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Nutrienti negli ecosistemi acquatici

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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

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye – Depaul University

L’azoto e il fosforo sono nutrienti vegetali essenziali presenti negli ecosistemi acquatici ed entrambi sono monitorati come parte dei test di qualità dell’acqua perché in quantità eccessive possono causare problemi significativi di qualità dell’acqua.

L’azoto in acqua è misurato come la forma comune di nitrato (NO₃^–) che viene disciolto in acqua e prontamente assorbito da fotosintetizzatori come le alghe. La forma comune di fosforo misurata è il fosfato (PO₄^3-), che è fortemente attratto dalle particelle di sedimento e disciolto in acqua. In quantità eccessive, entrambi i nutrienti possono causare un aumento della crescita delle piante acquatiche (fioritura algale, Figura 1)che può interrompere la luce, la temperatura e i livelli di ossigeno nell’acqua sottostante e portare all’eutrofizzazione e all’ipossia (basso livello di ossigeno disciolto nell’acqua) formando una “zona morta” senza attività biologica. Le fonti di nitrati e fosforo includono impianti di trattamento delle acque reflue, deflusso da prati fertilizzati e terreni agricoli, sistemi settici difettosi, deflusso di letame animale e scarico di rifiuti industriali.

Figura 1. Fioritura algale
Scattata nel 2011, la feccia verde mostrata in questa immagine è stata la peggiore fioritura di alghe che il lago Erie abbia mai sperimentato negli ultimi decenni. Record di piogge primaverili torrenziali hanno lavato il fertilizzante nel lago, promuovendo la crescita di microcistina producendo fioriture di cianobatteri. Filamenti verdi vibranti si estendono dalla costa settentrionale.

Principles

Le concentrazioni di nitrati e fosfati possono essere misurate in campioni di acqua utilizzando reagenti chimici noti che fanno cambiare colore al campione quando si trova in presenza di un nutriente specifico, con un’intensità del colore crescente che indica una maggiore concentrazione del nutriente. Per garantire il rilascio di qualsiasi molecola di fosfato che è legata ai sedimenti nell’acqua, i campioni di fosforo vengono digeriti chimicamente e con calore per rilasciare legami fosfatici per una misura del fosfato totale nel campione.

Per quantificare l’intensità del colore prodotta dal reagente, viene utilizzato uno spettrofotometro per misurare la lunghezza d’onda specifica della luce che corrisponde a ciascun colore causato dai nutrienti e dai loro reagenti (nitrati ambra; fosfati blu). Lo spettrofotometro invia quindi un fascio di luce attraverso ciascun campione per misurare la quantità di quella luce che viene assorbita dal colore (assorbanza). Più scuro è il colore, maggiore è l’assorbanza. Lo spettrofotometro converte quindi l’assorbanza in una concentrazione di nutrienti visualizzata (mg / L) in base a saggi di concentrazione noti.

Procedure

1. Misurare l’azoto nel campione

Sullo spettrofotometro, trova il programma per il nitrato (con manuale utente o menu dello strumento) e inserisci il numero del programma.
Pipettare 10 mL del campione d’acqua in una delle provette del campione. Versarlo in uno dei tubi campione.
Ripetere l’operazione per una seconda provetta.
Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere di reagente nitrato a una provetta campione.
Cappuccio in entrambe le provette campione.
Sullo spettrofotometro, premere timer e immettere per avviare un periodo di reazione per il reagente. Agitare vigorosamente il campione fino al termine del tempo di reazione e ai elisi del timer. Il campione inizierà a diventare ambrato.
Premere invio. Inizierà un secondo periodo di reazione di 5 minuti.
Dopo che il timer emette un elica un bip la seconda volta, pulire l’esterno delle due provette del campione con un tovagliolo di carta privo di lanugine.
Posizionare la provetta del campione senza tubo di reagente (vuoto) nello spettrofotometro.
Coprire saldamente la cella con il cappuccio dello strumento per garantire che la luce ambientale sia bloccata.
Azzerare lo spettrofotometro per una lettura di 0,0 mg/L NO₃-N.
Rimuovere la cella vuota e posizionare la cella campione con il reagente nel supporto della cella. Coprire ermeticamente la cella campione con il cappuccio dello strumento.
Premere LEGGI. Il cursore si sposterà verso destra, quindi verranno visualizzati i risultati in mg/L NO₃-N.

2. Misurare il fosforo nel campione

Misurare 5,0 ml del campione d’acqua utilizzando una pipetta.
Versare l’acqua misurata in una provetta campione.
Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere di persolfato di potassio per fosfonato alla provetta del campione.
Tappare saldamente il tubo e agitare per sciogliere.
Etichettare la parte superiore del tappo del tubo e posizionare il tubo in un reattore COD (in una cappa chimica) e riscaldare per 30 minuti.
Metterlo in una griglia per provette e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.
Utilizzando un cilindro graduato, misurare 2 mL di idrossido di sodio 1,54 N.
Versarlo nella provetta del campione. Tappo e mescolare.
Sullo spettrofotometro, trova il numero di programma per il fosfato (con manuale utente o menu dello strumento) e inserisci il numero del programma.
Pulire l’esterno della provetta con un tovagliolo di carta privo di lanugine.
Posizionare la provetta in modo che sia rivolta verso la parte anteriore dello strumento.
Posizionare il coperchio sulla provetta.
Estrai la provetta e aggiungi il contenuto del cuscino in polvere reagente acquistato per il metodo dell’acido ascorbico.
Tappare saldamente e agitare per 10-15 s.
Premere timer e quindi invio. Inizierà un periodo di attesa di 2 minuti.
Dopo che il timer emette un eschetto, pulire l’esterno della provetta con un tovagliolo di carta privo di lanugine.
Posizionare la provetta nello strumento con il logo rivolto verso la parte anteriore dello strumento.
Posizionare il coperchio sopra la provetta.
Premere leggi. Il display mostrerà i risultati in mg/L.

L’azoto e il fosforo sono nutrienti vegetali essenziali che si trovano negli ecosistemi acquatici, tuttavia, in quantità eccessive, possono causare significativi problemi di qualità dell’acqua. L’azoto e il fosforo nell’acqua si trovano tipicamente nelle forme di nitrato e fosfato, rispettivamente. Entrambi i nutrienti sono disciolti in acqua e sono facilmente assorbiti da fotosintetizzatori come le alghe.

Nitrati e fosfati entrano nei sistemi idrici attraverso il deflusso di acqua dolce da impianti di trattamento delle acque reflue, prati fertilizzati e terreni agricoli, sistemi settici difettosi e scarichi di rifiuti industriali. In quantità eccessive, entrambi i nutrienti possono causare un aumento della crescita delle piante acquatiche e delle fioriture di alghe, chiamate eutrofizzazione. Queste fioriture di alghe vivono sulla superficie dell’acqua, al fine di accedere facilmente all’ossigeno e alla luce solare.

Di conseguenza, l’eutrofizzazione impedisce ai livelli più bassi dell’acqua di accedere alla luce solare e all’ossigeno nell’aria. Quando le alghe muoiono, affondano nei livelli più bassi dell’acqua e si decompongono, consumando ossigeno nell’acqua più profonda causando ipossia o bassi livelli di ossigeno disciolto. Affamata di ossigeno e tagliata fuori dal rifornimento, l’acqua profonda diventa una zona morta. Di conseguenza, pesci e altri organismi muoiono in numero massiccio. Le zone morte sono diffuse negli oceani e nei laghi del mondo, prevalentemente nelle aree urbane altamente popolate.

Questo video introdurrà la metodologia per misurare le concentrazioni di nitrati e fosfati nelle acque superficiali e dimostrerà le misurazioni in laboratorio.

L’azoto nell’acqua è riportato in termini di “nitrato-come-azoto”. La frase “nitrato come azoto” si riferisce alla quantità di azoto in forma di nitrato. Pertanto, la concentrazione di nitrato come azoto può essere convertita in concentrazione di nitrato utilizzando i rapporti dei pesi molecolari di azoto e nitrato.

La concentrazione di nitrati viene misurata utilizzando il metodo di riduzione del cadmio. Il metallo cadmio riduce i nitrati a nitriti, quindi gli ioni nitriti reagiscono con l’acido sulfanilico per formare un sale di diazonio intermedio. Il sale di diazonio si accoppia quindi con l’acido gentisico e forma un composto di colore ambrato. Più scuro è il colore ambrato, maggiore è la concentrazione di nitrato nel campione.

La concentrazione di fosforo nei campioni di acqua è riportata in modo simile, in termini di quantità di fosforo in forma di fosfato. La conversione tra concentrazione di fosfato e concentrazione di fosfato come fosforo può essere facilmente completata utilizzando il peso molecolare. I fosfati sono presenti nell’acqua in molte conformazioni diverse. Tutti i fosfati devono prima essere convertiti in ortofosfati attraverso l’idrolisi riscaldando i campioni con acido e persolfato di potassio.

Il metodo dell’acido ascorbico/molibdato viene utilizzato per calcolare la concentrazione di ortofosfato. Gli ortofosfati reagiscono con il molibdato di sodio in condizioni acide per produrre un complesso fosfato/molibdato. L’acido ascorbico viene quindi utilizzato per ridurre il complesso, producendo un prodotto di colore blu. Per quantificare l’intensità del colore prodotta dal reagente in entrambi gli esperimenti, viene utilizzato un colorimetro per misurare la quantità di luce assorbita dalle specie colorate. L’assorbanza viene quindi convertita in concentrazione.

Il seguente esperimento dimostrerà l’analisi delle concentrazioni di nitrati e fosfati in campioni d’acqua utilizzando pacchetti di reagenti premiscelati per eseguire questa tecnica colorimetrica.

Per iniziare la misurazione dell’azoto, trovare il programma per il nitrato sul colorimetro e inserire il numero di programma appropriato o impostare il colorimetro per misurare a 420 nm. Misurare 10 ml del campione d’acqua, pipettare in una provetta ed etichettare il tubo. Preparare un secondo tubo identico ed etichettarlo come vuoto.

Aggiungere il contenuto di una confezione di reagente premiscelato con metodo di riduzione del cadmio alla provetta del campione. Cappuccio in entrambe le provette campione. Iniziare a cronometrare il periodo di reazione di 1 minuto per il reagente. Agitare vigorosamente il tubo a mano fino al completamento del tempo di reazione.

Impostare il tubo verso il basso e iniziare un secondo periodo di reazione di 5 minuti per consentire al cadmio di ridurre l’azoto. Al termine del periodo di reazione, pulire entrambi i tubi con un asciugamano di carta privo di lanugine.

Posizionare la provetta del campione senza reagente, etichettata come vuota, nel colorimetro. Assicurarsi che nessuna etichetta interferisca con il percorso della luce. Coprire saldamente la cella con il cappuccio dello strumento per garantire che tutta la luce ambientale sia bloccata dalla camera del campione.

Calibrare il colorimetro con il bianco per una lettura di 0,0 mg/L di nitrato come azoto. Rimuovere il tubo vuoto e posizionare la provetta del campione nel supporto del campione e sostituire il cappuccio dello strumento. Misurare l’assorbanza del campione e visualizzare la concentrazione di nitrato come azoto nel campione.

La misurazione del fosforo in un campione d’acqua è simile alla misurazione dell’azoto. In primo luogo, misurare 5 ml del campione d’acqua e convogliarlo in una provetta. Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere di persolfato di potassio premiscelato per fosfonato alla provetta del campione.

Tappare saldamente il tubo e agitare per sciogliere la polvere. Etichettare la parte superiore del cappuccio. Posizionare il tubo nel reattore in una cappa e riscaldare per 30 minuti a 150 °C. Dopo il riscaldamento, rimuovere il tubo dal reattore, posizionarlo in un rack tubolare e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.

Quindi, regolare il pH aggiungendo 2 mL di idrossido di sodio 1,54 M alla provetta del campione. Tappare il tubo e mescolare. Sul colorimetro, individuare il numero di programma per il fosfato e immettere il numero di programma oppure impostare lo spettrofotometro per misurare l’assorbanza a 880 nm.

Pulire la provetta del campione con una salvietta priva di lanugine e caricare la provetta nel colorimetro. Assicurarsi che nessuna etichetta interferisca con il percorso della luce nello strumento. Posizionare il coperchio sullo strumento e calibrare utilizzando il campione non ricreato come bianco.

Rimuovere il tubo dallo strumento e aggiungere il contenuto di un pacchetto di reagente con metodo dell’acido ascorbico premiscelato alla provetta. Tappare saldamente il tubo e agitare il tubo per mescolare. Posizionare il tubo in un rack e avviare un periodo di reazione di 2 minuti utilizzando un timer.

Dopo che il periodo di reazione è finito, il colore della soluzione dovrebbe essere blu. Pulire l’esterno del tubo con un tovagliolo di carta senza lanugine. Posizionare la provetta nello strumento con tutte le etichette fuori dal percorso della luce.

Chiudere il coperchio della camera del campione e premere il pulsante READ. I risultati saranno mostrati in mg/L. Se si utilizza uno spettrofotometro, misurare l’assorbanza del campione a 880 nm.

Le concentrazioni di nitrato e fosfato in un ramo fluviale metropolitano sono state confrontate in 5 diversi siti campione in questo esperimento.

L’acqua pulita del fiume contiene in genere da 0 a 1 mg / L di azoto nitrico e da 0 a 0,03 mg / L di fosfato-fosforo. Concentrazioni comprese tra 3 e 5 mg/L di nitrato-azoto e da 0,03 a 0,1 mg/L di fosfato-fosforo sono considerate elevate e al di sopra di questi intervalli considerate eutrofiche.

I livelli di nitrati e fosfati erano elevati in 3 dei 5 luoghi di campionamento. Analogamente, le concentrazioni medie di nitrati e fosfati sono state confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque. La misurazione a monte rappresenta l’acqua non trattata, mentre la misurazione a valle rappresenta il deflusso dall’impianto di trattamento.

La misurazione a valle era a basso contenuto di fosfati a causa della rimozione di materiale organico durante il processo di trattamento. Tuttavia, le concentrazioni medie di nitrati erano più elevate a valle, indicando possibili apposizioni di nitrati vicino all’area di scarico, possibilmente da fertilizzante per prato.

Comprendere il contenuto di nutrienti del deflusso dell’acqua e il suo conseguente effetto sulla vita vegetale marina è estremamente importante per preservare i nostri ecosistemi naturali.

Nell’esempio seguente, i microrganismi marini sono stati studiati in ambienti remoti come le barriere coralline. Questi risultati possono aiutare a chiarire le mutevoli popolazioni microbiche a causa delle concentrazioni di nitrati e delle fioriture algali risultanti.

I campioni d’acqua sono stati raccolti in contenitori chiusi all’ambiente esterno per prevenire la contaminazione. I microbi sono stati raccolti su un filtro da 0,22 μm. L’acqua filtrata è stata analizzata per esaminare le impurità inorganiche. L’analisi metagenomica ha rilevato che il trasferimento di materiale genetico microbico era correlato positivamente con la concentrazione di nitrati.

Per combattere l’eutrofizzazione, è importante comprendere il deflusso del suolo e il destino e il trasporto dei contaminanti nel suolo. Nell’esempio seguente, è stata simulata la pioggia e studiato il destino dei contaminanti nel suolo. Le scatole di terreno erano piene di terreno contenente contaminanti di interesse, in questo caso l’urea, una forma comune di fertilizzante azotato. Le molecole contenenti fosforo possono essere studiate con la stessa procedura. Le precipitazioni sono state simulate in diverse condizioni e il deflusso è stato raccolto e analizzato.

Simile all’ultimo esempio, il deflusso può essere studiato anche all’aperto in ambienti naturali. Qui, una struttura di ricerca di deflusso è stata costruita in un’area urbana. Un muro di contenimento è stato costruito per prevenire la contaminazione da deflusso verso altre aree e per consentire la raccolta controllata dell’acqua. Anche le aree della trama sono state separate, per impedire il movimento laterale dell’acqua. Gli studi sul deflusso dell’acqua sono stati condotti utilizzando sistemi di irrigazione. Il deflusso dell’acqua è stato raccolto e un’analisi chimica è stata completata per determinare i contaminanti nell’acqua.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE all’analisi dei nutrienti dell’acqua nelle acque superficiali. Ora dovresti capire le sfide associate al deflusso e all’eutrofizzazione dell’acqua e come misurare il contenuto di nutrienti nei campioni di acqua. Grazie per l’attenzione!

Results

Figura 2. Grafico che confronta i nitrati tra diversi tipi di uso del suolo (non sviluppati, agricoli e urbani).

Concentrazioni medie di nitrati confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque (Figura 3). La misurazione a valle rappresenta lo scarico dal trattamento.

Figura 3. Concentrazioni medie di nitrati confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque. La misurazione a valle rappresenta lo scarico dal trattamento.

Figura 4. Grafico del fosforo per diverse località lungo il fiume Chicago.

Concentrazioni medie di fosfato confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque (Figura 5). Le misurazioni a valle rappresentano lo scarico dal trattamento.

Figura 5. Concentrazioni medie di fosfato confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque. Le misurazioni a valle rappresentano lo scarico dal trattamento.

Applications and Summary

Alte concentrazioni di nitrati e fosforo possono stimolare le condizioni eutrofiche nell’acqua causando la fioritura algale che influisce negativamente su altri fattori di qualità dell’acqua tra cui ossigeno disciolto, temperatura e altri indicatori. L’eccesso di nitrati può portare ad acqua ipossica (bassi livelli di ossigeno disciolto) non più in grado di sostenere la vita aerobica creando una “zona morta”, dove le specie non mobili muoiono di massa e le specie mobili si allontanano in altre acque. Le zone morte si verificano a livello globale nelle regioni costiere dove convergono grandi quantità di deflusso ad alto contenuto di nutrienti e acque reflue e la vita acquatica è più altamente concentrata (Figura 6). Due delle più grandi zone morte si trovano nel Mar Baltico, dove in media 49.000 km²di acqua conteneva meno di 2 mg / L di ossigeno disciolto, e nel Golfo del Messico settentrionale con una zona morta misurata a 17.353 km².

Figura 6. Zone morte marine in tutto il mondo
I cerchi rossi mostrano la posizione e le dimensioni di molte zone morte. I punti neri mostrano zone morte di dimensioni sconosciute. I blu più scuri in questa immagine mostrano concentrazioni più elevate di materia organica particolata, un’indicazione delle acque eccessivamente fertili che possono culminare in zone morte. Le dimensioni e il numero di zone morte marine – aree in cui l’acqua profonda è così bassa in ossigeno disciolto che le creature marine non possono sopravvivere – sono cresciute in modo esplosivo nell’ultimo mezzo secolo. Non è un caso che le zone morte si verifichino a valle di luoghi in cui la densità della popolazione umana è elevata (marrone più scuro).

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!