Количественная оценка гуминовых и фульвокислот в гуматных рудах, DOC, гумифицированных материалах и товарных продуктах, содержащих гуминовые вещества
Summary
Этот метод обеспечивает гравиметрическую количественную оценку гуминовых веществ (например, гуминовой и фульвокислоты) на беззольной основе в сухих и жидких материалах из мягких углей (т.е. окисленных и неокисленных бурых и суббитуминозных углей), гуматных рудах и сланцах, торфах, компостах и коммерческих удобрениях и почвенных добавках.
Abstract
Целью данного способа является обеспечение точной и точной концентрации гуминовых (ГК) и/или фульвокислот (ФА) в мягких углях, гуминовых рудах и сланцах, торфах, компостах и гуминовых веществах, содержащих товарные продукты. Способ основан на щелочной экстракции исследуемых материалов с использованием 0,1 Н NaOH в качестве экстрагента и отделении щелочнорастворимых гуминовых веществ (HS) от нерастворимых продуктов методом центрифугирования. PH центрифугированного щелочного экстракта затем корректируют до pH 1 с conc. HCl, что приводит к осаждению ГК. Осажденные ГК отделяют от фульвовой фракции (FF) (фракции HS, которая остается в растворе) центрифугированием. Затем ГК сушат в духовке или лиофилизируют, и определяется зольность высушенной ГК. Массу чистой (т.е. беззольной) ГК затем делят на массу образца и получаемую фракцию умножают на 100, чтобы определить % ГК в образце. Для определения содержания ФА FF загружается на гидрофобную смолу DAX-8, которая адсорбирует фракцию FA, также называемую гидрофобной фульвовой кислотой (HFA). Оставшаяся фракция нефульсвокислоты, также называемая гидрофильной фульвовой фракцией (HyFF), затем удаляется путем промывки смолы деионизированным H2O до тех пор, пока весь неабсорбированный материал не будет полностью удален. Затем FA десорбируется с помощью 0,1 N NaOH. Полученный Na-фульват затем протонируют, пропуская его над сильной H+-обменной смолой. Полученный ФА представляет собой высушенную в печи или лиофилизированную форму, определяемую зольность и рассчитанную концентрацию в образце, как описано выше для ГК.
Introduction
Гуминовые вещества (HS) представляют собой динамические остатки, которые образуются в результате микробного разложения и трансформации мертвых растительных тканей1,2,3, дополненных микробными побочными продуктами и биомассой3,4,5 посредством процесса, который называется гумификацией6. HS присутствуют в почвах, природных водах, озерных отложениях, торфах, мягких углях и гуминовых сланцах и составляют, по оценкам, 25% от общего органического углерода на Земле7. Эти вещества представляют собой сложные смеси тысяч уникальных молекул, которые фракционируются на три основные фракции на основе их различной растворимости в сильно основных и кислотных водных растворах. Этими фракциями являются гуминовые кислоты (ГА), которые составляют щелочерастворимую, но нерастворимую в кислотах фракцию; фульвокислоты (ФА), фракции, растворимые как в щелочах, так и в кислотах; и гуминовая фракция, которая нерастворима при всех значениях рН6,8. Фульвовая фракция (FF) далее подразделяется на гидрофобные FA (HFA) и гидрофильные (HyFA) фракции. Эти фракции определяются как часть FF, которая связывается с гидрофобной смолой DAX-8 (HFA) и часть, которая не связывается со смолой (HyFA).
HS все чаще используются в сельском хозяйстве, где они широко используются в качестве биостимуляторов сельскохозяйственных культур, в животноводстве, в частности в качестве кормовой добавки для скота, в горнодобывающей промышленности в буровых растворах и восстановлении окружающей среды в качестве электронных челноков. Исследования в области использования HS в медицинских приложениях человека также увеличиваются.
Существует множество методов количественного определения ГК и ФА. Однако большинство из этих методов не являются ни точными, ни точными. Например, двумя наиболее широко используемыми методами определения ГК в США являются колориметрический метод9 и метод Калифорнийского департамента продовольствия и сельского хозяйства (CDFA), оба из которых, как было показано, переоценивают количество ГК в диапазоне руды и извлекают источники из западной части США и Канады10. Колориметрический или спектрофотометрический метод является неточным, поскольку он опирается на поглощение щелочных экстрактов, которые включают, в дополнение к ГК, FA и другие хромофоры, которые все поглощают на используемой длине волны, и стандарт не является репрезентативным для тестируемых материалов10. Метод CDFA не является точным, поскольку он не обеспечивает концентрации ГК на беззольной основе. Поскольку разные руды имеют разное количество золы, часть которой переносится с экстракцией, а сам процесс экстракции добавляет золу, этот метод не дает точного значения для концентраций ГК10. В ответ на потребность в точном и точном методе в 2014 году была опубликована стандартизированная гравиметрическая процедура, основанная на той, которая подробно описана 11, для решения количественной оценки как ГК, так и ФА на беззольной основе12. Этот метод был затем адаптирован с незначительными изменениями Международной организацией по стандартизации (ISO) в 2018 году в разделе «Удобрения и почвенные кондиционеры» как «Определение концентраций гуминовых и гидрофобных фульвокислот в материалах удобрений»13.
В этой статье излагается протокол экстракции и количественного определения гуминовых и гидрофобных фульвокислот и дается подробная информация о точности и точности данных, полученных в результате метода.
Protocol
Representative Results
Discussion
Начальные этапы извлечения и выделения ГК в этом методе относительно просты. Поскольку изоляция HFA включает в себя колоночную хроматографию, получение повторяемых результатов происходит при строгом соблюдении деталей каждого шага и практики. В частности, первостепенное значение имеет правильное приготовление смол. Крайне важно, чтобы полиметилметакрилатная смола DAX-8 была правильно подготовлена и упакована. Правильная упаковка смолы влияет как на выход, так и на качество ГФА. Если ченнелинг существует, то ни предварительная обработка (т.е. подкисление), ни адсорбция ГФА не будут полными, и разделение приведет к неточным результатам. Если перед загрузкой образца наблюдаются каналы или пробелы в смоле, колонну следует удалить и встряхнуть, чтобы перераспределить шарики смолы, позволив им оседать без каналов, а затем повторно упаковать путем перекачки чистого DI H2O через смолу. Кроме того, как указано в протоколе, поддержание объема жидкости над смолой при загрузке FF на смолу позволит FF смешиваться перед входом в смолу и приведет к более эффективной адсорбции. Для сильной катионной H+-обменной смолы (Таблица материалов) полная регенерация не может быть поспешной. Обмен Na+/H+ требует времени, и поэтому это лучше всего делать при объемной обработке, чтобы смолу можно было смешивать при повторном подкислении. Смешивание смолы во время промывки с DI H2O помогает удалить избыток HCl. При подъеме подкисленной смолы для удаления избытка кислоты смешивание смолы помогает удалить HCl. Крайне важно удалить кислоту до такой степени, что будет достигнута электропроводность ≤ 0,7 мкСм/см. Если нет, HCl будет перенесен вместе с HFA.
Наконец, при десорбции ГФА из смолы DAX-8, как только поглощение инфлюента сравняется с поглощением сточных вод, рекомендуется оставить колонку на пару часов, чтобы посмотреть, будет ли выпущен какой-либо дополнительный ГФА. Если это так, это будет рассматриваться как пожелтение жидкости над смолой. Если это происходит, дополнительный ГФА может быть удален путем продолжения десорбции до тех пор, пока поглощения притока/сточных вод снова не будут равны.
Одним из недостатков изоляции HFA является то, что весь процесс занимает много времени. Полная десорбция HFA из смолы DAX-8 и полное удаление из H+-обменной смолы приводят к значительному объему HFA, который должен быть уменьшен путем ротационного испарения. Это, безусловно, узкое место в анализе. В попытке сократить это время было предложено десорбировать HFA из смолы DAX-8 с использованием ацетона, а не 0,1 M NaOH14. Авторы утверждали, что при использовании 50% ацетона в качестве десорбента вместо NaOH был получен аналогичный результат HFA, и DAX-8 был адекватно регенерирован и, таким образом, стадия H+-обмена может быть устранена. Эта модификация привела к значительному сокращению времени анализа в результате уменьшения объема производства и более быстрого ротационного испарения ацетона по сравнению с водой. Данная модификация заслуживает дальнейшего изучения.
Этот метод ограничивается анализом органического вещества, подвергшегося процессу гумификации, а в случае торфа и мягких углей — дальнейшими процессами торфяного промысла и как торфяника, так и углефикации соответственно. Гумификация — это процесс, при котором мертвый, в первую очередь растительный материал, разлагается последовательностью микробов, которые потребляют и модифицируют все более непокорные субстраты. Абиотические процессы также участвуют в реакциях разложения и ресинтеза. Гумификация в конечном итоге приводит к производству относительно непокорных материалов, содержащих гетерогенные смеси тысяч молекул, которые образуют диапазон молекулярной массы и содержания углерода, кислорода и водорода, которые образуют HS. ТН ВЭД дополнительно модифицируются торфяной и угольной промышленностью. Поэтому этот метод не подходит для растительных материалов, которые были модифицированы химическими процессами. Например, лигносульфонат широко используется в качестве фальсификатора HFA. Лигносульфонат является побочным продуктом процесса сульфитной варки целлюлозы. Поэтому этот материал не был получен в процессе гумификации. Кроме того, существует множество веществ, которые связываются со смолой DAX-8. Например, смола DAX-8 использовалась для адсорбции пестицидов из раствора15. Очевидно, что пестициды не являются ТН ВЭД. Таким образом, связывание материала со смолой DAX-8 не оправдывает утверждения о том, что он является ГФА. Обязательными условиями являются как производство путем гумификации, так и связывание со смолой DAX-8.
По мере того, как все больше узнают о вкладе различных компонентов HS в различных приложениях, может стать выгодным дальнейшее фракционирование HS и, таким образом, соответствующее изменение метода. В том виде, в котором он существует, метод не дает количественной оценки HYFA. Однако эта фракция может также обладать активностью, например, при биостимуляции растений, где весь FF обычно применяется в сельскохозяйственных обработках, а не очищенный HFA.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Ассоциацию торговли гуминовыми продуктами (HPTA) за их поддержку в финансировании работы, которая привела к стандартизации методов, описанных в этой статье, а также Лоуренса Мэйхью и докторов Дэна Олка и Пола Блума за техническую поддержку во время работы по стандартизации.
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. |
References
- 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).
