Carbonio, Azoto e Zolfo nei suoli

La sostanza organica costituisce gran parte della superficie attiva del suolo e svolge un ruolo importante sia per il mantenimento della struttura dello stesso sia per la nutrizione delle piante. La sostanza organica è  per natura non omogenea, anzi, presenta una configurazione complessa: in essa possiamo evidenziare la presenza di tre elementi fondamentali, ossia il Carbonio, l’Azoto e lo Zolfo. Questi tre elementi sono essenziali per la caratterizzazione dei suoli, per determinarne la fertilità e per la crescita e cura vegetale e delle colture.

La determinazione del contenuto di Carbonio e Azoto in campioni di suolo ha un ruolo fondamentale in processi quali, ad esempio: la quantificazione del livello di umificazione del terreno, la razionalizzazione della concimazione per evitare eccessi nell’apporto di nutrienti, la ricerca e produzione di fertilizzanti. 

Il contenuto percentuale di sostanza organica, ottenuto dal contenuto percentuale di Carbonio nel campione di terreno, dà quindi informazioni sul grado di fertilità. Ad esempio, un valore di sostanza organica inferiore all’1%  denota generalmente un terreno molto povero, mentre un valore tra 2% e 4% rappresenta un buon terreno.

Il rapporto Carbonio/Azoto (C/N) ottenuto dividendo i contenuti in percentuale di carbonio organico ed azoto totale dà informazioni sul grado di umificazione: ad esempio valori compresi tra 9 e 11 sono tipici di terreni con sostanza organica ben umificata e di conseguenza stabile nel tempo.

Ad oggi il “sistema suolo” è ancora da studiare a pieno, perciò molti degli studi nell’ambito della ricerca sono rivolti alla comprensione dei processi di interazione tra gli elementi, nelle loro forme organiche e inorganiche, e della loro funzionalità.

La determinazione dello zolfo è sempre più richiesta in svariate tipologie di campione.

E' quindi lecito domandarsi perchè l’interesse per il contenuto di questo elemento in suoli, vegetali e fertilizzanti sia sempre più crescente.

Innanzitutto, lo Zolfo è un elemento nutritivo essenziale per la crescita vegetale, ma per decenni il suo naturale ciclo è stato alterato da attività antropiche.

Quindi, lo Zolfo si è infiltrato nel suolo attraverso le piogge acide, precipitazioni dannose, o insidiandosi tramite i fertilizzanti utilizzati per le colture.

Negli ultimi anni, tuttavia, è avvenuta una drastica diminuzione della presenza di questo elemento nei suoli: ciò si deve soprattutto alle politica ambientale con oggetto la riduzione delle emissioni di SO2 in atmosfera, che ha comportato una conseguente  diminuzione di piogge acide. Inoltre, a ciò ha contibuito anche la diffusione in commercio di nuovi fertilizzanti praticamente privi di zolfo.

In sintesi quindi stiamo assistendo a uno squilibrio della concentrazione di Zolfo in natura, fattore che sta causando importanti ripercussioni sulla crescita vegetale.

Alla luce di ciò, ultimamente i produttori di fertilizzanti hanno cominciato a inserire nuovamente lo Zolfo nei loro prodotti attraverso fonti organiche naturali o fonti inorganiche (es. solfato di ammonio).

In entrambi i casi comunque l'inserimento di Zolfo deve essere accuratamente dosato nel suolo con una percentuale ottimale che porti come risultato la corretta fertilità dello stesso, influenzandone postivamente anche la giusta crescita vegetale.

Ecco allora che la determinazione dello zolfo nei suoli, nell'ambito del controllo qualità dei prodotti industriali e dell'analisi diretta dei vegetali, sta sempre più interessando il mondo industriale: l'obiettivo comune è quindi quello di proporre sul mercato prodotti innovativi ed efficaci.

Ne consegue che anche il mondo scientifico, che si interroga costantemente sui comportamenti naturali e su come le interazioni degli elementi Carbonio, Azoto e Zolfo influiscano sulla crescita e sulla cura delle piante, si focalizzi sempre più attentamente su questo elemento che si sta "facendo spazio" negli studi accademici: lo Zolfo.

Esistono diverse tecniche per determinare il contenuto di Carbonio e Azoto in un suolo, vegetali e fertilizzanti o su altri campioni in generale. La tecnica più rapida, che non richiede trattamento del campione e che si sta sempre più affermando sia nei laboratori di ricerca e controllo sia nei laboratori privati, è quella dell’analisi elementare. Questa tecnica è supportata da linee guida internazionali quali:

• ISO 13878:1998 – Soil quality-“Determination of total nitrogen content by dry combustion”

• ISO10694 – “Soil quality-Determination of organic and total carbon after dry combustion”

• ISO15178 – “Soil quality-Determination of total sulfur by dry combustion”

Gli analizzatori elementari della serie vario sono in grado di determinare simultaneamente il contenuto di Carbonio, Azoto e Zolfo in campioni solidi e liquidi, omogenei e non omogenei.

La tecnica utilizzata è quella della combustione/riduzione e successiva rilevazione tramite detector a termo conducibilità (TCD). I gas derivati dalla combustione del campione vengono ridotti a CO2, SO2, N2 e perfettamente separati tramite una trappola cromatografica a temperatura controllata (Advanced Purge and Trap Technology- APT ) che assorbe il gas specifico e lo desorbe inviandolo al detector TCD solo quando deve essere determinato.  In questo modo si ottengono picchi ben separati e dati sempre attendibili.

La serie vario include analizzatori micro, semi macro e macro, che si differenziano tra loro sostanzialmente per la massima pesata di campione analizzabile e il range di misura. La possibilità di pesare una quantità macro di campione, ovvero da qualche centinaio di milligrammo fino a 1 grammo, diventa utile per l’analisi di campioni disomogenei. Per questo per l’analisi di campioni di suolo, vegetali e fertilizzanti si pensa normalmente a questa categoria di analizzatori. Gli analizzatori micro e semi-macro di Elementar, grazie alla  loro sensibilità strumentale e alla perfetta capacità di separazione dei gas, possono comunque essere utilizzati per queste tipologie di campioni.

La determinazione simultanea di Carbonio, Azoto Zolfo e dei loro rapporti (C/N e C/S) diventa sempre più utile a livello applicativo ed è resa possibile in modo semplice con i nostri analizzatori.

Lo strumento vario MAX cube offre la possibilità di analizzare una quantità maggiore di campione rispetto agli altri modelli, grazie all’impiego di crogioli.

Questo nostro sistema è particolarmente indicato per l’analisi di campioni disomogenei: si possono pesare fino a 5 grammi di campione, utilizzando una quantità più rappresentativa per l’analisi. Vi sono poi altri evidenti vantaggi: per esempio il caricamento del campione nel crogiolo è più rapido per l’operatore e le ceneri di combustione vengono rimosse ad ogni analisi.

Alcuni campioni di suolo, come ad esempio i sedimenti oppure gli orizzonti più profondi, hanno un basso contenuto di materia organica quindi basse concentrazioni di Carbonio, Azoto e Zolfo.

Mentre il Carbonio e l’Azoto  sono comunque a concentrazioni ben determinabili attraverso il detector a termo conducibilità (TCD), utilizzato negli analizzatori elementari della serie vario, lo Zolfo può essere in concentrazioni con uno un ordine di grandezza inferiore rispetto all’Azoto e richiedere un detector più sensibile rispetto al TCD. La sensibilità del detector per lo Zolfo diventa ancora più importante laddove  non sia possibile ovviare con una pesata maggiore a causa della scarsità di campione.

Gli strumenti della serie vario possono montare opzionalmente un detector all’infrarosso che garantisce ottimi livelli di sensibilità per lo Zolfo, fino a 2 ppm. Il detector viene montato all’interno dello strumento in modo che la determinazione dello Zolfo e degli altri elementi resti simultanea agli altri elementi.

Lo studio dei cicli biogeochimici dei principali elementi che formano la materia organica è stato negli ultimi decenni oggetto di ampie investigazioni da parte di molte branche della ricerca. La geochimica isotopica ha contribuito in maniera sostanziale alla comprensione dei passaggi che gli elementi, in particolar modo azoto e carbonio, compiono nel processo di formazione della sostanza organica nei suoli. L’analisi degli isotopi stabili, infatti, è un’efficace e consolidata tecnica analitica che permette di tracciare il percorso dei diversi elementi in natura.

Seppure è stato fatto molto per quanto riguarda l’analisi del rapporto isotopico di Carbonio e Azoto in matrici quali suoli, sedimenti e coadiuvanti agricoli, molto poco si sa ancora rispetto ai processi isotopici legati allo zolfo. L’analisi isotopica dello zolfo si propone dunque come ulteriore livello di indagine su queste matrici. L’approccio multielementare, come per l’analisi elementare, anche per la metodologia isotopica offre una visione sempre più completa ed accurata della matrice oggetto di studio.

Elementar propone numerose soluzioni analitiche configurate come EA-IRMS (analisi elementare accoppiato a spettrometro di massa per isotopi stabili) che permettono l’analisi simultanea in modalità CNS. L’analisi simultanea offre numerosi vantaggi analitici in quanto, con una sola configurazione, si possono esplorare i rapporti isotopici dei tre elementi di interesse. Questo approccio, a fronte di un risparmio di tempo analitico e di quantità di campione analizzata, offre in una singola corsa la possibilità di una vista “tridimensionale” del nostro campione. Le firme isotopiche di Carbonio, Azoto e Zolfo infatti possono restituire informazioni esclusive rispetto alla tipologia di suolo, sedimento etc.

L’aggiunta dell’analisi isotopica dello zolfo, alle ormai consolidate analisi CN, apre nuove prospettive di studio e di approccio all’analisi di matrici contenenti materia organica che fino ad ora sono rimaste inesplorate.

Tutto ciò è possibile grazie ai nostri analizzatori elementari ed alla possibilità di accoppiarli a spettrometri di massa dedicati.