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Jul 10, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7971 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Moore im Süden Südamerikas (Tierra del Fuego, TdF) spielen eine Schlüsselrolle in der ökologischen Dynamik Patagoniens. Daher ist es notwendig, unser Wissen und Bewusstsein über ihren wissenschaftlichen und ökologischen Wert zu erweitern, um ihre Erhaltung sicherzustellen. Ziel dieser Studie war es, die Unterschiede in der Verteilung und Anreicherung von Elementen in Torfablagerungen und Sphagnummoos aus dem TdF zu bewerten. Die chemische und morphologische Charakterisierung der Proben wurde mithilfe verschiedener Analysetechniken durchgeführt und der Gesamtgehalt von 53 Elementen bestimmt. Darüber hinaus wurde eine chemometrische Differenzierung anhand des Elementgehalts von Torf- und Moosproben durchgeführt. Einige Elemente (Cs, Hf, K, Li, Mn, Na, Pb, Rb, Si, Sn, Ti und Zn) wiesen in Moosproben deutlich höhere Gehalte auf als in Torfproben. Im Gegensatz dazu waren in Torfproben nur Mo, S und Zr signifikant höher als in Moosproben. Die erzielten Ergebnisse unterstreichen die Fähigkeit von Moos, Elemente anzusammeln und als Mittel zur Erleichterung des Eintrags von Elementen in Torfproben zu dienen. Die in dieser multimethodischen Basiserhebung gewonnenen wertvollen Daten können für einen wirksameren Schutz der Biodiversität und den Erhalt der Ökosystemleistungen des TdF genutzt werden.

Moore, die fast ausschließlich aus verrottendem Pflanzenmaterial bestehen, stellen die weltweit größte landbasierte Kohlenstoffsenke1 dar und tragen zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen2 bei. Allerdings nehmen sie nur 3 % der globalen Landfläche ein3,4,5. Die grundlegende Funktion von Torfmooren, den Kohlenstoffkreislauf zu regulieren, trägt zur Eindämmung des Klimawandels bei6,7. Sie spielen auch eine Schlüsselrolle bei der Erhaltung der biologischen Vielfalt, indem sie Lebensraum für verschiedene lebende Arten, Paläoumweltarchive und archäologische Überreste sichern, und spielen eine besondere Rolle bei der Regulierung des Wasserkreislaufs durch Wasserspeicherung, Grundwasserneubildung sowie Dürre- und Überschwemmungsminderung7,8. Darüber hinaus gelten Torf und Sphagnummoos weltweit als wertvolle wirtschaftliche Ressourcen für ihre Verwendung als Brennstoff bzw. Gartensubstrat9,10,11. Allerdings handelt es sich bei Torf um einen nicht erneuerbaren Rohstoff6. In den letzten Jahren wurden neue Strategien für die sinnvolle Nutzung von Torfmooren und neue Bewirtschaftungsrichtlinien mit begrenzten Bergbaukonzessionen vorgeschlagen6,12.

Im gemäßigten Südamerika werden Torfmoore von Torfmoos dominiert13 und sind nährstoffarm (ombrotroph)14. Ombrotrophe Moore sind hydraulisch isoliert und erhalten alle Nährstoffe, einschließlich Haupt- und Spurenelemente, durch atmosphärische Ablagerungen und Niederschläge15. Mehrere Studien haben gezeigt, dass ombrotrophe Torfmoore auch nützliche Archive für Aufzeichnungen über die Hg-Ablagerung sind16,17. Akkumulationsraten und Konzentrationen von Hg in ombrotrophen Torfmooren werden neben der Standortlage und anthropogenen und natürlichen Quellen auch durch Torfhumifizierungsprozesse beeinflusst16. Tatsächlich wird die Fähigkeit von Torf, Metalle zu binden, durch den hohen Gehalt an Huminstoffen und die entwickelte Oberfläche bestimmt18,19. Carboxyl- und phenolische funktionelle Gruppen, die in Huminstoffen vorhanden sind, aus denen organisches Torfmaterial besteht, beeinflussen die chemischen Eigenschaften von Torf wie Metallkomplexierung, Pufferkapazität, Säure-Base-Reaktionen und Kationenaustauschkapazität20,21. Außerdem eignet sich Torfmoos aufgrund der hohen Kationenaustauschkapazität seiner Oberfläche zur Überwachung atmosphärischer Elementablagerungen11,22,23,24,25. Allerdings wurden nur einige Elemente untersucht, während andere durch Sphagnum-Moos gebunden werden könnten, wie andere Autoren24 betonten. Darüber hinaus ist die elementare Zusammensetzung des abgelagerten Staubs notwendig, um den geochemischen Kreislauf des Staubs und seinen Zusammenhang mit dem Klimawandel zu verstehen26.

Über patagonische Torfmoore sind nur begrenzte und bruchstückhafte Informationen verfügbar27; Es müssen neue Studien durchgeführt werden, um das Wissen über diese Bereiche zu verbessern und die mögliche Kontamination durch Chemikalien in der Zukunft zu bewerten. Eine möglichst vollständige chemisch-physikalische Charakterisierung könnte auch die Schaffung künstlicher Produkte ermöglichen, um die Erschöpfung natürlicher Ressourcen zu vermeiden und die Artenvielfalt zu schützen. Aus diesem Grund besteht unser Hauptziel darin, die Gesamtgehalte von 53 Elementen (Al, As, B, Ba, Be, Bi, C, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Eu, Fe) zu bestimmen und zu vergleichen , Ga, H, Hf, Hg, K, La, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, N, Na, Nb, Ni, O, P, Pb, Rb, S, Sb, Sc, Se, Si, Sm , Sn, Sr, Te, Th, Ti, Tl, U, V, W, Yb, Zn und Zr) in Torf und lebendem Torfmoos von acht Standorten im Feuerland (TdF, Südpatagonien) unter Verwendung verschiedener Analysetechniken und chemometrische Werkzeuge [Hauptkomponentenanalyse (PCA) und schrittweise Variablenauswahl]. Weitere Ziele sind die Untersuchung der Arten und Mengen funktioneller Gruppen mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), um mögliche Zusammenhänge zwischen der Anreicherung der Elemente und den chemischen Strukturen von Torf und Torfmoos aufzuzeigen.

Feuerland liegt am südlichen Ende des amerikanischen Kontinents (Abb. 1). Es erstreckt sich südöstlich der Magellanstraße zwischen Atlantik und Pazifik. Der Archipel besteht aus der Hauptinsel, der Big Island of TdF, oft einfach TdF oder Big Island genannt, mit einer Fläche von 48.100 km2 und einer Vielzahl kleinerer Inseln. Die Hauptinsel ist politisch zwischen zwei Nationen aufgeteilt: 38,6 % gehören zu Argentinien (Osten), während 61,4 % zu Chile (Westen) gehören. Die größten Städte auf der Hauptinsel im argentinischen Teil sind Rio Grande und Ushuaia mit 57.000 Einwohnern.

Karte des Untersuchungsgebiets in Argentinien, Südamerika. Die Standorte der Probenahmestellen sind in der detaillierten Karte des nördlichen Teils der Region Feuerland (Südpatagonien) eingezeichnet. Das Datum für geografische Koordinaten basiert auf dem Ellipsoid des World Geodetic System 1984 (WGS84). Datenkarte: Google, CNES/Airbus, Maxar Technologies, Airbus, TerraMetrics, Landsat/Copernicus.

Das Klima von TdF wird vom Breitengrad, der nahen Präsenz der antarktischen Eismasse, den Meeresströmungen und der Beschaffenheit des Landes selbst beeinflusst. Durch den nahegelegenen antarktischen Kontinent ist der Archipel vor allem im Winter kalten Luftmassen ausgesetzt, während das Vorhandensein von Meereswasser auf drei Seiten gleichzeitig dazu führt, dass der Temperaturbereich zwischen Sommer und Winter niedrig bleibt. In der Region herrscht ozeanisches Klima mit kurzen, kühlen Sommern und langen, feuchten, mäßig kalten Wintern. Die Hauptmoorkonzentration in TdF liegt im Osten, wo die Niederschlagsmenge etwa 700–900 mm pro Jahr beträgt. 6. Diese Moore sind mit dem Klima sowie den chemischen Eigenschaften von Boden und Wasser verknüpft28. Torfmoore sind das vorherrschende Ökosystem im argentinischen Teil des TdF und ihr Bedeckungsgrad erreicht in einigen östlichen Wassereinzugsgebieten 90 %28.

Im Jahr 2018 wurden acht ombrotrophe und größtenteils ungestörte Torfmoore und Sphagnummoos-Proben gesammelt. Torfflächen wurden in zweifacher Ausfertigung beprobt und gemäß der Torflandkarte von Roig et al.29 ausgewählt. Eine Karte der Lage von acht Probenahmestellen (A, B, C, D, E, F, G und H) und die geografischen Koordinaten der ausgewählten Punkte sind in Abb. 1 dargestellt. Mit Ausnahme von Standort B, der sich befindet In Ushuaia, der bevölkerungsreichsten Stadt des Archipels, und in der Nähe des internationalen Flughafens befinden sich die anderen Standorte in Gebieten mit geringem anthropogenen Einfluss. Mit einem Feldbohrer wurden Torfproben entnommen, die Kerne bis zu einer Tiefe von 20 cm entnommen, in 10 cm große Segmente geteilt und in Plastiktüten gefüllt. Die Torf- und Torfmoosproben wurden zwei Tage lang bei 40 °C getrocknet, gemahlen (mit einem Keramikmörser und Pistill) und im Labor homogenisiert. Alle Proben wurden bis zur Analyse bei 4 °C gelagert.

Ein Elementaranalysator (EA 1110 CHNS/O, CE Instruments, Vereinigtes Königreich) wurde verwendet, um die Prozentsätze von C, H, N, O und S in allen Proben (~ 5 mg) zu bestimmen30. Das Analyseverfahren besteht aus der Verbrennung der Probe (1000 °C), gefolgt von katalytischen Oxidations- und Reduktionsprozessen, der Trennung der in der gaschromatographischen Säule erzeugten Gase und deren Analyse mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor (eingestellt auf 290 °C). C); Signalverarbeitung und Bestimmung des prozentualen Anteils der in der Probe vorhandenen Elemente mit dem Programm EAGER 200.

Die Rasterelektronenmikroskopanalyse (REM) wurde mit einem hochauflösenden Feldemissions-REM (HR-FESEM; Modell Auriga 405; Carl Zeiss Microscopy GmbH, Jena, Deutschland) durchgeführt, das mit einem energiedispersiven Spektrometer für die Röntgenmikroanalyse (XEDS, Modell) ausgestattet war Quantax; Bruker, Berlin, Deutschland). Vor der Analyse wurde ein kleiner Teil der Pulverprobe auf einem spezifischen Träger fixiert und mit einer Sputtermaschine (Q150T Turbo-Pumped Sputter Coater/Carbon Coater; Quorum Technologies Ltd., East Sussex, Vereinigtes Königreich) mit einer dünnen Schicht C beschichtet seine Oberfläche leitfähig machen. HR-FESEM-XEDS-Aufnahmen wurden unter einem Hochvakuum (10–6 hPa) bei einer Beschleunigungsspannung von 20 keV durchgeführt. Mikroaufnahmen wurden mit einem Sekundärelektronendetektor (SED) bei einem Arbeitsabstand (WD) aufgenommen, wobei die Bedingungen für Vergrößerung, Punktgröße und Neigungswinkel richtig angepasst waren, um die Bildauflösung zu optimieren. Die Mikroanalyse wurde bei WD und Vergrößerung im Bereich von 3,0 bis 7,8 mm bzw. 100× bis 45.000× durchgeführt.

Quecksilber wurde mit einem modernen Quecksilberanalysator (AMA-254, Altec Ltd., Prag, Tschechische Republik) gemäß der EPA-Methode 747331 bestimmt. Jede Probe (~ 20 mg) wurde doppelt analysiert und ein zertifiziertes Referenzmaterial (BCR 482) wurde verwendet dient der Qualitätssicherung und -kontrolle des Analyseverfahrens. Der Prozentsatz der Richtigkeitsverzerrung und die Präzision betrugen 2,3 bzw. 3,2 %. Die Bestimmungs- und Quantifizierungsgrenze (LOD bzw. LOQ), definiert als die Hg-Konzentration, die dem Drei- bzw. Zehnfachen der Standardabweichung der Blindproben (n = 10) entspricht, betrug 0,0001 bzw. 0,004 mg kg−1. Eine Hg-Referenzstandardlösung (1.002 ± 7 mg L−1 in 10 % HNO3; SCP Science, Baie D'Urfé, Quebec, Kanada) in 1 % v/v HNO3 (67 % suprapure, Carlo Erba Reagents, Mailand, Italien) wurde zur Herstellung von Kalibrierlösungen (im Bereich von 0–50 μg L−1) verwendet. Alle wässrigen Lösungen wurden unter Verwendung von entionisiertem Wasser mit einem spezifischen Widerstand von 18,2 MΩ cm−1 hergestellt, erzeugt mit einem Arioso Power I RO-UP Scholar UV-Deionisator (Human Corporation, Songpa-Ku, Seoul, Korea). Weitere Einzelheiten zur AMA-Methode finden Sie in früheren Arbeiten32.

Die instrumentelle Neutronenaktivierungsanalyse (INAA) wurde im Nuclear Analytical Techniques Laboratory (Ezeiza Atomic Center, Argentinische Nationale Atomenergiekommission) zur Bestimmung der Massenanteile Eu, Hf, Lu, Sc, Sm, Th und Yb durchgeführt.

Torf- und Sphagnummoosproben, etwa 25 bzw. 300 mg, wurden 4,5 Stunden lang im RA-3-Reaktor (Wärmefluss 3,1013 cm−2 s−1, 8 Mw) bestrahlt. Zwei Messungen mit 7- und 30-tägigem Zerfall ab dem Ende der Bestrahlung wurden mit GeHP-Detektoren durchgeführt (30 % Effizienz, 1,8 keV Auflösung für den 1332,5 keV 60Co-Peak). Zur Erfassung der Gammaspektren wurde die Software Gamma Vision eingesetzt und die Elementmassenanteile wurden mit einer im NAA-Labor entwickelten Software berechnet. Zur Qualitätskontrolle wurden Andesit ACH-1 und Gras (Poeaceae) aus WEPAL 2011–4 als Kontrollproben für die Torf- bzw. Torfmoosanalyse verwendet33. Die folgenden zertifizierten Referenzmaterialien wurden für die Kalibrierung des INAA verwendet: SRM Coal Fly Ash 1633c (National Institute of Standards and Technology -NIST, Gaitherburg, MD, USA), CRM Soil GBW 07,405 (GSS-5) (Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang, China) und RM IAEA Lichen 336 (Internationale Atomenergiebehörde, Seibersdorf Laboratories, Seibersdorf, Österreich). Die durchschnittlichen Ergebnisse (n = 3), die aus der Analyse der zertifizierten Referenzmaterialien durch die INAA erzielt wurden, zeigten eine gute Übereinstimmung mit den zertifizierten Daten (Tabelle S1). Die INAA LODs sind in den Tabellen 1 und S2 aufgeführt.

Eine Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR; IR Affinity Miracle 10; Shimadzu Scientific Instruments, Columbia, MD, USA) wurde verwendet, um Informationen über die Art und relative Häufigkeit funktioneller Gruppen zu liefern. Die IR-Spektren wurden im Bereich von 4.000–600 cm−1 mit einer Auflösung von 5,0 cm−1 aufgenommen.

Der Gesamtgehalt von 41 Elementen (Al, As, B, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Ga, K, La, Li, Mg, Mn, Mo, Na , Nb, Ni, P, Pb, Rb, S, Sb, Se, Si, Sn, Sr, Te, Ti, Tl, U, V, W, Zn und Zr) wurden mit ICP-OES (Vista MPX CCD) gemessen Simultan; Varian, Victoria, Mulgrave, Australien) und ICP-MS (820-MS; Bruker, Bremen, Deutschland), ausgestattet mit einer Kollisions-Reaktions-Schnittstelle (CRI). Arsen, Cr, Fe, Mn, Se und V wurden mittels ICP-MS mit dem CRI-Modus und H2 und He (99,9995 % Reinheit; SOL Spa, Monza, Italien) als Zellgase analysiert; die anderen Elemente durch ICP-MS im Standardmodus mit Ausnahme von Al, Ba, Ca, Cr, K, Na, S, Si, Ti und Zr, die durch ICP-OES bestimmt wurden. Die ICP-MS- und ICP-OES-optimierten Instrumentenparameter sind in einer früheren Studie zusammengefasst34. Für instrumentelle Kalibrierungskurven (sieben Punkte) wurden Multielement-Standardlösungen (VWR International, Mailand, Italien) verwendet. Yttrium mit 0,005 und 0,2 mg L−1 (Panreac Química, Barcelona, ​​Spanien) für ICP-MS bzw. ICP-OES und Sc, Rh, In und Th mit 10 mg L−1 (Merck, Darmstadt, Deutschland) nur für ICP-MS wurden als interne Standards verwendet.

Der vollständige Aufschluss der Pulverproben wurde in einem geschlossenen Mikrowellenofensystem (Ethos1 Touch Control; Milestone, Sorisole, Bergamo, Italien) unter Verwendung einer Säuremischung aus HCl-HF-HNO3 gemäß Bettinelli et al.35, Astolfi et al. durchgeführt. 36 und Gaeta et al.37. Kurz gesagt wurden abgewogene Mengen (~ 100 mg) der Proben in Polytetrafluorethylengefäße überführt; dazu 1 ml H2O2 (30 % hochrein, Merck, Darmstadt, Deutschland), 1 ml HCl (30 % hochrein, Carlo Erba Reagents, Mailand, Italien) und 3 ml HNO3 (Methode M1) oder 1 ml HF (40 % hochrein). , Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Steinheim, Deutschland), 1 mL HCl und 3 mL HNO3 (Methode M2) hinzugefügt. Die erhaltenen Lösungen wurden 40 Minuten lang mit Mikrowellenenergie erhitzt, wobei ein Programm mit Temperaturrampen bis zu 180 °C verwendet wurde. Die erhaltenen Verdauungen wurden mit entionisiertem Wasser auf 20 ml verdünnt und filtriert (0,45 μm Cellulosenitratmembran; GVS Filter Technology, Indianapolis, IN, USA). Die Proben nach Methode M1 wurden 1:10 mit entionisiertem Wasser weiter verdünnt. Nach diesen Verfahren wurden die mit der M1- oder M2-Methode erhaltenen Aufschlüsse mittels ICP-MS bzw. ICP-OES analysiert. Parallel zu den Proben wurden regelmäßig Blindproben analysiert, um etwaige Verluste oder Kreuzkontaminationen festzustellen. Die LODs und LOQs sind in Tabelle 1 aufgeführt. Zur Qualitätskontrolle wurde ein Standardreferenzmaterial (NIST 1515, Gaithersburg, MD, USA) analysiert. Für alle zertifizierten Elemente (Al, B, Ba, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, K, La, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb. Rb, S, Sb, Sr, U, V, W und Zn) lag der Prozentsatz der Richtigkeitsabweichung zwischen -9,7 (La) und 17 % (Ca) des erwarteten Werts, und die Präzision als Wiederholbarkeit lag zwischen 0,5 (K) und 25 % (Sb). )36. Für die anderen Elemente (As, Be, Bi, Cs, Ga, Li, Nb, Se, Si, Sn, Te, Ti, Tl und Zr) gibt es Richtwerte in den Torf- und Torfmoosproben. Für die Elemente, die den verschiedenen Analysetechniken gemeinsam sind (As, Ce, Co, Cr, Cs, Fe, La, Rb, Sb und Zn), wurde eine Qualitätskontrolle der Daten durch intertechnische Vergleiche durchgeführt.

Statistische Analysen wurden mit der Software IBM® SPSS® Statistics 27 (IBM Corp., Armonk, NY, USA) durchgeführt. Für jedes Element wurden Werte unterhalb des LOD durch einen Wert ersetzt, der der Hälfte des LOD entspricht38,39. Wenn der Prozentsatz der Werte < LOD 30 % überstieg, wurde das Element aus dem statistischen Datensatz ausgeschlossen.

Die Unterschiede in der Probenkonzentration wurden durch Kruskal-Wallis- und paarweise Post-hoc-Tests sowie den Mann-Whitney-Test getestet. Wahrscheinlichkeitswerte aus mehreren paarweisen Vergleichen wurden mithilfe von Bonferroni-Korrekturen40 angepasst.

Die Hauptkomponentenanalyse und die Variablenauswahl im schrittweisen Ansatz wurden mit JMP 16 Pro (SAS Institute) durchgeführt, um mögliche Probengruppierungen hervorzuheben. Vor den chemometrischen Analysen wurde eine Autoscaling-Vorbehandlung auf Datenmatrizen angewendet.

Die HR-FESEM XEDS-Untersuchung zeigte Morphologie und Oberflächenzusammensetzung der Torf- und Torfmoosproben (Abb. 2 und S1–S4 sowie Tabellen S3 und S4). In allen Proben sind die folgenden Elemente Al, Ca, Cl, Mg, Na, O, P, S und Si in unterschiedlichen Prozentsätzen vorhanden, während Cr und Cu nur in Torf und Fe, K und N in Torfmoos vorkommen (Tabellen S3 und S4). Sauerstoff (von 25,8 bis 45,6 % in Torf und von 29,7 bis 44,5 % in Torfmoos) ist das am häufigsten vorkommende Element. Die Oberfläche der Torfproben erscheint geschichtet und porös, während die Torfmoosproben kugelige und faserige Formationen aufweisen. Rückstreuelektronenbilder (Abb. 2) ermöglichen eine Unterscheidung zwischen der organischen Substanz (schwache Helligkeit) und dem anorganischen Anteil (starke Helligkeit) in den Proben. In beiden Matrizen liegen metallische kugelförmige Partikel vor (Abb. 2). Die in den oberen Torfschichten vorhandenen anorganischen kugelförmigen Partikel sind überwiegend anthropogenen Ursprungs, beispielsweise durch industrielle Aktivitäten und Kohleverbrennung, da kosmische Kügelchen (die im Allgemeinen durch Verbrennungsprozesse entstehen) im Torf äußerst selten sind41,42.

HR-FESEM-Mikroaufnahmen belegen das Vorhandensein von kugelförmigen Metallpartikeln in (a) Torf- und (b) Torfmoosproben.

Die Analyse der C-, H-, N-, O- und S-Gehalte bestätigte die Ergebnisse von HR-FESEM zusammen mit H (von 4,46 bis 7,13 % in Sphagnum-Moos) und N (von 0,29 % in Sphagnum-Moos bis 1,96 % in Torf) sind die Elemente, die in beiden betrachteten Matrizen höhere Gehalte aufweisen (Tabelle 2).

Torf besteht aus organischem Material, das etwa 50 % C enthält (Tabelle 2), sodass die C-Konzentrationen Veränderungen in der Torfhumifizierung und die damit verbundenen Massenverluste in Torfgebieten widerspiegeln16. Die Zersetzung von organischem Material im Torf führt zur Bildung von phenolischen Strukturen, die von Lignin abgeleitet sind43. Diese Strukturen sind schwieriger abzubauen als Proteine ​​und Zucker43,44. Die O/C- und H/C-Verhältnisse können Aufschluss über den Kohlenhydratgehalt und die prozentuale C-Sättigung innerhalb des organischen Moleküls geben. Daher wird eine höhere Aromatizität in den Proben durch niedrigere H/C-Verhältnisse erzielt43; während ein niedrigeres O/C-Verhältnis auf einen niedrigeren Kohlenhydratgehalt und/oder einen höheren organischen Gehalt in der Torfprobe hinweist45. Die C/N-Verhältnisse hängen auch mit den Zersetzungsprozessen organischer Stoffe zusammen, da der mikrobielle Verbrauch organischer Stoffe zu einer Verringerung der C-Häufigkeit im Vergleich zu N führt16,46. Der Abbau durch Mikroorganismen ist jedoch aufgrund des Mangels an Nährstoffen im Torf und des niedrigen pH-Werts16 begrenzt. Daher wird das C/N-Verhältnis als Indikator für den Zersetzungsgrad von Torf und den Massenverlust von Torf verwendet16,46. Die C/N-Verhältnisse im Torf sind ein Indikator für den Grad der Humifizierung, wobei niedrige C/N-Verhältnisse auf eine hohe Humifizierung des Torfs hinweisen46. Bisher gemeldete Verhältnisse der C/N-Werte für Torf- und Moorvegetation lagen hauptsächlich im Bereich von 40 bis 10016,46. Insgesamt stimmen die in dieser Studie erzielten Ergebnisse (Tabelle 2) mit denen der Literatur überein16,43,46. Die Proben mit dem höchsten C/N-Verhältnis befinden sich in Standort H, während diejenigen mit dem höchsten Humifizierungsgrad in Standort E für Torf und G für Torfmoos vorhanden sind. Im Allgemeinen hängen Änderungen des Humifizierungsindex mit Änderungen der Umweltbedingungen zusammen, dh unterschiedlichen Klimazonen und daraus resultierenden Unterschieden bei der Ansammlung und Zersetzung von Torf46. Das hohe C/N-Verhältnis zwischen 60 und 153 (Standorte A, D, G und H für Torf und A, B, C, E, F und H für Sphagnummoos) lässt auf ein schnelles Torfwachstum bei niedrigerer Luftfeuchtigkeit schließen Die Werte deuten möglicherweise auf trockenere Sumpfgebiete und damit darauf hin, dass Torf über längere Zeiträume dem aeroben Zerfall ausgesetzt ist46,47. Unterschiede in der Vegetation können durch geringere Niederschläge und einen höheren Nährstoffeintrag durch Meeressprays erklärt werden48,49.

Der S-Gehalt von Torf besteht aus organischem S, Sulfat und Sulfiden50. In der Literatur finden sich nicht viele Informationen über S in Torf und Sphagnummoos. Organisches S im schottischen Torf ist vorherrschend, wobei etwa 64 % des gesamten S aus C-gebundenem Schwefel und 27 % Estersulfat S51 bestehen. Einige Autoren fanden keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen der S-Aufnahme und ihrer Konzentration im Torf52. Die gemessenen S-Werte in den Sphagnum-Moosen, die in der Region Feuerland beprobt wurden, liegen zwischen 0,01 und 0,26 %, was den für nicht verschmutzte Standorte gemeldeten Werten ähnelt53.

Die Abbildungen S5 und S6 zeigen die Infrarotspektren der verschiedenen Proben, während Tabelle S5 eine Zusammenfassung der in Torf beobachteten Hauptbanden und die Zuordnungen der zugehörigen funktionellen Gruppen enthält. Die Spektren weisen breite Banden auf, die typisch für natürliches organisches Material sind und auf die Überlagerung einzelner Absorptionsbanden zurückzuführen sind43. Die Hauptmerkmale der Spektren sind: eine breite Bande um 3400 cm−1 aufgrund der O-H-Streckung verschiedener Gruppen wie Alkohol und Phenole; zwei Peaks bei 2920 und 2850 cm-1 aufgrund der C-H-Streckung und Eigenschaften von Aliphaten (Fette, Wachs, Lipide); ein Bereich zwischen 1720 und 1420 cm−1, der der C=O-Streckung von Carbonyl- und Carboxylgruppen (Carbonsäuren und aromatischen Estern), aromatischen C=C- und asymmetrischen COO−-Gruppenschwingungen (Lignin und andere Aromaten sowie aromatische oder aliphatische Carboxylate) zugeordnet ist, und OH-Deformationen und C=O-Streckung von Phenolen oder C-H-Deformation (phenolische und aliphatische Strukturen); und schließlich wurden Absorptionsbanden im Bereich von 1100–1000 cm−1 einer Kombination aus CO-Streckung und O-H-Verformung von Polysacchariden zugeordnet46,54,55,56.

Für alle in Torf- und Torfmoosproben analysierten Elemente wurden in Torfmoos höhere Gesamtgehalte jedes Elements gefunden als in Torfproben, mit Ausnahme von Mo, S und Zr (Tabelle 1). Die am häufigsten vorkommenden Elemente in beiden Matrizen waren Al, Ca, Fe, S, Si und Zr mit Mengen von 440 (Zr) bis 12.000 (Si) mg kg-1. Die Cäsium-, Hf-, K-, Li-, Mn-, Na-, Pb-, Rb-, Si-, Sn-, Ti- und Zn-Gehalte im Sphagnum-Moos waren etwa 2- (Na) bis 18-mal (Zn) deutlich höher als die in Torf. Im Gegensatz dazu wurden in den Torfproben deutlich höhere Gehalte an Elementen für Mo, S und Zr gefunden als in den Torfmoosproben. Betrachtet man die Elementgehalte für jede Matrix und jeden Standort (Tabellen S6 und S7), wurden keine signifikanten Unterschiede hervorgehoben, was die gleichmäßige Verteilung der Elemente in jeder Matrix im untersuchten Gebiet zeigt.

Einige Elemente wie Pb und Hg neigen dazu, sich stark an organisches Material zu binden50. Blei gilt in Torfprofilen als unbeweglich und gut konserviert57,58. Sogar die meisten Elemente, die die Ablagerung von Staub darstellen, wie Si und Zr, oder andere, wie Al, Ti, Sc und Seltenerdelemente (REE), die hauptsächlich als lithogene Tracer identifiziert werden, sollten unbeweglich und stabil sein50. Einige Elemente, wie beispielsweise Pb, neigen jedoch dazu, bei niedrigen pH-Werten organische Komplexe zu bilden, und können sich aus diesem Grund entlang von Torfprofilen bewegen50.

Einige Studien zeigten, dass der Anstieg der Hg-Konzentration mit einer stärkeren Zersetzung des Torfs (niedriges C/N-Verhältnis) und nicht unbedingt mit einem größeren Beitrag atmosphärischer Ablagerungen verbunden war59. Unsere Daten zeigten in Übereinstimmung mit anderen Studien60,61 keine Korrelation zwischen Hg und Torfabbau (p < 0,05). Dies unterstreicht die Homogenität der Zusammensetzung des beprobten Torfs.

Unsere Ergebnisse stimmen mit denen von Wang et al.25 überein, die zeigen, dass Moos die meisten Elemente, einschließlich toxischer Elemente, durch Ablagerung ansammelt und ein Mittel zur Erleichterung der Anreicherung von Metall(oid)en im Boden sein kann. Darüber hinaus können nasse oder trockene atmosphärische Ablagerungen von Partikeln auf der Moosoberfläche anschließend durch Niederschlag gelöst oder weggespült werden62,63,64. Somit kann Torf mit Metallen angereichert werden und erheblich zum Elementgehalt im Moos beitragen25.

Jedes Land hat definierte Risikostufen im Zusammenhang mit unterschiedlichen Metall(oid)konzentrationen65,66,67. Tabelle S8 zeigt beispielsweise die durch das Gesetzesdekret 152/2006 und nachfolgende Änderungen und Ergänzungen68 festgelegten Schwellenwerte sowie die in der finnischen Gesetzgebung festgelegten Standards für kontaminierten Boden69. Was die finnische Gesetzgebung anbelangt, werden die höchsten Konzentrationswerte durch die Hauptlandnutzung definiert, dh Industrie- oder Verkehrsstandorte und andere Landnutzungen. Die zweite Konzentrationsstufe ist der sogenannte „Richtwert“. Wird dieser Wert überschritten, weist das Gebiet eine Belastung mit ökologischem Risiko (e) oder gesundheitlichem Risiko (t) auf. Für Industrie- und Verkehrsflächen (höchster Richtwert) und für alle anderen Flächennutzungen (niedrigster Richtwert) werden unterschiedliche Richtwerte festgelegt. Für die Bewertung landwirtschaftlicher Flächen gilt der Schwellenwert niedrigerer Richtwerte für die Stichprobe. Die Elementgehalte im Torf lagen alle unter den gesetzlichen Standards, mit Ausnahme von As in Standort E (13,0 ± 1,0 mg/kg), der den finnischen Schwellenwert von 5 mg kg−1 überschreitet. Auch wenn die anthropogene Arsenbelastung weit verbreitet ist, wird allgemein davon ausgegangen, dass As im Boden hauptsächlich geologischen Ursprungs ist, wobei die Hintergrundkonzentration in tonigen Böden höher ist66.

Die oben präsentierten Ergebnisse zeigten mehrere Unterschiede zwischen Torfproben und Moosproben. Um diese Differenzierung zu bestätigen und Probenunterschiede sichtbar zu machen, wurden chemometrische Analysen durchgeführt.

Normalerweise ist eine chemometrische Behandlung erforderlich, wenn die Probengröße groß ist und die Anzahl der Variablen überschreitet. Dennoch sollte die Hauptkomponentenanalyse auf reduzierte Beobachtungen angewendet werden, um eine explorative Analyse durchzuführen und eine grafische Darstellung einer natürlichen Gruppierung von Proben bereitzustellen.

In diesem Zusammenhang wurde für alle durchgeführten Analysen eine schrittweise Variablenauswahl durchgeführt, mit dem Ziel, die Anzahl der Variablen zu reduzieren und die aussagekräftigsten auszuwählen. Das minimale Bayes'sche Informationskriterium (BIC) wurde angewendet, um herauszufinden, welche Variablen die beste Trennung zwischen Torf- und Moosproben aufwiesen.

Die schrittweisen Ergebnisse der Variablen für den C-, H-, N-, O- und S-Gehalt sind in Tabelle S9 aufgeführt. Die einzigen ausgeschlossenen Variablen waren %N und %O. Diese Ergebnisse stimmen mit den Unterschieden der Analyseergebnisse überein. Die Hauptkomponentenanalyse wurde mit den ausgewählten Variablen durchgeführt und in Abb. 3 dargestellt. Die ersten beiden Hauptkomponenten machten 78,3 % der Gesamtvariabilität aus. Torfproben (rot) befinden sich alle im rechten Teil der Parzelle, während sich die Moosproben im linken Teil befinden, mit Ausnahme des Mooses der G-Stelle. Die Gruppierung der Torf- und Moosproben ist auf PC1 deutlicher zu erkennen, da sie hauptsächlich durch %C- und O/C-Variablen beeinflusst wurde. Diese Variablen scheinen also die Gruppierung der Stichproben besser zu charakterisieren.

Scores und Ladediagramme von PCA für ausgewählte Variablen für C-, H-, N-, O- und S-Inhalte. Rot: Torf, Blau: Moos.

Bezüglich der infrarotspektroskopischen Charakterisierung waren die durch den schrittweisen Ansatz ausgewählten Variablen die Wellenlängen: 1489, 1662, 3194, 2307 und 3437 cm−1 (Tabelle S10). Es ist bemerkenswert, dass diese Wellenlängen in den typischen Bereich von Lignin- und Celluloseverbindungen fallen, wie in Tabelle S5 angegeben. Daher sollten die Unterschiede in der organischen Substanz der Torf- und Moosproben auf diese Verbindungen zurückgeführt werden. Diagramme der Hauptkomponentenanalyse für FTIR-Schwingungsbänder sind in Abb. 4 dargestellt. Die ersten beiden PCs machten 96,1 % der Gesamtvarianz aus. Die Variablen zeigten einen ähnlichen Beitrag auf PC1 und PC2. Moosproben (blau) befinden sich mit Ausnahme der G-Stelle im unteren Teil des Diagramms, Torfproben (rot) im oberen Teil.

Scores und Belastungsdiagramme von PCA für ausgewählte Variablen für Infrarotspektren. Rot: Torf, Blau: Moos.

Bei der Multielementanalyse umfasste die Variable schrittweise neunundzwanzig von neunundvierzig ermittelten Elementen, also S, Ca, Hg, Mo, P, Zr, As, Hf, Be, La, U, Al, Ce, Ba, Mn, Ni, Sm, Th, Pb, Cr, Si, Lu, Ti, Sn, Cu, Rb, Ga, Zn und Bi (Tabelle S11). Insbesondere gehören die zur Unterscheidung von Proben verwendeten Variablen zu verschiedenen Klassen wie Makroelementen, Spurenelementen und REEs. Dieser Befund bestätigt die Verwendung verschiedener Elementklassen zur Charakterisierung von Umweltproben. Mit den ausgewählten Elementen wurde eine Hauptkomponentenanalyse durchgeführt (Abb. 5). Die ersten beiden PCs erklärten 74,3 % der Gesamtvariabilität mit einer teilweisen Gruppierung von Torf- und Moosproben. Tatsächlich befinden sich Moosproben von den Standorten A, C, E und G eindeutig im rechten Teil des Bewertungsdiagramms, während die Proben von den anderen Standorten teilweise mit Torfproben überlappt zu sein scheinen. Die Hauptunterschiede zwischen Torf und Moos sind hauptsächlich auf die unterschiedlichen Zn- und As-Gehalte zurückzuführen, während die Ähnlichkeiten auf die S- und Zr-Gehalte zurückzuführen sind.

Scores und Belastungsdiagramme von PCA für ausgewählte Variablen für die Multielementanalyse. Rot: Torf, Blau: Moos.

Die Elementverteilung und die physikalisch-chemischen Eigenschaften in Torfablagerungen und Sphagnummoos der Region Feuerland (Südpatagonien) wurden geschätzt. Unsere Studie zeigte die Notwendigkeit, den Gehalt an Elementen in den Torfmooren Südargentiniens zu überwachen, um das Risiko einer anthropogenen Verschmutzung und die Rolle von Moos im biogeochemischen Kreislauf der Metalle einzuschätzen. Der anthropische Einfluss könnte tatsächlich die Ökosysteme der Torfmoore gefährden, Standorte von großer ökologischer Bedeutung, da sie ein Zufluchtsort für seltene Tier- und Pflanzenarten sein können und aus diesem Grund eine grundlegende Rolle bei der Erhaltung und dem Schutz der Artenvielfalt spielen Ökosystem-Dienstleistungen. Daher ist es wichtig, Forschungs- und Managementstrategien für Torfmoore zu entwickeln, um das Wissen und das Bewusstsein der wissenschaftlichen Gemeinschaften und der lokalen Bevölkerung über die Bedeutung dieser Ökosysteme zu erhöhen. Diese Studie liefert grundlegende Informationen, die für die mittelfristige Bewertung der Widerstandsfähigkeit des patagonischen Ökosystems nützlich sind.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Die Autoren danken Javier Giordano und seiner Gruppe dankbar für ihre Unterstützung während unserer Aufenthalte in TdF. Wir danken außerdem Dr. Massimiliana Pietrantonio (Italienische Nationalagentur für neue Technologien, Energie und nachhaltige Wirtschaftsentwicklung – ENEA des Forschungszentrums Casaccia) für ihre Unterstützung bei der FTIR-Spektroskopieanalyse.

Diese Arbeit wurde teilweise von der Universität Sapienza in Rom, Grant n., unterstützt. RM120172A913C58B-2020.

Fakultät für Chemie, Universität Sapienza Rom, P.le Aldo Moro 5, 00185, Rom, Italien

Maria Luisa Astolfi

CIABC, Universität La Sapienza Rom, P.le Aldo Moro 5, 00185, Rom, Italien

Maria Luisa Astolfi

Abteilung für Umweltbiologie, Universität Sapienza Rom, P.le Aldo Moro 5, 00185, Rom, Italien

Lorenzo Massimi & Silvia Canepari

CNR Institute of Atmospheric Pollution Research, Via Salaria, Km 29.300, Monterotondo St., 00015, Rom, Italien

Lorenzo Massimi & Silvia Canepari

Abteilung für Management, Universität La Sapienza in Rom, Via del Castro Laurenziano 9, 00161, Rom, Italien

Mattia Rapa und Marcelo Enrique Conti

Abteilung für Kernchemie, Kernchemie und Management der Gesundheitswissenschaften (GAATN), Ezeiza Atomic Center, Nationale Atomenergiekommission (CNEA), Av. Presbítero J. González y Aragón 15 (CP B1802AYA), Ezeiza, Buenos Aires, Argentinien

Rita Rosa Plà & Raquel Clara Jasan

INQUIMAE, Abteilung für Anorganische, Analytische und Physikalische Chemie, Fakultät für Exakte und Naturwissenschaften, Universität Buenos Aires, Buenos Aires, Argentinien

Mabel Beatriz Tudino

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MLA: Konzeptualisierung, Datenkuration, Validierung, formale Analyse, Untersuchung, Überwachung, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. LM: Formale Analyse, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. MR: Formale Analyse, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. UVP: Methodik, Betreuung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. RCJ: Validierung, Untersuchung. MBT: Untersuchung. SC: Ressourcen, Betreuung, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. MEC: Konzeptualisierung, Ressourcen, Supervision, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Maria Luisa Astolfi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Astolfi, ML, Massimi, L., Rapa, M. et al. Ein multianalytischer Ansatz zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung typischer Kohlenstoffsenkenproben. Sci Rep 13, 7971 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35180-x

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Eingegangen: 09. März 2023

Angenommen: 14. Mai 2023

Veröffentlicht: 17. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35180-x

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