Overview
Quelle: Labors von Margaret Workman und Kimberly Frye - Depaul University
Stickstoff und Phosphor sind wichtige Pflanzennährstoffe in aquatischen Ökosystemen gefunden und beide werden als Teil der Wasser-Qualitätsprüfung überwacht, da überschüssige Mengen sie bedeutende Wasser Qualitätsprobleme verursachen können.
Stickstoff im Wasser wird als das gemeinsame Form Nitrat (NO3–) gemessen, das in Wasser aufgelöst und bereitwillig aufgesogen durch Photosynthesizers wie Algen. Die verbreitete Form von Phosphor gemessen wird Phosphat (PO43-), die ist stark angezogen Trubstoffe als auch in Wasser aufgelöst. In überschüssigen Mengen, beide Nährstoffe können zu einem Anstieg der aquatischen Pflanzenwachstum (Algenblüte, Abbildung 1), die das Licht, Temperatur und Sauerstoff Niveaus im Wasser unten und führen zu einer Eutrophierung und Hypoxie (niedrige gelöstem Sauerstoff im Wasser) stören können bilden eine "Tote Zone" keine biologische Aktivität. Quellen von Nitrat und Phosphor sind Kläranlagen, Abfluss von gedüngten Wiesen und Ackerland, fehlerhafte septische Systeme, tierischer Dünger Abfluss und industriellen Abfallentsorgung.
Abbildung 1. Algenblüte
Aufgenommen im Jahr 2011, wurde der grünen Schaum in diesem Bild gezeigt die schlimmsten Algenblüte, die Lake Erie in Jahrzehnten erlebt hat. Rekord sintflutartigen Frühlingsregen gewaschen Dünger in den See, das Wachstum von Cyanobakterien Blüten produzieren Microcystin. Lebendige grüne Fäden erstrecken sich vom Nordufer.
Principles
Nitrat und Phosphat-Konzentrationen können in Wasserproben mit bekannten chemischen Reagenzien, die dazu führen, die Probe dass, wenn in Anwesenheit eines bestimmten Nährstoffs mit zunehmenden Farbintensität zeigt eine erhöhte Konzentration des Nährstoffs Farbwechsel gemessen werden. Um die Freisetzung von Phosphat-Moleküle zu gewährleisten, die zu Ablagerungen im Wasser verklebt werden, sind Phosphor Proben chemisch und bei Hitze freizugebende Phosphatbindungen für ein gewisses Maß an Gesamt-Phosphat in der Probe verdaut.
Um die Farbintensität, produziert durch das Reagenz zu quantifizieren, wird einem Spektrophotometer verwendet, um die spezifische Wellenlänge des Lichtes zu messen, die jede Farbe verursacht durch die Nährstoffe und ihre Reagenzien (Nitrate Bernstein; Phosphate blau) entspricht. Das Spektralphotometer sendet dann einen Lichtstrahl durch jede Probe, die Lichtmenge zu messen, die durch die Farbe (Extinktion) absorbiert wird. Je dunkler die Farbe, desto höher die Extinktion. Das Spektralphotometer wandelt dann die Absorption zu einer angezeigten Nährstoff Konzentration (mg/L) anhand bekannter Konzentration Assays.
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Procedure
1. Messen Stickstoff in Probe
- Spektralphotometer finden Sie das Programm für Nitrat (mit manueller oder Instrument Benutzermenü) und geben Sie die Programmnummer.
- Pipette 10 mL der Wasserprobe in eines der Probenröhrchen. Gießen Sie dies in einer der die Probenröhrchen.
- Wiederholen Sie für eine zweite Probenröhrchen.
- Fügen Sie den Inhalt von einem Nitrat Reagenz Pulver Kissen in ein Probenröhrchen.
- Beiden Probenröhrchen Kappe.
- Das Spektralphotometer drücken Sie Timer und geben Sie um eine Reaktionszeit für das Reagenz zu starten. Schütteln Sie die Probe kräftig, bis die Reaktionszeit ist vorbei und Timer Signaltöne. Probe wird beginnen sich zu drehen Bernstein.
- Drücken Sie die Eingabetaste. Eine zweite 5-min Reaktion beginnt.
- Nachdem der Timer zum zweite Mal piept, wischen Sie die Außenseite der beiden Probenröhrchen mit einem fusselfreien Papiertuch.
- Legen Sie das Probenröhrchen ohne Reagenz (leer) Schlauch in das Spektrophotometer.
- Decken Sie eng die Zelle mit der Instrument-Kappe um sicherzustellen, dass Umgebungslicht blockiert wird.
- Das Spektralphotometer zur Lesung von 0,0 mg/L keine3-N. auf Null
- Entfernen Sie die leere Zelle und legen Sie die Sample-Zelle mit Reagenz in der Küvettenhalter. Decken Sie eng die Sample-Zelle mit der Instrument-Kappe.
- Presse zu lesen. Der Cursor wird auf der rechten Seite, dann die Ergebnisse in mg/L, die keine3-N angezeigt wird.
2. Maßnahme Phosphor in Probe
- 5,0 mL der Wasserprobe mit einer Pipette abmessen.
- Gießen Sie gemessene Wasser in ein Probenröhrchen.
- Fügen Sie den Inhalt von einem Kalium bleichen Pulver Kissen zum Phosphonat an das Probenröhrchen.
- Röhrchen Sie das fest und schütteln Sie, sich aufzulösen.
- Beschriften Sie die Oberseite der Röhre GAP und legen Sie das Rohr in eine COD-Reaktor (in einer chemischen Haube) und Wärme für 30 min.
- Legen Sie sie in einem Reagenzglas Gestell und auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
- Messen Sie mit einem Messzylinder, 2 ml 1,54 N Natronlauge.
- Gießen Sie dies in das Probenröhrchen. Kappe und mischen.
- Spektralphotometer finden Sie die Programmnummer für Phosphat (mit manueller oder Instrument Benutzermenü) und geben Sie die Programmnummer.
- Reinigen Sie die Außenseite des Probenröhrchens mit einem fusselfreien Papiertuch.
- Legen Sie das Reagenzglas, so dass es mit Blick auf die Vorderseite des Gerätes ist.
- Setzen Sie den Deckel auf dem Teströhrchen.
- Reagenzglas herausnehmen Sie und fügen Sie den Inhalt der gekauften Reagenz Pulver Kissen für die Ascorbinsäure-Methode.
- Fest verschließen und für 10-15 s schütteln.
- Drücken Sie Timer und geben Sie dann. Eine 2-min Wartezeit beginnt.
- Nachdem der Timer piept, reinigen Sie die Außenseite des Reagenzglases mit einem fusselfreien Papiertuch.
- Legen Sie das Reagenzglas in das Instrument mit dem Logo auf der Vorderseite des Instruments.
- Setzen Sie den Deckel über das Reagenzglas.
- Presse zu lesen. Das Display zeigt die Ergebnisse in mg/L.
Stickstoff und Phosphor sind wesentliche Pflanze fand Nährstoffe in aquatischen Ökosystemen, jedoch in überschüssigen Mengen sie bedeutende Wasser Qualitätsprobleme verursachen können. Stickstoff und Phosphor in Wasser sind in der Regel in Form von Nitrat und Phosphat, bzw. gefunden. Beide Nährstoffe sind in Wasser aufgelöst und sind leicht vom Photosynthesizers wie Algen aufgenommen.
Nitrate und Phosphate geben Sie Wasser-Systeme durch Frischwasser Abfluss von Kläranlagen, gedüngten Wiesen und Ackerland, fehlerhaft septische Systeme und industriellen Abfallentsorgung. In überschüssigen Mengen können beide Nährstoffe eine Zunahme Wasserpflanze Wachstum und Algenblüten, genannt Eutrophierung verursachen. Diese Algenblüten Leben an der Wasseroberfläche, um Sauerstoff und Sonnenlicht bequem.
Dadurch wird verhindert, dass Eutrophierung niedriger Wasserstände vor Zugriffen auf Sonnenlicht und Sauerstoff in der Luft. Wenn die Algen sterben, sie versinken in die niedrigere Wasserstände und zersetzen, Sauerstoff im tieferen Wasser verursachen Hypoxie oder niedrig aufgelöste Sauerstoffniveaus verbrauchen. Verhungert Sauerstoff und vom Nachschub abgeschnitten, wird das Tiefenwasser eine tote Zone. Infolgedessen sterben Fische und andere Organismen in großer Zahl. Tote Zonen sind in Meeren und Seen, vor allem in dicht besiedelten städtischen Gebieten der Welt verbreitet.
Dieses Video wird der Methodik zur Messung Nitrat und Phosphat-Konzentrationen in Oberflächengewässern vorstellen und zeigen die Messungen im Labor.
Stickstoff im Wasser wird berichtet in Bezug auf "Nitrat als Stickstoff". Die Phrase "Nitrat als Stickstoff" bezieht sich auf die Menge an Stickstoff in Form von Nitrat. Daher kann die Konzentration von Nitrat als Stickstoff umgewandelt werden, um Nitrat-Konzentration über das Verhältnis der Molmassen von Stickstoff und Nitrat.
Nitrat-Konzentration wird anhand der Cadmium-Reduktionsmethode. Das Kadmium-Metall reduziert das Nitrat zu Nitrit, dann Nitrit-Ionen reagieren mit Sulfanilic Säure zu einem mittleren Diazonium Salzes. Das Diazonium Salz dann Paare mit Gentisic Säure und bildet eine bernsteinfarbene Verbindung. Je dunkler Bernsteinfarbe, je höher die Konzentration von Nitrat in der Probe.
Die Konzentration von Phosphor in Wasserproben wird in ähnlicher Weise in Bezug auf die Menge an Phosphor im Phosphatform berichtet. Die Umrechnung zwischen Phosphat-Konzentration und Phosphat als Phosphorkonzentration kann leicht mit Molekulargewicht abgeschlossen werden. Phosphate sind in vielen verschiedenen Konformationen im Wasser vorhanden. Alle Phosphate müssen zuerst zu Orthophosphaten durch Hydrolyse durch Erhitzen von Proben mit Säure und Kalium bleichen konvertiert werden.
Die Ascorbinsäure/Molybdat-Methode dient zur Berechnung von Orthophosphat Konzentration. Orthophosphaten reagieren mit Natrium Molybdat in sauren Bedingungen, ein Phosphat/Molybdat-Komplex zu produzieren. Ascorbinsäure dient dann zur Verringerung der Komplex, ein blaue farbige Produkt herzustellen. Zur Quantifizierung der Farbintensität, produziert durch das Reagenz in beiden Experimenten ein Colorimeter wird verwendet, um die Menge des Lichtes zu messen von den farbigen Arten aufgenommen. Die Extinktion wird dann in Konzentration umgewandelt.
Das folgende Experiment zeigen die Analyse von Nitrat und Phosphat-Konzentrationen in Wasserproben mit vorgemischt Reagenz Pakete um diese farbmetrischen Technik.
Um die Stickstoff-Messung zu beginnen, finden Sie das Programm für Nitrat auf die Colorimeter und geben Sie die entsprechende Programm-Nummer oder das Kolorimeter zur Messung bei 420 nm. Messen Sie 10 mL Wasserprobe, Pipettieren in ein Probenröhrchen und beschriften Sie das Rohr. Bereiten Sie eine zweite identische Röhre, und bezeichnen Sie es als Rohling.
Fügen Sie den Inhalt einer vorgemischten Cadmium Reduktion Methode Reagenz Pakete in das Probenröhrchen. Beiden Probenröhrchen Kappe. Beginnen Sie mit der Zeitmessung 1 min. Reaktionszeit für das Reagenz. Schütteln Sie kräftig, das Rohr von hand bis die Reaktionszeit abgeschlossen ist.
Das Rohr nach unten und eine zweite 5-min. Reaktionszeit ermöglicht das Cadmium, Stickstoff zu reduzieren. Wenn die Reaktionszeit vorbei ist, wischen Sie beide Rohre mit einem fusselfreien Papiertuch reinigen.
Legen Sie das Probenröhrchen mit keine Reagenz, mit der Bezeichnung des Rohlings in die Colorimeter. Sicherstellen Sie, dass keine Etiketten mit den Lichtweg stören. Decken Sie eng die Zelle mit der Instrument-Kappe um sicherzustellen, dass alle Umgebungslicht von der Probenkammer blockiert wird.
Kalibrieren Sie die Colorimeter mit Rohling für eine Lesung von 0,0 mg/L Nitrat als Stickstoff. Entfernen Sie die leere Röhre legen Sie das Probenröhrchen in der Probenhalter und die Verschlusskappe wieder Instrument. Die Absorption der Probe zu messen, und die Konzentration von Nitrat als Stickstoff in der Probe angezeigt.
Die Messung von Phosphor in einer Wasserprobe ist ähnlich wie bei der Messung von Stickstoff. Erste, Maßnahme 5 mL der Wasserprobe und Pipettieren in einer Probe tube. Fügen Sie den Inhalt einer vorgemischten Kalium bleichen Pulver Kissen für Phosphonat an das Probenröhrchen.
Röhrchen Sie das fest und schütteln Sie, um das Pulver aufzulösen. Beschriften Sie die Oberseite der GAP. Legen Sie das Rohr in den Reaktor in eine Kapuze und Wärme für 30 min bei 150 ° C. Nach dem erhitzen, entfernen Sie den Schlauch aus dem Reaktor, legen Sie es in einem Rack Rohr und auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
Stellen Sie als nächstes den pH-Wert durch Zugabe von 2 mL 1,54 M Natronlauge in das Probenröhrchen. Die Röhrchen und mischen. Auf die Colorimeter suchen Sie die Programmnummer für Phosphat und geben Sie die Programmnummer oder setzen das Photometer zur Messung der Extinktion bei 880 nm.
Reinigen Sie das Probenröhrchen mit einem fusselfreien Tuch und laden Sie das Reagenzglas in die Colorimeter. Stellen Sie sicher, dass der Lichtweg im Gerät keine Etiketten stören. Setzen Sie den Deckel auf dem Instrument, und kalibrieren mit nicht umgesetztes Beispiel als Rohling.
Entfernen Sie den Schlauch vom Gerät zu, und fügen Sie den Inhalt eines vorgemischten Ascorbinsäure Methode Reagenz Pakets in das Teströhrchen. Röhrchen Sie das fest und schütteln Sie das Rohr zu mischen. Legen Sie das Rohr in einem Rack und initiieren Sie eine Reaktionszeit von 2 min mit Hilfe eines Timers.
Nach Ablauf der Reaktionszeit sollte die Lösung Farbe blau sein. Reinigen Sie die Außenseite des Rohres mit einem Fussel freien Papiertuch. Legen Sie das Reagenzglas in das Instrument mit allen Etiketten aus dem Strahlengang.
Schließen Sie die Probe Deckel und drücken Sie die Schaltfläche "lesen". Die Ergebnisse werden angezeigt in mg/L. Mit einem Spektralphotometer misst die Extinktion der Probe bei 880 nm.
An 5 unterschiedlichen Standorten in diesem Experiment wurden die Konzentrationen von Nitrat und Phosphat in einem großstädtischen Fluss Zweig verglichen.
Saubere Flusswasser enthält in der Regel 0, 1 mg/L Nitrat-Stickstoff und 0 bis 0,03 mg/L Phosphat-Phosphor. Konzentrationen zwischen 3 bis 5 mg/L Nitrat-Stickstoff und 0,03 bis 0,1 mg/L Phosphat-Phosphor ist als hoch, und über diese Bereiche als eutroph.
Die Nitrat- und Phosphatwerte waren in 3 der 5 Proben lagen hoch. Ebenso wurden durchschnittliche Nitrat- und Phosphat-Konzentrationen im Vergleich stromaufwärts und stromabwärts eine Wasseraufbereitungsanlage. Die vorgelagerten Messung stellt Rohwasser, während die nachgelagerte Messung Abfluss aus der Kläranlage.
Die nachgeschaltete Messung war wenig Phosphate durch die Entfernung von organischem Material während des Behandlungsprozesses. Jedoch lagen durchschnittlich Nitratkonzentrationen flussabwärts, zeigt mögliche Nitrat Eingänge in der Nähe der Entlastung, möglicherweise von Rasendünger.
Verständnis der Nährstoffgehalt der Wasserabfluss und seine daraus resultierenden Auswirkungen auf marine Pflanzenwelt ist äußerst wichtig für die Erhaltung unserer natürlichen Ökosysteme.
Im folgenden Beispiel wurden marine Mikroorganismen in remote-Umgebungen wie Riffe untersucht. Diese Ergebnisse können helfen, aufzuklären, mikrobielle Populationen aufgrund Nitratkonzentrationen und die daraus resultierende Algenblüte ändern.
Wasserproben wurden in Containern, die abgeriegelt werden gesammelt, auf das äußere Umfeld um Kontaminationen zu vermeiden. Mikroben wurden gesammelt auf einen 0,22-μm-Filter. Das gefilterte Wasser wurde analysiert, um anorganische Verunreinigungen untersuchen. Metagenomischen Analyse ergab, dass die Übertragung des mikrobiellen genetischen Materials positiv mit Nitrat-Konzentration korreliert war.
Um Eutrophierung zu bekämpfen, ist es wichtig zu verstehen, Boden-Ablauf und das Schicksal und der Transport von Schadstoffen im Boden. Im folgenden Beispiel Niederschlag wurde simuliert, und das Schicksal von Schadstoffen im Boden untersucht. Boden-Boxen waren voller mit Schadstoffen im Boden von Interesse, in diesem Fall Harnstoff, eine häufige Form von Stickstoff-Dünger. Phosphor-haltige Moleküle können mit dem gleichen Verfahren untersucht werden. Niederschlag wurde unter verschiedenen Bedingungen simuliert, und der Abfluss gesammelt und analysiert.
Ähnlich wie das letzte Beispiel kann Abfluss auch im Freien in natürlichen Umgebungen untersucht werden. Hier wurde eine Stichwahl Forschungseinrichtung in einem städtischen Gebiet errichtet. Eine Stützmauer errichtet Abfluss auf andere Bereiche zu verhindern, und kontrollierte Wassergewinnung ermöglichen. Plot Bereiche wurden als auch getrennt, um seitliche Wasserbewegung zu verhindern. Wasser wurden Abfluss Studien mit Bewässerungssystemen. Wasserabfluss wurde gesammelt und eine chemische Analyse abgeschlossen, um Verunreinigungen im Wasser zu bestimmen.
Sie habe nur Jupiters Einführung Nährstoff Analyse im Oberflächenwasser Wasser beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die Herausforderungen im Zusammenhang mit Wasserablauf und Eutrophierung und Nährstoffgehalt in Wasserproben zu messen. Danke fürs Zuschauen!
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Results
Abbildung 2. Diagramm Nitrat zwischen verschiedenen Gebrauch Grundstücksarten (unbebaut, landwirtschaftlichen und städtischen) zu vergleichen.
Durchschnittlichen Nitratkonzentrationen im Vergleich vor- und nachgelagerten aus einer Wasseraufbereitungsanlage (Abbildung 3). Die nachgeschaltete Messung stellt die Entlastung von der Behandlung.
Abbildung 3. Durchschnittliche Nitratkonzentrationen im Vergleich vor- und nachgelagerten aus einer Wasseraufbereitungsanlage. Die nachgeschaltete Messung stellt die Entlastung von der Behandlung.
Abbildung 4. Grafische Darstellung der Phosphor zu verschiedenen Orten entlang des Chicago River.
Durchschnittliche Phosphat-Konzentrationen im Vergleich vor- und nachgelagerten aus einer Wasseraufbereitungsanlage (Abbildung 5). Die nachgeschaltete Messung repräsentieren die Entlastung von der Behandlung.
Abbildung 5. Durchschnittliche Phosphat-Konzentrationen im Vergleich vor- und nachgelagerten aus einer Wasseraufbereitungsanlage. Die nachgeschaltete Messung repräsentieren die Entlastung von der Behandlung.
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Applications and Summary
Hohe Konzentrationen von Nitrat und Phosphor können Eutrophe Bedingungen im Wasser verursachen Algenblüte, die negative Auswirkungen auf andere Wasser-Qualitätsfaktoren einschließlich gelöster Sauerstoff, Temperatur und andere Indikatoren zu stimulieren. Überschüssige Nitrat kann zu hypoxischen Wasser (niedrige Niveaus des gelösten Sauerstoffs) nicht mehr in der Lage, aeroben Leben schaffen eine "Tote Zone", wo nicht-mobilen Arten Masse sterben-offs und mobile Arten zu anderen Gewässern wegziehen zu unterstützen. Tote Zonen ereignen sich weltweit in den Küstenregionen, wo große Mengen an qualitativ-Nährstoff-Abfluss und Abwasser konvergieren, und das Leben im Wasser ist den meisten, hochkonzentriert (Abbildung 6). Zwei der größten Todeszonen befinden sich in der lange, durchschnittlich 49.000 km2 Wasser weniger als 2 mg/L gelösten Sauerstoff enthalten, und im nördlichen Golf von Mexiko mit einer toten Zone gemessen am 17.353 km2.
Abbildung 6. Toten Meereszonen weltweit
Rote Kreise zeigen die Position und Größe der vielen toten Zonen. Schwarze Punkte zeigen Tote Zonen von unbekannter Größe. Dunkler Blues in diesem Bild zeigen höhere Konzentrationen an organischen Partikel, ein Hinweis auf die übermäßig fruchtbare Gewässer, die in Todeszonen münden können. Die Größe und die Anzahl der Toten Meereszonen – Gebieten, wo das tiefe Wasser so niedrig, in ist, gelöster Sauerstoff, die Meeresbewohner nicht überleben können – sind explosionsartig in der Vergangenheit halben Jahrhundert gewachsen. Es ist kein Zufall, dass tote Zonen flussabwärts der Orte auftreten, wo menschliche Bevölkerungsdichte hoch ist (dunkelsten braun).
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