stringtranslate.com

Соотношение углерода и азота

Соотношение углерода к азоту ( соотношение C/N или C:N ) представляет собой отношение массы углерода к массе азота в органических остатках . Оно может, помимо прочего, использоваться при анализе осадков и почвы , включая органическое вещество почвы и почвенные добавки , такие как компост .

Отложения

При анализе осадков соотношения C/N являются косвенным показателем для палеоклиматических исследований, имея различное применение, независимо от того, являются ли керны осадков наземными или морскими. Соотношения углерода к азоту указывают на степень ограничения азота у растений и других организмов. Они могут определить, происходят ли молекулы, обнаруженные в исследуемом осадке, от наземных или водорослевых растений. [1] Кроме того, они могут различать различные наземные растения в зависимости от типа фотосинтеза, которому они подвергаются. Таким образом, соотношение C/N служит инструментом для понимания источников осадочного органического вещества, что может привести к информации об экологии, климате и циркуляции океана в разные периоды истории Земли. [1]

Диапазоны

Соотношения C/N в диапазоне 4–10:1 обычно происходят из морских источников, тогда как более высокие соотношения, вероятно, происходят из наземных источников. [2] [3] Сосудистые растения из наземных источников, как правило, имеют соотношения C/N более 20. [1] [4] Отсутствие целлюлозы , которая имеет химическую формулу (C 6 H 10 O 5 ) n , и большее количество белков в водорослях по сравнению с сосудистыми растениями вызывают эту значительную разницу в соотношении C/N. [1] [5] [6]

Инструменты

Примерами устройств, которые можно использовать для измерения этого отношения, являются анализатор CHN и масс-спектрометр с непрерывным потоком изотопных соотношений (CF-IRMS). [7] Однако для более практических применений желаемые отношения C/N могут быть достигнуты путем смешивания обычно используемых субстратов с известным содержанием C/N, которые легко доступны и просты в использовании.

По типу осадка

Морской

Органическое вещество, которое откладывается в морских отложениях, содержит ключевой индикатор относительно его источника и процессов, которые оно претерпело до достижения дна, а также после отложения, его соотношение углерода к азоту. [8] [9] [10] [4] В мировых океанах свежепроизведенные водоросли на поверхности океана обычно имеют соотношение углерода к азоту около 4 к 10. [9] Однако было замечено, что только 10% этого органического вещества (водорослей), произведенного на поверхности океана, опускается в глубины океана, не будучи разложенным бактериями в пути, и только около 1% навсегда захоронено в осадке. Важный процесс, называемый диагенезом осадка , объясняет остальные 9% органического углерода, который опустился на глубокое дно океана, но не был навсегда захоронен, то есть 9% от общего объема произведенного органического углерода разлагается в глубинах океана. [11] Микробные сообщества, использующие тонущий органический углерод в качестве источника энергии, неравнодушны к богатым азотом соединениям, поскольку многие из этих бактерий ограничены азотом и предпочитают его углероду. В результате отношение углерода к азоту тонущего органического углерода в глубоком океане повышено по сравнению со свежим поверхностным органическим веществом океана, которое не было разложено. Экспоненциальное увеличение отношений C/N наблюдается с увеличением глубины воды — отношения C/N достигают десяти на промежуточных глубинах воды около 1000 метров и до 15 в глубоком океане (глубже, чем около 2500 метров) [ необходима ссылка ] . Эта повышенная сигнатура C/N сохраняется в осадке до тех пор, пока другая форма диагенеза, постдепозитный диагенез, снова не изменит свою сигнатуру C/N. [6] Постдепозитный диагенез происходит в морских отложениях с низким содержанием органического углерода, где бактерии могут окислять органическое вещество в аэробных условиях в качестве источника энергии. Реакция окисления протекает следующим образом: CH 2 O + H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − , со стандартной свободной энергией –27,4 кДж моль −1 (полуреакция). [11] После того, как весь кислород израсходован, бактерии могут осуществлять бескислородную последовательность химических реакций в качестве источника энергии, все с отрицательными значениями ∆G°r, причем реакция становится менее благоприятной по мере продолжения цепи реакций. [11]

Тот же принцип, описанный выше, объясняет преимущественную деградацию богатых азотом органических веществ в осадках, поскольку они более лабильны и пользуются большим спросом. Этот принцип использовался в палеоокеанографических исследованиях для определения основных участков, которые не испытали большой микробной активности или загрязнения наземными источниками с гораздо более высокими отношениями C/N. [12]

Наконец, аммиак, продукт второй восстановительной реакции, которая восстанавливает нитрат и производит газообразный азот и аммиак, легко адсорбируется на поверхностях глинистых минералов и защищен от бактерий. Это было предложено для объяснения более низких, чем ожидалось, показателей C/N органического углерода в отложениях, подвергающихся постдепозитному диагенезу. [6]

Аммоний , образующийся в результате реминерализации органического материала, присутствует в повышенных концентрациях (1 - >14 мкМ) в связных шельфовых морских отложениях, обнаруженных в Кельтском море (глубина: 1–30 см). Глубина отложений превышает 1 м и может стать подходящим местом для проведения палеолимнологических экспериментов с C:N.

Озерный

В отличие от морских отложений, диагенез не представляет большой угрозы для целостности соотношения C/N в озерных отложениях. [1] [13] Хотя древесина живых деревьев вокруг озер имеет постоянно более высокие соотношения C/N, чем древесина, захороненная в осадках, изменение элементного состава недостаточно велико, чтобы удалить сосудистые и несосудистые сигналы растений из-за рефрактерной природы наземного органического вещества. [1] [14] [13] Резкие сдвиги в соотношении C/N вниз по ядру можно интерпретировать как сдвиги в исходном органическом материале.

Например, два исследования озера Мангров на Бермудских островах и озера Юноко в Японии показывают нерегулярные, резкие колебания между C/N около 11 и 18. Эти колебания объясняются сдвигами от доминирования преимущественно водорослей к доминированию сосудов на суше. [13] [15] Результаты исследований, которые показывают резкие сдвиги в доминировании водорослей и доминировании сосудов, часто приводят к выводам о состоянии озера в эти отдельные периоды изотопных сигнатур. Времена, в которые сигналы водорослей доминируют в озерах, предполагают, что озеро глубоководное, в то время как времена, в которые сигналы сосудистых растений доминируют в озерах, предполагают, что озеро мелководное, сухое или болотистое. [13] Использование соотношения C/N в сочетании с другими наблюдениями за осадками, такими как физические изменения, изотопный анализ D/H жирных кислот и алканов и анализ δ13C на аналогичных биомаркерах, может привести к дальнейшим региональным климатическим интерпретациям, которые описывают более значимые явления в игре.

Земля

В микробных сообществах, таких как почва, соотношение C:N является ключевым показателем, поскольку оно описывает баланс между энергетическими продуктами (представленными углеродом) и материалом для построения белка (представленным азотом). Оптимальное соотношение C:N около 24:1 обеспечивает более высокую микробную активность. [16] [17]

Соотношение C:N в почве можно изменить, добавив такие материалы, как компост, навоз и мульча . Исходное сырье с близким к оптимальному соотношением C:N будет быстро потребляться. Любой избыток C приведет к потреблению N, изначально находящегося в почве, конкурируя с растением за питательные вещества (иммобилизация) – по крайней мере, временно, пока микробы не умрут. Любой избыток N, с другой стороны, обычно просто остается (минерализация), но слишком большой избыток может привести к потерям от выщелачивания. Поэтому рекомендуемое соотношение C:N для почвенных материалов составляет 30:1. Можно провести анализ почвы , чтобы определить соотношение C:N в самой почве. [16]

Соотношение C:N самих микробов обычно составляет около 10:1. [16] Более низкое соотношение коррелирует с более высокой продуктивностью почвы. [18]

Компост

Роль соотношения C:N в компостном сырье аналогична роли соотношения в почвенном сырье. Рекомендация составляет около 20-30:1. Микробы предпочитают соотношение 30-35:1, [4] но углерод обычно не полностью усваивается (особенно в случае лигнинового сырья), отсюда и пониженное соотношение. [19]

Несбалансированное соотношение C:N вызывает замедление процесса компостирования и падение температуры. Когда соотношение C:N меньше 15:1, может произойти выделение аммония , что приводит к появлению запаха и потере азота. [20] Готовый компост имеет соотношение C:N около 10:1. [19]

Оценка содержания C и N в сырье

Содержание C и N в сырье обычно известно из справочных таблиц, в которых перечислены распространенные типы сырья. Важно вычесть содержание влаги, если указанное значение относится к сухому материалу. [19]

Для продуктов питания с анализом пищевой ценности содержание N можно оценить по содержанию белка как prot% × 0,16 , обратный расчету сырого белка . [21] Содержание C можно оценить по содержанию сырой золы (часто указывается в кормах для животных) [19] или по указанным уровням макроэлементов как carbs% × 0,44 + fat% × 0,86 + prot% × 0,53 . [22]

Учитывая соотношение C:N и одно из содержаний C и N, другое содержание можно рассчитать, используя само определение соотношения. [19] Когда известно только соотношение, необходимо оценить общее содержание C+N% или одно из содержаний, чтобы получить оба значения.

Управление смешанным сырьем

Соотношение C:N в смешанном сырье рассчитывается путем суммирования их количеств C и N и деления двух результатов. Для компоста влажность также является важным фактором. [19]

Ссылки

  1. ^ abcdef Ишиватари, Р.; М. Узаки (1987). «Диагенетические изменения соединений лигнина в озерных отложениях возрастом более 0,6 миллиона лет (озеро Бива, Япония)». Geochimica et Cosmochimica Acta . 51 (2): 321–28. Бибкод : 1987GeCoA..51..321I. дои : 10.1016/0016-7037(87)90244-4.
  2. ^ Грей KR, Биддлстоун AJ. 1973. Компостирование — параметры процесса. The Chemical Engineer. Февраль. С. 71-76
  3. ^ Стюарт, Кит (2006). Долгая дорога к помидору. Нью-Йорк: Marlowe & Company. стр. 155. ISBN 978-1-56924-330-5 . 
  4. ^ abc Праль, Ф.Г., Дж.Р. Эртель, М.А. Гони, М.А. Воробей и Б. Эверсмейер (1994). «Вклад наземного органического углерода в отложения на окраине Вашингтона». Geochimica et Cosmochimica Acta . 58 (14): 3035–48. Бибкод : 1994GeCoA..58.3035P. CiteSeerX 10.1.1.175.9020 . дои : 10.1016/0016-7037(94)90177-5. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  5. ^ Zahn, R.; Comas, MC; Klaus, A., ред. (февраль 1999 г.). «Источники, сохранение и термическая зрелость органического вещества в богатых органическим углеродом отложениях плиоцена-плейстоцена западной части Средиземного моря». Труды Программы океанического бурения, 161 Научные результаты . Том 161. Программа океанического бурения. doi :10.2973/odp.proc.sr.161.235.1999.
  6. ^ abc Müller, PJ (июнь 1977 г.). «Соотношения CN в глубоководных отложениях Тихого океана: влияние неорганического аммония и органических соединений азота, сорбированных глинами». Geochimica et Cosmochimica Acta . 41 (6): 765–776. Bibcode : 1977GeCoA..41..765M. doi : 10.1016/0016-7037(77)90047-3.
  7. ^ Brenna, JT; Corso, TN; Tobias, HJ; Caimi, RJ (сентябрь 1997 г.). "Высокоточная масс-спектрометрия с непрерывным потоком изотопов". Mass Spectrometry Reviews . 16 (5): 227–258. Bibcode :1997MSRv...16..227B. doi :10.1002/(SICI)1098-2787(1997)16:5<227::AID-MAS1>3.0.CO;2-J. PMID  9538528.
  8. ^ Джаспер, Джон П.; Гагосян, Роберт Б. (апрель 1990 г.). «Источники и отложение органического вещества в позднечетвертичном пигмейском бассейне, Мексиканский залив». Geochimica et Cosmochimica Acta . 54 (4): 1117–1132. Bibcode : 1990GeCoA..54.1117J. doi : 10.1016/0016-7037(90)90443-O.
  9. ^ ab Meyers, Philip A. (июнь 1994 г.). «Сохранение элементной и изотопной идентификации источника осадочного органического вещества». Chemical Geology . 114 (3–4): 289–302. Bibcode :1994ChGeo.114..289M. doi :10.1016/0009-2541(94)90059-0. hdl : 2027.42/31544 .
  10. ^ Далем. «Поток на морское дно», Групповой отчет, ред. К. В. Бруланд и др., стр. 210–213, 1988.
  11. ^ abc Эмерсон, С.; Хеджес, Дж. (2003), «Диагенез осадков и бентосный поток», Трактат по геохимии , 6 , Elsevier: 293–319, Bibcode : 2003TrGeo...6..293E, doi : 10.1016/b0-08-043751-6/06112-0, ISBN 978-0-08-043751-4
  12. ^ Raymo, ME ; Grant, B.; Horowitz, M.; Rau, GH (апрель 1996 г.). «Тепло среднего плиоцена: более сильный парниковый эффект и более сильный конвейер». Marine Micropaleontology . 27 (1–4): 313–326. Bibcode :1996MarMP..27..313R. doi :10.1016/0377-8398(95)00048-8.
  13. ^ abcd Мейерс, Филип А. и Рёши Ишиватари (1993). «Озерная органическая геохимия — обзор индикаторов источников органического вещества и диагенеза в озерных отложениях» (PDF) . Органическая геохимия . 20 (7): 867–900. Bibcode :1993OrGeo..20..867M. doi :10.1016/0146-6380(93)90100-P. hdl : 2027.42/30617 . S2CID  36874753.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  14. ^ Мейерс, Филип А. (июнь 1994 г.). «Сохранение элементной и изотопной идентификации источника осадочного органического вещества». Химическая геология . 114 (3–4): 289–302. Bibcode :1994ChGeo.114..289M. doi :10.1016/0009-2541(94)90059-0. hdl : 2027.42/31544 .
  15. ^ Ишиватари, Рёши; Такамацу, Нобуки; Исибаши, Томоко (1977). «Разделение автохтонного и аллохтонного материала в озерных отложениях по разнице плотности». Японский журнал лимнологии (на японском языке). 38 (3): 94–99. дои : 10.3739/rikusui.38.94 . ISSN  0021-5104.
  16. ^ abc "Соотношения углерода и азота в системах земледелия" (PDF) . Служба охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США .
  17. ^ "Соотношение углерода и азота (C:N)". Soil Health Nexus .
  18. ^ Ли, Юн; У, Цзиньшуй; Шэнь, Цзяньлинь; Лю, Шоулун; Ван, Конг; Чэнь, Дан; Хуан, Тепин; Чжан, Цзябао (декабрь 2016 г.). «Соотношение почвенного микробного углерода и азота является надежным индикатором продуктивности почвы для рисовых полей». Scientific Reports . 6 (1): 35266. Bibcode :2016NatSR...635266L. doi :10.1038/srep35266. PMC 5064311 . PMID  27739462. 
  19. ^ abcdef "Соотношение C/N". Компостирование CORNELL .
  20. ^ Хауг, Роджер (1993). Практическое руководство по компостной инженерии. CRC Press. ISBN 9780873713733. Архивировано из оригинала 13 июля 2021 г. . Получено 16 октября 2020 г. .
  21. ^ Д. Джулиан Макклементс. «Анализ белков». Массачусетский университет в Амхерсте . Получено 27 апреля 2007 г.
  22. ^ Рувенхорст, Р.Дж.; Джзн, Дж. Ф.; Шефферс, Вашингтон; ван Дейкен, JP (февраль – март 1991 г.). «Определение концентрации белка методом анализа общего органического углерода». Журнал биохимических и биофизических методов . 22 (2): 119–128. дои : 10.1016/0165-022x(91)90024-q. ПМИД  2061559.

Внешние ссылки