ISO/TS 20131-1:2018

Soil quality — Easy laboratory assessments of soil denitrification, a process source of N2O emissions — Part 1: Soil denitrifying enzymes activities

This document specifies a laboratory test for characterizing the denitrifying enzyme activities in soils[5]. It globally characterizes the transformation of the nitrate form to the nitrous oxide and dinitrogen forms. This method was first proposed by Reference [5] with the acronym DEA for Denitrifying Enzyme Activities. It is a standardized technique used in numerous scientific studies. DEA estimates the process of denitrification of fresh soil samples incubated under optimal conditions of substrates (nitrate and carbon sources) and environment (anaerobiosis, controlled temperature) for the denitrification process. The de novo enzyme synthesis is blocked by the use of chloramphenicol. DEA is believed to represent the size of the denitrifying enzyme pool present in the soil sample at the time of sample collection. This test is performed in laboratory on a composite of sieved samples collected at the plot scale. It can be performed on all types of soils sampled all over the year.

Qualité du sol — Essais simples de laboratoire de caractérisation de la dénitrification dans les sols, un processus source d'émission de N2O — Partie 1: Activités des enzymes dénitrifiantes du sol

Le présent document présente un essai de laboratoire permettant de caractériser l'activité des enzymes dénitrifiantes dans les sols[5]. Il caractérise de manière globale la transformation de la forme nitrate en formes oxyde nitreux et diazote. Cette méthode a tout d'abord été proposée par la Référence [5] sous l'acronyme DEA pour Denitrifying Enzyme Activities (activités des enzymes dénitrifiantes). Il s'agit d'une technique normalisée utilisée dans de nombreuses études scientifiques. L'essai DEA estime le processus de dénitrification d'échantillons de sols frais incubés dans des conditions optimales de substrats (sources de nitrate et de carbone) et d'environnement (anaérobiose, température contrôlée) pour le processus de dénitrification. La synthèse d'enzymes de novo est bloquée par l'emploi de chloramphénicol. On considère que la DEA représente la taille du réservoir d'enzymes dénitrifiantes présent dans l'échantillon de sol au moment du prélèvement de l'échantillon. Cet essai est réalisé en laboratoire sur des échantillons tamisés composites prélevés à l'échelle d'une parcelle. Il peut être réalisé sur tous les types de sols échantillonnés tout au long de l'année.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 02-Jul-2018
• ICS: 13.080.30 - Biological properties of soils
• Technical Committee: ISO/TC 190/SC 4 - Biological characterization
• Drafting Committee: ISO/TC 190/SC 4/WG 4 - Effects on soil micro-organisms
• Current Stage: 9060 - Close of review
• Start Date: 03-Jun-2028

Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 20131-1
First edition
2018-07
Soil quality — Easy laboratory
assessments of soil denitrification, a
process source of N O emissions —
Part 1:
Soil denitrifying enzymes activities
Qualité du sol — Essais simples de laboratoire de caractérisation de
la dénitrification dans les sols, un processus source d'émission de N O
—
Partie 1: Activités des enzymes dénitrifiantes du sol
Reference number
©
ISO 2018
© ISO 2018
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms (except chemical and reagents) . 2
5 Principle . 2
6 Materials . 2
6.1 Test materials .2
6.2 Apparatus . 2
6.3 Test soil .3
6.4 Reagents. 3
7 Procedures . 3
7.1 Soil sampling and preparation .3
7.2 Soil slurries incubation .4
7.3 Gas samples analysis .4
8 Validity criteria . 4
9 Additional suggestions . 4
9.1 Soil slurries incubation .4
9.2 Control of procedure .4
9.3 Gas samples analysis .4
10 Data presentation and interpretation . 5
10.1 Denitrifying Enzyme Activity (DEA) .5
10.2 Additional suggestion: relative production of N O during denitrification (r) .5
11 Test report . 6
Annex A (informative) International ring test . 7
Bibliography .12
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: www .iso .org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 190, Soil quality, Subcommittee SC 4,
Biological characterization.
A list of all parts in the ISO/TS 20131 series can be found on the ISO website.
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Introduction
The ISO/TS 20131 series presents some easy laboratory assessments of soil denitrification,
denitrification being a process source of N O emissions.
— Scientific context
Denitrification is the main process of nitrogen returning to the atmosphere. This process corresponds to
the reduction of nitrate to nitrite and then to gaseous form, successively nitric oxide, nitrous oxide and
dinitrogen. Soils (natural and anthropic) are an important source for denitrification and nitrous oxide
emissions. Generally, soil denitrification involves a microbial catalysis. Denitrification is a microbial
process where nitrogen oxides act as acceptor of electrons during anaerobic respiration. Each step
of the denitrification process is catalysed by a specific enzyme. Denitrification is known as a process
linking the nitrogen and carbon cycles. During the denitrification process, soil organic compounds may
act as the donors of electrons. See Figure 1.
Figure 1 — Description of the denitrification process
There are different concerns in studying the denitrification process in soil at the field scale:
understanding the nitrogen cycle for limiting loss of nitrogen for agricultural production, understanding
the fate of contaminants of water like nitrate and nitrite, understanding the production and the fate
of atmospheric pollutants like NO and N O. Knowledge on denitrification in soils is also necessary for
global approach of the biogeochemical cycles and of global changes. Denitrification also constitutes an
interesting model for microbial ecology.
The gaseous form nitrous oxide (N O), mainly produced during the denitrification process, is a
greenhouse gas with a high radiative forcing per unit mass or molecule, estimated to 296 fold higher
[1]
than this of carbon dioxide (CO ) on a 100 years period . Nitrous oxide is also involved in ozone
[2]
depletion . N O concentrations have risen from a pre-industrial value of 270 ppb to a 2016 value of
328 ppb. At the global scale, nitrous oxide is estimated to contribute to 6 % of the radiative forcing.
[3]
Agricultural and natural soils appear as the main source of this greenhouse gas .
Soils act as both sources and sinks of N O. However on the global scale, the N O emissions dominate the
2 2
sink activity. The production and consumption of N O in soils mainly involve biotic processes. Numerous
groups of microorganisms contribute to the production and consumption of N O, but biological
denitrification is considered as the dominant processes involved. Only the last step of denitrification is
recognized as a significant biological consumptive fate for N O. It involves the N O reductase enzyme
2 2
[4]
activity that is inhibited by an elevated acetylene partial pressure .
— Methodological context
Direct measurements of denitrification in soils are expensive, time-consuming, labour intensive
because of the immediate dilution of the N produced in the atmosphere and because of high levels of
spatial and temporal variability. So far, easy laboratory experiments, even if they are not sufficient for
understanding in situ denitrification, could be useful for best understanding soil denitrification and
assessing soil nitrous oxide emissions. To find some generic use of the results of these laboratory tests,
it appears essential to perform them in strictly standardized conditions.
The ISO/TS 20131 series includes two tests that had previously been published in peer reviewed
journals and that are accessible to most research and analytical laboratories involved in soil sciences.
As they are both performed on sieved soils, they are quite easy to be done and can be used for a wide
range of soils.
The first part of the ISO/TS 20131 series (this document) presents a generic method for assessing
[5]
denitrifying enzyme activities in soils . It globally characterizes the transformation of the nitrate
form to the nitrous oxide and dinitrogen forms. This method was first proposed by Reference [5] with
the acronym DEA for Denitrifying Enzyme Activities. It mainly focuses on the black arrow of Figure 2.
Figure 2 — Focus of the step of the denitrification process mainly investigated during the DEA test
DEA estimates the process of denitrification of fresh soil samples incubated under optimal conditions
of substrates (nitrate and carbon sources) and environment (anaerobiosis, controlled temperature) for
the denitrification process. The de novo enzyme synthesis is blocked by the use of chloramphenicol.
DEA is believed to represent the size of the denitrifying enzyme pool present in the soil sample at the
time of sample collection. It is a standardized technique used in numerous scientific studies.
The second part of the ISO/TS 20131 series presents a test revealing soils capacities to reduce N O,
the last step of the denitrification process (i.e. the reduction of N O produced through the nitrate
denitrification to the dinitrogen form). It mainly focuses on the black arrow of Figure 3. This test allows
determining the transient accumulation of N O during the denitrification process. It derives from a
study proposed by Reference [5]. Methodological adaptations and new interpretations of the results
had been explained in Reference [6].
Figure 3 — Focus of the step of the denitrification process mainly investigated during the study
of soils’ capacity to reduce N O
The principles of the two parts of the ISO/TS 20131 series are summarized in Table 1.
Table 1 — Summary of the two parts of the ISO/TS 20131 series
Part one: Soil denitrifying Part two: Soil capacity to
[5] [6]
enzymes activities reduce N O
Principles of the Anaerobiosis to optimize the denitrification process
methodology
Use of acetylene to inhibit the N O reductase
Substrate addition Substrate addition
—  Nitrate —  Nitrate
—  Carbon —  N O (optionally)
Chloramphenicol addition
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Table 1 (continued)
Part one: Soil denitrifying Part two: Soil capacity to
[5] [6]
enzymes activities reduce N O
Ability to assess field deni- The test reveals the concentration of
trification functional denitrifying enzymes in sam-
[5]
pl
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 20131-1
Première édition
2018-07
Qualité du sol — Essais simples de
laboratoire de caractérisation de
la dénitrification dans les sols, un
processus source d'émission de N O —
Partie 1:
Activités des enzymes dénitrifiantes
du sol
Soil quality — Easy laboratory assessments of soil denitrification, a
process source of N O emissions —
Part 1: Soil denitrifying enzymes activities
Numéro de référence
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ISO 2018
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Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: [phone]
Fax: [phone]
E-mail: [e-mail]
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et abréviations (sauf produits chimiques et réactifs) . 2
5 Principe . 2
6 Matériaux . 2
6.1 Matériaux d’essai . 2
6.2 Appareillage. 2
6.3 Sol soumis à essai . 3
6.4 Réactifs . 3
7 Modes opératoires . 3
7.1 Échantillonnage et préparation du sol . 3
7.2 Incubation de boues . 4
7.3 Analyse des échantillons de gaz . 4
8 Critères de validité . 4
9 Suggestions supplémentaires . 4
9.1 Incubation de boues . 4
9.2 Contrôle du mode opératoire . 4
9.3 Analyse des échantillons de gaz . 4
10 Présentation et interprétation des données . 5
10.1 Activité des enzymes dénitrifiantes (DEA) . 5
10.2 Suggestion complémentaire: Production relative de N O pendant la dénitrification (r) . 5
11 Rapport d’essai . 6
Annexe A (informative) Essai circulaire international . 7
Bibliographie .12
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos .html.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 190, Qualité du sol, sous-comité SC 4,
Caractérisation biologique.
Une liste de toutes les parties de la série ISO/TS 20131 se trouve sur le site Web de l’ISO.
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Introduction
La série de l’ISO/TS 20131 décrit quelques essais simples de laboratoire pour l’évaluation de la
dénitrification dans les sols, la dénitrification étant un processus source d’émissions de N O.
— Contexte scientifique
La dénitrification est le principal processus de retour de l’azote dans l’atmosphère. Ce processus
correspond à la réduction du nitrate en nitrite, puis successivement à la réduction du nitrite en oxyde
nitrique, oxyde nitreux et diazote qui sont des formes gazeuses. Les sols (naturels et anthropiques)
constituent une source importante pour la dénitrification et les émissions d’oxyde nitreux.
Généralement, la dénitrification des sols implique une catalyse microbienne. La dénitrification est
un processus microbien dans lequel les oxydes d’azote jouent le rôle d’accepteurs d’électrons durant
la respiration anaérobie. Chaque étape du processus de dénitrification est catalysée par une enzyme
spécifique. La dénitrification est connue comme étant un processus reliant les cycles de l’azote et du
carbone. Pendant le processus de dénitrification, les composés organiques des sols peuvent jouer le rôle
de donneurs d’électrons. Voir Figure 1.
Figure 1 — Description du processus de dénitrification
L’étude du processus de dénitrification dans les sols à l’échelle du terrain pose différents problèmes:
comprendre le cycle de l’azote pour limiter la perte d’azote en agriculture, comprendre le devenir des
contaminants de l’eau tels que les nitrates et les nitrites, comprendre la production et le devenir des
polluants atmosphériques tels que le NO et le N O. La connaissance de la dénitrification dans les sols est
également nécessaire pour l’approche globale des cycles biogéochimiques et des changements globaux.
La dénitrification constitue par ailleurs un modèle intéressant pour l’écologie microbienne.
La forme gazeuse oxyde nitreux (N O), principalement produite durant le processus de dénitrification,
est un gaz à effet de serre présentant un potentiel élevé de forçage radiatif par unité de masse ou
[1]
molécule, estimé 296 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone (CO ) sur une période de 100 ans .
[2]
L’oxyde nitreux intervient également dans la déplétion de l’ozone . Les concentrations de N O ont
augmenté d’une valeur préindustrielle de 270 ppb à une valeur de 328 ppb en 2016. À l’échelle mondiale,
on estime que l’oxyde nitreux représente 6 % du forçage radiatif. Il apparaît que les sols agricoles et
[3]
naturels constituent la principale source de ce gaz à effet de serre .
Les sols jouent à la fois un rôle de sources et de puits de N O. Toutefois, à l’échelle mondiale, les
émissions de N O dominent l’activité d’absorption. La production et la consommation de N O dans les
2 2
sols impliquent essentiellement des processus biotiques. De nombreux groupes de microorganismes
contribuent à la production et à la consommation de N O, mais la dénitrification biologique est considérée
comme étant le processus dominant. La dernière étape de dénitrification est le seul processus terrestre
connu permettant la consommation du N O en quantité significative. Elle fait intervenir l’activité
[4]
enzymatique N O réductase, qui est inhibée par une pression partielle élevée d’acétylène .
— Contexte méthodologique
Les mesurages directs de la dénitrification dans les sols sont coûteux et exigeants en temps et en
main d’œuvre, en raison de la dilution immédiate du N produit dans l’atmosphère et de l’importante
variabilité spatiale et temporelle de la dénitrification dans les sols. Ainsi, des expériences de laboratoire
simples, même si elles ne sont pas suffisantes pour comprendre la dénitrification in situ, peuvent être
utiles pour mieux comprendre la dénitrification dans les sols et évaluer les émissions d’oxyde nitreux
par les sols. Pour trouver une certaine utilisation générique des résultats de ces essais de laboratoire, il
semble essentiel de les réaliser dans des conditions strictement normalisées.
La série de l’ISO/TS 20131 inclut deux essais ayant été précédemment publiés dans des revues à comité
de lecture et qui sont accessibles à la plupart des laboratoires de recherche et d’analyse du secteur des
sciences des sols. Comme ils sont tous deux mis en œuvre sur des sols tamisés, ils sont assez aisés à
réaliser et peuvent être employés pour une grande variété de sols.
Le présent document décrit une méthode générique pour évaluer les activités des enzymes
[5]
dénitrifiantes dans les sols . Elle caractérise de manière globale la transformation de la forme nitrate
en formes oxyde nitreux et diazote. Cette méthode a tout d’abord été proposée par la Référence [5] sous
l’acronyme DEA pour Denitrifying Enzyme Activities (activités des enzymes dénitrifiantes). Elle cible
essentiellement la flèche noire de la Figure 2.
Figure 2 — Cible de l’étape du processus de dénitrification principalement examinée dans
l’essai DEA
L’essai DEA évalue le processus de dénitrification d’échantillons de sols frais incubés dans des
conditions optimales de substrats (sources de nitrate et de carbone) et d’environnement (anaérobiose,
température contrôlée) pour le processus de dénitrification. La synthèse d’enzymes de novo est bloquée
par l’emploi de chloramphénicol. On considère que la DEA représente la taille du réservoir d’enzymes
dénitrifiantes
...