Denne metoden gir en gravimetrisk kvantifisering av fuktige stoffer (f.eks. fuktige og fulvicsyrer) på askefri basis, i tørre og flytende materialer fra myke kull (dvs. oksidert og ikke-oksidert lignitt og sub-bituminøst kull), fuktig malm og skifre, torv, kompost og kommersielle gjødsel og jordendringer.
Formålet med denne metoden er å gi en nøyaktig og presis konsentrasjon av humic (HA) og / eller fulvic acids (FA) i myke kull, humic malm og skifre, torv, kompost og humic substansholdige kommersielle produkter. Metoden er basert på alkalisk ekstraksjon av testmaterialer, ved hjelp av 0,1 N NaOH som ekstraktmiddel, og separasjon av de alkaliske løselige humic stoffene (HS) fra ikke-løselige produkter ved sentrifugering. PH i det sentrifugede alkaliske ekstraktet justeres deretter til pH 1 med kons. HCl, noe som resulterer i nedbør av HA. Den utfelte HA er skilt fra fulvicfraksjonen (FF) (brøkdelen av HS som forblir i løsning,) ved sentrifugering. HA blir deretter ovn eller frysetørket og askeinnholdet i den tørkede HA bestemt. Vekten av den rene (dvs. askefrie) HA deles deretter på vekten av prøven og den resulterende brøkdelen multiplisert med 100 for å bestemme % HA i prøven. For å bestemme FA-innholdet lastes FF på en hydrofob DAX-8-harpiks, som adsorberer FA-fraksjonen også referert til som den hydrofobe fyldesyren (HFA). Den gjenværende ikke-fulvicsyrefraksjonen, også kalt den hydrofile fulvicfraksjonen (HyFF), fjernes deretter ved å vaske harpiksen med deionisert H2O til alt ikke-desorbert materiale er helt fjernet. FA blir deretter desorbert med 0,1 N NaOH. Den resulterende Na-fulvate blir deretter protonert ved å sende den over en sterk H + -utveksling harpiks. Den resulterende FA er ovn eller fryse tørket, askeinnholdet bestemt og konsentrasjonen i prøven beregnet som beskrevet ovenfor for HA.
Humic stoffer (HS) er dynamiske rester som skyldes mikrobiell dekomponering og transformasjon av døde plantevev1,2,3 forsterket med mikrobielle biprodukter og biomasse3,4,5 gjennom en prosess som kalles humification6. HS er til stede i jord, naturlig vann, innsjøsedimenter, torv, myke kull og humiske skifre og representerer anslagsvis 25% av det totale organiske karbonet på jorden7. Disse stoffene er komplekse blandinger av tusenvis av unike molekyler som er fraksjonert i tre hovedfraksjoner basert på deres forskjellige løseligheter i sterkt grunnleggende og syre vandige løsninger. Disse fraksjonene er humsyrer (HAer), som utgjør den alkaliløselige, men syreløselige brøkdelen; fulvic syrer (FAs), brøkdelen oppløselig i både alkali og syre; og huminfraksjonen, som er uoppløselig i det hele tatt pH-verdier6,8. Fulvicfraksjonen (FF) er videre delt inn i de hydrofobe FA (HFA) og hydrofile (HyFA) fraksjonene. Disse fraksjonene er definert som den delen av FF som binder seg til en hydrofob DAX-8 harpiks (HFA) og den delen som ikke binder seg til harpiksen (HyFA).
HS blir i økende grad brukt i landbruket, hvor de er mye brukt som avlingsbiostimulerende midler, i husdyrhold, spesielt som et husdyrfôrtilsetning, i gruvedrift i boreslam og miljøutbedring som elektrontransporter. Forskningen på bruk av HS i humanmedisinske applikasjoner øker også.
Det finnes mange metoder for kvantgering av HA og FA. Imidlertid er de fleste av disse metodene verken nøyaktige eller presise. For eksempel er de to mest brukte metodene for bestemmelse av HA i USA den kolorimetriske metoden9 og California Department of Food and Agriculture (CDFA) -metoden, som begge ble vist å overvurdere mengden HA i en rekke malm- og ekstraktkilder fra det vestlige USA og Canada10. Den kolorimetriske eller spektrofotometriske metoden er unøyaktig fordi den er avhengig av absorbansen av alkaliske ekstrakter som inkluderer, i tillegg til HA, FA og andre kromoforer som alle absorberer ved bølgelengden som brukes, og standarden er ikke representativ for materialene som testes10. CDFA-metoden er ikke nøyaktig fordi den ikke gir HA-konsentrasjoner på askefri basis. Fordi forskjellige malmer har forskjellige mengder aske, hvorav noen bæres med utvinningen og ekstraksjonsprosessen selv legger til aske, gir denne metoden ikke en nøyaktig verdi for HA-konsentrasjoner10. Som svar på behovet for en nøyaktig og presis metode ble en standardisert gravimetrisk prosedyre basert på den som ble beskrevet av11 publisert i 2014 for å håndtere kvantisering av både HA og FA på askefri basis12. Denne metoden ble deretter tilpasset, med mindre modifikasjoner, av International Organization for Standardization (ISO) i 2018 under Gjødsel og jordkondisjoneringsmidler som “Bestemmelse av humic og hydrofobe fulvic acids konsentrasjoner i gjødselmaterialer”13.
Dette dokumentet skisserer protokollen for utvinning og kvantgering av humic og hydrofobe fulvic syrer og gir detaljer om nøyaktigheten og presisjonen til dataene som produseres fra metoden.
De første trinnene for utvinning og isolering av HA i denne metoden er relativt enkle. Fordi isolasjonen av HFA innebærer kolonnekromatografi, kommer det å oppnå repeterbare resultater med streng overholdelse av detaljene i hvert trinn og praksis. Spesielt er riktig forberedelse av harpiksene av største betydning. Det er ekstremt viktig at polymetylmetakrylat DAX-8 harpiksen er forberedt og pakket riktig. Korrekt pakking av harpiksen påvirker både utbyttet og kvaliteten på HFA. Hvis det finnes kanalisering, vil verken forbehandling (dvs. forsuring) eller adsorpsjon av HFA være fullført, og separasjonen vil føre til unøyaktige resultater. Hvis kanaler eller mellomrom i harpiksen observeres før prøvelasting, bør kolonnen fjernes og ristes for å omfordele harpiksperlene, ved å la dem slå seg ned uten kanaler, og deretter pakkes på nytt ved å pumpe ren DI H2O gjennom harpiksen. I tillegg, som nevnt i protokollen, vil opprettholde et volum væske over harpiksen ved lasting av FF på harpiksen, tillate FF å blande før du går inn i harpiksen og resultere i mer effektiv adsorpsjon. For den sterke kationen H +-exchange harpiks (Materialliste), kan ikke fullstendig regenerering forhastes. Na +/H+ utvekslingen tar tid, og derfor gjøres dette best i en bulkbehandling slik at harpiksen kan blandes mens den re-surifiseres. Blanding av harpiksen under skylling med DI H2O bidrar til å fjerne overflødig HCl. Når du stiger den surgjorte harpiksen for å fjerne overflødig syre, bidrar blanding av harpiksen til å fjerne HCl. Det er ekstremt viktig å fjerne syren til det punktet hvor en elektrisk ledningsevne på ≤ 0,7 μS / cm nås. Hvis ikke, vil HCl bli overført med HFA.
Til slutt, når desorberer HFA fra DAX-8-harpiksen, når absorbansen av det innflytelsesrike tilsvarer avløpets absorbering, er det en god praksis å la kolonnen sitte i et par timer for å se om ytterligere HFA vil bli utgitt. I så fall vil det bli sett på som en av væsken over harpiksen. Hvis dette skjer, kan den ekstra HFA fjernes ved fortsatt desorpsjon til influensa/ avløpsabsorbatorer er like igjen.
En av ulempene med HFA-isolasjonen er at hele prosessen er tidkrevende. Fullstendig desorpsjon av HFA fra DAX-8-harpiksen og fullstendig fjerning fra H+-utvekslingsharpiksen resulterer begge i et betydelig volum av HFA som må reduseres ved roterende fordampning. Dette er definitivt en flaskehals i analysen. I et forsøk på å redusere denne tiden, desorbing HFA fra DAX-8 harpiks ved hjelp av aceton i stedet for 0,1 M NaOH har blitt foreslått14. Forfatterne hevdet at ved å bruke 50% aceton som desorbent i stedet for NaOH, ble et lignende HFA-resultat oppnådd og DAX-8 ble tilstrekkelig regenerert og dermed kunne H + -utvekslingstrinnet elimineres. Denne modifikasjonen resulterte i en sterkt redusert analysetid som følge av redusert volum produsert og raskere roterende fordampning av aceton sammenlignet med vann. Denne modifikasjonen deservers videre studie.
Denne metoden er begrenset til analyse av organisk materiale som har gjennomgått prosessen med ydmykhet, og for torv og myke kull, henholdsvis de videre prosessene for torvifisering og både torvifisering og kullifisering. Humifisering er prosessen der dødt, først og fremst plantemateriale, brytes ned av en sekvens av mikrober som forbruker og modifiserer stadig mer tilbakevendende substrater. Abiotiske prosesser deltar også i nedbrytning og resyntesereaksjoner. Humifisering resulterer til slutt i produksjon av relativt tilbakevendende materialer som består av heterogene blandinger av tusenvis av molekyler som danner en rekke molekylvekter og karbon-, oksygen- og hydrogeninnhold som danner HS. HS er ytterligere modifisert ved torvifisering og kullifisering. Derfor er denne metoden ikke egnet for plantematerialer som er modifisert av kjemiske prosesser. For eksempel er lignosulfonat mye brukt som HFA-utroskap. Lignosulfonat er et biprodukt av sulfittmasseringsprosessen. Derfor har dette materialet ikke blitt produsert av ydmykhetsprosessen. I tillegg er det mange stoffer som binder seg til DAX-8-harpiksen. For eksempel har DAX-8 harpiks blitt brukt til å adsorbere plantevernmidler fra løsning15. Åpenbart er plantevernmidler ikke HS. Dermed begrunner binding av et materiale til DAX-8 harpiks ikke et krav om at det er en HFA. Forutsetningene er både produksjon ved humifisering og binding til DAX-8 harpiks.
Etter hvert som mer læres om bidraget fra de ulike komponentene i HS i ulike applikasjoner, kan det bli fordelaktig å fraksjonere HS ytterligere og dermed endre metoden tilsvarende. Slik den eksisterer, kvantifiserer ikke metoden HYFA. Denne fraksjonen kan imidlertid også ha aktivitet som for eksempel i plante-biostimulering, der hele FF generelt brukes i landbruksbehandlinger i stedet for renset HFA.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å anerkjenne Humic Products Trade Association (HPTA) for deres støtte til finansiering av arbeidet som resulterte i standardisering av metodene beskrevet i denne artikkelen, og også Lawrence Mayhew og Drs. Dan Olk og Paul Bloom for teknisk støtte under standardiseringsarbeidet.
Amberlite IR 120 H+-exchange resin | Sigma-Aldrich | 10322 | H+ form |
Analytical Balance | Ohaus | PA214 | w/ glass draft shield |
Centrifuge | Beckman Coulter | Allegra X-14 | minimum 4300 rpm |
Centrifuge tubes | Beckman Coulter | To fit rotor selected | |
Ceramic Combustion Crucibles | Sigma | Z247103 | |
Chromatography column for DAX-8 | Diba | Omnifit 006EZ-50-25-FF | |
Chromatography column for IR 120 | Chemglass | CG-1187-21 2 in. by 24 in. | |
Dessicator | Capitol Scientic | Kimax 21200-250 | Vacuum type |
Drying Oven | Fisher Scientific | Isotemp | Precision±3˚C |
Electrical conductivity meter | HM Digital | EC-3 | |
Erlenmeyer Flasks | Amazon | 1L, 2L | |
HCl concentrated | Sigma-Aldrich | 320331 | |
Magnetic Stir Plate | Barnstead-Thermolyne | Dataplate 721 | |
Magnetic Stir bars | These can be obtained at many outlets | ||
Muffle Furnace | Fisher scientific | Thermolyne Type 47900 | |
NaOH | Sigma-Aldrich | 795429 | |
Nitrogen gas | Praxair | UNI1066 | 99.99% purity |
Peristaltic pump | Cole Parmer | Masterflex 7518-00 | |
Perstaltic tubing | Cole Parmer | Masterflex Pharmed 06508-17 | |
pH meter | Oakton Instruments | WD-35618–03 | |
Rotary Evaporator | Buchi | R-210/R-215 | |
Spectrophotometer | Healthcare SCiences | Ultrospec II | Dual beam 200 to 900 nm with wavelength accuracy of ±1 nm and reproducibility of ±0.5 nm. |