|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Мультиспектральный молекулярный анализ почвенного органического вещества при помощи методов оптоакустической и ИК-спектроскопииНИР
Multispectral molecular analysis of soil organic matter using the methods of optoacoustic and IR spectroscopy
- Руководитель НИР: Проскурнин М.А.
- Ответственные исполнители: Волков Д.С., Рогова О.Б.
- Участники НИР: Вырко Е.А., Карпухина Е.А., Михеев И.В., Хабибуллин В.Р., Шишкин М.А.
- Подразделение: НИЛ спектроскопических методов анализа
- Срок исполнения: 29 марта 2019 г. - 31 декабря 2023 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 19-13-00117
- Номер ЦИТИС: АААА-А19-119041190069-9
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Экология и рациональное природопользование
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству
- ПН России: Рациональное природопользование
- Критическая технология России: Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.19.15 Анализ неорганических веществ
- 31.19.29 Анализ органических веществ
- Классификатор OECD: Химические науки
-
Ключевые слова:
оптоакустическая спектроскопия, мультиспектральный анализ
на английском языке, молекулярная спектроскопия, гетерогенные объекты, неживое органическое вещество, почвенное органическое вещество, почвы, фракционирование, ик-спектроскопия
nonliving organic matter, optoacoustic spectroscopy, heterogeneous objects, multispectral analysis, molecular spectroscopy, soils, ir spectroscopy, fractionation -
Описание:
Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы — разработку новых принципов анализа органического вещества почвы, его структуры и трансформации. Конкретная задача, которая будет решаться в проекте в рамках этой фундаментальной проблемы — разработка принципов недеструктивного молекулярного анализа органического вещества почв с помощью твердофазной ИК-спектроскопии с различными способами регистрации сигнала с учетом гетерогенной структуры почвы и наличия в ней частиц с широким распределением по размерам и строению. Почва обеспечивает большую часть биогеофизических и химических взаимодействий поверхности Земли с грунтовыми водами и атмосферой. Она является фундаментальным природным ресурсом, который необходим в производстве продуктов питания, материалов и энергии и, фактически, для выживания человечества, а также для поддержания целостности экосистемы в глобальном масштабе. Органическое вещество почвы выбрано в качестве объекта исследования в проекте ввиду его особой значимости — как с точки зрения понимания механизмов почвообразования и деградации почв, так и для практических задач рекультивации почв и управления их плодородием. Почвенное органическое вещество представляет собой сложный ансамбль высоко- и низкомолекулярных органических и неорганических веществ, образующих единый органоминеральный комплекс, находящийся в тонкодисперсном состоянии. Большинство используемых сейчас аналитических методов (хромато-масс-спектрометрия, масс-спектрометрии, ЯМР-спектроскопия, методы пиролиза и хемолиза) обеспечивает информацию лишь о незначительной части почвенного органического вещества. При этом его структура нарушается и искажается вследствие деструктивной пробоподготовки (экстракции и/или химического фракционирования). Рентгеноструктурный анализ, являясь прямым недеструктивным методом установления структуры органических веществ, неприменим для почвенного органического вещества, т.к. оно представляет собой сложную аморфную многокомпонентную смесь. Исходя из этого, основная стратегия проекта заключается в разработке и применении принципиально новой концепции твердофазного анализа почвенного органического вещества. Она основана на использовании возможностей и ограничений различных способов регистрации сигнала в ИК-спектроскопии и заключается в препаративном разделении почв на узкие по размеру частиц фракции и последующем анализе почвенного органического вещества в выделенных частицах без их механического измельчения или химической обработки при помощи твердофазного спектрального анализа в широком диапазоне длин волн (от УФ до дальней ИК-области) с использованием специально разработанных методов математической обработки мультиспектральных данных (двумерной корреляционной спектроскопии). Колебательная спектроскопия в контексте исследования молекулярного состава почв, а особенно структурно-группового состава почвенного органического вещества, занимает уникальное положение. С одной стороны, поскольку она не требует растворения образцов и их изменения, возможно получение структурно-групповой информации обо всем молекулярном составе почвы, в том числе и почвенного органического вещества. С другой стороны, ее методы также могут работать и с растворами, полученными после различных видов экстракции, что позволяет сопоставлять эти данные с данными ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии. Поэтому в проекте основной акцент сделан на использовании колебательной, а именно ИК-спектроскопии. К настоящему моменту ИК-спектроскопия достигла нового уровня технического развития, который позволяет проводить определение как органических, так и неорганических веществ одновременно, при этом за счет различных вариантов взаимодействия излучения с веществом (пропускание, рассеяние, отражение) а также способов регистрации спектра (оптоакустическая ИК-спектроскопия, ИК-микроскопия) возможно извлечение аналитической информации от слоев вещества различной толщины — от десятков нанометров до десятков микрон. Однако использование этих возможностей требует разработки корректных с точки зрения физических основ метода методик пробоподготовки, учитывающих особенности почвы и известные закономерности распределения в ней органического вещества. Проект предполагает разработку методологии твердофазного ИК-спектрометрического анализа органического вещества почвы на примере дерново-подзолисттой, черноземной и каштановой почв, отличающихся различным гранулометрическим составом и контрастными условиям формирования самих профилей и, следовательно, органического вещества. Ситовое фракционирование, давно используемое в почвоведении, в предлагаемом проекте применяется исходя из совершенно иных предпосылок, а именно с позиции получения узких по размеру фракций частиц с целью дальнейшего применения различных способов регистрации ИК-сигнала и с учетом разной в этих способах глубины проникновения ИК-излучения в образец. При этом перед измерением образцы не будут подвергаться измельчению. Таким образом, информация, получаемая из ИК-измерений, будет относиться только к слоям на поверхности фракционированных агрегатов (для размеров агрегатов 5 мкм и более). Исходя из тех же позиций, в качестве отдельного нового приема предлагается разделение почвенных фракций с размером частиц от 25 нм до 5 мкм в виде суспензии на мембранных фильтрах. В этом случае информация будет получена от всего объема частиц. Таким образом, полученные данные могут быть интерпретированы с точки зрения пространственного распределения почвенного органического вещества. Анализ почвенного органического вещества применительно к выделенным почвенным частицам с использованием ИК-спектроскопии и ИК-микроспектроскопии будет проведен во всем ИК-спектральном диапазоне и в различных режимах (пропускание, нарушенное полное внутреннее отражение, диффузное отражение, оптоакустический эффект). В проекте будет использован дальний ИК-диапазон, который позволит регистрировать колебания связей тяжелых элементов, а также связей металл–углерод. В ходе выполнения проекта будет решен вопрос об аналитических возможностях оптоакустической ИК-спектроскопии почвенных частиц как уникального метода одновременного получения спектральной и размерной информации о микрочастицах и профилирования их по глубине. Разработка методологии и использование ИК-микроспектроскопии позволит провести анализ пространственного распределения органического вещества по поверхности почвенных частиц и агрегатов. Для обработки спектральных данных будут использованы производная ИК-спектроскопия и двумерная корреляционная спектроскопия, что позволит упростить сложные ИК-спектры, снизить влияние спектральных интерференций и, как следствие, приведет к повышению селективности анализа. В целом, за счет различных и комплементарных принципов получения сигнала и специально разработанных способов обработки информации, будет возможным интерпретировать полученные данные с точки зрения как качественного и количественного состава, так пространственного распределения почвенного органического вещества. Решение задач проекта послужит фундаментальной основой для дальнейшего развития аналитической химии природного органического вещества, а также будет использоваться для выяснения механизмов почвообразования, деградации и рекультивации почв, а также механизмов и путей трансформации органического вещества почв.
-
Abstract:
The project is aimed at solving a fundamental scientific problem — the development of new principles for analyzing the soil organic matter, its structure and transformation. The specific aim to be solved in the project within the framework of this fundamental problem is the development of the principles of non-destructive molecular analysis of soil organic matter with the help of solid-phase IR spectroscopy with various methods of signal acquisition, taking into account the heterogeneous structure of the soil and the presence of particles with a wide distribution in size and structure. The soil provides most of the biogeophysical and chemical interactions of the Earth surface with groundwater and the atmosphere. It is a fundamental natural resource that is needed in the production of food, materials, and energy and, in fact, for the survival of humankind, and to maintain the integrity of the ecosystem on a global scale. The organic matter of the soil was chosen as an object of study in the project, in view of its special significance — both in terms of understanding the mechanisms of soil formation and degradation, and for practical tasks of soil recultivation and fertility management. Soil organic matter is a complex ensemble of high- and low-molecular organic and inorganic substances that form a single organomineral complex in a finely dispersed state. Most analytical methods currently in use (chromatography–mass spectrometry, mass spectrometry, NMR spectroscopy, pyrolysis and chemolysis methods) provide the information only on a small part of the soil organic matter. At the same time, its structure is broken and distorted due to destructive sample preparation (extraction and/or chemical fractionation). X-ray diffraction analysis, being a direct nondestructive method for establishing the structure of organic substances, is not applicable to soil organic matter, it is a complex amorphous multicomponent mixture. Proceeding from this, the main strategy of the project is to develop and apply a fundamentally new concept of solid-phase analysis of soil organic matter. It is based on the use of the possibilities and limitations of various ways of signal acquisition in IR spectroscopy and consists in the preparative separation of soils into narrow particle size fractions and subsequent analysis of soil organic matter in the isolated particles without their mechanical grinding or chemical treatment by solid-phase spectral analysis in a wide wavelength range (from UV to far IR region) using specially developed methods of mathematical processing of multispectral data (two-dimensional correlation spectroscopy). Vibrational spectroscopy in the context of studying the molecular composition of soils, and especially the structural-group composition of soil organic matter, occupies a unique position. On the one hand, as it does not require the dissolution of samples and their modification, it is possible to obtain structural group information about the entire molecular composition of soil, including soil organic matter. On the other hand, its methods can also work with solutions obtained after different types of extraction, which makes it possible to compare these data with NMR spectroscopy and mass spectrometry data. Therefore, the main emphasis in the project is on the use of vibrational, namely, IR spectroscopy. To date, IR spectroscopy has reached a new level of technical development, which allows the determination of both organic and inorganic substances simultaneously, at the same time, due to various options for the interaction of radiation with matter (transmission, scattering, reflection) as well as methods for spectrum acquisition (optoacoustic IR-spectroscopy, infrared microscopy) it is possible to extract analytical information from layers of matter of different thicknesses — from tens of nanometers to tens of micrometers. However, the use of these possibilities requires the development of correct methods of sample preparation with due account for the soil features and the known regularities in the distribution of organic matter in terms of the physical principles of the method. The project involves the development of the methodology for solid-phase IR spectrometric analysis of soil organic matter using the example of sod-podzolic, chernozem and castanozem soils with different granulometric composition and contrasting conditions for the formation of the profiles themselves and, consequently, organic matter. Sieve fractionation, well-known in soil science, will be applied from other preconditions in the proposed project, namely from the position of obtaining narrow-size fractions of particles for the purpose of further application of various methods of IR-signal acquisition and taking into account different depths of penetration of infrared radiation into the sample in these methods. In this case, the samples will not be subjected to grinding before the measurement. Thus, the information obtained from IR measurements will refer only to the layers on the surface of fractionated aggregates (for aggregate sizes of 5 μm or more). As a separate novel technique, proceeding from the same positions as above, separation of soil fractions with a particle size from 25 nm to 5 μm in the form of a suspension on membrane filters is proposed. In this case, the information will be obtained from the total volume of the particles. Thus, the obtained data can be interpreted from the point of view of the spatial distribution of soil organic matter. Analysis of soil organic matter with reference to isolated soil particles using IR spectroscopy and IR microspectroscopy will be carried out in the entire IR spectral range and in various modes (transmission, attenuated total internal reflection, diffuse reflection, the optoacoustic effect). The project will use the far infrared range, which will record the vibrations of heavy element bonds, as well as metal-carbon bonds. In the course of the project, the question of the analytical capabilities of optoacoustic IR spectroscopy of soil particles will be solved as a unique method of simultaneous obtaining spectral and dimensional information on microparticles and profiling them in depth. The development of the methodology and the use of IR microspectroscopy will make it possible to analyze the spatial distribution of organic matter over the surface of soil particles and aggregates. To process the spectral data of IR spectroscopy, two-dimensional correlation spectroscopy will be used, which will simplify complex IR spectra, reduce the influence of spectral interference and, as a result, lead to an increase in the selectivity of the analysis. In general, due to different and complementary principles of signal acquisition and specially developed information processing methods, it will be possible to interpret the obtained data in terms of both qualitative and quantitative composition, as well as spatial distribution of soil organic matter. Solving the project tasks will serve as a fundamental basis for the further advances in analytical chemistry of natural organic matter, and will also be used to elucidate the mechanisms of soil formation, degradation and recultivation, as well as mechanisms and routes of transformation of soil organic matter.
-
Планируемые результаты:
В результате выполнения проекта будут получены: (1) данные о структурно-групповом составе органического вещества с учетом его распределения между агрегатами разного размера. (2) методики гранулометрического разделения агрегатов почв и тонких почвенных фракций при для целей ИК-спектроскопии; (3) условия регистрации спектров почвенных частиц при помощи различных вариантов ИК-спектроскопии; (4) теоретические модели, условия пробоподготовки и измерений при помощи оптоакустической ИК-спектроскопии для широкого диапазона почвенных фракций, включая профилирование микрочастиц по глубине; (5) методики проведения ИК-микроскопических измерений почв и почвенных фракций; (6) результаты использования производной ИК-спектроскопии и корреляционной спектроскопии для определения структурно-группового состава почвенного органического вещества; (7) обобщенный протокол исследования органического вещества почв при помощи ИК-спектроскопии с использованием различных вариантов получения спектральной информации и алгоритмов ее обработки. Научная новизна полученных результатов будет заключаться в разработке принципиально новой концепции твердофазного анализа почвенного органического вещества с использованием препаративного фракционирования, широкодиапазонной твердофазной ИК-спектрометрии и новых методов математической обработки спектральных данных (мультиспектрального анализа). Данные проекта будут использованы при решении вопроса формулировки понятия об органическом веществе почв на основе данных современных инструментальных методов анализа и химической структуры, что позволит решить вопрос о выделении его в отдельный класс соединений, что представляет собой одну из основных задач химии. Практическая значимость проекта заключается в том, что данные о качественном и количественном составе и распределении почвенного органического вещества важны как с точки зрения понимания механизмов почвообразования и деградации почв, так и для практических задач рекультивации почв и управлении ее плодородием. Полученные в проекте новые знания о структуре органического вещества почвы и его распределении между различными по размеру и составу почвенными частицами будут в дальнейшем использованы для решения фундаментальных проблем почвоведения. Достижимость поставленной задачи и возможность получения запланированных результатов определяется имеющейся у коллектива проекта необходимой теоретической, методической и материальной базой и существенным заделом коллектива как в области исследования почв, почвенных фракций, а также различных дисперсных материалов, так и при создании высокочувствительных методов и методологии ИК- и фототермоакустической спектроскопии сложных гетерогенных объектов. Сочетание компетенций авторского коллектива в области спектрального анализа и почвоведения будет являться одним из преимуществ предлагаемого проекта. Результаты работы будут опубликованы в серии статей в международных рецензируемых журналах и представлены на представительных международных конференциях.
-
Научный задел:
Постановка задачи Проекта-2019 исходила из того, что молекулярная спектроскопия (прежде всего, колебательная спектроскопия) в контексте исследования молекулярного состава почв, а особенно структурно-группового состава почвенного органического вещества, занимает уникальное положение. С одной стороны, она не требует растворения образцов и их изменения, и возможно получение структурно-групповой информации обо всем молекулярном составе почвы, в том числе и почвенного органического вещества. С другой стороны, ее методы также могут работать и с растворами, полученными после различных видов экстракции, что позволяет сопоставлять эти данные с данными ЯМР-спектроскопии и органической масс-спектрометрии. Выполнение всех поставленных в Проекте-2019 задач показало, что возможности анализа почвенного органического вещества при помощи ИК-спектроскопии в полностью недеструктивном варианте принципиально ограничены экстремальной сложностью изучаемого объекта и относительно низким содержанием органической компоненты. Сочетание различных вариантов регистрации ИК-спектров и разработанные приемы обработки спектров существенно увеличили информативность ИК-спектров почв, но и этот подход также ограничен физикой взаимодействия излучения с веществом.
-
Основные результаты:
В результате Проекта-2022 будут получены следующие результаты. (1) Данные о структурно-групповом составе почвенного органического вещества черноземных, дерново-подзолистых и каштановых почв, включая разные варианты землепользования и горизонтов с учетом его распределения между агрегатами с размером частиц от 10 нм до 10 мкм. (2) Условия и методы разделения и концентрирования почвенных агрегатов и мелких фракций почвы размером частиц от 10 нм до 10 мкм в виде узких фракций с использованием трековых мембранных фильтров, позволяющих получать образцы с воспроизводимыми характеристиками (общий элементный состав, фазовый состав, качественный и количественный функционально-групповой состав, средний размер частиц) для дальнейшего использования с ИК-спектроскопией и другими методами молекулярного спектрального анализа. (3) Подходы к качественной и количественной оценке структурно-группового и функционального состава различных фракций почвенного органического вещества, выделенного из почв разных типов. Разработка на их основе методик анализа почвенного органического вещества в ИК, УФ/видимом диапазоне в виде твердых образцов и водных коллоидных растворов. (4) База данных ИК-спектров поглощения в диапазоне 7000–100 см–1 черноземных, дерново-подзолистых и каштановых почв и выделенных из них фракций ПОВ, включая разные варианты землепользования и горизонтов с учетом его распределения между широкого набора гранулометрических фракций (общая база данных будет представлять результат работы над Проектом-2019 и Проектом-2022). (5) Результаты использования корреляционной ИК-спектроскопии для определения структурного и группового состава органического вещества почвы в широком диапазоне размерных фракций. (6) Обобщенный протокол для изучения органического вещества почв с помощью ИК-спектроскопии и мультиспектральных измерений, использующий различные варианты получения спектральной информации и алгоритмы ее обработки (общий протокол будет представлять результат работы над Проектом-2019 и Проектом-2022). (7) Протокол использования температурных зависимостей ИК-спектров как интегрального показателя состояния почвы и почвенного органического вещества в зависимости от типа почв и условий землепользования (общий протокол будет представлять результат работы над Проектом-2019 и Проектом-2022). Научная новизна полученных результатов будет заключаться в разработке принципиально новой концепции мультиспектрального анализа органического вещества почвы с использованием препаративного физического и химического фракционирования, широкополосной ИК-спектрометрии и новых методов математической обработки спектральных данных. Практически все планируемые результаты будут соответствовать передовому уровню исследований в мире, а некоторые методы и подходы (мембранное фракционирование почвенного органического вещества на узкие фракции, корреляционные ИК-спектроскопические данные по нескольким координатам: размер-температура-профиль почвы-землепользование), на момент подачи заявки не имеют аналогов в мире. Данные и результаты проекта будут использованы для решения фундаментальной задачи формулирования концепции органического вещества почв на основе современных инструментальных методов анализа и химического строения, что позволит решить проблему выделения его в отдельный класс соединений, что является одной из главных задач современной химии. Практическая значимость проекта заключается в том, что данные о качественном и количественном составе и распределении органического вещества почвы важны как с точки зрения понимания механизмов почвообразования и деградации почв, так и для практических задач рекультивации и управления плодородием почв, при этом разрабатываемые подходы (в частности, интегральные показатели) могут быть использованы вместе с простым оборудованием при массовом анализе и обработке почв сельскохозяйственного значения. Полученные в рамках проекта новые знания и данные о структуре органического вещества почвы и его распределении между различными по размеру и составу частицами почвы в дальнейшем будут использованы для решения фундаментальных проблем почвоведения. Достижимость поставленной задачи и возможность получения запланированных результатов определяется необходимой теоретической, методологической и материальной базой проектной команды, включая дублирование основного оборудования, и значительным резервом команды как в области исследований почв, почвенных фракций, а также различных дисперсных материалов, так и в разработке высокочувствительных методов и методологии ИК-спектроскопии и в целом мультиспектрального анализа сложных гетерогенных объектов. Сочетание компетенции авторского коллектива в области спектрального анализа и почвоведения станет одним из преимуществ предлагаемого проекта. Результаты работы будут опубликованы в серии статей в международных рецензируемых журналах с высоким импакт-фактором и представлены на представительных международных конференциях.
- Добавил в систему: Проскурнин Михаил Алексеевич
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 29 марта 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Мультиспектральный молекулярный анализ почвенного органического вещества при помощи методов оптоакустической и ИК-спектроскопии |
| Результаты этапа: Задача первого года работы над проектом заключалась в проведении ситового разделения агрегатов почв и разработке условий регистрации ИК-спектров применительно к искусственным органоминеральным комплексам и выделенным искусственным и реальным почвенным частицам, а также в отработке условий ИК-оптоакустического измерения частиц. Предложены условия проведения ИК спектрометрических измерений (НПВО и диффузное отражение) для фракций образцов с различным размером на модельных системах типа каолинит, монтмориллонит и силикагель, в том числе с точки зрения получения производных спектров первого и второго порядков. Это дало возможность создать базу модельных образцов для подбора условий ИК-спектрометрических измерений, включая ИК-оптоакустические измерения. Проведена количественная оценка влияния приборных параметров регистрации спектра и последующей математической обработки на конечный ИК-спектр нулевого порядка и производные спектры (оценки соотношения сигнал/шум, оценки разрешения и воспроизводимости измерений). Внимание уделено ближней и дальней ИК области и слабым полосам поглощения. Достигнута высокая воспроизводимость повторяющихся измерений спектров одного и того же образца, включая оптоакустические измерения: относительное стандартное отклонение 0,05–0,07 для диапазона волновых чисел 4000–1000 см–1. Проведено сухое ситовое разделение агрегатов ряда дерново-подзолистых почв и черноземов. В целом получены фракции почв и искусственных почвоподобных и минеральных образцов с размерами частиц: от 20 до 5000 мкм (всего — 15 фракций). Получены данные о количественном содержании различных фракций в образцах. Для образцов чернозема выявлены значительные отличия в характере распределения количества различных размерных фракций в почвах, не подвергающихся механической обработке (степь, лесополоса) и обрабатываемых. Для выделенных фракций получены данные полного элементного анализа (общий органический углерод, общий азот, элементный состав, включающий определение основных элементов Al, Si, Fe, Ti, Mn, Ca, Mg, K, Na, Ba, B, Sr, P, S, Zr, а также ряда примесных типа Cu, Zn, Ni, Cr, Mo методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой) и содержание воды. Во всех исследованных почвах распределение основных микро- и макроэлементов по профилю близко к равномерному, за исключением кальция и стронция, содержание которых резко увеличивается внизу профиля на границе обнаружения карбонатных новообразований. Для выделенных фракций почв и почвоподобных образцов получены ИК спектры и проведена интерпретация полос. Впервые проведена идентификация более 50 полос в ИК-спектрах почв в трех режимах измерений (НПВО, диффузное отражение, оптоакустические измерения) и проведено отнесение полос со спектрами минеральных частиц (матрицы почв) и почвоподобных образцов. Внимание уделено дальней ИК области (диапазону 800–300 см–1) с точки зрения идентификации полос поглощения связей, содержащих связи элементов (отличных от C, O, H) и выявления полос, которые могут быть использованы в качестве внутренних стандартов. Найдено, что ИК-спектры почв в основном определяются поглощением минеральной матрицы образца, и следует подразделять средний ИК-диапазон почв на три основные части следующим образом: область матрицы, 1100–500 см–1, содержащая основные пики соединений матричных элементов (кремния, алюминия и магния) в кристаллической решетке и в виде аморфных веществ; область обертонов и комбинационных полос кристаллических компонентов минеральной матрицы, 2500–1200 см–1 и OH-область 4000–2500 см–1, в которой доминируют водородные связи адсорбированной воды и OH групп поверхностных групп как минеральной матрицы, так и ПОВ. Для исследованных почв с доминирующей силикатной матрицей область 2050–1750 см–1 неизменна вне зависимости от содержания ПОВ и размера частиц из-за доминирующих колебаний обертонов полос кристаллического SiO2, поэтому любую из полос при 1980, 1880 и 1780 см–1 можно использовать в качестве внутреннего стандарта. Проведена корреляция между интенсивностью полос в ИК-спектрах и количеством соответствующих элементов, определённых с помощью ИСП-АЭС, а также с содержанием воды в образцах, сравнение перечисленных показателей для разных типов почв и их генетических горизонтов. Проведена идентификация и оценка количеств концентраций компонентов основных компонентов (SiO3, CO3, Al, Fe, Ca, Pb и Zn в режимах пропускания и НПВО. Идентифицированы все основные полосы и показано, что можно различать пики карбонатов и абсорбированного углекислого газа. Оценены возможность использования образцов оксидов в качестве стандартов для количественного определения и параметры производительности подхода. Предложены условия измерения оптоакустических ИК-спектров для фракций с различным размером на модельных системах (кварц, каолинит, монтмориллонит и силикагель), в том числе и с точки зрения получения производных первого и второго порядков. Процедура ручной коррекции эталонной интерферограммы обеспечила дополнительный учет разности спектров из-за изменений эталонной интерферограммы. Осуществлена количественная оценка влияния различных приборных параметров регистрации спектра и последующей математической обработки на конечный ИК-спектр нулевого порядка и производные спектры (в виде оценки соотношения сигнал/шум, оценки разрешения и воспроизводимости измерений). Полученные данные сравнены с результатами, полученными с помощью НПВО и диффузного отражения. Предложены условия измерения оптоакустических ИК-спектров для фракций минералов с различным размером частиц на модельных системах типа каолинит, монтмориллонит и силикагель с точки зрения профилирования по глубине. Проведен подбор условий измерения (частота модуляции сигнала, число сканирований и спектральное разрешение спектра), проведена оценка соотношения сигнал/шум, разрешения и воспроизводимости измерений в зависимости от условий измерений и типа образца. Исследованы образцы минералов и почв по глубине при помощи оптоакустических измерений за счет подбора частоты сканирования интерферометра. Для большинства фракций глубина проникновения меньше размера фракций, т.е. выбор режима сканирования позволяет оценить содержание компонентов с усредненной по площади (размер индуцирующего луча), но в слое единичных частиц. Для илистых фракций ситуация отличается, так как размер частиц (1 мкм) меньше, чем длина термодиффузии, поэтому в этом случае мы имеем средний сигнал от нескольких частиц по глубине. Это проявляется в малой зависимости спектров илистых фракций почв от частоты модуляции. Помимо этого показано, что интерпретация результатов должна учитывать структуру частиц почвы. Это дополнительно подтверждено сравнением образцов почв различных типов. В целом в рамках первого года работы над проектом: проведено ситовое разделения агрегатов почв и искусственных органоминеральных комплексов, разработаны условия регистрации ИК-спектров в режимах НПВО, диффузного отражения и оптоакустических измерений применительно к выделенным искусственным и реальным почвенным частицам в широком диапазоне размеров, проведена детальная идентификация полос поглощения в ИК-спектрах почв, отработаны условия ИК-оптоакустического измерения почвенных частиц и проведено сравнение различных режимов ИК-измерений с точки зрения минеральных компонент и почвенного органического вещества. Авторский коллектив принял участие в двух международных конференциях. Авторы проекта приняли участие в Международной конференции по термооптоакустическим явлениям, 20th International Conference on Photoacoustic and Photothermal Phenomena — ведущем мировом форуме в области оптоакустических и термооптических методов (Москва, с 7 по 12 июля 2019 года, организована под непосредственным руководством руководителя проекта). Подготовлено выступление на Пятой международной конференций СНГ МГО по гуминовым инновационным технологиям «Гуминовые вещества и живые системы» (HIT-2019) с 19 по 23 октября 2019 г., Москва, Россия. Страница проекта в системе ИСТИНА МГУ имени М.В. Ломоносова https://istina.msu.ru/projects/189775615/ | ||
| 2 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Мультиспектральный молекулярный анализ почвенного органического вещества при помощи методов оптоакустической и ИК-спектроскопии |
| Результаты этапа: Задача второго года работы над Проектом состояла в разработке условий разделения тонких почвенных фракций, расширении разработанных в 1 год приемов ИК-измерений на образцы, полученные при помощи разных вариантов фракционирования и широкий набор контрастных по условиям образования, а значит, и по минералогическому составу и условиям формирования органического вещества образцов дерново-подзолистых, черноземов и каштановых почв, использующихся в разных системах землепользования, в том числе образцов из генетических горизонтов разрезов этих почв. Проведено сравнение результатов для почвенных образцов дерново-подзолистых, черноземных и каштановых почв с точки зрения чувствительности и прецизионности методами ИК-НПВО, диффузного отражения и ИК-оптоакустической спектроскопии и завершена начатая на 1 году работы над проектом оптимизация условий ИК-измерений. Это привело к разработке ряда методических приемов. Для измерений диффузного отражения предложен методический прием измерений спектров относительно диффузного отражения зеркала, что впервые применено для почвенных образцов. Показано, что это не приводит к систематическим погрешностям и обеспечивает существенный рост чувствительности и прецизионности измерений по сравнению с существующими вариантами измерения. Для измерений диффузного отражения и НПВО-ИК проведено сравнение чувствительности измерений при помощи фотоэлектрического и пироэлектрического детекторов, и показано, что фотоэлектрический способ регистрации обеспечивает более высокое соотношение сигнал/шум в дальней, средней и ближней ИК-областях, что увеличивает чувствительность со средней ИК-области и позволяет идентификацию полос в ближней ИК-области при измерениях диффузного отражения и в области 4000–2000 см–1 для НПВО-ИК спектроскопии, что существенно увеличивает возможности последнего метода при качественном анализе почв и дискриминации почвенных образцов. Разработанные с превышением плана работ эти методические приемы повышают чувствительность, селективность и прецизионность измерений. Проведена проверка влияния объема образца на качество ИК-спектров информации (НПВО, диффузное отражение и ИК-оптоакустическая спектроскопия) для почв и почвенных фракций. Исследована представительность почвенных образцов. Найдено, что узкие фракции почвы со схожими свойствами облегчают решение проблемы репрезентативности образцов и ИК-анализа в целом. Показано, что фракция <20 мкм как в почвах разных типов, так и для разного агрогенеза дает ту же информацию, что и другие фракции и целые почвы, ее можно использовать в качестве репрезентативной выборки для всего исследуемого объекта почвы. Проведен анализ всей полученной ИК-спектральной информации (НПВО, диффузное отражение и ИК-оптоакустическая спектроскопия) и определение структурно-группового состава почвенного органического вещества во фракциях разных типов почв. Идентифицированы все основные полосы, относящиеся к почвенному органическому веществу, а также минеральной матрицы почв, анализ данных для более широкого набора почв и почвенных фракций позволил провести более детальную идентификацию полос, включая карбонатные и фосфатные компоненты, полосы, относящиеся к азотсодержащих фрагментам и водородным связям функциональных групп гуминовых веществ. Для обработки и интерпретации спектры разделены на следующие диапазоны: диапазон обертонов почвенного органического вещества и воды (5700–3800 см–1), диапазон водородных связей (3775–3100 см–1), диапазон CH (3100–2560 см–1), диапазон почвенного органического вещества (2000–1340 см–1), диапазон обертонов матрицы (1340–800 см–1) и диапазон фундаментальных колебаний матрицы (840–200 см–1). Эти диапазоны выбраны так, чтобы они содержали доминирующий тип полос, и их можно легко выбрать таким же образом для целей сравнения почвенных образцов с минеральными или сильно загрязненными образцами. Проведен выбор условий разделения тонких почвенных фракций дерново-подзолистых и каштановых почв и черноземов и регистрация их ИК-спектров. Для измерений фракций почв и минералов с размером менее 5 мкм НПВО-ИК предложен способ нанесения на алмазный НПВО кристалл в виде суспензии. Этот подход обеспечивает максимально плотный контакт частиц с поверхностью кристалла, и, таким образом, многократный рост чувствительности по сравнению со стандартным вариантом с прижиманием порошка винтом, а также уменьшение искажения формы полос из-за влияния светорассеяния. Кроме того, подобранные условия (измерения на постоянно нагретом до 50°С кристалле и нанесение капли объемом 5 мкл) позволяют регистрировать спектры с исключительно малых количеств пробы, порядка нескольких мкг. Получены данные общей химической характеризации (общий органический углерод, общий азот, элементный состав), ИК-спектры (в режимах пропускания, НПВО и диффузного отражения) и результаты определения структурно-группового состава почвенного органического вещества тонких почвенных фракций почв различных типов. Проведено моделирование глубины проникновения затухающего ИК-излучения для ИК-НПВО и ИК-оптоакустических измерений. При этом образцы получены при помощи как сухого и мокрого фракционирования, так и мембранной фильтрации, показаны и достоинства и недостатки, из разных вариантов фракционирования получена дополняющая друг друга информация. На основе полученных данных выработаны рекомендации для ИК-анализа почв. Можно рассмотреть три уровня задач. (1) Общий обзор (survey) с использованием основных полос CHx, воды и функциональных групп; он может быть реализован с помощью любого метода. НПВО предпочтительнее из-за простоты и быстроты, но требует чувствительного детектора и его использование для количественных измерений затруднено из-за отсутствия внутреннего стандарта; Метод диффузного отражения можно использовать в любых условиях и с любым детектором, при этом он обеспечивает высокую прецизионность и чувствительность измерений; ИК-оптоакустическая спектроскопия обеспечивает большой объем информации, но для высокой чувствительности требует достаточно низкую частоту интерферометра, что приводит к потере прецизионности и существенном увеличении времени анализа. (2) сравнение почв по основным и вторичным полосам (основные поверхностные фрагменты) и т. д. решение задач такого типа требует двух методов ИК-спектроскопии; при этом метод диффузного отражения предпочтителен в качестве основного метода, чтобы обеспечить максимальную чувствительность для всех диапазонов и, т.о. для всех компонентов почвенных образцов. Также можно использовать НПВО–ИК, но для этого требуется чувствительный детектор. (3) Задачи полного анализа объекта с точки зрения исследования малых изменений, связанных с деградацией, рекультивацией и т.д. В таком случае весьма целесообразно использовать все три метода. Метод диффузного отражения с высокочувствительным детектором и в ближней ИК-области для перекрестной проверки с ИК-оптоакустической спектроскопией основных полос C–H и HOH в диапазоне 2700-1900 см–1 и полос обертонов матрицы; в то время как НПВО следует использовать совместно с ДО при 2000–300 см–1 для оценки вклада полос почвенного органического вещества и при помощи ИК-оптоакустической спектроскопии для анализа изменения минеральной матрицы. Наиболее сложный для интерпретации диапазон 1500–900 см–1 требует всех трех методов (при этом ОА–ИК как минимум, при двух частотах интерферометра для профилирования по глубине), чтобы выявить возможные пики артефактов, возможный вклад внешних факторов (сезонных, внесения удобрений и т.п.) оптическое/тепловое насыщение в спектроскопии диффузного отражения и ИК-оптоакустической спектроскопии и выявление природы сложных пиков, которые могут состоять из функциональных групп почвенного органического вещества и комбинационных или основных полос матрицы. С превышением плана проведено моделирование и сравнение условий пробоподготовки, чувствительности, селективности и прецизионности измерений и измерений при помощи ИК-оптоакустической спектроскопии и ИК-НПВО измерений для широкого диапазона почвенных фракций, профилей по глубине и образцов различного использования. Исследованы ранее не изучавшиеся в полной мере и на таком объеме данных проблемы прецизионности измерений и представительности почвенных образцов. | ||
| 3 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Мультиспектральный молекулярный анализ почвенного органического вещества при помощи методов оптоакустической и ИК-спектроскопии |
| Результаты этапа: Все задачи третьего года работы над проектом выполнены полностью и с превышением планов. 1. Получены результаты идентификации и количественной оценки органических, неорганических и органо-минеральных компонентов почвенных фракций дерново-подзолистых, каштановых почв и черноземов, полученных при помощи разных вариантов фракционирования и фильтрации и широкого набора контрастных по условиям образования, использующихся в разных системах землепользования и образцов генетических горизонтов разрезов. Получены результаты сравнения фракций размером менее 20 мкм, выделенных различными способами фракционирования. Проведен анализ ИК-спектральной информации (НПВО, диффузное отражение и ИК-оптоакустическая спектроскопия) и определение структурно-группового состава почвенного органического вещества в полученных фракциях разных типов почв. Для сравнения ИК-спектров разных фракций черноземов, дерново-подзолистых и каштановых почв использованы условия измерения, оптимизированные в рамках работ, проведенных 1–2 годов работы над проектом и уточненные в работах этого года. Идентифицированы все основные полосы, относящиеся к ПОВ, а также минеральной матрицы почв, анализ данных для более широкого набора почв и почвенных фракций позволил провести более детальную идентификацию полос, включая карбонатные и фосфатные компоненты, полосы, относящиеся к азотсодержащих фрагментах и полосы, относящиеся к водородным связям функциональных групп гуминовых веществ. Полученные результаты легли в основу опубликованных работ: Volkov D. S., Rogova O. B., Proskurnin M. A. Chestnut soils: A comparison study by diffuse reflectance and attenuated total reflection FTIR spectroscopies with fractionation // Proceedings of the 7th World Congress on New Technologies (NewTech'21). 2021. P. ICEPR 114. DOI: 10.11159/icepr21.114 Dmitry S. Volkov, Olga B. Rogova, and Mikhail A. Proskurnin. Organic matter and mineral composition of silicate soils: FTIR comparison study by photoacoustic, diffuse reflectance, and attenuated total reflection modalities. AGRONOMY-BASEL, 11(9):1879, 2021. DOI: 10.3390/agronomy11091879 (Q1, IF = 3.417 (2020) ; 5-Year IF: 3.64 (2020) 2. Установлены условия измерений и параметры прецизионности, инструментальной и аналитической чувствительности для почв разных типов и почвенных фракций при помощи ИК-диффузного отражения, НПВО и оптоакустических измерений в дальней, средней и ближней ИК-области. Проведено сравнение оптоакустического (ОА-ИК), диффузного отражения (ДО-ИК) и нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО-ИК) методов ИК-спектроскопии в широком диапазоне волновых чисел от ближней (7500 см–1) до дальней ИК области (150 см−1) для одних и тех же образцов силикатных и силикатно-карбонатных почв в одних и тех же условиях (Рис. 1.1-1.8 сопроводительных материалов к этой форме). Сопоставлены возможности экспрессного неразрушающего качественного анализа почв с помощью этих методов без комплексной обработки данных. Впервые идентифицировано более 100 полос для чернозема и дерново-подзолистой почвы в качестве распространенных типов силикатных типов почв (таблица 5-1, сопроводительные материалы к форме 5И). Предложены и дополнительно уточнены условия ИК-измерений в режиме диффузного отражения, которые обеспечивают максимальное количество надежно полученных полос (таблица 5-1, сопроводительные материалы к форме 5И, рис. 1-9, сопроводительные материалы к этой форме) и демонстрирует самую высокую общую чувствительность во всем диапазоне, от ближней до дальней ИК-области. Полосы в БИК области (7500–4500 см−1) могут использоваться только с этим режимом измерений из-за меньшего шума, при этом в ОА-ИК видны только самые интенсивные пики ДО-ИК как слабые аналоги. Показано, что в отличие от ранее проведенных исследований (Bertaux, Froehlich и др., 1998; Brown, Shepherd и др., 2006; Calderón, Mikha и др., 2011; Krivoshein, Volkov и др., 2020; Pasieczna-Patkowska and Madej, 2018), ДО-ИК для почв должна быть реализована с использованием технологии с зеркалом как образцом сравнения, что было впервые предложено в этом проекте. Зеркало служит эталонным образцом, уменьшая шум и обеспечивая высокую чувствительность и воспроизводимость. Таким образом, этот вариант обеспечивает измерения диффузного отражения без разбавления образца и, следовательно, гораздо более ценную информацию из спектров диффузного отражения. Этот метод позволяет измерять диффузное отражение без разбавления образца KBr, таким образом, без изменения воспроизводимости и чувствительности. Таким образом, , ДО-ИК может проводить анализ почвенной съемки в более широком регионе и с достаточной чувствительностью; таким образом, его можно считать основным способом решения этой задачи. ОА-ИК можно рассматривать как альтернативную, НПВО-ИК как дополняющую модальность. В целом предложена концепция двумодальности ИК-измерений почв, т. е. одновременное использование двух дополнительных модальностей с различными, но надежными спектрами, может предоставить больше информации при анализе почв, включая близкие по составу образцы. Полученные результаты легли в основу опубликованных работ: Dmitry S. Volkov, Olga B. Rogova, and Mikhail A. Proskurnin. Organic matter and mineral composition of silicate soils: FTIR comparison study by photoacoustic, diffuse reflectance, and attenuated total reflection modalities. AGRONOMY-BASEL, 11(9):1879, 2021. DOI: 10.3390/agronomy11091879 (Q1, IF = 3.417 (2020); 5-Year IF: 3.64 (2020) Volkov D. S., Rogova O. B., Proskurnin M. A. Chestnut soils: A comparison study by diffuse reflectance and attenuated total reflection FTIR spectroscopies with fractionation // Proceedings of the 7th World Congress on New Technologies (NewTech'21). 2021. P. ICEPR 114. DOI: 10.11159/icepr21.114 3. Осуществлена классификация полученных ИК-спектров почв и фракций и связи между элементным и структурно-групповым составом, в том числе и методами многомерной статистики. Получены данные элементного состава для примесных и матричных элементов для различных типов почв, профилей по глубине и различных вариантов землепользования. Помимо данных этого года в обобщение включены и расширены данные по черноземным и дерново-подзолистым почвам, полученные на 1 и 2 годах работы над проектом. Получены профили по фракционным размерам и глубине для 16 элементов и их взаимные корреляции. Установлены значительные положительные корреляции между всеми парами K, Ba, Al, Cr, Ti, Cr, V., Fe, Mn. Найдены значительные отрицательные корреляции содержания кремния со всеми остальными элементами. Получены профили всех элементов для 4–5 горизонтов (в зависимости от типа почвы). Проведено сравнение данных структурно-группового анализа при помощи ИК-спектроскопии и элементного состава почв различного типа и различного землепользования, в том числе профилей по глубине и размерных фракций образцов почв. Найдено, что для каштановых почв содержание кремния незначительно растет с глубиной, при этом в слоях BC и CCs его содержание в крупных фракциях. Для мелких фракций есть положительная корреляция с интенсивностью полос оксида кремния в ИК спектре. Для всех типов почв найдено, что общее содержание кремния лучше коррелирует с полосами, отнесенным к общему кремнию или его аморфных формам. Предложен метод ИК-измерений почв и почвенных фракций при помощи гомоспектрального варианта двумерной корреляционной спектроскопии. Применили гомоспектральную 2DCOS для более точной оценки и идентификации полос, поскольку корреляционная спектроскопия позволяет упростить спектры сложных образцов, состоящие из множества перекрывающихся полос и увеличить спектральное разрешение. Получены двумерные корреляционные спектры почвенных фракций дерново-подзолистых, каштановых почв и черноземов, полученных при помощи разных вариантов фракционирования и фильтрации и набора контрастных по условиям образования, использующихся в разных системах землепользования и образцов генетических горизонтов разрезов. Для каштановых почв, различающихся как изменением состава органического почвенного вещества, так и минеральной частью, применение 2D-COS корреляционных карт не приводит к появлению существенной новой информации, в то время как для дерново-подзолистых и черноземных почв 2D-COS предоставляет дополнительный набор данных. В частности гомоспектральная синхронная 2D-COS (рис. 1-16, сопроводительные материалы к этой форме) размерных фракций черноземов для диффузного отражения показывает наличие положительной корреляции в области 4000–3600 см–1, соответствующей водородным связям и области 1100–200 см–1, соответствующие полосам кварца. Одновременно, асинхронная 2DCOS показывает различия для более узких областей (рис. 1-16, сопроводительные материалы к этой форме), приводя к корреляционным полосам 3690, 3660, 3620, 2930, 2830, 1643, 1562, 1444, 1251, 1158, 1070, 797, 505 см–1. Этот набор полос весьма интересен, поскольку первые три полосы относятся к области водородных связей и свидетельствуют об увеличении доли несвязанного с органическим веществом или связанного с адсорбированной водою силиката и кварца в мелких фракциях, что согласуется с ростом полосы адсорбированной воды при 1643 см–1. Полосы 1070, 797 и 505 см–1 относятся к кристаллическому кварцу, и их доля растет при увеличении размера фракции. Наиболее важным представляется проявление пиков 1562, 1444, 1251, 1158 см–1 которые исходя их всей совокупности полученных данных, не имеют вклада от неорганических составляющих обусловлены ароматическими соединения, карбоксилатными группами и полосой Amide III, при этом интенсивность корреляционных полос существенна и позволяет делать первичную дискриминацию размерных фракций. Полученные результаты легли в основу работы, которая на момент подачи отчета находится в редакции ACS Omega (Q1) после решения "minor revision" (по правилам РНФ не включена в список литературы) Petr Krivoshein, Dmitry Volkov, Olga Rogova, Mikhail Proskurnin, FTIR Photoacoustic and ATR Spectroscopies of Soils with Aggregate Size Fractionation by Dry Sieving 4. Получены ИК-НПВО спектры почв при нагреве с целью углубленной интерпретации спектров за счет различий в поведении полос разной природы и удаления полос жидкой воды. Исследованы температурные зависимости ИК-спектров различных по размеру агрегатных фракций черноземных и дерново-подзолистых почв в диапазоне 25–215 °C (298–488 К с шагом 2,5 °С при нагревании на воздухе) для образцов различного сельскохозяйственного назначения. Эти данные дополнены применением ИК-спектроскопии с контролем температуры для изучения органического вещества и минерального состава гуминовых веществ (ГВ). Выполнены температурные зависимости средних ИК-спектров гуминовых веществ, нагретых на воздухе в диапазоне 25-215 °C (298-488 К, с шагом 2,5 °C) — для трех коммерчески доступных образцов, выделенных из бурого угля (леонардита). Идентифицированы характеристические полосы, и сопоставлены их изменения в положениях максимумов полос и интенсивности. Впервые зафиксировано обратимое изменение частот, соответствующих максимумам полос в ИК-спектрах при нагревании, что можно интерпретировать как формирование структур с определенным порядком в исследуемых гуминовых веществах и почвах в сухом состоянии. Для одного образца как масштаб сдвига полос, так и функциональная зависимость различных полос от температуры существенно различаются. Подход дифференцирует полосы кристаллического кварца, аморфный кремнезем и группы ПОВ/поверхности, испытывающие различное температурное поведение максимумов полос и их интенсивности. Температурную зависимость максимума полосы можно считать более устойчивой к изменениям условий эксперимента, чем максимумы полосы при одной температуре, что обеспечивает более детальный анализ структуры ПОВ без разложения или разрушения ПОВ и в целом, служить новым количественным параметром, характеризующим почвы с помощью ИК-спектроскопии. Полученные результаты легли в основу опубликованных работ: Dmitry S. Volkov, Olga B. Rogova, and Mikhail A. Proskurnin. Temperature dependences of ir spectra of humic substances of brown coal. AGRONOMY-BASEL, 11(9):1822, 2021. DOI: 10.3390/agronomy11091822 (Q1, IF = 3.417 (2020); 5-Year IF: 3.64 (2020) Dmitry S. Volkov, Olga B. Rogova, and Mikhail A. Proskurnin. Temperature dependences of ir spectral band frequencies of soils. In Proceedings of the 7th World Congress on New Technologies (NewTech'21), page ICEPR 115, 2021. DOI: 10.11159/icepr21.115 5. Получены ИК-микроскопические данные для почвенных фракций дерново-подзолистых, каштановых почв и черноземов, полученных ситовым рассевом и мембранной фильтрацией. Проведено сравнение методик пробоподготовки образцов для ИК-микроскопии, высаживания на фильтр и прессования, и показано, что первый способ приводит к более воспроизводимым результатам. Получены ИК-микроскопические изображения отдельных фракций, что дополнено оптическими и флуоресцентными измерениями, т.к. пространственное разрешение ИК-микроскопии не всегда достаточно (рис. 1-18, сопроводительные материалы к этой форме). Предложены приемы регистрации ИК-спектров после мембранной фильтрации, поскольку Непосредственно с фильтра регистрировать ИК-спектры зашумлены материалом фильтра. Показано, что НПВО-ИК не является оптимальным методом исследования гетерогенных тонких фракций почв, и предпочтителен бесконтактный вариант. Показано, что тонкие фракции почв следует обрабатывать аналогично сложившейся практике исследования инженерных нано- и субмикрочастиц и частиц микропластика, т.е. идентифицировать и подсчитывать число частиц каждого типа, в том числе и методами машинного обучения. 6. Выработаны обобщенные принципы анализа органического вещества почв, общий протокол анализа почв при помощи ИК-спектроскопии. Так как они являются итогом всех трех лет работы над проектом, они представлены в итоговой форме отчета по проекту. | ||
| 4 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Мультиспектральный молекулярный анализ почвенного органического вещества при помощи методов оптоакустической и ИК-спектроскопии |
| Результаты этапа: Задача первого года работы над Проектом-2022 состояла в разработке условий разделения тонких почвенных фракций черноземных почв, использующихся в разных системах землепользования, в том числе образцов из генетических горизонтов разрезов этих почв, а также расширении разработанных в рамках Проекта-2019 приемов ИК-измерений на образцы, полученные при помощи разных вариантов тонкого фракционирования и мембранной фильтрации. Все задачи первого года работы над проектом-2022 выполнены полностью, с превышением планов и частично досрочно. Получены тонкие фракции, полученные в результате мембранного разделения агрегатов ряда горизонтов черноземов, различающихся историей и интенсивностью агропользования; получены данные о количественном содержании различных фракций в образцах. На базе работ, выполненных в рамках Проекта 2019, дополнительно оптимизированы условия разделения тонких почвенных фракций дерново-подзолистых почв и черноземов и регистрация их ИК-спектров. Предложена методика мембранного разделения тонких почвенных фракций почв различных типов. Проведено сравнение результатов ИК-измерений со спектрами исходных сухих фракций по основным полосам минеральной матрицы, почвенного органического вещества (ПОВ) и минорных компонентов. Проведена обработка данных (дифференцирование, гомоспектральная двумерная корреляционная (2D-COS) спектроскопия) наборов ИК-спектров. Идентифицированы все основные полосы, относящиеся к ПОВ, а также минеральной матрицы почв, всего более 50 полос. Для выделенных фракций получены данные полного элементного анализа (включающего определение макро- и микроэлементов Al, Si, Fe, Ti, Mn, Ca, Mg, K, Na, Ba, B, Sr, P, S, Zr, и др. методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Проведена корреляция между интенсивностью полос в ИК-спектрах и количеством соответствующих элементов, определённых с помощью ИСП-АЭС, а также с содержанием воды в образцах, сравнение перечисленных показателей для разных типов почв и их генетических горизонтов. В части методологии измерений план расширен по сравнению с исходным планом работ на 2022 год. Предложен ряд методических приемов, повышающих селективность и прецизионность ИК-НПВО измерений вытяжек почв, включая тонкие фракции. Фракции, полученные в результате экстракции водой и щелочью ПОВ из физических фракций, полученных в результате ситового разделения агрегатов, содержащихся в образцах горизонтов черноземов, различающихся историей и интенсивностью агропользования: невозделываемых в течение нескольких столетий: коренного леса (дубрашины), косимой степи, 60-летней лесополосы на месте бывшей пашни; регулярно обрабатываемых почв: пашни под бессменной пшеницей, бессменного 60-летнего ежегодно вспахиваемого пара. Получены данные элементного состава, ИК спектры (в том числе с нагревом) и проведена интерпретация полос и полные флуоресцентные спектры. Гомоспектральная 2D-COS-спектроскопия черноземов, а также вытяжек одного типа для разных горизонтов и вариантов землепользования показала, что в основном корреляционные полосы сосредоточены в диапазоне 1850–1050 см–1. Синхронные полосы, однозначно идентифицируемые как полосы Si–O, дают гораздо более узкие корреляционные области для основной переменной и широкие для коррелируемой, что дает возможность, в первом приближении, отличить их от вклада полос, которые можно отнести к ПОВ или воде и диоксиду углерода. Возможно нормировать 2D-COS карты ПОВ по полосе 1156 см–1 (SiO2, решеточные колебания), поскольку они однозначно проявляются на всех корреляционных картах. Более «округлые» области вокруг этой полосы, коррелирующие с карбоксилами, можно отнести к C–OH. При этом, как правило, колебания неорганической матрицы одинаково проявляются на синхронных и асинхронных корреляционных картах, что дает второе свойство, отличающее их от нематричных полос. Гетероспектральная 2D-COS-спектроскопия подтверждает сравнительный анализ гомоспектральных 2D-COS-расчетов: некосимая степь показывает подобие с черным паром, и для этих двух типов землепользования наблюдается общее снижение количества и разнообразия ПОВ, для пахотных земель характерно еще меньшее количество и обеднение по всем функциональным группам, в то время как для лесополосы количество ПОВ увеличивается, а разнообразие состава не улучшается, и занимает промежуточное положение между паром и пашней. Показано на основе общих коэффициентов корреляции, что: (1) чернозем некосимой степи в целом похож на все три остальные типа образцов, при этом (2) менее всего коррелированы образцы лесополосы и пахотной земли, (3) плохо коррелированы образец черного пара и лесополосы. Сравнение результатов ИК-измерений со спектрами исходных сухих фракций при помощи гетероспектральной 2D-COS-спектроскопия показало, что отличия в основном заключаются в существенном снижении матричных корреляций без усиления и существенного изменения корреляций, относимых к ПОВ. Температурные зависимости ИК-спектров полученных физически и химически выделенных фракций горизонтов черноземов, различающихся историей и интенсивностью агропользования. Результаты сравнения данных, полученных при помощи температурных зависимостей с данными, полученными для мультиспектрального анализа. Для каждой фракции построены информационные кубы в координатах «волновое число – температура – оптическая плотность», при этом экспериментальные зависимости максимумов полос построены для потенциальных функциональных групп ПОВ (изменение химического взаимодействия, изменение энергий асинхронных и синхронных валентных колебаний) и характеристических колебаний матрицы (изменение параметров решетки и кристаллических центров). На массиве исследованных образцов черноземных и, частично, дерново-подзолистых почв показано отличное от матричных зависимостей поведение полос полиароматических соединений, 770–735 см–1, внеплоскостные колебания C–H ароматических структур и совместные C–H колебаний алканов 715–700 см–1 и C–C колебания 450–425 см–1. Схожий характер свидетельствует о том, что эти полосы обусловлены одним и тем же типом групп – связанных друг с другом скелетных колебаний. В отличие от интенсивностей в максимуме полос поглощений, интегральные показатели существенно в большей степени проявляются в черноземе по сравнению с дерново-подзолистой почвой. Таким образом, температурные зависимости максимума полос и интегральных площадей полос в ИК-спектре почвенных образцов чернозема в диапазоне неразрушающих температур 25–215 являются аналитическими сигналами, более устойчивыми к изменениям условий эксперимента, чем максимумы этих полос при одной температуре. Показаны возможности температурных изменений фракций почв как нового количественного параметра, характеризующего почвы с помощью ИК-спектроскопии как в средней, так и дальней ИК-областях. | ||
| 5 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Мультиспектральный молекулярный анализ почвенного органического вещества при помощи методов оптоакустической и ИК-спектроскопии |
| Результаты этапа: Цель второго года работы состояла в расширении и уточнении условий разделения тонких почвенных фракций почв, разработанных на предыдущем этапе исследований, для почв других типов (дерново-подзолистых и каштановых), использующихся в разных системах землепользования, в том числе образцов из генетических горизонтов разрезов этих почв, а также в расширении и обобщении приемов ИК-измерений на образцы, полученные при помощи разных вариантов тонкого фракционирования и мембранной фильтрации. Задачи второго года работы включали: (1) исследования водорастворимой и извлекаемой щелочью частей почвенного органического вещества из фракций сухого рассева дерново-подзолистых и каштановых почв; (2) исследования почвенных фракций менее 10 мкм дерново-подзолистых и каштановых почв; (3) исследования температурных зависимостей ИК-спектров физически и химически выделенных фракций как новых интегральных показателей дерново-подзолистых и каштановых почв, включая разные варианты землепользования и горизонтов. 1. Получены фракции агрегатов горизонтов дерново-подзолистых и каштановых почв, различающихся историей и интенсивностью агропользования. Фракционное разделение проведено при помощи мембранной фильтрации (8–11 размерных фракций для каждого образца почвы) на аналитических трековых мембранных фильтрах с узким размером пор в диапазоне 5–0.01 мкм. Получены данные о количественном содержании тонких размерных фракций в образцах. Проведен двумерный корреляционный анализ спектров поглощения в видимой области, спектров флуоресценции и ИК-спектров полученных образцов. Для всех методов исследования проведен гомоспектральный анализ (сравнение спектров, полученных одним методом) и гетероспектральный анализ (попарное сравнение спектров, полученных разными методами). Также проведена корреляция между интенсивностью полос в ИК- и флуоресцентных спектрах и количествами соответствующих элементов, определённых с помощью ИСП-АЭС. Проведено сравнение перечисленных показателей для разных типов почв и их генетических горизонтов. Это позволяет получить элементные профили почвы, которые выявляют четкие различия и индивидуальный характер каждой фракции, а также тенденции изменения минеральной матрицы и микроэлементного состава в зависимости от размера фракции. На основании проведенных измерений уточнены ряд показателей флуоресценции для почвенного органического вещества и отнесение полос в ИК-спектрах, и показано, что состав почвенного органического вещества существенно меняется с изменением матричных элементов, микроэлементов и накоплении биологических остатков во фракциях 30 нм–1 мкм. Предложены принципы ИК- и мультиспектрального анализа органического вещества почв. 2. При помощи экстракции водой и щелочью Выделены фракции почвенного органического вещества из фракций, полученных в результате ситового разделения агрегатов дерново-подзолистых и каштановых почв. Получены данные о количественном содержании этих размерных фракций в образцах. Для всех химически выделенных и сконцентрированных фракций получены данные элементного состава, ИК спектры (в том числе с нагревом) при помощи различных вариантов ИК-спектроскопии, спектры в УФ/видимой области и полные флуоресцентные спектры и проведена интерпретация полос. Проведено сравнение образцов почв различного землепользования при помощи ИК- двумерной корреляционной спектроскопии. Предложенный подход позволяет идентифицировать компоненты почвенного органического вещества с достаточной надежностью для более слабых по сравнению с ИК-полосами в исходных ИК-спектрах. Проведено исследование элементного состава химически выделенных и сконцентрированных фракций при помощи ИСП-АЭС. 3. Получены температурные зависимости НПВО ИК-Фурье спектроd в средней ИК-области (4000–400 см–1 с нагревом на воздухе в умеренном интервале температур 25–215 °С вместе с линейным дискриминационным анализом физически и химически выделенных фракций (водорастворимой и извлекаемой щелочью части почвенного органического вещества из фракций сухого и мокрого рассева и фракций, выделенных на аналитических трековых мембранных фильтрах) горизонтов черноземных, дерново-подзолистых и каштановых почв, различающихся историей и интенсивностью агропользования. Температурные зависимости максимумов полос и сдвигов интенсивности менее подвержены условиям измерений и могут служить качественными параметрами, характеризующими состав почвенного органического вещества. Исследованы температурные зависимости ИК-спектров гуминовых веществ, выделенных из почв, различающихся по содержанию и характеру органического вещества, черноземов и дерново-подзолистых почв. Построены зависимости сдвигов волнового числа, соответствующих максимумам и интегральным интенсивностям полос, для всех основных полос. Изменения максимальных частот полос и интегральных интенсивностей полос обратимы для цикла нагрева-охлаждения. Наблюдаемые обратимые сдвиги волнового числа при нагревании и охлаждении могут быть интерпретированы как формирование структур в сухом состоянии. Показаны различия в температурных зависимостях черноземных и дерново-подзолистых почв, обусловленные различными структурами (алифатическими и ароматическими) и функциональными группами (карбоновые и карбоксилатные группы). Различное поведение полос, соответствующих группам карбоновых кислот и скелетным колебаниям, позволяет дифференцировать типы почв с различным составом органического вещества. Также исследованы гранулометрические агрегатные фракции (20 мкм–2 мм) почв с различной историей использования в сельском хозяйстве в среднем и дальнем ИК-диапазоне (4000–100 см–1) для их дифференциации. Показано различное температурное поведение полос для фракций почв с разным землепользованием, с максимальной разницей фракций ниже 20–50 мкм и средних фракций (50–200 мкм). Линейный дискриминационный анализ полученных спектров гранулометрических фракций черноземных почв позволил с высокой вероятностью разделить образцы по типу растительности и агрогенной нагрузке, главным образом на основе спектральных диапазонов, ассоциированных с биогенными формами кварца, фитолиты. Проведено сравнение температурных зависимостей ИК-спектров водорастворимой и извлекаемой щелочью части почвенного органического вещества из фракций сухого и мокрого рассева и фракций, выделенных на аналитических трековых мембранных фильтрах, между собой и с зависимостями для фракций сухого и мокрого рассева. Предложен прототип протокола использования температурных зависимостей ИК-спектров как интегрального показателя состояния почвы и почвенного органического вещества в зависимости от типа почв и условий землепользования (с учетом данных, полученных в рамках Проекта-2019). Проведено обобщение результатов задач за оба года работы над текущим Проектом, предложены результаты разработки принципов температурного ИК- и анализа органического вещества почв и разработки обобщённого протокола анализа почв при помощи температурных зависимостей ИК-спектроскопии. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".