Creato da Monica Z. Bruckner, Montana State University, Bozeman
Cosa sono il DOC e il POC?
Carbonio organico disciolto (DOC) è definito come la materia organica che è in grado di passare attraverso un filtro (i filtri generalmente hanno dimensioni comprese tra 0,7 e 0,22 um). Al contrario, il carbonio organico particolato (POC) è quel carbonio che è troppo grande e viene filtrato da un campione. Se avete mai visto un corpo d’acqua che appare di colore paglierino, tè o marroncino, è probabile che abbia un alto carico di carbonio organico. Questo colore deriva dalla lisciviazione delle sostanze umiche dalla materia organica delle piante e del suolo. Questa materia organica contribuisce agli acidi del torrente, causando la colorazione giallo-marrone e l’erosione del suolo. Il carbonio organico può essere alloctono, o proveniente dall’esterno del sistema (per esempio per deposizione atmosferica o trasportato per lunghe distanze attraverso il flusso del torrente) o può essere autoctono, o proveniente dalle immediate vicinanze del sistema (per esempio materia vegetale e microbica e sedimenti/suoli all’interno del bacino). Elevate quantità di materia organica sono comuni nelle aree a basso contenuto di ossigeno, come le torbiere e le zone umide.
Perché ci interessa il DOC e il POC?
Il carbonio organico disciolto e particolato sono componenti importanti nel ciclo del carbonio e servono come fonte primaria di cibo per le reti alimentari acquatiche. Inoltre, il DOC altera la chimica degli ecosistemi acquatici contribuendo all’acidificazione dei sistemi d’acqua dolce a bassa alcalinità e debolmente tamponati. Inoltre, il DOC forma complessi con i metalli in traccia, creando complessi solubili in acqua che possono essere trasportati e assorbiti dagli organismi. Infine, il carbonio organico, così come altri materiali disciolti e particolati, può influenzare la penetrazione della luce negli ecosistemi acquatici, che è importante per i fototrofi dell’ecosistema che hanno bisogno di luce per sussistere.
Come si misura il DOC?
Il carbonio organico disciolto può essere misurato con diverse tecniche. I metodi di combustione ad alta temperatura e di ossidazione UV/persolfato sono discussi in dettaglio qui di seguito, ma entrambi i metodi condividono lo stesso protocollo di preparazione del campione:
- Il campione viene raccolto in un contenitore di vetro che è stato cotto in laboratorio a 550° C per 2-4 ore (il processo di cottura rimuove qualsiasi residuo di carbonio nel o sul recipiente di raccolta che può causare contaminazione).
- Il campione viene poi filtrato con un dispositivo di filtrazione di vetro. I filtri comunemente usati includono filtri in fibra di vetro (GF/F), filtri a membrana d’argento, o filtri in nitrocellulosa/polipropilene e variano tra 0,7-0,25 um di dimensione dei pori. I filtri nitrocellulosa/polipropilene sono i meno costosi tra questi filtri, ma possono rilasciare DOC, quindi dovrebbero essere puliti facendovi passare acqua deionizzata prima della raccolta.
- Una volta raccolti, i campioni dovrebbero essere conservati al freddo (ad esempio in frigorifero o in ghiaccio) fino a quando non possono essere processati. Dovrebbero essere processati il prima possibile per prevenire l’alterazione del campione dopo il filtraggio.
Misurare il DOC tramite combustione ad alta temperatura:
Il metodo di combustione ad alta temperatura per misurare il DOC comporta la conversione del carbonio inorganico in CO2 disciolta, e lo spurgo di questa dal campione. Il restante carbonio (organico) viene quindi ossidato ad alta temperatura in CO2 che può essere rilevato dal sensore infrarosso non dispersivo (NDIR) dello strumento e direttamente correlato al contenuto di carbonio organico totale (TOC).
Misurare il DOC mediante ossidazione UV/persolfato:
Questo metodo combina il campione con un acido, abbassando il pH del campione a 2.0. Questo processo converte il carbonio inorganico in CO2 dissolta, che viene poi espulsa dal campione. Un reagente persolfato viene quindi aggiunto al campione e il carbonio rimanente viene ossidato dai raggi UV per formare CO2, che può essere rilevata dal sensore NDIR e direttamente correlata al contenuto di carbonio organico totale (TOC).
Come viene misurato il POC?
Il carbonio organico particolato viene misurato determinando la massa persa alla combustione di un campione. Nei campioni acquosi, questo può essere fatto misurando la massa secca di un filtro che ha avuto una quantità nota di acqua passata attraverso di esso prima e dopo che è stato sottoposto a combustione attraverso il riscaldamento del filtro a 550° C. Questo metodo richiede che il filtro sia spurgato dal POC estraneo prima della filtrazione (bruciandolo a 550° C per 2 ore), e che il filtro e il campione siano asciutti (questo può essere fatto mettendoli in un forno caldo) alla loro misura di peso pre-combustione. Il metodo richiede anche che il campione abbia una quantità misurabile di carbonio organico presente. Il POC nei campioni di suolo può anche essere misurato tramite la perdita di massa, misurando il peso secco di un dato volume di campione prima e dopo la combustione. Questi metodi presuppongono che la perdita di massa sia attribuibile esclusivamente al carbonio, piuttosto che a qualsiasi altro componente del campione.
Altre analisi del DOC – (Caratterizzazione)
Oltre a misurare le concentrazioni di DOC in un campione, il DOC può essere caratterizzato per determinare la sua reattività (compresa la qualità e la composizione), la fonte e la potenziale importanza nel suo ecosistema. La caratterizzazione attraverso l’assorbanza e la fluorescenza sono discusse di seguito.
Assorbanza:
Le sostanze umiche di derivazione terrestre e microbica differiscono nel loro rapporto carbonio-azoto (rapporto C:N).
- Gli acidi umici di derivazione terrestre hanno un alto rapporto C:N perché sono derivati dalla lignina, e la lignina non contiene azoto. Questi umici contengono grandi quantità di carbonio sotto forma di carboni aromatici e fenoli.
- Le sostanze umiche di origine microbica hanno un alto contenuto di N, rispetto alle fonti terrestri, insieme a un basso contenuto di carbonio aromatico e fenolico.
Utilizzando queste differenze, l’assorbanza UV può fornire una stima dell’aromaticità del DOC in un campione e quindi determinare la sua fonte.
Fluorescenza:
Il DOC può essere caratterizzato anche da differenze negli spettri di fluorescenza, che è associato a diverse fonti di carbonio organico nei sistemi acquatici. Questo metodo comporta l’eccitazione di un campione e l’osservazione della sua matrice di eccitazione-emissione 3-d per gli acidi fulvici. Fondamentalmente, un campione viene eccitato e la sua intensità di emissione corrispondente viene utilizzata per determinare la sua fonte. Il rapporto di intensità di emissione è generalmente più alto per gli acidi fulvici di origine microbica rispetto agli acidi di origine terrestre.
Analisi dei risultati
Come detto sopra, il DOC è una componente importante in un ecosistema. Fornisce una fonte di cibo primaria per le reti alimentari acquatiche, suggerendo che un DOC elevato è benefico per un ecosistema. Tuttavia, il DOC può anche contribuire all’acidità di un corpo idrico e può aumentare l’attenuazione della luce influenzando così negativamente gli organismi fototrofi in un ambiente acquatico. Pertanto, come per la maggior parte delle cose, la moderazione è la chiave per il contenuto di DOC. A seconda di fattori come la capacità tampone, o la capacità di un sistema acquatico di stabilizzare la sua acidità/alcalinità, la composizione e la quantità di biomassa e la profondità dell’acqua, il DOC necessario per sostenere un ecosistema varia a seconda della zona. I valori tipici del DOC per vari ambienti sono comunemente riportati nella letteratura scientifica, come gli articoli delle riviste peer-reviewed e i libri di testo.
Link correlati
- Misurazione del carbonio organico totale (DOC e POC) – una guida completa alla misurazione del carbonio organico, incluso il campionamento e le analisi sul campo. Questa guida è stata scritta da Brian Schumaher, PhD, della US EPA.
- USGS Water Resources – questo sito, dal programma di ricerca nazionale USGS, fornisce link a una varietà di pubblicazioni che coinvolgono la qualità dell’acqua e le analisi del carbonio organico.