכתוצאה מכך הספקטרום. למרבה המזל אפשרי — והכרחי ניתן לטעון — כדי לזהות ומפיק כמות אלה כדי למנוע פרשנויות משוחד של הרכב סום מהספקטרום החיסור המתקבלת. באופן אידיאלי, המתחוללות ספקטרלי היה מעסיק קשת ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מעריכים את ההדרכה של ד ר רנדי Southard על NaOCl חמצון, דיונים שונים ספקטרלי המתחוללות עם ד ר Fungai F.N.D. Mukome.
Materials
| Nicolet iS50 spectrometer | Thermo Fisher Scientific | 912A0760 | infrared spectrometer used to collect spectra |
| EasiDiff | Pike Technologies | 042-1040 | high throughput sample holder |
| OMNIC | Thermo Fisher Scientific | INQSOF018 | software used to perform subtractions |
| 6% v/v sodium hypochlorite | Clorox | n/a | generic store-bought bleach for oxidative removal of soil organic matter |
| Type 47900 Furnace | VWR International | 30609-748 | muffle furnace for ashing soils to removal soil organic matter |
| VWR Gooch Crucibles, Porcelain | VWR International | 89038-038 | crucibles for ashing |
| VWR Tube 50 mL Sterile CS500 | VWR International | 89004-364 | for sodium hypochlorite |
| Forced air oven | VWR International | 89511-414 | for drying soils after oxidation and water washes |
| VersaStar pH meter | Fisher Scientific | 13 645 573 | for measuring pH of oxidation solution |
Riferimenti
- Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
- Masoom, H., et al. Soil Organic Matter in Its Native State: Unravelling the Most Complex Biomaterial on Earth. Environmental Science & Technology. 50 (4), 1670-1680 (2016).
- Kallenbach, C. M., Frey, S. D., Grandy, A. S. Direct evidence for microbial-derived soil organic matter formation and its ecophysiological controls. Nature Communications. 7, 13630 (2016).
- Parikh, S. J., Goyne, K. W., Margenot, A. J., Mukome, F. N. D., Calderón, F. J. . Advances in Agronomy. 126, 1-148 (2014).
- Margenot, A. J., Calderón, F. J., Magrini, K. A., Evans, R. J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to Characterize the Effects of Soil Science Oxidation Assays on Soil Organic Matter Composition in a Mollic Xerofluvent. Applied Spectroscopy. 71 (7), 1506-1518 (2017).
- Calderón, F. J., Benjamin, J., Vigil, M. F. A Comparison of Corn (Zea mays L.) Residue and Its Biochar on Soil C and Plant Growth. PLoS ONE. 10 (4), e0121006 (2015).
- Veum, K., Goyne, K., Kremer, R., Miles, R., Sudduth, K. Biological indicators of soil quality and soil organic matter characteristics in an agricultural management continuum. Biogeochemistry. 117 (1), 81-99 (2014).
- Cheshire, M. V., Dumat, C., Fraser, A. R., Hillier, S., Staunton, S. The interaction between soil organic matter and soil clay minerals by selective removal and controlled addition of organic matter. European Journal of Soil Science. 51 (3), 497-509 (2000).
- Cox, R., Peterson, H., Young, J., Cusik, C., Espinoza, E. The forensic analysis of soil organic by FTIR. Forensic science international. 108 (2), 107-116 (2000).
- Padilla, J. E., et al. Diffuse-reflectance mid-infrared spectroscopy reveals chemical differences in soil organic matter carried in different size wind eroded sediments. Aeolian Research. 15, 193-201 (2014).
- Artz, R. R. E., et al. FTIR spectroscopy can be used as a screening tool for organic matter quality in regenerating cutover peatlands. Soil Biology and Biochemistry. 40 (2), 515-527 (2008).
- Painter, P. C., Coleman, M. M., Jenkins, R. G., Walker, P. L. Fourier transform infrared study of acid-demineralized coal. Fuel. 57 (2), 125-126 (1978).
- Painter, P. C., Snyder, R. W., Pearson, D. E., Kwong, J. Fourier transform infrared study of the variation in the oxidation of a coking coal. Fuel. 59 (5), 282-286 (1980).
- Margenot, A. J., Calderón, F. J., Parikh, S. J. Limitations and Potential of Spectral Subtractions in Fourier-Transform Infrared Spectroscopy of Soil Samples. Soil Science Society of America Journal. 80 (1), 10-26 (2015).
- Chefetz, B., Hader, Y., Chen, Y. Dissolved Organic Carbon Fractions Formed during Composting of Municipal Solid Waste: Properties and Significance. Acta hydrochimica et hydrobiologica. 26 (3), 172-179 (1998).
- Haberhauer, G., Rafferty, B., Strebl, F., Gerzabek, M. H. Comparison of the composition of forest soil litter derived from three different sites at various decompositional stages using FTIR spectroscopy. Geoderma. 83 (3), 331-342 (1998).
- Sarkhot, D. V., Comerford, N. B., Jokela, E. J., Reeves, J. B., Harris, W. G. Aggregation and Aggregate Carbon in a Forested Southeastern Coastal Plain Spodosol. Soil Sci. Soc. Am. J. 71 (6), 1779-1787 (2007).
- Calderón, F. J., Reeves, J. B., Collins, H. P., Paul, E. A. Chemical Differences in Soil Organic Matter Fractions Determined by Diffuse-Reflectance Mid-Infrared Spectroscopy. Soil Sci Soc. Am. J. 75 (2), 568-579 (2011).
- Anderson, J. U. An improved pretreatment for mineralogical analysis of samples containing organic matter. Clays and Clay Minerals. 10 (3), 380-388 (1963).
- Zimmermann, M., Leifeld, J., Abiven, S., Schmidt, M. W. I., Fuhrer, J. Sodium hypochlorite separates an older soil organic matter fraction than acid hydrolysis. Geoderma. 139 (1-2), 171-179 (2007).
- Aoyama, M. DRIFT spectroscopy combined with sodium hypochlorite oxidation reveals different organic matter characteristics in density-size fractions of organically managed soils. Canadian Journal of Soil Science. , 1-11 (2016).
- Reeves, J. B. Mid-infrared spectral interpretation of soils: Is it practical or accurate?. Geoderma. 189, 508-513 (2012).
- Cavallaro, N., McBride, M. B. Effect of selective dissolution on charge and surface properties of an acid soil clay. Clays clay miner. 32, 283-290 (1984).
- Yeomans, J. C., Bremner, J. M. Carbon and nitrogen analysis of soils by automated combustion techniques. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 22 (9-10), 843-850 (1991).
- Harris, D., Horwáth, W. R., van Kessel, C. Acid fumigation of soils to remove carbonates prior to total organic carbon or CARBON-13 isotopic analysis. Soil Science Society of America Journal. 65 (6), 1853-1856 (2001).
- Wang, X., Wang, J., Zhang, J. Comparisons of Three Methods for Organic and Inorganic Carbon in Calcareous Soils of Northwestern China. PLOS ONE. 7 (8), e44334 (2012).
- Kamau-Rewe, M., et al. Generic Prediction of Soil Organic Carbon in Alfisols Using Diffuse Reflectance Fourier-Transform Mid-Infrared Spectroscopy. Soil Sci. Soc. Am. J. 75 (6), 2358-2360 (2011).
- Margenot, A. J., Calderón, F. J., Bowles, T. M., Parikh, S. J., Jackson, L. E. Soil Organic Matter Functional Group Composition in Relation to Organic Carbon, Nitrogen, and Phosphorus Fractions in Organically Managed Tomato Fields. Soil Science Society of America Journal. 79, 772-782 (2015).
- Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Evaluation of pre-treatment procedures for improved interpretation of mid infrared spectra of soil organic matter. Geoderma. 304 (Supplement C), 83-92 (2017).
- Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Organic carbon characteristics in density fractions of soils with contrasting mineralogies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 218 (Supplement C), 215-236 (2017).
- Farmer, V. C. Effects of grinding during the preparation of alkali-halide disks on the infra-red spectra of hydroxylic compounds. Spectrochimica Acta. 8 (6), 374-389 (1957).
- Reeves, J. B., Smith, D. B. The potential of mid- and near-infrared diffuse reflectance spectroscopy for determining major- and trace-element concentrations in soils from a geochemical survey of North America. Appl Geochem. 24 (8), 1472-1481 (2009).
- Guillou, F. L., et al. How does grinding affect the mid-infrared spectra of soil and their multivariate calibrations to texture and organic carbon?. Soil Research. 53 (8), 913-921 (2015).
- Stumpe, B., Weihermüller, L., Marschner, B. Sample preparation and selection for qualitative and quantitative analyses of soil organic carbon with mid-infrared reflectance spectroscopy. European Journal of Soil Science. 62 (6), 849-862 (2011).
- Barthès, B. G., Brunet, D., Ferrer, H., Chotte, J. -. L., Feller, C. Determination of Total Carbon and Nitrogen Content in a Range of Tropical Soils Using near Infrared Spectroscopy: Influence of Replication and Sample Grinding and Drying. J Near Infrared Spectrosc. 14 (5), 341-348 (2006).
- Nduwamungu, C., Ziadi, N., Tremblay, G. F., Parent, L. -. &. #. 2. 0. 1. ;. Near-Infrared Reflectance Spectroscopy Prediction of Soil Properties: Effects of Sample Cups and Preparation. Soil Science Society of America Journal. 73 (6), 1896-1903 (2009).
- Nguyen, T., Janik, L. J., Raupach, M. Diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy in soil studies. Soil Research. 29 (1), 49-67 (1991).
- Essington, M. E. . Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach. , (2004).
- Reeves, J. B., Francis, B. A., Hamilton, S. K. Specular Reflection and Diffuse Reflectance Spectroscopy of Soils. Applied Spectroscopy. 59 (1), 39-46 (2005).
- Thermo Scientific. . OMNIC User’s Guide. , (2006).
- Frost, R. L., Vassallo, A. M. The dehydroxylation of the kaolinite clay minerals using infrared emission spectroscopy. Clays and Clay Minerals. 44 (5), 635-651 (1996).
- Prasad, P. S. R., et al. In situ FTIR study on the dehydration of natural goethite. Journal of Asian Earth Sciences. 27 (4), 503-511 (2006).
- Suitch, P. R. Mechanism for the Dehydroxylation of Kaolinite, Dickite, and Nacrite from Room Temperature to 455°C. Journal of the American Ceramic Society. 69 (1), 61-65 (1986).
- Ernakovich, J. G., Wallenstein, M. D., Calderón, F. J. Chemical Indicators of Cryoturbation and Microbial Processing throughout an Alaskan Permafrost Soil Depth Profile. Soil Sci. Soc. Am. J. , (2015).
- Suarez, M. D., Southard, R. J., Parikh, S. J. Understanding Variations of Soil Mapping Units and Associated Data for Forensic Science. Journal of Forensic Sciences. , (2015).
- Kaiser, M., Ellerbrock, R. H., Gerke, H. H. Long-term effects of crop rotation and fertilization on soil organic matter composition. European Journal of Soil Science. 58 (6), 1460-1470 (2007).
- Janik, L. J., Merry, R. H., Skjemstad, J. O. Can mid infrared diffuse reflectance analysis replace soil extractions?. Australian Journal of Experimental Agriculture. 38 (7), 681-696 (1998).
- Adegoroye, A., Uhlik, P., Omotoso, O., Xu, Z., Masliyah, J. A comprehensive analysis of organic matter removal from clay-sized minerals extracted from oil sands using low temperature ashing and hydrogen peroxide. Energy & Fuels. 23 (7), 3716-3720 (2009).
- Mikutta, R., Kleber, M., Jahn, R. Poorly crystalline minerals protect organic carbon in clay subfractions from acid subsoil horizons. Geoderma. 128 (1-2), 106-115 (2005).
- Siregar, A., Kleber, M., Mikutta, R., Jahn, R. Sodium hypochlorite oxidation reduces soil organic matter concentrations without affecting inorganic soil constituents. European Journal of Soil Science. 56 (4), 481-490 (2005).
- von Lützow, M., et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
- Margenot, A. J., Calderón, F. J., Magrini, K. A., Evans, R. J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to Characterize the Effects of Soil Science Oxidation Assays on Soil Organic Matter Composition in a Mollic Xerofluvent. Applied Spectroscopy. , 0003702817691776 (2017).
- Rumpel, C., et al. Alteration of soil organic matter following treatment with hydrofluoric acid (HF). Organic Geochemistry. 37 (11), 1437-1451 (2006).
- Sanderman, J., et al. Is demineralization with dilute hydrofluoric acid a viable method for isolating mineral stabilized soil organic matter?. Geoderma. 304 (Supplement C), 4-11 (2017).
- Hirschfeld, T., McClure, G. L. . Computerized Quantitative Infrared Analysis. , 169-179 (1987).
- Joussein, E., et al. Halloysite clay minerals – a review. Clay Minerals. 40 (4), 383-426 (2005).
- Smith, B. C. . Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Second Edition. , (2011).
- Weis, D. D., Ewing, G. E. Absorption Anomalies in Ratio and Subtraction FT-IR Spectroscopy. Anal. Chem. 70, 3175 (1998).
- Reeves, J. B., McCarty, G. W., Calderon, F., Hively, W. D., Franzluebbers, A. J., Follett, R. F. . Managing Agricultural Greenhouse Gases. , 345-366 (2012).
