Składniki odżywcze w ekosystemach wodnych

Azot i fosfor są niezbędnymi składnikami odżywczymi roślin występującymi w ekosystemach wodnych, jednak w nadmiarze mogą powodować poważne problemy z jakością wody. Azot i fosfor w wodzie zwykle występują odpowiednio w postaci azotanów i fosforanów. Oba składniki odżywcze rozpuszczają się w wodzie i są łatwo wchłaniane przez fotosyntezatory, takie jak glony.

Azotany i fosforany dostają się do systemów wodnych poprzez spływ słodkiej wody z oczyszczalni ścieków, nawożonych trawników i gruntów rolnych, wadliwych szamb i zrzutów ścieków przemysłowych. W nadmiarze oba składniki odżywcze mogą powodować wzrost wzrostu roślin wodnych i zakwity glonów, zwane eutrofizacją. Zakwity tych glonów żyją na powierzchni wody, aby mieć łatwy dostęp do tlenu i światła słonecznego.

W rezultacie eutrofizacja uniemożliwia niższym poziomom wody dostęp do światła słonecznego i tlenu w powietrzu. Kiedy glony umierają, opadają do niższych poziomów wody i rozkładają się, zużywając tlen w głębszej wodzie, powodując niedotlenienie lub niski poziom rozpuszczonego tlenu. Pozbawiona tlenu i odcięta od zaopatrzenia, głęboka woda staje się martwą strefą. W rezultacie ryby i inne organizmy giną w ogromnych ilościach. Martwe strefy są szeroko rozpowszechnione w oceanach i jeziorach na całym świecie, głównie na gęsto zaludnionych obszarach miejskich.

Ten film przedstawi metodologię pomiaru stężeń azotanów i fosforanów w wodach powierzchniowych oraz zademonstruje pomiary w laboratorium.

Azot w wodzie jest podawany w kategoriach "azotan jako azot". Wyrażenie "azotan jako azot" odnosi się do ilości azotu w postaci azotanowej. Dlatego stężenie azotanów jako azotu można przeliczyć na stężenie azotanów przy użyciu stosunków mas cząsteczkowych azotu i azotanu.

Stężenie azotanów mierzy się metodą redukcji kadmu. Kadm metaliczny redukuje azotany do azotynów, a następnie jony azotynowe reagują z kwasem sulfanilowym, tworząc pośrednią sól diazoniową. Sól diazoniowa następnie łączy się z kwasem gentyzynowym i tworzy związek o bursztynowym kolorze. Im ciemniejszy bursztynowy kolor, tym wyższe stężenie azotanów w próbce.

Stężenie fosforu w próbkach wody podaje się podobnie, jeśli chodzi o ilość fosforu w postaci fosforanowej. Konwersja między stężeniem fosforanów a stężeniem fosforanów jako fosforu może być łatwo zakończona za pomocą masy cząsteczkowej. Fosforany są obecne w wodzie w wielu różnych konformacjach. Wszystkie fosforany muszą najpierw zostać przekształcone w ortofosforany poprzez hydrolizę poprzez ogrzewanie próbek kwasem i nadsiarczanem potasu.

Do obliczenia stężenia ortofosforanu stosuje się metodę kwasu askorbinowego/molibdenianu. Ortofosforany reagują z molibdenianem sodu w środowisku kwaśnym, tworząc kompleks fosforan/molibdenian. Kwas askorbinowy jest następnie używany do redukcji kompleksu, tworząc produkt o niebieskim kolorze. Aby określić ilościowo intensywność koloru wytwarzanego przez odczynnik w obu eksperymentach, używa się kolorymetru do pomiaru ilości światła pochłoniętego przez kolorowe gatunki. Absorbancja jest następnie przekształcana w stężenie.

Poniższy eksperyment zademonstruje analizę stężeń azotanów i fosforanów w próbkach wody przy użyciu wstępnie zmieszanych pakietów odczynników w celu wykonania tej techniki kolorymetrycznej.

Aby rozpocząć pomiar azotu, znajdź program do azotanów na kolorymetrze i wprowadź odpowiedni numer programu lub ustaw kolorymetr na pomiar przy 420 nm. Odmierz 10 ml próbki wody, odpipetuj do probówki z próbką i oznacz probówkę. Przygotuj drugą identyczną probówkę i oznacz ją jako półfabrykat.

Dodać zawartość jednego wstępnie zmieszanego pakietu odczynników do metody redukcji kadmu do probówki z próbką. Zakryj obie probówki z próbkami. Rozpocznij odmierzanie czasu 1-minutowego okresu reakcji na odczynnik. Energicznie potrząsać probówką ręcznie, aż do zakończenia czasu reakcji.

Odłóż probówkę i rozpocznij drugi 5-minutowy okres reakcji, aby umożliwić kadmowi redukcję azotu. Po zakończeniu okresu reakcji wytrzyj obie probówki do czysta niestrzępiącym się ręcznikiem papierowym.

Umieść probówkę z próbką bez odczynnika, oznaczoną jako ślepa próba, w kolorymetrze. Upewnij się, że żadne etykiety nie kolidują ze ścieżką światła. Szczelnie przykryj celę nasadką przyrządu, aby upewnić się, że całe światło otoczenia jest zablokowane w komorze próbki.

Skalibruj kolorymetr ze ślepą próbą, aby uzyskać odczyt 0,0 mg/l azotanu w postaci azotu. Wyjmij pustą probówkę i umieść probówkę z próbką w uchwycie na próbkę i załóż nasadkę przyrządu. Zmierzyć absorbancję próbki i wyświetlić stężenie azotanów w postaci azotu w próbce.

Pomiar fosforu w próbce wody jest podobny do pomiaru azotu. Najpierw odmierz 5 ml próbki wody i odpipetuj ją do probówki z próbką. Dodać zawartość jednej wstępnie zmieszanej poduszki z nadsiarczanu potasu w proszku na fosfonian do probówki z próbką.

Szczelnie zakręć probówkę i wstrząśnij, aby rozpuścić proszek. Oznacz górną część nasadki. Umieść rurkę w reaktorze w okapie i podgrzewaj przez 30 minut w temperaturze 150 °C. Po podgrzaniu wyjmij rurkę z reaktora, umieść ją w stojaku na probówki i pozwól jej ostygnąć do temperatury pokojowej.

Następnie dostosuj pH, dodając 2 ml 1,54 M wodorotlenku sodu do probówki z próbką. Zakryj probówkę i wymieszaj. Na kolorymetrze znajdź numer programu dla fosforanu i wprowadź numer programu lub ustaw spektrofotometr na pomiar absorbancji przy 880 nm.

Wyczyść probówkę z próbką niestrzępiącą się chusteczką i załaduj probówkę do kolorymetru. Upewnij się, że żadne etykiety nie kolidują ze ścieżką światła w instrumencie. Umieść pokrywę na przyrządzie i skalibruj, używając nieprzereagowanej próbki jako ślepej próby.

Wyjmij probówkę z przyrządu i dodaj zawartość wstępnie zmieszanego opakowania odczynnika do metody kwasu askorbinowego do probówki. Szczelnie zamknij probówkę i potrząśnij probówką, aby wymieszać. Umieść probówkę w stojaku i rozpocznij 2-minutowy okres reakcji za pomocą timera.

Po zakończeniu okresu reakcji kolor roztworu powinien być niebieski. Wyczyść zewnętrzną część tuby niestrzępiącym się ręcznikiem papierowym. Umieść probówkę w przyrządzie tak, aby wszystkie etykiety znajdowały się poza ścieżką światła.

Zamknij pokrywę komory na próbki i naciśnij przycisk READ. Wyniki zostaną podane w mg/l. W przypadku korzystania ze spektrofotometru zmierzyć absorbancję próbki przy długości fali 880 nm.

W tym eksperymencie porównano stężenia azotanów i fosforanów w odnodze rzeki metropolitalnej w 5 różnych miejscach próbek.

Czysta woda rzeczna zawiera zazwyczaj od 0 do 1 mg/l azotu azotanowego i od 0 do 0,03 mg/l fosforanów i fosforów. Stężenia od 3 do 5 mg/l azotu azotanowego i od 0,03 do 0,1 mg/l fosforanu fosforu są uważane za wysokie, a powyżej tych zakresów za eutroficzne.

Poziomy azotanów i fosforanów były wysokie w 3 z 5 miejsc pobierania próbek. Podobnie porównano średnie stężenia azotanów i fosforanów przed i za stacją uzdatniania wody. Pomiar przed oczyszczalnią reprezentuje wodę nieoczyszczoną, podczas gdy pomiar za nim reprezentuje odpływ z oczyszczalni.

Dalszy pomiar wykazał niską zawartość fosforanów ze względu na usunięcie materiału organicznego podczas procesu obróbki. Jednak średnie stężenia azotanów były wyższe w dół rzeki, co wskazuje na możliwe dopływy azotanów w pobliżu obszaru zrzutu, prawdopodobnie z nawozu do trawników.

Zrozumienie zawartości składników odżywczych w spływie wody i wynikającego z tego wpływu na życie roślin morskich jest niezwykle ważne dla zachowania naszych naturalnych ekosystemów.

W poniższym przykładzie mikroorganizmy morskie badano w odległych środowiskach, takich jak rafy. Wyniki te mogą pomóc w wyjaśnieniu zmian w populacjach drobnoustrojów spowodowanych stężeniami azotanów i wynikającymi z nich zakwitami glonów.

Próbki wody pobrano w pojemnikach, które są zamknięte dla środowiska zewnętrznego, aby zapobiec zanieczyszczeniu. Drobnoustroje zebrano na filtrze o średnicy 0,22 μm. Przefiltrowaną wodę analizowano w celu zbadania zanieczyszczeń nieorganicznych. Analiza metagenomiczna wykazała, że transfer materiału genetycznego drobnoustrojów był dodatnio skorelowany ze stężeniem azotanów.

Aby przeciwdziałać eutrofizacji, ważne jest zrozumienie spływu glebowego oraz losu i transportu zanieczyszczeń w glebie. W poniższym przykładzie zasymulowano opady deszczu i zbadano los zanieczyszczeń w glebie. Skrzynie z glebą zostały wypełnione glebą zawierającą interesujące zanieczyszczenia, w tym przypadku mocznik, powszechną formę nawozu azotowego. Cząsteczki zawierające fosfor można badać za pomocą tej samej procedury. Opady deszczu były symulowane w różnych warunkach, a spływ zbierany i analizowany.

Podobnie jak w ostatnim przykładzie, spływ można również badać na zewnątrz w środowisku naturalnym. W tym miejscu na terenie miejskim zbudowano ośrodek badawczy do badań spływów ściekowych. Zbudowano mur oporowy, aby zapobiec skażeniu spływu do innych obszarów i umożliwić kontrolowane gromadzenie wody. Wydzielono również obszary działek, aby zapobiec bocznym ruchom wody. Badania spływu wody przeprowadzono przy użyciu systemów nawadniających. Zebrano spływ wody i przeprowadzono analizę chemiczną w celu określenia zanieczyszczeń w wodzie.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do analizy składników odżywczych wody w wodach powierzchniowych. Powinieneś teraz zrozumieć wyzwania związane ze spływem wody i eutrofizacją oraz sposób pomiaru zawartości składników odżywczych w próbkach wody. Dzięki za oglądanie!