1.9: Składniki odżywcze w ekosystemach wodnych

1. Zmierz azot w próbce

1. Na spektrofotometrze znajdź program do azotanów (z instrukcją obsługi lub menu przyrządu) i wprowadź numer programu.
2. Pobrać pipetą 10 ml próbki wody do jednej z probówek z próbką. Wlej go do jednej z probówek z próbkami.
3. Powtórzyć te czynności dla drugiej probówki z próbką.
4. Dodać zawartość jednej poduszki z odczynnikiem azotanowym w proszku do jednej probówki z próbką.
5. Zakryj obie probówki z próbkami.
6. Na spektrofotometrze naciśnij timer i enter, aby rozpocząć okres reakcji dla odczynnika. Potrząśnij energicznie próbką, aż skończy się czas reakcji i timer wyda sygnał dźwiękowy. Próbka zacznie zmieniać kolor na bursztynowy.
7. Naciśnij enter. Rozpocznie się drugi 5-minutowy okres reakcji.
8. Gdy timer wyda drugi sygnał dźwiękowy, wytrzyj zewnętrzną część dwóch probówek z próbkami niestrzępiącym się ręcznikiem papierowym.
9. Umieścić probówkę z próbką bez probówki z odczynnikiem (ślepą) w spektrofotometrze.
10. Szczelnie przykryj ogniwo nasadką instrumentu, aby upewnić się, że światło otoczenia jest zablokowane.
11. Wyzeruj spektrofotometr do odczytu 0,0 mg/L NO₃-N.
12. Wyjmij ślepą komórkę i umieść próbkę z odczynnikiem w uchwycie na próbę. Szczelnie przykryj próbkę nasadką przyrządu.
13. Naciśnij READ. Kursor przesunie się w prawo, a następnie wyświetlą się wyniki w mg/L NO₃-N.

2. Zmierz fosfor w próbce

1. Odmierz 5,0 ml próbki wody za pomocą pipety.
2. Wlej odmierzoną wodę do probówki z próbką.
3. Dodać zawartość jednej poduszki z nadsiarczanu potasu w proszku na fosfonian do probówki z próbką.
4. Szczelnie zakręć probówkę i wstrząśnij do rozpuszczenia.
5. Oznacz górną część nakrętki probówki i umieść probówkę w reaktorze ChZT (w kapturze chemicznym) i podgrzewaj przez 30 minut.
6. Umieść go w stojaku na probówki i pozostaw do ostygnięcia do temperatury pokojowej.
7. Za pomocą cylindra z podziałką odmierz 2 ml 1,54 N wodorotlenku sodu.
8. Wlej to do probówki z próbką. Zakręć i wymieszaj.
9. Na spektrofotometrze znajdź numer programu dla fosforanów (z instrukcją obsługi lub menu urządzenia) i wprowadź numer programu.
10. Wyczyść zewnętrzną część probówki sample niestrzępiącym się ręcznikiem papierowym.
11. Umieść probówkę tak, aby była skierowana do przodu przyrządu.
12. Umieść pokrywę na probówce.
13. Wyjmij probówkę i dodaj zawartość zakupionej poduszki z odczynnikiem w proszku do metody kwasu askorbinowego.
14. Szczelnie zakręć i wstrząsaj przez 10-15 s.
15. Naciśnij timer, a następnie wprowadź. Rozpocznie się 2-minutowy okres oczekiwania.
16. Po wydaniu sygnału dźwiękowego timera wyczyść zewnętrzną część probówki niestrzępiącym się ręcznikiem papierowym.
17. Umieść probówkę w przyrządzie tak, aby logo było skierowane do przodu przyrządu.
18. Umieść pokrywę na probówce.
19. Naciśnij przycisk czytania. Wyświetlacz pokaże wyniki w mg/L.

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!