Created by Monica Z. Bruckner, Montana State University, Bozeman
Czym są DOC i POC?
Rozpuszczony węgiel organiczny (DOC) jest definiowany jako materia organiczna, która jest w stanie przejść przez filtr (filtry zazwyczaj mają wielkość od 0,7 do 0,22 um). I odwrotnie, cząsteczkowy węgiel organiczny (POC) to węgiel, który jest zbyt duży i zostaje odfiltrowany z próbki. Jeśli kiedykolwiek widziałeś wodę, która wydaje się słomkowa, herbaciana lub brązowawa, to prawdopodobnie ma ona wysoki ładunek węgla organicznego. Kolor ten pochodzi z wypłukiwania substancji humusowych z materii organicznej roślin i gleby. Ta materia organiczna dostarcza kwasów do strumienia, powodując żółto-brązowe zabarwienie, jak również powoduje wietrzenie gleby. Węgiel organiczny może być allochtoniczny, czyli pochodzić spoza systemu (np. z depozycji atmosferycznej lub transportowany na duże odległości przez strumień) lub może być autochtoniczny, czyli pochodzić z bezpośredniego otoczenia systemu (np. z materii roślinnej i mikrobiologicznej oraz osadów/gleby w zlewni). Duże ilości materii organicznej są powszechne w obszarach o niskiej zawartości tlenu, takich jak bagna i mokradła.
Dlaczego przejmujemy się DOC i POC?
Rozpuszczony i cząsteczkowy węgiel organiczny są ważnymi składnikami cyklu węglowego i służą jako podstawowe źródła pokarmu dla wodnych sieci pokarmowych. Ponadto, DOC zmienia skład chemiczny ekosystemów wodnych, przyczyniając się do zakwaszenia systemów słodkowodnych o niskiej zasadowości i słabo zbuforowanych. Ponadto RWO tworzy kompleksy z metalami śladowymi, tworząc kompleksy rozpuszczalne w wodzie, które mogą być przenoszone i pobierane przez organizmy. Wreszcie, węgiel organiczny, jak również inne substancje rozpuszczone i cząstki stałe, może wpływać na penetrację światła w ekosystemach wodnych, co jest ważne dla fototrofów ekosystemu, które potrzebują światła do życia.
Jak mierzy się RWO?
Rozpuszczony węgiel organiczny może być mierzony kilkoma różnymi technikami. Metody spalania w wysokiej temperaturze i utleniania UV/persulfat są omówione szczegółowo poniżej, ale obie metody mają ten sam protokół przygotowania próbki:
- Próbka jest zbierana do szklanego pojemnika, który został wypieczony w laboratorium w temperaturze 550° C przez 2-4 godziny (proces pieczenia usuwa wszelkie pozostałości węgla w lub na naczyniu do zbierania, które mogą powodować zanieczyszczenia).
- Próbka jest następnie filtrowana za pomocą szklanego urządzenia filtrującego. Powszechnie stosowane filtry obejmują filtry z włókna szklanego (GF/F), filtry z membraną srebrową lub filtry nitrocelulozowe/polipropylenowe i mają wielkość porów w zakresie 0,7-0,25 um. Filtry nitrocelulozowe/polipropylenowe są najtańsze z tych filtrów, ale mogą wymywać DOC, więc powinny być oczyszczone przez przepuszczenie przez nie wody dejonizowanej przed pobraniem.
- Po pobraniu próbki powinny być przechowywane w niskiej temperaturze (np. w lodówce lub na lodzie) do czasu, aż będą mogły być przetworzone. Powinny być przetwarzane tak szybko, jak to możliwe, aby zapobiec zmianom w próbce po filtrowaniu.
Pomiar DOC poprzez spalanie w wysokiej temperaturze:
Metoda spalania w wysokiej temperaturze do pomiaru DOC polega na przekształceniu węgla nieorganicznego w rozpuszczony CO2 i usunięciu go z próbki. Pozostały (organiczny) węgiel jest następnie utleniany w wysokiej temperaturze do CO2, który może być wykryty przez czujnik NDIR i bezpośrednio skorelowany z zawartością całkowitego węgla organicznego (TOC).
Pomiar DOC przez UV/Persulfate Oxidation:
Ta metoda łączy próbkę z kwasem, obniżając pH próbki do 2.0. Proces ten przekształca nieorganiczny węgiel w rozpuszczony CO2, który jest następnie usuwany z próbki. Odczynnik nadsiarczanowy jest następnie dodawany do próbki, a pozostały węgiel jest utleniany przez promieniowanie UV do postaci CO2, który może być wykryty przez czujnik NDIR i bezpośrednio skorelowany z całkowitą zawartością węgla organicznego (TOC).
Jak mierzony jest POC?
Cząsteczkowy węgiel organiczny jest mierzony poprzez określenie masy utraconej podczas spalania próbki. W próbkach wodnych można to zrobić poprzez pomiar suchej masy filtra, przez który przepuszczono znaną ilość wody przed i po poddaniu go spalaniu poprzez podgrzanie filtra do temperatury 550° C. Metoda ta wymaga, aby filtr został oczyszczony z obcych POC przed filtracją (poprzez spalanie w temperaturze 550° C przez 2 godziny), oraz aby filtr i próbka były suche (można to zrobić umieszczając je w ciepłym piekarniku) w momencie pomiaru masy przed spaleniem. Metoda ta wymaga również, aby w próbce znajdowała się mierzalna ilość węgla organicznego. POC w próbkach gleby może być również mierzony poprzez utratę masy, mierząc suchą masę danej objętości próbki przed i po spaleniu. Metody te zakładają, że ubytek masy można przypisać wyłącznie węglowi, a nie jakiemukolwiek innemu składnikowi próbki.
Dalsze analizy DOC – (charakteryzacja)
Oprócz pomiaru stężenia DOC w próbce, DOC można scharakteryzować w celu określenia jego reaktywności (w tym jakości i składu), źródła i potencjalnego znaczenia w ekosystemie. Charakteryzacja za pomocą absorbancji i fluorescencji została omówiona poniżej.
Absorbancja:
Ziemskie i mikrobiologiczne substancje humusowe różnią się stosunkiem węgla do azotu (stosunek C:N).
- Ziemskie kwasy humusowe mają wysoki stosunek C:N, ponieważ pochodzą z ligniny, a lignina nie zawiera azotu. Te substancje humusowe zawierają duże ilości węgla w postaci węgli aromatycznych i fenoli.
- Mikrobiologicznie otrzymywane substancje humusowe mają wysoką zawartość N, w stosunku do źródeł naziemnych, wraz z niską zawartością węgla aromatycznego i fenoli.
Wykorzystując te różnice, absorbancja UV może zapewnić oszacowanie aromatyczności DOC w próbce, a tym samym określić jego źródło. luorescencja:
DOC można również scharakteryzować na podstawie różnic w widmach fluorescencji, co jest związane z różnymi źródłami węgla organicznego w systemach wodnych. Metoda ta polega na wzbudzeniu próbki i obejrzeniu jej macierzy 3-d wzbudzenie-emisja dla kwasów fulwowych. Zasadniczo, próbka jest wzbudzana, a odpowiadająca jej intensywność emisji jest wykorzystywana do określenia jej źródła. Stosunek intensywności emisji jest generalnie wyższy dla kwasów fulwowych pochodzących z mikroorganizmów niż dla kwasów pochodzących z ziemi.
Analiza wyników
Jak stwierdzono powyżej, DOC jest ważnym składnikiem w ekosystemie. Stanowi podstawowe źródło pożywienia dla wodnych łańcuchów pokarmowych, co sugeruje, że wysoki poziom DOC jest korzystny dla ekosystemu. Jednak RWO może również przyczyniać się do zakwaszenia wód i zwiększać tłumienie światła, wpływając w ten sposób niekorzystnie na organizmy fototroficzne w środowisku wodnym. Dlatego też, jak w przypadku większości rzeczy, kluczem do zawartości DOC jest umiar. W zależności od takich czynników jak zdolność buforowania, czyli zdolność systemu wodnego do stabilizowania kwasowości/alkaliczności, skład i ilość biomasy oraz głębokość wody, DOC niezbędna do utrzymania ekosystemu różni się w zależności od obszaru. Typowe wartości DOC dla różnych środowisk są powszechnie podawane w literaturze naukowej, takiej jak recenzowane artykuły w czasopismach i podręcznikach.
Powiązane linki
- Pomiar całkowitego węgla organicznego (DOC i POC) – kompleksowy przewodnik do pomiaru węgla organicznego, w tym pobierania próbek i analiz w terenie. Przewodnik ten został napisany przez dr Briana Schumahera z US EPA.
- USGS Water Resources – ta strona, przez USGS National Research Program, zawiera linki do różnych publikacji dotyczących jakości wody i analiz węgla organicznego.