JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ambiente

Улучшение инфракрасной спектроскопии характеристика органического вещества почвы с спектральных вычеты

Published: January 10, 2019
doi:
10.3791/57464
, ,
1Department of Crop Sciences,University of Illinois Urbana-Champaign, 2Department of Land, Air and Water Resources,University of California Davis, 3Central Great Plains Resources Management Research,USDA ARS

Summary

SOM лежит в основе многих почвенных функций и процессов, но его характеристика методом ФУРЬЕ-спектроскопии часто оспаривается минеральных взаимодействиями. Описан метод может увеличить полезность сом анализа методом ФУРЬЕ-спектроскопии путем вычитания минеральных вмешательств в почве спектры с использованием эмпирически полученных спектров полезных ссылок.

Abstract

Органического вещества почвы (SOM) лежит в основе многочисленных почвенных процессов и функций. Фурье преобразование инфракрасной спектроскопии (FTIR) обнаруживает ИК активные органические облигации, которые представляют компонент органических почв. Однако относительно низким содержанием органических веществ почв (обычно < 5% по массе) и параллелизма поглощение минеральных и органических функциональных групп в регионе (MIR) средней инфракрасной (4000-400 см-1) порождает существенные помехи, доминантная(ый) Минеральные absorbances, сложной или даже предотвращения интерпретации спектров для характеризации сом. Спектральные вычеты, пост специальной математической обработки спектров, можно снизить минеральные вмешательства и повысить разрешение спектральных регионов, соответствующих органических функциональных групп, математически удалив минеральных absorbances. Это требует обогащенные минеральными ссылка спектра, который можно эмпирически получить образец данного почвы путем удаления сом. Минерал обогащенный ссылка спектра вычитается из оригинального (необработанных) спектр пробы почвы для получения спектра представляющих сом absorbances. Общие методы удаления сом включают высокой температуры горения («озоления») и химическое окисление. Выбор метода удаления сом носит два соображения: (1 количество сом удалены, и (2) поглощения артефакты в минерале ссылаться спектра и, таким образом, результирующая вычитания спектра. Эти потенциальные проблемы можно и следует выявлять и количественно во избежание ошибочных или предвзятой интерпретации спектров органических функциональной группы состав сом. После удаления сом полученный обогащенные минеральными образец используется для сбора спектр полезных ссылок. Существуют несколько стратегии для выполнения вычеты в зависимости от экспериментальных целей и образец характеристики, прежде всего определение коэффициента вычитания. Результате вычитания спектра требует тщательного толкования на основе вышеупомянутой методологии. Для многих почвы и других экологических проб, содержащих значительные минеральные компоненты вычеты имеют сильный потенциал для улучшения FTIR спектральные характеристики состава органического вещества.

Introduction

Органического вещества почвы (SOM) является небольшие составляющей по массе в большинстве проб почвы, но причастны несколько свойств и процессов основной почвы функций, таких как питательных Велоспорт и углерода секвестрации1. Характеризуя состав СОМ является одним из нескольких подходов к ссылке формирования сом и оборот с его роли в почвенных функций2,3. Один из методов характеризации состав сом — Фурье преобразование инфракрасный (FTIR) спектроскопия, который предлагает обнаружение функциональных групп, которые составляют органического вещества в почвах и другие экологические пробы (например, карбоксильных C-O, алифатических C-H) 4. Однако, Утилита ФУРЬЕ спектроскопии для выявления сом функциональной группы состав оспаривается доминирующей минерального компонента для большинства почв (обычно > 95% массы) из-за сильных неорганических absorbances, которые ставят под угрозу или серьезно ограничивают обнаружения и интерпретации органических absorbances.

Спектральная вычеты предлагают способ улучшить FTIR спектральные характеристики органического вещества в пробах почвы. Вычитание минеральных absorbances от спектра почвы может использоваться для повышения absorbances органических функциональных групп интересов в анализе состава сом

(Рис. 1).

Преимущества спектральных вычеты над стандартным ФУРЬЕ спектроскопии (то есть, спектры почвы) включают в себя:

(i) улучшение резолюции и интерпретация полос поглощения органических, по сравнению с нормальной почвы спектров. Хотя интерпретация полос органических в спектрах почвы может осуществляться при условии, что относительные различия в оптической плотности, из-за различий в органических функциональных групп, это ограничивает сравнение образцы с же минералогии и относительно высокой сом содержание и могут быть менее чувствительны к изменениям в органических групп, даже те считались быть относительно свободной от минеральных (например алифатических стрейч C-H)5

(ii) анализ почв за высокие образцы сом или органические вещества обогащенный экстрактов или дроби

(iii) подсветка изменений, вызванных экспериментальное лечение от мезокосмах к полю весы6

Дополнительные применения спектрального вычеты в анализе ФУРЬЕ сом включают дополнение структурных и молекулярные характеристики (например, ЯМР спектрометрия, масс-спектрометрия)5,7, выявления состав сом, удалены путем извлечения или разрушительные фракционирование8и дактилоскопия состав СОМ для судебно-медицинских целей9. Этот метод применим к широкий спектр минеральных и органических смесей за пределами почвах, включая осадок10, торф11и угля12,13.

Потенциал спектральных вычеты для улучшения FTIR спектральные характеристики сом проявляется с использованием примеров удаления органических веществ для получения спектров полезных ссылок, а затем, используя эти минеральные ссылка спектры, выполнение и Оценка идеально и неидеальной спектральных вычеты. Эта демонстрация фокусируется на диффузного отражения инфракрасного Фурье спектры (дрейф), собранные в средней инфракрасной области (мир, 4000-400 см-1), как это широко подход для анализа проб почвы4.

Два примера методы удаления СОМ для получения спектра обогащенные минеральными ссылки являются (i) высокой температуры горения («озоления») и (ii) химическое окисление, использование разбавленных гипохлорита натрия (NaOCl). Следует отметить, что это примеры обычно занятых методы удаления сом, а не предписывающий характер рекомендаций. Другие методы удаления сом может предложить сокращение минеральных артефакты и/или Улучшено удаление ставок (например, низкой температуры озоления)14. Высокой температуры озоления был одним из первых методов, используемых для получения спектров обогащенные минеральными ссылку для выполнения вычеты, первоначально для образцов, ом обогащенный производного от почвы (например, растворенного органического вещества, помет)15, 16 следуют его применение для массового почвы образцы17,18. Химическое оксидирование примере используется для удаления сом основывается на методе окисления NaOCl, описываемого Андерсон19. Это был первоначально разработан как предварительной очистки для удаления органических веществ в пробах почвы до анализа дифракции рентгеновских лучей (XRD) и исследована как потенциальных химических фракционирования, чувствительных к СОМ стабилизации20, 21. как удаления высокой температуры и химического окисления с использованием NaOCl может повлечь за собой почвы специфических артефактов и имеют ограничения на спектральные толкование, которое следует учитывать при выборе метода сом удаления14, 22.

Protocol

1. Подготовка почвы для спектроскопии ДРИФТ лечение и удаление сом Сито почву для < 2 мм с помощью сетки из нержавеющей стали («фракция штраф земля»).Примечание: Эта демонстрация работают два почвы аналогичные текстуру, но почти вывозимому разница в общее содержание сом (Табли…

Representative Results

Метод удаления SOM имеет как практическое, так и теоретические последствия для интерпретации спектров вычитание. Например минеральных изменения от высокой температуры озоления может проявляться как потери или появления пиков и/или как перенесен или расширить пики в с…

Discussion

Метод удаления сом носит два соображения: 1 количество сом удалены, и 2) поглощения артефакты в результате минеральных ссылки спектра. Это к счастью возможно — и возможно необходимые — для выявления и количество эти вопросы, с тем чтобы избежать предвзятых интерпретаций сом композиции ?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы высоко ценим рекомендации от д-р Рэнди Southard NaOCl окисления и различных дискуссий о спектральных вычеты с доктором Фунгаи 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Parikh, S. J., Goyne, K. W., Margenot, A. J., Mukome, F. N. D., Calderón, F. J. . Advances in Agronomy. 126, 1-148 (2014).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Anderson, J. U. An improved pretreatment for mineralogical analysis of samples containing organic matter. Clays and Clay Minerals. 10 (3), 380-388 (1963).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Reeves, J. B. Mid-infrared spectral interpretation of soils: Is it practical or accurate?. Geoderma. 189, 508-513 (2012).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Nguyen, T., Janik, L. J., Raupach, M. Diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy in soil studies. Soil Research. 29 (1), 49-67 (1991).
  38. Essington, M. E. . Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach. , (2004).
  39. Reeves, J. B., Francis, B. A., Hamilton, S. K. Specular Reflection and Diffuse Reflectance Spectroscopy of Soils. Applied Spectroscopy. 59 (1), 39-46 (2005).
  40. Thermo Scientific. . OMNIC User’s Guide. , (2006).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).
  51. 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).
  52. 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).
  53. Rumpel, C., et al. Alteration of soil organic matter following treatment with hydrofluoric acid (HF). Organic Geochemistry. 37 (11), 1437-1451 (2006).
  54. 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).
  55. Hirschfeld, T., McClure, G. L. . Computerized Quantitative Infrared Analysis. , 169-179 (1987).
  56. Joussein, E., et al. Halloysite clay minerals – a review. Clay Minerals. 40 (4), 383-426 (2005).
  57. Smith, B. C. . Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Second Edition. , (2011).
  58. Weis, D. D., Ewing, G. E. Absorption Anomalies in Ratio and Subtraction FT-IR Spectroscopy. Anal. Chem. 70, 3175 (1998).
  59. Reeves, J. B., McCarty, G. W., Calderon, F., Hively, W. D., Franzluebbers, A. J., Follett, R. F. . Managing Agricultural Greenhouse Gases. , 345-366 (2012).

Tags

Infrared SpectroscopySoil Organic MatterMineral InterferenceSpectral SubtractionOrganic Carbon QualityWind ErosionSoil CarbonSodium HypochloriteOxidationCentrifugationOven DryingTotal Organic CarbonCombustion Gas Chromatography

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Margenot, A. J., Parikh, S. J., Calderón, F. J. Improving Infrared Spectroscopy Characterization of Soil Organic Matter with Spectral Subtractions. J. Vis. Exp. (143), e57464, doi:10.3791/57464 (2019).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image