Chất hữu cơ là gì? Các công bố khoa học về Chất hữu cơ

Hai bộ cơ sở mở rộng (được gọi là 5–31G và 6–31G) bao gồm các hàm sóng nguyên tử được biểu diễn dưới dạng kết hợp tuyến tính cố định của các hàm Gaussian được trình bày cho các nguyên tố hàng đầu từ cacbon đến flo. Những hàm cơ sở này tương tự như bộ 4–31G [J. Chem. Phys. 54, 724 (1971)] ở chỗ mỗi lớp vỏ hóa trị được chia thành các phần bên trong và ngoài được mô tả tương ứng bằng ba và một hàm Gaussian. Các lớp vỏ bên trong được biểu diễn bởi một hàm cơ sở đơn lẻ, bao gồm tổng của năm (5–31G) hoặc sáu (6–31G) hàm Gaussian. Nghiên cứu với một số phân tử đa nguyên tử cho thấy giảm đáng kể năng lượng tổng tính toán so với bộ 4–31G. Tính toán năng lượng tương đối và hình học cân bằng dường như không thay đổi đáng kể.

Các đánh giá số về chất lượng không khí toàn cầu và những thay đổi tiềm ẩn trong các thành phần hóa học khí quyển yêu cầu các ước tính về dòng phát thải bề mặt của nhiều loài khí vi lượng khác nhau. Chúng tôi đã phát triển một mô hình toàn cầu để ước tính phát thải hợp chất hữu cơ bay hơi từ các nguồn tự nhiên (NVOC). Methane không được xem xét ở đây và đã được xem xét chi tiết ở những nghiên cứu khác. Mô hình có lưới không gian được phân giải cao (0,5°×0,5° vĩ độ/kinh độ) và tạo ra các ước tính phát thải trung bình theo giờ. Các loài hóa học được phân nhóm thành bốn loại: isoprene, monoterpen, các VOC phản ứng khác (ORVOC), và các VOC khác (OVOC). Phát thải NVOC từ đại dương được ước tính dựa trên các biến số vật lý địa chất từ mô hình lưu thông tổng quát và dữ liệu vệ tinh nhận diện màu nước biển. Phát thải từ lá cây được ước tính từ các yếu tố sinh khối và phát thải cụ thể của hệ sinh thái cùng với các thuật toán mô tả sự phụ thuộc vào ánh sáng và nhiệt độ của phát thải NVOC. Các ước tính về độ dày tán lá dựa trên các biến số khí hậu và dữ liệu vệ tinh. Các biến động theo thời gian trong mô hình được điều khiển bởi các ước tính hàng tháng về sinh khối và nhiệt độ cùng với các ước tính ánh sáng theo giờ. Dòng VOC toàn cầu hàng năm được ước tính là 1150 Tg C, trong đó 44% là isoprene, 11% là monoterpen, 22,5% là các VOC phản ứng khác và 22,5% là các VOC khác. Có nhiều độ không chắc chắn lớn đối với mỗi ước tính này, đặc biệt là đối với các hợp chất không phải isoprene và monoterpen. Các khu rừng nhiệt đới (rừng mưa, rừng theo mùa, rừng rụng lá vào mùa khô, và savanna) đóng góp khoảng một nửa tổng phát thải VOC tự nhiên toàn cầu. Các vùng đất canh tác, các vùng cây bụi và các rừng khác đóng góp từ 10-20% mỗi loại. Phát thải isoprene được tính toán cho các vùng ôn đới cao hơn gấp 5 lần so với các ước tính trước đây.

Chúng tôi đã phân tích các yếu tố khí hậu và kết cấu ảnh hưởng đến carbon hữu cơ (C) và nitơ (N) trong đất tại vùng Đại Bình nguyên của Hoa Kỳ. Chúng tôi đã sử dụng một mô hình về số lượng và thành phần chất hữu cơ trong đất (SOM) để mô phỏng mức độ chất hữu cơ ổn định tại 24 địa điểm đồng cỏ trong khu vực này. Mô hình có khả năng mô phỏng tác động của các gradient khí hậu đến SOM và năng suất. Kết cấu đất cũng là một yếu tố kiểm soát quan trọng đối với động lực học của chất hữu cơ. Mô hình đã dự đoán một cách chính xác sản lượng thực vật trên mặt đất cũng như mức độ C và N trong đất qua các loại kết cấu đất (cát, trung bình và mịn); tuy nhiên, mô hình có xu hướng đánh giá quá mức mức độ C và N trong đất thuộc loại kết cấu mịn từ 10 đến 15%. Tác động của việc chăn thả đối với hệ thống đã được mô phỏng và cho thấy rằng các mức C và N trong đất ổn định nhạy cảm với cường độ chăn thả, với mức C và N trong đất giảm khi tần suất chăn thả tăng lên. Các xu hướng vùng trong SOM có thể được dự đoán bằng bốn biến cụ thể cho địa điểm, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, kết cấu đất và hàm lượng lignin trong thực vật. Các đầu vào nitơ cũng cần phải được xác định. Cường độ chăn thả trong quá trình phát triển đất cũng là một yếu tố kiểm soát quan trọng đối với các mức SOM ổn định, và do ít dữ liệu có sẵn về việc chăn thả trước khi định cư, một số sự không chắc chắn là bất khả kháng trong các dự đoán của mô hình.

Các cơ chế ổn định carbon trong đất gần đây đã thu hút nhiều sự quan tâm do sự liên quan của chúng trong chu trình carbon toàn cầu. Ở đây, chúng tôi xem xét các cơ chế hiện đang được coi là, mặc dù thường mâu thuẫn hoặc không nhất quán, có thể góp phần vào việc bảo vệ chất hữu cơ (OM) chống lại sự phân hủy trong các loại đất ôn đới: (i) bảo tồn chọn lọc do tính kháng phân hủy của OM, bao gồm phụ phẩm thực vật, sản phẩm từ rễ, sản phẩm vi sinh vật, polymer humic và OM đã cháy; (ii) tính không truy cập về không gian của OM đối với các sinh vật phân hủy do sự chèn ép, sự xen kẽ, tính ưa nước và bao bọc; và (iii) ổn định nhờ tương tác với bề mặt khoáng (oxit Fe, Al, Mn, silicate phyllo) và các ion kim loại. Mục tiêu của chúng tôi là đánh giá mức độ liên quan của các cơ chế này đối với sự hình thành OM trong đất trong các giai đoạn phân hủy khác nhau và dưới các điều kiện đất khác nhau. Quan điểm cho rằng sự ổn định của OM chủ yếu được chi phối bởi sự bảo tồn chọn lọc các thành phần hữu cơ kháng phân hủy tích lũy theo tỷ lệ với các thuộc tính hóa học của chúng không còn có thể được chấp nhận. Ngược lại, phân tích của chúng tôi về các cơ chế cho thấy: (i) cộng đồng sinh vật đất có khả năng phá vỡ bất kỳ OM có nguồn gốc tự nhiên nào; (ii) tính kháng phân hủy của OM là tương đối, chứ không phải là tuyệt đối; (iii) tính kháng phân hủy chỉ quan trọng trong giai đoạn phân hủy sớm và trong các loại đất bề mặt hoạt động; trong khi (iv) trong giai đoạn phân hủy muộn và trong tầng dưới, mức độ liên quan của tính không truy cập về không gian và tương tác hữu cơ-khoáng đối với sự ổn định của SOM tăng lên. Chúng tôi kết luận rằng những khó khăn chính trong việc hiểu và dự đoán động lực của SOM phát sinh từ sự hoạt động đồng thời của một số cơ chế. Chúng tôi thảo luận về những khoảng trống trong kiến thức và các hướng nghiên cứu hứa hẹn trong tương lai.

Nhiều mô hình đã được xây dựng nhằm cố gắng mô tả động lực của sự tuần hoàn hợp chất hữu cơ trong đất (SOM), phần lớn trong số đó bao gồm 2 đến 3 bể chứa hợp chất hữu cơ được định nghĩa về động học. Việc xác định vật lý và hóa học của các bể chứa SOM được khái niệm này đã gặp nhiều khó khăn. Chúng tôi mô tả một phương pháp đơn giản để phân tán đất nhằm tách biệt một phần hợp chất hữu cơ dạng hạt (POM) có thể đại diện cho một bể chứa SOM quan trọng trong đất đồng cỏ. Phần POM được tách ra bằng cách phân tán đất trong dung dịch hexametaphosphate 5 g L⁻¹ và lọc các mẫu đất đã phân tán qua một lưới 53 µm. Chúng tôi so sánh C POM và C liên kết khoáng trong ba biện pháp canh tác (20 năm canh tác) và một đồng cỏ chưa bị xáo trộn tại Sidney, NE. C POM trong cỏ native đại diện cho 39% tổng hợp chất hữu cơ trong đất. Hai mươi năm quản lý bỏ hoang, trồng trọt nông sản và không cày đã giảm hàm lượng C trong phần này xuống còn 18, 19 và 25%, tương ứng, so với tổng hợp chất hữu cơ. Phần hợp chất hữu cơ liên kết khoáng không cho thấy sự giảm hàm lượng C trong biện pháp bỏ hoang so với đất đồng cỏ nhưng tăng lên trong biện pháp không cày và trồng mật. Động lực nitơ nói chung phản ánh những gì quan sát được ở C. Phân tích phần POM về hàm lượng lignin và cellulose chỉ ra rằng phần này có 47% lignin và có chỉ số lignocellulose là 0,7. Thành phần đồng vị C ổn định của phần POM gợi ý rằng POM có nguồn gốc từ lúa mì phân hủy nhanh hơn so với POM có nguồn gốc từ cỏ. Chúng tôi cho rằng phần POM rất gần với các đặc tính của một bể chứa SOM được mô tả khác nhau là hợp chất hữu cơ phân hủy chậm, có khả năng phân hủy, hoặc đã ổn định.

Việc phân hủy và chuyển hóa các chất hữu cơ thực vật trên và dưới mặt đất (rác thực vật) là quá trình chính tạo ra chất hữu cơ trong đất (SOM). Tuy nhiên, các nghiên cứu về sự phân hủy rác thực vật và sự hình thành SOM đã phần lớn bị tách biệt, không cung cấp một liên kết hiệu quả giữa hai quá trình cơ bản này đối với sự chu chuyển và tích trữ carbon (C) và nitơ (N). Chúng tôi trình bày sự hiểu biết hiện tại về tầm quan trọng của hiệu quả sử dụng cơ chất của vi sinh vật và phân bổ C và N trong việc kiểm soát tỷ lệ C và N có nguồn gốc từ thực vật được đưa vào SOM, và các tương tác trong ma trận đất trong việc kiểm soát sự ổn định của SOM. Chúng tôi tổng hợp sự hiểu biết này vào khung Hiệu suất vi sinh vật - Ổn định ma trận (MEMS). Khung này dẫn đến giả thuyết rằng các thành phần thực vật dễ phân hủy là nguồn sản phẩm vi sinh vật chính, so với các tỷ lệ đầu vào, vì chúng được vi sinh vật sử dụng hiệu quả hơn. Các sản phẩm vi sinh vật từ quá trình phân hủy này do đó sẽ trở thành các tiền chất chính của SOM ổn định bằng cách thúc đẩy sự kết tụ và thông qua liên kết hóa học mạnh mẽ với ma trận khoáng trong đất.

Chúng tôi báo cáo ở đây nghiên cứu hệ thống đầu tiên về ảnh hưởng của tạp chất và phụ gia (ví dụ: nước, ion chloride và đồng dung môi) đến các tính chất vật lý của chất lỏng ion ở nhiệt độ phòng. Đáng chú ý, chúng tôi đã phát hiện ra rằng độ nhớt của các hỗn hợp chủ yếu phụ thuộc vào phân số mol của các dung môi phân tử được thêm vào và chỉ phụ thuộc ít hơn vào bản chất của chúng, cho phép sự thay đổi độ nhớt trong suốt quá trình phản ứng hoàn toàn có thể dự đoán được. Trong khi việc bổ sung các dung môi phân tử như vậy làm giảm độ nhớt và mật độ, các tạp chất chloride, phát sinh từ quá trình chuẩn bị các chất lỏng ion, làm tăng độ nhớt một cách đáng kể. Các phương pháp chuẩn bị thường được sử dụng đã được xác thực liên quan đến tạp chất chloride.

Phân tích thủy văn thường liên quan đến việc đánh giá sự thấm nước trong đất, độ dẫn nước, khả năng lưu trữ và mối quan hệ giữa thực vật và nước. Để xác định các ảnh hưởng của nước trong đất đến thủy văn, cần ước lượng các đặc tính nước trong đất cho tiềm năng nước và độ dẫn thuỷ lực bằng cách sử dụng các biến đất như kết cấu, vật chất hữu cơ (OM) và cấu trúc. Việc đo đạc tại hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm thường khó khăn, tốn kém và thường không thực tế cho nhiều phân tích thủy văn. Các mối tương quan thống kê giữa kết cấu đất, tiềm năng nước trong đất và độ dẫn thuỷ lực có thể cung cấp những ước lượng đủ chính xác cho nhiều phân tích và quyết định. Nghiên cứu này đã phát triển các phương trình đặc tính nước trong đất mới từ cơ sở dữ liệu đất hiện có của USDA chỉ bằng cách sử dụng các biến dễ dàng thu thập như kết cấu đất và OM. Các phương trình này tương tự như những phương trình đã được Saxton và cộng sự báo cáo trước đó nhưng bao gồm nhiều biến và phạm vi ứng dụng hơn. Chúng được kết hợp với các mối quan hệ đã được báo cáo trước đó cho độ căng và độ dẫn cũng như tác động của mật độ, sỏi và độ mặn để hình thành một hệ thống dự đoán đặc tính nước trong đất toàn diện cho quản lý nước nông nghiệp và phân tích thủy văn. Việc xác minh được thực hiện bằng cách sử dụng các tập dữ liệu độc lập cho một phạm vi rộng các kết cấu đất. Hệ thống dự đoán được lập trình cho một mô hình máy tính đồ họa để cung cấp ứng dụng dễ dàng và giải pháp nhanh chóng và có sẵn tại http://hydrolab.arsusda.gov/soilwater/Index.htm

Để đặc trưng hóa các chất hữu cơ trong sắc ký khí, một con số được gọi là «chỉ số giữ lại» được đề xuất. Có một mối quan hệ đơn giản giữa chỉ số giữ lại của một hợp chất trên pha tĩnh không phân cực và điểm sôi của nó.

Tình hình ứng dụng công nghệ phân hủy kị khí đang gia tăng trên toàn cầu nhờ vào những lợi ích về kinh tế và môi trường của nó. Do đó, một số nghiên cứu và hoạt động nghiên cứu liên quan đến việc xác định tiềm năng biogas của các chất nền hữu cơ rắn đã được thực hiện trong những năm gần đây. Vì vậy, việc định nghĩa một giao thức để xác định tiềm năng metan tối đa cho một chất nền rắn nhất định là điều đặc biệt quan trọng. Thực tế, tham số này xác định, ở một mức độ nào đó, cả chi tiết thiết kế và kinh tế của một nhà máy biogas. Hơn nữa, việc định nghĩa các đơn vị chung được sử dụng trong các thí nghiệm kị khí ngày càng được yêu cầu từ cộng đồng khoa học và kỹ thuật. Bài báo này trình bày một số hướng dẫn cho các xét nghiệm tiềm năng biomethane được chuẩn bị bởi Nhóm Công tác về Phân hủy kị khí, Hoạt động và Xét nghiệm Ức chế của Nhóm Chuyên gia Phân hủy Kị khí của Hiệp hội Nước Quốc tế. Đây là bước đầu tiên để định nghĩa một giao thức tiêu chuẩn.