Отношение углерода к азоту - Carbon-to-nitrogen ratio

А отношение углерода к азоту (Соотношение C / N или же Соотношение C: N) - отношение массы углерод к массе азот в веществе. Помимо прочего, его можно использовать для анализа отложений и компоста. Полезное приложение для отношений C / N - это прокси для палеоклимат исследования, имеющие различное использование, независимо от того, являются ли керны отложений наземными или морскими. Отношение углерода к азоту является индикатором ограничения азота у растений и других организмов и может определить, происходят ли молекулы, обнаруженные в исследуемых отложениях, от наземных или водорослевых растений.[1] Кроме того, они могут различать различные наземные растения в зависимости от типа фотосинтеза, которому они подвергаются. Следовательно, соотношение C / N служит инструментом для понимания источников осадочного органического вещества, что может привести к информации об экологии, климате и циркуляции океана в разные периоды истории Земли.[1]

Отношения C / N в диапазоне 4-10: 1 обычно происходят из морских источников, тогда как более высокие отношения, вероятно, возникают из наземных источников.[2][3] Сосудистые растения из наземных источников обычно имеют отношение C / N выше 20.[1][4] Отсутствие целлюлоза, который имеет химическую формулу (C6ЧАС10О5)п, и большее количество белков в водорослях по сравнению с сосудистыми растениями вызывает эту значительную разницу в соотношении C / N.[1][5][6]

Когда компостирование, для микробной активности используется соотношение C / N 30-35: 1, а более высокое соотношение приведет к более медленной скорости компостирования.[4] Однако это предполагает, что углерод полностью израсходован, что часто бывает не так. Таким образом, для практических сельскохозяйственных целей компост должен иметь исходное соотношение C / N 20-30: 1.[7]

Примером устройств, которые можно использовать для измерения этого отношения, являются CHN анализатор и отношение изотопов в непрерывном потоке масс-спектрометр (CF-IRMS).[8] Однако для более практических применений желаемое соотношение C / N может быть достигнуто путем смешивания обычно используемых субстратов с известным содержанием C / N, которые легко доступны и просты в использовании.

Приложения

морской

Органическое вещество, которое откладывается в морских отложениях, является ключевым показателем его источника и процессов, которым оно подвергалось до достижения дна, а также после осаждения, его отношения углерода к азоту.[9][10][4] В Мировом океане свежевыработанные водоросли на поверхности океана обычно имеют отношение углерода к азоту примерно от 4 до 10.[10] Однако было замечено, что только 10% этого органического вещества (водорослей), образующегося на поверхности океана, опускается в глубину океана, не подвергаясь разложению бактериями в пути, и только около 1% навсегда захоронено в отложениях. Важный процесс, называемый осадком диагенез составляет остальные 9% органического углерода, который опустился на дно океана, но не был захоронен навсегда, то есть 9% общий органический углерод произведенный деградирует в глубоком океане.[11] Сообщества микроорганизмов, использующие тонущий органический углерод в качестве источника энергии, неравнодушны к соединениям, богатым азотом, потому что большая часть этих бактерий ограничена азотом и предпочитает его углероду. В результате отношение углерода к азоту в тонущем органическом углероде в глубинах океана повышается по сравнению со свежим поверхностным органическим веществом океана, которое не было разложено. Экспоненциальный рост отношений C / N наблюдается с увеличением глубины воды - отношения C / N достигают 10 на промежуточных глубинах около 1000 метров и до 15 в глубоком океане (~> 2500 метров).[нужна цитата ]. Эта повышенная сигнатура C / N сохраняется в отложениях, пока другая форма диагенеза, пост-осадочный диагенез, не изменит ее сигнатуру C / N еще раз.[6] Пост-осадочный диагенез происходит в морских отложениях с низким содержанием органического углерода, где бактерии способны окислять органические вещества в аэробных условиях в качестве источника энергии. Реакция окисления протекает следующим образом: CH2O + H2O → CO2 + 4H+ + 4e−, со стандартной свободной энергией –27,4 кДж моль−1 (полуреакция).[11] Когда весь кислород израсходован, бактерии в качестве источника энергии могут проводить бескислородную последовательность химических реакций, все с отрицательными значениями ∆G ° r, причем реакция становится менее благоприятной по мере протекания цепочки реакций.[11]

Тот же принцип, описанный выше, объясняющий преимущественное разложение богатого азотом органического вещества, происходит в отложениях, поскольку они более лабильны и пользуются большим спросом. Этот принцип использовался в палеоокеанографических исследованиях для выявления основных участков, которые не испытали большой микробной активности или загрязнения земными 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 поверхностях глинистых минералов и защищается от бактерий. Это было предложено в качестве объяснения более низких, чем ожидалось, сигнатур C / N органического углерода в отложениях, которые подверглись пост-осадочному диагенезу.[6]

Аммоний произведен из реминерализация органического материала, существует в повышенных концентрациях (1 -> 14 мкм) в связных морских отложениях шельфа, обнаруженных в Кельтское море (глубина: 1–30 см). Глубина отложений превышает 1 метр и может быть подходящим местом для проведения исследований. палеолимнология эксперименты с C: N.

Озерный

В отличие от морских отложений диагенез не представляет большой угрозы для целостности отношения C / N в озерных отложениях.[1][13] Хотя древесина живых деревьев вокруг озер имеет стабильно более высокие отношения C / N, чем древесина, погребенная в отложениях, изменение элементного состава недостаточно велико для устранения сигналов сосудистых и несосудистых растений из-за тугоплавкой природы наземного органического вещества.[1][14][13] Резкие сдвиги в соотношении C / N вниз по ядру можно интерпретировать как сдвиги в исходном органическом материале.

Например, два отдельных исследования на Мангровом озере, Бермудских островах и озере Юноко, Япония, показывают нерегулярные резкие колебания C / N от примерно 11 до примерно 18. Эти колебания объясняются переходом от преобладания преимущественно водорослей к преобладанию сосудов на суше.[13][15] Результаты исследований, которые показывают резкие сдвиги в доминировании водорослей и доминировании сосудов, часто приводят к выводам о состоянии озера в эти отдельные периоды изотопных сигнатур. Времена, когда в озерах преобладают сигналы водорослей, предполагают, что озеро является глубоководным, тогда как времена, когда в озерах преобладают сигналы сосудистых растений, предполагают, что озеро мелкое, сухое или болотистое.[13] Использование соотношения C / N в сочетании с другими наблюдениями за отложениями, такими как физические вариации, изотопный анализ D / H жирных кислот и алканов и анализ δ13C по аналогичным биомаркерам, может привести к дальнейшим интерпретациям регионального климата, которые описывают более крупные происходящие явления.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Ishiwatari, R .; 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. Bibcode:1987GeCoA..51..321I. Дои:10.1016/0016-7037(87)90244-4.
  2. ^ Грей KR, Биддлстоун AJ. 1973. Компостирование - параметры процесса. Инженер-химик. Февраль, стр. 71–76.
  3. ^ Стюарт, Кит (2006). Это долгий путь к помидору. Нью-Йорк: Марлоу и компания. п. 155. ISBN  978-1-56924-330-5.
  4. ^ а б c Прахл, Ф. Г., Дж. Р. Эртель, М. А. Гони, М. А. Воробей и Б. Эверсмейер (1994). «Вклады наземного органического углерода в отложения на окраине Вашингтона». Geochimica et Cosmochimica Acta. 58 (14): 3035–48. Bibcode:1994GeCoA..58.3035P. CiteSeerX  10.1.1.175.9020. Дои:10.1016/0016-7037(94)90177-5.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  5. ^ Мейерс, Филип А. и Хайди Доуз. «29. ИСТОЧНИКИ, СОХРАНЕНИЕ И ТЕПЛОВАЯ ЗРЕЛОСТЬ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПЛИОЦЕН-ПЛЕЙСТОЦЕНОВЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УГЛЕРОДНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ЗАПАДНОГО СРЕДИЗЕМНОМОРЯ». Труды программы Ocean Drilling: научные результаты. Vol. 161. Программа, 1999.
  6. ^ а б c Мюллер, П. Дж. "Соотношения ХН в тихоокеанских глубоководных отложениях: влияние неорганического аммония и органических соединений азота, сорбированных глинами". Geochimica et Cosmochimica Acta 41, вып. 6 (1977): 765-776.
  7. ^ Далем. «Поток на морское дно», Group Report, ред. К.В. Bruland et al., Стр. 210–213, 1988.
  8. ^ Бренна, Дж. Томас и др. «Высокоточная масс-спектрометрия с непрерывным потоком изотопов». Обзоры масс-спектрометрии 16.5 (1997): 227-258.
  9. ^ Джаспер, Дж. П. и Р. Б. Гагосян. «Источники и отложения органических веществ в бассейне позднечетвертичных пигмеев, Мексиканский залив». Geochemica et Cosmochimica Acta 54, вып. 4 (1990): 1117-1132.
  10. ^ а б Мейерс, П. А. «Сохранение элементарных и изотопных источников идентификации осадочного органического вещества». Химическая геология 114, вып. 3-4 (1 июня 1994 г.): 289-302.
  11. ^ а б c Эмерсон С. и Дж. Хеджес. «Диагенез отложений и бентосный поток». Трактат по геохимии 6.11 (2003): 293-319.
  12. ^ Раймо, М. Э., и другие. «Среднеплиоценовое тепло: более прочная теплица и более сильный конвейер». Морская микропалеонтология 27.1 (1996): 313-326.
  13. ^ а б c d Мейерс, Филип А. и Риоши Ишиватари (1993). «Органическая геохимия озер - обзор индикаторов источников органического вещества и диагенеза в озерных отложениях» (PDF). Органическая геохимия. 20 (7): 867–900. Дои:10.1016 / 0146-6380 (93) 90100-П. HDL:2027.42/30617.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  14. ^ Мейерс, П. А. «Сохранение элементарных и изотопных источников, идентификация осадочного органического вещества». Химическая геология 114, вып. 3-4 (1 июня 1994 г.): 289-302.
  15. ^ Р. Ишиватари, Н. Такамацу и Т. Ишибаши. «Разделение автохтонных и аллохтонных материалов в озерных отложениях по разнице плотности». Японский журнал лимнологии 38 (1977).

внешняя ссылка