Pomiar uwalniania fosforu w mikrokosmosach laboratoryjnych do oceny jakości wody

Podsumowanie

Dokładna kwantyfikacja potencjału desorpcyjnego fosforu (P) w nasyconych glebach i osadach jest ważna dla modelowania P i działań łagodzących transport. Aby lepiej wyjaśnić dynamikę redoks gleba-woda in situ i mobilizację fosforu przy przedłużonym nasyceniu, opracowano proste podejście oparte na wielokrotnym pobieraniu próbek z laboratoryjnych mikrokosmosów.

Streszczenie

Fosfor (P) jest krytycznym ograniczającym składnikiem odżywczym w agroekosystemach, wymagającym starannego zarządzania w celu zmniejszenia ryzyka transportu do środowisk wodnych. Rutynowe laboratoryjne pomiary biodostępności P opierają się na ekstrakcjach chemicznych przeprowadzanych na wysuszonych próbkach w warunkach utleniania. Chociaż testy te są przydatne, są ograniczone w odniesieniu do charakterystyki uwalniania P przy długotrwałym nasyceniu wodą. Niestabilny ortofosforan związany z utlenionym żelazem i innymi metalami może szybko desorbować się do roztworu w środowiskach redukujących, zwiększając ryzyko mobilizacji P do spływu powierzchniowego i wód gruntowych. Aby lepiej określić ilościowo potencjał desorpcji i ruchliwość P podczas przedłużonego nasycenia, opracowano laboratoryjną metodę mikrokosmosu opartą na wielokrotnym pobieraniu próbek wody porowej i leżącej nad nią wody powodziowej w czasie. Metoda ta jest przydatna do ilościowego określania potencjału uwalniania P z gleb i osadów o różnych właściwościach fizykochemicznych i może poprawić specyficzne dla danego miejsca działania łagodzące P poprzez lepsze scharakteryzowanie ryzyka uwalniania P na obszarach hydrologicznie czynnych. Zaletami tej metody są możliwość symulacji dynamiki in situ, prostota, niski koszt i elastyczność.

Wprowadzenie

Fosfor (P) jest krytycznym składnikiem odżywczym ograniczającym produktywność zarówno upraw, jak i biomasy wodnej. Hydrologia wód powierzchniowych jest głównym czynnikiem wpływającym na los i transport P, ponieważ kontroluje fizyczny transport osadów i P, jednocześnie wpływając na potencjał remobilizacji podczas spływu i powodzi/stawów. Różne laboratoryjne metody ekstrakcji są zwykle stosowane do oszacowania uwalniania P w skali pola w warunkach utleniania. Podczas gdy różne mechanizmy mogą przyczyniać się do uwalniania fosforanów żelaza, redukcyjne rozpuszczanie fosforanów żelaza jest dobrze znanym mechanizmem reakcji, który może prowadzić do dużych strumieni ortofosforanu-P do wody^1,2,3^,4. W przeglądzie mechanizmów kontrolujących biogeochemię P na terenach podmokłych, postawiono hipotezę, że status redoks jest główną zmienną kontrolującą uwalnianie P do gleb i płytkich wód gruntowych⁵. W związku z tym tradycyjne testy P mogą nie być wiarygodnymi predyktorami uwalniania P przy przedłużonym nasyceniu.

Biorąc pod uwagę znaczenie czasu przebywania wody i statusu redoks dla losu i transportu P, podejścia laboratoryjne zaprojektowane do lepszej symulacji warunków in situ mogłyby prowadzić do poprawy wskaźników ryzyka transportu P dla ekosystemów rolniczych i mokradeł podlegających zmiennemu nasyceniu. Ponieważ ortofosforan jest natychmiast biodostępny, szybkość i zakres desorpcji podczas nasycenia można wykorzystać jako wskaźnik ryzyka zanieczyszczenia niepunktowego źródła P. Nasza metoda została opracowana w celu ilościowego określenia desorpcji P do wody porowej (PW) i mobilizacji do leżącej nad nią wody powodziowej (FW), co jest typowym stanem na obszarach o zmiennej hydrologii obszaru źródłowego (np. Zalane pola uprawne, tereny podmokłe, rowy melioracyjne i strefy nadbrzeżne/przyrzeczeniowe). Metoda została pierwotnie opracowana w celu scharakteryzowania potencjału uwalniania P w sezonowo zalewanych glebach z północnego Nowego Jorku (USA), a ostatnio zastosowana do ilościowego określenia potencjału desorpcji P w glebach nadbrzeżnych z północno-zachodniego basenu jeziora Champlain w stanie Vermont⁶. W tym miejscu przedstawiamy protokół laboratoryjnej metody mikrokosmosu i przedstawiamy wyniki niedawno opublikowanego badania wykazującego jej zdolność do ilościowego określania potencjału desorpcji P. Wykazujemy również związek między potencjałem uwalniania P a wiarygodnością rutynowych testów gleby (labilny ekstrahowalny P, pH) w celu przewidywania uwalniania w różnych miejscach.

Przeprowadzenie metody wymaga dostępu do laboratorium analitycznego z odpowiednią kontrolą klimatu, wentylacją, wodą i odpowiednim systemem usuwania kwaśnych odpadów. Metoda zakłada dostęp do rutynowych odczynników chemicznych i sprzętu laboratoryjnego (zlewozmywaki, okapy, szkło itp.). Poza rutynowymi potrzebami laboratoryjnymi wymagany jest system filtracji membranowej (≤ 0,45 μm) oraz spektrofotometr UV do pomiaru P. Zalecany jest również pH-metr lub wieloparametrowa sonda jakości wody, ale nie jest to wymagane. Temperatura laboratoryjna jest ważnym czynnikiem i powinna być utrzymywana na stałym poziomie, chyba że sama temperatura jest badana jako czynnik eksperymentalny (zaleca się 20 °C). Niezakłócony dostęp do odpowiedniego laboratorium analitycznego z odpowiednim sprzętem jest warunkiem koniecznym do prawidłowego wykonania metody i uzyskania miarodajnych wyników.

Protokół

1. Pobieranie próbek

1. Zbierz około 4 l gleby (lub osadu) z wybranych miejsc. Obszary zbierania powinny być stosunkowo małe, aby ograniczyć przestrzenne zróżnicowanie właściwości P i gleby.
2. Próbki przesiewane przez grube sito (20 mm) przesiewano według sita o średnicy 2 mm. Po przesianiu próbki należy dokładnie wymieszać ręcznie.
3. Odważyć 100 g wilgotnej gleby lub osadu. Suszyć w piecu w temperaturze 105 °C przez 24 godziny i obliczyć grawimetryczną zawartość wody (masa wody w glebie/sucha masa gleby).
4. Pobrać podpróbkę o objętości 500 ml do analizy chemicznej.
   UWAGA: Zalecane są badania gleby dotyczące pH, zawartości materii organicznej i nietrwałego stężenia P (Pi) w glebie. W tym przypadku dostępność płynnych Pi w glebie oceniano za pomocą: 1) Pi wyekstrahowanego octanem amonu o smole 1,25 mola ^L-1 (pH = 4,8; dalej określanego jako zmodyfikowane P, ekstrahowalnego Morgana) mierzonego kolorymetrycznie^7,8, 2) Pi ekstrahowanego wodą destylowaną i 3) P ekstrahowanego octanem amonu o stężeniu 1,25 mola ^L-1 (pH = 4,8) mierzonego za pomocą indukcyjnie sprzężonej plazmooptycznej spektroskopii emisyjnej (ICP)⁸.
5. Pozostałą przesianą glebę wykorzystaj do badań mikrokosmosu lub przechowuj w workach polietylenowych w temperaturze 5 °C do późniejszego wykorzystania.
   UWAGA: Gleby wysychają po schłodzeniu przez długi czas (>30 dni) i będą wymagały ponownego nawilżenia. Nie zamrażaj próbek gleby, ponieważ wpływa to na integralność mikrobiologiczną i potencjał uwalniania fosforu.

2. Budowa mikrokosmosu

1. Użyj jednolitrowych (1 l) zlewek polipropylenowych z podziałką lub innych niereaktywnych zlewek z tworzywa sztucznego jako indywidualnych jednostek doświadczalnych (mikrokosmosów). Umyć zlewki w 10% kwasie solnym i trzykrotnie spłukać wodą destylowaną.
2. Odmierz 2 cm w górę od dołu i umieść znak obok podziałki zlewki. Wywierć otwór o średnicy 1.25 cm na porty drenażowe.
3. Umieść małą kulkę silikonu wokół wewnętrznej krawędzi króćca węża i zewnętrznego obwodu otworu. Ostrożnie włóż port odpływowy do otworu.
   UWAGA: Pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez co najmniej 24 godziny przed przejściem do kroku 2.4.
4. Prześledź zewnętrzny obwód zadziorów węża na siatce filtra z nylonowej siatki i wytnij nożyczkami. Nałóż cienką warstwę silikonu na obwodzie każdego filtra na zewnętrznej krawędzi i dociśnij filtry do wlotów kolców węża. Odczekaj co najmniej 24 godziny schnięcia przed użyciem.
   UWAGA: Do większości zastosowań zalecany jest rozmiar porów 100 μm; jednak gleby o drobniejszej teksturze mogą wymagać większego rozmiaru porów filtra, aby uniknąć zbyt długiego czasu pobierania próbek PW.
5. Dopasuj krótki kawałek węża lateksowego o średnicy 0,625 cm do końców zadziorów węża. Przymocuj do węża spinacz do segregatora papierowego o szerokości 3,3 cm, aby zapobiec przepływowi.

3. Przeprowadzanie próby uwalniania fosforu

1. Umieść 500 ml próbki w zduplikowanych mikrokosmosach i delikatnie nałóż wodę destylowaną wzdłuż ścianek zlewki, aż FW osiągnie znak 1 l.
   UWAGA: Pozwól mikrokosmosom zrównoważyć się przez 24−48 godzin przed pobraniem początkowych próbek.
2. Odpiąć papierowe segregatory, aby wywołać przepływ PW przez port drenażowy. Próbki należy pobierać, umieszczając czyste zlewki o pojemności 30 ml bezpośrednio pod portami drenażowymi PW. Odczekać, aż kilka ml PW odsączy, wyrzucić i wykorzystać następne 10 ml jako reprezentatywną objętość próbki.
3. Przefiltruj próbki PW przez filtry membranowe 0,45 μm i natychmiast przeanalizuj je pod kątem rozpuszczalnego reaktywnego P (SRP). Zapisuj wartości absorbancji i czas pomiarów.
   UWAGA: Ogólnie przyjmuje się, że SRP jest ortofosforanem; jednak P reagujący z molibdenianem może również tworzyć kompleksy z koloidami i/lub nanocząstkami, które przechodzą przez filtry 0,45 μm⁴.
4. Pobrać początkową próbkę FW, wkładając pipetę strzykawkową z gruszką o pojemności 10 ml do połowy słupa wody i pobrać próbkę ruchami okrężnymi. Opróżnij do zlewek, przefiltruj i natychmiast przeanalizuj pod kątem SRP.
5. Pobrać próbkę wody, napełniając zlewki do poziomu 1 l wodą destylowaną.
   UWAGA: Straty na parowaniu będą się różnić. Celem jest konsekwentne utrzymanie całkowitej objętości (zalana gleba + słup wody) na poziomie 1 l we wszystkich mikrokosmosach. Zastąpienie strat wody spowodowanej parowaniem ma znikomy wpływ na rozcieńczenie SRP.
6. Powtórz kroki od 3.2 do 3.5 w oparciu o żądaną liczbę punktów czasowych wydania P dla analizy.
   UWAGA: Liczba próbek pobranych w czasie zależy od celów eksperymentatora. Pobieranie próbek od jednego do trzech razy w tygodniu jest wystarczające w przypadku wielu zastosowań, przy założeniu, że inkubacja jest bliska 20 °C. Inkubacja w wyższych temperaturach zwiększa szybkość uwalniania SRP i będzie wymagała częstszego pobierania próbek. Intencją jest tutaj pokazanie użyteczności metody mikrokosmosu, a nie skupienie się na analizie danych z eksperymentów. Zarówno modele kinetyczne, jak i empiryczne pasujące do danych desorpcji/sorpcji P są prezentowane w innym miejscu^9,10. Ponieważ metoda mikrokosmosu opiera się na projekcie powtarzalnych pomiarów i uwzględnia replikację oraz różne zabiegi, uogólnione liniowe podejścia do modelowania mieszanego są również odpowiednie¹¹.

Wyniki

Wyniki niedawnego badania skupiającego się na potencjale uwalniania P w obszarach nadbrzeżnych są podkreślone, aby zademonstrować zdolność metody do scharakteryzowania dynamiki uwalniania P na poziomie miejsca⁶. Podczas gdy niektóre gleby wykazywały minimalne zmiany SRP w czasie, inne wykazywały duży wzrost stężeń PW i FW-SRP (Rysunek 1). Dwie strony z kontrastującymi trendami są pokazane na Rysunek 1. Gleba 7 jest terenem nadbrzeżnym o niskim pH g...

Dyskusja

Główną zaletą techniczną podejścia opartego na mikrokosmosie jest jego zdolność do symulowania warunków in situ, w których nasycona gleba lub osad są natychmiast pokrywane przez FW, które mogą znacznie różnić się pod względem statusu redoks i P. Krajobrazy o zmiennej hydrologii obszaru źródłowego, takie jak rowy melioracyjne, zalane pola uprawne, tereny podmokłe i strefy nadbrzeżne/przyrzeczeniowe, są przykładami, w których zmniejszona wartość PW jest okresowo pokrywana przez bardziej utlenioną wodę o niższych s...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Plastikowe króćce do węży 1,25 cm liczne		NA
Odczynniki chemiczne do oznaczania fosforu	się dużą	zdolność analizy NA P; szczegółowe informacje na temat metody można znaleźć w cytowanych źródłach
Wiertarka bezcięciwkowa lub elektryczna z bitem 1,25 cm	liczna	NA
Zlewki z tworzywa sztucznego z podziałką (1L)	liczne	NA
Laboratorium z dygestoriami, kontrolą temperatury i systemem usuwania odpadów kwasowych	NA	NA
Nylonowy siatkowy ekran filtracyjny (100um)	liczny	NA
Silikon	liczne	NA
Spektrofotometr UV	liczne	NA