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Nutriments dans les écosystèmes aquatiques

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Nutrients in Aquatic Ecosystems

1.3: Using GIS to Investigate Urban Forestry

1.15: Analysis of Earthworm Populations in Soil

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10:48 min

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April 30, 2023

Overview

Source : Laboratoires de Margaret Workman et Kimberly Frye – Depaul University

Azote et le phosphore sont des nutriments essentiels dans les écosystèmes aquatiques et les deux sont surveillés dans le cadre de tests de qualité de l’eau car en quantités excessives, elles peuvent causer eau important problèmes de qualité.

Azote dans l’eau est mesurée par le nitrate de forme commune (n °₃^–) qui est dissous dans l’eau et facilement absorbé par les photosynthesizers comme les algues. La forme commune de phosphore mesurée est le phosphate (PO₄^-3), qui est fortement attirés par les particules et les sédiments ainsi que dissous dans l’eau. En quantités excessives, les deux éléments nutritifs peuvent provoquer une augmentation de la croissance des plantes aquatiques (efflorescences algales, Figure 1) qui peut perturber les niveaux de lumière, de température et d’oxygène dans l’eau en dessous et conduire à l’eutrophisation et de l’hypoxie (oxygène dissous dans l’eau) formant une « zone morte » d’aucune activité biologique. Sources de nitrates et phosphore comprennent des stations d’épuration des eaux usées, eaux de ruissellement des pelouses fécondés et terres agricoles, des systèmes septiques défectueux, ruissellement de fumier animal et des rejets de déchets industriels.

La figure 1. Efflorescences algales
L’écume verte dans l’image a tenu en 2011, à la prolifération d’algues pire que lac Érié a connu au cours des décennies. Pluies printanières diluviennes record lavé des engrais dans le lac, stimulant la croissance de microcystine produisant des efflorescences de cyanobactéries. Les filaments verts vibrants dépasser de la rive nord.

Principles

Les concentrations de nitrates et de phosphates peuvent être mesurées dans des échantillons d’eau à l’aide des réactifs chimiques connus qui causent l’échantillon changer de couleur en présence d’un nutriment spécifique, avec une intensité croissante couleur indiquant une augmentation de la concentration d’éléments nutritifs. Pour assurer la libération de toutes les molécules de phosphates qui sont liés à des sédiments dans l’eau, les échantillons de phosphore sont digérés chimiquement et avec la chaleur pour libérer des obligations de phosphate pour une mesure de la quantité totale de phosphate dans l’échantillon.

Afin de quantifier l’intensité des couleurs produite par le réactif, un spectrophotomètre est utilisé pour mesurer la longueur d’onde spécifique de la lumière qui correspond avec chaque couleur causée par les éléments nutritifs et leurs réactifs (nitrates ambre ; phosphates bleus). Le spectrophotomètre puis envoie un faisceau de lumière à travers chaque échantillon pour mesurer la quantité de cette lumière qui est absorbée par la couleur (absorbance). Plus la couleur est foncée, plus l’absorbance. Le spectrophotomètre convertit ensuite l’absorbance à une concentration de nutriments affichée (mg/L) basée sur des essais de concentration connue.

Procedure

1. mesurer l’azote dans l’échantillon

Sur le spectrophotomètre, trouver le programme pour les nitrates (avec menu manuel ou un instrument de l’usager) et entrez le numéro de programme.
Pipeter 10 mL de l’échantillon d’eau dans un des tubes échantillon. Verser ce mélange dans un des tubes échantillon.
Répéter pour un deuxième tube à essais.
Ajouter le contenu d’une gélule de réactif nitrate dans un tube d’échantillon.
Cap les deux tubes d’échantillons.
Sur le spectrophotomètre, appuyez sur timer et entrée pour commencer une période de réaction pour le réactif. Agiter l’échantillon vigoureusement jusqu’à ce que le temps de réaction est terminée et les signaux sonores de minuterie. Échantillon commencera à tourner à ambre.
Appuyez sur entrée. Une période de 5 min deuxième réaction va se lancer.
Après que la minuterie émet un bip à la deuxième fois, nettoyer l’extérieur des deux tubes échantillon avec une serviette en papier non pelucheux.
Placer le tube d’échantillon sans tube (vide) de réactif dans le spectrophotomètre.
Couvrir la cellule avec le capuchon de l’instrument pour s’assurer de la lumière ambiante est bloquée.
Zéro le spectrophotomètre pour une lecture de 0,0 mg/L N°₃– N.
Enlever la cellule vide et placer la cellule avec le réactif dans le porte-cellule. Couvrir la cellule avec le couvercle de l’instrument.
Appuyez sur lire. Le curseur se déplace vers la droite, puis les résultats en mg/L, que N°₃-N s’affichera.

2. mesure de phosphore dans l’échantillon

Mesurer 5,0 mL de l’échantillon d’eau à l’aide d’une pipette.
Versez l’eau mesurée dans un tube à essais.
Ajouter le contenu d’une potassium persulfate gélule pour phosphonate dans le tube échantillon.
Boucher le tube hermétiquement et agiter pour dissoudre.
Marquer le haut de la PAC de tube et placer le tube dans un réacteur de morue (sous une hotte chimique) et de la chaleur pendant 30 min.
Placez-le dans un rack de tube à essai et laisser refroidir à température ambiante.
À l’aide d’une éprouvette graduée, mesurer 2 mL 1,54 N d’hydroxyde de sodium.
Verser ce mélange dans le tube à essais. Cap et mélanger.
Sur le spectrophotomètre, trouver le numéro de programme pour le phosphate (avec menu manuel ou un instrument de l’usager) et entrez le numéro de programme.
Nettoyez l’extérieur du tube échantillon avec une serviette en papier non pelucheux.
Placer l’éprouvette afin qu’il fait face à l’avant de l’instrument.
Placez le couvercle sur le tube à essai.
Sortir du tube à essais et ajouter le contenu de la gélule de réactif achetés pour la méthode de l’acide ascorbique.
Boucher hermétiquement et agiter pendant 10-15 s.
Appuyez sur timer et entrez. Commence une période d’attente de 2 min.
Après que la minuterie émet un bip, nettoyez l’extérieur du tube à essai avec une serviette en papier non pelucheux.
Placer l’éprouvette dans l’instrument avec le logo face à l’avant de l’instrument.
Placez le couvercle sur le tube à essai.
Appuyez sur lire. L’écran affichera les résultats en mg/L.

Azote et le phosphore sont des végétaux essentiels, éléments nutritifs présents dans les écosystèmes aquatiques, cependant, en quantités excessives, qu’elles peuvent causer des problèmes de qualité d’eau importantes. Azote et le phosphore dans l’eau se trouvent généralement sous la forme de nitrates et de phosphates, respectivement. Ces deux nutriments sont dissous dans l’eau et sont facilement absorbés par les photosynthesizers comme les algues.

Nitrates et phosphates, entrer dans les systèmes d’eau par ruissellement d’eau douce de l’épuration des eaux usées, pelouses fécondés et terres agricoles, des systèmes septiques défectueux et les rejets de déchets industriels. En quantités excessives, les deux éléments nutritifs peuvent provoquer une augmentation de la croissance des plantes aquatiques et des algues bleues, appelés eutrophisation. Ces algues vivent à la surface de l’eau, afin d’accéder facilement à l’oxygène et la lumière du soleil.

En conséquence, l’eutrophisation empêche les niveaux d’eau inférieurs de l’accès au soleil et d’oxygène dans l’air. Lorsque les algues meurent, ils sombrent dans les basses couches de l’eau et se décomposent, consommant l’oxygène dans les eaux profondes, entraînant une hypoxie, ou niveaux de faible teneur en oxygène dissous. Privées d’oxygène et coupé de réapprovisionnement, l’eau profonde devient une zone morte. En conséquence, les poissons et autres organismes meurent massivement. Zones mortes sont très répandus dans les mers et lacs, principalement dans les zones urbaines fortement peuplées.

Cette vidéo présentera la méthodologie de mesure des nitrates et des concentrations de phosphate dans l’eau de surface et démontrer les mesures en laboratoire.

Azote dans l’eau est signalée en termes de « comme-en azote des nitrates. » L’expression « comme-en azote des nitrates » désigne la quantité d’azote sous forme de nitrate. Par conséquent, la concentration en azote des nitrates peut être convertie en nitrates concentration en utilisant les ratios des poids moléculaires de l’azote et les nitrates.

La concentration de nitrates est mesurée à l’aide de la méthode de réduction de cadmium. Le cadmium métallique 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 puis est couplé à l’acide gentisique et forme un composé de couleur ambre. Le plus sombre la couleur ambre, plus la concentration de nitrate dans l’échantillon.

La concentration de phosphore dans les échantillons d’eau est signalée de la même façon, en ce qui concerne la quantité de phosphore sous forme de phosphate. La conversion entre la concentration de phosphate et de la concentration de phosphate-comme-phosphore peut être effectuée facilement à l’aide de poids moléculaire. Phosphates sont présents dans l’eau dans plusieurs conformations différentes. Tous les phosphates doivent être converties d’orthophosphates par hydrolyse en chauffant des échantillons avec le persulfate de potassium et de l’acide.

La méthode de l’acide ascorbique/molybdate est utilisée pour calculer la concentration d’orthophosphate. Orthophosphates réagissent avec molybdate de sodium en milieu acide pour produire un complexe de phosphate/molybdate. Acide ascorbique est ensuite utilisé pour réduire le complexe, un produit coloré bleu. Afin de quantifier l’intensité des couleurs produite par le réactif dans les deux expériences, un colorimètre est utilisé pour mesurer la quantité de lumière absorbée par l’espèce colorée. L’absorbance est ensuite converti en concentration.

L’expérience suivante fera la démonstration de l’analyse des nitrates et des concentrations de phosphate dans les échantillons d’eau à l’aide de paquets de réactif pour effectuer cette technique colorimétrique à prémélange.

Pour commencer la mesure de l’azote, trouver le programme pour le nitrate sur le colorimètre et entrez un numéro de programme approprié ou définir le colorimètre pour mesurer à 420 nm. Mesurer 10 mL d’échantillon, pipette dans un tube à essais et l’étiquette du tube. Préparer un deuxième tube identique et l’étiquette comme le blanc.

Ajouter le contenu d’un cadmium prémélangée réduction méthode paquets de réactif dans le tube échantillon. Cap les deux tubes d’échantillons. Commencer à chronométrer la durée de réaction de 1 min pour le réactif. Agiter le tube vigoureusement à la main jusqu’à ce que le temps de réaction est terminé.

Mettre le tube vers le bas et commencer une seconde période de la réaction de 5 min pour permettre le cadmium à réduire l’azote. Lorsque la durée de la réaction est terminée, nettoyez les deux tubes de nettoyer avec une serviette en papier non pelucheux.

Placer le tube à essais avec aucun réactif, marqué l’essai à blanc, dans le colorimètre. S’assurer qu’aucune étiquette n’interfère avec le trajet de la lumière. Couvrir la cellule avec le capuchon de l’instrument pour s’assurer que toute la lumière ambiante est bloquée de la chambre de mesure.

Calibrer le colorimètre avec le blanc pour une lecture de nitrate 0,0 mg/L d’azote. Retirez le tube vide et placer le tube d’échantillon dans le porte-échantillon et remettre le bouchon de l’instrument. Mesurer l’absorbance de l’échantillon et afficher la concentration de nitrate que l’azote dans l’échantillon.

La mesure du phosphore dans un échantillon d’eau est similaire à la mesure de l’azote. Tout d’abord, mesure 5 mL de l’échantillon et la pipette dans un échantillon tube. Ajouter le contenu d’un prémélange de potassium persulfate gélule pour phosphonate dans le tube échantillon.

Boucher le tube hermétiquement et agiter pour dissoudre la poudre. La partie supérieure de la PAC de l’étiquette. Placer le tube dans le réacteur dans une hotte et chauffer pendant 30 min à 150 ° C. Après le chauffage, enlever le tube du réacteur, placez-le dans un portoir et laisser refroidir à température ambiante.

Ensuite, ajuster le pH en ajoutant 2 mL de solution d’hydroxyde de sodium de 1,54 M pour le tube à essais. Boucher le tube et mélanger. Sur le colorimètre, repérez le numéro de programme pour le phosphate et entrez le numéro de programme ou régler le spectrophotomètre pour mesurer l’absorbance à 880 nm.

Nettoyer le tube à essais avec un chiffon non pelucheux et introduisez 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 calibrer à l’aide de l’échantillon n’a pas réagi comme le blanc.

Retirer le tube de l’instrument et ajouter le contenu d’un sachet de réactif de méthode prémélangée d’acide ascorbique dans l’éprouvette. Boucher le tube hermétiquement et secouer le tube pour mélanger. Placer le tube dans un rack et amorcer une période de réaction de 2 min à l’aide d’une minuterie.

Après la période de réaction, la couleur de la solution doit être bleue. Nettoyez l’extérieur du tube avec une serviette en papier libre charpie. Placer l’éprouvette dans l’instrument avec toutes les étiquettes sur le trajet de la lumière.

Fermer le couvercle de la chambre échantillon et appuyez sur le bouton de lecture. Les résultats seront afficheront en mg/L. Si à l’aide d’un spectrophotomètre, mesurer l’absorbance de l’échantillon à 880 nm.

Les concentrations de nitrates et phosphates dans une branche de la rivière métropolitaines ont été comparées à 5 stations d’échantillonnage différentes dans cette expérience.

Eau de la rivière propre contient généralement 0 à 1 mg/L d’azote des nitrates et 0 à 0,03 mg/L de phosphate-phosphore. Concentrations comprises entre 3 à 5 mg/L d’azote des nitrates et de 0,03 à 0,1 mg/L de phosphate-phosphore est considéré élevés et au-dessus de ces gammes eutrophes.

Les niveaux de nitrates et de phosphates étaient élevés dans 3 des 5 emplacements d’échantillonnage. De même, les concentrations moyennes de nitrates et de phosphates ont été comparés en amont et en aval d’une usine de traitement de l’eau. La mesure en amont représente l’eau non traitée, tandis que la mesure en aval représente les eaux de ruissellement de la station d’épuration.

Cette mesure en aval était pauvre en phosphates en raison de l’élimination des matières organiques au cours du processus de traitement. Cependant, les concentrations de nitrate moyen sont plus élevées en aval, indiquant les apports de nitrate possible près de la zone de décharge, éventuellement de l’engrais à gazon.

Comprendre la teneur en éléments nutritifs des eaux de ruissellement et son effet sur la flore marine est extrêmement important de préserver nos écosystèmes naturels.

Dans l’exemple suivant, les micro-organismes marins ont été étudiés dans des milieux éloignés tels que les récifs coralliens. Ces résultats peuvent aider à élucider l’évolution des populations microbiennes en raison des concentrations de nitrates et la prolifération d’algues qui en résulte.

Échantillons d’eau ont été prélevés dans des conteneurs qui sont obturés à l’environnement externe pour éviter la contamination. Les microbes ont été recueillies sur un filtre de 0,22 μm. L’eau filtrée a été analysé afin d’examiner les impuretés inorganiques. Analyse métagénomique a conclu que le transfert de matériel génétique microbienne était positivement corrélé à la concentration de nitrate.

Afin de lutter contre l’eutrophisation, il est important de comprendre le ruissellement des sols et le devenir et le transport des contaminants dans le sol. Dans l’exemple suivant, les précipitations ont été simulées, et étudie le devenir des contaminants dans le sol. Boîtes de sol ont été emballés avec polluants des sols contenant de l’intérêt, dans ce cas d’urée, une forme courante d’engrais azoté. Molécules contenant du phosphore peuvent être étudiés avec la même procédure. Pluviométrie a été simulée dans des conditions différentes, et l’eaux de ruissellement recueillies et analysées.

Comme pour le dernier exemple, eaux de ruissellement peut également être étudié à l’extérieur dans des environnements naturels. Ici, un centre de recherche de ruissellement a été construit dans une zone urbaine. Un mur de soutènement a été construit pour prévenir la contamination des eaux de ruissellement vers d’autres zones, ainsi que pour activer la collecte de l’eau contrôlée. Les zones de terrain ont été séparés ainsi, pour éviter tout mouvement latéral de l’eau. Études de ruissellement de l’eau ont été menées à l’aide de systèmes d’irrigation. Les eaux de ruissellement ont été recueillie et une analyse chimique effectuée afin de déterminer les contaminants dans l’eau.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE pour l’analyse des éléments nutritifs dans les eaux de surface de l’eau. Vous devez maintenant comprendre les défis liés au ruissellement de l’eau et l’eutrophisation et comment mesurer la teneur en éléments nutritifs dans les échantillons d’eau. Merci de regarder !

Results

La figure 2. Graphique comparant les nitrates entre les types d’utilisation différents terrains (non développées, agricoles et urbaines).

Concentrations de nitrate moyen comparées en amont et en aval d’une usine de traitement de l’eau (Figure 3). La mesure en aval représente l’accomplissement du traitement.

Figure 3. Moyenne des concentrations de nitrates par rapport en amont et en aval d’une usine de traitement de l’eau. La mesure en aval représente l’accomplissement du traitement.

La figure 4. Graphe de phosphore pour différents endroits le long de la rivière Chicago.

Moyenne des concentrations de phosphate par rapport en amont et en aval d’une usine de traitement de l’eau (Figure 5). La mesure en aval représentent l’accomplissement du traitement.

Figure 5. Moyenne des concentrations de phosphate par rapport en amont et en aval d’une usine de traitement de l’eau. La mesure en aval représentent l’accomplissement du traitement.

Applications and Summary

Des concentrations élevées de nitrates et de phosphore peuvent stimuler conditions eutrophes dans l’eau en provoquant une prolifération des algues qui affecte négativement les autres facteurs de qualité de l’eau y compris l’oxygène dissous, température et autres indicateurs. Nitrates excessives peuvent conduire à l’eau hypoxique (de faibles niveaux d’oxygène dissous) n’est plus en mesure de soutenir la vie aérobie créant une « zone morte », où une mortalité massive non mobiles espèces et espèces mobiles s’éloigner d’autres eaux. Zones mortes sont produisent à l’échelle mondiale dans les régions côtières où convergent de grandes quantités d’eaux usées et de ruissellement riches en nutriments, et la vie aquatique est la plus forte concentration (Figure 6). Deux des plus grandes zones morts sont dans le Baltic Sea où en moyenne 49 000 km²d’eau contenait moins de 2 mg/L d’oxygène dissous et le nord du golfe du Mexique avec une zone morte mesurée à 17 353 km².

La figure 6. Zones mortes marines mondiales
Cercles rouges indiquent l’emplacement et la taille de plusieurs zones mortes. Points noirs indiquent les zones mortes de taille inconnue. Blues plus sombres dans cette image montrent des concentrations plus élevées de particules organiques, une indication des eaux trop fertiles qui peut culminer dans les zones mortes. La taille et le nombre de zones mortes marines — les zones où l’eau profonde est si faible en oxygène que créatures marines ne peuvent pas survivre dissous — ont grandi explosivement dans le passé un demi-siècle. Ce n’est aucun par hasard que les zones mortes se produisent en aval des lieux où la densité de population humaine est élevée (brun sombre).

Transcript

Nitrogen and phosphorus are essential plant nutrients found in aquatic ecosystems, however, in excess amounts, they can cause significant water quality problems. Nitrogen and phosphorous in water are typically found in the forms of nitrate and phosphate, respectively. Both nutrients are dissolved in water and are readily absorbed by photosynthesizers such as algae.

Nitrates and phosphates enter the water systems through freshwater runoff from wastewater treatment plants, fertilized lawns and agricultural lands, faulty septic systems, and industrial waste discharge. In excess amounts, both nutrients can cause an increase in aquatic plant growth and algae blooms, called eutrophication. These algae blooms live at the water surface, in order to easily access oxygen and sunlight.

As a result, eutrophication prevents lower water levels from access to sunlight and oxygen in the air. When the algae die, they sink into the lower water levels and decompose, consuming oxygen in the deeper water causing hypoxia, or low dissolved oxygen levels. Starved of oxygen, and cut off from resupply, the deep water becomes a dead zone. As a result, fish and other organisms die in massive numbers. Dead zones are widespread in the world’s oceans and lakes, predominantly in highly populated urban areas.

This video will introduce the methodology for measuring nitrate and phosphate concentrations in surface water, and demonstrate the measurements in the laboratory.

Nitrogen in water is reported in terms of “nitrate-as-nitrogen.” The phrase “nitrate-as-nitrogen” refers to the amount of nitrogen in nitrate form. Therefore, the nitrate-as-nitrogen concentration can be converted to nitrate concentration using the ratios of the molecular weights of nitrogen and nitrate.

The nitrate concentration is measured using the cadmium reduction method. The cadmium metal reduces the nitrates to nitrites, then the nitrite ions react with sulfanilic acid to form an intermediate diazonium salt. The diazonium salt then couples with gentisic acid, and forms an amber-colored compound. The darker the amber color, the higher the concentration of nitrate in the sample.

The concentration of phosphorus in water samples is reported similarly, in terms of the amount of phosphorus in phosphate form. The conversion between phosphate concentration and phosphate-as-phosphorus concentration can be easily completed using molecular weight. Phosphates are present in water in many different conformations. All phosphates must first be converted to orthophosphates through hydrolysis by heating samples with acid and potassium persulfate.

The ascorbic acid/molybdate method is used to calculate orthophosphate concentration. Orthophosphates react with sodium molybdate in acidic conditions to produce a phosphate/molybdate complex. Ascorbic acid is then used to reduce the complex, producing a blue colored product. To quantify the color intensity produced by the reagent in both experiments, a colorimeter is used to measure the amount of light absorbed by the colored species. The absorbance is then converted to concentration.

The following experiment will demonstrate the analysis of nitrate and phosphate concentrations in water samples using pre-mixed reagent packets to perform this colorimetric technique.

To begin the nitrogen measurement, find the program for nitrate on the colorimeter, and input the appropriate program number or set the colorimeter to measure at 420 nm. Measure 10 mL of the water sample, pipet into a sample tube, and label the tube. Prepare a second identical tube, and label it as the blank.

Add the contents of one premixed cadmium reduction method reagent packets to the sample tube. Cap both sample tubes. Begin timing the 1-min reaction period for the reagent. Shake the tube vigorously by hand until the reaction time is complete.

Set the tube down, and begin a second 5-min reaction period to allow for the cadmium to reduce nitrogen. When the reaction period is over, wipe both tubes clean with a lint-free paper towel.

Place the sample tube with no reagent, labeled the blank, in the colorimeter. Ensure that no labels interfere with the light path. Tightly cover the cell with the instrument cap to ensure that all ambient light is blocked from the sample chamber.

Calibrate the colorimeter with the blank for a reading of 0.0 mg/L nitrate as nitrogen. Remove the blank tube and place the sample tube in the sample holder, and replace the instrument cap. Measure the sample absorbance, and display the concentration of nitrate as nitrogen in the sample.

The measurement of phosphorus in a water sample is similar to the measurement of nitrogen. First, measure 5 mL of the water sample and pipet it into a sample tube. Add the contents of one pre-mixed potassium persulfate powder pillow for phosphonate to the sample tube.

Cap the tube tightly and shake to dissolve the powder. Label the top of the cap. Place the tube in the reactor in a hood, and heat for 30 min at 150 °C. After heating, remove the tube from the reactor, place it in a tube rack, and allow it to cool to room temperature.

Next, adjust the pH by adding 2 mL of 1.54 M sodium hydroxide to the sample tube. Cap the tube and mix. On the colorimeter, locate the program number for phosphate and enter the program number, or set the spectrophotometer to measure absorbance at 880 nm.

Clean the sample tube with a lint-free wipe, and load the test tube into the colorimeter. Make sure that no labels interfere with the light path in the instrument. Place the cover on the instrument, and calibrate using the unreacted sample as the blank.

Remove the tube from the instrument, and add the contents of a premixed ascorbic acid method reagent packet to the test tube. Cap the tube tightly, and shake the tube to mix. Place the tube in a rack, and initiate a 2-min reaction period using a timer.

After the reaction period is over the solution color should be blue. Clean the outside of the tube with a lint free paper towel. Place the test tube into the instrument with all labels out of the light path.

Close the sample chamber cover and push the READ button. The results will be shown in mg/L. If using a spectrophotometer, measure the sample absorbance at 880 nm.

The concentrations of nitrate and phosphate in a metropolitan river branch were compared at 5 different sample sites in this experiment.

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 of nitrate-nitrogen and 0.03 to 0.1 mg/L of phosphate-phosphorus is considered high, and above these ranges considered eutrophic.

The nitrate and phosphate levels were high in 3 of the 5 sampling locations. Similarly, average nitrate and phosphate concentrations were compared upstream and downstream of a water treatment plant. The upstream measurement represents untreated water, while the downstream measurement represents runoff from the treatment plant.

The downstream measurement was low in phosphates due to the removal of organic material during the treatment process. However, average nitrate concentrations were higher downstream, indicating possible nitrate inputs near the discharge area, possibly from lawn fertilizer.

Understanding the nutrient content of water runoff, and its resulting effect on marine plant life is extremely important to preserving our natural ecosystems.

In the following example, marine microorganisms were studied in remote environments such as reefs. These results can help elucidate changing microbial populations due to nitrate concentrations and the resulting algal blooms.

Water samples were collected in containers that are closed off to the external environment to prevent contamination. Microbes were collected on a 0.22-μm filter. The filtered water was analyzed to examine inorganic impurities. Metagenomic analysis found that the transfer of microbial genetic material was positively correlated with nitrate concentration.

In order to combat eutrophication, it is important to understand soil runoff and the fate and transport of contaminants in soil. In the following example, rainfall was simulated, and the fate of contaminants in soil studied. Soil boxes were packed with soil containing contaminants of interest, in this case urea, a common form of nitrogen fertilizer. Phosphorous-containing molecules can be studied with the same procedure. Rainfall was simulated under different conditions, and the runoff collected and analyzed.

Similar to the last example, runoff can also be studied outdoors in natural environments. Here, a runoff research facility was constructed in an urban area. A retaining wall was constructed to prevent runoff contamination to other areas, and to enable controlled water collection. Plot areas were separated as well, to prevent lateral water movement. Water runoff studies were conducted using irrigation systems. Water runoff was collected and a chemical analysis completed to determine contaminants in the water.

You’ve just watched JoVE’s introduction to water nutrient analysis in surface water. You should now understand the challenges associated with water runoff and eutrophication, and how to measure nutrient content in water samples. Thanks for watching!