水生生物の生態系の栄養素

窒素とリンは水生生態系に見られる必須の植物栄養素ですが、過剰に摂取すると、重大な水質問題を引き起こす可能性があります。水中の窒素とリンは、通常、それぞれ硝酸塩とリン酸塩の形で見られます。どちらの栄養素も水に溶解し、藻類などの光合成装置に容易に吸収されます。

硝酸塩とリン酸塩は、廃水処理プラント、肥沃な芝生や農地、故障した浄化槽システム、産業廃棄物の排出などから淡水が流出し、水道システムに入ります。過剰な量では、両方の栄養素が水生植物の成長と藻類の異常発生の増加を引き起こす可能性があります。これらの藻類のブルームは、酸素と日光に簡単にアクセスするために、水面に生息しています。

その結果、富栄養化により、水位の低下が空気中の日光や酸素へのアクセスを防ぎます。藻類が死ぬと、藻類は低い水位に沈んで分解し、より深い水で酸素を消費して低酸素症、または低溶存酸素レベルを引き起こします。酸素が不足し、再供給が遮断されると、深海はデッドゾーンになります。その結果、魚やその他の生物が大量に死んでいます。デッドゾーンは、世界の海や湖沼に広く分布しており、その多くが人口密度の高い都市部に分布しています。

このビデオでは、地表水中の硝酸塩とリン酸塩の濃度を測定する方法を紹介し、実験室での測定を示します。

水中の窒素は、「窒素としての硝酸塩」の観点から報告されます。「窒素としての硝酸塩」というフレーズは、硝酸塩の形態の窒素の量を指します。したがって、窒素としての硝酸塩濃度は、窒素と硝酸塩の分子量の比率を使用して硝酸塩濃度に変換できます。

硝酸塩濃度は、カドミウム還元法を用いて測定されます。カドミウム金属は硝酸塩を亜硝酸塩に還元し、次に亜硝酸イオンがスルファニル酸と反応して中間のジアゾニウム塩を形成します。その後、ジアゾニウム塩はゲンチシン酸と結合し、琥珀色の化合物を形成します。琥珀色が濃いほど、サンプル中の硝酸塩の濃度が高くなります。

水サンプル中のリンの濃度は、リン酸塩形態のリンの量に関して同様に報告されています。リン酸塩濃度とリン酸リン濃度の変換は、分子量を使用して簡単に完了できます。リン酸塩は、さまざまなコンフォメーションで水中に存在します。すべてのリン酸塩は、まず酸と過硫酸カリウムでサンプルを加熱することにより加水分解することによりオルトリン酸塩に変換する必要があります。

アスコルビン酸/モリブデン酸法は、オルトリン酸濃度の計算に使用されます。オルトリン酸塩は、酸性条件下でモリブデン酸ナトリウムと反応して、リン酸/モリブデン酸複合体を生成します。次に、アスコルビン酸を使用して複合体を還元し、青色の生成物を生成します。両方の実験で試薬によって生成される色の強度を定量化するために、比色計を使用して、着色された種によって吸収される光の量を測定します。その後、吸光度は濃度に変換されます。

次の実験では、この比色技術を実行するために、事前に混合された試薬パケットを使用して、水サンプル中の硝酸塩とリン酸塩の濃度を分析します。

窒素測定を開始するには、比色計で硝酸塩のプログラムを見つけ、適切なプログラム番号を入力するか、比色計を420nmで測定するように設定します。水サンプル10 mLを測定し、サンプルチューブにピペットで入れ、チューブにラベルを付けます。2 本目の同一のチューブを準備し、ブランクとしてラベルを付けます。

プレミックスカドミウム還元法試薬パケット1個の内容物を試料チューブに加えます。両方のサンプルチューブにキャップをします。試薬の1分間の反応時間のタイミングを計り始めます。反応時間が完了するまで、チューブを手で激しく振ってください。

チューブを下ろし、カドミウムが窒素を還元できるように、2回目の5分間の反応時間を開始します。反応期間が終了したら、糸くずの出ないペーパータオルで両方のチューブをきれいに拭きます。

試薬なしのサンプルチューブ(ブランクとラベル付け)を比色計に入れます。ラベルが光路に干渉しないことを確認します。セルを装置キャップでしっかりと覆い、サンプルチャンバーからすべての周囲光が遮断されるようにします。

ブランクを使用して比色計を校正し、窒素として0.0 mg / Lの硝酸塩を読み取ります。ブランクチューブを取り外し、サンプルチューブをサンプルホルダーに入れ、機器のキャップを元に戻します。サンプルの吸光度を測定し、サンプル中の窒素としての硝酸塩の濃度を表示します。

水サンプル中のリンの測定は、窒素の測定と似ています。まず、水サンプルの5 mLを測定し、サンプルチューブにピペットで移します。ホスフォネート用の予備混合過硫酸カリウム粉末枕1個の内容物をサンプルチューブに加えます。

チューブにしっかりとキャップをして振って粉末を溶かします。キャップの上部にラベルを付けます。チューブを反応器のフードに入れ、150°Cで30分間加熱します。加熱後、チューブをリアクターから取り外し、チューブラックに入れ、室温まで冷まします。

次に、1.54 M水酸化ナトリウム2 mLをサンプルチューブに添加してpHを調整します。チューブにキャップをして混ぜます。比色計で、リン酸塩のプログラム番号を見つけてプログラム番号を入力するか、880nmで吸光度を測定するように分光光度計を設定します。

糸くずの出ないワイプでサンプルチューブを清掃し、試験管を比色計にロードします。ラベルが機器の光路を妨げないことを確認してください。カバーを装置に置き、未反応のサンプルをブランクとして使用してキャリブレーションします。

チューブを装置から取り外し、あらかじめ混合されたアスコルビン酸法試薬パケットの内容物を試験管に加えます。チューブにしっかりとキャップをし、チューブを振って混ぜます。チューブをラックに置き、タイマーを使用して2分間の反応時間を開始します。

反応期間が終わった後、溶液の色は青になるはずです。糸くずの出ないペーパータオルでチューブの外側を清掃します。すべてのラベルが光路から外れた状態で、試験管を器具に入れます。

サンプルチャンバーカバーを閉じ、READボタンを押します。結果はmg / Lで表示されます。分光光度計を使用する場合は、880nmでサンプルの吸光度を測定します。

この実験では、メトロポリタン川支流の硝酸塩とリン酸塩の濃度を5つの異なるサンプルサイトで比較しました。

きれいな川の水には、通常、0〜1 mg / Lの硝酸態窒素と0〜0.03 mg / Lのリン酸塩-リンが含まれています。3〜5 mg / Lの硝酸態窒素と0.03〜0.1 mg / Lのリン酸塩-リンの濃度は高いと考えられ、これらの範囲を超えると富栄養性と見なされます。

硝酸塩とリン酸塩のレベルは、5つのサンプリング場所のうち3つで高かった。同様に、平均硝酸塩とリン酸塩濃度を水処理プラントの上流と下流で比較しました。上流の測定値は未処理の水を表し、下流の測定値は処理プラントからの流出水を表します。

下流の測定では、処理プロセス中に有機物が除去されたため、リン酸塩が少なくなりました。しかし、平均硝酸塩濃度は下流で高く、おそらく芝生の肥料から、排出エリアの近くに硝酸塩が投入された可能性があることを示しています。

流出水の栄養素含有量と、その結果としての海洋植物への影響を理解することは、自然生態系の保全にとって非常に重要です。

次の例では、サンゴ礁などの遠隔環境で海洋微生物を調べました。これらの結果は、硝酸塩濃度とそれに伴う藻類の異常発生による微生物集団の変化を解明するのに役立ちます。

水サンプルは、汚染を防ぐために外部環境に閉ざされた容器に収集されました。微生物は0.22-μmフィルターで収集されました。ろ過した水を分析して、無機不純物を調べました。メタゲノム解析により、微生物遺伝物質の移動は硝酸塩濃度と正の相関があることがわかりました。

富栄養化と戦うためには、土壌流出と土壌中の汚染物質の運命と輸送を理解することが重要です。次の例では、降雨量をシミュレートし、土壌中の汚染物質の運命を調査しました。土壌ボックスには、関心のある汚染物質、この場合は窒素肥料の一般的な形態である尿素を含む土壌が詰められていました。リン含有分子も同じ手順で研究できます。降雨をさまざまな条件下でシミュレートし、流出水を収集して分析しました。

最後の例と同様に、流出は自然環境の屋外でも研究できます。ここでは、都市部に流出研究施設が建設されました。擁壁を施工することで、他エリアへの流出汚染を防ぎ、水の集水制御を可能にしました。横方向の水の動きを防ぐために、プロットエリアも分離されました。水流出研究は、灌漑システムを使用して実施されました。流出水が収集され、水中の汚染物質を特定するための化学分析が完了しました。

JoVEの地表水中の水栄養素分析の紹介をご覧になりました。これで、水の流出と富栄養化に関連する課題と、水サンプルの栄養素含有量を測定する方法を理解する必要があります。ご覧いただきありがとうございます!