Nutrientes em Ecossistemas Aquáticos

O nitrogênio e o fósforo são nutrientes essenciais para as plantas encontrados nos ecossistemas aquáticos, no entanto, em quantidades excessivas, podem causar problemas significativos de qualidade da água. O nitrogênio e o fósforo na água são normalmente encontrados nas formas de nitrato e fosfato, respectivamente. Ambos os nutrientes são dissolvidos em água e são prontamente absorvidos por fotossintetizadores, como algas.

Nitratos e fosfatos entram nos sistemas de água através do escoamento de água doce de estações de tratamento de águas residuais, gramados fertilizados e terras agrícolas, sistemas sépticos defeituosos e descarga de resíduos industriais. Em quantidades excessivas, ambos os nutrientes podem causar um aumento no crescimento das plantas aquáticas e na proliferação de algas, chamado eutrofização. Essas florações de algas vivem na superfície da água, a fim de acessar facilmente o oxigênio e a luz solar.

Como resultado, a eutrofização impede que os níveis mais baixos de água tenham acesso à luz solar e ao oxigênio do ar. Quando as algas morrem, elas afundam nos níveis mais baixos de água e se decompõem, consumindo oxigênio nas águas mais profundas, causando hipóxia ou baixos níveis de oxigênio dissolvido. Famintos de oxigênio e sem reabastecimento, as águas profundas se tornam uma zona morta. Como resultado, peixes e outros organismos morrem em grande número. As zonas mortas são comuns nos oceanos e lagos do mundo, predominantemente em áreas urbanas altamente povoadas.

Este vídeo apresentará a metodologia para medir as concentrações de nitrato e fosfato em águas superficiais e demonstrará as medições em laboratório.

O nitrogênio na água é relatado em termos de "nitrato como nitrogênio". A frase "nitrato como nitrogênio" refere-se à quantidade de nitrogênio na forma de nitrato. Portanto, a concentração de nitrato como nitrogênio pode ser convertida em concentração de nitrato usando as proporções dos pesos moleculares de nitrogênio e nitrato.

A concentração de nitratos é medida pelo método de redução do cádmio. O metal cádmio reduz os nitratos a nitritos, então os íons nitrito reagem com o ácido sulfanílico para formar um sal intermediário de diazônio. O sal de diazônio então se acopla ao ácido gentísico e forma um composto de cor âmbar. Quanto mais escura a cor âmbar, maior a concentração de nitrato na amostra.

A concentração de fósforo nas amostras de água é relatada de forma semelhante, em termos da quantidade de fósforo na forma de fosfato. A conversão entre a concentração de fosfato e a concentração de fosfato como fósforo pode ser facilmente concluída usando o peso molecular. Os fosfatos estão presentes na água em muitas conformações diferentes. Todos os fosfatos devem primeiro ser convertidos em ortofosfatos por hidrólise por aquecimento de amostras com ácido e persulfato de potássio.

O método do ácido ascórbico/molibdato é utilizado para calcular a concentração de ortofosfato. Os ortofosfatos reagem com o molibdato de sódio em condições ácidas para produzir um complexo fosfato/molibdato. O ácido ascórbico é então usado para reduzir o complexo, produzindo um produto de cor azul. Para quantificar a intensidade da cor produzida pelo reagente em ambos os experimentos, um colorímetro é usado para medir a quantidade de luz absorvida pelas espécies coloridas. A absorbância é então convertida em concentração.

O experimento a seguir demonstrará a análise das concentrações de nitrato e fosfato em amostras de água usando pacotes de reagentes pré-misturados para realizar esta técnica colorimétrica.

Para iniciar a medição de nitrogênio, encontre o programa de nitrato no colorímetro e insira o número do programa apropriado ou ajuste o colorímetro para medir em 420 nm. Meça 10 mL da amostra de água, pipete em um tubo de amostra e rotule o tubo. Prepare um segundo tubo idêntico e rotule-o como o branco.

Adicionar o conteúdo de um pacote de reagentes pré-misturados do método de redução de cádmio ao tubo de amostra. Tampe os dois tubos de amostra. Comece a cronometrar o período de reação de 1 minuto para o reagente. Agite o tubo vigorosamente com a mão até que o tempo de reação esteja completo.

Coloque o tubo no chão e inicie um segundo período de reação de 5 minutos para permitir que o cádmio reduza o nitrogênio. Quando o período de reação terminar, limpe os dois tubos com uma toalha de papel sem fiapos.

Coloque o sample tubo sem reagente, rotulado como o branco, no colorímetro. Certifique-se de que nenhum rótulo interfira no caminho da luz. Cubra bem a célula com a tampa do instrumento para garantir que toda a luz ambiente seja bloqueada da câmara de amostra.

Calibre o colorímetro com o branco para uma leitura de 0.0 mg/L de nitrato como nitrogênio. Remova o tubo vazio e coloque o sample tubo no sample suporte e recoloque a tampa do instrumento. Meça a absorbância da amostra e exiba a concentração de nitrato como nitrogênio na amostra.

A medição de fósforo em uma amostra de água é semelhante à medição de nitrogênio. Primeiro, meça 5 mL da amostra de água e pipete-a em um tubo de amostra. Adicione o conteúdo de uma almofada de pó de persulfato de potássio pré-misturado para fosfonato ao tubo de amostra.

Tampe bem o tubo e agite para dissolver o pó. Rotule a parte superior da tampa. Coloque o tubo no reator em um exaustor e aqueça por 30 minutos a 150 ° C. Após o aquecimento, remova o tubo do reator, coloque-o em um suporte de tubos e deixe-o esfriar até a temperatura ambiente.

Em seguida, ajuste o pH adicionando 2 mL de hidróxido de sódio 1,54 M ao tubo de amostra. Tampe o tubo e misture. No colorímetro, localize o número do programa para fosfato e digite o número do programa ou ajuste o espectrofotômetro para medir a absorbância em 880 nm.

Limpe o sample tubo com um pano sem fiapos e carregue o tubo de ensaio no colorímetro. Certifique-se de que nenhuma etiqueta interfira no caminho da luz no instrumento. Coloque a tampa no instrumento e calibre usando o sample não reagido como o espaço em branco.

Remova o tubo do instrumento e adicione o conteúdo de um pacote de reagente do método de ácido ascórbico pré-misturado ao tubo de ensaio. Tampe bem o tubo e agite o tubo para misturar. Coloque o tubo em um rack e inicie um período de reação de 2 minutos usando um temporizador.

Após o término do período de reação, a cor da solução deve ser azul. Limpe a parte externa do tubo com uma toalha de papel sem fiapos. Coloque o tubo de ensaio no instrumento com todas as etiquetas fora do caminho da luz.

Feche a tampa da câmara de amostra e pressione o botão READ. Os resultados serão mostrados em mg/L. Se estiver usando um espectrofotômetro, meça a absorbância da amostra a 880 nm.

As concentrações de nitrato e fosfato em um braço de rio metropolitano foram comparadas em 5 diferentes locais de amostragem neste experimento.

A água limpa do rio normalmente contém 0 a 1 mg/L de nitrato-nitrogênio e 0 a 0,03 mg/L de fosfato-fósforo. Concentrações entre 3 a 5 mg/L de nitrato-nitrogênio e 0,03 a 0,1 mg/L de fosfato-fósforo são consideradas altas, e acima dessas faixas consideradas eutróficas.

Os níveis de nitrato e fosfato foram altos em 3 dos 5 locais de amostragem. Da mesma forma, as concentrações médias de nitrato e fosfato foram comparadas a montante e a jusante de uma estação de tratamento de água. A medição a montante representa a água não tratada, enquanto a medição a jusante representa o escoamento da estação de tratamento.

A medição a jusante foi baixa em fosfatos devido à remoção de material orgânico durante o processo de tratamento. No entanto, as concentrações médias de nitrato foram maiores a jusante, indicando possíveis entradas de nitrato perto da área de descarga, possivelmente de fertilizantes de gramado.

Compreender o conteúdo de nutrientes do escoamento da água e seu efeito resultante na vida das plantas marinhas é extremamente importante para preservar nossos ecossistemas naturais.

No exemplo a seguir, microrganismos marinhos foram estudados em ambientes remotos, como recifes. Esses resultados podem ajudar a elucidar as mudanças nas populações microbianas devido às concentrações de nitrato e às florações de algas resultantes.

As amostras de água foram coletadas em recipientes fechados para o ambiente externo para evitar contaminação. Os micróbios foram coletados em um filtro de 0,22 μm. A água filtrada foi analisada para examinar as impurezas inorgânicas. A análise metagenômica constatou que a transferência de material genético microbiano foi positivamente correlacionada com a concentração de nitrato.

Para combater a eutrofização, é importante entender o escoamento do solo e o destino e transporte de contaminantes no solo. No exemplo a seguir, a precipitação foi simulada e o destino dos contaminantes no solo estudado. As caixas de solo foram embaladas com solo contendo contaminantes de interesse, neste caso uréia, uma forma comum de fertilizante nitrogenado. Moléculas contendo fósforo podem ser estudadas com o mesmo procedimento. A precipitação foi simulada em diferentes condições, e o escoamento superficial coletado e analisado.

Semelhante ao último exemplo, o escoamento também pode ser estudado ao ar livre em ambientes naturais. Aqui, um centro de pesquisa de escoamento foi construído em uma área urbana. Um muro de contenção foi construído para evitar a contaminação do escoamento para outras áreas e para permitir a coleta controlada de água. As áreas das parcelas também foram separadas, para evitar o movimento lateral da água. Estudos de escoamento de água foram conduzidos usando sistemas de irrigação. O escoamento da água foi coletado e uma análise química foi concluída para determinar os contaminantes na água.

Você acabou de assistir à introdução da JoVE à análise de nutrientes da água em águas superficiais. Agora você deve entender os desafios associados ao escoamento e eutrofização da água e como medir o teor de nutrientes em amostras de água. Obrigado por assistir!