Nutrientes en ecosistemas acuáticos
Fuente: Laboratorios de Margaret obrero y Kimberly Frye - Universidad de Depaul
Nitrógeno y fósforo son nutrientes esencial para las plantas encontrad…
1. medida de nitrógeno en la muestra
- En el espectrofotómetro, encontrar el programa para el nitrato (con el manual o instrumento de menú) y escriba el número de programa.
- Pipetear 10 mL de la muestra de agua en uno de los tubos de muestras. Vierta esto en uno de los tubos de muestras.
- Repita para un segundo tubo de muestra.
- Añadir el contenido de una almohadilla de polvo de reactivo de nitrato a un tubo de muestra.
- Tapa los tubos de muestra.
- En el espectrofotómetro, pulse temporizador y enter para iniciar un período de reacción para el reactivo. Agitar la muestra vigorosamente hasta que el tiempo de reacción y los pitidos del temporizador. Muestra comenzará a ámbar.
- Pulse enter. Comenzará un período de reacción de segunda 5 min.
- Después de que el temporizador suene la segunda vez, limpie el exterior de los dos tubos de muestra con una toalla de papel sin pelusa.
- Coloque el tubo de muestra sin tubo (en blanco) en el espectrofotómetro.
- Cubrir bien el celular con la tapa del instrumento a la luz ambiental es bloqueada.
- No cero el espectrofotómetro para lectura de 0.0 mg/L3-N.
- Retire la celda en blanco y coloque la celda de muestra con el reactivo en el soporte de la célula. Cubrir bien la celda de muestra con la tapa del instrumento.
- Oprima leer. El cursor se moverá a la derecha, luego los resultados en mg/L que no3-N se mostrará.
2. medir fósforo en la muestra
- Medir a 5,0 mL de la muestra de agua con una pipeta.
- Vierta agua medido en un tubo de muestras.
- Añadir el contenido de una almohadilla de polvo persulfato de potasio para fosfonato al tubo de muestra.
- Cerrar herméticamente el tubo y agitar para disolver.
- Etiqueta de la parte superior de la tapa del tubo y coloque el tubo en un reactor de bacalao (en una campana química) y el calor durante 30 minutos.
- Colocar en una gradilla para tubos de prueba y deje que se enfríe a temperatura ambiente.
- Usando un cilindro graduado, medir 2 mL de hidróxido de sodio N 1.54.
- Vierta esto en el tubo de muestra. La tapa y mezcle.
- En el espectrofotómetro, encuentra el número de programa de fosfato (con el manual o instrumento de menú) y escriba el número de programa.
- Limpie el exterior del tubo de muestra con una toalla de papel sin pelusa.
- Coloque el tubo de ensayo que está mirando hacia el frente del instrumento.
- Coloque la tapa en el tubo de ensayo.
- Sacar el tubo de ensayo y añada el contenido de la almohada de polvo reactivo adquirido por el método de ácido ascórbico.
- La tapa firmemente y agitar durante 10-15 s.
- Pulsa el temporizador y escriba. Comenzará un período de espera de 2 minutos.
- Después de que el temporizador suene, limpie el exterior del tubo de ensayo con una toalla de papel sin pelusa.
- Coloque el tubo de ensayo en el instrumento con el logotipo hacia el frente del instrumento.
- Coloque la tapa sobre el tubo de ensayo.
- Oprima leer. La pantalla mostrará los resultados en mg/L.
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El nitrógeno y el fósforo son nutrientes esenciales de las plantas que se encuentran en los ecosistemas acuáticos, sin embargo, en cantidades excesivas, pueden causar problemas significativos de calidad del agua. El nitrógeno y el fósforo en el agua se encuentran típicamente en forma de nitrato y fosfato, respectivamente. Ambos nutrientes se disuelven en el agua y son fácilmente absorbidos por fotosintetizadores como las algas.
Los nitratos y fosfatos ingresan a los sistemas de agua a través de la escorrentía de agua dulce de las plantas de tratamiento de aguas residuales, el césped fertilizado y las tierras agrícolas, los sistemas sépticos defectuosos y la descarga de desechos industriales. En cantidades excesivas, ambos nutrientes pueden causar un aumento en el crecimiento de las plantas acuáticas y la proliferación de algas, lo que se denomina eutrofización. Estas floraciones de algas viven en la superficie del agua, con el fin de acceder fácilmente al oxígeno y la luz solar.
Como resultado, la eutrofización impide que los niveles más bajos de agua accedan a la luz solar y al oxígeno en el aire. Cuando las algas mueren, se hunden en los niveles más bajos del agua y se descomponen, consumiendo oxígeno en las aguas más profundas causando hipoxia o bajos niveles de oxígeno disuelto. Privadas de oxígeno y aisladas del reabastecimiento, las aguas profundas se convierten en una zona muerta. Como resultado, los peces y otros organismos mueren en grandes cantidades. Las zonas muertas están muy extendidas en los océanos y lagos del mundo, sobre todo en las zonas urbanas muy pobladas.
Este video presentará la metodología para medir las concentraciones de nitrato y fosfato en el agua superficial y demostrará las mediciones en el laboratorio.
El nitrógeno en el agua se expresa en términos de "nitrato como nitrógeno". La frase "nitrato como nitrógeno" se refiere a la cantidad de nitrógeno en forma de nitrato. Por lo tanto, la concentración de nitrato como nitrógeno se puede convertir en concentración de nitrato utilizando las proporciones de los pesos moleculares de nitrógeno y nitrato.
La concentración de nitrato se mide mediante el método de reducción de cadmio. El cadmio metálico reduce los nitratos a nitritos, luego los iones de nitrito reaccionan con el ácido sulfanílico para formar una sal de diazonio intermedia. Luego, la sal de diazonio se acopla con el ácido gentísico y forma un compuesto de color ámbar. Cuanto más oscuro sea el color ámbar, mayor será la concentración de nitrato en la muestra.
La concentración de fósforo en las muestras de agua se informa de manera similar, en términos de la cantidad de fósforo en forma de fosfato. La conversión entre la concentración de fosfato y la concentración de fosfato en forma de fósforo puede completarse fácilmente utilizando el peso molecular. Los fosfatos están presentes en el agua en muchas conformaciones diferentes. Todos los fosfatos deben convertirse primero en ortofosfatos mediante hidrólisis calentando muestras con ácido y persulfato de potasio.
El método del ácido ascórbico/molibdato se utiliza para calcular la concentración de ortofosfato. Los ortofosfatos reaccionan con el molibdato de sodio en condiciones ácidas para producir un complejo de fosfato/molibdato. A continuación, se utiliza ácido ascórbico para reducir el complejo, produciendo un producto de color azul. Para cuantificar la intensidad del color producido por el reactivo en ambos experimentos, se utiliza un colorímetro para medir la cantidad de luz absorbida por las especies coloreadas. A continuación, la absorbancia se convierte en concentración.
El siguiente experimento demostrará el análisis de las concentraciones de nitrato y fosfato en muestras de agua utilizando paquetes de reactivos premezclados para realizar esta técnica colorimétrica.
Para comenzar la medición de nitrógeno, busque el programa de nitrato en el colorímetro e ingrese el número de programa apropiado o configure el colorímetro para que mida a 420 nm. Mida 10 ml de la muestra de agua, pipetee en un tubo de muestra y etiquete el tubo. Prepare un segundo tubo idéntico y etiquételo como la pieza en blanco.
Agregue el contenido de un paquete de reactivos del método de reducción de cadmio premezclado al tubo de muestra. Tape ambos tubos de muestra. Comience a cronometrar el período de reacción de 1 minuto para el reactivo. Agite el tubo vigorosamente con la mano hasta que se complete el tiempo de reacción.
Coloque el tubo y comience un segundo período de reacción de 5 minutos para permitir que el cadmio reduzca el nitrógeno. Cuando termine el período de reacción, limpie ambos tubos con una toalla de papel sin pelusa.
Coloque el tubo de muestra sin reactivo, etiquetado como el blanco, en el colorímetro. Asegúrese de que ninguna etiqueta interfiera con la trayectoria de la luz. Cubra herméticamente la celda con la tapa del instrumento para asegurarse de que toda la luz ambiental quede bloqueada en la cámara de muestras.
Calibre el colorímetro con el blanco para obtener una lectura de 0,0 mg/L de nitrato como nitrógeno. Retire el tubo en blanco y coloque el tubo de muestra en el soporte de muestras, y vuelva a colocar la tapa del instrumento. Mida la absorbancia de la muestra y muestre la concentración de nitrato en forma de nitrógeno en la muestra.
La medición de fósforo en una muestra de agua es similar a la medición de nitrógeno. Primero, mida 5 mL de la muestra de agua y pipetela en un tubo de muestra. Agregue el contenido de una almohada de polvo de persulfato de potasio premezclada para fosfonato al tubo de muestra.
Tape el tubo herméticamente y agite para disolver el polvo. Etiqueta la parte superior de la tapa. Coloque el tubo en el reactor en una campana y caliente durante 30 minutos a 150 ?C. Después de calentar, retire el tubo del reactor, colóquelo en una rejilla de tubos y deje que se enfríe a temperatura ambiente.
A continuación, ajuste el pH añadiendo 2 mL de hidróxido de sodio 1,54 M al tubo de muestra. Tape el tubo y mezcle. En el colorímetro, localice el número de programa para el fosfato e introduzca el número de programa, o configure el espectrofotómetro para que mida la absorbancia a 880 nm.
Limpie el tubo de muestra con una toallita sin pelusa y cargue el tubo de ensayo en el colorímetro. Asegúrese de que ninguna etiqueta interfiera con la trayectoria de la luz en el instrumento. Coloque la tapa en el instrumento y calibre utilizando la muestra sin reaccionar como blanco.
Retire el tubo del instrumento y agregue el contenido de un paquete de reactivos del método de ácido ascórbico premezclado al tubo de ensayo. Tape bien el tubo y agite el tubo para mezclar. Coloque el tubo en una rejilla e inicie un período de reacción de 2 minutos con un temporizador.
Una vez finalizado el período de reacción, el color de la solución debe ser azul. Limpie el exterior del tubo con una toalla de papel sin pelusa. Coloque el tubo de ensayo en el instrumento con todas las etiquetas fuera de la trayectoria de la luz.
Cierre la tapa de la cámara de muestras y presione el botón READ. Los resultados se mostrarán en mg/L. Si utiliza un espectrofotómetro, mida la absorbancia de la muestra a 880 nm.
Las concentraciones de nitrato y fosfato en un brazo de un río metropolitano se compararon en 5 sitios de muestra diferentes en este experimento.
El agua limpia de río suele contener de 0 a 1 mg/L de nitrato-nitrógeno y de 0 a 0,03 mg/L de fosfato-fósforo. Las concentraciones entre 3 a 5 mg/L de nitrato-nitrógeno y 0,03 a 0,1 mg/L de fosfato-fósforo se consideran altas, y por encima de estos rangos se consideran eutróficas.
Los niveles de nitrato y fosfato fueron altos en 3 de los 5 lugares de muestreo. Del mismo modo, se compararon las concentraciones medias de nitrato y fosfato aguas arriba y aguas abajo de una planta de tratamiento de agua. La medición aguas arriba representa el agua no tratada, mientras que la medición aguas abajo representa la escorrentía de la planta de tratamiento.
La medición posterior fue baja en fosfatos debido a la remoción de material orgánico durante el proceso de tratamiento. Sin embargo, las concentraciones medias de nitrato fueron más altas aguas abajo, lo que indica posibles aportes de nitrato cerca de la zona de descarga, posiblemente procedentes de los fertilizantes para el césped.
Comprender el contenido de nutrientes de la escorrentía de agua y su efecto resultante en la vida de las plantas marinas es extremadamente importante para preservar nuestros ecosistemas naturales.
En el siguiente ejemplo, se estudiaron microorganismos marinos en ambientes remotos como arrecifes. Estos resultados pueden ayudar a dilucidar los cambios en las poblaciones microbianas debidos a las concentraciones de nitratos y las floraciones de algas resultantes.
Las muestras de agua se recogieron en recipientes cerrados al ambiente externo para evitar la contaminación. Los microbios se recolectaron en un filtro de 0,22 μm. El agua filtrada se analizó para examinar las impurezas inorgánicas. El análisis metagenómico encontró que la transferencia de material genético microbiano se correlacionó positivamente con la concentración de nitratos.
Para combatir la eutrofización, es importante comprender la escorrentía del suelo y el destino y el transporte de contaminantes en el suelo. En el siguiente ejemplo, se simularon las precipitaciones y se estudió el destino de los contaminantes en el suelo. Las cajas de tierra estaban llenas de tierra que contenía contaminantes de interés, en este caso urea, una forma común de fertilizante nitrogenado. Las moléculas que contienen fósforo se pueden estudiar con el mismo procedimiento. Se simuló la precipitación en diferentes condiciones, y se recogió y analizó la escorrentía.
Al igual que en el último ejemplo, la escorrentía también se puede estudiar al aire libre en ambientes naturales. Aquí, se construyó un centro de investigación de escorrentía en una zona urbana. Se construyó un muro de contención para evitar la contaminación de la escorrentía a otras áreas y permitir la recolección controlada de agua. También se separaron las áreas de las parcelas, para evitar el movimiento lateral del agua. Los estudios de escorrentía de agua se realizaron utilizando sistemas de riego. Se recolectó la escorrentía de agua y se realizó un análisis químico para determinar los contaminantes en el agua.
Acabas de ver la introducción de JoVE al análisis de nutrientes del agua en aguas superficiales. Ahora debe comprender los desafíos asociados con la escorrentía de agua y la eutrofización, y cómo medir el contenido de nutrientes en muestras de agua. ¡Gracias por mirar!
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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.