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Jul 10, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7971 (2023) この記事を引用

331 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

南アメリカ南部の泥炭地（ティエラ・デル・フエゴ地域、TdF）は、パタゴニアの生態学的力学において重要な役割を果たしています。したがって、それらの保護を確実にするためには、その科学的および生態学的価値についての知識と意識を高めることが必要です。この研究は、TdF からの泥炭堆積物とミズゴケにおける元素の分布と蓄積の違いを評価することを目的としました。サンプルの化学的および形態学的特性評価がさまざまな分析技術を使用して実行され、53 種類の元素の合計レベルが決定されました。さらに、泥炭および苔サンプルの元素含有量に基づく化学分析による識別が実行されました。一部の元素 (Cs、Hf、K、Li、Mn、Na、Pb、Rb、Si、Sn、Ti、Zn) は、泥炭サンプルよりもコケサンプルの方が著しく高い含有量を示しました。対照的に、泥炭サンプルでは苔サンプルよりも Mo、S、Zr のみが有意に高かった。得られた結果は、コケが元素を蓄積し、泥炭サンプルへの元素の侵入を促進する手段として機能する能力を強調しています。この複数の手法によるベースライン調査で得られた貴重なデータは、TdF の生物多様性のより効果的な保全と生態系サービスの保護に使用できます。

泥炭地は、ほぼ完全に分解した植物物質で構成されており、世界の主要な陸上炭素吸収源 1 であり、生態系 2 の回復力の向上に貢献しています。しかし、それらは世界の陸地面積のわずか 3% しか占めていません 3,4,5。炭素循環を調節するという泥炭地の基本的な機能は、気候変動の緩和に貢献します6,7。また、さまざまな生物種の生息地、古環境アーカイブ、考古学的遺跡を確保することで生物多様性の保全において重要な役割を果たし、水の貯蔵、地下水の涵養、干ばつや洪水の緩和を通じて水循環の調節において特別な役割を果たしています7,8。さらに、泥炭とミズゴケは、それぞれ燃料と園芸基材として使用するための貴重な経済資源として世界的に認識されています9,10,11。ただし、泥炭は再生不可能な資源です6。近年、泥炭地を賢く利用するための新しい戦略と、採掘権を制限した新しい管理政策が提案されています6,12。

南アメリカの温帯地域では、泥炭湿原にはミズゴケが優勢であり 13、栄養分が乏しい（栄養栄養性） 14 。オンブロトロフィック湿原は水圧的に隔離されており、大気の堆積物や降水によって主要元素と微量元素を含むすべての栄養素を受け取ります15。いくつかの研究では、腐植性泥炭湿原も水銀沈着記録の有用なアーカイブであることが示されています 16,17。斜層栄養性泥炭地における水銀の蓄積速度と濃度は、場所や人為的および自然源に加えて、泥炭の腐植化プロセスによって影響を受けます16。実際、泥炭が金属を結合する能力は、フミン物質の含有量の多さと発達した表面によって決まります18,19。泥炭の有機物を構成する腐植物質に存在するカルボキシル官能基とフェノール官能基は、金属錯体形成、緩衝能、酸塩基反応、陽イオン交換能などの泥炭の化学的特性に影響を与えます20,21。また、ミズゴケはその表面の陽イオン交換能力が高いため、大気元素の沈着を監視するのに適しています11、22、23、24、25。しかし、他の著者が指摘したように、調査されたのは一部の元素だけであり、他の元素はミズゴケによって結合されている可能性があります24。さらに、堆積した塵の元素組成は、塵の地球化学サイクルと気候変動との関係を理解するために必要です26。

パタゴニアの泥炭地については限られた断片的な情報が入手可能である27。これらの分野に関する知識を向上させ、将来の化学物質による汚染の可能性を評価するには、新しい研究を行う必要があります。可能な限り完全な化学物理的特性評価により、天然資源の枯渇を回避し、生物多様性を保護するための人工製品の作成も可能になります。このため、私たちの主な目的は、53元素（Al、As、B、Ba、Be、Bi、C、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Eu、Fe）の合計含有量を測定し、比較することです。、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、Zr）をいくつかの分析手法を使用してティエラデルフエゴ (TdF、南パタゴニア) の 8 つの場所から採取した泥炭および生きているミズゴケに含まれるおよび化学測定ツール [主成分分析 (PCA) および段階的変数選択]。他の目的は、フーリエ変換赤外 (FTIR) 分光法によって官能基の種類と量を研究し、元素の蓄積と泥炭およびミズゴケの化学構造の間の相関関係を明らかにすることです。

ティエラ・デル・フエゴはアメリカ大陸の南端に位置します（図1）。大西洋と太平洋の間のマゼラン海峡の南東に広がっています。この群島は、面積 48,100 km2 の本島である TdF ビッグアイランド (単に TdF またはビッグアイランドと呼ばれることも多い) と、無数の小さな島で構成されています。本島は政治的に 2 つの国家に分断されており、38.6% がアルゼンチン (東) に属し、61.4% がチリ (西) に属しています。アルゼンチン側の本島最大の都市はリオグランデ市とウシュアイア市で、人口は57,000人です。

南米アルゼンチンの調査地域の地図。サンプリング場所の位置は、ティエラデルフエゴ地域 (南パタゴニア) の北部地域の詳細な地図にマークされています。地理座標の基準系は、World Geodetic System 1984 (WGS84) 楕円体に基づいています。データマップ: Google、CNES/Airbus、Maxar Technologies、Airbus、TerraMetrics、Landsat/Copernicus。

TdF の気候は、緯度、南極の氷塊の近くの存在、海流、および土地自体の性質の影響を受けます。近くにある南極大陸は、列島を特に冬に寒気団の存在にさらしますが、同時に海水の 3 面に寒気団が存在するため、夏と冬の温度差が低く抑えられる傾向があります。この地域は海洋性気候に属し、夏は短く涼しく、冬は長く湿気が多く、適度に寒いです。 TdF の主な湿原集中は東部に位置しており、降水量は年間約 700 ～ 900 mm です 6。これらの泥炭地は、気候、土壌および水の化学的特性と関連しています 28。泥炭地は TdF のアルゼンチン部分の主要な生態系であり、東部流域の一部ではその面積が 90% に達しています28。

2018 年に、8 つの汚泥栄養性でほとんど荒れていない泥炭湿原とミズゴケのサンプルが収集されました。泥炭地パッチは重複してサンプリングされ、Roig et al.29 の泥炭地地図に従って選択されました。 8 つのサンプリングサイト (A、B、C、D、E、F、G、H) の位置の地図と選択した点の地理座標を図 1 に示します。群島内で最も人口の多い都市であるウシュアイアと国際空港の近くにあるが、他の場所は人為的影響が少ない地域にある。泥炭サンプルはフィールドドリルを使用して収集され、コアは深さ 20 cm まで抽出され、10 cm のセグメントに分割され、ビニール袋に詰められました。泥炭とミズゴケのサンプルを 40 °C で 2 日間乾燥させ、(セラミック乳鉢と乳棒を使用して) 粉砕し、実験室で均質化しました。すべてのサンプルは分析まで 4 °C で保管されました。

元素分析装置 (EA 1110 CHNS/O、CE Instruments、英国) を使用して、すべてのサンプル (約 5 mg) 中の C、H、N、O、および S の割合を測定しました30。分析手順は、サンプルの燃焼（1000 °C）、その後の接触酸化および還元プロセス、ガスクロマトグラフィーカラムで生成されたガスの分離、および熱伝導率検出器（290 °C に設定）による分析で構成されます。 C); EAGER 200 プログラムによる信号処理とサンプル中に存在する元素のパーセンテージの決定。

走査型電子顕微鏡 (SEM) 分析は、X 線微量分析用のエネルギー分散型分光計 (XEDS、モデル) を備えた高解像度電界放出 SEM (HR-FESEM、モデル Auriga 405、Carl Zeiss Microscopy GmbH、イエナ、ドイツ) を使用して実行されました。 Quantax、Bruker、ベルリン、ドイツ）。分析前に、粉末サンプルの少量を特定の支持体に固定し、スパッタリング機 (Q150T ターボポンプスパッタコーター/カーボンコーター、Quorum Technologies Ltd.、イーストサセックス、英国) によって C の薄層をコーティングしました。表面を導電性にします。 HR-FESEM XEDS 取得は、高真空 (10-6 hPa) 下、20 keV の加速電圧で実行されました。顕微鏡写真は、画像解像度を最適化するために適切に調整された作動距離 (WD)、倍率、スポットサイズ、および傾斜角条件で二次電子検出器 (SED) によって取得されました。微量分析は、それぞれ 3.0 ～ 7.8 mm および 100 ～ 45,000 倍の範囲の WD および倍率で実行されました。

水銀は、EPA メソッド 747331 に従って、高度な水銀分析装置 (AMA-254、Altec Ltd.、プラハ、チェコ共和国) を使用して測定されました。各サンプル (約 20 mg) は 2 回分析され、認定標準物質 (BCR 482) が測定されました。分析手順の品質保証と管理に使用されます。真性バイアスの割合と精度は、それぞれ 2.3 % と 3.2% でした。ブランク (n = 10) の標準偏差の 3 倍と 10 倍に相当する Hg 濃度として定義される測定限界と定量限界 (それぞれ LOD と LOQ) は、それぞれ 0.0001 と 0.004 mg kg-1 でした。 1% v/v HNO3 (67% 超純度、Carlo Erba Reagents、ミラノ、イタリア) 中の Hg 参照標準溶液 (10% HNO3 中で 1,002 ± 7 mg L−1; SCP Science、Baie D'Urfé、ケベック、カナダ)を使用してキャリブレーション溶液を調製しました（0 ～ 50 μg L-1 の範囲）。すべての水溶液は、Arioso Power I RO-UP Scholar UV 脱イオン装置 (Human Corporation、韓国ソウル市松坡区) によって生成された、抵抗率 18.2 MΩ cm-1 の脱イオン水を使用して調製されました。 AMA メソッドの詳細については、以前の研究で説明されています 32。

機器中性子放射化分析 (INAA) は、Eu、Hf、Lu、Sc、Sm、Th、Yb の質量分率を決定するために、核分析技術研究所 (エセイザ原子センター、アルゼンチン国家原子力委員会) で実施されました。

泥炭およびミズゴケのサンプル、それぞれ約 25 および 300 mg を RA-3 反応器 (熱流束 3.1013 cm-2 s-1、8 Mw) で 4.5 時間照射しました。照射終了から数えて 7 日および 30 日の減衰を伴う 2 つの測定は、GeHP 検出器 (効率 30%、1332.5 keV 60Co ピークの分解能 1.8 keV) を使用して行われました。 Gamma Vision ソフトウェアを使用してガンマスペクトルを取得し、元素の質量分率は NAA 研究所で開発されたソフトウェアを使用して計算されました。品質管理の目的で、WEPAL 2011-4 の安山岩 ACH-1 と草 (イネ科) をそれぞれ泥炭分析とミズゴケ分析の対照サンプルとして使用しました33。 INAA の校正には、次の認定標準物質が使用されました。 SRM 石炭フライアッシュ 1633c (国立標準技術研究所 -NIST、米国メリーランド州ゲイサーバーグ)、CRM Soil GBW 07,405 (GSS-5) (Institute of Geophysical and Geochemical Exploration、廊坊、中国）およびRM IAEA Lichen 336（国際原子力機関、ザイバースドルフ研究所、オーストリア、ザイバースドルフ）。 INAA による認証標準物質の分析から得られた平均結果 (n = 3) は、認証データと良好な一致を示しました (表 S1)。 INAA LOD を表 1 および S2 に示します。

フーリエ変換赤外分光法 (FTIR; IR Affinity Miracle 10; Shimadzu Scientific Instruments、コロンビア、メリーランド州、米国) を使用して、官能基の種類と相対存在量に関する情報を提供しました。 IRスペクトルは4,000〜600cm-1の範囲で5.0cm-1の解像度で記録されました。

41元素（Al、As、B、Ba、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Fe、Ga、K、La、Li、Mg、Mn、Mo、Na）の合計含有量、Nb、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Se、Si、Sn、Sr、Te、Ti、Tl、U、V、W、Zn、Zr）をICP-OES（Vista MPX CCD）で測定同時; 衝突反応インターフェース (CRI) を備えた ICP-MS (820-MS; Bruker、ブレーメン、ドイツ)。ヒ素、Cr、Fe、Mn、Se、および V は、CRI モードの ICP-MS とセルガスとしての H2 および He (純度 99.9995%、SOL Spa、イタリア、モンツァ) を使用して分析されました。他の元素は、ICP-OES によって測定された Al、Ba、Ca、Cr、K、Na、S、Si、Ti、Zr を除き、標準モードの ICP-MS によって測定されました。 ICP-MS および ICP-OES に最適化された機器パラメーターは、以前の研究で要約されています 34。多元素標準溶液 (VWR International、ミラノ、イタリア) を機器校正曲線 (7 点) に使用しました。 ICP-MS および ICP-OES では、それぞれ 0.005 および 0.2 mg L-1 のイットリウム (Panreac Química、スペイン、バルセロナ)、および 10 mg L-1 の Sc、Rh、In、および Th (Merck、ダルムシュタット、ドイツ) ICP-MS の場合のみ内部標準として使用されました。

Bettinelli et al.35、Astolfi et al.35 に従って、粉末サンプルの完全な消化は、HCl-HF-HNO3 の酸混合物を使用して、密閉電子レンジシステム (Ethos1 Touch Control; Milestone, Sorisole, Bergamo, Italy) で実行されました。 36、Gaeta et al.37。簡単に言うと、秤量した量 (約 100 mg) のサンプルをポリテトラフルオロエチレン容器に移しました。これらに、1 mL H2O2 (30% 超純度、Merck、ダルムシュタット、ドイツ)、1 mL HCl (30% 超純度、Carlo Erba Reagents、ミラノ、イタリア)、および 3 mL HNO3 (方法 M1) または 1 mL HF (40% 超純度) 、Ｓｉｇｍａ−ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｅＧｍｂＨ、シュタインハイム、ドイツ）、１ｍＬのＨＣｌおよび３ｍＬのＨＮＯ３（方法Ｍ２）を加えた。得られた溶液を、180℃までの温度上昇プログラムを使用してマイクロ波エネルギーで40分間加熱した。得られた消化物を脱イオン水で２０ｍＬに希釈し、濾過した（０．４５μｍ硝酸セルロース膜；ＧＶＳＦｉｌｔｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、米国インディアナ州インディアナポリス）。方法 M1 によるサンプルは、脱イオン水でさらに 1:10 に希釈されました。これらの手順の後、M1 法または M2 法で得られた消化物をそれぞれ ICP-MS または ICP-OES で分析しました。メソッドブランクはサンプルと一緒に定期的に分析され、損失や相互汚染がないかチェックされました。 LOD と LOQ を表 1 に示します。品質管理の目的で、標準標準物質 (NIST 1515、ゲイサーズバーグ、メリーランド州、米国) を分析しました。すべての認定元素（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、Zn）、真性バイアスの割合は期待値の -9.7（La）から 17%（Ca）の間であり、再現性としての精度は 0.5（K）から 25%（Sb）の間でした。）36．他の元素 (As、Be、Bi、Cs、Ga、Li、Nb、Se、Si、Sn、Te、Ti、Tl、Zr) については、泥炭およびミズゴケのサンプルに指標となるレベルがあります。異なる分析技術間で共通する元素 (As、Ce、Co、Cr、Cs、Fe、La、Rb、Sb、Zn) については、技術間の比較を通じてデータの品質管理が行われました。

統計分析は、IBM® SPSS® Statistics 27 ソフトウェア (IBM Corp.、米国ニューヨーク州アーモンク) を使用して実施されました。各要素について、LOD を下回る値は LOD の半分に等しい値に置き換えられました38,39。 LOD 未満の値の割合が 30% を超えた場合、その要素は統計データセットから除外されました。

サンプル濃度の違いは、クラスカル-ウォリス検定、ペアワイズ事後検定、およびマン-ホイットニー検定によって検定されました。複数のペアごとの比較からの確率値は、ボンフェローニ補正を使用して調整されました40。

段階的アプローチによる主成分分析と変数選択は、サンプルのグループ化の可能性を強調するために JMP 16 Pro (SAS Institute) を使用して実行されました。化学分析の前に、自動スケーリング前処理がデータマトリックスに適用されました。

HR-FESEM XEDS 調査により、泥炭およびミズゴケサンプルの形態と表面組成が示されました (図 2、S1 ～ S4、および表 S3、S4)。すべてのサンプルにおいて、次の元素である Al、Ca、Cl、Mg、Na、O、P、S、Si はさまざまな割合で存在しますが、Cr と Cu は泥炭にのみ、Fe、K、N はミズゴケにのみ含まれています。 (表S3およびS4)。酸素 (泥炭では 25.8 ～ 45.6%、ミズゴケでは 29.7 ～ 44.5%) が最も豊富な元素です。泥炭サンプルの表面は層状で多孔質であるように見えますが、ミズゴケサンプルは球状で繊維状の構造を示しています。反射電子画像 (図 2) は、サンプル内の有機物 (弱い輝度) と無機部分 (強い輝度) を区別することができます。どちらのマトリックスにも金属球状粒子が存在します (図 2)。泥炭の上層に存在する無機球状粒子は、主に産業活動や石炭燃焼などの人為起源のものです。これは、泥炭中では宇宙小球体（一般に燃焼過程で生成される）が非常にまれであるためです41,42。

HR-FESEM 顕微鏡写真は、(a) 泥炭および (b) ミズゴケのサンプル中に球状の金属粒子が存在することを証明しています。

C、H、N、O、S 含有量の分析により、HR-FESEM XEDS の結果が確認されました。O (泥炭の 40.8% からミズゴケの 63.3%) および C (ミズゴケの 31.8% から泥炭の 51.0%) H (ミズゴケの 4.46 ～ 7.13%) および N (ミズゴケの 0.29% ～泥炭の 1.96%) とともに、考慮した両方のマトリックスで含有量が高い元素です (表 2)。

泥炭は約 50% の C を含む有機物質で構成されているため (表 2)、C 濃度は泥炭湿潤化の変化と泥炭地における関連する質量損失を反映しています 16。泥炭中の有機物質の分解により、リグニンに由来するフェノール構造が形成されます43。これらの構造は、タンパク質や糖よりも分解されにくい43、44。 O/C 比と H/C 比から、有機分子内の炭水化物含有量と C の飽和率に関する情報が得られます。したがって、H/C 比が低いほど、サンプルの芳香族性が高くなります 43。一方、O/C 比が低いほど、泥炭サンプル中の炭水化物レベルが低い、および/または有機含有量が高いことを示します45。微生物による有機物の消費により、N16,46 と比較して C の存在量が減少することが決定されるため、C/N 比は有機物の分解プロセスにも関連します。しかし、泥炭には栄養素が不足しており、pH16が低いため、微生物による分解は限られています。したがって、C/N 比は泥炭の分解の程度と泥炭の質量損失の指標として使用されます16,46。泥炭中の C/N 比は腐植の度合いを示す指標であり、C/N 比が低いほど泥炭の腐植が高いことを示します46。以前に報告された泥炭および湿原植生の C/N 値の比は、主に 40 から 10016,46 の範囲でした。全体として、この研究で得られた結果 (表 2) は文献 16、43、46 の結果と一致しています。 C/N 比が最も高いサンプルはサイト H のサンプルで、腐植度が最も高いサンプルは泥炭のサイト E とミズゴケのサイト G に存在します。一般に、腐植指数の変化は環境条件の変化、つまり気候の違いと、その結果生じる泥炭の蓄積と分解の違いに関連しています46。 60 ～ 153 という高い C/N 比 (泥炭の場合はサイト A、D、G、および H、ミズゴケの場合は A、B、C、E、F、および H) は、湿度が低い条件下で泥炭が急速に成長することを示唆しています。この値は、湿地がより乾燥していること、したがって泥炭がより長期間にわたって好気性崩壊にさらされていることを示している可能性があります46,47。植生の違いは、降雨量の減少と海洋散布による栄養摂取の増加によって説明できます48,49。

泥炭の S 含有量は、有機 S、硫酸塩、硫化物から構成されます50。泥炭およびミズゴケ中の S に関する文献にはあまり情報がありません。スコットランドの泥炭では有機 S が優勢で、総 S の約 64% が C 結合硫黄で、27% が硫酸エステル S51 です。一部の著者は、硫黄摂取量と泥炭中のその濃度との間に明確な相関関係を見つけられませんでした52。ティエラ・デル・フエゴ地域でサンプリングされたミズゴケで測定された S レベルは 0.01 ～ 0.26% の範囲であり、これは汚染されていない場所で報告されているレベルと同様です 53。

図S5とS6は、さまざまなサンプルの赤外スペクトルを示し、表S5は、泥炭で観察された主なバンドと関連する官能基の割り当ての概要を示しています。スペクトルは天然有機物に特有の広いバンドを示しており、これは単一の吸収バンドの重ね合わせによるものです43。スペクトルの主な特徴は次のとおりです。アルコールやフェノールなどのさまざまな基の O-H 伸縮による 3400 cm-1 付近の広いバンド。 C-H 伸縮と脂肪族 (脂肪、ワックス、脂質) の特性による 2920 および 2850 cm-1 の 2 つのピーク。カルボニル基およびカルボキシル基（カルボン酸および芳香族エステル）のC=Oストレッチ、芳香族C=Cおよび非対称COO-基振動（リグニンおよび他の芳香族および芳香族または脂肪族カルボン酸塩）に割り当てられる1720～1420cm-1の領域、フェノールの OH 変形と C=O 伸縮、または C-H 変形 (フェノールおよび脂肪族構造)。そして最後に、1100〜1000cm-1領域の吸収バンドは、多糖類のC-O伸縮とOH-H変形の組み合わせに割り当てられました46、54、55、56。

泥炭およびミズゴケサンプルで分析されたすべての元素について、Mo、S、および Zr を除き、泥炭サンプルよりもミズゴケの方が高い各元素の合計レベルが見つかりました (表 1)。両方のマトリックスで最も豊富な元素は Al、Ca、Fe、S、Si、Zr で、その範囲は 440 (Zr) ～ 12,000 (Si) mg kg-1 でした。ミズゴケ中のセシウム、Hf、K、Li、Mn、Na、Pb、Rb、Si、Sn、Ti、Zn レベルは、泥炭中のレベルよりも約 2 (Na) ～ 18 (Zn) 倍有意に高かった。対照的に、Mo、S、Zr については、ミズゴケサンプルよりも泥炭サンプルでかなり高いレベルの元素が検出されました。各マトリックスおよびサイトの元素レベルを考慮すると（表 S6 および S7）、有意な差は強調されず、調査対象地域の各マトリックス内の元素の均一な分布が示されています。

Pb や Hg などの一部の元素は、有機材料に強く結合する傾向があります 50。鉛は不動で泥炭プロファイル中によく保存されていると考えられています57,58。 Si や Zr など、ダストの堆積を表す元素のほとんどや、主に岩石生成トレーサとして特定される Al、Ti、Sc、希土類元素 (REE) などの元素でさえ、不動で安定しているはずです50。しかし、Pb などの一部の元素は、低い pH 値で有機錯体を形成する傾向があり、このため泥炭のプロファイルに沿って移動する可能性があります 50。

いくつかの研究では、Hg 濃度の増加は泥炭のより大きな分解（低い C/N 比）に関連しており、必ずしも大気堆積物による寄与が大きいわけではないことが示されています 59。私たちのデータは、他の研究 60,61 と一致して、Hg と泥炭の分解の間に相関関係がないことを示しました (p < 0.05)。これは、サンプリングされた泥炭の組成の均一性を強調します。

我々の結果は、コケが有毒元素を含むほとんどの元素を堆積によって蓄積し、土壌中の金属（ロイド）の蓄積を促進する手段となり得ることを示したWang et al.25の結果と一致している。さらに、湿ったまたは乾いた大気中のコケ表面への粒子の堆積は、その後可溶化されるか、沈殿によって洗い流される可能性があります62、63、64。したがって、泥炭には金属が豊富に含まれており、コケの元素レベルに大きく寄与する可能性があります25。

各国は、異なる金属（ロイド）濃度に関連するリスクレベルを定義しています65、66、67。例えば、表 S8 は、2006 年立法 152 号およびその後の修正および追加によって定められた閾値レベル 68 と、汚染土壌に関するフィンランドの法律で定められた基準 69 を示しています。フィンランドの法律に関しては、最高濃度レベルは主要な土地利用、つまり工業用地や輸送用地、その他の土地利用によって定義されています。 2 番目の集中レベルは、いわゆる「ガイド値」です。これを超えると、その地域は生態学的リスク (e) または健康リスク (t) を伴う汚染レベルになります。産業および輸送地域 (最高のガイド値) と、その他すべての土地利用 (最低のガイド値) には、異なるガイド値が設定されています。農地の評価には、サンプルの下限値の基準値が適用されます。泥炭中の元素レベルは、サイト E の As (13.0 ± 1.0 mg/kg) を除き、すべて規制基準を下回っていました。これは、フィンランドの閾値 5 mg kg-1 を超えています。しかし、たとえ人為的ヒ素汚染が広範囲に及んでいたとしても、土壌中のヒ素は主に地質起源のものであると一般に考えられており、粘土質土壌ではバックグラウンド濃度がより高くなります66。

上記の結果は、泥炭サンプルと苔サンプルの間にいくつかの違いがあることを示しました。この区別を確認し、サンプルの違いを視覚化するために、化学分析が適用されています。

通常、サンプルサイズが大きく変数の数を超える場合、化学測定処理が必要になります。それにもかかわらず、探索的分析を実行し、サンプルの自然なグループ化をグラフで表示するには、主成分分析を縮小した観察に適用する必要があります。

これに関して、変数の数を減らし、最も有益な変数を選択することを目的として、実行されたすべての分析に対して段階的な変数の選択が実行されました。最小ベイジアン情報量基準 (BIC) を適用して、どの変数が泥炭サンプルと苔サンプルの間で最も良好な分離を示したかを指摘しました。

C、H、N、O、S含有量の変数の段階的結果を表S9に報告しました。除外される変数は %N と %O だけです。これらの結果は、分析結果の差異と一致します。選択した変数を使用して主成分分析を実行し、図 3 に報告しました。最初の 2 つの主成分は、変動全体の 78.3% を占めました。泥炭サンプル (赤) はすべてプロットの右側にあり、コケサンプルは G サイトのコケを除いて左側にあります。泥炭と苔のサンプルのグループ分けは PC1 でより明白であり、主に %C および O/C 変数の影響を受けていました。したがって、これらの変数は、サンプルのグループ化をよりよく特徴付けるように見えます。

C、H、N、O、S 含有量の選択された変数に対する PCA のスコアと負荷プロット。赤：ピート、青：モス。

赤外分光特性評価に関して、段階的アプローチによって選択された変数は波長：1489、1662、3194、2307、および3437 cm-1でした（表S10）。表S5に報告されているように、これらの波長がリグニンおよびセルロース化合物の典型的な範囲内にあることは注目に値します。したがって、泥炭と苔のサンプルの有機物の違いは、これらの化合物に起因すると考えられます。 FTIR 振動バンドの主成分分析プロットを図 4 に示します。最初の 2 つの PC が分散全体の 96.1% を占めました。変数は、PC1 と PC2 で同様の寄与を示しました。 G サイトを除く苔サンプル (青) はグラフの下部に位置し、泥炭サンプル (赤) は上部にあります。

赤外スペクトルの選択された変数に対する PCA のスコアと負荷プロット。赤：ピート、青：モス。

多元素分析では、変数には決定された 49 個の元素のうち 29 個が段階的に含まれていました。つまり、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、Bi（表S11）。特に、サンプルを区別するために含まれる変数は、マクロ要素、微量要素、REE などのさまざまなクラスに属します。この発見は、環境サンプルの特徴を明らかにするためにさまざまな元素クラスが使用されていることを裏付けています。選択された元素に対して主成分分析が実行されました (図 5)。最初の 2 人の PC は、泥炭と苔のサンプルの部分的なグループ化により、全体の変動性の 74.3% を説明しました。実際、A、C、E、G サイトのコケサンプルはスコアプロットの右側に明確に位置していますが、他のサイトのサンプルは部分的に泥炭サンプルと重なって見えます。ピートとモスの主な違いは主に Zn と As の含有量の違いによるものですが、類似点は S と Zr の含有量に起因します。

多元素分析用に選択した変数に対する PCA のスコアと負荷プロット。赤：ピート、青：モス。

ティエラ・デル・フエゴ地域（パタゴニア南部）の泥炭堆積物とミズゴケの元素分布と物理化学的特性を推定した。私たちの研究は、人為的汚染のリスクと金属の生物地球化学サイクルにおけるコケの役割を評価するために、アルゼンチン南部の泥炭地の元素含有量をモニタリングする必要があることを実証しました。実際、人為的影響は、生態学的に非常に重要な場所である泥炭湿原の生態系を危険にさらす可能性があります。なぜなら、泥炭湿原は希少な動植物種の避難場所となり得るため、生物多様性の保全と生物の保護において基本的な役割を果たすからです。生態系サービス。したがって、泥炭湿原の研究および管理戦略を設計し、これらの生態系の重要性について科学者コミュニティや地元住民の知識と認識を高めることが重要です。この研究は、中長期的なパタゴニアの生態系の回復力の評価に役立つベースライン情報を提供します。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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リファレンスをダウンロードする

著者らは、TdF 滞在中に支援してくれたハビエルジョルダーノと彼のグループに感謝の意を表します。また、マッシミリアナ・ピエトラントニオ博士（イタリア国立新技術・エネルギー・持続可能な経済開発庁、カサッチャ研究センターENEA）のFTIR分光分析への支援に感謝いたします。

この研究は、ローマのサピエンツァ大学、Grant n. によって部分的に支援されました。 RM120172A913C58B-2020。

化学科、サピエンツァ大学ローマ、P.le Aldo Moro 5、00185、ローマ、イタリア

マリア・ルイサ・アストルフィ

CIAABC、ローマのサピエンツァ大学、P.le Aldo Moro 5、00185、ローマ、イタリア

マリア・ルイサ・アストルフィ

サピエンツァ大学ローマ環境生物学部、P.le Aldo Moro 5、00185、ローマ、イタリア

ロレンツォ・マッシミ & シルビア・カネパリ

CNR Institute of Atmospheric Pollution Research、Via Salaria、Km 29,300、Monterotondo St.、00015、ローマ、イタリア

ロレンツォ・マッシミ & シルビア・カネパリ

経営学部、サピエンツァ大学ローマ、Via del Castro Laurenziano 9、00161、ローマ、イタリア

マティア・ラパ & マルセロ・エンリケ・コンティ

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リタ・ロサ・プラ & ラケル・クララ・ジャサン

INQUIMAE、ブエノスアイレス大学、精密自然科学部、無機、分析および物理化学学科、ブエノスアイレス、アルゼンチン

メイベル・ベアトリス・トゥディーノ

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マリア・ルイーザ・アストルフィへの通信。

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転載と許可

Astolfi、ML、Massimi、L.、Rapa、M. 他。典型的な炭素吸収源サンプルの化学組成を研究するための複数の分析アプローチ。 Sci Rep 13、7971 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35180-x

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受信日: 2023 年 3 月 9 日

受理日: 2023 年 5 月 14 日

公開日: 2023 年 5 月 17 日

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

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