Quantifizierung von Humin- und Fulvosäuren in Humatarzen, DOC, humifizierten Materialien und huminstoffhaltigen Handelsprodukten
Summary
Diese Methode ermöglicht eine gravimetrische Quantifizierung von Huminstoffen (z. B. Humin- und Fulvosäuren) auf aschefreier Basis in trockenen und flüssigen Materialien aus Weichkohlen (d. h. oxidierter und nicht oxidierter Braunkohle und subbituminöser Kohle), humaten Erzen und Schiefern, Peats, Komposten und handelsüblichen Düngemitteln und Bodenverbesserungen.
Abstract
Der Zweck dieser Methode besteht darin, eine genaue und präzise Konzentration von Huminsäure (HA) und/oder Fulvosäuren (FA) in Weichkohlen, Huminerzen und Schiefern, Torf, Komposten und huminhaltigen Handelsprodukten zu gewährleisten. Das Verfahren basiert auf der alkalischen Extraktion von Testmaterialien unter Verwendung von 0,1 N NaOH als Extraktionsmittel und der Trennung der alkalischen löslichen Huminstoffe (HS) aus unlöslichen Produkten durch Zentrifugation. Der pH-Wert des zentrifugierten alkalischen Extrakts wird dann auf pH 1 mit konz. HCl eingestellt, was zu einer Ausfällung des HA führt. Die ausgefällten HA werden durch Zentrifugation von der Fulvinfraktion (FF) (der in Lösung verbleibenden HS-Fraktion) getrennt. Der HA wird dann im Ofen oder gefriergetrocknet und der Aschegehalt des getrockneten HA bestimmt. Das Gewicht des reinen (d. h. aschefreien) HA wird dann durch das Gewicht der Probe dividiert und der resultierende Anteil mit 100 multipliziert, um den % HA in der Probe zu bestimmen. Zur Bestimmung des FA-Gehalts wird das FF auf ein hydrophobes DAX-8-Harz geladen, das die FA-Fraktion adsorbiert, die auch als hydrophobe Fulvosäure (HFA) bezeichnet wird. Die verbleibende nicht-fulvosäurefraktion, auch hydrophile Fulvofraktion (HyFF) genannt, wird dann durch Waschen des Harzes mit deionisiertem H2O entfernt, bis das gesamte nicht absorbierte Material vollständig entfernt ist. Der FA wird dann mit 0,1 N NaOH desorbiert. Das resultierende Na-Fulvat wird dann protoniert, indem es über ein starkes H +-Austauscherharz geleitet wird. Das resultierende FA ist ofen- oder gefriergetrocknet, der Aschegehalt bestimmt und die Konzentration in der Probe wie oben für HA beschrieben berechnet.
Introduction
Huminstoffe (HS) sind dynamische Rückstände, die bei der mikrobiellen Zersetzung und Umwandlung abgestorbener Pflanzengewebe1,2,3 entstehen, angereichert mit mikrobiellen Nebenprodukten und Biomasse3,4,5 durch einen Prozess, der als Humifizierung bezeichnet wird6. HS sind in Böden, natürlichen Gewässern, Seesedimenten, Torf, Weichkohlen und Humikafern vorhanden und machen schätzungsweise 25% des gesamten organischen Kohlenstoffs auf der Erde aus7. Diese Substanzen sind komplexe Mischungen aus Tausenden von einzigartigen Molekülen, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Löslichkeiten in stark basischen und sauren wässrigen Lösungen in drei Hauptfraktionen fraktioniert sind. Bei diesen Fraktionen handelt es sich um Huminsäuren (HAs), die die alkalilösliche, aber säureunlösliche Fraktion umfassen; Fulvosäuren (FAs), die Fraktion, die sowohl in Alkali als auch in Säure löslich ist; und die Huminfraktion, die bei allen pH-Werten unlöslich ist6,8. Die Fulvinfraktion (FF) wird weiter unterteilt in die hydrophoben FA (HFA) und hydrophilen (HyFA) Fraktionen. Diese Fraktionen sind definiert als der Teil des FF, der an ein hydrophobes DAX-8-Harz (HFA) bindet, und der Teil, der nicht an das Harz bindet (HyFA).
HS werden zunehmend in der Landwirtschaft eingesetzt, wo sie als Pflanzenbiostimulanzien weit verbreitet sind, in der Tierhaltung, insbesondere als Futtermittelzusatzstoff, im Bergbau in Bohrschlämmen und in der Umweltsanierung als Elektronen-Shuttles. Auch die Forschung zum Einsatz von HS in humanmedizinischen Anwendungen nimmt zu.
Es gibt viele Methoden zur Quantifizierung von HA und FA. Die meisten dieser Methoden sind jedoch weder genau noch präzise. Beispielsweise sind die beiden am weitesten verbreiteten Methoden zur Bestimmung von HA in den USA die kolorimetrische Methode9 und die Methode des California Department of Food and Agriculture (CDFA), von denen beide gezeigt wurden, dass sie die Menge an HA in einer Reihe von Erz- und Extraktquellen aus den westlichen USA und Kanada überschätzen10. Die kolorimetrische oder spektralphotometrische Methode ist ungenau, da sie auf der Absorption alkalischer Extrakte beruht, die neben HA auch FA und andere Chromophore enthalten, die alle bei der verwendeten Wellenlänge absorbieren und der Standard nicht repräsentativ für die zu testenden Materialien ist10. Die CDFA-Methode ist nicht genau, da sie keine HA-Konzentrationen auf aschefreier Basis liefert. Da verschiedene Erze unterschiedliche Mengen an Asche aufweisen, von denen einige mit der Extraktion transportiert werden und der Extraktionsprozess selbst Asche hinzufügt, liefert diese Methode keinen genauen Wert für HA-Konzentrationen10. Als Reaktion auf den Bedarf an einer genauen und präzisen Methode wurde 2014 ein standardisiertes gravimetrisches Verfahren veröffentlicht, das auf dem von 11 beschriebenen Verfahren basiert, um die Quantifizierung von HA und FA auf aschefreier Basis zu adressieren12. Diese Methode wurde dann mit geringfügigen Modifikationen von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) im Jahr 2018 unter Düngemitteln und Bodenverbesserern als “Bestimmung der Humin- und hydrophoben Fulvosäurekonzentrationen in Düngemittelmaterialien”13 angepasst.
Dieses Papier skizziert das Protokoll für die Extraktion und Quantifizierung von Huminsäuren und hydrophoben Fulvosäuren und gibt Details über die Genauigkeit und Präzision der aus der Methode erzeugten Daten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die ersten Schritte der Extraktion und Isolierung des HA bei dieser Methode sind relativ einfach. Da die Isolierung des HFA eine Säulenchromatographie beinhaltet, ist die Erzielung wiederholbarer Ergebnisse mit der strikten Einhaltung der Details jedes Schritts und jeder Praxis verbunden. Insbesondere die richtige Aufbereitung der Harze ist von primärer Bedeutung. Es ist äußerst wichtig, dass das Polymethylmethacrylat DAX-8-Harz ordnungsgemäß vorbereitet und verpackt wird. Die korrekte Verpackung des Harzes wirkt sich sowohl auf die Ausbeute als auch auf die Qualität des HFA aus. Wenn eine Kanalisierung vorhanden ist, sind weder die Vorbehandlung (d. h. die Ansäuerung) noch die Adsorption von HFA abgeschlossen, und die Trennung führt zu ungenauen Ergebnissen. Wenn vor dem Laden der Probe Kanäle oder Zwischenräume im Harz beobachtet werden, sollte die Säule entfernt und geschüttelt werden, um die Harzperlen neu zu verteilen, indem sie sich ohne Kanäle absetzen können, und dann durch Pumpen von sauberem DI H2O durch das Harz neu verpackt werden. Darüber hinaus, wie im Protokoll erwähnt, ermöglicht die Aufrechterhaltung eines Flüssigkeitsvolumens über dem Harz beim Laden des FF auf das Harz, dass sich das FF vor dem Eintritt in das Harz vermischt und zu einer effektiveren Adsorption führt. Für das starke Kationen-H+-Austauscherharz (Materialtabelle) kann eine vollständige Regeneration nicht überstürzt werden. Der Na+/H+ -Austausch braucht Zeit und daher geschieht dies am besten in einer Bulk-Behandlung, so dass das Harz gemischt werden kann, während es wieder angesäuert wird. Das Mischen des Harzes während des Spülens mit DI H2O hilft, das überschüssige HCl zu entfernen. Beim Aufsteigen des angesäuerten Harzes, um überschüssige Säure zu entfernen, hilft das Mischen des Harzes, das HCl zu entfernen. Es ist äußerst wichtig, die Säure bis zu dem Punkt zu entfernen, an dem eine elektrische Leitfähigkeit von ≤ 0,7 μS/cm erreicht wird. Wenn nicht, wird die HCl mit der HFA übertragen.
Schließlich ist es bei der Desorption des HFA aus dem DAX-8-Harz, sobald die Absorption des Zuflusses der Absorption des Abwassers entspricht, eine gute Praxis, die Säule für ein paar Stunden sitzen zu lassen, um zu sehen, ob zusätzliches HFA freigesetzt wird. Wenn ja, wird es als eine Gelbfärbung der Flüssigkeit über dem Harz gesehen. In diesem Fall kann das zusätzliche HFA durch fortgesetzte Desorption entfernt werden, bis die Zufluss-/Abwasserabsorptionsgrade wieder gleich sind.
Einer der Nachteile der HFA-Isolierung besteht darin, dass der gesamte Prozess zeitaufwändig ist. Die vollständige Desorption von HFA aus dem DAX-8-Harz und die vollständige Entfernung aus dem H+-Austauscherharz führen zu einem erheblichen Volumen an HFA, das durch Rotationsverdampfung reduziert werden muss. Dies ist definitiv ein Engpass in der Analyse. Um diese Zeit zu verkürzen, wurde vorgeschlagen, das HFA aus dem DAX-8-Harz mit Aceton anstelle von 0,1 M NaOH zu desorbieren14. Die Autoren behaupteten, dass durch die Verwendung von 50% Aceton als Desorbens anstelle von NaOH ein ähnliches HFA-Ergebnis erzielt wurde und der DAX-8 ausreichend regeneriert wurde und somit der H +-Austauschschritt eliminiert werden konnte. Diese Modifikation führte zu einer stark verkürzten Analysezeit aufgrund des verringerten produzierten Volumens und der schnelleren Rotationsverdampfung von Aceton im Vergleich zu Wasser. Diese Modifikation verdient weitere Untersuchungen.
Diese Methode beschränkt sich auf die Analyse von organischem Material, das den Humifizierungsprozess durchlaufen hat, und für den Fall von Torf und Weichkohle die weiteren Prozesse der Torfifikation bzw. sowohl der Torf- als auch der Koalifikation. Humifizierung ist der Prozess, bei dem totes, hauptsächlich pflanzliches Material, durch eine Abfolge von Mikroben zersetzt wird, die zunehmend widerspenstige Substrate verbrauchen und modifizieren. Abiotische Prozesse sind auch an Zersetzungs- und Resynthesereaktionen beteiligt. Humifizierung führt letztendlich zur Herstellung von relativ widerspenstigen Materialien, die heterogene Mischungen aus Tausenden von Molekülen umfassen, die eine Reihe von Molekulargewichten und Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffgehalten bilden, die HS bilden. HS werden durch Torf- und Koalifikation weiter modifiziert. Daher ist diese Methode nicht für pflanzliche Materialien geeignet, die durch chemische Prozesse verändert wurden. Zum Beispiel wird Lignosulfonat häufig als HFA-Verfälschungsmittel verwendet. Lignosulfonat ist ein Nebenprodukt des Sulfitaufschlussprozesses. Daher wurde dieses Material nicht durch den Prozess der Humifizierung produziert. Darüber hinaus gibt es viele Substanzen, die an das DAX-8-Harz binden. Zum Beispiel wurde DAX-8-Harz verwendet, um Pestizide aus Lösung zu adsorbieren15. Offensichtlich sind Pestizide kein HS. Daher rechtfertigt die Bindung eines Materials an DAX-8-Harz nicht die Behauptung, dass es sich um ein HFA handelt. Voraussetzungen sind sowohl die Herstellung durch Humifizierung als auch die Bindung an DAX-8-Harz.
Wenn mehr über den Beitrag der verschiedenen Komponenten von HS in verschiedenen Anwendungen erfahren wird, kann es vorteilhaft werden, HS weiter zu fraktionieren und damit das Verfahren entsprechend zu modifizieren. So wie es existiert, quantifiziert die Methode die HYFA nicht. Diese Fraktion könnte jedoch auch eine Aktivität haben, z. B. bei der Pflanzenbiostimulation, bei der das gesamte FF im Allgemeinen in landwirtschaftlichen Behandlungen und nicht in gereinigtem HFA angewendet wird.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken der Humic Products Trade Association (HPTA) für ihre Unterstützung bei der Finanzierung der Arbeit, die zur Standardisierung der in diesem Papier beschriebenen Methoden führte, sowie Lawrence Mayhew und Drs. Dan Olk und Paul Bloom für die technische Unterstützung während der Standardisierungsarbeit.
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. |
Referências
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