Kwantificering van humus- en fulvinezuren in Humate-ertsen, DOC, onttomerde materialen en humussubstantiebevattende commerciële producten
Summary
Deze methode biedt een gravimetrische kwantificering van humusstoffen (bijv. humus- en fulvinezuren) op asvrije basis, in droge en vloeibare materialen uit zachte steenkool (d.w.z. geoxideerde en niet-geoxideerde bruinkool en subbitumineuze steenkool), humate-ertsen en schalies, turf, compost en commerciële meststoffen en bodemaanpassingen.
Abstract
Het doel van deze methode is te zorgen voor een nauwkeurige en nauwkeurige concentratie humus (HA) en/of fulvinezuren (FA) in zachte kolen, humusertsen en leisteen, turf, compost en humussubstantiehoudende handelsproducten. De methode is gebaseerd op de alkalische extractie van testmaterialen, met behulp van 0,1 N NaOH als extractiemiddel, en scheiding van de alkalische oplosbare humusstoffen (HS) van niet-oplosbare producten door centrifugering. De pH van het gecentrifugeerde alkalische extract wordt vervolgens aangepast tot pH 1 met conc. HCl, wat resulteert in precipitatie van de HA. De neergeslagen HA worden gescheiden van de fulvinefractie (FF) (de fractie van HS die in oplossing achterblijft) door centrifugatie. De HA wordt vervolgens in de oven of gevriesdroogd en het asgehalte van de gedroogde HA bepaald. Het gewicht van het zuivere (d.w.z. asvrije) HA wordt vervolgens gedeeld door het gewicht van het monster en de resulterende fractie vermenigvuldigd met 100 om het ha-ƒ%-ha in het monster te bepalen. Om het FA-gehalte te bepalen, wordt de FF geladen op een hydrofobe DAX-8-hars, die de FA-fractie adsorbeert, ook wel het hydrofobe fulvinezuur (HFA) genoemd. De resterende niet-fulvinezuurfractie, ook wel de hydrofiele fulvinefractie (HyFF) genoemd, wordt vervolgens verwijderd door de hars te wassen met gedeïoniseerd H2O totdat al het niet-geabsorbeerde materiaal volledig is verwijderd. De FA wordt vervolgens gedesorbeerd met 0,1 N NaOH. Het resulterende Na-fulvate wordt vervolgens geprotoneerd door het over een sterke H + -uitwisselingshars te laten gaan. De resulterende FA is oven- of gevriesdroogd, het asgehalte bepaald en de concentratie in het monster berekend zoals hierboven beschreven voor HA.
Introduction
Humusstoffen (HS) zijn dynamische residuen die het gevolg zijn van de microbiële afbraak en transformatie van dode plantenweefsels1,2,3 aangevuld met microbiële bijproducten en biomassa3,4,5 via een proces dat humificatie wordt genoemd6. HS zijn aanwezig in bodems, natuurlijke wateren, meersedimenten, turf, zachte kolen en humusschalie en vertegenwoordigen naar schatting 25% van de totale organische koolstof op aarde7. Deze stoffen zijn complexe mengsels van duizenden unieke moleculen die worden gefractioneerd in drie hoofdfracties op basis van hun verschillende oplosbaarheid in sterk basische en zure waterige oplossingen. Deze fracties zijn humuszuren (HAs), die de alkali oplosbare maar in zuur onoplosbare fractie vormen; fulvinezuren (VA’s), de fractie oplosbaar in zowel alkali als zuur; en de huminefractie, die bij alle pH-waarden onoplosbaar is6,8. De fulvinefractie (FF) wordt verder onderverdeeld in de hydrofobe FA (HFA) en hydrofiele (HyFA) fracties. Deze fracties worden gedefinieerd als het deel van de FF dat bindt aan een hydrofobe DAX-8 hars (HFA) en het deel dat niet bindt aan de hars (HyFA).
HS wordt steeds vaker gebruikt in de landbouw, waar ze op grote schaal worden gebruikt als biostimulanten voor gewassen, in de veehouderij, met name als toevoegingsmiddel voor veevoer, in de mijnbouw in boorslib en milieusanering als elektronenshuttles. Ook het onderzoek naar het gebruik van HS in medische toepassingen bij mensen neemt toe.
Er bestaan veel methoden voor de kwantificering van HA en FA. De meeste van deze methoden zijn echter niet nauwkeurig of nauwkeurig. De twee meest gebruikte methoden voor de bepaling van HA in de VS zijn bijvoorbeeld de colorimetrische methode9 en de methode van het California Department of Food and Agriculture (CDFA), waarvan beide de hoeveelheid HA in een reeks erts- en extractbronnen uit het westen van de VS en Canada hebben overschat10. De colorimetrische of spectrofotometrische methode is onnauwkeurig omdat deze afhankelijk is van de absorptie van alkalische extracten die, naast HA, FA en andere chromoforen omvatten die allemaal absorberen op de gebruikte golflengte en de standaard is niet representatief voor de materialen die worden getest10. De CDFA-methode is niet nauwkeurig omdat deze geen HA-concentraties op een asvrije basis levert. Omdat verschillende ertsen verschillende hoeveelheden as hebben, waarvan sommige worden meegevoerd met de extractie en het extractieproces zelf as toevoegt, levert deze methode geen nauwkeurige waarde op voor HA-concentraties10. Als antwoord op de behoefte aan een nauwkeurige en nauwkeurige methode, werd in 2014 een gestandaardiseerde gravimetrische procedure gepubliceerd op basis van de door11 beschreven procedure om de kwantificering van zowel HA als FA op een asvrije basis aan te pakken12. Deze methode werd vervolgens, met kleine wijzigingen, in 2018 door de International Organization for Standardization (ISO) aangepast onder Meststoffen en bodemverbeteraars als “Bepaling van humus- en hydrofobe fulvinezurenconcentraties in kunstmestmaterialen”13.
Dit artikel schetst het protocol voor extractie en kwantificering van humus- en hydrofobe fulvinezuren en geeft details over de nauwkeurigheid en precisie van de gegevens die uit de methode worden geproduceerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
De eerste stappen van extractie en isolatie van de HA in deze methode zijn relatief eenvoudig. Omdat de isolatie van de HFA kolomchromatografie omvat, gaat het verkrijgen van herhaalbare resultaten gepaard met strikte naleving van de details van elke stap en oefening. Met name een juiste bereiding van de harsen is van primair belang. Het is uiterst belangrijk dat de polymethylmethacrylaat DAX-8 hars goed wordt bereid en verpakt. De juiste verpakking van de hars heeft invloed op zowel de opbrengst als de kwaliteit van de HFA. Als channeling bestaat, zal noch de voorbehandeling (d.w.z. verzuring) noch de adsorptie van HFA volledig zijn en zal de scheiding tot onnauwkeurige resultaten leiden. Als kanalen of ruimtes in de hars worden waargenomen voordat het monster wordt geladen, moet de kolom worden verwijderd en geschud om de harsparels opnieuw te verdelen, door ze zonder kanalen te laten bezinken, en vervolgens opnieuw worden verpakt door schone DI H2O door de hars te pompen. Bovendien, zoals vermeld in het protocol, zal het handhaven van een volume vloeistof boven de hars bij het laden van de FF op de hars, de FF in staat stellen om te mengen voordat de hars wordt binnengedrongen en resulteren in een effectievere adsorptie. Voor de sterke kation H+-uitwisselingshars (Table of Materials) kan volledige regeneratie niet worden overhaast. De Na+/H+ uitwisseling kost tijd en daarom kan dit het beste in een bulkbehandeling worden gedaan, zodat de hars kan worden gemengd terwijl deze opnieuw wordt aangezuurd. Het mengen van de hars tijdens het spoelen met DI H2O helpt de overtollige HCl te verwijderen. Bij het optrekken van de aangezuurde hars om overtollig zuur te verwijderen, helpt het mengen van de hars bij het verwijderen van de HCl. Het is uiterst belangrijk om het zuur te verwijderen tot het punt waar een elektrische geleidbaarheid van ≤ 0,7 μS / cm wordt bereikt. Zo niet, dan wordt de HCl overgedragen met de HFA.
Ten slotte, bij het desorberen van de HFA uit de DAX-8-hars, zodra de absorptie van het influent gelijk is aan de absorptie van het effluent, is het een goede gewoonte om de kolom een paar uur te laten zitten om te zien of er extra HFA vrijkomt. Als dat zo is, zal het worden gezien als een vergeling van de vloeistof boven de hars. Als dit gebeurt, kan de extra HFA worden verwijderd door voortdurende desorptie totdat de absorpties van influent/effluent weer gelijk zijn.
Een van de nadelen van de HFA-isolatie is dat het hele proces tijdrovend is. De volledige desorptie van HFA uit de DAX-8-hars en volledige verwijdering uit de H+-uitwisselingshars resulteren beide in een aanzienlijk volume HFA dat moet worden verminderd door roterende verdamping. Dit is zeker een knelpunt in de analyse. In een poging om deze tijd te verkorten, is voorgesteld om de HFA uit de DAX-8-hars te desorberen met aceton in plaats van 0,1 M NaOH14. De auteurs beweerden dat door 50% aceton als desorbent te gebruiken in plaats van NaOH, een vergelijkbaar HFA-resultaat werd verkregen en de DAX-8 voldoende werd geregenereerd en dus de H + -uitwisselingsstap kon worden geëlimineerd. Deze modificatie resulteerde in een sterk kortere analysetijd als gevolg van een verminderd geproduceerd volume en een snellere roterende verdamping van aceton in vergelijking met water. Deze wijziging deservers verder bestuderen.
Deze methode is beperkt tot de analyse van organisch materiaal dat het proces van humificatie heeft ondergaan, en voor het geval van turf en zachte steenkool, de verdere processen van turfvorming en zowel turfvorming als coalificatie, respectievelijk. Humificatie is het proces waarbij dood, voornamelijk plantaardig materiaal, wordt afgebroken door een opeenvolging van microben die steeds recalcitrantere substraten consumeren en modificeren. Abiotische processen nemen ook deel aan ontledings- en hersynthesereacties. Humificatie resulteert uiteindelijk in de productie van relatief recalcitrante materialen bestaande uit heterogene mengsels van duizenden moleculen die een reeks molecuulgewicht vormen en koolstof-, zuurstof- en waterstofgehalten die HS vormen. GS worden verder aangepast door turfvorming en coalificatie. Daarom is deze methode niet geschikt voor plantaardige materialen die zijn gemodificeerd door chemische processen. Lignosulfonaat wordt bijvoorbeeld veel gebruikt als een HFA-overspelig middel. Lignosulfonaat is een bijproduct van het sulfietpulpproces. Daarom is dit materiaal niet geproduceerd door het proces van humificatie. Daarnaast zijn er veel stoffen die binden aan de DAX-8 hars. DAX-8-hars is bijvoorbeeld gebruikt om pesticiden uit oplossing te adsorberen15. Het is duidelijk dat pesticiden geen HS zijn. Het binden van een materiaal aan DAX-8-hars rechtvaardigt dus niet de bewering dat het een HFA is. De vereisten zijn zowel productie door humificatie als binding aan DAX-8-hars.
Naarmate er meer wordt geleerd over de bijdrage van de verschillende componenten van GS in verschillende toepassingen, kan het voordelig worden om GS verder te fractioneren en zo de methode dienovereenkomstig aan te passen. Zoals die bestaat, kwantificeert de methode de HYFA niet. Deze fractie kan echter ook actief zijn, bijvoorbeeld in de biostimulatie van planten, waarbij de hele FF over het algemeen wordt toegepast in landbouwbehandelingen in plaats van gezuiverde HFA.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag de Humic Products Trade Association (HPTA) bedanken voor hun steun bij het financieren van het werk dat resulteerde in de standaardisatie van de methoden die in dit artikel worden beschreven en ook Lawrence Mayhew en Drs. Dan Olk en Paul Bloom voor technische ondersteuning tijdens het standaardisatiewerk.
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. |
Referencias
- 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).
