Created by Monica Z. Bruckner, Montana State University, Bozeman
Wat zijn DOC en POC?
Opgeloste organische koolstof (DOC) wordt gedefinieerd als de organische stof die door een filter kan (filters variëren over het algemeen in grootte tussen 0,7 en 0,22 um). Omgekeerd is organische koolstof in deeltjes (POC) de koolstof die te groot is en uit een monster wordt gefilterd. Als u ooit een watermassa hebt gezien die er stro-, thee- of bruinig uitziet, is de kans groot dat er veel organische koolstof in zit. Deze kleur is het gevolg van het uitlogen van humusstoffen uit organisch materiaal van planten en uit de bodem. Dit organisch materiaal draagt zuren bij aan de beek, wat resulteert in de geel-bruine kleur en verwering van de bodem. Organische koolstof kan allochtoon zijn, d.w.z. afkomstig van buiten het systeem (b.v. door atmosferische depositie of over lange afstanden getransporteerd via de stroom) of autochtoon, d.w.z. afkomstig uit de directe omgeving van het systeem (b.v. plantaardig en microbieel materiaal en sedimenten/bodems in het stroomgebied). Hoge hoeveelheden organische stof komen vaak voor in zuurstofarme gebieden, zoals moerassen en wetlands.
Waarom maken we ons druk over DOC en POC?
Opgeloste organische koolstof en organische koolstofdeeltjes zijn belangrijke componenten in de koolstofcyclus en fungeren als primaire voedselbronnen voor aquatische voedselketens. Bovendien verandert DOC de chemische samenstelling van aquatische ecosystemen door bij te dragen aan de verzuring in zoetwatersystemen met een lage alkaliteit en zwakke buffers. Bovendien vormt DOC complexen met spoormetalen, waardoor in water oplosbare complexen ontstaan die door organismen kunnen worden getransporteerd en opgenomen. Ten slotte kan organische koolstof, net als andere opgeloste stoffen en deeltjes, de lichtpenetratie in aquatische ecosystemen beïnvloeden, wat belangrijk is voor de fototrofen in het ecosysteem die licht nodig hebben om te overleven.
Hoe wordt DOC gemeten?
Opgeloste organische koolstof kan met verschillende technieken worden gemeten. Verbranding bij hoge temperatuur en UV/persulfaat-oxidatiemethoden worden hieronder in detail besproken, maar beide methoden hebben hetzelfde monstervoorbereidingsprotocol:
- Het monster wordt verzameld in een glazen vat dat in het laboratorium gedurende 2-4 uur bij 550° C is gebakken (het bakproces verwijdert eventueel achtergebleven koolstof in of op het opvangvat dat verontreiniging kan veroorzaken).
- Het monster wordt vervolgens gefilterd met een glasfiltratieapparaat. Veel gebruikte filters zijn glasvezelfilters (GF/F), zilvermembraanfilters, of een nitrocellulose/polyprofilter en variëren in poriegrootte van 0,7-0,25 um. De nitrocellulose/polypro-filters zijn de goedkoopste van deze filters, maar kunnen DOC uitlogen, zodat ze moeten worden gereinigd door er gedeïoniseerd water doorheen te laten lopen voordat ze worden verzameld.
- Eenmaal verzameld, moeten de monsters koud worden bewaard (bv. in de koelkast of op ijs) totdat ze kunnen worden verwerkt. Ze moeten zo snel mogelijk worden verwerkt om monsterveranderingen na het filteren te voorkomen.
Meting van DOC door verbranding bij hoge temperatuur:
De methode voor het meten van DOC door verbranding bij hoge temperatuur houdt in dat anorganische koolstof wordt omgezet in opgelost CO2, en dat dit uit het monster wordt verwijderd. De resterende (organische) koolstof wordt dan bij een hoge temperatuur geoxideerd tot CO2, dat door de niet-dispersieve infraroodsensor (NDIR) van het instrument kan worden gedetecteerd en rechtstreeks kan worden gecorreleerd met het totale gehalte aan organische koolstof (TOC).
Meten van DOC door UV-/Persulfaatoxidatie:
Deze methode combineert het monster met een zuur, waardoor de pH van het monster tot 2,0 wordt verlaagd. Dit proces zet anorganische koolstof om in opgelost CO2, dat vervolgens uit het monster wordt gezuiverd. Vervolgens wordt een persulfaatreagens aan het monster toegevoegd en de resterende koolstof wordt door UV-straling geoxideerd tot CO2, dat door de NDIR-sensor kan worden gedetecteerd en direct kan worden gecorreleerd aan het totale gehalte aan organische koolstof (TOC).
Hoe wordt POC gemeten?
Particulaire organische koolstof wordt gemeten door de massa te bepalen die verloren gaat bij de verbranding van een monster. In waterige monsters kan dit worden gedaan door het meten van het drooggewicht van een filter waar een bekende hoeveelheid water doorheen is gegaan voor en nadat het is verbrand door het filter te verhitten tot 550° C. Deze methode vereist dat het filter vóór filtratie wordt ontdaan van vreemde POC (door het gedurende 2 uur te verbranden bij 550° C), en dat het filter en het monster droog zijn (dit kan worden gedaan door ze in een warme oven te leggen) bij de meting van het gewicht vóór verbranding. De methode vereist ook dat in het monster een meetbare hoeveelheid organische koolstof aanwezig is. POC in bodemmonsters kan ook worden gemeten aan de hand van het massaverlies door het drooggewicht te meten van een bepaald volume van het monster vóór en na de verbranding. Bij deze methoden wordt ervan uitgegaan dat het massaverlies uitsluitend is toe te schrijven aan koolstof, en niet aan een andere component van het monster.
Volgende analyses van DOC – (karakterisering)
Naast het meten van DOC-concentraties in een monster kan DOC worden gekarakteriseerd om de reactiviteit (met inbegrip van kwaliteit en samenstelling), de bron en het potentiële belang in het ecosysteem ervan te bepalen. Karakterisering via absorptie en fluorescentie worden hieronder besproken.
Absorbantie:
Terrestrische en microbiële afgeleide humusstoffen verschillen in hun koolstof-stikstofverhouding (C:N-verhouding).
- Terrestrisch afgeleide humuszuren hebben een hoge C:N-verhouding omdat ze zijn afgeleid van lignine, en lignine bevat geen stikstof. Deze humusstoffen bevatten grote hoeveelheden koolstof in de vorm van aromatische koolstoffen en fenolen.
- Microbieel afgeleide humusstoffen hebben een hoog N-gehalte, in vergelijking met terrestrische bronnen, samen met een laag gehalte aan aromatische koolstof en fenolen.
Dankzij deze verschillen kan de UV-absorptie een schatting geven van de aromaticiteit van de DOC in een monster en zo de bron ervan bepalen.
Fluorescentie:
DOC kan ook worden gekarakteriseerd door verschillen in fluorescentiespectra, die in verband worden gebracht met verschillende bronnen van organische koolstof in aquatische systemen. Bij deze methode wordt een monster geëxciteerd en wordt gekeken naar de 3-d excitatie-emissiematrix voor fulvozuren. In principe wordt een monster geëxciteerd en wordt de bijbehorende emissie-intensiteit gebruikt om de bron ervan te bepalen. De verhouding emissie-intensiteit is over het algemeen hoger voor microbieel afgeleide fulvozuren dan voor terrestrisch afgeleide zuren.
Resultaten Analyse
Zoals hierboven vermeld, is DOC een belangrijke component in een ecosysteem. Het vormt een primaire voedselbron voor aquatische voedselketens, wat suggereert dat een hoge DOC gunstig is voor een ecosysteem. DOC kan echter ook bijdragen tot de zuurtegraad van een waterlichaam en kan de lichtverzwakking verhogen, wat nadelig is voor fototrofe organismen in een aquatisch milieu. Daarom geldt, zoals voor de meeste dingen, dat gematigdheid de sleutel is voor DOC-gehalte. Afhankelijk van factoren zoals de buffercapaciteit, of het vermogen van een aquatisch systeem om de zuurgraad/alkaliteit te stabiliseren, de samenstelling en hoeveelheid biomassa, en de waterdiepte, varieert de DOC die nodig is om een ecosysteem te ondersteunen van gebied tot gebied. Typische DOC-waarden voor verschillende omgevingen worden vaak vermeld in wetenschappelijke literatuur, zoals peer-reviewed artikelen in tijdschriften en handboeken.
Related Links
- Total Organic Carbon Measurement (DOC and POC) – een uitgebreide gids voor het meten van organische koolstof, inclusief veldbemonstering en analyses. Deze gids is geschreven door Brian Schumaher, PhD, van de US EPA.
- USGS Water Resources – deze site, van het USGS National Research Program, bevat links naar een verscheidenheid aan publicaties op het gebied van waterkwaliteit en organische koolstofanalyses.