العناصر الغذائية في النظم البيئية المائية
المصدر: مختبرات مارغريت وركمان وكيمبرلي فراي - جامعة ديبول
النيتروجين والفوسفور من المغذيات النباتية الأساسية الموجودة في النظم البيئية المائية ويتم م…
1. قياس النيتروجين في العينة
- في مقياس الطيف الضوئي ، ابحث عن برنامج النترات (مع دليل المستخدم أو قائمة الأدوات) وأدخل رقم البرنامج.
- ماصة 10 مل من عينة الماء في أحد أنابيب العينة. صب هذا في أحد أنابيب العينة.
- كرر ذلك لأنبوب عينة ثان.
- أضف محتويات وسادة مسحوق كاشف النترات إلى أنبوب عينة واحد.
- قم بتغطية كلا الأنبوبين العينتين.
- في مقياس الطيف الضوئي ، اضغط على المؤقت وأدخل لبدء فترة تفاعل للكاشف. هز العينة بقوة حتى ينتهي وقت التفاعل ويصدر المؤقت. ستبدأ العينة في التحول إلى اللون الكهرماني.
- اضغط على Enter. ستبدأ فترة تفاعل ثانية مدتها 5 دقائق.
- بعد أن يصدر المؤقت صفيرا في المرة الثانية ، امسح الجزء الخارجي من أنبوبي العينة بمنشفة ورقية خالية من النسالة.
- ضع أنبوب العينة بدون أنبوب كاشف (فارغ) في مقياس الطيف الضوئي.
- قم بتغطية الخلية بإحكام بغطاء الجهاز لضمان حجب الإضاءة المحيطة.
- صفر مقياس الطيف الضوئي لقراءة 0.0 مجم / لتر NO 3 -N.
- قم بإزالة الخلية الفارغة وضع خلية العينة مع الكاشف في حامل الخلية. قم بتغطية خلية العينة بإحكام بغطاء الجهاز.
- اضغط على READ. سينتقل المؤشر إلى اليمين ، ثم سيتم عرض النتائج في mg/L NO3-N.
2. قياس الفوسفور في العينة
- قم بقياس 5.0 مل من عينة الماء باستخدام ماصة.
- صب الماء المقاس في أنبوب العينة.
- أضف محتويات وسادة مسحوق بيرسلفات البوتاسيوم للفوسفونات إلى أنبوب العينة.
- أغطي الأنبوب بإحكام ورجه حتى يذوب.
- قم بتسمية الجزء العلوي من غطاء الأنبوب وضع الأنبوب في مفاعل COD (في غطاء كيميائي) وقم بتسخينه لمدة 30 دقيقة.
- ضعه في رف أنبوب الاختبار واتركه ليبرد حتى يصل إلى درجة حرارة الغرفة.
- باستخدام أسطوانة متدرجة ، قم بقياس 2 مل من 1.54 نيوتن هيدروكسيد الصوديوم.
- صب هذا في أنبوب العينة. غطاء واخلط.
- في مقياس الطيف الضوئي ، ابحث عن رقم برنامج الفوسفات (مع دليل المستخدم أو قائمة الأدوات) وأدخل رقم البرنامج.
- نظف الجزء الخارجي من أنبوب العينة بمنشفة ورقية خالية من النسالة.
- ضع أنبوب الاختبار بحيث يكون مواجها لمقدمة الجهاز.
- ضع الغطاء على أنبوب الاختبار.
- أخرج أنبوب الاختبار وأضف محتويات وسادة مسحوق الكاشف المشتراة لطريقة حمض الأسكوربيك.
- غطيها بإحكام ورجيها لمدة 10-15 ثانية
- اضغط على المؤقت ثم أدخل. ستبدأ فترة انتظار مدتها دقيقتان.
- بعد أن يصدر المؤقت صفيرا ، قم بتنظيف الجزء الخارجي من أنبوب الاختبار بمنشفة ورقية خالية من النسالة.
- ضع أنبوب الاختبار في الجهاز بحيث يكون الشعار مواجها لمقدمة الجهاز.
- ضع الغطاء فوق أنبوب الاختبار.
- اضغط على قراءة. ستعرض الشاشة النتائج بالملغم/لتر.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
النيتروجين والفوسفور من المغذيات النباتية الأساسية الموجودة في النظم البيئية المائية ، ومع ذلك ، بكميات زائدة ، يمكن أن تسبب مشاكل كبيرة في جودة المياه. يوجد النيتروجين والفوسفور في الماء عادة على شكل نترات وفوسفات ، على التوالي. يتم إذابة كل من العناصر الغذائية في الماء ويتم امتصاصها بسهولة بواسطة أجهزة التمثيل الضوئي مثل الطحالب.
تدخل النترات والفوسفات إلى أنظمة المياه من خلال جريان المياه العذبة من محطات معالجة مياه الصرف الصحي والمروج المخصبة والأراضي الزراعية وأنظمة الصرف الصحي المعيبة وتصريف النفايات الصناعية. بكميات زائدة ، يمكن أن يتسبب كلا المغذيين في زيادة نمو النباتات المائية وتكاثر الطحالب ، والتي تسمى التخثث. تعيش هذه الطحالب على سطح الماء ، من أجل الوصول بسهولة إلى الأكسجين وأشعة الشمس.
نتيجة لذلك ، يمنع التخثث انخفاض مستويات الماء من الوصول إلى ضوء الشمس والأكسجين في الهواء. عندما تموت الطحالب ، فإنها تغرق في مستويات المياه المنخفضة وتتحلل ، وتستهلك الأكسجين في المياه العميقة مما يسبب نقص الأكسجة أو انخفاض مستويات الأكسجين المذاب. وتصبح المياه العميقة منطقة ميتة، وبسبب حرمانها من الأكسجين، وقطعها عن إعادة الإمداد. نتيجة لذلك ، تموت الأسماك والكائنات الحية الأخرى بأعداد هائلة. تنتشر المناطق الميتة على نطاق واسع في محيطات وبحيرات العالم ، في الغالب في المناطق الحضرية المكتظة بالسكان.
سيقدم هذا الفيديو منهجية قياس تركيزات النترات والفوسفات في المياه السطحية ، ويوضح القياسات في المختبر.
يتم الإبلاغ عن النيتروجين في الماء من حيث "النترات كنيتروجين". تشير عبارة "النترات كنيتروجين" إلى كمية النيتروجين في شكل نترات. لذلك ، يمكن تحويل تركيز النترات كنيتروجين إلى تركيز النترات باستخدام نسب الأوزان الجزيئية للنيتروجين والنترات.
يتم قياس تركيز النترات باستخدام طريقة تقليل الكادميوم. يقلل معدن الكادميوم من النترات إلى نتريت ، ثم تتفاعل أيونات النتريت مع حمض السلفانيليك لتشكيل ملح ديازونيوم وسيط. ثم يقترن ملح الديازونيوم بحمض الجنتيسيك ، ويشكل مركبا بلون العنبر. كلما كان اللون الكهرماني أغمق ، زاد تركيز النترات في العينة.
تم الإبلاغ عن تركيز الفوسفور في عينات المياه بالمثل ، من حيث كمية الفوسفور في شكل فوسفات. يمكن إكمال التحويل بين تركيز الفوسفات وتركيز الفوسفات كفوسفور بسهولة باستخدام الوزن الجزيئي. يوجد الفوسفات في الماء في العديد من المطابقات المختلفة. يجب أولا تحويل جميع الفوسفات إلى أورثوفوسفات من خلال التحلل المائي عن طريق تسخين العينات ببيركبريتات الحمض والبوتاسيوم.
تستخدم طريقة حمض الأسكوربيك / الموليبدات لحساب تركيز أورثوفوسفات. يتفاعل أورثوفوسفات مع موليبدات الصوديوم في الظروف الحمضية لإنتاج مركب الفوسفات / الموليبديت. ثم يستخدم حمض الأسكوربيك لتقليل المركب ، مما ينتج عنه منتج أزرق اللون. لتحديد كثافة اللون التي ينتجها الكاشف في كلتا التجربتين ، يتم استخدام مقياس الألوان لقياس كمية الضوء التي تمتصها الأنواع الملونة. ثم يتم تحويل الامتصاص إلى تركيز.
ستوضح التجربة التالية تحليل تركيزات النترات والفوسفات في عينات المياه باستخدام حزم الكاشف المختلطة مسبقا لأداء هذه التقنية اللونية.
لبدء قياس النيتروجين ، ابحث عن برنامج النترات على مقياس الألوان ، وأدخل رقم البرنامج المناسب أو اضبط مقياس الألوان للقياس عند 420 نانومتر. قم بقياس 10 مل من عينة الماء ، وقم بسحب الأنبوب في أنبوب عينة ، وقم بتسمية الأنبوب. قم بإعداد أنبوب ثان متطابق ، وقم بتسميته على أنه فارغ.
أضف محتويات حزم كاشف طريقة تقليل الكادميوم المخلوطة مسبقا إلى أنبوب العينة. قم بتغطية كلا الأنبوبين العينتين. ابدأ في توقيت فترة التفاعل لمدة 1 دقيقة للكاشف. رج الأنبوب بقوة باليد حتى يكتمل وقت رد الفعل.
اضبط الأنبوب لأسفل ، وابدأ فترة تفاعل ثانية مدتها 5 دقائق للسماح للكادميوم بتقليل النيتروجين. عندما تنتهي فترة التفاعل ، امسح كلا الأنبوبين بمنشفة ورقية خالية من النسالة.
ضع أنبوب العينة بدون كاشف ، المسمى الفراغ ، في مقياس الألوان. تأكد من عدم تداخل أي ملصقات مع مسار الضوء. قم بتغطية الخلية بإحكام بغطاء الجهاز للتأكد من حجب كل الإضاءة المحيطة من غرفة العينة.
قم بمعايرة مقياس الألوان باستخدام الفراغ لقراءة 0.0 مجم / لتر نترات كنيتروجين. قم بإزالة الأنبوب الفارغ وضع أنبوب العينة في حامل العينة ، واستبدل غطاء الأداة. قم بقياس امتصاص العينة ، واعرض تركيز النترات على شكل نيتروجين في العينة.
يشبه قياس الفوسفور في عينة الماء قياس النيتروجين. أولا ، قم بقياس 5 مل من عينة الماء ووضعها في أنبوب عينة. أضف محتويات وسادة مسحوق بيرسلفات البوتاسيوم المخلوطة مسبقا للفوسفونات إلى أنبوب العينة.
أغطي الأنبوب بإحكام ورجيه لإذابة المسحوق. قم بتسمية الجزء العلوي من الغطاء. ضع الأنبوب في المفاعل في غطاء ، وقم بتسخينه لمدة 30 دقيقة عند 150 درجة مئوية. بعد التسخين ، قم بإزالة الأنبوب من المفاعل ، وضعه في رف أنبوبي ، واتركه ليبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
بعد ذلك ، اضبط الأس الهيدروجيني بإضافة 2 مل من 1.54 M هيدروكسيد الصوديوم إلى أنبوب العينة. قم بتغطية الأنبوب واخلطه. في مقياس الألوان ، حدد رقم البرنامج للفوسفات وأدخل رقم البرنامج ، أو اضبط مقياس الطيف الضوئي لقياس الامتصاص عند 880 نانومتر.
نظف أنبوب العينة بمنديل خال من النسالة ، وقم بتحميل أنبوب الاختبار في مقياس الألوان. تأكد من عدم وجود ملصقات تتداخل مع مسار الضوء في الجهاز. ضع الغطاء على الجهاز ، وقم بالمعايرة باستخدام العينة غير المتفاعلة كفارغة.
قم بإزالة الأنبوب من الجهاز ، وأضف محتويات حزمة كاشف طريقة حمض الأسكوربيك المخلوطة مسبقا إلى أنبوب الاختبار. أغطي الأنبوب بإحكام ، ورج الأنبوب حتى يمتزج. ضع الأنبوب في رف ، وابدأ فترة رد فعل مدتها دقيقتان باستخدام جهاز توقيت.
بعد انتهاء فترة التفاعل ، يجب أن يكون لون المحلول أزرق. نظف الجزء الخارجي من الأنبوب بمنشفة ورقية خالية من الوبر. ضع أنبوب الاختبار في الجهاز مع إخراج جميع الملصقات من مسار الضوء.
أغلق غطاء حجرة العينة واضغط على زر القراءة. ستظهر النتائج بالملغم / لتر. في حالة استخدام مقياس الطيف الضوئي ، قم بقياس امتصاص العينة عند 880 نانومتر.
تمت مقارنة تركيزات النترات والفوسفات في فرع نهر حضري في 5 مواقع عينات مختلفة في هذه التجربة.
تحتوي مياه النهر النظيفة عادة على 0 إلى 1 مجم / لتر من النترات والنيتروجين و 0 إلى 0.03 مجم / لتر من الفوسفات والفوسفور. تعتبر التركيزات بين 3 إلى 5 ملغم/لتر من النترات والنيتروجين و0.03 إلى 0.1 ملغم/لتر من الفوسفات-الفوسفور مرتفعة، وفوق هذه النطاقات تعتبر غذائية.
كانت مستويات النترات والفوسفات مرتفعة في 3 من 5 مواقع لأخذ العينات. وبالمثل ، تمت مقارنة متوسط تركيزات النترات والفوسفات في المنبع والمصب لمحطة معالجة المياه. يمثل قياس المنبع المياه غير المعالجة ، بينما يمثل القياس النهائي الجريان السطحي من محطة المعالجة.
كان القياس النهائي منخفضا في الفوسفات بسبب إزالة المواد العضوية أثناء عملية المعالجة. ومع ذلك ، كان متوسط تركيزات النترات أعلى في اتجاه مجرى النهر ، مما يشير إلى مدخلات النترات المحتملة بالقرب من منطقة التصريف ، ربما من سماد العشب.
يعد فهم المحتوى الغذائي لجريان المياه وتأثيره الناتج على الحياة النباتية البحرية أمرا في غاية الأهمية للحفاظ على أنظمتنا البيئية الطبيعية.
في المثال التالي ، تمت دراسة الكائنات الحية الدقيقة البحرية في البيئات النائية مثل الشعاب المرجانية. يمكن أن تساعد هذه النتائج في توضيح التجمعات الميكروبية المتغيرة بسبب تركيزات النترات وتكاثر الطحالب الناتجة.
تم جمع عينات المياه في حاويات مغلقة أمام البيئة الخارجية لمنع التلوث. تم جمع الميكروبات على مرشح 0.22 متر. تم تحليل المياه المفلترة لفحص الشوائب غير العضوية. وجد التحليل الميتاجينومي أن نقل المادة الوراثية الميكروبية كان مرتبطا بشكل إيجابي بتركيز النترات.
من أجل مكافحة التخثث ، من المهم فهم جريان التربة ومصير الملوثات ونقلها في التربة. في المثال التالي ، تمت محاكاة هطول الأمطار ، ودراسة مصير الملوثات في التربة. كانت صناديق التربة مليئة بالتربة التي تحتوي على ملوثات ذات أهمية ، في هذه الحالة اليوريا ، وهي شكل شائع من الأسمدة النيتروجينية. يمكن دراسة الجزيئات المحتوية على الفوسفور بنفس الإجراء. تمت محاكاة هطول الأمطار في ظل ظروف مختلفة ، وتم جمع الجريان السطحي وتحليله.
على غرار المثال الأخير ، يمكن أيضا دراسة الجريان السطحي في الهواء الطلق في البيئات الطبيعية. هنا ، تم بناء منشأة أبحاث الجريان السطحي في منطقة حضرية. تم بناء جدار احتياطي لمنع تلوث الجريان السطحي إلى مناطق أخرى ، ولتمكين جمع المياه المراقب. تم فصل مناطق المؤامرة أيضا لمنع حركة المياه الجانبية. أجريت دراسات جريان المياه باستخدام أنظمة الري. تم جمع جريان المياه وإكمال التحليل الكيميائي لتحديد الملوثات في الماء.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لتحليل مغذيات المياه في المياه السطحية. يجب أن تفهم الآن التحديات المرتبطة بجريان المياه والغنثث ، وكيفية قياس محتوى المغذيات في عينات المياه. شكرا للمشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What causes eutrophication in aquatic ecosystems?
Eutrophication occurs when excess nitrogen and phosphorus nutrients stimulate rapid algae growth. These algae blooms live at the water surface to access oxygen and sunlight, blocking light from reaching lower water levels. When algae die and decompose in deeper water, they consume dissolved oxygen, creating hypoxia and dead zones where fish and organisms cannot survive.
Q2: How do nitrates and phosphates enter water systems?
Nitrates and phosphates enter aquatic ecosystems through multiple pathways including wastewater treatment plant discharge, runoff from fertilized lawns and agricultural lands, faulty septic systems, animal manure, and industrial waste. These dissolved nutrients are readily absorbed by photosynthesizers like algae, making them major contributors to water quality problems in populated urban areas.
Q3: What is the cadmium reduction method used for in water testing?
The cadmium reduction method measures nitrate concentration in water samples. Cadmium metal reduces nitrates to nitrites, which then react with sulfanilic acid to form a diazonium salt. This salt couples with gentisic acid to produce an amber-colored compound. The color intensity correlates with nitrate concentration and is quantified using a colorimeter.
Q4: Why must phosphates be converted to orthophosphates before analysis?
Phosphates exist in water in many different conformations, so all forms must be standardized for accurate measurement. Samples are heated with acid and potassium persulfate to hydrolyze all phosphate forms into orthophosphates. This conversion ensures consistent analysis using the ascorbic acid/molybdate method, which specifically reacts with orthophosphates to produce a measurable blue-colored product.
Q5: What do clean river water nitrate and phosphate levels indicate?
Clean river water typically contains 0 to 1 mg/L of nitrate-nitrogen and 0 to 0.03 mg/L of phosphate-phosphorus. Concentrations between 3 to 5 mg/L nitrate-nitrogen and 0.03 to 0.1 mg/L phosphate-phosphorus are considered high. Levels above these ranges indicate eutrophic conditions where excess nutrients threaten aquatic ecosystem health and dissolved oxygen in surface water.
Q6: How does the ascorbic acid/molybdate method quantify phosphate concentration?
Orthophosphates react with sodium molybdate in acidic conditions to form a phosphate/molybdate complex. Ascorbic acid then reduces this complex, producing a blue-colored product. A colorimeter measures the light absorbed by the blue species, and this absorbance value is converted to phosphate concentration, providing quantitative analysis of phosphorus in water samples.
Q7: What does nitrate-as-nitrogen reporting mean in water quality analysis?
Nitrogen in water is reported as nitrate-as-nitrogen, which refers specifically to the amount of nitrogen present in nitrate form rather than total nitrate mass. This standardized reporting allows conversion between nitrate-as-nitrogen and total nitrate concentration using molecular weight ratios, enabling consistent comparison of nitrogen levels across different water samples and monitoring programs.