Соотношение углерода и азота
| Часть серии о |
| Углеродный цикл |
|---|
 |
Отношение углерода к азоту ( отношение C/N или соотношение C:N ) представляет собой массы углерода отношение к массе азота в органических остатках . Его, среди прочего, можно использовать для анализа отложений и почвы, включая органическое вещество почвы и добавки к почве, такие как компост .
Отложения
[ редактировать ]При анализе отложений отношения C/N являются показателем для палеоклиматических исследований и имеют различное применение независимо от того, находятся ли керны отложений наземного или морского происхождения. Соотношение углерода и азота является индикатором ограничения содержания азота в растениях и других организмах и позволяет определить, происходят ли молекулы, обнаруженные в исследуемом отложении, от наземных или водорослевых растений. [1] Кроме того, они могут различать разные 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 получению информации об экологии, климате и циркуляции океана в разные периоды истории Земли. [1]
Диапазоны
[ редактировать ]Отношения C/N в диапазоне 4–10:1 обычно происходят из морских источников, тогда как более высокие отношения, вероятно, происходят из наземных источников. [2] [3] Сосудистые растения из наземных источников, как правило, имеют соотношение 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 обусловливают столь значительную разницу в соотношении C/N. [1] [5] [6]
Инструменты
[ редактировать ]Примерами устройств, которые можно использовать для измерения этого соотношения, являются анализатор CHN отношения изотопов с непрерывным потоком и масс-спектрометр (CF-IRMS). [7] Однако для более практических применений желаемое соотношение C/N может быть достигнуто путем смешивания широко используемых субстратов с известным содержанием C/N, которые легко доступны и просты в использовании.
По типу отложений
[ редактировать ]Морской
[ редактировать ]Органическое вещество, отложившееся в морских отложениях, содержит ключевой индикатор его источника и процессов, которым оно подверглось до достижения дна, а также после осаждения, - соотношение углерода и азота. [8] [9] [10] [4] В мировом океане свежевыросшие водоросли на поверхности океана обычно имеют соотношение углерода и азота примерно от 4 до 10. [9] Однако было замечено, что только 10% этого органического вещества (водорослей), произведенного на поверхности океана, опускается в глубины океана, не разлагаясь при транспортировке бактериями, и только около 1% навсегда остается в отложениях. На важный процесс, называемый диагенезом отложений , приходится еще 9% органического углерода, который опустился на глубокое дно океана, но не был захоронен навсегда, то есть 9% от общего количества произведенного органического углерода разлагается в глубинах океана. [11] Микробные сообщества, использующие тонущий органический углерод в качестве источника энергии, неравнодушны к соединениям, богатым азотом, поскольку большинство этих бактерий имеют ограниченный азот и предпочитают его углероду. В результате соотношение углерода и азота в тонущем органическом углероде в глубинах океана повышается по сравнению со свежим органическим веществом на поверхности океана, которое не подверглось разложению. Экспоненциальное увеличение отношения C/N наблюдается с увеличением глубины воды: отношение C/N достигает 10 на средних глубинах воды около 1000 метров и до 15 на глубине океана (глубже примерно 2500 метров). [ нужна ссылка ] . Эта повышенная сигнатура C/N сохраняется в отложениях до тех пор, пока другая форма диагенеза, постседиментационный диагенез, снова не изменит свою сигнатуру C/N. [6] Постседиментационный диагенез происходит в морских отложениях с низким содержанием органического углерода, где бактерии способны окислять органическое вещество в аэробных условиях в качестве источника энергии. Реакция окисления протекает следующим образом: CH 2 O + H 2 O → CO 2 + 4H. + + 4е − , со стандартной свободной энергией –27,4 кДж моль. −1 (полуреакция). [11] Как только весь кислород израсходован, бактерии могут выполнять бескислородную последовательность химических реакций в качестве источника энергии, все с отрицательными значениями ∆G°r, причем по мере развития цепочки реакций реакция становится менее благоприятной. [11]
Тот же принцип, описанный выше, объясняющий преимущественную деградацию богатых азотом органических веществ, происходит и в отложениях, поскольку они более лабильны и пользуются более высоким спросом. Этот принцип использовался в палеоокеанографических исследованиях для выявления участков керна, которые не подвергались значительной микробной активности или загрязнения наземными источниками с гораздо более высокими отношениями C/N. [12]
Наконец, аммиак, продукт второй реакции восстановления, которая восстанавливает нитраты и производит газообразный азот и аммиак, легко адсорбируется на глинистых минеральных поверхностях и защищается от бактерий. Это было предложено в качестве объяснения более низких, чем ожидалось, показателей C/N органического углерода в отложениях, подвергшихся постседиментационному диагенезу. [6]
Аммоний, образующийся в результате реминерализации органического материала, существует в повышенных концентрациях (1–> 14 мкм) в связных отложениях шельфового моря, 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
[ редактировать ]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 высокое соотношение C/N, чем древесина, захороненная в отложениях, изменение элементного состава недостаточно велико, чтобы устранить сигналы сосудистых и несосудистых растений из-за тугоплавкой природы наземного органического вещества. [1] [14] [13] Резкие сдвиги в соотношении C/N ниже ядра можно интерпретировать как сдвиги в органическом исходном материале.
Например, два отдельных исследования на Мангровом озере на Бермудских островах и на озере Юноко в Японии показывают нерегулярные, резкие колебания C/N от примерно 11 до примерно 18. Эти колебания объясняются сдвигами от преимущественного доминирования водорослей к доминированию наземных сосудов. [13] [15] Результаты исследований, которые показывают резкие изменения в доминировании водорослей и сосудов, часто приводят к выводам о состоянии озера в эти отдельные периоды изотопных сигнатур. Времена, когда в озерах преобладают сигналы водорослей, позволяют предположить, что озеро является глубоководным, тогда как времена, когда в озерах преобладают сигналы сосудистых растений, можно предположить, что озеро мелкое, сухое или заболоченное. [13] Использование соотношения C/N в сочетании с другими наблюдениями за отложениями, такими как физические вариации, изотопный анализ D/H жирных кислот и алканов, а также анализ δ13C аналогичных биомаркеров, может привести к дальнейшим интерпретациям регионального климата, которые описывают более крупные происходящие явления.
Земля
[ редактировать ]В микробных сообществах, таких как почва, соотношение C:N является ключевым индикатором, поскольку оно описывает баланс между энергетическими продуктами питания (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 путем добавления таких материалов, как компост, навоз и мульча . Сырье с близким к оптимальному соотношению C:N будет расходоваться быстро. Любой избыток углерода приведет к потреблению азота, первоначально находившегося в почве, и он будет конкурировать с растением за питательные вещества (иммобилизация) – по крайней мере, временно, пока микробы не погибнут. С другой стороны, любой избыток N обычно просто остается (минерализация), но слишком большой избыток может привести к потерям в результате 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
[ редактировать ]Роль соотношения C:N в компостном сырье аналогична роли почвенного сырья. Рекомендованное соотношение составляет около 20-30:1. Микробы предпочитают соотношение 30-35:1. [4] но углерод обычно не полностью переваривается (особенно в случае лигнинного сырья), отсюда и пониженное соотношение. [19]
Дисбаланс соотношения C:N приводит к замедлению процесса компостирования и падению температуры. Когда соотношение C:N меньше 15:1, может произойти выделение аммония , вызывающее появление запаха и потерю азота. [20] Готовый компост имеет соотношение C:N примерно 10:1. [19]
Оценка содержания C и N в сырье
[ редактировать ]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 пищевых продуктов с анализом питательной ценности содержание N можно оценить по содержанию белка как процент % × 0,16 , обращая расчет сырого протеина . [21] Содержание углерода можно оценить по содержанию сырой золы (часто указывается в кормах для животных). [19] или на основании заявленных уровней макронутриентов как % углеводов × 0,44 + % жиров × 0,86 + % белков × 0,53 . [22]
Учитывая соотношение C:N и одно из содержаний C и N, другое содержание можно рассчитать, используя само определение соотношения. [19] Если известно только соотношение, необходимо оценить общее количество C+N% или одно из содержаний, чтобы получить оба значения.
Управление смешанным сырьем
[ редактировать ]Соотношение C:N в смешанном сырье рассчитывается путем суммирования количеств C и N и деления двух результатов. Для компоста влажность также является важным фактором. [19]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж 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 .
- ^ Грей КР, Биддлстоун А.Дж. 1973. Компостирование - параметры процесса. Инженер-химик. Февраль, стр. 71–76.
- ^ Стюарт, Кейт (2006). Это долгий путь к помидору. Нью-Йорк: Марлоу и компания. п. 155. ISBN 978-1-56924-330-5 .
- ^ Перейти обратно: а б с Праль Ф.Г., Эртель Дж.Р., Гони М.А., Воробей М.А. и Эверсмейер Б. «Вклад наземного органического углерода в отложения на окраине Вашингтона». Акта геохимии и космохимии . 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: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Зан, Р.; Комас, MC; Клаус А., ред. (февраль 1999 г.). «Источники, сохранность и термическая зрелость органического вещества в богатых органическим углеродом плиоцен-плейстоценовых отложениях западной части Средиземного моря». Материалы программы океанского бурения, 161 научный результат . Том. 161. Программа океанского бурения. doi : 10.2973/odp.proc.sr.161.235.1999 .
- ^ Перейти обратно: а б с Мюллер, П.Дж. (июнь 1977 г.). «Соотношения CN в глубоководных отложениях Тихого океана: влияние неорганических соединений аммония и органических соединений азота, сорбированных глинами». Geochimica et Cosmochimica Acta . 41 (6): 765–776. Бибкод : 1977GeCoA..41..765M . дои : 10.1016/0016-7037(77)90047-3 .
- ^ Бренна, Джей Ти; Корсо, Теннесси; Тобиас, HJ; Кайми, Р.Дж. (сентябрь 1997 г.). «Высокоточная масс-спектрометрия соотношения изотопов в непрерывном потоке». Обзоры масс-спектрометрии . 16 (5): 227–258. Бибкод : 1997MSRv...16..227B . doi : 10.1002/(SICI)1098-2787(1997)16:5<227::AID-MAS1>3.0.CO;2-J . ПМИД 9538528 .
- ^ Джаспер, Джон П.; Гагосян, Роберт Б. (апрель 1990 г.). «Источники и отложение органического вещества в позднечетвертичном бассейне Пигмеев, Мексиканский залив». Geochimica et Cosmochimica Acta . 54 (4): 1117–1132. Бибкод : 1990GeCoA..54.1117J . дои : 10.1016/0016-7037(90)90443-О .
- ^ Перейти обратно: а б Мейерс, Филип А. (июнь 1994 г.). «Сохранение элементной и изотопной источниковой идентификации осадочного органического вещества». Химическая геология . 114 (3–4): 289–302. Бибкод : 1994ЧГео.114..289М . дои : 10.1016/0009-2541(94)90059-0 . hdl : 2027.42/31544 .
- ^ Далем. «Поток на морское дно», отчет группы, ред. К. В. Бруланд и др., стр. 210–213, 1988.
- ^ Перейти обратно: а б с Эмерсон, С.; Хеджес, Дж. (2003), «Диагенез отложений и поток бентоса», Трактат по геохимии , 6 , Elsevier: 293–319, Бибкод : 2003TrGeo...6..293E , doi : 10.1016/b0-08-043751-6 /06112-0 , ISBN 978-0-08-043751-4
- ^ Раймо, Мэн ; Грант, Б.; Горовиц, М.; Рау, GH (апрель 1996 г.). «Тепло среднего плиоцена: сильнее теплица и сильнее конвейер». Морская микропалеонтология . 27 (1–4): 313–326. Бибкод : 1996МарМП..27..313Р . дои : 10.1016/0377-8398(95)00048-8 .
- ^ Перейти обратно: а б с д 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. Бибкод : 1993OrGeo..20..867M . дои : 10.1016/0146-6380(93)90100-П . hdl : 2027.42/30617 . S2CID 36874753 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Мейерс, Филип А. (июнь 1994 г.). «Сохранение элементной и изотопной источниковой идентификации осадочного органического вещества». Химическая геология . 114 (3–4): 289–302. Бибкод : 1994ЧГео.114..289М . дои : 10.1016/0009-2541(94)90059-0 . hdl : 2027.42/31544 .
- ^ Ишиватари, Рёши; Такамацу, Нобуки; Исибаши, Томоко (1977). «Разделение автохтонного и аллохтонного материала в озерных отложениях по разностям плотностей» . Японский журнал лимнологии (на японском языке). 38 (3): 94–99. дои : 10.3739/rikusui.38.94 . ISSN 0021-5104 .
- ^ Перейти обратно: а б с «Соотношение углерода и азота в системах земледелия» (PDF) . Служба охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США .
- ^ «Соотношение углерода и азота (C:N)» . Связь со здоровьем почвы .
- ^ Ли, Юн; Ву, Цзиньшуй; Шен, Цзяньлинь; Лю, Шулун; Ван, Конг; Чен, Дэн; Хуан, Типин; Чжан, Цзябао (декабрь 2016 г.). «Соотношение почвенных микроорганизмов C:N является надежным индикатором продуктивности почвы на рисовых полях» . Научные отчеты . 6 (1): 35266. Бибкод : 2016NatSR...635266L . дои : 10.1038/srep35266 . ПМК 5064311 . ПМИД 27739462 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж «Отношение C/N» . КОРНЕЛЛ Компостирование .
- ^ Хауг, Роджер (1993). Практическое руководство по компостной инженерии . ЦРК Пресс. ISBN 9780873713733 . Архивировано из оригинала 13 июля 2021 года . Проверено 16 октября 2020 г. .
- ^ Д. Джулиан МакКлементс. «Анализ белков» . Массачусетский университет в Амхерсте . Проверено 27 апреля 2007 г.
- ^ 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 .