Растворенный кислород в поверхностных водах
Источник: Лаборатории Маргарет Уоркмэн и Кимберли Фрай - Университет Депола
Измерения растворенного кислорода (DO) вычисляют количество газообразного…
1. Измерение растворенного кислорода в образце
- В месте сбора воды с помощью калиброванной пипетки добавьте 2 мл сульфата марганца в прозрачную бутылку БПК объемом 300 мл, наполненную водой для пробы. Будьте осторожны, чтобы не ввести кислород в образец, вставив наконечник пипетки под поверхность образца и осторожно дозируя сульфат марганца. Это позволит избежать образования пузырьков до тех пор, пока образец не будет «закреплен», и предотвратит изменение концентрации растворенного кислорода.
- По той же методике добавляют 2 мл щелочного йодид-азидного реактива.
- Сразу же вставьте пробку, слегка наклонив бутылку и быстро надавливая на пробку, чтобы в бутылке не застряли пузырьки воздуха.
- Тщательно переверните несколько раз (не создавая пузырьков воздуха) для перемешивания. Хлопья (хлопья) образуются из осажденного скопления материала с мутным видом (Рисунок 1).
- Подождите, пока хлопья в растворе осядут. Снова переверните бутылку несколько раз и подождите, пока хлопья осядут. Теперь образец зафиксирован для предотвращения изменения содержания растворенного кислорода и может быть транспортирован обратно в лабораторию и при необходимости храниться до 8 часов в прохладном и темном состоянии.
- При хранении образцы должны быть запечатаны с помощью небольшого количества деионизированной воды, распыляемой вокруг пробки, а пробка должна быть обернута алюминиевой фольгой, закрепленной резиновой лентой.
- Внесите в образец 2 мл концентрированной серной кислоты, держа наконечник пипетки чуть выше поверхности образца. Осторожно переверните несколько раз, чтобы растворить хлопья (Рисунок 2).
- В стеклянной колбе с помощью калиброванной пипетки титруйте 200 мл образца воды со стандартизированным тиосульфатом натрия 0,025 Н, непрерывно перемешивая и перемешивая до образования бледно-соломенного цвета (Рисунок 3).
- Добавьте 2 мл крахмального индикаторного раствора с помощью пипетки и перемешайте. Как только индикатор крахмала будет добавлен, раствор станет синим (Рисунок 4).
- Продолжайте титрование, добавляя по одной капле за раз, пока одна капля не рассеет синий цвет, вызвав бесцветную конечную точку. Обязательно добавляйте каждую каплю титранта осторожно и равномерно перемешивайте каждую каплю перед добавлением следующей. Если прижать образец к белому листу бумаги, это поможет улучшить визуализацию конечной точки.
- Концентрация РК эквивалентна объему (мл) используемого титранта. Каждый миллилитр тиосульфата натрия, добавленный в пробу воды, равен 1 мг/л растворенного кислорода.
Рисунок 1. Образец после добавления щелочного йодид-азидного реагента был перемешан и перемешан, что свидетельствует об образовании хлопьев в верхней части образца перед осаждением.
Рисунок 2. Образец с растворенными хлопьями после добавления серной кислоты.
Рисунок 3. Образец после добавления тиосульфата натрия имеет бледно-соломенный цвет.
Рисунок 4. Образец, показывающий синий цвет после добавления индикатора крахмала, и смешивания.
Растворенный кислород имеет решающее значение для экосистем рек и озер для поддержания аэробной жизни. Метод титрования Азида-Винклера позволяет количественно оценить количество растворенного кислорода в пробах поверхностных вод.
Газообразный кислород, растворенный в поверхностных водах, необходим для выживания живущих в ней организмов; Редуценты, имеющие решающее значение для переработки биогеохимических материалов в экосистеме, или виды рыб, предпочитаемые для употребления в пищу человеком. Когда уровень кислорода в водных системах падает ниже нормы, качество воды ухудшается, и организмы начинают умирать.
Метод титрования Азида-Винклера представляет собой стандартный тест для определения концентрации растворенного кислорода в образце. Тиосульфат натрия используется для титрования йода, который стохиометрически связан с количеством растворенного кислорода в образце.
В этом видео будут проиллюстрированы принципы, лежащие в основе количественного определения растворенного кислорода, процесс выполнения титрования Азида-Винкера и интерпретация измерений растворенного кислорода.
Эвтрофикация — это внесение избытка питательных веществ в экосистему. Это приводит к тому, что популяции водорослей быстро разрастаются в плотные маты, известные как цветение водорослей. Эти маты могут привести к гипоксии, или низкому уровню кислорода, блокируя газообмен на поверхности, и препятствовать фотосинтезу, блокируя солнечный свет. Дышащие кислородом организмы начинают умирать, вызывая увеличение количества органических веществ, что, в свою очередь, вызывает увеличение кислородзависимых редуцентов, что еще больше истощает ресурсы кислорода. Наконец, подвижные кислородозависимые организмы уходят, оставляя мертвую зону без аэробной жизни.
Чтобы проверить уровень растворенного кислорода в источнике воды, можно использовать метод Азида-Винклера для измерения растворенного кислорода непосредственно в полевых условиях, либо зафиксировать образцы и доставить их в лабораторию для дальнейшего анализа.
В образец добавляют сульфат марганца и гидроксид калия, образуя гидроксид марганца. При этом уменьшается растворенный кислород, образуя коричневый осадок. Щелочной йодид-азидный реагент добавляется для коррекции наличия нитратов, обнаруженных в образцах сточных вод, которые могут препятствовать процессу окисления.
Добавленная серная кислота подкисляет раствор и растворяет осадок. Это новое соединение окисляет йодид из щелочного йод-азидного реагента в йод.
Далее добавляется индикатор крахмала, который в присутствии йода станет синим. Тиосульфат, который превращает йод обратно в йодид, используется для титрования йода. Когда титрование будет завершено, синий раствор станет бесцветным. Количество растворенного кислорода в образце пропорционально количеству тиосульфата, необходимому для превращения раствора из синего в бесцветный.
Теперь, когда мы знакомы с принципами измерения растворенного кислорода в образцах воды, давайте рассмотрим, как это делается в полевых условиях и в лаборатории.
Эксперимент начнется на месте сбора. Сначала соберите пробу воды в прозрачную бутылку объемом 300 мл для БПК. Далее измерьте и запишите температуру воды из источника воды. Осторожно добавьте в образец 2 мл сульфата марганца, вставив наконечник пипетки под поверхность воды, и медленно дозируйте, чтобы избежать образования пузырьков.
Используя ту же технику, добавьте 2 мл щелочного йод-азидного реактива и сразу же вставьте пробку, слегка наклонив флакон так, чтобы воздух не попал внутрь флакона.
Тщательно переверните несколько раз, чтобы перемешать раствор, стараясь не создавать пузырьков воздуха. Образуется осадок, вызывающий облачный вид. Дайте осадку в растворе осесть, а затем тщательно перемешайте, несколько раз перевернув бутылку, прежде чем дать ей снова отстояться. Образцы должны быть запечатаны с помощью небольшого количества деионизированной воды, распыляемой вокруг пробки, затем обернуты алюминиевой фольгой и закреплены резиновой лентой. Теперь образец зафиксирован и может быть транспортирован обратно в лабораторию.
После того, как образцы закреплены, их транспортируют в лабораторию для дальнейшего анализа. Во-первых, держа наконечник пипетки чуть выше поверхности образца, добавьте в образец 2 мл концентрированной серной кислоты. Переверните несколько раз, чтобы осадок растворился. С помощью стеклянной колбы и калиброванной пипетки титруйте 200 мл предварительно обработанной воды для проб со стандартизированным тиосульфатом натрия 0,025 Н, непрерывно перемешивая и перемешивая до образования бледно-соломенного цвета.
Как только раствор приобретет соломенный цвет, добавьте 2 капли 1 мл раствора индикатора крахмала и перемешайте. Раствор станет синим. Продолжайте титрование, добавляя по одной капле тиосульфата натрия за раз и медленно перемешивая с помощью мешалки, пока синева не рассеется и раствор не станет бесцветным. Приложите образец к белому листу бумаги для улучшения визуализации. Запишите объем добавленного тиосульфата.
Концентрация растворенного кислорода пропорциональна объему тиосульфата натрия, добавленного в образец. Каждый добавленный миллилитр эквивалентен 1 мг/л, или частям на миллион, растворенного кислорода.
Максимальное количество кислорода, которое может быть растворено в воде, зависит от температуры воды. Измерения концентрации растворенного кислорода в мг/л преобразуются в проценты насыщения с использованием температуры воды и диаграммы пересчета. Сатурация от 91 до 110% растворенного кислорода считается отличной; от 71 до 90% – хорошо, 51-70% – удовлетворительно, а ниже 50% – плохо.
Уровень растворенного кислорода 6 мг/л достаточен для поддержания большинства водных видов. Уровни ниже 4 мг/л вызывают стресс у большинства водных животных, поэтому это повлияет на биоразнообразие. Вода, содержащая менее 2 мг/л растворенного кислорода, не будет поддерживать аэробную водную жизнь.
Возможность количественного определения количества растворенного кислорода в источнике воды также имеет альтернативные методы и множество актуальных практических применений. Некоторые из них исследуются здесь.
Растворенный кислород и температуру также можно измерить с помощью портативного монитора LabQuest с датчиками растворенного кислорода и температуры. Для получения растворенного кислорода подключите зонд к каналу 1. Единицы измерения должны быть в мг/л. Погрузите зонд в пробу воды, медленно циркулируя зонд по пробе, чтобы избежать потребления кислорода в локализованной области. Когда показания стабилизируются, запишите значение.
Большинству рыб требуется умеренный или хороший уровень растворенного кислорода в их среде обитания для процветания и размножения. Для рыбных ферм, которые могут занимать искусственные или естественные озера или ручьи, возможность проверки уровня растворенного кислорода может помочь менеджерам ферм выбрать хорошее место для первоначальной обустройства или отслеживать состояние своих бассейнов или ручьев.
Мониторинг растворенного кислорода также может быть полезен для управления средой обитания и ее сохранения. Если в районе озера или реки обитает охраняемая или находящаяся под угрозой исчезновения флора или фауна, мониторинг уровня растворенного кислорода может дать представление о состоянии экосистемы. Если уровни быстро меняются, это может указывать на опасность для охраняемых видов и может указывать на необходимость реализации стратегии управленческого вмешательства.
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) предлагает ряд мер по коррекции уровня растворенного кислорода в экосистемах. К ним относятся правильное и минимальное использование удобрений, надлежащая очистка сточных вод, отказ от сброса сточных вод с лодок и сохранение прилегающих рек, ручьев и водно-болотных угодий. Сокращение выбросов оксидов азота за счет минимизации потребления электроэнергии и использования автомобилей, а также выбор более эффективных лодочных двигателей также могут помочь поддерживать соответствующий уровень растворенного кислорода в водных ресурсах.
Вы только что посмотрели введение JoVE в измерение растворенного кислорода в поверхностных водах. Теперь вы должны понять принципы, лежащие в основе измерения концентрации растворенного кислорода, как количественно определить содержание растворенного кислорода в собственных пробах воды, а также как интерпретировать полученные результаты и их влияние на окружающую среду. Спасибо за просмотр!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: Why is dissolved oxygen important for river and lake ecosystems?
Dissolved oxygen is essential for oxygen-breathing organisms in aquatic ecosystems, including fish species and decomposers that recycle biogeochemical materials. When oxygen levels fall below normal, water quality declines and organisms begin to die. Insufficient dissolved oxygen prevents aerobic life from surviving in the water system.
Q2: What is the Azide-Winkler titration method used for?
The Azide-Winkler titration method is a standard test that quantifies dissolved oxygen concentration in water samples. Sodium thiosulfate is used to titrate iodine, which is stoichiometrically related to the amount of dissolved oxygen present. This method allows direct measurement of dissolved oxygen in field or laboratory settings.
Q3: How does eutrophication create dead zones in water bodies?
Eutrophication introduces excess nutrients, causing rapid algae growth into dense mats called algal blooms. These mats block gas exchange and sunlight, reducing dissolved oxygen and killing aerobic organisms. Decomposition of dead organic matter further depletes oxygen, and mobile species like fish migrate away, leaving a dead zone with no aerobic life.
Q4: What dissolved oxygen levels are needed to support aquatic life?
Most aquatic species require at least 6 mg/L dissolved oxygen to thrive. Levels below 4 mg/L stress aquatic animals and reduce biodiversity. Water with less than 2 mg/L cannot support aerobic aquatic life. Saturation ratings range from excellent (91-110%) to poor (below 50%), depending on water temperature.
Q5: What are the key steps in performing the Azide-Winkler titration procedure?
Collect water in a BOD bottle and add manganese sulfate and alkaline iodide-azide reagent at the field site. Transport the sealed, fixed sample to the lab. Add sulfuric acid to dissolve the precipitate, then titrate with standardized sodium thiosulfate until the blue starch indicator turns colorless. The volume of thiosulfate used is proportional to dissolved oxygen concentration.
Q6: How can monitoring dissolved oxygen help protect aquatic ecosystems?
Dissolved oxygen monitoring indicates ecosystem health and helps identify rapid changes that may threaten protected or endangered species. Fish farm managers use dissolved oxygen testing to select suitable sites and track water quality. If levels drop significantly, management interventions such as reducing fertilizer use, improving wastewater treatment, and preserving wetlands can restore ecosystem balance.
Q7: What alternative methods exist for measuring dissolved oxygen besides titration?
Handheld LabQuest monitors with dissolved oxygen and temperature probes provide direct field measurements in mg/L. The probe is submerged and circulated slowly through the sample to avoid consuming oxygen locally. When readings stabilize, the value is recorded, offering a faster alternative to the Azide-Winkler titration method.