수생 생태계의 영양소
출처: 마가렛 노동자와 킴벌리 프라이의 실험실 - 데폴 대학
질소와 인은 수생 생태계에서 발견되는 필수 식물 영양소이며, 과도한 양으로 인해 상당한 수질 문제를 일으킬 수 있기 때문에 둘 다 수질 테스트의 일부로 모니터링됩니다.
물에 있는 질소는 물에 용해되고 조류와…
1. 샘플에서 질소 측정
- 분광계에서 질산염(사용자 설명서 또는 기기 메뉴)을 찾아 프로그램 번호를 입력합니다.
- 샘플 샘플의 파이펫 10 mL을 샘플 튜브 중 하나로 넣습니다. 이를 샘플 튜브 중 하나에 붓습니다.
- 두 번째 샘플 튜브를 반복합니다.
- 질산염 시약 파우더 베개 1개 내용물을 샘플 튜브 1개에 추가합니다.
- 두 샘플 튜브를 캡.
- 분광계에서 타이머를 누르고 시약반응 기간을 시작한다. 반응 시간이 끝날 때까지 샘플을 격렬하게 흔들어 타이머가 경고음을 울립니다. 샘플은 황색으로 바뀌기 시작합니다.
- enter기. 두 번째 5분 반응 기간이 시작됩니다.
- 타이머가 두 번째로 경고음을 낸 후, 보풀이없는 종이 타월로 두 샘플 튜브의 바깥쪽을 닦아냅니다.
- 시약(공백) 튜브없이 샘플 튜브를 분광계에 넣습니다.
- 주변 광이 차단되도록 계측기 캡으로 셀을 단단히 덮습니다.
- 0.0 mg/L NO 3-N의 판독을위한 분광계를 0으로 설정합니다.
- 빈 셀을 제거하고 시약으로 샘플 셀을 셀 홀더에 넣습니다. 샘플 셀을 계측기 캡으로 단단히 덮습니다.
- 읽기를누릅니다. 커서가 오른쪽으로 이동한 다음 mg/L NO3-N의결과가 표시됩니다.
2. 샘플에서 인 측정
- 파이펫을 사용하여 물 샘플의 5.0 mL을 측정합니다.
- 측정된 물을 샘플 튜브에 붓습니다.
- 샘플 튜브에 인을 위한 1개의 칼륨 과황산파우더 베개의 내용물을 추가합니다.
- 튜브를 단단히 캡하고 흔들어 녹입니다.
- 튜브 캡의 상단을 레이블과 대구 반응기 (화학 후드)에 튜브를 배치하고 30 분 동안 가열합니다.
- 테스트 튜브 랙에 놓고 실온으로 식힙니다.
- 졸업한 실린더를 사용하여 수산화 나트륨 1.54N의 2mL를 측정합니다.
- 이를 샘플 튜브에 붓습니다. 뚜껑을 덮고 섞습니다.
- 분광계에서 인산염 프로그램 번호(사용자 설명서 또는 기기 메뉴)를 찾아 프로그램 번호를 입력합니다.
- 보풀이 없는 종이 타월로 샘플 튜브의 외부를 청소하십시오.
- 그것은 악기의 전면을 향하고 있도록 테스트 튜브를 배치합니다.
- 커버를 테스트 튜브에 놓습니다.
- 시험관을 꺼내 서용시파우더 베개의 내용물을 아스코르브산 방법에 추가합니다.
- 단단히 캡과 10-15 s에 대한 흔들어.
- 타이머를 누그러고 입력합니다. 대기 기간이 2분 시작됩니다.
- 타이머가 경고음후, 보풀이없는 종이 타월로 테스트 튜브의 외부를 청소하십시오.
- 기기 의 전면을 향한 로고가 있는 테스트 튜브를 계측기에 넣습니다.
- 커버를 테스트 튜브 위에 놓습니다.
- 읽기를 누릅니다. 디스플레이는 mg/L의 결과를 표시합니다.
질소와 인은 수생 생태계에서 발견되는 필수 식물 영양소이지만 과도하게 섭취하면 심각한 수질 문제를 일으킬 수 있습니다. 물 속의 질소와 인은 일반적으로 각각 질산염과 인산염의 형태로 발견됩니다. 두 영양소 모두 물에 용해되어 조류와 같은 광합성자에 쉽게 흡수됩니다.
질산염과 인산염은 폐수 처리장, 비료 잔디 및 농경지, 잘못된 정화조 시스템 및 산업 폐기물 배출에서 유출되는 담수를 통해 물 시스템으로 유입됩니다. 과도하게 섭취하면 두 영양소 모두 수생 식물의 성장과 조류 번식을 증가시킬 수 있으며, 이를 부영양화(eutrophication)라고 합니다. 이 조류 대발생은 산소와 햇빛에 쉽게 접근하기 위해 수면에 살고 있습니다.
결과적으로, 부영양화는 낮은 수위가 공기 중의 햇빛과 산소에 접근하는 것을 방지합니다. 조류가 죽으면 낮은 수위로 가라앉고 분해되어 더 깊은 물의 산소를 소비하여 저산소증 또는 낮은 용존 산소 수치를 유발합니다. 산소가 부족하고 재공급이 차단된 깊은 물은 죽음의 지대가 됩니다. 그 결과, 어류와 다른 유기체들이 엄청나게 많이 죽게 됩니다. 데드 존은 전 세계의 바다와 호수에 널리 퍼져 있으며, 주로 인구 밀도가 높은 도시 지역에 있습니다.
이 동영상은 지표수에서 질산염 및 인산염 농도를 측정하는 방법을 소개하고 실험실에서의 측정을 시연합니다.
물 속의 질소는 "질소로서의 질산염"으로 보고됩니다. "질소로서의 질산염"이라는 문구는 질산염 형태의 질소의 양을 나타냅니다. 그러므로, 질소로서의 질산염 농도는 질소와 질산염의 분자량 비율을 사용하여 질산염 농도로 변환될 수 있습니다.
질산염 농도는 카드뮴 환원법을 사용하여 측정됩니다. 카드뮴 금속은 질산염을 아질산염으로 환원시킨 다음 아질산염 이온이 설파닐산과 반응하여 중간 디아조늄 염을 형성합니다. 그런 다음 디아조늄 염은 겐티식산과 결합하여 호박색 화합물을 형성합니다. 호박색이 어두울수록 샘플의 질산염 농도가 높습니다.
물 샘플의 인 농도는 인산염 형태의 인 양과 관련하여 유사하게 보고됩니다. 인산염 농도와 인산염으로서의 인산염 농도 사이의 변환은 분자량을 사용하여 쉽게 완료할 수 있습니다. 인산염은 다양한 형태로 물에 존재합니다. 모든 인산염은 먼저 산과 과황산칼륨으로 샘플을 가열하여 가수분해를 통해 오르토인산염으로 전환해야 합니다.
아스코르브산/몰리브덴산염 방법은 오르토인산염 농도를 계산하는 데 사용됩니다. 오르토인산염은 산성 조건에서 몰리브덴산나트륨과 반응하여 인산염/몰리브덴산염 복합체를 생성합니다. 그런 다음 아스코르브산을 사용하여 복합체를 줄여 파란색 제품을 생성합니다. 두 실험 모두에서 시약에 의해 생성된 색상 강도를 정량화하기 위해 색도계를 사용하여 유색 종에 의해 흡수된 빛의 양을 측정합니다. 그런 다음 흡광도는 농도로 변환됩니다.
다음 실험은 이 비색 기술을 수행하기 위해 사전 혼합 시약 패킷을 사용하여 물 샘플의 질산염 및 인산염 농도를 분석하는 방법을 보여줍니다.
질소 측정을 시작하기 위하여는, 색도계에 질산을 위한 프로그램을 찾아내고, 적합한 프로그램 수를 입력하거나 420 nm에 측정하기 위하여 색도계를 놓으십시오. 물 샘플 10mL를 측정하고 샘플 튜브에 피펫을 넣고 튜브에 라벨을 붙입니다. 두 번째 동일한 튜브를 준비하고 블랭크로 레이블을 지정합니다.
사전 혼합된 카드뮴 환원 분석법 시약 패킷 1개의 내용물을 샘플 튜브에 추가합니다. 두 샘플 튜브를 모두 덮습니다. 시약에 대한 1분 반응 시간 측정을 시작합니다. 반응 시간이 완료될 때까지 튜브를 손으로 세게 흔듭니다.
튜브를 내려놓고 카드뮴이 질소를 감소시킬 수 있도록 두 번째 5분 반응 주기를 시작합니다. 반응 기간이 끝나면 보푸라기가 없는 종이 타월로 두 튜브를 모두 깨끗이 닦습니다.
블랭크라고 표시된 시약이 없는 샘플 튜브를 색도계에 놓습니다. 광 경로를 방해하는 레이블이 없는지 확인하십시오. 기기 캡으로 셀을 단단히 덮어 시료 챔버에서 모든 주변광이 차단되도록 합니다.
0.0mg/L 질산염을 질소로 판독하기 위해 블랭크로 색도계를 보정합니다. 블랭크 튜브를 제거하고 샘플 튜브를 s에 놓습니다.ample 홀더에 넣고 기기 캡을 교체합니다. 시료 흡광도를 측정하고 시료 내 질산염의 농도를 질소로 표시합니다.
물 샘플에서 인을 측정하는 것은 질소 측정과 유사합니다. 먼저 물 샘플 5mL를 측정하고 샘플 튜브에 피펫으로 넣습니다. phosphonate를 위해 미리 혼합된 과황산칼륨 분말 베개 하나의 내용물을 샘플 튜브에 추가합니다.
튜브를 단단히 덮고 흔들어 분말을 녹입니다. 캡 상단에 라벨을 붙입니다. 반응기의 튜브를 후드에 놓고 30°C에서 150분 동안 가열합니다. 가열 후 반응기에서 튜브를 제거하고 튜브 랙에 놓고 실온으로 냉각시킵니다.
다음으로, 샘플 튜브에 2mL의 1.54M 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 조정합니다. 튜브의 뚜껑을 닫고 섞습니다. 색도계에서 인산염에 대한 프로그램 번호를 찾아 프로그램 번호를 입력하거나 분광 광도계를 설정하여 880nm에서 흡광도를 측정합니다.
보푸라기가 없는 천으로 샘플 튜브를 청소하고 테스트 튜브를 색도계에 넣습니다. 기기의 광 경로를 방해하는 레이블이 없는지 확인하십시오. 기기에 덮개를 놓고 미반응 샘플을 블랭크로 사용하여 보정합니다.
기기에서 튜브를 제거하고 미리 혼합된 아스코르브산 분석법 시약 패킷의 내용물을 테스트 튜브에 추가합니다. 튜브를 단단히 덮고 튜브를 흔들어 섞습니다. 튜브를 랙에 놓고 타이머를 사용하여 2분 반응 시간을 시작합니다.
반응 기간이 끝나면 용액 색상은 파란색이어야 합니다. 보푸라기가 없는 종이 타월로 튜브 외부를 청소합니다. 모든 레이블이 광 경로에서 벗어나도록 하여 시험관을 기기에 놓습니다.
시료 챔버 커버를 닫고 READ 버튼을 누릅니다. 결과는 mg/L로 표시됩니다. 분광 광도계를 사용하는 경우 880nm에서 샘플 흡광도를 측정합니다.
대도시 강 지류의 질산염과 인산염의 농도는 이 실험에서 5개의 다른 샘플 사이트에서 비교되었습니다.
깨끗한 강물은 일반적으로 0-1 mg/L의 질산-질소와 0-0.03 mg/L의 인산-인을 함유하고 있습니다. 질산-질소의 3-5 mg/L와 인산염-인의 0.03 -0.1 mg/L 사이의 농도는 높은 것으로 간주되며, 이 범위를 초과하면 부영양화로 간주됩니다.
질산염 및 인산염 수치는 5개의 샘플링 위치 중 3곳에서 높았습니다. 마찬가지로, 평균 질산염 및 인산염 농도는 수처리 공장의 상류와 하류를 비교했습니다. 상류 측정은 처리되지 않은 물을 나타내고 하류 측정은 처리장에서 유출된 물을 나타냅니다.
다운스트림 측정은 처리 과정에서 유기 물질이 제거되었기 때문에 인산염 함량이 낮았습니다. 그러나 평균 질산염 농도는 하류에서 더 높았으며, 이는 배출 지역 근처에서 잔디 비료로 인한 질산염 유입 가능성을 나타냅니다.
유출수의 영양분 함량과 그것이 해양 식물에 미치는 영향을 이해하는 것은 자연 생태계를 보존하는 데 매우 중요합니다.
다음 예에서는 산호초와 같은 원격 환경에서 해양 미생물을 연구했습니다. 이러한 결과는 질산염 농도와 그에 따른 조류 대발생으로 인한 미생물 개체군 변화를 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다.
물 샘플은 오염을 방지하기 위해 외부 환경과 밀폐된 용기에 수집되었습니다. 미생물은 0.22μm 필터에서 수집되었습니다. 여과된 물을 분석하여 무기 불순물을 검사했습니다. 메타게놈 분석은 미생물 유전 물질의 전달이 질산염 농도와 양의 상관관계가 있음을 발견했습니다.
부영양화에 맞서 싸우기 위해서는 토양 유출과 토양 내 오염 물질의 운명 및 이동을 이해하는 것이 중요합니다. 다음 예에서는 강우량을 시뮬레이션하고 토양 내 오염 물질의 운명을 연구했습니다. 토양 상자는 관심 오염 물질(이 경우 요소)이 포함된 토양으로 포장되었으며, 이 경우 질소 비료의 일반적인 형태인 요소였습니다. 인 함유 분자도 동일한 절차로 연구할 수 있습니다. 강우량은 다양한 조건에서 시뮬레이션되었으며 유출수를 수집하고 분석했습니다.
마지막 예와 유사하게, 유출은 자연 환경의 야외에서도 연구 할 수 있습니다. 여기, 유출수 연구 시설이 도시 지역에 건설되었습니다. 옹벽은 다른 지역으로의 유출 오염을 방지하고 통제된 물 수집을 가능하게 하기 위해 건설되었습니다. 측면 물의 이동을 방지하기 위해 플롯 영역도 분리되었습니다. 물 유출 연구는 관개 시스템을 사용하여 수행되었습니다. 물 유출수를 수집하고 물 속의 오염 물질을 확인하기 위해 화학 분석을 완료했습니다.
방금 JoVE의 지표수 내 수분 영양분 분석에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 물 유출 및 부영양화와 관련된 문제와 물 샘플의 영양분 함량을 측정하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.