Nutriments dans les écosystèmes aquatiques

L’azote et le phosphore sont des nutriments végétaux essentiels que l’on trouve dans les écosystèmes aquatiques, cependant, en quantités excessives, ils peuvent causer d’importants problèmes de qualité de l’eau. L’azote et le phosphore dans l’eau se trouvent généralement sous forme de nitrate et de phosphate, respectivement. Les deux nutriments sont dissous dans l’eau et sont facilement absorbés par les photosynthétiseurs tels que les algues.

Les nitrates et les phosphates pénètrent dans les systèmes d’eau courante par le ruissellement d’eau douce provenant des usines de traitement des eaux usées, des pelouses fertilisées et des terres agricoles, des fosses septiques défectueuses et des rejets de déchets industriels. En quantités excessives, les deux nutriments peuvent provoquer une augmentation de la croissance des plantes aquatiques et la prolifération d’algues, appelée eutrophisation. Ces proliférations d’algues vivent à la surface de l’eau, afin d’accéder facilement à l’oxygène et à la lumière du soleil.

En conséquence, l’eutrophisation empêche les niveaux d’eau plus bas d’accéder à la lumière du soleil et à l’oxygène de l’air. Lorsque les algues meurent, elles s’enfoncent dans les niveaux d’eau inférieurs et se décomposent, consommant de l’oxygène dans les eaux plus profondes, provoquant une hypoxie ou de faibles niveaux d’oxygène dissous. Privée d’oxygène et coupée de tout réapprovisionnement, l’eau profonde devient une zone morte. En conséquence, les poissons et autres organismes meurent en grand nombre. Les zones mortes sont répandues dans les océans et les lacs du monde, principalement dans les zones urbaines très peuplées.

Cette vidéo présentera la méthodologie de mesure des concentrations de nitrates et de phosphates dans les eaux de surface, et fera une démonstration des mesures en laboratoire.

L’azote dans l’eau est rapporté en termes de « nitrate en tant qu’azote ». L’expression « nitrate sous forme d’azote » fait référence à la quantité d’azote sous forme de nitrate. Par conséquent, la concentration de nitrate sous forme d’azote peut être convertie en concentration de nitrate en utilisant les rapports des poids moléculaires de l’azote et du nitrate.

La concentration en nitrate est mesurée à l’aide de la méthode de réduction du cadmium. Le cadmium métal réduit les nitrates en nitrites, puis les ions nitrites réagissent avec l’acide sulfanilique pour former un sel de diazonium intermédiaire. Le sel de diazonium se couple ensuite avec l’acide gentisique et forme un composé de couleur ambrée. Plus la couleur ambrée est foncée, plus la concentration de nitrate dans l’échantillon est élevée.

La concentration de phosphore dans les échantillons d’eau est signalée de la même manière, en termes de quantité de phosphore sous forme de phosphate. La conversion entre la concentration de phosphate et la concentration de phosphate en tant que phosphore peut être facilement réalisée à l’aide de la masse moléculaire. Les phosphates sont présents dans l’eau dans de nombreuses conformations différentes. Tous les phosphates doivent d’abord être convertis en orthophosphates par hydrolyse en chauffant des échantillons avec de l’acide et du persulfate de potassium.

La méthode acide ascorbique/molybdate est utilisée pour calculer la concentration en orthophosphate. Les orthophosphates réagissent avec le molybdate de sodium dans des conditions acides pour produire un complexe phosphate/molybdate. L’acide ascorbique est ensuite utilisé pour réduire le complexe, produisant un produit de couleur bleue. Pour quantifier l’intensité de la couleur produite par le réactif dans les deux expériences, un colorimètre est utilisé pour mesurer la quantité de lumière absorbée par les espèces colorées. L’absorbance est ensuite convertie en concentration.

L’expérience suivante démontrera l’analyse des concentrations de nitrate et de phosphate dans des échantillons d’eau à l’aide de sachets de réactifs pré-mélangés pour effectuer cette technique colorimétrique.

Pour commencer la mesure de l’azote, recherchez le programme pour le nitrate sur le colorimètre, et entrez le numéro de programme approprié ou réglez le colorimètre pour mesurer à 420 nm. Mesurez 10 ml de l’échantillon d’eau, placez-le dans un tube d’échantillon et étiquetez-le. Préparez un deuxième tube identique et étiquetez-le comme étant le blanc.

Ajouter le contenu d’un sachet de réactif de méthode de réduction du cadmium prémélangé dans le tube d’échantillon. Boucher les deux tubes d’échantillon. Commencez à chronométrer la période de réaction de 1 minute pour le réactif. Secouez vigoureusement le tube à la main jusqu’à ce que le temps de réaction soit terminé.

Posez le tube et commencez une deuxième période de réaction de 5 minutes pour permettre au cadmium de réduire l’azote. Lorsque la période de réaction est terminée, essuyez les deux tubes avec une serviette en papier non pelucheuse.

Placez le tube d’échantillon sans réactif, étiqueté blanc, dans le colorimètre. Assurez-vous qu’aucune étiquette n’interfère avec le trajet de la lumière. Couvrez hermétiquement la cellule avec le capuchon de l’instrument pour vous assurer que toute la lumière ambiante est bloquée par la chambre d’échantillonnage.

Calibrez le colorimètre avec le blanc pour une lecture de 0,0 mg/L de nitrate sous forme d’azote. Retirez le tube vierge et placez le tube d’échantillon dans le porte-échantillon, puis remettez le capuchon de l’instrument. Mesurez l’absorbance de l’échantillon et affichez la concentration de nitrate sous forme d’azote dans l’échantillon.

La mesure du phosphore dans un échantillon d’eau est similaire à la mesure de l’azote. Tout d’abord, mesurez 5 ml de l’échantillon d’eau et placez-le à la pipette dans un tube d’échantillon. Ajoutez le contenu d’un oreiller en poudre de persulfate de potassium prémélangé pour phosphonate dans le tube d’échantillon.

Fermez hermétiquement le tube et secouez pour dissoudre la poudre. Étiquetez le haut du bouchon. Placez le tube dans le réacteur dans une hotte, et chauffez pendant 30 min à 150 °C. Après avoir chauffé, retirez le tube du réacteur, placez-le dans un support de tube et laissez-le refroidir à température ambiante.

Ensuite, ajustez le pH en ajoutant 2 ml d’hydroxyde de sodium de 1,54 M dans le tube d’échantillon. Boucher le tube et mélanger. Sur le colorimètre, localisez le numéro de programme pour le phosphate et entrez le numéro de programme, ou réglez le spectrophotomètre pour mesurer l’absorbance à 880 nm.

Nettoyez le tube d’échantillon avec une lingette non pelucheuse et chargez le tube à essai dans le colorimètre. Assurez-vous qu’aucune étiquette n’interfère avec le trajet de la lumière dans l’instrument. Placez le couvercle sur l’instrument et étalonnez-le en utilisant l’échantillon n’ayant pas réagi comme blanc.

Retirez le tube de l’instrument et ajoutez le contenu d’un sachet de réactif de méthode à l’acide ascorbique prémélangé dans le tube à essai. Fermez hermétiquement le tube et secouez le tube pour mélanger. Placez le tube dans une grille et déclenchez une période de réaction de 2 minutes à l’aide d’une minuterie.

Une fois la période de réaction terminée, la couleur de la solution doit être bleue. Nettoyez l’extérieur du tube avec un essuie-tout non pelucheux. Placez le tube à essai dans l’instrument avec toutes les étiquettes hors du trajet de la lumière.

Fermez le couvercle de la chambre d’échantillonnage et appuyez sur le bouton READ. Les résultats seront indiqués en mg/L. Si vous utilisez un spectrophotomètre, mesurez l’absorbance de l’échantillon à 880 nm.

Les concentrations de nitrate et de phosphate dans un bras de rivière métropolitain ont été comparées sur 5 sites d’échantillonnage différents dans cette expérience.

L’eau propre d’une rivière contient généralement de 0 à 1 mg/L d’azote nitrique et de 0 à 0,03 mg/L de phosphate-phosphore. Des concentrations comprises entre 3 et 5 mg/L d’azote nitrique et entre 0,03 et 0,1 mg/L de phosphate-phosphore sont considérées comme élevées, et au-dessus de ces plages sont considérées comme eutrophes.

Les concentrations de nitrates et de phosphates étaient élevées dans 3 des 5 sites d’échantillonnage. De même, les concentrations moyennes de nitrates et de phosphates ont été comparées en amont et en aval d’une station d’épuration. La mesure en amont représente l’eau non traitée, tandis que la mesure en aval représente le ruissellement de la station d’épuration.

La mesure en aval était faible en phosphates en raison de l’élimination de la matière organique pendant le processus de traitement. Cependant, les concentrations moyennes de nitrate étaient plus élevées en aval, ce qui indique des apports possibles de nitrate près de la zone de décharge, peut-être de l’engrais pour pelouse.

Il est extrêmement important de comprendre la teneur en nutriments des eaux de ruissellement et ses effets sur la vie végétale marine pour préserver nos écosystèmes naturels.

Dans l’exemple suivant, les micro-organismes marins ont été étudiés dans des environnements éloignés tels que les récifs. Ces résultats peuvent aider à élucider l’évolution des populations microbiennes en raison des concentrations de nitrate et des proliférations d’algues qui en résultent.

Les échantillons d’eau ont été prélevés dans des contenants fermés à l’extérieur pour éviter toute contamination. Les microbes ont été collectés sur un filtre de 0,22-μm. L’eau filtrée a été analysée pour examiner les impuretés inorganiques. L’analyse métagénomique a révélé que le transfert de matériel génétique microbien était positivement corrélé à la concentration de nitrate.

Afin de lutter contre l’eutrophisation, il est important de comprendre le ruissellement des sols ainsi que le devenir et le transport des contaminants dans les sols. Dans l’exemple suivant, les précipitations ont été simulées et le devenir des contaminants dans le sol a été étudié. Les boîtes de sol étaient remplies de terre contenant des contaminants d’intérêt, dans ce cas de l’urée, une forme courante d’engrais azoté. Les molécules contenant du phosphore peuvent être étudiées avec la même procédure. Les précipitations ont été simulées dans différentes conditions, et les eaux de ruissellement ont été collectées et analysées.

Comme dans le dernier exemple, les eaux de ruissellement peuvent également être étudiées à l’extérieur dans des milieux naturels. Ici, un centre de recherche sur les eaux de ruissellement a été construit dans une zone urbaine. Un mur de soutènement a été construit pour empêcher la contamination des eaux de ruissellement vers d’autres zones et pour permettre une collecte contrôlée de l’eau. Les zones des parcelles ont également été séparées pour éviter les mouvements latéraux de l’eau. Des études sur le ruissellement de l’eau ont été menées à l’aide de systèmes d’irrigation. Les eaux de ruissellement ont été recueillies et une analyse chimique a été effectuée pour déterminer les contaminants dans l’eau.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à l’analyse des nutriments de l’eau de surface. Vous devriez maintenant comprendre les défis associés au ruissellement de l’eau et à l’eutrophisation, et comment mesurer la teneur en nutriments dans les échantillons d’eau. Merci d’avoir regardé !