Misurazione del rilascio di fosforo nei microcosmi di laboratorio per la valutazione della qualità dell'acqua
22 luglio 2019
La quantificazione accurata del potenziale di desorption del fosforo (P) nei terreni e nei sedimenti saturi è importante per la modellazione P e gli sforzi di mitigazione del trasporto. Per tenere meglio conto delle dinamiche di redox in situ suolo-acqua e della mobilitazione P in saturazione prolungata, è stato sviluppato un approccio semplice basato sul campionamento ripetuto di microcosmi di laboratorio.
Il nostro metodo aiuta a rispondere alla domanda su quanto sia probabile che un dato terreno o sedimento rilasci fosforo solubile sotto saturazione prolungata. Quantificare il potenziale di rilascio di fosforo in ambienti variamente saturi è importante per determinare il rischio di trasporto per i flussi e progettare pratiche di mitigazione. Il principale vantaggio del metodo è la sua capacità di simulare importanti processi biogeochimici che influenzano il rilascio solubile di fosforo nella mobilità in condizioni di campo.
Uno scienziato che prova questo metodo per la prima volta non dovrebbe lottare, poiché la sua semplicità è uno dei suoi principali vantaggi. Per iniziare, raccogli circa quattro litri di terreno dai siti desiderati. Limitare le aree di raccolta a circa 10 metri quadrati per ridurre la quantità di variabilità ziale rappresentata dal campione.
Setacciare i campioni attraverso uno schermo grossolano di 20 millimetri, seguito da uno schermo di due millimetri. Mescolare accuratamente a mano i campioni dopo il setaccio. Pesare 100 grammi del terreno umido del campo, asciugare in forno a 105 gradi Celsius per 24 ore.
Pesare il terreno asciutto e calcolare il contenuto di acqua gravimetrica percentuale. Quindi, misurare un sottocampione da 500 millilitri usando un becher vuoto e riservare per l'analisi chimica. Utilizzare il terreno setacciato rimanente per studi di microcosmo o conservare in sacchetti di polipropilene a cinque gradi Celsius per un uso successivo.
Utilizzare un polipropilene graduato da un litro o altri becher plastici non reattivi come singole unità sperimentali di microcosmo. Lavare i becher con acido cloridrico al 10% e triplo risciacquo con acqua distillata. Misurare due centimetri verso l'alto dal basso e posizionare un segno accanto alle graduazione dei becher.
Praticare un foro di 1,25 centimetri di diametro al segno per le porte di drenaggio. Posizionare una piccola perla di silicone attorno al bordo interno della spina del tubo. Inserire con cura la porta di drenaggio nel foro.
Lasciare asciugare all'aria per 24 ore prima di procedere. Traccia la circonferenza esterna delle barbe del tubo su uno schermo filtrante in rete di nylon. Tagliare con le forbici, applicare una sottile perla di silicone attorno al bordo esterno dello schermo del filtro e premere delicatamente sull'ingresso del tubo.
Lasciare almeno 24 ore di asciugatura prima dell'uso. Quindi, montare un breve pezzo di tubo di lattice su barbe di tubo e morsetto con clip leganti di carta larghe 3,3 centimetri. Riempire i becher con circa 500 millilitri di acqua distillata, per testare possibili perdite.
Caricare 500 millilitri di campione in microcosmi duplicati e applicare delicatamente acqua distillata lungo le pareti dei becher fino a quando l'acqua di inondazione raggiunge il segno di un litro. Rimuovere la pellicola di paraffina per indurre il flusso di acqua dei pori attraverso la porta di drenaggio nel punto di tempo di campionamento iniziale desiderato. Raccogliere campioni posizionando becher puliti da 20 millilitri direttamente sotto i porti di drenaggio delle acque poro.
Lasciare che diversi millilitri di acqua pore drenare, scartare e utilizzare i successivi 10 millilitri come volume rappresentativo del campione. Filtrare i campioni di acqua porosa attraverso filtri a membrana da 0,45 micron e analizzare immediatamente la ricerca di fosforo reattivo solubile su uno spettrofotometro. Registrare i valori di assorbanza e il tempo delle misurazioni.
Prelevare il campione iniziale di acqua alluvionale inserendo una pipetta per siringhe a bulbo da 10 millilitri a metà della colonna d'acqua e prelevare un campione utilizzando un movimento circolare. Erogare nei becher, filtrare attraverso filtri a membrana da 0,45 micron e analizzare immediatamente la ricerca di fosforo reattivo solubile. Riempire i becher al livello di un litro con acqua distillata per mantenere costantemente un volume totale di terreno allagato e colonna d'acqua a un litro in tutti i microcosmi.
Ripetere l'analisi del fosforo reattivo solubile nei punti di tempo desiderati. In questo protocollo, un sito ripariale con basso pH del suolo aveva un assorbimento di fosforo reattivo solubile quasi continuo dall'acqua di poro. Il suolo che è stato campionato da un campo di produzione di mais adiacente con fosforo inorganico labile elevato ha dimostrato quasi un aumento di sette volte del fosforo reattivo solubile in porewater durante il primo mese di inondazione.
La concentrazione di ferro ferroso di Porewater, come indicatore dello stato di redox, è aumentata notevolmente dopo circa tre settimane, indicando condizioni di riduzione. Al contrario, il fosforo reattivo solubile in acqua alluvionale tendeva a diminuire nel tempo. L'inondazione del suolo secco ha aumentato notevolmente il desorbimento inorganico del fosforo nell'acqua dei pori e la successiva mobilitazione verso l'acqua sovrassorbitrice rispetto all'inondazione dello stesso suolo in uno stato umido dal campo.
È stata valutata l'affidabilità delle prove sul fosforo del suolo per prevedere le concentrazioni medie di fosforo reattivo solubile. L'acqua distillata e il fosforo estraibile Morgan modificato erano tra i migliori predittori delle concentrazioni medie di acqua poro e fosforo reattivo solubile in acqua alluvionale. Il fosforo estraibile Morgan modificato misurato mediante spettroscopia di emissione ottica al plasma accoppiata induttivamente non era buono come un predittore rispetto al fosforo estraibile Morgan modificato o all'acqua distillata misurata dalla colorimetria molibdata.
Il rapporto tra fosforo reattivo solubile in porewater e fosforo reattivo solubile in acqua alluvionale è aumentato linearmente in funzione del pH del suolo. Altri esperimenti che caratterizzano la dinamica del fosforo sono anche possibili, ad esempio, la capacità di rimozione del fosforo dei suoli delle zone umide è un processo importante e può essere simulato spiking floodwater con fosforo e misurando il suo tasso di scomparsa nel tempo. La procedura analitica utilizzata per misurare il fosforo comporta l'uso di acido cloridrico.
Sono quindi necessarie adeguate attrezzature di sicurezza e strutture di laboratorio.
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Panoramica
Questo studio presenta un metodo per quantificare il potenziale di desorbimento del fosforo in suoli e sedimenti saturi. L'approccio simula i processi biogeochimici che influenzano il rilascio di fosforo, contribuendo alla valutazione del rischio di trasporto e alla progettazione di pratiche di mitigazione.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Scienze del suolo
- Scienze ambientali
- Biogeochimica
Sfondo
- La desorbimento del fosforo è fondamentale per comprendere il ciclo dei nutrienti.
- La saturazione prolungata influisce sulla mobilità del fosforo nei suoli.
- Una quantificazione accurata è essenziale per la modellizzazione ambientale.
- Le condizioni di campo possono complicare la valutazione del rilascio di fosforo.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo semplice per valutare il potenziale di rilascio del fosforo.
- Considerare la dinamica redox suolo-acqua nella mobilitazione del fosforo.
- Facilitare l'implementazione più agevole del metodo da parte dei ricercatori.
Metodi Utilizzati
- Prelievo di campioni di suolo da siti specifici.
- Limitazione delle aree di campionamento per ridurre la variabilità spaziale.
- Campionamento ripetuto di microcosmi di laboratorio.
- Simulazione dei processi biogeochimici che influenzano la mobilità del fosforo.
Risultati principali
- Il metodo quantifica efficacemente il rilascio di fosforo solubile.
- Illustra l'influenza della saturazione prolungata sulla dinamica del fosforo.
- I risultati possono guidare pratiche di mitigazione del trasporto di fosforo.
- I ricercatori hanno trovato che il metodo è semplice da implementare.
Conclusioni
- Il metodo sviluppato è uno strumento prezioso per la valutazione del fosforo nel suolo.
- Migliora la comprensione del comportamento del fosforo in condizioni di saturazione.
- Studi futuri possono basarsi su questo approccio per la gestione ambientale.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La quantificazione del rilascio di fosforo in condizioni di saturazione prolungata è fondamentale per ridurre i rischi nelle valutazioni d'impatto ambientale nella gestione degli agroecosistemi. Questo metodo di microcosmo di laboratorio consente una valutazione predittiva del rischio di mobilizzazione del fosforo, sostenendo strategie di mitigazione più informate e la conformità normativa. La simulazione delle dinamiche biogeochimiche in situ migliora il processo decisionale strategico per la ricerca e sviluppo ambientale e per le iniziative sulla qualità dell'acqua.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi meccanicistica dei percorsi di rilascio del fosforo in condizioni redox controllate.
- Supporta la validazione funzionale di suoli e sedimenti come fonti di rischio di mobilizzazione dei nutrienti.
- Migliora l'affidabilità predittiva dei modelli ambientali di rischio per il trasporto dei nutrienti.
Sviluppo di screening e saggi
- Facilita la preparazione di saggi microcosmici standardizzati per misurazioni riproducibili del rilascio di fosforo.
- Permette la valutazione quantitativa del fosforo reattivo solubile mediante analisi spettrofotometrica.
- Consente la scalabilità del saggio e la comparabilità tra diversi siti per programmi di screening ambientale.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i risultati di laboratorio a scenari di mobilitazione del fosforo rilevanti per il campo, garantendo continuità traslazionale.
- Fornisce indicazioni per il perfezionamento mirato delle strategie di mitigazione in base ai profili di rilascio del fosforo specifici del sito.
- Offre una riduzione del rischio di tipo meccanicistico per interventi volti alla riduzione del deflusso di nutrienti.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo di microcosmo si inserisce nel percorso di ricerca e sviluppo ambientale, dall'individuazione iniziale dei meccanismi di mobilitazione dei nutrienti fino alla validazione preclinica delle strategie di mitigazione.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi riguardo al desorbimento del fosforo e alla mobilitazione guidata dai processi redox.
- Screening: Fornisce output quantitativi e riproducibili per confrontare il potenziale di rilascio del fosforo in suoli e sedimenti.
- Analisi: Offre misurazioni risolte nel tempo del fosforo reattivo solubile e dei parametri proxy redox.
- Ricerca traslazionale: Collega la simulazione in laboratorio alla valutazione del rischio per la qualità delle acque in condizioni ambientali reali.
- Riutilizzo su scala aziendale: Offre una piattaforma flessibile e a basso costo, adattabile a diverse matrici ambientali.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Migliora la fiducia predittiva riguardo al rischio di trasporto del fosforo e all'efficacia delle misure di mitigazione.
- Valore operativo: Standardizza la valutazione del rilascio di fosforo mediante protocolli scalabili e riproducibili.
- Valore strategico: Fornisce indicazioni per decisioni di tipo go/no-go relative a interventi di gestione dei nutrienti specifici per sito.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione basata sul rischio degli investimenti in ricerca e sviluppo ambientale.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in scienze del suolo, chimica ambientale e analisi spettrofotometrica.
- Necessita di infrastrutture di laboratorio per la preparazione dei campioni, la filtrazione e la quantificazione del fosforo.
- Richiede una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro delle procedure di campionamento e di analisi per garantire la comparabilità.
- Adattabile a diversi tipi di suolo e sedimenti, tenendo conto della variabilità fisico-chimica.
- Sono necessarie procedure di sicurezza a causa dell'uso di acido cloridrico nelle fasi analitiche.
