Fingerprinting of soil organic matter composition by FTIR-ATR spectroscopy

master's thesis

• Title (croatian): Karakterizacija organske tvari tla upotrebom FTIR-ATR spektroskopije
• Author: Sofia Kapeni
• Mentor: Željka Zgorelec (mentor)
• Mentor: Apolka Ujj (komentor)
• Committee member: Željka Zgorelec (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Lidija Svečnjak (član povjerenstva)
• Committee member: Ivana Šestak (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Agriculture; (General Agronomy); Zagreb
• Defense date and country: 2024-07-24, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: BIOTECHNICAL SCIENCES; Agronomy

Abstract

Soil plays a critical role in food production, carbon sequestration, and climate regulation. Ensuring soil security aligns with several United Nations Sustainable Development Goals (SDGs) and is essential for global sustainability. Soil organic matter (SOM) is an important indicator of soil quality and plays a multifaceted role in soil functionality. However, the heterogeneous nature of SOM makes it highly vulnerable to climate change, that can affect the composition and stability of SOM. Therefore, advancing soil assessment techniques is crucial for protecting soil resources. Infrared spectroscopy (IR), as a non-destructive method, is of great importance for detecting changes in soil dynamic properties such as SOM. Fourier transform infrared-attenuated total reflectance (FTIR-ATR) spectroscopy is a powerful tool for SOM characterization, providing insights into SOM functional groups and their degree of humification. The aim of this study is to evaluate the applicability of FTIR-ATR spectroscopy in characterizing SOM in different soil types in Croatia, including a comparative assessment of two FTIR-ATR spectrometers to evaluate their performance. The soil types examined were Luvisol, Regosol acric, Gleysol vertic, Dystric Stagnosol and Chernozem, which differ in various soil indicators including organic matter content (OM), pH, total nitrogen (TN), plant available phosphorus (PAL) and potassium (KAL), and clay content. According to our findings, FTIR-ATR spectroscopy provided insights into the hydrophilic fraction of SOM. However strong absorbance bands attributed to minerals and other inorganic constituents of soils masked distinct SOM constituents, highlighting the need for advanced chemometric modelling techniques for fingerprinting SOM composition using FTIR-ATR spectroscopy.

Abstract (croatian)

Tlo igra ključnu ulogu u proizvodnji hrane, sekvestraciji ugljika i regulaciji klime. Osiguravanje sigurnosti tla kao resursa usklađeno je s nekoliko ciljeva održivog razvoja Ujedinjenih naroda i ključno je za globalnu održivost. Organska tvar tla (Eng. Soil Organic Matter, SOM) važan je pokazatelj kvalitete tla i igra višestruku ulogu u funkcionalnosti tla. Međutim, heterogena priroda SOM-a čini ga vrlo osjetljivim na klimatske promjene, koje mogu utjecati na sastav i stabilnost SOM-a. Stoga su napredne tehnike procjene kvalitete tla ključne za zaštitu tla kao resursa. Infracrvena spektroskopija (IR), kao nedestruktivna metoda, od velike je važnosti za otkrivanje promjena u dinamičkim svojstvima tla kao što je SOM. Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom i prigušenom totalnom refleksijom (FTIR-ATR) moćan je alat za karakterizaciju SOM-a, pružajući uvid u funkcionalne skupine SOM-a i njihov stupanj humifikacije. Cilj ove studije je utvrditi primjenjivost FTIR-ATR spektroskopije u karakterizaciji SOM-a u različitim tipovima tala u Hrvatskoj, uključujući usporednu analizu dva FTIR-ATR spektrometra za procjenu njihove učinkovitosti. Ispitivani tipovi tla bili su Luvisol (crvenica/terra rossa), Regosol acric (regosol na eolskom pijesku), Gleysol vertic (glejno vertično), Dystric Stagnosol (pseudoglej) i Chernozem (černozem/crnica), koji imaju različita svojstva (deskriptore) tla uključujući sadržaj organske tvari (SOM), pH, ukupni dušik (TN), biljci pristupačni fosfor (PAL) i kalija (KAL), te sadržaja gline. Prema našim rezultatima, FTIR-ATR spektroskopija omogućila je uvid u hidrofilnu frakciju SOM-a. Međutim, jake vrpce apsorbancije koje se pripisuju mineralima i drugim anorganskim spojevima u tlu maskirale su različite komponente SOM-a, naglašavajući potrebu za naprednim tehnikama kemometrijskog modeliranja za karakterizaciju sastava SOM-a pomoću FTIR-ATR spektroskopije.

• Keywords: Croatia; soil quality; soil degradation; FTIR spectroscopy; SOM
• Keywords (croatian): Hrvatska; kvaliteta tla; degradacija tla; FTIR spektroskopija; SOM
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:204:763106
• Study programme: Title: Sustainability in Agriculture, Food Production and Food Technology in the Danube Region; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka agronomije (magistar/magistra inženjer/inženjerka agronomije)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2024-08-27 07:00:43