Pomiar uwalniania fosforu w mikrokosmosach laboratoryjnych do oceny jakości wody
22 lipca 2019
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.
Nasza metoda pomaga odpowiedzieć na pytanie, jakie jest prawdopodobieństwo, że dana gleba lub osad będzie uwalniać rozpuszczalny fosfor przy długotrwałym nasyceniu. Kwantyfikacja potencjału uwalniania fosforu w środowiskach o zmiennym nasyceniu jest ważna dla określenia ryzyka transportowego dla strumieni i opracowania praktyk łagodzących. Główną zaletą metody jest jej zdolność do symulacji ważnych procesów biogeochemicznych wpływających na uwalnianie rozpuszczalnego fosforu w mobilności w warunkach polowych.
Naukowiec próbujący tej metody po raz pierwszy nie powinien mieć problemów, ponieważ jej prostota jest jedną z jej głównych zalet. Na początek zbierz około czterech litrów gleby z wybranych miejsc. Ogranicz obszary pobierania do około 10 metrów kwadratowych, aby zmniejszyć ilość zmienności przestrzennej reprezentowanej przez próbkę.
Przesiać próbki przez grube sito o średnicy 20 milimetrów, a następnie przez sito o średnicy dwóch milimetrów. Po przesianiu próbki należy dokładnie wymieszać ręcznie. Odważ 100 gramów wilgotnej gleby, susz w piekarniku w temperaturze 105 stopni Celsjusza przez 24 godziny.
Zważ suchą glebę i oblicz procentową grawimetryczną zawartość wody. Następnie odmierz podpróbkę o pojemności 500 mililitrów za pomocą pustej zlewki i zachowaj do analizy chemicznej. Pozostałą przesianą glebę wykorzystaj do badań mikrokosmosu lub przechowuj w workach polipropylenowych w temperaturze pięciu stopni Celsjusza do późniejszego wykorzystania.
Użyj jednolitrowych zlewek z polipropylenu z podziałką lub innych niereaktywnych zlewek z tworzywa sztucznego jako indywidualnych eksperymentalnych jednostek mikrokosmosu. Umyj zlewki w 10% kwasie solnym i trzykrotnie spłucz wodą destylowaną. Odmierz dwa centymetry w górę od dołu i umieść znak obok podziałki zlewki.
Wywierć otwór o średnicy 1.25 centymetra w miejscu na porty drenażowe. Umieść małą kulkę silikonu wokół wewnętrznej krawędzi króćca węża. Ostrożnie włóż port odpływowy do otworu.
Pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez 24 godziny przed kontynuowaniem. Prześledź zewnętrzny obwód zadziorów węża na siatce filtra z siatki nylonowej. Wytnij nożyczkami, nałóż cienką kulkę silikonu wokół zewnętrznej krawędzi sita filtra i delikatnie dociśnij do wlotu węża.
Przed użyciem odczekaj co najmniej 24 godziny na wyschnięcie. Następnie zamontuj krótki kawałek węża lateksowego na króćcach węża i zaciśnij go za pomocą spinaczy do segregatorów o szerokości 3,3 cm. Napełnij zlewki około 500 mililitrami wody destylowanej, aby sprawdzić, czy nie ma ewentualnych wycieków.
Załaduj 500 mililitrów próbki do zduplikowanych mikrokosmosów i delikatnie nałóż destylowaną wodę wzdłuż ścianek zlewki, aż woda powodziowa osiągnie znak jednego litra. Usunąć warstwę parafiny, aby wywołać przepływ wody porowej przez otwór drenażowy w żądanym początkowym punkcie pobierania próbek. Próbki należy pobierać, umieszczając czyste zlewki o pojemności 20 mililitrów bezpośrednio pod otworami drenażowymi wody porowej.
Pozwól, aby kilka mililitrów wody porowej spłynęło, wyrzuć i użyj następnych 10 mililitrów jako reprezentatywnej objętości próbki. Przefiltruj próbki wody porowej przez filtry membranowe o średnicy 0,45 mikrona i natychmiast przeanalizuj je pod kątem rozpuszczalnego reaktywnego fosforu na spektrofotometrze. Zapisuj wartości absorbancji i czas pomiarów.
Pobrać wstępną próbkę wody powodziowej, wkładając 10-mililitrową pipetę strzykawkową z gruszką do połowy słupa wody i pobrać próbkę ruchem okrężnym. Dozować do zlewek, przefiltrować przez filtry membranowe o średnicy 0,45 mikrona i natychmiast przeanalizować pod kątem rozpuszczalnego reaktywnego fosforu. Napełnij zlewki do poziomu jednego litra wodą destylowaną, aby konsekwentnie utrzymywać całkowitą objętość zalanej gleby i słupa wody na poziomie jednego litra we wszystkich mikrokosmosach.
Powtórz analizę rozpuszczalnego reaktywnego fosforu w żądanych punktach czasowych. W tym protokole na stanowisku nadbrzeżnym o niskim pH gleby występowała prawie ciągła rozpuszczalna reaktywna sorpcja fosforu z wody porowej. Gleba, z której pobrano próbki z przyległego pola produkcji kukurydzy o podwyższonej zawartości labilnego fosforu nieorganicznego, wykazała prawie siedmiokrotny wzrost rozpuszczalnego w porach reaktywnego fosforu w ciągu pierwszego miesiąca zalania.
Stężenie żelaza żelaznego w wodzie porowej, jako wskaźnik zastępczy dla statusu redoks, znacznie wzrosło po około trzech tygodniach, co wskazuje na warunki zmniejszające. W przeciwieństwie do tego, rozpuszczalny w wodzie powodziowej reaktywny fosfor miał tendencję do zmniejszania się w czasie. Zalanie suchej gleby znacznie zwiększyło desorpcję fosforu nieorganicznego do wody porowej, a następnie mobilizację do wody leżącej nad nią w porównaniu z zalaniem tej samej gleby w stanie wilgotnym na polu.
Oceniono wiarygodność badań fosforu w glebie w zakresie przewidywania średnich stężeń rozpuszczalnego fosforu reaktywnego. Woda destylowana i modyfikowany fosfor ekstrahowalny Morgana były jednymi z najlepszych predyktorów średnich stężeń reaktywnego fosforu w wodzie porowej i rozpuszczalnej w wodzie powodziowej. Zmodyfikowany fosfor ekstrahowany Morganem mierzony za pomocą optycznej spektroskopii emisyjnej z plazmą sprzężoną indukcyjnie nie był tak dobrym predyktorem w porównaniu ze zmodyfikowanym fosforem ekstrahowanym Morganem lub wodą destylowaną mierzoną za pomocą kolorymetrii molibdenianu.
Stosunek fosforu reaktywnego rozpuszczalnego w wodzie porowej do fosforu reaktywnego rozpuszczalnego w wodzie powodziowej wzrastał liniowo w funkcji pH gleby. Możliwe są również inne eksperymenty charakteryzujące dynamikę fosforu, na przykład zdolność usuwania fosforu z gleb podmokłych jest ważnym procesem i można go symulować, spijając wodę powodziową fosforem i mierząc tempo jego zanikania w czasie. Procedura analityczna stosowana do pomiaru fosforu polega na użyciu kwasu solnego.
W związku z tym wymagany jest odpowiedni sprzęt ochronny i zaplecze laboratoryjne.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia metodę ilościowego określania potencjału desorpcji fosforu w nasyconych glebach i osadach. Podejście to symuluje procesy biogeochemiczne wpływające na uwalnianie fosforu, co wspomaga ocenę ryzyka transportu oraz projektowanie praktyk ograniczających to zjawisko.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauka o glebach
- Nauki o środowisku
- Biogeochemia
Wstęp
- Desorpcja fosforu jest kluczowa dla zrozumienia obiegu składników odżywczych.
- Przedłużone nasycenie wpływa na mobilność fosforu w glebach.
- Dokładne oznaczanie ilościowe jest niezbędne do modelowania środowiskowego.
- Warunki terenowe mogą utrudniać oceny uwalniania fosforu.
Cel badania
- Opracowanie prostej metody oceny potencjału uwalniania fosforu.
- Uwzględnienie dynamiki redox w układzie gleba-woda w procesie mobilizacji fosforu.
- Ułatwienie badaczom wdrażania tej metody.
Zastosowane Metody
- Pobieranie próbek gleby z określonych stanowisk.
- Ograniczenie obszarów poboru próbek w celu zmniejszenia zmienności przestrzennej.
- Wielokrotne próbkowanie laboratoryjnych mikrokosmosów.
- Symulacja procesów biogeochemicznych wpływających na mobilność fosforu.
Główne wyniki
- Metoda ta skutecznie ilościowo określa uwalnianie rozpuszczalnego fosforu.
- Wykazuje ona wpływ przedłużonego nasycenia na dynamikę fosforu.
- Wyniki mogą służyć do opracowania praktyk ograniczających transport fosforu.
- Badacze stwierdzili, że metoda jest łatwa w implementacji.
Wnioski
- Opracowana metoda stanowi cenny instrument do oceny zawartości fosforu w glebie.
- Umożliwia ona lepsze zrozumienie zachowania fosforu w warunkach nasycenia.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tym podejściu w celu zarządzania środowiskiem.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowe określenie uwalniania fosforu podczas przedłużonego nasycenia wodą jest kluczowe dla minimalizacji ryzyka w ocenach wpływu na środowisko w zarządzaniu agroekosystemami. Ta laboratoryjna metoda mikrokozmiczna umożliwia predykcyjną ocenę ryzyka mobilizacji fosforu, wspierając bardziej świadome strategie łagodzenia skutków oraz zgodność z przepisami. Symulacja wewnątrztekstowej dynamiki biogeochemicznej usprawnia podejmowanie decyzji w ramach projektów badawczo-rozwojowych w dziedzinie ochrony środowiska oraz inicjatyw dotyczących jakości wody.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia analizę mechanistyczną szlaków uwalniania fosforu w kontrolowanych warunkach redox.
- Wspiera walidację funkcjonalną gleby i osadów jako źródeł ryzyka mobilizacji składników odżywczych.
- Zwiększa wiarygodność prognostyczną modeli ryzyka środowiskowego w zakresie transportu składników odżywczych.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Ułatwia przygotowanie zestandaryzowanych testów mikrokosmosowych w celu uzyskania powtarzalnych pomiarów uwalniania fosforu.
- Umożliwia ilościową ocenę rozpuszczalnego fosforu reaktywnego za pomocą analizy spektrofotometrycznej.
- Wspiera skalowalność testów oraz porównywalność wyników między różnymi ośrodkami w ramach programów monitoringu środowiska.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dopasowuje wyniki laboratoryjne do istotnych w warunkach terenowych scenariuszy mobilizacji fosforu w celu zapewnienia ciągłości translacyjnej.
- Umożliwia dostosowanie strategii łagodzenia skutków do poziomu ryzyka w oparciu o specyficzne dla danej lokalizacji profile uwalniania fosforu.
- Zapewnia mechanistyczne ograniczanie ryzyka dla interwencji mających na celu redukcję spływu składników odżywczych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ta metoda mikrokosmosów wpisuje się w ciąg badań i rozwoju w zakresie ochrony środowiska, od wczesnego odkrywania mechanizmów mobilizacji składników odżywczych po przedkliniczną walidację strategii łagodzenia skutków.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących desorpcji fosforu oraz mobilizacji napędzanej procesami redoks.
- Screening: Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki służące do porównywania potencjału uwalniania fosforu z gleb i osadów.
- Analityka: Zapewnia pomiary rozdzielone w czasie dla rozpuszczalnego fosforu reaktywnego oraz wskaźników stanu redoks.
- Badania translacyjne: Łączy symulacje laboratoryjne z oceną ryzyka jakości wody w warunkach terenowych.
- Zastosowania przemysłowe: Oferuje elastyczną, niskokosztową platformę, którą można dostosować do różnorodnych matryc środowiskowych.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie ryzyka transportu fosforu oraz skuteczności działań łagodzących.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje ocenę uwalniania fosforu za pomocą skalowalnych i powtarzalnych protokołów.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o wdrożeniu lub zaniechaniu interwencji w zakresie gospodarki składnikami odżywczymi dla konkretnych lokalizacji.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację inwestycji w badania i rozwój w obszarze ochrony środowiska z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu gleboznawstwa, chemii środowiska oraz analizy spektrofotometrycznej.
- Wymagana jest infrastruktura laboratoryjna do przygotowania próbek, filtracji oraz oznaczania ilości fosforu.
- Konieczna jest standaryzacja procedur pobierania próbek i analizy pomiędzy zespołami w celu zapewnienia porównywalności wyników.
- Metoda jest dostosowana do różnych typów gleb i osadów, z uwzględnieniem zmienności fizykochemicznej.
- Z uwagi na zastosowanie kwasu solnego w etapach analitycznych niezbędne jest przestrzeganie protokołów bezpieczeństwa.
