We present the benzene polycarboxylic acid (BPCA) method for assessing pyrogenic carbon (PyC) in the environment. The compound-specific approach uniquely provides simultaneous information about the characteristics, quantity and isotopic composition (13C and 14C) of PyC.
Brann-avledet, pyrogene karbon (PyC), noen ganger kalt sot (BC), er den karbonholdige faste rest av biomasse og forbrenning av fossilt brensel, slik som røye og sot. PyC er allestedsnærværende i miljøet på grunn av sin lange utholdenhet og sin overflod kan selv øke med forventet økning i global skogbrann aktivitet og fortsatt forbrenning av fossilt brensel. PyC er også i økende grad produsert fra den industrielle pyrolyse av organisk avfall, som gir endringer forkullede jord (biokull). Videre kan fremveksten av nanoteknologi også resultere i frigjøring av PyC-lignende forbindelser til omgivelsene. Det er derfor en høyt prioritert å pålitelig oppdage, karakterisere og kvantifisere disse forkullede materialer for å undersøke deres miljøegenskaper og for å forstå sin rolle i karbonkretsløpet.
Her presenterer vi benzen polykarboksylsyreblandingen (BPCA) metoden, som tillater samtidig vurdering av PyC sin karakteristiske gjestgpinner, mengde og isotopsammensetningen (13 C og 14 C) på et molekylært nivå. Metoden kan brukes til et svært bredt spekter av miljøprøvemateriale og oppdager PyC over et bredt spekter av forbrennings kontinuum, dvs. det er følsom for litt forkullet biomasse samt høy temperatur tegn og sot. Den BPCA protokollen som presenteres her er enkel å anvende og meget reproduserbar, samt lett utvides og modifiser til spesifikke krav. Man får altså et allsidig verktøy for etterforskningen av PyC i ulike disipliner, alt fra arkeologi og miljøanalyse til biokull og karbon sykling forskning.
I en fullstendig forbrenningsprosess, blir biomasse eller fossilt brensel omdannes til CO2, H2O og uorganiske rester (aske). Men under lokale eller time oksygen begrensninger, blir forbrenningen ufullstendig og pyrolyse finner sted, produsere en solid organisk rest kjent som røye en. Disse forkullede rester også referert til som pyrogent organisk materiale (PyOM) og består hovedsakelig av pyrogent karbon (PyC) eller, synonymt, sot (BC) 2-4. Brenning prosesser er allestedsnærværende og kan være en del av både naturlige og menneskeskapte forbrenning 5-6. Wildfire er en viktig naturlig prosess, iboende i de fleste økosystemer, som produserer en betydelig mengde PyC hvert år 4,7-10. Tilsvarende brenning av fossilt brensel til energiproduksjon i industri og transport presenterer en viktig menneskeskapt kilde til PyC 11-13. Begge kildene bidra til ubiquity av PyC i miljøet: PyC er til stede iluft, i form av aerosoler 13-14, i vann som partikkelformet eller oppløst organisk materiale 15-17, samt i is-kjerner 18-19, 20-21, jord og sedimenter 22-24 i størrelser varierende fra m til nm (f.eks stor forkullet trestamme etter en skogbrann eller nano-skala sotpartikler som rømmer en dieselmotor eksos). Ubiquity av PyC i miljøet er ikke bare på grunn av store produksjonsrater, men også til sin lange utholdenhet og relativ stabilitet mot nedbrytning 25-26. Selv har ennå ikke klarlagt nøyaktig omsetning ganger og kan avhenge spesifikke miljøforhold 27-28, synes det klart at PyC er mindre lett dekomponeres i CO 2 enn de fleste andre former for organisk karbon 29-30. Denne observasjonen har en viktig implikasjon for den globale C syklus: som forkullede materialer butikk PyC for en relativt lang tid, beslaglegge de C i organiske former som ellers ville være raskt respired som CO 2, og dermed redusere atmosfæriske konsentrasjonen av klimagasser over tid 31-32.
Foruten klima formildende aspekt, chars har ytterligere miljørelevante egenskaper. Deres høy porøsitet, store areal og negativ overflateladning kan immobilisere farlige stoffer 33 og forbedre jordas fruktbarhet 34-35. Erkjennelsen av tegn som potensielt gunstig jord endring førte til nye feltet av såkalte biokull teknologi 36. Biokull vil trolig bli produsert på store skalaer i de kommende årene, og dermed øke PyC overflod i jord 37. Videre er forekomsten av skogbranner og brenning av fossilt brensel også anslås å holde seg høy i løpet av det 21 århundre, kontinuerlig bidrar store mengder PyC til miljøet 11,38-39. Et annet stadig viktigere kilde til PyC er sannsynlig å være nanoteknologi som også brukers PyC-lignende forbindelser 40-41. Det er derfor avgjørende å påvise, karakterisere og kvantifisere disse pyrogene materialer nøyaktig for å undersøke deres egenskaper og forstå deres rolle i miljøet.
Her presenterer vi bruk av en state-of-the-art sammensatte spesifikk tilnærming til å analysere PyC i ulike prøver: den nyeste generasjonen av benzen polykarboksylsyreblandingen (BPCA) -metoden 42. Denne metoden er bredt anvendbar innen PyC forskning som det direkte rettet mot "ryggraden" av PyC: dens polysykliske kondenserte strukturer som dannes under varmebehandling 43-45 og som derfor er iboende i alle ulike former for PyC 5,46. Men disse strukturene er ikke direkte vurderbar ved kromatografiske midler, på grunn av deres størrelse og heterogenitet. For å kromatografisk analysere slike pyrogene forbindelser, er PyC først oppsluttet med salpetersyre under høyt trykk og temperatur, hvilken bryterstore polysykliske strukturer ned i sine byggesteiner, den enkelte BPCAs (jf. figur 1). De BPCAs blir deretter, etter noen rensingstrinn, mottagelig for kromatografisk analyse 20,42. PyC blir således isolert og analysert på et molekylært nivå og kan brukes til å kvantifisere PyC overflod i miljøet 20,42. Den BPCA Fremgangsmåten kjenne i tillegg undersøkt PyC når relative utbytter av B3-, B4-, B5- og B6CA sammenlignes (se figur 1): den respektive andelen av forskjellig karboksylert BPCAs er knyttet til størrelsen av de opprinnelige polysykliske strukturer og er derfor en indikasjon på PyC kvalitet og pyrolyse temperatur 44,47-48. Videre tillater den presenterte fremgangsmåten for bestemmelse av C isotopsammensetningen (13 C og 14 C) av PyC fordi de enkelte BPCAs, som stammer direkte fra rene PyC strukturer, kan være isotopisk analysert etter isolasjon (se figur 1, trinn 5 og 6) 49. Forbindelsen spesifikk isotopisk analyse av PyC er av stor interesse 50 som den kan bli brukt, for eksempel, å skille mellom forløperen biomassen av tegn i tropiske regioner 51-52, for å utlede en alder av forkullede materialer 53-54 eller for å spore i PyC sykkel studier med en isotop etiketten 26,55-56 C. Ytterligere informasjon om PyC samt BPCA metodens historie, utvikling og applikasjoner i særdeleshet kan bli funnet i Wiedemeier 2014 57, hvor en del av de ovennevnte avsnitt og en del av diskusjonen ble utarbeidet.
Den BPCA metoden har flere viktige fordeler sammenlignet med andre tilgjengelige PYC metoder 78-79: i) den oppdager PyC over et bredt spekter av forbrennings kontinuum, dvs. det er følsom for litt forkullet biomasse samt høy temperatur chars og sot 42 70, ii) det kan samtidig karakter 16,44,80-81, kvantifisere 20,42 og isotopically analysere PyC 49-50,66,73,82-83, iii) det er gjeldende for et svært bredt spekter av miljøprøve materialer 42,70, og iv) sin metodikk har blitt intenst anmeldt og kan bli satt på en konsistent rammeverk med vurderinger av andre PYC metoder 44,47,70,84-85. For alle disse grunner, er det BPCA tilnærming uten tvil den mest allsidige PyC metoden tilgjengelig til dags dato, hvis underliggende forutsetningene er vel begrenset, og har vært kontinuerlig testet mot andre metoder.
Ovennevnte protokollen konsoliderer strengths fra tidligere BPCA metoder i en enkelt prosedyre er meget reproduserbar, lett å bruke og kan lett utvides og endres til spesifikke krav. For eksempel, når kromatografi utføres med en pH-gradient i stedet for et organisk løsningsmiddel, er på linje isotop-forholdet overvåking av BPCAs mulig 42, unngå behovet for den våte oksydasjonstrinnet. På tilsvarende måte, fjerning av kationer og / eller apolare forbindelser (trinn 3 og 4), kan bli utelatt når det er kjent at spesielle eksempler ikke inneholder slike forbindelser (som i noen tilfeller av laboratorieprodusert tegn).
Som alle PyC metode, har BPCA prosedyren noen begrensninger også. I denne forbindelse er det viktig å merke seg at BPCA tilnærming iboende undervurderer totalt PyC mengde i prøvene: metoden ødelegger store deler av PYC polysykliske strukturer for å trekke ut sine BPCA byggesteiner, og dermed ikke kvantitativt utvinne all PyC i form av BPCAs20,86. Omregningsfaktorer hadde blitt foreslått i det siste til å oversette BPCA avkastning til total PYC innhold. Imidlertid kan finne en riktig omregningsfaktoren er praktisk talt umulig på grunn av den heterogene graden av aromatisk kondensasjon i de fleste tegn 41,48,80,86. I mange tilfeller er PyC mengder av prøvene sammenlignet i forhold til hverandre 42,81,87-88. Vi foreslår ikke å bruke noen omregningsfaktorer og å bare rapportere BPCA data "målt" 48. I særlige tilfeller, når BPCA avkastning er tatt for å beregne absolutte PYC mengder 24,89-90, opprinnelig publisert omregningsfaktor 20 av 2,27 synes hensiktsmessig som konverterer det BPCA gir opp konservative estimater av PYC innholdet 86.
En annen vanskelighet med PyC metoder er at de er potensielt følsomme overfor forstyrrende, ikke-PyC materiale og / eller at PyC frembringes under selve analysen, som fører til en overestimering avselve PyC innholdet i prøvene 70. Den BPCA tilnærming er svært robust mot slike forstyrrende materialer 70, produserer ikke PyC av seg selv 16,70,86 og er konservativ i naturen (jf avsnittet ovenfor). Til og med grafitt, en kjemisk meget lignende materiale for å PyC men av petrogenic opprinnelse, forstyrrer ikke BPCA målinger (Schneider, MPW upubliserte resultater. Zurich, (2013)). Så langt den eneste kjente ikke-PYC forstyrrelser for BPCA metoden er noen kondensert, aromatiske pigmenter av sopp 91, som bør være kvantitativt ubetydelig for de aller fleste studier 86. Den BPCA metoden med dens samtidige kvalitative, kvantitative og 13 C og 14 C isotoper informasjon er således et utmerket verktøy for etterforskningen av PyC i ulike disipliner.
The authors have nothing to disclose.
The authors thankfully acknowledge support by the following funding sources: the University of Zurich Research Priority Program “global change and biodiversity”, the Swiss National Science Foundation projects 134452, 131922, 143891, 119950 and 134847, and the Deep Carbon Observatory – Deep Energy award 60040915.
ball mill | Retsch | N/A | ball mill with carbon-free grinding jars and balls (Retsch MM 200 with agate grinding jars and balls) |
combustion oven | Nabertherm | N/A | combustion oven/muffle furnace with a temperature of 500 °C (Nabertherm L40/11 or similar) |
pressure bombs with PTFE pressure chambers, quartz digestion tubes with quartz lids |
Seif Aufschlusstechnik, Unterschleissheim, Germany | N/A | Helma U. Rudolf Seif Aufschlusstechnik Fastlingerring 67 85716 Unterschleissheim Germany Tel: (+49) 89 3108181 |
vortex mixer | common lab supply | N/A | |
oven | Thermo Scientific | 50051010 | drying oven with constant temperature (Thermo Scientific Heraeus or similar) |
vacuum manifold system with PTFE connectors |
Machery Nagel | Chromabond 730151 730106 |
ftp://ftp.mn-net.com/english/Instruction_leaflets/Chromatography/SPE/CHROMABOND_VK_DE_EN.pdf |
reusable glass syringes with disposable glass fibre filters | Machery Nagel | 730172 730192 |
http://www.mn-net.com/SPEStart/SPEaccessories/EmptySPEcolumns/tabid/4285/language/en-US/Default.aspx |
25 mL volumetric glass flasks | common lab supply | N/A | In contrast to all other glassware, do not combust to ensure volumetric accuracy. Instead, clean in acid bath, with ultrasound and with ultrapure water. |
chromatographic glass columns with frit and PTFE stopcock and glass wool | custom made | N/A | dimensions of glass columns: ca. 40cm long, ca. 1.5 cm in diameter |
cation exchange resin | Sigma Aldrich | 217514 | Dowex 50 WX8 400 |
conductivity meter | WTW | 300243 | LF 320 Set |
100 mL conical flasks for freeze drier | common lab supply | N/A | |
liquid nitrogen | common lab equipment | N/A | for snap-freezing the aequous solution after removal of cations |
freeze dryer | Christ | N/A | Alpha 2-4 LD plus |
C18 solid phase extraction cartridges | Supelco | 52603-U | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/supelco/52603u?lang=de®ion=CH |
2.5 mL glass test tubes | Agilent Technologies | 5022-6534 | http://www.chem.agilent.com/store/en_US/Prod-5022-6534/5022-6534?navAction=push&navCount=0 |
concentrator | Eppendorf | 5305000.100 | |
1.5 mL HPLC autosampler vials | depending on HPLC | N/A | |
6 mL fraction collector vials | depending on HPLC | N/A | |
high purity N2 gas | common lab equipment | N/A | |
12 mL borosilicate gas tight vials | Labco | 538W | http://www.labco.co.uk/europe/gas.htm#doublewad12ml |
needles | B Braun | 4665643 | http://www.bbraun.ch/cps/rde/xchg/cw-bbraun-de-ch/hs.xsl/products.html?prid=PRID00000510 |
high purity He gas | common lab equipment | N/A | |
Materials | |||
HNO3 (65%) p.a. | Sigma Aldrich | 84378 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/84378?lang=de®ion=CH |
2M HCl | Sigma Aldrich | 258148 | mix with ultrapure water to achieve 2M solution |
2M NaOH | Sigma Aldrich | 71691 | mix with ultrapure water to achieve 2M solution |
methanol | Sigma Aldrich | 34860 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34860?lang=de®ion=CH |
water | Milli-Q | Z00QSV0WW | Type 1 grade, optimized for low carbon |
orthophosphoric acid | Sigma Aldrich | 79606 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/79606?lang=de®ion=CH |
acetonitrile | Sigma Aldrich | 34851 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34851?lang=de®ion=CH |
C18 reversed phase column | Agilent Technologies | 685975-902 | Agilent Poroshell 120 SB-C18 (4.6 x 100 mm) |
Na2S2O8, sodium persulfate | Sigma Aldrich | 71890 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/71890?lang=de®ion=CH |
BPCA standards | |||
trimellitic acid | Sigma Aldrich | 92119 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/92119?lang=de®ion=CH |
hemimellitic acid | Sigma Aldrich | 51520 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/51520?lang=de®ion=CH |
pyromellitic acid | Sigma Aldrich | 83181 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search?term=83181&interface=All&N=0&mode=match%20partialmax&lang=de®ion=CH&focus=product |
benzenepentacarboxylic acid | Sigma Aldrich | S437107 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/s437107?lang=de®ion=CH |
mellitic acid | Sigma Aldrich | M2705 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/m2705?lang=de®ion=CH |
oxidation standars | |||
phtalic acid | Sigma-Aldrich | 80010 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/80010?lang=de®ion=CH |
sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/s7903?lang=de®ion=CH |
black carbon reference materials | University of Zurich | N/A | http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials |