Messung von gelöstem und partikulärem organischem Kohlenstoff (DOC und POC)

Erstellt von Monica Z. Bruckner, Montana State University, Bozeman

Was sind DOC und POC?

Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) ist definiert als die organische Substanz, die in der Lage ist, einen Filter zu passieren (Filter haben im Allgemeinen eine Größe zwischen 0,7 und 0,22 um). Umgekehrt ist partikulärer organischer Kohlenstoff (POC) jener Kohlenstoff, der zu groß ist und aus einer Probe herausgefiltert wird. Wenn Sie jemals ein Gewässer gesehen haben, das stroh-, tee- oder bräunlich gefärbt ist, hat es wahrscheinlich eine hohe organische Kohlenstoffbelastung. Diese Farbe entsteht durch die Auslaugung von Huminstoffen aus der organischen Substanz von Pflanzen und Böden. Diese organische Substanz trägt Säuren in den Bach, was zu der gelb-braunen Färbung führt und die Böden verwittern lässt. Organischer Kohlenstoff kann allochthon sein, d. h. von außerhalb des Systems stammen (z. B. durch atmosphärische Deposition oder über weite Strecken durch den Fluss transportiert), oder er kann autochthon sein, d. h. aus der unmittelbaren Umgebung des Systems stammen (z. B. aus pflanzlichem und mikrobiellem Material und Sedimenten/Böden im Einzugsgebiet). Hohe Mengen an organischer Substanz sind in sauerstoffarmen Gebieten, wie z.B. Mooren und Feuchtgebieten, üblich.

Warum interessieren wir uns für DOC und POC?

Gelöster und partikulärer organischer Kohlenstoff sind wichtige Komponenten im Kohlenstoffkreislauf und dienen als primäre Nahrungsquelle für aquatische Nahrungsnetze. Darüber hinaus verändert DOC die chemische Zusammensetzung aquatischer Ökosysteme, indem er zur Versauerung in schwach gepufferten Süßwassersystemen mit niedrigem Salzgehalt beiträgt. Darüber hinaus bildet DOC Komplexe mit Spurenmetallen, wodurch wasserlösliche Komplexe entstehen, die von Organismen transportiert und aufgenommen werden können. Schließlich kann organischer Kohlenstoff, wie auch andere gelöste und partikuläre Stoffe, die Lichtdurchdringung in aquatischen Ökosystemen beeinflussen, was wichtig für die Phototrophen des Ökosystems ist, die Licht benötigen, um zu überleben.

Wie wird DOC gemessen?

Gelöster organischer Kohlenstoff kann mit mehreren verschiedenen Techniken gemessen werden. Die Methoden der Hochtemperaturverbrennung und der UV/Persulfat-Oxidation werden im Folgenden detailliert besprochen, aber beide Methoden haben das gleiche Probenvorbereitungsprotokoll:

1. Die Probe wird in einem Glasbehälter gesammelt, der im Labor bei 550° C für 2-4 Stunden gebacken wurde (der Backvorgang entfernt jeglichen Restkohlenstoff in oder auf dem Sammelbehälter, der eine Kontamination verursachen könnte).
2. Die Probe wird dann mit einem Glasfiltrationsgerät gefiltert. Zu den üblicherweise verwendeten Filtern gehören Glasfaserfilter (GF/F), Silbermembranfilter oder ein Nitrocellulose/Polypro-Filter und haben eine Porengröße von 0,7-0,25 um. Die Nitrocellulose/Polypro-Filter sind die preiswertesten dieser Filter, können aber DOC auslaugen, weshalb sie vor der Entnahme durch deionisiertes Wasser gereinigt werden sollten.
3. Nach der Entnahme sollten die Proben kühl gelagert werden (z. B. im Kühlschrank oder auf Eis), bis sie verarbeitet werden können. Sie sollten so schnell wie möglich verarbeitet werden, um eine Veränderung der Proben nach der Filtration zu verhindern.

DOC-Messung durch Hochtemperaturverbrennung:

Bei der Hochtemperaturverbrennungsmethode zur DOC-Messung wird der anorganische Kohlenstoff in gelöstes CO2 umgewandelt und aus der Probe entfernt. Der verbleibende (organische) Kohlenstoff wird dann bei hoher Temperatur zu CO2 oxidiert, das mit dem nicht-dispersiven Infrarot-Sensor (NDIR) des Geräts nachgewiesen und direkt mit dem Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff (TOC) korreliert werden kann.

DOC-Messung durch UV/Persulfat-Oxidation:

Bei dieser Methode wird die Probe mit einer Säure kombiniert, wodurch der pH-Wert der Probe auf 2,0 gesenkt wird. Dieser Prozess wandelt anorganischen Kohlenstoff in gelöstes CO2 um, das dann aus der Probe gespült wird. Anschließend wird der Probe ein Persulfat-Reagenz zugesetzt und der verbleibende Kohlenstoff wird durch UV-Strahlung zu CO2 oxidiert, das mit dem NDIR-Sensor nachgewiesen und direkt mit dem Gehalt an organischem Gesamtkohlenstoff (TOC) korreliert werden kann.

Wie wird POC gemessen?

Partikulärer organischer Kohlenstoff wird durch die Bestimmung des Massenverlustes bei der Verbrennung einer Probe gemessen. Bei wässrigen Proben kann dies durch Messung der Trockenmasse eines Filters erfolgen, der vor und nach der Verbrennung durch Erhitzen des Filters auf 550° C mit einer bekannten Menge Wasser durchströmt wurde. Diese Methode erfordert, dass der Filter vor der Filtration von fremdem POC gereinigt wird (durch Verbrennung bei 550° C für 2 Stunden) und dass der Filter und die Probe bei der Gewichtsmessung vor der Verbrennung trocken sind (dies kann durch Einlegen in einen warmen Ofen geschehen). Die Methode erfordert auch, dass die Probe eine messbare Menge an organischem Kohlenstoff enthält. POC in Bodenproben kann auch durch Massenverlust gemessen werden, indem das Trockengewicht eines bestimmten Probenvolumens vor und nach der Verbrennung gemessen wird. Diese Methoden gehen davon aus, dass der Massenverlust ausschließlich auf den Kohlenstoff zurückzuführen ist und nicht auf andere Probenbestandteile.

Weitere Analysen von DOC – (Charakterisierung)

Zusätzlich zur Messung der DOC-Konzentration in einer Probe kann DOC charakterisiert werden, um seine Reaktivität (einschließlich Qualität und Zusammensetzung), seine Quelle und seine potenzielle Bedeutung im Ökosystem zu bestimmen. Die Charakterisierung über Absorption und Fluoreszenz wird im Folgenden besprochen.

Absorption:

Terrestrisch und mikrobiell abgeleitete Huminstoffe unterscheiden sich in ihrem Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis (C:N-Verhältnis).

1. Terrestrisch abgeleitete Huminsäuren haben ein hohes C:N-Verhältnis, da sie von Lignin abgeleitet sind, und Lignin enthält keinen Stickstoff. Diese Huminstoffe enthalten große Mengen an Kohlenstoff in Form von aromatischen Kohlenstoffen und Phenolen.
2. Mikrobiell abgeleitete Huminstoffe haben im Vergleich zu terrestrischen Quellen einen hohen N-Gehalt, zusammen mit einem geringen Gehalt an aromatischen Kohlenstoffen und Phenolen.

Ausgehend von diesen Unterschieden kann die UV-Absorption eine Schätzung der Aromatizität des DOC in einer Probe liefern und dadurch seine Quelle bestimmen.
Fluoreszenz:

DOC kann auch durch Unterschiede in den Fluoreszenzspektren charakterisiert werden, was mit verschiedenen Quellen von organischem Kohlenstoff in aquatischen Systemen in Verbindung gebracht wird. Diese Methode beinhaltet die Anregung einer Probe und die Betrachtung ihrer 3-D-Anregungs-Emissions-Matrix für Fulvosäuren. Im Grunde genommen wird eine Probe angeregt und die entsprechende Emissionsintensität zur Bestimmung der Quelle verwendet. Das Verhältnis der Emissionsintensität ist im Allgemeinen für mikrobiell gewonnene Fulvosäuren höher als für terrestrisch gewonnene Säuren.

Ergebnisse Analyse

Wie bereits erwähnt, ist DOC eine wichtige Komponente in einem Ökosystem. Er stellt eine primäre Nahrungsquelle für aquatische Nahrungsnetze dar, was darauf schließen lässt, dass ein hoher DOC-Gehalt für ein Ökosystem von Vorteil ist. DOC kann jedoch auch zum Säuregehalt eines Gewässers beitragen und die Lichtabschwächung erhöhen, was sich nachteilig auf phototrophe Organismen in einer aquatischen Umgebung auswirkt. Daher ist, wie bei den meisten Dingen, Mäßigung der Schlüssel für den DOC-Gehalt. Abhängig von Faktoren wie der Pufferkapazität oder der Fähigkeit eines aquatischen Systems, seinen Säuregehalt/Alkalinität zu stabilisieren, der Biomassenzusammensetzung und -menge sowie der Wassertiefe, variiert der DOC, der zur Unterstützung eines Ökosystems erforderlich ist, je nach Gebiet. Typische DOC-Werte für verschiedene Umgebungen werden häufig in wissenschaftlicher Literatur wie z.B. in Fachzeitschriften und Lehrbüchern angegeben.

Verwandte Links

• Messung des gesamten organischen Kohlenstoffs (DOC und POC) – ein umfassender Leitfaden zur Messung des organischen Kohlenstoffs, einschließlich Probenahme und Analysen vor Ort. Dieser Leitfaden wurde von Dr. Brian Schumaher von der US EPA verfasst.
• USGS Water Resources – diese Seite des USGS National Research Program bietet Links zu einer Vielzahl von Publikationen, die sich mit der Wasserqualität und der Analyse von organischem Kohlenstoff beschäftigen.