Summary

Spektral Subtractions ile toprak organik madde karakterizasyonu kızılötesi spektroskopi iyileştirilmesi

Published: January 10, 2019
doi:

Summary

SOM pek çok toprak işlevler ve işlemleri altında yatan ancak onun karakterizasyonu FTIR spektroskopisi tarafından genellikle mineral etkileşimler tarafından reddedilmiştir. Açıklanan yöntemi SOM analiz yardımcı programını kullanarak toprak spectra içinde mineral etkileşimler ampirik olarak elde edilen mineral başvuru spectra çıkararak FTIR spektroskopisi tarafından artırabilirsiniz.

Abstract

Toprağın organik madde (SOM) altında yatan çok sayıda toprak süreçleri ve fonksiyonlar. Fourier transform Infrared (FTIR) spektroskopisi topraklar organik bileşen teşkil kızılötesi-aktif organik bağları algılar. Ancak, toprak (yaygın olarak < %5 oranında kitle) nispeten düşük organik madde içeriği ve mineral ve organik fonksiyonel gruplar (4.000-400 cm-1) orta-kızılötesi (MIR) bölgesinde absorbans çakışma tarafından baskın önemli girişim doğurur mineral absorbances, zor ya da bile spectra SOM karakterizasyonu için yorumlanması engelliyor. Spektral subtractions, spectra, post-hoc matematik tedavisinde mineral girişim küçültmek ve spektral bölgelerin matematiksel olarak mineral absorbances kaldırarak organik fonksiyonel gruplar için karşılık gelen çözünürlük geliştirmek. Bu ampirik olarak verilen toprak örneği için som kaldırarak elde edilebilir bir mineral zenginleştirilmiş başvuru spektrum gerektirir Mineral zenginleştirilmiş başvuru spektrum SOM absorbances temsil eden bir spektrum üretmek için toprak örneği özgün (işlenmemiş) spektrum çıkarılır. Ortak SOM kaldırma yöntemleri yüksek sıcaklık yanma (‘yakma’) ve kimyasal oksidasyon içerir. SOM kaldırma yönteminin seçimi taşıyan iki konuları: (1) SOM miktarını kaldırıldı ve mineral (2) absorbans aktarımında referans spektrum ve böylece sonuç çıkarma spektrum. Bu olası sorunları ve olmalı tespit ve spectra som organik fonksiyonel grubu bileşimi için safsata ya da önyargılı yorumlarını önlemek için sayısal SOM Temizleme elde edilen mineral zenginleştirilmiş örnek bir mineral başvuru spektrum toplamak için kullanılır. Subtractions bağlı olarak deneysel hedefleri ve örnek özellikleri, en önemlisi çıkarma faktör tayini gerçekleştirmek için çeşitli stratejiler vardır. Sonuç çıkarma spektrum dikkatli yorumu söz konusu Yöntembilimi’ne dayalı gerektirir. Pek çok toprak ve önemli mineral bileşenleri içeren çevre diğer örnekler için subtractions organik madde kompozisyon FTIR spektroskopik karakterizasyonu geliştirmek için güçlü potansiyeline sahiptir.

Introduction

Toprağın organik madde (SOM) çoğu toprak örnekleri kütle tarafından küçük bir kurucu olduğunu ama birden fazla özelliklerinde karıştığı ve temel alınan toprak işlevler, besin bisiklet ve karbon tutma1gibi işler. SOM bileşimi karakterize SOM oluşumu ve ciro toprak işlevleri2,3, rolleri ile bağlamak için birkaç yaklaşım biridir. SOM kompozisyon karakterize bir toprak ve diğer çevresel örnekleri (Örneğin, karboksil C-O, alifatik C-H) organik madde teşkil fonksiyonel grupların tespiti sunan Fourier transform Infrared (FTIR) spektroskopisi, yöntemidir 4. ancak, FTIR spektroskopisi SOM fonksiyonel grup kompozisyon ifşa için yeni topraklar çoğunluğu için baskın mineral bileşeni tarafından meydan (genellikle > %95 kitle) meydan güçlü inorganik absorbances nedeniyle veya ciddi bir şekilde algılama ve organik absorbances yorumunun sınırı.

Spektral subtractions toprak örnekleri organik madde FTIR spektroskopik karakterizasyonu geliştirmek için bir yol sunar. Toprak spektrum üzerinden mineral absorbances çıkarılarak absorbances organik fonksiyonel grupların ilgi SOM kompozisyon analizi geliştirmek için kullanılabilir

(Şekil 1).

Standart FTIR spektroskopisi (yani, toprak spectra) üzerinden spektral subtractions avantajları şunlardır:

(i) geliştirilmiş çözünürlük ve normal toprak spectra göre organik absorbans bantları yorumlanması. Organik fonksiyonel grupların farklılıkları nedeniyle absorbans göreceli farklılıklar olduğu varsayımıyla organik toprak spectra bantlarında yorumlanması tarafından yapılabilir rağmen bu karşılaştırmalar örnekleri ile aynı mineraloji ve nispeten yüksek SOM sınırlar içerik ve nispeten maden-Alerjik olmak organik bantlarında, hatta bu kabul değişikliklere daha az duyarlı olabilir (Örneğin alifatik C-H stretch)5

(ii) yüksek SOM örnekleri veya organik madde zenginleştirilmiş özleri veya kesir ötesinde toprak Analizi

(iii) alanına mesocosm üzerinden deneysel tedaviler tarafından indüklenen değişiklikleri vurgulama6 ölçekler

SOM FTIR Analizi spektral subtractions ek uygulamalar arasında yapısal ve Moleküler Karakterizasyonu (Örneğin, NMR spektroskopisi, kütle spektrometresi)5,7, tamamlayıcı belirlenmesi bir ayıklama veya yıkıcı ayırma8ve adli amaçlı9Parmakizi SOM kompozisyon tarafından kaldırıldı SOM bileşimi. Bu yöntem çok çeşitli toprak, tortu10, turba11ve kömür12,13gibi ötesinde Organik mineral karışımlar için geçerlidir.

SOM FTIR spektroskopik karakterizasyonu geliştirmek için spektral subtractions potansiyelini mineral başvuru spectra elde etmek için organik madde kaldırma örnekleri kullanarak gösterilmiştir ve sonra bu maden kullanarak başvurusu spectra, performans ve ideal ve ideal olmayan spektral subtractions değerlendirilmesi. Bu gösteri kızılötesi Fourier dönüşümü (DRIFT) spectra bu toprak örnekleri4analizi için yaygın bir yaklaşım olarak (MIR, 4.000-400 cm-1), orta-kızılötesi bölgede toplanan dağınık yansıma üzerinde duruluyor.

Bir maden zenginleştirilmiş başvuru spektrum elde etmek için SOM kaldırma iki örnek yöntemleri (i) yüksek sıcaklık yanma (‘yakma’) ve (ii) kimyasal oksidasyon, seyreltik sodyum hipoklorit (NaOCl) kullanarak vardır. Bu unutulmamalıdır ki bunlar kuralcı önerileri yerine yaygın istihdam SOM çıkarma yöntemleri örnekleri vardır. SOM kaldırma diğer yöntemleri azaltılmış mineral eserler sunabilir ve/veya gelişmiş kaldırma oranları (Örneğin, düşük sıcaklık renkte)14. Yüksek sıcaklık renkte olduğunu subtractions, başlangıçta OM zenginleştirilmiş örnekleri için performans (Örneğin, çözünmüş organik madde, çöp) toprak türetilmiş için mineral zenginleştirilmiş başvuru spectra elde etmek için kullanılan ilk yöntemlerden birini15, toprak toplu olarak uygulama tarafından takip 16 örnekleri17,18. SOM kaldırmak için kullanılan örnek kimyasal oksidasyon Anderson19tarafından açıklanan NaOCl oksidasyon yöntemini temel alır. Bu was orijinal gelişmiş-x-ışını kırınım (XRD) analiz önce toprak örnekleri içinde organik madde kaldırmak için bir ön olarak ve olası kimyasal ayırma SOM sabitleme20‘ ye, duyarlı olarak araştırıldı 21. hem yüksek sıcaklık kaldırma ve kimyasal oksidasyon NaOCl kullanarak toprak özgü eserler yol açmak ve SOM kaldırma14, bir yöntem seçerken dikkat edilmesi gerekenlerin spektral yorumu üzerinde kısıtlamalar bulunmaktadır 22.

Protocol

1. Sigara tedavi DRIFT spektroskopisi ve SOM kaldırma için toprak hazırlama < 2 mm paslanmaz çelik kafes ('fine-dünya kesir') kullanarak toprağa elek.Not: Benzer doku ama toplam SOM içeriği (Tablo 1) yaklaşık 3 kat bir fark iki topraklar bu gösteri istihdam etmektedir. 2. SOM kaldırma kimyasal oksidasyon tarafından: NaOCl örneği % 6 w/v NaOCl pH 9,5 için pH 1 M HCl dropwise çözümü süre karıştırma ve pH metre ile ölçme ekl…

Representative Results

SOM kaldırma yöntemi yanı sıra teorik pratik çıkarma spectra yorumlayabilmek etkiler. Örneğin, yüksek sıcaklık pilin değişiklikler, kayıp ya da görünüş doruklarına ve/veya olarak olarak meydana gelen Maden değiştirdi veya mineral başvuru spektrum Peaks’e genişletti. Bu spektral eserler 1 600-900 cm-1, organik grup yorumu ödün22 , organik gruplarla örtüşme bölgelerde gerçekleşecek şekilde yatkındır. Genel değişiklikler …

Discussion

SOM kaldırma yöntemi iki konuları taşır: 1) SOM miktarını kaldırıldı ve elde edilen mineral aktarımında 2) absorbans başvuru spektrum. Neyse ki mümkündür — ve tartışmalı gerekli — tanımlamak için ve miktar bunlar sorunları SOM kompozisyon sonuç çıkarma spektrum üzerinden önyargılı Yorumları önlemek için. İdeal olarak, spektral subtractions ‘saf’ som bir spektrum vermeye salt mineral başvuru spektrum almazdı Gerçekte, sonuç çıkarma spektrum Gelişmiş orijinal (işlenmem…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dr. Randy Southard rehberliğinde NaOCl oksidasyon ve spektral subtractions Dr Fungai F.N.D. Mukome ile çeşitli tartışmalar için teşekkür ederiz.

Materials

Nicolet iS50 spectrometer Thermo Fisher Scientific 912A0760 infrared spectrometer used to collect spectra
EasiDiff Pike Technologies 042-1040 high throughput sample holder
OMNIC Thermo Fisher Scientific INQSOF018 software used to perform subtractions
6% v/v sodium hypochlorite Clorox n/a generic store-bought bleach for oxidative removal of soil organic matter
Type 47900 Furnace VWR International 30609-748 muffle furnace for ashing soils to removal soil organic matter
VWR Gooch Crucibles, Porcelain  VWR International 89038-038 crucibles for ashing
VWR Tube 50 mL Sterile CS500  VWR International 89004-364 for sodium hypochlorite
Forced air oven VWR International 89511-414 for drying soils after oxidation and water washes
VersaStar pH meter Fisher Scientific 13 645 573 for measuring pH of oxidation solution

References

  1. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
  2. Masoom, H., et al. Soil Organic Matter in Its Native State: Unravelling the Most Complex Biomaterial on Earth. Environmental Science & Technology. 50 (4), 1670-1680 (2016).
  3. 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).
  4. Parikh, S. J., Goyne, K. W., Margenot, A. J., Mukome, F. N. D., Calderón, F. J. . Advances in Agronomy. 126, 1-148 (2014).
  5. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Magrini, K. A., Evans, R. J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to Characterize the Effects of Soil Science Oxidation Assays on Soil Organic Matter Composition in a Mollic Xerofluvent. Applied Spectroscopy. 71 (7), 1506-1518 (2017).
  6. Calderón, F. J., Benjamin, J., Vigil, M. F. A Comparison of Corn (Zea mays L.) Residue and Its Biochar on Soil C and Plant Growth. PLoS ONE. 10 (4), e0121006 (2015).
  7. Veum, K., Goyne, K., Kremer, R., Miles, R., Sudduth, K. Biological indicators of soil quality and soil organic matter characteristics in an agricultural management continuum. Biogeochemistry. 117 (1), 81-99 (2014).
  8. Cheshire, M. V., Dumat, C., Fraser, A. R., Hillier, S., Staunton, S. The interaction between soil organic matter and soil clay minerals by selective removal and controlled addition of organic matter. European Journal of Soil Science. 51 (3), 497-509 (2000).
  9. Cox, R., Peterson, H., Young, J., Cusik, C., Espinoza, E. The forensic analysis of soil organic by FTIR. Forensic science international. 108 (2), 107-116 (2000).
  10. Padilla, J. E., et al. Diffuse-reflectance mid-infrared spectroscopy reveals chemical differences in soil organic matter carried in different size wind eroded sediments. Aeolian Research. 15, 193-201 (2014).
  11. Artz, R. R. E., et al. FTIR spectroscopy can be used as a screening tool for organic matter quality in regenerating cutover peatlands. Soil Biology and Biochemistry. 40 (2), 515-527 (2008).
  12. Painter, P. C., Coleman, M. M., Jenkins, R. G., Walker, P. L. Fourier transform infrared study of acid-demineralized coal. Fuel. 57 (2), 125-126 (1978).
  13. Painter, P. C., Snyder, R. W., Pearson, D. E., Kwong, J. Fourier transform infrared study of the variation in the oxidation of a coking coal. Fuel. 59 (5), 282-286 (1980).
  14. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Parikh, S. J. Limitations and Potential of Spectral Subtractions in Fourier-Transform Infrared Spectroscopy of Soil Samples. Soil Science Society of America Journal. 80 (1), 10-26 (2015).
  15. Chefetz, B., Hader, Y., Chen, Y. Dissolved Organic Carbon Fractions Formed during Composting of Municipal Solid Waste: Properties and Significance. Acta hydrochimica et hydrobiologica. 26 (3), 172-179 (1998).
  16. Haberhauer, G., Rafferty, B., Strebl, F., Gerzabek, M. H. Comparison of the composition of forest soil litter derived from three different sites at various decompositional stages using FTIR spectroscopy. Geoderma. 83 (3), 331-342 (1998).
  17. Sarkhot, D. V., Comerford, N. B., Jokela, E. J., Reeves, J. B., Harris, W. G. Aggregation and Aggregate Carbon in a Forested Southeastern Coastal Plain Spodosol. Soil Sci. Soc. Am. J. 71 (6), 1779-1787 (2007).
  18. Calderón, F. J., Reeves, J. B., Collins, H. P., Paul, E. A. Chemical Differences in Soil Organic Matter Fractions Determined by Diffuse-Reflectance Mid-Infrared Spectroscopy. Soil Sci Soc. Am. J. 75 (2), 568-579 (2011).
  19. Anderson, J. U. An improved pretreatment for mineralogical analysis of samples containing organic matter. Clays and Clay Minerals. 10 (3), 380-388 (1963).
  20. Zimmermann, M., Leifeld, J., Abiven, S., Schmidt, M. W. I., Fuhrer, J. Sodium hypochlorite separates an older soil organic matter fraction than acid hydrolysis. Geoderma. 139 (1-2), 171-179 (2007).
  21. Aoyama, M. DRIFT spectroscopy combined with sodium hypochlorite oxidation reveals different organic matter characteristics in density-size fractions of organically managed soils. Canadian Journal of Soil Science. , 1-11 (2016).
  22. Reeves, J. B. Mid-infrared spectral interpretation of soils: Is it practical or accurate?. Geoderma. 189, 508-513 (2012).
  23. Cavallaro, N., McBride, M. B. Effect of selective dissolution on charge and surface properties of an acid soil clay. Clays clay miner. 32, 283-290 (1984).
  24. Yeomans, J. C., Bremner, J. M. Carbon and nitrogen analysis of soils by automated combustion techniques. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 22 (9-10), 843-850 (1991).
  25. Harris, D., Horwáth, W. R., van Kessel, C. Acid fumigation of soils to remove carbonates prior to total organic carbon or CARBON-13 isotopic analysis. Soil Science Society of America Journal. 65 (6), 1853-1856 (2001).
  26. Wang, X., Wang, J., Zhang, J. Comparisons of Three Methods for Organic and Inorganic Carbon in Calcareous Soils of Northwestern China. PLOS ONE. 7 (8), e44334 (2012).
  27. Kamau-Rewe, M., et al. Generic Prediction of Soil Organic Carbon in Alfisols Using Diffuse Reflectance Fourier-Transform Mid-Infrared Spectroscopy. Soil Sci. Soc. Am. J. 75 (6), 2358-2360 (2011).
  28. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Bowles, T. M., Parikh, S. J., Jackson, L. E. Soil Organic Matter Functional Group Composition in Relation to Organic Carbon, Nitrogen, and Phosphorus Fractions in Organically Managed Tomato Fields. Soil Science Society of America Journal. 79, 772-782 (2015).
  29. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Evaluation of pre-treatment procedures for improved interpretation of mid infrared spectra of soil organic matter. Geoderma. 304 (Supplement C), 83-92 (2017).
  30. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Organic carbon characteristics in density fractions of soils with contrasting mineralogies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 218 (Supplement C), 215-236 (2017).
  31. Farmer, V. C. Effects of grinding during the preparation of alkali-halide disks on the infra-red spectra of hydroxylic compounds. Spectrochimica Acta. 8 (6), 374-389 (1957).
  32. Reeves, J. B., Smith, D. B. The potential of mid- and near-infrared diffuse reflectance spectroscopy for determining major- and trace-element concentrations in soils from a geochemical survey of North America. Appl Geochem. 24 (8), 1472-1481 (2009).
  33. Guillou, F. L., et al. How does grinding affect the mid-infrared spectra of soil and their multivariate calibrations to texture and organic carbon?. Soil Research. 53 (8), 913-921 (2015).
  34. Stumpe, B., Weihermüller, L., Marschner, B. Sample preparation and selection for qualitative and quantitative analyses of soil organic carbon with mid-infrared reflectance spectroscopy. European Journal of Soil Science. 62 (6), 849-862 (2011).
  35. Barthès, B. G., Brunet, D., Ferrer, H., Chotte, J. -. L., Feller, C. Determination of Total Carbon and Nitrogen Content in a Range of Tropical Soils Using near Infrared Spectroscopy: Influence of Replication and Sample Grinding and Drying. J Near Infrared Spectrosc. 14 (5), 341-348 (2006).
  36. Nduwamungu, C., Ziadi, N., Tremblay, G. F., Parent, L. -. &. #. 2. 0. 1. ;. Near-Infrared Reflectance Spectroscopy Prediction of Soil Properties: Effects of Sample Cups and Preparation. Soil Science Society of America Journal. 73 (6), 1896-1903 (2009).
  37. Nguyen, T., Janik, L. J., Raupach, M. Diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy in soil studies. Soil Research. 29 (1), 49-67 (1991).
  38. Essington, M. E. . Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach. , (2004).
  39. Reeves, J. B., Francis, B. A., Hamilton, S. K. Specular Reflection and Diffuse Reflectance Spectroscopy of Soils. Applied Spectroscopy. 59 (1), 39-46 (2005).
  40. Thermo Scientific. . OMNIC User’s Guide. , (2006).
  41. Frost, R. L., Vassallo, A. M. The dehydroxylation of the kaolinite clay minerals using infrared emission spectroscopy. Clays and Clay Minerals. 44 (5), 635-651 (1996).
  42. Prasad, P. S. R., et al. In situ FTIR study on the dehydration of natural goethite. Journal of Asian Earth Sciences. 27 (4), 503-511 (2006).
  43. Suitch, P. R. Mechanism for the Dehydroxylation of Kaolinite, Dickite, and Nacrite from Room Temperature to 455°C. Journal of the American Ceramic Society. 69 (1), 61-65 (1986).
  44. Ernakovich, J. G., Wallenstein, M. D., Calderón, F. J. Chemical Indicators of Cryoturbation and Microbial Processing throughout an Alaskan Permafrost Soil Depth Profile. Soil Sci. Soc. Am. J. , (2015).
  45. Suarez, M. D., Southard, R. J., Parikh, S. J. Understanding Variations of Soil Mapping Units and Associated Data for Forensic Science. Journal of Forensic Sciences. , (2015).
  46. Kaiser, M., Ellerbrock, R. H., Gerke, H. H. Long-term effects of crop rotation and fertilization on soil organic matter composition. European Journal of Soil Science. 58 (6), 1460-1470 (2007).
  47. Janik, L. J., Merry, R. H., Skjemstad, J. O. Can mid infrared diffuse reflectance analysis replace soil extractions?. Australian Journal of Experimental Agriculture. 38 (7), 681-696 (1998).
  48. Adegoroye, A., Uhlik, P., Omotoso, O., Xu, Z., Masliyah, J. A comprehensive analysis of organic matter removal from clay-sized minerals extracted from oil sands using low temperature ashing and hydrogen peroxide. Energy & Fuels. 23 (7), 3716-3720 (2009).
  49. Mikutta, R., Kleber, M., Jahn, R. Poorly crystalline minerals protect organic carbon in clay subfractions from acid subsoil horizons. Geoderma. 128 (1-2), 106-115 (2005).
  50. Siregar, A., Kleber, M., Mikutta, R., Jahn, R. Sodium hypochlorite oxidation reduces soil organic matter concentrations without affecting inorganic soil constituents. European Journal of Soil Science. 56 (4), 481-490 (2005).
  51. von Lützow, M., et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
  52. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Magrini, K. A., Evans, R. J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to Characterize the Effects of Soil Science Oxidation Assays on Soil Organic Matter Composition in a Mollic Xerofluvent. Applied Spectroscopy. , 0003702817691776 (2017).
  53. Rumpel, C., et al. Alteration of soil organic matter following treatment with hydrofluoric acid (HF). Organic Geochemistry. 37 (11), 1437-1451 (2006).
  54. Sanderman, J., et al. Is demineralization with dilute hydrofluoric acid a viable method for isolating mineral stabilized soil organic matter?. Geoderma. 304 (Supplement C), 4-11 (2017).
  55. Hirschfeld, T., McClure, G. L. . Computerized Quantitative Infrared Analysis. , 169-179 (1987).
  56. Joussein, E., et al. Halloysite clay minerals – a review. Clay Minerals. 40 (4), 383-426 (2005).
  57. Smith, B. C. . Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Second Edition. , (2011).
  58. Weis, D. D., Ewing, G. E. Absorption Anomalies in Ratio and Subtraction FT-IR Spectroscopy. Anal. Chem. 70, 3175 (1998).
  59. Reeves, J. B., McCarty, G. W., Calderon, F., Hively, W. D., Franzluebbers, A. J., Follett, R. F. . Managing Agricultural Greenhouse Gases. , 345-366 (2012).

Play Video

Cite This Article
Margenot, A. J., Parikh, S. J., Calderón, F. J. Improving Infrared Spectroscopy Characterization of Soil Organic Matter with Spectral Subtractions. J. Vis. Exp. (143), e57464, doi:10.3791/57464 (2019).

View Video