Питательные вещества в водных экосистемах

Азот и фосфор являются важными питательными веществами для растений, обнаруженными в водных экосистемах, однако в избыточных количествах они могут вызвать значительные проблемы с качеством воды. Азот и фосфор в воде обычно встречаются в формах нитратов и фосфатов соответственно. Оба питательных вещества растворяются в воде и легко поглощаются фотосинтезаторами, такими как водоросли.

Нитраты и фосфаты попадают в водные системы через сток пресной воды из очистных сооружений, удобренных газонов и сельскохозяйственных угодий, неисправных септических систем и сброса промышленных отходов. В избыточных количествах оба питательных вещества могут вызвать увеличение роста водных растений и цветение водорослей, называемое эвтрофикацией. Эти цветущие водоросли живут у поверхности воды, чтобы легко получить доступ к кислороду и солнечному свету.

В результате эвтрофикация препятствует доступу солнечного света и кислорода в воздухе для более низкого уровня воды. Когда водоросли умирают, они опускаются в более низкие уровни воды и разлагаются, потребляя кислород в более глубоких водах, вызывая гипоксию или низкий уровень растворенного кислорода. Лишенная кислорода и отрезанная от снабжения, глубокая вода становится мертвой зоной. В результате рыбы и другие организмы умирают в огромных количествах. Мертвые зоны широко распространены в Мировом океане и озерах, преимущественно в густонаселенных городских районах.

В этом видео будет представлена методология измерения концентраций нитратов и фосфатов в поверхностных водах, а также продемонстрируются измерения в лаборатории.

Азот в воде указывается в терминах «нитрат как-азот». Фраза «нитрат как азот» относится к количеству азота в нитратной форме. Таким образом, концентрация нитрата как азота может быть преобразована в концентрацию нитратов с использованием соотношения молекулярных масс азота и нитрата.

Концентрация нитратов измеряется с помощью метода восстановления кадмия. Металлический кадмий восстанавливает нитраты до нитритов, затем ионы нитритов вступают в реакцию с сульфаниловой кислотой с образованием промежуточной соли диазония. Затем соль диазония соединяется с гентизиновой кислотой и образует соединение янтарного цвета. Чем темнее янтарный цвет, тем выше концентрация нитратов в образце.

Концентрация фосфора в пробах воды сообщается аналогично, с точки зрения количества фосфора в фосфатной форме. Преобразование между концентрацией фосфатов и концентрацией фосфатов как фосфора может быть легко выполнено с использованием молекулярной массы. Фосфаты присутствуют в воде во многих различных конформациях. Все фосфаты должны быть сначала преобразованы в ортофосфаты путем гидролиза путем нагревания образцов кислотой и персульфатом калия.

Для расчета концентрации ортофосфата используется метод аскорбиновой кислоты/молибдата. Ортофосфаты реагируют с молибдатом натрия в кислых условиях с образованием комплекса фосфат/молибдат. Затем аскорбиновая кислота используется для уменьшения комплекса, получая продукт синего цвета. Для количественной оценки интенсивности цвета, производимой реагентом в обоих экспериментах, используется колориметр для измерения количества света, поглощенного цветными веществами. Затем поглощение преобразуется в концентрацию.

В следующем эксперименте будет продемонстрирован анализ концентраций нитратов и фосфатов в пробах воды с использованием предварительно смешанных пакетов реагентов для выполнения этого колориметрического метода.

Чтобы начать измерение азота, найдите программу для нитратов на колориметре и введите соответствующий номер программы или установите колориметр на измерение на 420 нм. Отмерьте 10 мл пробы воды, нанесите пипетку в пробирку для проб и пометьте пробирку. Подготовьте вторую такую же трубку и пометьте ее как заготовку.

Добавьте содержимое одного предварительно смешанного пакета реагентов методом восстановления кадмия в пробирку с образцом. Закройте обе пробирки с образцами. Начните отсчитывать время реакции реагента в 1 минуту. Энергично встряхните пробирку рукой до полного времени реакции.

Опустите трубку и начните второй 5-минутный период реакции, чтобы кадмий восстановил азот. Когда период реакции закончится, протрите обе пробирки безворсовым бумажным полотенцем.

Поместите пробирку с образцом без реагента, помеченную как заготовку, в колориметр. Убедитесь, что метки не мешают световому пути. Плотно накройте ячейку колпачком прибора, чтобы весь окружающий свет не попадал в камеру для образца.

Откалибруйте колориметр с заготовкой на 0,0 мг/л нитрата в азоте. Извлеките пустую пробирку и поместите пробирку с образцом в держатель для образцов, а затем установите на место колпачок прибора. Измерьте поглощение образца и отобразите концентрацию нитрата в виде азота в образце.

Измерение фосфора в пробе воды аналогично измерению азота. Сначала отмерьте 5 мл пробы воды и направьте ее пипеткой в пробирку для пробы. Добавьте содержимое одной предварительно смешанной порошковой подушки с персульфатом калия для фосфоната в пробирку с образцом.

Плотно закройте тюбик крышкой и встряхните, чтобы порошок растворился. Наклейте этикетку на верхнюю часть крышки. Поместите трубку в реактор в колпак и нагревайте в течение 30 минут при 150 °C. После нагрева извлеките трубку из реактора, поместите ее в решетку для труб и дайте ей остыть до комнатной температуры.

Затем отрегулируйте pH, добавив 2 мл 1,54 М гидроксида натрия в пробирку с образцом. Закройте тюбик крышкой и перемешайте. Найдите на колориметре номер программы для фосфата и введите номер программы или настройте спектрофотометр на измерение поглощения на длине волны 880 нм.

Очистите пробирку с образцом безворсовой салфеткой и загрузите пробирку в колориметр. Убедитесь, что метки не мешают световому пути в приборе. Наденьте крышку на прибор и выполните калибровку, используя непрореагировавший образец в качестве заготовки.

Извлеките пробирку из прибора и добавьте в пробирку содержимое предварительно смешанного пакета реагента методом аскорбиновой кислоты. Плотно закройте тюбик крышкой и встряхните тюбик, чтобы перемешать. Поместите пробирку в штатив и запустите 2-минутный период реакции с помощью таймера.

По истечении периода реакции цвет раствора должен стать синим. Очистите трубку снаружи безворсовым бумажным полотенцем. Поместите пробирку в прибор так, чтобы все метки были удалены от светового пути.

Закройте крышку камеры для образцов и нажмите кнопку READ. Результаты будут показаны в мг/л. При использовании спектрофотометра измерьте поглощение образца на длине волны 880 нм.

В этом эксперименте концентрации нитратов и фосфатов в притоке столичной реки сравнивались на 5 различных участках отбора проб.

Чистая речная вода обычно содержит от 0 до 1 мг/л нитрат-азота и от 0 до 0,03 мг/л фосфат-фосфора. Концентрации от 3 до 5 мг/л нитрат-азота и от 0,03 до 0,1 мг/л фосфат-фосфора считаются высокими, а выше этих диапазонов считаются эвтрофными.

Уровни нитратов и фосфатов были высокими в 3 из 5 мест отбора проб. Аналогичным образом, средние концентрации нитратов и фосфатов сравнивались до и после станции очистки воды. При измерении на входе отображается неочищенная вода, а при измерении на выходе — сток из очистных сооружений.

Последующие измерения показали низкий уровень фосфатов из-за удаления органического материала в процессе обработки. Однако средние концентрации нитратов были выше ниже по течению, что указывает на возможное поступление нитратов вблизи зоны сброса, возможно, из удобрений для газонов.

Понимание содержания питательных веществ в стоках воды и его влияния на морскую флору и фауну чрезвычайно важно для сохранения наших природных экосистем.

В следующем примере морские микроорганизмы изучались в отдаленных средах, таких как рифы. Эти результаты могут помочь пролить свет на изменение популяций микробов из-за концентрации нитратов и результирующего цветения водорослей.

Пробы воды собирались в контейнерах, которые закрыты от внешней среды для предотвращения загрязнения. Микробы собирали на фильтре размером 0,22 мкм. Анализ отфильтрованной воды проводился на предмет выявления неорганических примесей. Метагеномный анализ показал, что перенос микробного генетического материала положительно коррелирует с концентрацией нитратов.

Для борьбы с эвтрофикацией важно понимать сток почвы, а также судьбу и перенос загрязняющих веществ в почве. В следующем примере было смоделировано количество осадков и изучена судьба загрязняющих веществ в почве. Ящики с почвой были заполнены почвой, содержащей интересующие загрязнители, в данном случае мочевину, распространенную форму азотных удобрений. Фосфорсодержащие молекулы могут быть изучены с помощью той же процедуры. Выпадение осадков было смоделировано в различных условиях, а также собран и проанализирован сток.

Как и в предыдущем примере, сток можно изучать и на открытом воздухе в естественной среде. Здесь в городской местности был построен исследовательский центр по исследованию стоков. Была построена подпорная стена для предотвращения загрязнения стоков в другие районы и обеспечения контролируемого сбора воды. Участки также были разделены, чтобы предотвратить боковое движение воды. Исследования стока воды проводились с использованием ирригационных систем. Был собран сток воды и проведен химический анализ для определения загрязняющих веществ в воде.

Вы только что посмотрели введение JoVE в анализ питательных веществ в воде в поверхностных водах. Теперь вы должны понять проблемы, связанные со стоком воды и эвтрофикацией, а также то, как измерять содержание питательных веществ в пробах воды. Спасибо за просмотр!