מדידת שחרור זרחן במעבדה Microcosms עבור הערכת איכות מים

זרחן (P) הוא מזינים קריטיים הגבלת עבור היבול ופרודוקטיביות ביומסה מימיים. מים הידרולוגיה היא הנהג העיקרי של P גורל ותחבורה, כפי שהוא שולט התחבורה הפיזית של משקעים ו-P תוך השפעה גם על פוטנציאל הסרת המרחק במהלך הסחף והצפה/פונדינג אירועים. שיטות שונות המבוססות על מעבדה משמשות בדרך כלל להערכת P שחרור בקנה מידה השדה תחת תנאים אוקסיגון. בעוד מנגנונים שונים יכולים לתרום P שחרור, התפרקות ברזל-פוספטים הוא מנגנון התגובה מבוססת היטב שיכול להוביל לאורתופדיה גדול-P פלקסים למים^{1,2,3, ד}. בסקירה של מנגנונים השולטים בביוכימיה P בביצות, מעמד החמצון המשומן להיות המשתנה העיקרי שליטה P שחרור לקרקעות ומי תהום רדודים⁵. בתור כזה, בדיקות P מסורתיות לא יכול להיות מעין הפרדיטורים אמין של שחרור P תחת רוויה ממושכת.

בהתחשב בחשיבות הזמן של מגורי המים ומעמד החיזור על פי הגורל והתחבורה, גישות מעבדה שנועדו לדמות טובה יותר בתנאים באתרו עלול להוביל לשיפור מדדי הסיכון בתחבורה של P לחקלאות ובאגן האקולוגית בכפוף ל רוויה משתנה. מאחר והזרחתית היא ביולוגית באופן מיידי, שיעור ומידת הדסורזיה במהלך הרוויה יכול לשמש כאינדקס של סיכון זיהום P מקור שאינו בנקודה. השיטה שלנו נועדה לכמת P desorption כדי porewater (PW) והגיוס אל המים הזרקורים (FW), מצב אופייני באזורים עם אזור מקור משתנה הידרולוגיה (g., שדות חקלאיים מוצפים, ביצות, תעלות ניקוז, ו riparian/ אזורים הסמוכים לזרם). השיטה פותחה במקור כדי לאפיין את הפוטנציאל השחרור P בקרקעות מוצפים מנוכה עונתיות מצפון ניו יורק (ארה ב) ולאחרונה להחיל לכמת את הפוטנציאל של הקרקע יינזק מ צפון מערב ורמונט של אגם שמפניה אגן⁶ . כאן, אנו מספקים פרוטוקול עבור שיטת מיקרוקוסמוס מעבדה ולהדגיש תוצאות ממחקר שפורסם לאחרונה הוכחת את יכולתה לכמת את הפוטנציאל הגלום. אנו גם להדגים את היחסים בין הפוטנציאל P שחרור לבין האמינות של בדיקות קרקע שגרתית (לאבאיל לחילוץ P, pH) כדי לחזות שחרור על פני אתרים.

ביצוע השיטה דורש גישה למעבדה אנליטית עם בקרת אקלים נאותה, אוורור, מים, ומערכת לסילוק פסולת חומצה נאותה. השיטה מניחה גישה לריאגנטים כימי שגרתי וציוד מעבדה (כיורים, ברדנים, כלי זכוכית וכו '). מעבר לצרכי מעבדה שגרתית, סינון ממברנה (≤ 0.45 μm) מערכת נדרשת ו ספקטרוסקופיה UV כדי למדוד P. מד pH או בדיקה באיכות מים רב פרמטרים מומלצים גם אבל לא נדרש. טמפרטורת המעבדה היא גורם חשוב ויש לשמור על היציבות, אלא אם כן הטמפרטורה עצמה נבדקת כגורם ניסיוני (20 ° c מומלץ). גישה ללא הפריע למעבדה אנליטית נאותה עם ציוד מתאים היא תנאי מוקדם לביצוע השיטה כראוי וליצירת תוצאות משמעותיות.

1. אוסף דוגמאות

1. לאסוף כ 4 L של אדמה (או משקעים) מהאתרים הרצויים. אזורי הגבייה צריכים להיות קטנים יחסית כדי להגביל את הווריאציה המרחבית ב-P ובמאפייני הקרקע.
2. מסננת דגימות דרך מסך גס (20 מ"מ) ואחריו מסך 2 מ"מ. ביסודיות דגימות מיקס ביד לאחר ניפוי.
3. שוקלים 100 גרם של השדה-לחות אדמה או משקעים. יבש בתנור ב 105 ° c עבור 24 שעות ולחשב את התוכן גרווימטריה מים (קרקע מים מסה/יבשה המסה).
4. קח מדגם משנה 500 mL לניתוח כימי.
   הערה: הקרקע pH, תוכן אורגני חומר ו-יציב משך P (Pi) ריכוז מומלץ בדיקות קרקע. כאן, שיטת יציב משך הקרקע pi הוערך על ידי: 1) Pi שחולצו על ידי 1.25 מול L^-1 אמוניום אצטט (pH = 4.8; להלן המכונה מורגן מחלץ שולחן P) נמדד צביעה מטריקלי^7,8, 2) Pi שחולצו על ידי מים מזוקקים, ו 3) P שחולצו על ידי 1.25 מול L^-1 אמוניום אצטט (pH = 4.8) נמדד על ידי מצמידים באופן משולב פלזמה פליטה אופטית ספקטרוסקופית (הקאמרי)⁸.
5. השתמש באדמה המועלת הנותרת ללימודי מיקרוקוסמוס או לחנות בשקיות פוליאתילן ב-5 ° c לשימוש מאוחר יותר.
   הערה: הקרקעות מתייבשות בעת הקירור לפרקי זמן ארוכים (> 30 ימים) וידרשו הסרת ההפוגות. אין להקפיא דגימות קרקע כפי שהיא משפיעה על שלמות חיידקים P שחרור פוטנציאל.

2. מיקרוקוסמוס הבנייה

1. השתמש בליטר אחד (1 ל) בוגר פוליפרופילן או בבקבוקי פלסטיק לא מגיבים אחרים כיחידות ניסוי בודדות (microcosms). לשטוף כוסות ב 10% חומצה הידרוכלורית ולשטוף טריפל עם מים מזוקקים.
2. למדוד 2 ס מ למעלה מלמטה ולמקם סימן ליד לימודים בגביע. מקדחה חור קוטר 1.25 ס מ עבור יציאות ניקוז.
3. מניחים חרוז קטן של סיליקון סביב הקצה הפנימי של הצינור בארב ואת ההיקף החיצוני של החור נשא. הכנס בזהירות את יציאת הניקוז לתוך החור.
   הערה: אפשר ייבוש האוויר לפחות 24 שעות לפני שממשיכים לשלב 2.4.
4. עקוב אחר ההיקף החיצוני של דוקרנים צינור אל המסך מסנן רשת ניילון לגזור עם מספריים. להחיל חרוז דק של סיליקון סביב ההיקף של כל מסנן על הקצה החיצוני ולהקיש מסננים על הצינור בארב inlets. אפשר לפחות 24 שעות של ייבוש זמן לפני השימוש.
   הערה: גודל נקבובית 100 יקרומטר מומלץ עבור רוב היישומים; עם זאת, קרקעות מרקם עדין יותר עשויות לדרוש גודל נקבוביות גדול יותר כדי למנוע זמן איסוף מוגזם של PW לדוגמה.
5. להתאים פיסת קצר של 0.625 ס מ קוטר צינור לייטקס לקצוות הצינור בארב. מצורף קליפ ברוחב 3.3 ס מ לצינור כדי למנוע זרימה.

3. ביצוע משפט שחרור זרחן

1. מקום 500 mL של המדגם לתוך יקרוקוסמוס כפולים ולהחיל בעדינות מים מזוקקים לאורך קירות הגביע עד FW מגיע סימן 1 L.
   הערה: אפשר ל-יקרוקוסמוס לעבור 24 שעות לפני נטילת דגימות ראשוניות.
2. Unclip באוגדן נייר כדי לגרום לזרימת PW דרך יציאת ניקוז. לאסוף דגימות על ידי הצבת נקי 30 mL מספלים ישירות מתחת לנמלי ניקוז PW. אפשר מספר mL של PW כדי לנקז, למחוק ולהשתמש ב-10 mL הבא כנפח דוגמה נציג.
3. מסנן pw דגימות דרך מסננים ממברנה 0.45 יקרומטר ולנתח מיד עבור P תגובתי מסיסים (srp). הקלטת ערכים וזמן מדידות.
   הערה: ההנחה של SRP היא בדרך כלל מאוד זרחתית; עם זאת, molybdate-תגובתי P יכול גם ליצור מתחמי עם colloids ו/או חלקיקים שעוברים דרך 0.45 יקרומטר מסננים⁴.
4. לקחת לדוגמה FW הראשונית על ידי החדרת מזרק הנורה 10 mL בחצי הדרך במורד עמודת המים ולסגת מדגם באמצעות תנועה מעגלית. רוקן לתוך כוסות, לסנן ולנתח מיד עבור SRP.
5. החלף את המים שנדגמו על ידי מילוי כוסות ברמה 1 L עם מים מזוקקים.
   הערה: הפסדים הסלע התטיבי ישתנו. המטרה היא לשמור בעקביות על נפח כולל (קרקע מוצף + עמודת מים) של 1 L בכל microcosms. החלפת אובדן המים הפסדים האידוי יש השפעות דילול זניח על SRP.
6. חזור על שלבים 3.2 עד 3.5 בהתבסס על המספר הרצוי של נקודות זמן שחרור P לניתוח.
   הערה: מספר הדגימות שצולמו לאורך זמן תלוי ביעדי הניסויים. הדגימה אחת עד שלוש פעמים בשבוע מספיקה ליישומים רבים בהנחה שincubations קרובים ל-20 ° c. דגירה בטמפרטורות גבוהות יותר מגדילה את תעריפי שחרור SRP ידרוש דגימה תכופים יותר. הכוונה כאן היא להראות את כלי השירות של שיטת המיקרוקוסמוס ולא להתמקד בניתוח נתונים מניסויים. גם מודלים מבוססי קיסטי ואמפיריים המתאימים לנתונים מוצגים במקום אחר^9,10. מאז שיטת המיקרוקוסמוס מסתמכת על עיצוב צעדים חוזרים ומתאימים לשכפול וטיפולים שונים, הגישות השונות של מידול משולב ליניארי מתאימות גם היא¹¹.

תוצאות ממחקר שנערך לאחרונה התמקדו הפוטנציאל P שחרור של אזורים יינזק מודגשים כדי להדגים את היכולת של השיטה לאפיין את רמת האתר P מהדורה6. בעוד קרקעות מסוימות הראו שינויים מינימליים SRP לאורך זמן, אחרים היו עליות גדולות PW-ו FW-SRP ריכוזי (איור 1). שני אתרים בעלי מגמות מנוגדות מוצגים באיור 1. קרקע 7 היא אתר יינזק עם pH קרקע נמוך ומאופיין על ידי sorption מתמשך כמעט מתמשכת מ pw (איור 1a). קרקע 14 שנדגמו משדה ייצור תירס סמוך עם אדמת יציב משך מוגבה Pi (קרקע 14) והפגינו כמעט 7-קיפול להגדיל ב pw-srp בחודש הראשון של ההצפה (איור 1b).

בניגוד לריכוזי PW-SRP, FW-SRP נטו להקטין את הזמן (איור 1). Porewater ברזלי Fe (Fe2 +) נמדד גם כפרוקסי למצב מחדש. בסך הכל אדמה אחת, PW-Fe2 + גדל באופן משמעותי לאחר כ 3 שבועות, המציין את התנאים הפחתת. מאז ייבוש הקרקע משנה פחמן אורגנית מסיסות פאי, שני אתרים היו גם יבשים לפני ההצפה. הצפה אדמת יבש באופן משמעותי מוגברת Pi desorption כדי PW והגיוס הבאים מים העלה לעומת ההצפה של אותה אדמה במצב לחות שדה (איור 1C, ד).

בדיקות קרקע P בוצעו גם כדי לקבוע את האמינות שלהם כדי לחזות ריכוזי SRP הממוצע. מים מזוקקים ושונה מורגן החילוץ P (נמדד על ידי molybdate הצביעה) היו בין הבולטים ביותר של PW-ו FW-SRP ריכוזי (איור 2A, ג). שונה מורגן החילוץ P נמדד על ידי הקאמרי הקיסרי לא היה טוב של מנבא לעומת שונה מורגן החילוץ P נמדד על ידי molybdate צביעה או מים מזוקקים (איור 2C). היחס של PW-SRP: FW-SRP גדל ליניארי כפונקציה של pH אדמה (איור 2D).

איור 1: זרחן תגובתי מסיסים (srp) ריכוזי קרקע porewater (pw) ו מים הזרקורים (FW) על פני הדגירה של 75 יום עבור אדמת יינזק עם pH נמוך ו יציב משך pi (א), אדמה משדה ייצור תירס עם גבוה יציב משך pi (ב) ו יינזק שדה מוצף קרקע-לח (C) לעומת ההצפה לאחר ייבוש (ד). קווי שגיאה מייצגים את סטיית התקן של מדידות מיקרוקוסמוס כפולות. הנתונים שונו מיאנג ומרוס6 באישור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: ריכוזי מporewater (PW) ומים (FW) בריכוזים מסיסים של p (SRP) לאורך הניסוי כפונקציה של שינוי מורגן p לאחר שנמדד על ידי Molybdate הצביעה (a), שונה מורגן לחילוץ p (Pi + אורגני p) נמדד על ידי מצמידים באופן משולב פליטת פלזמה פליטה אופטית ספקטרוסקופית (ב), מים מזוקקים (ג). (ד) קשר בין ממוצע pw-SRP: FW-srp עבור המחקר כפונקציה של pH אדמה. הנתונים שונו מיאנג ומרוס6 באישור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

המחברים מצהירים כי עבודה זו נערכה בהעדר קשרים מסחריים או פיננסיים שניתן לפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.