Nährstoffe in aquatischen Ökosystemen

Stickstoff und Phosphor sind essentielle Pflanzennährstoffe, die in aquatischen Ökosystemen vorkommen, aber in übermäßigen Mengen erhebliche Probleme mit der Wasserqualität verursachen können. Stickstoff und Phosphor im Wasser kommen typischerweise in Form von Nitrat bzw. Phosphat vor. Beide Nährstoffe sind im Wasser gelöst und werden von Photosynthesen wie Algen leicht aufgenommen.

Nitrate und Phosphate gelangen durch Süßwasserabfluss aus Kläranlagen, gedüngten Rasenflächen und landwirtschaftlichen Flächen, defekten Kläranlagen und der Einleitung von Industrieabfällen in die Wassersysteme. In übermäßigen Mengen können beide Nährstoffe zu einer Zunahme des Wasserpflanzenwachstums und zu Algenblüten führen, die als Eutrophierung bezeichnet werden. Diese Algenblüten leben an der Wasseroberfläche, um leicht an Sauerstoff und Sonnenlicht zu gelangen.

Infolgedessen verhindert die Eutrophierung, dass niedrigere Wasserstände Zugang zu Sonnenlicht und Sauerstoff in der Luft haben. Wenn die Algen absterben, sinken sie in die unteren Wasserstände und zersetzen sich, wodurch Sauerstoff im tieferen Wasser verbraucht wird, was zu Hypoxie oder niedrigem Gehalt an gelöstem Sauerstoff führt. Ausgehungert von Sauerstoff und abgeschnitten von der Nachschubversorgung, wird das tiefe Wasser zu einer toten Zone. Infolgedessen sterben Fische und andere Organismen in großer Zahl. Todeszonen sind in den Weltmeeren und Seen weit verbreitet, vor allem in dicht besiedelten städtischen Gebieten.

In diesem Video wird die Methodik zur Messung von Nitrat- und Phosphatkonzentrationen in Oberflächengewässern vorgestellt und die Messungen im Labor demonstriert.

Stickstoff im Wasser wird als "Nitrat als Stickstoff" angegeben. Der Ausdruck "Nitrat als Stickstoff" bezieht sich auf die Menge an Stickstoff in Nitratform. Daher kann die Nitrat-als-Stickstoff-Konzentration unter Verwendung des Verhältnisses der Molekulargewichte von Stickstoff und Nitrat in die Nitratkonzentration umgerechnet werden.

Die Messung der Nitratkonzentration erfolgt nach der Methode der Cadmiumreduktion. Das Cadmiummetall reduziert die Nitrate zu Nitriten, dann reagieren die Nitritionen mit Sulfanilsäure zu einem Zwischenprodukt Diazoniumsalz. Das Diazoniumsalz koppelt dann mit Gentisinsäure und bildet eine bernsteinfarbene Verbindung. Je dunkler die bernsteinfarbene Farbe, desto höher ist die Nitratkonzentration in der Probe.

Die Phosphorkonzentration in Wasserproben wird in ähnlicher Weise in Bezug auf die Menge an Phosphor in Phosphatform angegeben. Die Umrechnung zwischen der Phosphatkonzentration und der Phosphat-als-Phosphor-Konzentration kann anhand des Molekulargewichts leicht durchgeführt werden. Phosphate kommen im Wasser in vielen verschiedenen Konformationen vor. Alle Phosphate müssen zunächst durch Hydrolyse in Orthophosphate umgewandelt werden, indem Proben mit Säure und Kaliumpersulfat erhitzt werden.

Zur Berechnung der Orthophosphatkonzentration wird die Ascorbinsäure/Molybdat-Methode verwendet. Orthophosphate reagieren unter sauren Bedingungen mit Natriummolybdat zu einem Phosphat/Molybdat-Komplex. Ascorbinsäure wird dann verwendet, um den Komplex zu reduzieren, wodurch ein blau gefärbtes Produkt entsteht. Um die Farbintensität zu quantifizieren, die das Reagenz in beiden Experimenten erzeugt, wird ein Kolorimeter verwendet, um die Menge an Licht zu messen, die von den farbigen Spezies absorbiert wird. Die Absorption wird dann in Konzentration umgewandelt.

Das folgende Experiment demonstriert die Analyse von Nitrat- und Phosphatkonzentrationen in Wasserproben unter Verwendung von vorgemischten Reagenzpaketen, um diese kolorimetrische Technik durchzuführen.

Um die Stickstoffmessung zu starten, suchen Sie das Programm für Nitrat auf dem Kolorimeter und geben Sie die entsprechende Programmnummer ein oder stellen Sie das Kolorimeter auf eine Messung bei 420 nm ein. Messen Sie 10 mL der Wasserprobe, pipetten Sie in ein Probenröhrchen und beschriften Sie das Röhrchen. Bereiten Sie ein zweites, identisches Röhrchen vor und beschriften Sie es als Rohling.

Geben Sie den Inhalt eines vorgemischten Reagenzpakets für die Cadmiumreduktionsmethode in das Probenröhrchen. Verschließen Sie beide Probenröhrchen. Beginnen Sie mit der 1-minütigen Reaktionszeit für das Reagenz. Schütteln Sie die Tube kräftig mit der Hand, bis die Einwirkzeit abgeschlossen ist.

Setzen Sie das Rohr ab und beginnen Sie eine zweite Reaktionsphase von 5 Minuten, damit das Cadmium den Stickstoff reduzieren kann. Wenn die Reaktionsphase abgelaufen ist, wischen Sie beide Röhrchen mit einem fusselfreien Papiertuch sauber.

Legen Sie das Probenröhrchen ohne Reagenz, das mit dem Rohling beschriftet ist, in das Kolorimeter. Stellen Sie sicher, dass keine Beschriftungen den Strahlengang beeinträchtigen. Decken Sie die Zelle fest mit der Gerätekappe ab, um sicherzustellen, dass das gesamte Umgebungslicht von der Probenkammer blockiert wird.

Kalibrieren Sie das Kolorimeter mit dem Rohling auf einen Messwert von 0,0 mg/L Nitrat als Stickstoff. Entfernen Sie das leere Röhrchen, setzen Sie das Probenröhrchen in den Probenhalter ein und setzen Sie die Instrumentenkappe wieder auf. Messen Sie die Absorption der Probe und zeigen Sie die Konzentration von Nitrat als Stickstoff in der Probe an.

Die Messung von Phosphor in einer Wasserprobe ist ähnlich wie die Messung von Stickstoff. Messen Sie zunächst 5 mL der Wasserprobe ab und pipettieren Sie sie in ein Probenröhrchen. Geben Sie den Inhalt eines vorgemischten Kaliumpersulfat-Pulverkissens für Phosphonat in das Probenröhrchen.

Verschließen Sie das Röhrchen fest und schütteln Sie, um das Pulver aufzulösen. Beschriften Sie die Oberseite der Kappe. Setzen Sie das Rohr in eine Haube in den Reaktor und erhitzen Sie es 30 Minuten lang bei 150 °C. Nehmen Sie das Rohr nach dem Erhitzen aus dem Reaktor, legen Sie es in ein Röhrchengestell und lassen Sie es auf Raumtemperatur abkühlen.

Passen Sie anschließend den pH-Wert an, indem Sie 2 mL 1,54 M Natriumhydroxid in das Probenröhrchen geben. Verschließen Sie die Tube und mischen Sie. Suchen Sie auf dem Kolorimeter die Programmnummer für Phosphat und geben Sie die Programmnummer ein, oder stellen Sie das Spektralphotometer so ein, dass die Extinktion bei 880 nm gemessen wird.

Reinigen Sie das Probenröhrchen mit einem fusselfreien Tuch und legen Sie das Reagenzglas in das Kolorimeter. Stellen Sie sicher, dass keine Etiketten den Strahlengang im Instrument beeinträchtigen. Setzen Sie die Abdeckung auf das Gerät und kalibrieren Sie mit der nicht umgesetzten Probe als Rohling.

Nehmen Sie das Röhrchen aus dem Instrument und geben Sie den Inhalt einer vorgemischten Ascorbinsäure-Reagenzpackung in das Reagenzglas. Verschließen Sie das Röhrchen fest und schütteln Sie das Röhrchen, um es zu mischen. Legen Sie das Röhrchen in ein Gestell und starten Sie mit einem Timer eine Reaktionszeit von 2 Minuten.

Nach Ablauf der Reaktionszeit sollte die Farbe der Lösung blau sein. Reinige die Außenseite der Tube mit einem fusselfreien Papiertuch. Setzen Sie das Reagenzglas so in das Gerät ein, dass sich alle Beschriftungen außerhalb des Strahlengangs befinden.

Schließen Sie die Abdeckung der Probenkammer und drücken Sie die READ-Taste. Die Ergebnisse werden in mg/L angezeigt. Bei Verwendung eines Spektralphotometers ist die Absorption der Probe bei 880 nm zu messen.

Die Konzentrationen von Nitrat und Phosphat in einem Metropolitan River Arm wurden in diesem Experiment an 5 verschiedenen Probenstandorten verglichen.

Sauberes Flusswasser enthält typischerweise 0 bis 1 mg/l Nitrat-Stickstoff und 0 bis 0,03 mg/l Phosphat-Phosphor. Konzentrationen zwischen 3 und 5 mg/l Nitrat-Stickstoff und 0,03 bis 0,1 mg/l Phosphat-Phosphor gelten als hoch und oberhalb dieser Bereiche als eutroph.

Die Nitrat- und Phosphatgehalte waren an 3 der 5 Probenahmestellen hoch. In ähnlicher Weise wurden die durchschnittlichen Nitrat- und Phosphatkonzentrationen vor und hinter einer Wasseraufbereitungsanlage verglichen. Die vorgeschaltete Messung stellt das unbehandelte Wasser dar, während die nachgeschaltete Messung den Abfluss aus der Kläranlage darstellt.

Die nachgeschaltete Messung war phosphatarm, da während des Aufbereitungsprozesses organisches Material entfernt wurde. Die durchschnittlichen Nitratkonzentrationen waren jedoch flussabwärts höher, was auf mögliche Nitrateinträge in der Nähe des Einleitungsbereichs hindeutet, möglicherweise aus Rasendünger.

Das Verständnis des Nährstoffgehalts des Wasserabflusses und der daraus resultierenden Auswirkungen auf die Meeresflora ist äußerst wichtig für den Erhalt unserer natürlichen Ökosysteme.

Im folgenden Beispiel wurden marine Mikroorganismen in abgelegenen Umgebungen wie Riffen untersucht. Diese Ergebnisse können helfen, die Veränderung der mikrobiellen Populationen aufgrund der Nitratkonzentrationen und der daraus resultierenden Algenblüten aufzuklären.

Die Wasserproben wurden in Behältern gesammelt, die zur Außenwelt hin verschlossen sind, um eine Kontamination zu verhindern. Die Mikroben wurden auf einem 0,22-μm-Filter gesammelt. Das gefilterte Wasser wurde analysiert, um anorganische Verunreinigungen zu untersuchen. Die metagenomische Analyse ergab, dass der Transfer von mikrobiellem genetischem Material positiv mit der Nitratkonzentration korrelierte.

Um die Eutrophierung zu bekämpfen, ist es wichtig, den Bodenabfluss sowie das Schicksal und den Transport von Schadstoffen im Boden zu verstehen. Im folgenden Beispiel wurden Niederschläge simuliert und das Schicksal von Schadstoffen im Boden untersucht. Die Bodenboxen wurden mit Erde gefüllt, die interessante Schadstoffe enthielt, in diesem Fall Harnstoff, eine gängige Form von Stickstoffdünger. Phosphorhaltige Moleküle können mit dem gleichen Verfahren untersucht werden. Der Niederschlag wurde unter verschiedenen Bedingungen simuliert und der Abfluss gesammelt und analysiert.

Ähnlich wie im letzten Beispiel kann der Abfluss auch im Freien in natürlichen Umgebungen untersucht werden. Hier wurde eine Abflussforschungsanlage in einem städtischen Gebiet errichtet. Es wurde eine Stützmauer errichtet, um eine Kontamination des Abflusses in andere Bereiche zu verhindern und eine kontrollierte Wassersammlung zu ermöglichen. Die Parzellenbereiche wurden ebenfalls abgetrennt, um seitliche Wasserbewegungen zu verhindern. Studien zum Wasserabfluss wurden mit Bewässerungssystemen durchgeführt. Der Wasserabfluss wurde aufgefangen und eine chemische Analyse durchgeführt, um Schadstoffe im Wasser zu bestimmen.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Wassernährstoffanalyse in Oberflächengewässern gesehen. Sie sollten nun die Herausforderungen im Zusammenhang mit Wasserabfluss und Eutrophierung verstehen und wissen, wie Sie den Nährstoffgehalt in Wasserproben messen können. Danke fürs Zuschauen!