Overview
Fuente: Laboratorios de Margaret obrero y Kimberly Frye - Universidad de Depaul
Nitrógeno y fósforo son nutrientes esencial para las plantas encontradas los ecosistemas acuáticos y ambos son monitoreados como parte de la prueba de la calidad del agua porque en cantidades excesivas puede causar importante de agua problemas de calidad.
Nitrógeno en el agua se mide como el nitrato de forma común (3–) que es disuelto en agua y fácilmente absorbido por photosynthesizers como algas. La forma común de fósforo medido es fosfato (PO43 -), que es fuertemente atraído por las partículas de sedimento así como disuelto en agua. En cantidades excesivas, ambos nutrientes pueden causar un aumento en el crecimiento de plantas acuáticas (algas floración, figura 1) que puede alterar los niveles de luz, temperatura y oxígeno en el agua abajo y llevar a la eutrofización e hipoxia (bajo oxígeno disuelto en el agua) formando una «zona muerta» de ninguna actividad biológica. Fuentes de nitratos y fósforo incluyen plantas de tratamiento de aguas residuales, la escorrentía de césped fertilizado y tierras agrícolas, sistemas sépticos defectuosos, escurrimiento de estiércol animal y descarga de residuos industrial.
Figura 1. Algales
Tomada en 2011, la espuma verde que se muestra en esta imagen era la floración de algas peor que Lago Erie ha experimentado en décadas. Registro resorte torrenciales lluvias lavaron el fertilizante en el lago, promoviendo el crecimiento de microcistina producir floraciones de cianobacterias. Filamentos verdes vibrantes se extienden desde la costa norte.
Principles
Concentraciones de nitrato y fosfato pueden medirse en muestras de agua mediante reactivos químicos conocidos que causan la muestra cambiar de color en presencia de un nutriente específico, con cada vez mayor intensidad de color que indica una mayor concentración de los nutrientes. Para asegurar la liberación de cualquier fosfato moléculas que estén adheridos a sedimentos en el agua, las muestras de fósforo son digeridas químicamente y con calor para liberar bonos de fosfato para una medida de fosfato total en la muestra.
Para cuantificar la intensidad del color producida por el reactivo, se utiliza un espectrofotómetro para medir la longitud de onda específica de luz que corresponde con cada color causada por los nutrientes y sus reactivos (ámbar de nitratos, fosfatos azul). El espectrofotómetro luego envía un haz de luz a través de cada muestra para medir la cantidad de esa luz que es absorbida por el color (absorbancia). Más oscuro el color, mayor será la absorbancia. El espectrofotómetro convierte entonces la absorbancia en una muestra concentración de nutrimentos (mg/L) basada en ensayos de concentración conocida.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. medida de nitrógeno en la muestra
- En el espectrofotómetro, encontrar el programa para el nitrato (con el manual o instrumento de menú) y escriba el número de programa.
- Pipetear 10 mL de la muestra de agua en uno de los tubos de muestras. Vierta esto en uno de los tubos de muestras.
- Repita para un segundo tubo de muestra.
- Añadir el contenido de una almohadilla de polvo de reactivo de nitrato a un tubo de muestra.
- Tapa los tubos de muestra.
- En el espectrofotómetro, pulse temporizador y enter para iniciar un período de reacción para el reactivo. Agitar la muestra vigorosamente hasta que el tiempo de reacción y los pitidos del temporizador. Muestra comenzará a ámbar.
- Pulse enter. Comenzará un período de reacción de segunda 5 min.
- Después de que el temporizador suene la segunda vez, limpie el exterior de los dos tubos de muestra con una toalla de papel sin pelusa.
- Coloque el tubo de muestra sin tubo (en blanco) en el espectrofotómetro.
- Cubrir bien el celular con la tapa del instrumento a la luz ambiental es bloqueada.
- No cero el espectrofotómetro para lectura de 0.0 mg/L3-N.
- Retire la celda en blanco y coloque la celda de muestra con el reactivo en el soporte de la célula. Cubrir bien la celda de muestra con la tapa del instrumento.
- Oprima leer. El cursor se moverá a la derecha, luego los resultados en mg/L que no3-N se mostrará.
2. medir fósforo en la muestra
- Medir a 5,0 mL de la muestra de agua con una pipeta.
- Vierta agua medido en un tubo de muestras.
- Añadir el contenido de una almohadilla de polvo persulfato de potasio para fosfonato al tubo de muestra.
- Cerrar herméticamente el tubo y agitar para disolver.
- Etiqueta de la parte superior de la tapa del tubo y coloque el tubo en un reactor de bacalao (en una campana química) y el calor durante 30 minutos.
- Colocar en una gradilla para tubos de prueba y deje que se enfríe a temperatura ambiente.
- Usando un cilindro graduado, medir 2 mL de hidróxido de sodio N 1.54.
- Vierta esto en el tubo de muestra. La tapa y mezcle.
- En el espectrofotómetro, encuentra el número de programa de fosfato (con el manual o instrumento de menú) y escriba el número de programa.
- Limpie el exterior del tubo de muestra con una toalla de papel sin pelusa.
- Coloque el tubo de ensayo que está mirando hacia el frente del instrumento.
- Coloque la tapa en el tubo de ensayo.
- Sacar el tubo de ensayo y añada el contenido de la almohada de polvo reactivo adquirido por el método de ácido ascórbico.
- La tapa firmemente y agitar durante 10-15 s.
- Pulsa el temporizador y escriba. Comenzará un período de espera de 2 minutos.
- Después de que el temporizador suene, limpie el exterior del tubo de ensayo con una toalla de papel sin pelusa.
- Coloque el tubo de ensayo en el instrumento con el logotipo hacia el frente del instrumento.
- Coloque la tapa sobre el tubo de ensayo.
- Oprima leer. La pantalla mostrará los resultados en mg/L.
Nitrógeno y fósforo son nutrientes encontraron en los ecosistemas acuáticos, sin embargo, en cantidades excesivas, pueden causar problemas de calidad de agua significativo esencial para las plantas. Nitrógeno y fósforo en el agua se encuentran normalmente en las formas de nitrato y fosfato, respectivamente. Ambos nutrientes se disuelven en agua y son fácilmente absorbidos por photosynthesizers como algas.
Nitratos y fosfatos entran en los sistemas de agua a través de la escorrentía de agua dulce de plantas de tratamiento de aguas residuales, césped fertilizado las tierras agrícolas, sistemas sépticos defectuosos y descarga de residuos industrial. En cantidades excesivas, ambos nutrientes pueden causar un aumento en el crecimiento de plantas acuáticas y las floraciones de algas, llamadas eutrofización. Estas floraciones de algas viven en la superficie del agua, con el fin de tener acceso fácilmente a la luz del sol y oxígeno.
Como resultado, eutrofización evita el agua niveles de acceso a la luz del sol y el oxígeno en el aire. Cuando las algas mueren, se hunden en los niveles más bajos de agua y se descomponen, consumen oxígeno en el agua más profundo causando hipoxia o niveles bajos de oxígeno disuelto. Privadas de oxígeno y cortado de reabastecimiento, las aguas profundas se convierte en una zona muerta. Como resultado, peces y otros organismos mueren en números masivos. Las zonas muertas son frecuentes en los océanos y lagos, principalmente en zonas urbanas altamente pobladas del mundo.
Este video será introducir la metodología para medición de nitratos y las concentraciones de fosfato en el agua superficial y demostrar las mediciones en el laboratorio.
Nitrógeno en el agua se divulga en términos de "nitrato como nitrógeno". La frase "nitrato como nitrógeno" se refiere a la cantidad de nitrógeno en forma nítrica. Por lo tanto, la concentración de nitrato como nitrógeno se puede convertir para concentración usando los cocientes de los pesos moleculares de nitrógeno y nitrato del nitrato.
La concentración de nitrato se mide utilizando el método de reducción de cadmio. El metal cadmio reduce los nitratos a nitritos, y luego los iones nitrito reaccionan con el ácido sulfanílico para formar una sal de diazonio intermedio. La sal de diazonio entonces parejas con ácido gentísico y forma un compuesto de color ámbar. Más oscuro el color ámbar, cuanto mayor sea la concentración de nitrato en la muestra.
La concentración de fósforo en muestras de agua se divulga de manera similar, en cuanto a la cantidad de fósforo en forma fosfato. La conversión entre la concentración de fosfato y la concentración de fosfato como el fósforo se puede completar fácilmente usando el peso molecular. Los fosfatos están presentes en el agua en muchas conformaciones diferentes. Todos los fosfatos deben convertirse primero a ortofosfatos a través hidrólisis mediante el calentamiento de las muestras con ácido y potasio persulfato.
El método de ácido ascórbico/molibdato se utiliza para calcular la concentración de ortofosfato. Ortofosfatos reaccionan con el molibdato de sodio en condiciones ácidas para producir un complejo de fosfato/molibdato. Ácido ascórbico se usa entonces para reducir el complejo, produciendo un producto coloreado azul. Para cuantificar la intensidad del color producida por el reactivo en ambos experimentos, se utiliza un colorímetro para medir la cantidad de luz absorbida por las especies coloreadas. La absorbancia se convierte entonces en concentración.
El siguiente experimento demostrará el análisis de nitrato y las concentraciones de fosfato en muestras de agua con premezclado paquetes de reactivo para realizar esta técnica colorimétrica.
Para comenzar la medición de nitrógeno, encuentra el programa de nitrato en el colorímetro y el número de programa correspondiente de entrada o establecer el colorímetro para medir en 420 nm. Medir 10 mL de la muestra de agua, pipeta en un tubo de muestra y el tubo de la etiqueta. Preparar un segundo tubo idéntico y etiquetarla como el espacio en blanco.
Agregar el contenido de un premezclado cadmio reducción método reactivo paquetes al tubo de muestras. Tapa los tubos de muestra. Comienza el periodo de 1 min de reacción para el reactivo de la sincronización. Agitar el tubo vigorosamente a mano hasta que se complete el tiempo de reacción.
Fijar el tubo de y comenzar un segundo período de reacción de 5 minutos para permitir que el cadmio reducir el nitrógeno. Cuando el período de reacción, limpie los tubos con una toalla de papel sin pelusa.
Coloque el tubo de muestra con ningún reactivo, etiquetado como el espacio en blanco, en el colorímetro. Asegúrese de que no hay etiquetas de interfieran en la trayectoria de la luz. Cubrir bien el celular con la tapa del instrumento para asegurar que se bloquea toda la luz ambiente de la cámara de muestra.
Calibre el colorímetro con el espacio en blanco para una lectura de nitrato de 0.0 mg/L como nitrógeno. Retire el tubo en blanco y coloque el tubo de muestra en el portamuestras y vuelva a colocar la tapa del instrumento. Medir la absorbancia de la muestra y muestra la concentración de nitrato como nitrógeno de la muestra.
La medición de fósforo en una muestra de agua es similar a la medición de nitrógeno. Primero, medir 5 mL de la muestra de agua y pipeta en una muestra de tubo. Añadir el contenido de una almohadilla de polvo premezclado potasio persulfato para fosfonato al tubo de muestra.
Cerrar herméticamente el tubo y agitar para disolver el polvo. Etiqueta de la parte superior de la tapa. Coloque el tubo en el reactor en una campana y calentar durante 30 min a 150 ° C. Tras el calentamiento, retire el tubo del reactor, colocar en una gradilla para tubos y deje que se enfríe a temperatura ambiente.
A continuación, ajustar el pH mediante la adición de 2 mL 1,54 M de hidróxido de sodio al tubo de muestras. Tapa el tubo y mezclar. En el colorímetro, localice el número de programa para el fosfato y escriba el número de programa o ajustar el espectrofotómetro para medir la absorbancia a 880 nm.
Limpie el tubo de muestra con una toallita libre de pelusas y cargar el tubo de ensayo en el colorímetro. Asegúrese de que no hay etiquetas de interfieran en la trayectoria de la luz en el instrumento. Coloque la tapa sobre el instrumento y calibrar utilizando la muestra como el blanco.
Retire el tubo del instrumento y añadir el contenido de un paquete de premezclado ácido ascórbico Método reactivo al tubo de ensayo. Cerrar herméticamente el tubo y agite el tubo para mezclar. Coloque el tubo en un estante e iniciar un período de 2 min de reacción mediante un temporizador.
Después de que el período de la reacción el color de la solución debe ser azul. Limpie el exterior del tubo con una toalla libre de pelusa. Coloque el tubo de ensayo en el instrumento con todas las etiquetas de fuera de la trayectoria de la luz.
Cierre la tapa de la cámara de muestra y presione el botón de lectura. Los resultados se mostrarán en mg/L. Si usando un espectrofotómetro mide la absorbancia de la muestra a 880 nm.
Se compararon las concentraciones de nitrato y fosfato en un rama del río Metropolitana en 5 sitios diferentes de la muestra en este experimento.
Agua de río limpia normalmente contiene de 0 a 1 mg/L de nitrato-nitrógeno y 0 a 0.03 mg/L de fosfato fósforo. Concentraciones de entre 3 a 5 mg/L de nitrato-nitrógeno y 0,03 a 0,1 mg/L de fosfato fósforo se considera alto y por encima de estos rangos considerados eutróficas.
Los niveles de nitrato y fosfato eran altos en 3 de los 5 sitios de muestreo. Del mismo modo, las concentraciones medias de nitrato y fosfato fueron en comparación con aguas arriba y aguas abajo de una planta de tratamiento de agua. La medida aguas arriba representa agua no tratada, mientras que la medición aguas abajo representa el escurrimiento de la planta de tratamiento.
La medida aguas abajo fue baja en fosfatos debido a la eliminación de materia orgánica durante el proceso de tratamiento. Sin embargo, concentraciones de nitratos promedio fueron más altas aguas abajo, indicando entradas nitrato posible cerca de la zona de descarga, posiblemente de fertilizante de césped.
Comprender el contenido de nutrientes de la escorrentía y su efecto resultante sobre la vida de la planta marina es muy importante a la preservación de nuestros ecosistemas naturales.
En el ejemplo siguiente, microorganismos marinos fueron estudiados en entornos remotos como los arrecifes. Estos resultados pueden ayudar a aclarar el cambio de poblaciones microbianas debido a concentraciones de nitratos y las floraciones algales resultantes.
Se recolectaron muestras de agua en recipientes que quedan cerrados al ambiente externo para prevenir la contaminación. Microbios se recolectaron en un filtro de 0,22 μm. El agua filtrada se analizó para examinar las impurezas inorgánicas. Análisis de metagenómica encontró que la transferencia de material genético microbiano se correlacionó positivamente con la concentración de nitrato.
Para combatir la eutroficación, es importante entender el escurrimiento del suelo y el destino y transporte de contaminantes en el suelo. En el ejemplo siguiente, lluvia fue simulada, y el destino de los contaminantes en el suelo estudiado. Cajas de suelo se llena de contaminantes que contienen suelo de interés, en este caso urea, una forma común de fertilizante nitrogenado. Con el mismo procedimiento se pueden estudiar las moléculas que contienen fósforo. Precipitación fue simulada bajo diferentes condiciones, y el escurrimiento recogidos y analizados.
Similar a la del último ejemplo, el escurrimiento también se puede estudiar al aire libre en entornos naturales. Aquí, un centro de investigación de escurrimiento fue construido en un área urbana. Se construyó un muro de contención para evitar la contaminación de la escorrentía a otras áreas y para permitir la recolección de agua controlada. Áreas de terreno fueron separadas, para evitar el movimiento lateral del agua. Se realizaron estudios de escurrimiento de agua utilizando sistemas de riego. Escurrimiento de agua fue recogido y completado un análisis químico para determinar contaminantes en el agua.
Sólo ha visto introducción de Zeus para análisis de nutrientes en el agua de la superficie del agua. Ahora debe comprender los problemas relacionados con el escurrimiento de agua y eutrofización y cómo medir el contenido de nutrientes en muestras de agua. ¡Gracias por ver!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
Figura 2. Gráfico de comparación de nitratos entre los tipos de uso de tierra diferentes (subdesarrollados, agrícolos y urbanos).
Concentraciones de nitrato promedio en comparación con aguas arriba y aguas abajo de una planta de tratamiento de agua (figura 3). La medida aguas abajo representa el cumplimiento del tratamiento.
Figura 3. Promedio de concentraciones de nitrato en comparación con aguas arriba y aguas abajo de una planta de tratamiento de agua. La medida aguas abajo representa el cumplimiento del tratamiento.
Figura 4. Gráfico de fósforo para diferentes lugares a lo largo del río Chicago.
Promedio de las concentraciones de fosfato en comparación con aguas arriba y aguas abajo de una planta de tratamiento de agua (figura 5). La medida aguas abajo representan el cumplimiento del tratamiento.
Figura 5. Promedio de las concentraciones de fosfato en comparación con aguas arriba y aguas abajo de una planta de tratamiento de agua. La medida aguas abajo representan el cumplimiento del tratamiento.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
Altas concentraciones de nitratos y fósforo pueden estimular condiciones eutróficas en el agua causando algales que afecte negativamente a otros factores de calidad de agua como oxígeno disuelto, temperatura y otros indicadores. Nitratos exceso pueden llevar al agua hipóxica (niveles bajos de oxígeno disuelto) ya no capaces de soportar vida aeróbica creando una "zona muerta", donde muertes masivas de especies no móviles y especies móviles alejar a otras aguas. Las zonas muertas están ocurriendo a nivel global en las regiones costeras donde convergen gran cantidad de nutrientes de alto escurrimiento y aguas residuales, y vida acuática es la más altamente concentrado (figura 6). Dos de las más grandes zonas muertas están en el Baltic Sea donde 49.000 km2 de agua contenía en promedio menos de 2 mg/L de oxígeno disuelto y el Golfo de México norte con una zona muerta en 17.353 km2.
Figura 6. Zonas muertas marinas por todo el mundo
Círculos rojos muestran la ubicación y el tamaño de muchas zonas muertas. Puntos negros muestran zonas muertas de tamaño desconocido. Azul más oscuro en esta imagen muestran altas concentraciones de materia orgánica particulada, una indicación de las aguas excesivamente fértiles que puede culminar en zonas muertas. El tamaño y el número de zonas muertas marinas, áreas donde el agua profunda es tan bajo en oxígeno que criaturas marinas no pueden sobrevivir disuelven — han crecido explosivamente en el pasado medio siglo. No es casualidad que las zonas muertas se producen aguas abajo de los lugares donde la densidad de población humana es alta (más oscuro marrón).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
