Nutrienti negli ecosistemi acquatici
Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University
L'azoto e il fosforo sono nutrienti vegetali essenziali presenti negli ecosi…
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 essenziali per le piante che si trovano negli ecosistemi acquatici, tuttavia, in quantità eccessive, possono causare notevoli problemi di qualità dell'acqua. L'azoto e il fosforo nell'acqua si trovano tipicamente rispettivamente sotto forma di nitrato e fosfato. Entrambi i nutrienti sono disciolti in acqua e sono prontamente assorbiti dai fotosintetizzatori come le alghe.
Nitrati e fosfati entrano nei sistemi idrici attraverso il deflusso di acqua dolce proveniente da impianti di trattamento delle acque reflue, prati fertilizzati e terreni agricoli, sistemi settici difettosi e scarico di rifiuti industriali. In quantità eccessive, entrambi i nutrienti possono causare un aumento della crescita delle piante acquatiche e della fioritura delle alghe, chiamato eutrofizzazione. Queste fioriture di alghe vivono sulla superficie dell'acqua, per accedere facilmente all'ossigeno e alla luce solare.
Di conseguenza, l'eutrofizzazione impedisce ai livelli più bassi dell'acqua l'accesso 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 dai rifornimenti, l'acqua profonda diventa una zona morta. Di conseguenza, i pesci e altri organismi muoiono in gran numero. Le zone morte sono diffuse negli oceani e nei laghi del mondo, prevalentemente nelle aree urbane densamente 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". L'espressione "nitrato sotto forma di azoto" si riferisce alla quantità di azoto in forma di nitrato. Pertanto, la concentrazione di nitrato come azoto può essere convertita in concentrazione di nitrati utilizzando i rapporti tra i pesi molecolari di azoto e nitrato.
La concentrazione di nitrati viene misurata utilizzando il metodo di riduzione del cadmio. Il cadmio metallico riduce i nitrati a nitriti, quindi gli ioni nitrito 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 d'acqua è riportata in modo simile, in termini di quantità di fosforo in forma di fosfato. La conversione tra la concentrazione di fosfato e la 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 essere prima 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 i nitrati sul colorimetro e inserire il numero di programma appropriato o impostare il colorimetro per misurare a 420 nm. Misurare 10 ml di campione d'acqua, pipettare in una provetta ed etichettare la provetta. Prepara un secondo tubo identico ed etichettalo come bianco.
Aggiungere il contenuto di una bustina di reagente premiscelata per il metodo di riduzione del cadmio nella provetta del campione. Tappare entrambe le provette del campione. Iniziare a cronometrare il periodo di reazione di 1 minuto per il reagente. Agitare energicamente il tubo a mano fino al completamento del tempo di reazione.
Appoggiare il tubo 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 entrambe le provette con un tovagliolo di carta privo di lanugine.
Posizionare la provetta del campione senza reagente, etichettata come bianco, nel colorimetro. Assicurarsi che nessuna etichetta interferisca con il percorso della luce. Coprire ermeticamente la cella con il cappuccio dello strumento per assicurarsi 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 il tubo del campione nel supporto del campione, quindi riposizionare 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. Innanzitutto, misurare 5 ml di campione d'acqua e pipettarlo in una provetta. Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere di persolfato di potassio premiscelato per fosfonato alla provetta del campione.
Chiudere bene il tubo e agitare per sciogliere la polvere. Etichetta la parte superiore del tappo. Posizionare il tubo nel reattore in una cappa e riscaldare per 30 minuti a 150 °C. Dopo il riscaldamento, rimuovere il tubo dal reattore, metterlo in una griglia per tubi 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 inserire il numero di programma, oppure impostare lo spettrofotometro per misurare l'assorbanza a 880 nm.
Pulire la provetta del campione con un panno privo 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 reagito come bianco.
Rimuovere la provetta dallo strumento e aggiungere il contenuto di una bustina di reagente premiscelata con acido ascorbico alla provetta. Chiudere bene il tubo e agitare il tubo per mescolare. Posizionare la provetta in una griglia e avviare un periodo di reazione di 2 minuti utilizzando un timer.
Al termine del periodo di reazione, il colore della soluzione dovrebbe essere blu. Pulisci l'esterno del tubo con un tovagliolo di carta privo di 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 nitrati e fosfati in un ramo fluviale metropolitano sono state confrontate in 5 diversi siti di campionamento in questo esperimento.
L'acqua pulita dei fiumi contiene tipicamente da 0 a 1 mg/L di nitrato-azoto e da 0 a 0,03 mg/L di fosfato-fosforo. Concentrazioni comprese tra 3 e 5 mg/L di nitrato-azoto e tra 0,03 e 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 siti di campionamento. Allo stesso modo, 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 apporti di nitrati vicino all'area di scarico, probabilmente dal fertilizzante per prati.
Comprendere il contenuto di nutrienti del deflusso dell'acqua e il suo effetto risultante 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 i cambiamenti delle popolazioni microbiche dovute alle concentrazioni di nitrati e alle conseguenti fioriture algali.
I campioni d'acqua sono stati raccolti in contenitori chiusi all'ambiente esterno per evitare contaminazioni. 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.
Al fine di combattere l'eutrofizzazione, è importante comprendere il deflusso del suolo e il destino e il trasporto dei contaminanti nel suolo. Nell'esempio seguente, sono state simulate le precipitazioni e studiato il destino dei contaminanti nel suolo. Le scatole di terreno erano riempite con 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.
Analogamente all'ultimo esempio, il deflusso può essere studiato anche all'aperto in ambienti naturali. Qui è stato costruito un impianto di ricerca sul deflusso in un'area urbana. È stato costruito un muro di contenimento per prevenire la contaminazione del deflusso in altre aree e per consentire la raccolta controllata dell'acqua. Anche le aree del lotto sono state separate, per evitare il movimento laterale dell'acqua. Gli studi sul deflusso dell'acqua sono stati condotti utilizzando sistemi di irrigazione. È stato raccolto il deflusso dell'acqua e completata un'analisi chimica per determinare i contaminanti nell'acqua.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'analisi dei nutrienti dell'acqua nelle acque superficiali. A questo punto è necessario comprendere le sfide associate al deflusso dell'acqua e all'eutrofizzazione e come misurare il contenuto di nutrienti nei campioni d'acqua. Grazie per l'attenzione!
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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.