القياس الكمي للأحماض الدبالية والفولفيك في خامات الهيومات و DOC والمواد المرطبة والمنتجات التجارية المحتوية على المواد الدبالية
Summary
توفر هذه الطريقة قياسا كميا لجاذبية المواد الدبالية (مثل الأحماض الدبالية والفولفيك) على أساس خال من الرماد ، في المواد الجافة والسائلة من الفحم الناعم (أي الليغنيت المؤكسد وغير المؤكسد والفحم شبه البيتوميني) ، وخامات الهيومات والصخر الزيتي ، والخث ، والسماد العضوي والأسمدة التجارية وتعديلات التربة.
Abstract
الغرض من هذه الطريقة هو توفير تركيز دقيق ودقيق من الأحماض الدبالية (HA) و / أو الفولفيك (FA) في الفحم الناعم والخامات الدبالية والصخر الزيتي والخث والسماد العضوي والمنتجات التجارية المحتوية على المواد الدبالية. تعتمد هذه الطريقة على الاستخراج القلوي لمواد الاختبار ، باستخدام 0.1 N NaOH كمستخرج ، وفصل المواد الدبالية القلوية القابلة للذوبان (HS) عن المنتجات غير القابلة للذوبان عن طريق الطرد المركزي. ثم يتم ضبط الرقم الهيدروجيني للمستخلص القلوي بالطرد المركزي إلى الرقم الهيدروجيني 1 مع conc. HCl ، مما يؤدي إلى هطول الأمطار من HA. يتم فصل HA المترسب عن جزء الفولفيك (FF) (جزء من HS الذي يبقى في المحلول) عن طريق الطرد المركزي. ثم يتم تجفيف HA في الفرن أو التجميد وتحديد محتوى الرماد في HA المجفف. ثم يتم تقسيم وزن HA النقي (أي الخالي من الرماد) على وزن العينة والكسر الناتج مضروبا في 100 لتحديد النسبة المئوية HA في العينة. لتحديد محتوى FA ، يتم تحميل FF على راتنج DAX-8 الكارهة للماء ، والذي يمتص جزء FA الذي يشار إليه أيضا باسم حمض الفولفيك الكارهة للماء (HFA). ثم تتم إزالة الجزء المتبقي من حمض غير الفولفيك ، والذي يسمى أيضا جزء الفولفيك المحب للماء (HyFF) عن طريق غسل الراتنج باستخدام H2O منزوع الأيونات حتى تتم إزالة جميع المواد غير الممتصة بالكامل. ثم يتم امتصاص FA مع 0.1 N NaOH. ثم يتم بروتونات Na-fulvate الناتجة عن طريق تمريرها فوق راتنج H + – تبادل قوي. يتم تجفيف FA الناتج في الفرن أو التجميد ، وتحديد محتوى الرماد والتركيز في العينة المحسوب كما هو موضح أعلاه ل HA.
Introduction
المواد الدبالية (HS) هي بقايا ديناميكية تنتج عن التحلل الميكروبي وتحول الأنسجة النباتية الميتة1،2،3 معززة بالمنتجات الثانوية الميكروبية والكتلة الحيوية3،4،5 من خلال عملية تسمى الترطيب 6. توجد المواد الهيدروجينية في التربة والمياه الطبيعية ورواسب البحيرات والخث والفحم الناعم والصخر الزيتي الدبالي وتمثل ما يقدر بنحو 25٪ من إجمالي الكربون العضوي على الأرض7. هذه المواد عبارة عن مخاليط معقدة من آلاف الجزيئات الفريدة التي يتم تقسيمها إلى ثلاثة أجزاء رئيسية بناء على قابلياتها المختلفة للذوبان في المحاليل المائية الأساسية والحمضية القوية. هذه الكسور هي أحماض دبالية (HAs) ، والتي تتكون من الكسر القلوي القابل للذوبان ولكن غير القابل للذوبان في الحمض. أحماض الفولفيك (FAs) ، الجزء القابل للذوبان في كل من القلويات والحمض ؛ وجزء الهيومين ، وهو غير قابل للذوبان في جميع قيم الأس الهيدروجيني6,8. ينقسم جزء الفولفيك (FF) أيضا إلى أجزاء FA الكارهة للماء (HFA) والمحبة للماء (HyFA). يتم تعريف هذه الكسور على أنها جزء من FF يرتبط براتنج DAX-8 الكارهة للماء (HFA) والجزء الذي لا يرتبط بالراتنج (HyFA).
ويتزايد استخدام النظام المنسق في الزراعة، حيث يستخدم على نطاق واسع كمنشطات حيوية للمحاصيل، وفي تربية الحيوانات، ولا سيما كمضاف لأعلاف الماشية، وفي التعدين في طين الحفر، والمعالجة البيئية كمكوكات إلكترونية. كما تتزايد الأبحاث في استخدام النظام المنسق في التطبيقات الطبية البشرية.
توجد العديد من الطرق لقياس كمية HA و FA. ومع ذلك ، فإن معظم هذه الطرق ليست دقيقة ولا دقيقة. على سبيل المثال، الطريقتان الأكثر استخداما لتحديد حمض الهيالورونيك في الولايات المتحدة الأمريكية هما طريقة قياس الألوان9 وطريقة وزارة الأغذية والزراعة في كاليفورنيا (CDFA)، وكلاهما تبين أنهما يبالغان في تقدير كمية حمض الهيالورونيك في مجموعة من مصادر الخام والمستخلصات من غرب الولايات المتحدة وكندا10. طريقة قياس الألوان أو الطيف الضوئي غير دقيقة لأنها تعتمد على امتصاص المستخلصات القلوية التي تشمل، بالإضافة إلى HA، FA وغيرها من الكروموفورات التي تمتص جميعها عند الطول الموجي المستخدم ولا يمثل المعيار المواد التي يتم اختبارها10. طريقة CDFA ليست دقيقة لأنها لا توفر تركيزات HA على أساس خال من الرماد. نظرا لأن الخامات المختلفة تحتوي على كميات مختلفة من الرماد ، يتم تنفيذ بعضها مع الاستخراج وتضيف عملية الاستخراج نفسها الرماد ، فإن هذه الطريقة لا توفر قيمة دقيقة لتركيزات HA10. واستجابة للحاجة إلى طريقة دقيقة ودقيقة، تم نشر إجراء موحد لقياس الجاذبية يستند إلى الإجراء المفصل by11 في عام 2014 لمعالجة القياس الكمي لكل من HA وFA على أساس خال من الرماد12. ثم تم تكييف هذه الطريقة، مع تعديلات طفيفة، من قبل المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO) في عام 2018 تحت بند الأسمدة ومكيفات التربة باسم “تحديد تركيزات أحماض الفولفيك الدبالية والكارهة للماء في مواد الأسمدة”13.
تحدد هذه الورقة بروتوكول استخراج وقياس كميات أحماض الفولفيك الدبالية والكارهة للماء وتقدم تفاصيل عن دقة ودقة البيانات المنتجة من الطريقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوات الأولية لاستخراج وعزل HA في هذه الطريقة واضحة نسبيا. نظرا لأن عزل HFA ينطوي على كروماتوغرافيا العمود ، فإن الحصول على نتائج قابلة للتكرار يأتي مع الالتزام الصارم بتفاصيل كل خطوة وممارسة. على وجه الخصوص ، يعد التحضير الصحيح للراتنجات ذا أهمية أساسية. من المهم للغاية أن يتم تحضير راتنج البولي ميثيل ميثاكريليت DAX-8 وتعبئته بشكل صحيح. التعبئة الصحيحة للراتنج يؤثر على كل من العائد وجودة HFA. إذا كان التوجيه موجودا ، فلن تكتمل المعالجة المسبقة (أي التحمض) أو امتزاز HFA ، وسيؤدي الفصل إلى نتائج غير دقيقة. إذا لوحظت قنوات أو فراغات في الراتنج قبل تحميل العينة ، فيجب إزالة العمود وهزه لإعادة توزيع حبات الراتنج ، من خلال السماح لها بالاستقرار بدون قنوات ، ثم إعادة تعبئتها عن طريق ضخ DI H2O نظيف عبر الراتنج. بالإضافة إلى ذلك ، كما هو مذكور في البروتوكول ، فإن الحفاظ على حجم من السائل فوق الراتنج عند تحميل FF على الراتنج ، سيسمح ل FF بالخلط قبل دخول الراتنج ويؤدي إلى امتزاز أكثر فعالية. بالنسبة لراتنج الكاتيون القوي H + – Exchange (جدول المواد) ، لا يمكن التسرع في التجديد الكامل. يستغرق تبادل Na + / H + وقتا ، وبالتالي من الأفضل القيام بذلك في معالجة بالجملة بحيث يمكن خلط الراتنج أثناء إعادة تحمضه. يساعد خلط الراتنج أثناء الشطف باستخدام DI H2O على إزالة حمض الهيدروكلوريك الزائد. عند رفع الراتنج المحمض لإزالة الحمض الزائد ، يساعد خلط الراتنج على إزالة حمض الهيدروكلوريك. من المهم للغاية إزالة الحمض إلى النقطة التي يتم فيها الوصول إلى الموصلية الكهربائية ≤ 0.7 ميكروثانية / سم. إذا لم يكن الأمر كذلك ، ترحيل HCl مع HFA.
أخيرا ، عند امتصاص HFA من راتنج DAX-8 ، بمجرد أن يساوي امتصاص المؤثر امتصاص النفايات السائلة ، فمن الممارسات الجيدة ترك العمود يجلس لبضع ساعات لمعرفة ما إذا كان سيتم إطلاق أي HFA إضافي. إذا كان الأمر كذلك ، فسوف ينظر إليه على أنه اصفرار السائل فوق الراتنج. إذا حدث هذا ، يمكن إزالة HFA الإضافي عن طريق الامتزاز المستمر حتى تصبح الامتصاص المؤثرة / النفايات السائلة متساوية مرة أخرى.
أحد عيوب عزل HFA هو أن العملية برمتها تستغرق وقتا طويلا. يؤدي الامتزاز الكامل ل HFA من راتنج DAX-8 والإزالة الكاملة من راتنج H + Exchange إلى حجم كبير من HFA يجب تقليله عن طريق التبخر الدوار. هذا بالتأكيد عنق الزجاجة في التحليل. وفي محاولة لتقليل هذا الوقت، اقترح إزالة HFA من راتنج DAX-8 باستخدام الأسيتون بدلا من 0.1 M NaOH14. ادعى المؤلفون أنه باستخدام 50٪ من الأسيتون كممتص بدلا من NaOH ، تم الحصول على نتيجة HFA مماثلة وتم تجديد DAX-8 بشكل كاف وبالتالي يمكن القضاء على خطوة H + التبادل. أدى هذا التعديل إلى انخفاض كبير في وقت التحليل نتيجة لانخفاض الحجم المنتج والتبخر الدوار الأسرع للأسيتون مقارنة بالماء. هذا التعديل يخدع المزيد من الدراسة.
تقتصر هذه الطريقة على تحليل المواد العضوية التي خضعت لعملية الترطيب ، وبالنسبة لحالة الخث والفحم الناعم ، فإن العمليات الإضافية للخث وكل من الخث والفحم ، على التوالي. الترطيب هو العملية التي تتحلل فيها المواد الميتة ، وخاصة المواد النباتية ، بواسطة سلسلة من الميكروبات التي تستهلك وتعدل الركائز المتمردة بشكل متزايد. تشارك العمليات اللاأحيائية أيضا في تفاعلات التحلل وإعادة التوليف. يؤدي الترطيب في نهاية المطاف إلى إنتاج مواد متمردة نسبيا تتكون من مخاليط غير متجانسة من آلاف الجزيئات التي تشكل مجموعة من الوزن الجزيئي ومحتويات الكربون والأكسجين والهيدروجين التي تشكل HS. يتم تعديل النظام المنسق بشكل أكبر عن طريق الخث والتجميع. لذلك ، هذه الطريقة ليست مناسبة للمواد النباتية التي تم تعديلها بواسطة العمليات الكيميائية. على سبيل المثال ، يستخدم الليجنوسلفونات على نطاق واسع كمغشي HFA. Lignosulfonate هو منتج ثانوي لعملية لب الكبريتيت. لذلك ، لم يتم إنتاج هذه المواد من خلال عملية الترطيب. بالإضافة إلى ذلك ، هناك العديد من المواد التي ترتبط براتنج DAX-8. على سبيل المثال ، تم استخدام راتنج DAX-8 لامتصاص المبيدات الحشرية من المحلول15. من الواضح أن المبيدات الحشرية ليست HS. وبالتالي ، فإن ربط مادة ما براتنج DAX-8 لا يبرر الادعاء بأنه HFA. المتطلبات الأساسية هي الإنتاج عن طريق الترطيب والارتباط براتنج DAX-8.
ومع معرفة المزيد عن مساهمة مختلف مكونات النظام المنسق في تطبيقات مختلفة، قد يصبح من المفيد زيادة تجزئة النظام المنسق وبالتالي تعديل الطريقة وفقا لذلك. كما هو موجود ، فإن الطريقة لا تحدد كمية HYFA. ومع ذلك ، قد يكون لهذا الجزء أيضا نشاط على سبيل المثال في التحفيز الحيوي للنبات ، حيث يتم تطبيق FF بأكمله بشكل عام في العلاجات الزراعية بدلا من HFA المنقي.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفون أن يعربوا عن تقديرهم لرابطة تجارة المنتجات الدبالية (HPTA) لدعمهم في تمويل العمل الذي أدى إلى توحيد الأساليب الموضحة في هذه الورقة وكذلك لورانس مايهيو والدكتور دان أولك وبول بلوم للحصول على الدعم الفني أثناء أعمال التقييس.
Materials
| 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. |
Referenzen
- DiDonato, N., Chen, H., Waggoner, D., Hatcher, P. G. Potential origin and formation for molecular components of humic acids in soils. Geochimica et Cosmochimica Acta. 178, 210-222 (2016).
- Waggoner, D. C., Chen, H., Willoughby, A. S., Hatcher, P. G. Formation of black carbon-like and alicyclic aliphatic compounds by hydroxyl radical initiated degradation of lignin. Organic Geochemistry. 82, 69-76 (2015).
- Baldock, J. A., Skjemstad, J. O. Role of the soil matrix and minerals in protecting natural organic materials against biological attack. Organic Geochemistry. 31 (7-8), 697-710 (2015).
- 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).
- Schaeffer, A., Nannipieri, P., Kastner, M., Schmidt, B., Botterweck, J. From humic substances to soil organic matter-microbial contributions. In honour of Konrad Haider and James P. Martin for their outstanding research contributionns to soil science. Journal of Soils Sediments. 15 (9), 1865-1881 (2015).
- Stevenson, F. J. . Humus Chemistry: Genesis, Composition, Reactions. 2e. , (1994).
- Weber, J., Chen, Y., Jamroz, E., Miano, T. Preface: humic substances in the environment. Journal of Soils and Sediments. 18, 2665-2667 (2018).
- Schnitzer, M., Page, A. L., Miller, R. H., Keeny, D. R. Organic matter characterization. Methods of soil analysis, part 2: Chemical and microbiological properties. , 581-594 (1982).
- Mehlich, A. Photometric determination of humic matter in soils: A proposed method. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 15 (12), 1417-1422 (1984).
- Lamar, R. T., Talbot, K. H. Critical comparison of humid acid test methods. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 50 (15-16), 2309-2322 (2009).
- Swift, R. S., Sparks, D. L. Organic matter characterization. Methods of soil analysis, part 3: Chemical methods. , 1011-1069 (1996).
- Lamar, R. T., Olk, D. C., Mayhew, L., Bloom, P. R. A new standardized method for quantitation of humic and fulvic acids in humic ores and commercial products. Journal of the AOAC International. 97 (3), 722-731 (2014).
- International Organization of Standards. Fertilizers and soil conditioners-Determination of humic and hydrophobic fulvic acids concentrations in fertilizer materials. International Organization of Standards. , (1982).
- Liam, L. E., Serben, T., Cano, M. Gravimetric quantification of hydrophobic filmic acids in lignite material using acetone. Journal of the AOAC International. 102 (6), 1901-1907 (2019).
- House, W. A., Zhmud, B. V., Orr, D. R., Lloyd, G. K., Irons, G. P. Transportation of pesticides by colloids. Final Report. Institute of Freshwater Ecology. National Environment Research Council. , (1998).
