Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Environmental Science

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

חמצן מומס במים על פני השטח
 
Click here for the English version

חמצן מומס במים על פני השטח

Overview

מקור: מעבדות של מרגרט וורקמן וקימברלי פריי - אוניברסיטת דפול

מדידות חמצן מומס (DO) מחשבות את כמות החמצן הגזי המומס במים על פני השטח, החשוב לכל החיים נושמי החמצן במערכות אקולוגיות של נהרות, כולל מיני דגים המועדפים לצריכה אנושית (למשל כחולה ובס), כמו גם מינים נרקבים הקריטיים למיחזור חומרים ביו-גיאוכימיים במערכת.

החמצן המומס באגמים, בנהרות ובאוקיינוסים חיוני לאורגניזמים וליצורים החיים בו. כאשר כמות החמצן המומס יורדת מתחת לרמות הרגילות בגופי מים, איכות המים נפגעת ויצורים מתחילים למות. בתהליך שנקרא eutrophication, גוף מים יכול להיות היפוקסי ולא יוכל עוד לתמוך אורגניזמים חיים, בעצם להיות "אזור מת".

Eutrophication מתרחשת כאשר חומרים מזינים עודפים לגרום לאוכלוסיות אצות לגדול במהירות בפריחה אצות. פריחת האצות יוצרת מחצלות צפופות על פני המים וחוסמת שתי תשומות חיוניות של חמצן למים: חילופי גז מהאטמוספירה ופוטוסינטזה במים בשל חוסר האור מתחת למחצלות. ככל שרמות החמצן המומסות יורדות מתחת לפני השטח, אורגניזמים נושמי חמצן מתים בכמויות גדולות, ויוצרים עלייה בחומר האורגני. עודף החומר האורגני גורם לעלייה באוכלוסיות הרקבון נושם החמצן באזור הבנטי, מה שמרוקן עוד יותר את רמות החמצן המומסות הנותרות במהלך פעילות הפירוק המטבולית. ברגע שרמות החמצן יהפכו למינים נמוכים ונושאי חמצן(למשל דגים) יתרחקו, ולא ישאירו חיים אירוביים במים וייצרו אזור מת.

שיטת טיטריון Azide-וינקלר משתמש טיטציה כדי לקבוע את הריכוז של לא ידוע במדגם. באופן ספציפי, נתרן thiosulfate משמש titrate יוד, אשר יכול להיות קשור סטויצ'יומטרי לכמות החמצן המומס במדגם.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

שיטת אזיד-וינקלר משמשת למדידת DO באתר, שם נאספים מים על פני השטח. מנגן (II) גופרתי ואשלגן הידרוקסיד מתווספים לדגימה, והחמצן המומס בדגימה מחמצן את המנגן ויוצר משקעים חומים. אזיד מתווסף בצורה של ריאגנט אלקליין יודי-אזיד שנרכש כדי לתקן את נוכחותם של ניטריטים, אשר נמצאים בדגימות שפכים ועלולים להפריע להליך חמצון וינקלר.

MnSO4 + 2 KOH arrow Mn(OH)2 + K2SO4

4 Mn(OH)2 + O2 + 2 H2O arrow 4 Mn(OH)3

חומצה גופרתית מתווספת לאחר מכן כדי חומצה את הפתרון, ואת המשקעים מתמוסס. בתנאים אלה, יודיד מן ריאגנט יודיד-אזיד אלקליין בפתרון מומר יוד.

2 Mn(OH)3 + 3 H2SO4 arrow Mn2(SO4)3 + 6 H2O

Mn2(SO4)3 + 2 KI arrow 2 MnSO4 + K2SO4 + 2 I2

Thiosulfate משמש לאחר מכן כדי titrate יוד בנוכחות אינדיקטור עמילן נוסף.

4Na 2S2o3 + 2 i2 arrow 22 2S4o6 + 4 Nai

4 מולים של S2O32- arrow 1 מול של O2

בנקודת הקצה של טיטרציה זו, הפתרון הכחול יתבהר. כמות החמצן המומס במדגם מכומתת ביחס ישיר לכמות תיאוסולפט הנדרשת כדי להגיע לנקודת הקצה.

X mL S2O3 arrow X מ"ג/ל' O:

Equation 1

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. דגימת מדידת חמצן מומסת

  1. באתר איסוף המים, השתמש בצינור מכויל כדי להוסיף 2 מ"ל גופרתי מנגאני לבקבוק BOD ברור של 300 מ"ל מלא במים לדוגמה. היזהר לא להכניס חמצן לתוך המדגם על ידי החדרת קצה פיפטה מתחת לפני השטח מדגם בזהירות מחלק גופרית מנגאני. זה ימנע יצירת בועות עד המדגם הוא "קבוע" ומונע שינוי בריכוז חמצן מומס.
  2. באמצעות אותה טכניקה, להוסיף 2 מ"ל אלקליין יודיד-אזיד ריאגנט.
  3. מיד להכניס את פקק, הטיית הבקבוק מעט במהירות דוחף את פקק במקום כך שאין בועות אוויר לכודים בבקבוק.
  4. הפוך בזהירות מספר פעמים (מבלי ליצור בועות אוויר) לערבב. פלוקול (floc) ייווצר מצבירה מזו מזורקת של חומר עם מראה מעונן(איור 1).
  5. חכה עד שהפלואק בפתרון ייפתר. שוב, הפוך את הבקבוק מספר פעמים ולחכות עד הפלופ התיישב. המדגם קבוע כעת כדי למנוע שינוי בתכולת חמצן מומסת, וניתן להעביר אותה בחזרה למעבדה ולאחסן אותה עד 8 שעות, במידת הצורך, במצב קריר וחשוך.
  6. אם אחסון, דגימות צריך להיות אטום באמצעות כמות קטנה של מים deionized התיז סביב פקק, ואת פקק צריך להיות עטוף בנייר אלומיניום, מאובטח עם גומייה.
  7. Pipette 2 מ"ל של חומצה גופרתית מרוכזת לתוך המדגם על ידי החזקת קצה פיפטה ממש מעל פני השטח מדגם. הפוך בזהירות מספר פעמים כדי להמיס את הפלוס(איור 2).
  8. בבקבוק זכוכית, ובאמצעות פיפטה מכוילת, ציצית 200 מ"ל של מים לדוגמה עם 0.025 N נתרן מתוקנן תיוסולפט, מתערבל ומערבב ברציפות עד שנוצר צבע קש חיוור(איור 3).
  9. הוסף 2 מ"ל של פתרון מחוון עמילן עם טפטפת מערבולת לערבב. לאחר הוספת מחוון העמילן, הפתרון יהפוך לכחול(איור 4).
  10. המשך טיטרציה, הוספת טיפה אחת בכל פעם עד טיפה אחת תתפזר הכחול, גרימת נקודת הקצה חסרת הצבע. הקפידו להוסיף כל טיפה של טיטר בזהירות ולערבב באופן שווה כל טיפה לפני הוספת הטיפה הבאה. החזקת המדגם כנגד פיסת נייר לבנה יכולה לסייע בשיפור הפריט החזותי של נקודת הקצה.
  11. הריכוז של DO שווה לנפח (mL) של titrant בשימוש. כל מיליליטר של נתרן תיוסולפט הוסיף לדגימת המים שווה 1 מ"ג / ליטר חמצן מומס.

Figure 1
איור 1. דגימה לאחר ריאגנט יודי-אזיד אלקליין נוספה ועורבבה, מראה היווצרות פלוק בחלק העליון של המדגם לפני ההתיישבות.

Figure 2
איור 2. מדגם עם פלוק מומס לאחר תוספת של חומצה גופרתית.

Figure 3
איור 3. מדגם לאחר תוספת של נתרן תיוסולפט המציג צבע קש חיוור.

Figure 4
איור 4. דוגמה המציגה את הצבע הכחול לאחר הוספת מחוון העמילן ומעורבות.

חמצן מומס חיוני עבור מערכות אקולוגיות נהר ואגם כדי לתמוך בחיים אירוביים. שיטת טיטריון אזיד-וינקלר מאפשרת כימות של כמות החמצן המומס בדגימות מים על פני השטח.

חמצן גזי המומס במים על פני השטח נדרש להישרדותם של האורגניזמים החיים בו; נרקבים קריטיים למיחזור חומרים ביו-גיאוכימיים במערכת האקולוגית, או מינים של דגים המועדפים לצריכה אנושית. כאשר רמות החמצן יורדות מתחת לנורמלי במערכות המים, איכות המים נפגעת ואורגניזמים מתחילים למות.

שיטת טיטריון אזיד-וינקלר היא בדיקה סטנדרטית כדי לקבוע את הריכוז של חמצן מומס במדגם. נתרן תיאוסולפט משמש לתגר יוד, הקשור באופן סטוכיומטרי לכמות החמצן המומס במדגם.

סרטון זה ימחיש את העקרונות שמאחורי כימות חמצן מומס, את תהליך ביצוע התיוג של אזיד-ווינקר ואת הפרשנות של אמצעי חמצן מומסים.

Eutrophication הוא הכנסת חומרים מזינים עודפים לתוך מערכת אקולוגית. זה גורם לאוכלוסיות אצות לגדול במהירות לתוך מחצלות צפופות, המכונה פריחת אצות. מחצלות אלה יכולות להוביל להיפוקסיה, או רמות חמצן נמוכות, על ידי חסימת חילופי גזים על פני השטח, ולמנוע פוטוסינתזה על ידי חסימת אור השמש. אורגניזמים נושמי חמצן מתחילים למות, מה שגורם לעלייה בחומר האורגני, אשר בתורו גורם לעלייה בנרקבים תלויי חמצן, מרוקן את משאבי החמצן עוד יותר. לבסוף, אורגניזמים תלויי חמצן ניידים מתרחקים, משאירים אזור מת ללא חיים אירוביים.

כדי לבדוק את רמת החמצן המומס במקור מים, ניתן להשתמש בשיטת אזיד-וינקלר כדי למדוד חמצן מומס ישירות בשדה, או שניתן לתקן דגימות ולהילקח למעבדה לניתוח נוסף.

מנגן גופרתי ואשלגן הידרוקסיד מתווספים לדגימה, ויוצרים הידרוקסיד מנגן. זה מפחית את החמצן המומס, ויוצר משקעים חומים. ריאגנט יודי-אזיד אלקליין מתווסף לתקן לנוכחות של חנקות שנמצאו בדגימות שפכים שיכולות להפריע להליך החמצון.

תוספת חומצה גופרתית מחמצת את התמיסה וממיסה את המשקעים. תרכובת חדשה זו מחמצן את היודיד מן ריאגנט יוד-אזיד אלקליין יוד יוד ליוד.

לאחר מכן, הוסיף מחוון עמילן שיהפוך לכחול בנוכחות יוד. תיסולפט, שהופך יוד בחזרה ליוד, משמש כדי לתגר את היוד. כאשר titration הושלמה, הפתרון הכחול יהפוך חסר צבע. כמות החמצן המומס במדגם פרופורציונלית לכמות התיאוסולפט הנדרשת כדי להפוך את התמיסה מכחול לחסר צבע.

כעת, כאשר אנו מכירים את העקרונות העומדים מאחורי מדידת חמצן מומס בדגימות מים, בואו נבחן כיצד זה מתבצע בשטח ובמעבדה.

הניסוי יתחיל באתר האיסוף. ראשית, לאסוף את המים מדגם בבקבוק BOD ברור 300 מ"ל. לאחר מכן, למדוד ולתעד את טמפרטורת המים ממקור המים. בזהירות להוסיף 2 מ"ל גופרתי מנגן לדגימה על ידי החדרת קצה פיפטה מתחת לפני המים לאט לוותר כדי למנוע יצירת בועות.

באמצעות אותה טכניקה, להוסיף 2 מ"ל יוד אלקליין-אזיד ריאגנט, ומיד להכניס את פקק, הטיה הבקבוק מעט כך שאין אוויר לכוד בבקבוק.

בזהירות הפוך מספר פעמים כדי לערבב את הפתרון, דואג לא ליצור בועות אוויר. מזרז ייווצר, גורם מראה מעונן. תן את המשקעים בתמיסה להתיישב, ולאחר מכן לערבב ביסודיות על ידי היפוך הבקבוק מספר פעמים לפני לתת לו להתיישב שוב. דגימות צריך להיות אטום באמצעות כמות קטנה של מים deionized התיז סביב פקק, ולאחר מכן עטוף בנייר אלומיניום מאובטח עם גומייה. הדגימה כעת קבועה, וניתן להעביר אותה בחזרה למעבדה.

ברגע שהדגימות תוקנו, הן מועברות למעבדה לניתוח נוסף. ראשית, מחזיק את קצה פיפטה ממש מעל פני השטח מדגם, להוסיף 2 מ"ל של חומצה גופרתית מרוכזת לתוך המדגם. הפוך מספר פעמים כדי להמיס את המשקעים. בעזרת בקבוקון זכוכית ופיפטה מכוילת, יש לתבל 200 מ"ל ממי הדגימה שטופלו מראש עם נתרן תיסולפט מתוקנן של 0.025 N, מסתחרר ומערבב ברציפות עד שנוצר צבע קש חיוור.

לאחר הפתרון הוא בצבע קש, להוסיף 2, 1-מ"ל טיפות של פתרון מחוון עמילן מערבולת לערבב. הפתרון יהפוך לכחול. ממשיכים את טיטציה, מוסיפים טיפה אחת של נתרן thiosulfate בכל פעם ומערבבים לאט באמצעות מוט ערבוב עד הכחול מתפוגג הפתרון הופך חסר צבע. החזק את המדגם כנגד פיסת נייר לבנה כדי לשפר את ההדמיה. הקלט את הנפח של תיוסולפט הוסיף.

הריכוז של חמצן מומס הוא פרופורציונלי לנפח של נתרן תיאוסלפאט הוסיף המדגם. כל מיליליטר הוסיף שווה ערך 1 מ"ג / ליטר, או חלקים למיליון, חמצן מומס.

הכמות המרבית של חמצן שניתן להמיס במים משתנה לפי טמפרטורת המים. מדידות חמצן מומסות ב- mg/L מומרים לאחוז רוויה באמצעות טמפרטורת מים ותרשים המרה. רוויה של 91 עד 110% חמצן מומס נחשב מצוין; בין 71 ל -90% זה טוב, 51-70% זה הוגן, ומתחת ל -50% הוא עני.

רמות חמצן מומסות של 6 מ"ג/ליטר מספיקות כדי לתמוך ברוב המינים הימיים. רמות מתחת 4 מ"ג / ליטר מלחיצים את רוב בעלי החיים הימיים, כך המגוון הביולוגי יושפע. מים המכילים פחות מ-2 מ"ג/ליטר חמצן מומס לא יתמכו בחיים הימיים של אירובי.

ליכולת לכמת את כמות החמצן המומס במקור מים יש גם שיטות חלופיות, ויישומים מעשיים רלוונטיים רבים. חלקם נחקרים כאן.

חמצן מומס וטמפרטורה ניתן למדוד גם באמצעות צג LabQuest כף יד עם חמצן מומס בדיקות טמפרטורה. לחמצן מומס, חברו את הגשוש לערוץ 1. יחידות צריכות להיות mg / L. להטביע את הבדיקה לתוך מדגם המים, להפיץ את הבדיקה לאט דרך המדגם כדי למנוע צריכת חמצן באזור מקומי. כאשר נראה שהקריאות מתייצבות, תעד את הערך.

רוב הדגים זקוקים לרמות מתונות עד טובות של חמצן מומס בבתי הגידול שלהם כדי לשגשג ולהתרבות. עבור חוות דגים, אשר עשויים לכבוש אגמים או נחלים מעשה ידי אדם או טבעיים, היכולת לבדוק רמות חמצן מומס יכול לעזור למנהלי החווה לבחור אתר הקמה ראשוני טוב, או לעקוב אחר בריאות הבריכות או הנחלים שלהם.

ניטור חמצן מומס יכול גם להיות שימושי לניהול ושימור בתי גידול. אם אזור אגם או נהר מכילים החי או החי המוגנים או בסכנת הכחדה, ניטור של רמות החמצן המומסות יכול לתת אינדיקציה לבריאות המערכת האקולוגית. אם הרמות משתנות במהירות, הדבר עשוי להצביע על סכנה למינים המוגנים, ועשוי להצביע על כך שיש ליישם אסטרטגיית התערבות ניהולית.

הסוכנות להגנת הסביבה של ארצות הברית, המשרד לאיכות הסביבה, מציעה מספר אמצעים לתיקון רמות החמצן המומס במערכות אקולוגיות. אלה כוללים שימוש נכון ומינימלי בדשנים, טיפול נאות בשפכים, אי פריקת שפכים מסירות ושמירה על נהרות, נחלים וביצות סמוכים. הפחתת תחמוצות חנקן על ידי מזעור צריכת החשמל והשימוש ברכב ובחירת מנועי סירות יעילים יותר יכולים גם לסייע בשמירה על רמות חמצן מומסות מתאימות במשאבי מים.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב למדידת חמצן מומס במים על פני השטח. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות מאחורי מדידת חמצן מומס, איך לכמת חמצן מומס בדגימות המים שלך, וכיצד לפרש את הממצאים שלך ואת ההשלכות שלהם על הסביבה. תודה שצפיתם!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

רמת חמצן מומסת של 6 מ"ג/ליטר מספיקה לרוב המינים הימיים. רמות חמצן מומסות מתחת ל-4 מ"ג/ליטר מלחיצים את רוב בעלי החיים הימיים. רמות חמצן מומסות מתחת ל-2 מ"ג/ל' לא יתמכו בחיים הימיים של אירובי(איור 5).

הכמות המרבית של חמצן שניתן להמיס במים משתנה לפיטמפרטורה (טבלה 1).

מדידות DO ב- mg/L מומרים ל- % רוויה באמצעות טמפרטורת המים ותרשים ההמרה שלהלן (איור 6).

רמות חמצן מומסות (% רוויה)
מעולה: 91 – 110
טוב: 71 – 90
הוגן: 51 – 70
עניים: < 50

Figure 5a
איור 5. מדידות DO מומרות ל- % רוויה באמצעות טמפרטורת המים. טמפרטורת המים בציר האופקי העליון וערך DO הנמדד בציר האופקי התחתון. השתמש בסרגל כדי למתוח קו בין שני הערכים ולרשום היכן הקו פוגש את הציר האלכסוני האמצעי עבור % רוויה.

Figure 5
איור 6. רמת חמצן מומסת של 6 מ"ג/ליטר מספיקה לרוב המינים הימיים. רמות חמצן מומסות מתחת ל-4 מ"ג/ליטר מלחיצים את רוב בעלי החיים הימיים. רמות חמצן מומסות מתחת ל-2 מ"ג/ל' לא יתמכו בדגים ומתחת ל-1 מ"ג/ל' לא יתמכו ברוב המינים.

טמפ' (°C) DO (מ"ג/ל') טמפ' (°C) DO (מ"ג/ל') טמפ'(°C) DO (מ"ג/ל') טמפ'(°C) DO (מ"ג/ל')
0 14.60 11 11.01 22 8.72 33 7.16
1 14.19 12 10.76 23 8.56 34 7.16
2 13.81 13 10.52 24 8.40 35 6.93
3 13.44 14 10.29 25 8.24 36 6.82
4 13.09 15 10.07 26 8.09 37 6.71
5 12.75 16 9.85 27 7.95 38 6.61
6 12.43 17 9.65 28 7.81 39 6.51
7 12.12 18 9.45 29 7.67 40 6.41
8 11.83 19 9.26 30 7.54 41 6.41
9 11.55 20 9.07 31 7.41 42 6.22
10 11.27 21 8.90 32 7.28 43 6.13

טבלה 1. כמויות מקסימליות של חמצן שניתן להמיס במים על ידי טמפרטורה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

נהרות הנעים באיטיות פגיעים במיוחד לרמות DO נמוכות, ובמקרים קיצוניים, רמות DO אלה יכולות להוביל לתנאים היפוקסיים, וליצור "אזורים מתים" שבהם החיים האירוביים אינם נתמכים עוד על ידי גוף מים(איור 7). ברגע שצמחים ובעלי חיים מתים, הצטברות משקעים המתרחשת יכולה גם להעלות את אפיק הנהר, ולאפשר לצמחים להתיישב מעל המים ולהוביל לאובדן הנהר יחד(איור 8). מים על פני השטח בגבהים גבוהים יותר פגיעים יותר לרמות DO נמוכות, שכן לחץ אטמוספרי פוחת עם הגדלת הגובה, ופחות גז חמצן מושעה במים.

רמות DO נמוכות תומכות בצורות חיים הנחשבים לא מושכים או לא מתאימים לשימוש אנושי, כולל עלוקות ותולעים מימיות(אוליגוצ'טה).

Figure 6
איור 7. מפה של ריכוזי חמצן מומסים על מדף לואיזיאנה מראה את אזור המת.

Figure 7
איור 8.  תמונה של הים הכספי מראה אוטרופיקציה חמורה בקצה הצפוני.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter