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Ossigeno disciolto nelle acque superficiali
 
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Ossigeno disciolto nelle acque superficiali

Overview

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University

Le misurazioni dell'ossigeno disciolto (DO) calcolano la quantità di ossigeno gassoso disciolto nelle acque superficiali, che è importante per tutta la vita che respira ossigeno negli ecosistemi fluviali, comprese le specie ittiche preferite per il consumo umano(ad esempio bluegill e bass), nonché le specie decompositrici critiche per il riciclaggio dei materiali biogeochimici nel sistema.

L'ossigeno disciolto nei laghi, nei fiumi e negli oceani è cruciale per gli organismi e le creature che vivono in esso. Poiché la quantità di ossigeno disciolto scende al di sotto dei livelli normali nei corpi idrici, la qualità dell'acqua viene danneggiata e le creature iniziano a morire. In un processo chiamato eutrofizzazione, un corpo idrico può diventare ipossico e non sarà più in grado di sostenere gli organismi viventi, diventando essenzialmente una "zona morta".

L'eutrofizzazione si verifica quando i nutrienti in eccesso fanno crescere rapidamente le popolazioni di alghe in una fioritura algale. La fioritura algale forma dense stuoie sulla superficie dell'acqua bloccando due input essenziali di ossigeno per l'acqua: lo scambio di gas dall'atmosfera e la fotosintesi nell'acqua a causa della mancanza di luce sotto le stuoie. Man mano che i livelli di ossigeno disciolto diminuiscono sotto la superficie, gli organismi che respirano ossigeno muoiono in grandi quantità, creando un aumento della materia organica. L'eccesso di materia organica provoca un aumento delle popolazioni di decompositori che respirano ossigeno nella zona bentonica, che esaurisce ulteriormente i restanti livelli di ossigeno disciolto durante l'attività di decomposizione metabolica. Una volta che i livelli di ossigeno diventano così bassi, le specie mobili che respirano ossigeno(ad esempio i pesci) si allontaneranno, non lasciando vita aerobica nell'acqua e creando una zona morta.

Il metodo di titolazione Azide-Winkler utilizza la titolazione per determinare la concentrazione di un'incognita in un campione. In particolare, il tiosolfato di sodio viene utilizzato per titolare lo iodio, che può essere stechiometricamente correlato alla quantità di ossigeno disciolto in un campione.

Principles

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Il metodo Azide-Winkler viene utilizzato per misurare il DO in loco, dove viene raccolta l'acqua superficiale. Il solfato di manganese (II) e l'idrossido di potassio vengono aggiunti al campione e l'ossigeno disciolto nel campione ossida il manganese e forma un precipitato marrone. L'azide viene aggiunto sotto forma di un reagente alcalino ioduro-azide acquistato per correggere la presenza di nitriti, che si trovano nei campioni di acque reflue e possono interferire con la procedura di ossidazione di Winkler.

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

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

L'acido solforico viene quindi aggiunto per acidificare la soluzione e il precipitato si dissolve. In queste condizioni, lo ioduro del reagente alcalino ioduro-azide nella soluzione viene convertito in iodio.

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

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

Il tiosolfato viene quindi utilizzato per titolare lo iodio in presenza di un indicatore di amido aggiunto.

4 Na2S2O3 + 2 I2 arrow 2 Na2S4O6 + 4 NaI

4 moli di S2O32- arrow 1 mole di O2

Al termine di questa titolazione, la soluzione blu diventerà chiara. La quantità di ossigeno disciolto nel campione è quantificata in proporzione diretta alla quantità di tiosolfato necessaria per raggiungere l'endpoint.

X mL S2O3 arrow X mg/L O:

Equation 1

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Procedure

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1. Misurazione dell'ossigeno disciolto del campione

  1. Nel sito di raccolta dell'acqua, utilizzare una pipetta calibrata per aggiungere 2 ml di solfato manganoso a una bottiglia BOD trasparente da 300 mL riempita con l'acqua campione. Fare attenzione a non introdurre ossigeno nel campione inserendo la punta della pipetta sotto la superficie del campione e distribuendo con cura solfato manganoso. Ciò eviterà di creare bolle fino a quando il campione non sarà "fisso" e impedisce il cambiamento della concentrazione di ossigeno disciolto.
  2. Usando la stessa tecnica, aggiungere 2 ml di reagente alcalino ioduro-azide.
  3. Inserire immediatamente il tappo, inclinando leggermente la bottiglia e spingendo rapidamente il tappo in posizione in modo che nessuna bolla d'aria rimanga intrappolata nella bottiglia.
  4. Invertire con attenzione più volte (senza creare bolle d'aria) per mescolare. Un floccule (floc) si formerà da un'aggregazione precipitata di materiale con un aspetto nuvoloso (Figura 1).
  5. Attendere fino a quando il floc nella soluzione si è stabilizzato. Ancora una volta, invertire la bottiglia più volte e attendere che il floc si sia stabilizzato. Il campione è ora fissato per evitare cambiamenti nel contenuto di ossigeno disciolto e può essere trasportato in laboratorio e conservato per un massimo di 8 ore, se necessario, in condizioni fresche e buie.
  6. Se si conserva, i campioni devono essere sigillati utilizzando una piccola quantità di acqua deionizzata spruzzata attorno al tappo e il tappo deve essere avvolto in un foglio di alluminio, fissato con un elastico.
  7. Pipettare 2 mL di acido solforico concentrato nel campione tenendo la punta della pipetta appena sopra la superficie del campione. Invertire con attenzione più volte per sciogliere il floc (Figura 2).
  8. In un pallone di vetro, e utilizzando una pipetta calibrata, titolare 200 mL di acqua campione con 0,025 N tiosolfato di sodio standardizzato, vorticando e mescolando continuamente fino a formare un colore paglierino chiaro (Figura 3).
  9. Aggiungere 2 ml di soluzione di indicatore di amido con un contagocce e ruotare per mescolare. Una volta aggiunto l'indicatore dell'amido, la soluzione diventerà blu (Figura 4).
  10. Continuare la titolazione, aggiungendo una goccia alla volta fino a quando una goccia dissipa il blu, causando il punto finale incolore. Assicurati di aggiungere ogni goccia di titolante con attenzione e di mescolare uniformemente ogni goccia prima di aggiungere la successiva. Tenere il campione contro un pezzo di carta bianco può aiutare a migliorare la visualizzazione dell'endpoint.
  11. La concentrazione di DO è equivalente al volume (mL) del titolante utilizzato. Ogni millilitro di tiosolfato di sodio aggiunto al campione d'acqua equivale a 1 mg/L di ossigeno disciolto.

Figure 1
Figura 1. Un campione dopo che il reagente alcalino ioduro-azide è stato aggiunto e miscelato, mostrando la formazione di floc nella parte superiore del campione prima di depositarsi.

Figure 2
Figura 2. Un campione con floc disciolto dopo aggiunta di acido solforico.

Figure 3
Figura 3. Un campione dopo l'aggiunta di tiosolfato di sodio che mostra un colore paglierino chiaro.

Figure 4
Figura 4. Un campione che mostra il colore blu dopo l'aggiunta e la miscela dell'indicatore dell'amido.

L'ossigeno disciolto è fondamentale per gli ecosistemi fluviali e lacustri per sostenere la vita aerobica. Il metodo di titolazione Azide-Winkler consente di quantificazione della quantità di ossigeno disciolto nei campioni di acque superficiali.

L'ossigeno gassoso disciolto nelle acque superficiali è necessario per la sopravvivenza degli organismi che vivono in esso; decompositori fondamentali per il riciclaggio di materiali biogeochimici nell'ecosistema o specie ittiche preferite per il consumo umano. Poiché i livelli di ossigeno scendono al di sotto del normale nei sistemi idrici, la qualità dell'acqua viene danneggiata e gli organismi iniziano a morire.

Il metodo di titolazione Azide-Winkler è un test standard per determinare la concentrazione di ossigeno disciolto in un campione. Il tiosolfato di sodio viene utilizzato per titolare lo iodio, che è stechiometricamente correlato alla quantità di ossigeno disciolto nel campione.

Questo video illustrerà i principi alla base della quantificazione dell'ossigeno disciolto, il processo di esecuzione della titolazione Azide-Winker e l'interpretazione delle misure di ossigeno disciolto.

L'eutrofizzazione è l'introduzione di nutrienti in eccesso in un ecosistema. Ciò fa sì che le popolazioni di alghe crescano rapidamente in stuoie dense, note come fioriture algali. Queste stuoie possono portare a ipossia, o bassi livelli di ossigeno, bloccando lo scambio di gas sulla superficie e prevenire la fotosintesi bloccando la luce solare. Gli organismi che respirano ossigeno iniziano a morire, causando un aumento della materia organica, che a sua volta provoca un aumento dei decompositori dipendenti dall'ossigeno, esaurendo ulteriormente le risorse di ossigeno. Infine, gli organismi mobili dipendenti dall'ossigeno si allontanano, lasciando una zona morta senza vita aerobica.

Per testare il livello di ossigeno disciolto in una fonte d'acqua, il metodo Azide-Winkler può essere utilizzato per misurare l'ossigeno disciolto direttamente sul campo, oppure i campioni possono essere fissati e portati in laboratorio per ulteriori analisi.

Solfato di manganese e idrossido di potassio vengono aggiunti al campione, formando idrossido di manganese. Questo riduce l'ossigeno disciolto, formando un precipitato marrone. Il reagente alcalino ioduro-azide viene aggiunto per correggere la presenza di nitrati presenti nei campioni di acque reflue che possono interferire con la procedura di ossidazione.

L'acido solforico aggiunto acidifica la soluzione e dissolve il precipitato. Questo nuovo composto ossida lo ioduro dal reagente alcalino iodio-azide allo iodio.

Successivamente, viene aggiunto un indicatore di amido che diventerà blu in presenza di iodio. Il tiosolfato, che trasforma lo iodio in ioduro, viene utilizzato per titolare lo iodio. Quando la titolazione è completa, la soluzione blu diventerà incolore. La quantità di ossigeno disciolto nel campione è proporzionale alla quantità di tiosolfato necessaria per trasformare la soluzione da blu a incolore.

Ora che abbiamo familiarità con i principi alla base della misurazione dell'ossigeno disciolto nei campioni di acqua, diamo un'occhiata a come questo viene effettuato sul campo e in laboratorio.

L'esperimento avrà inizio nel sito di raccolta. Per prima cosa, raccogliere l'acqua campione in una bottiglia BOD trasparente da 300 ml. Quindi, misurare e registrare la temperatura dell'acqua dalla fonte d'acqua. Aggiungere con attenzione 2 ml di solfato manganoso al campione inserendo la punta della pipetta sotto la superficie dell'acqua e dispensare lentamente per evitare di creare bolle.

Usando la stessa tecnica, aggiungere 2 ml di reagente alcalino iodio-azide e inserire immediatamente il tappo, inclinando leggermente la bottiglia in modo che l'aria non rimanga intrappolata nella bottiglia.

Invertire con cura più volte per mescolare la soluzione, facendo attenzione a non creare bolle d'aria. Si formerà un precipitato, causando un aspetto nuvoloso. Lasciare depositare il precipitato nella soluzione, quindi mescolare accuratamente invertendo la bottiglia più volte prima di lasciarla depositare di nuovo. I campioni devono essere sigillati utilizzando una piccola quantità di acqua deionizzata spruzzata attorno al tappo, quindi avvolti in un foglio di alluminio e fissati con un elastico. Il campione è ora fisso e può essere trasportato di nuovo in laboratorio.

Una volta che i campioni sono stati fissati, vengono trasportati in laboratorio per ulteriori analisi. In primo luogo, tenendo la punta della pipetta appena sopra la superficie del campione, aggiungere 2 ml di acido solforico concentrato nel campione. Invertire più volte per sciogliere il precipitato. Utilizzando un pallone di vetro e una pipetta calibrata, titolare 200 mL di acqua campione pretrattata con tiosolfato di sodio standardizzato da 0,025 N, vorticando e mescolando continuamente fino a formare un colore paglierino chiaro.

Una volta che la soluzione è di colore paglierino, aggiungere 2, 1 mL di goccioline di soluzione indicatore di amido e ruotare per mescolare. La soluzione diventerà blu. Continuare la titolazione, aggiungendo una goccia di tiosolfato di sodio alla volta e mescolando lentamente usando una barra di agitazione fino a quando il blu si dissipa e la soluzione diventa incolore. Tenere il campione contro un foglio di carta bianco per migliorare la visualizzazione. Registrare il volume di tiosolfato aggiunto.

La concentrazione di ossigeno disciolto è proporzionale al volume di tiosolfato di sodio aggiunto al campione. Ogni millilitro aggiunto equivale a 1 mg/L, o parti per milione, di ossigeno disciolto.

La quantità massima di ossigeno che può essere disciolta in acqua varia in base alla temperatura dell'acqua. Le misurazioni dell'ossigeno disciolto in mg/L vengono convertite in saturazione percentuale utilizzando la temperatura dell'acqua e un grafico di conversione. La saturazione del 91-110% di ossigeno disciolto è considerata eccellente; tra il 71 e il 90% è buono, il 51-70% è giusto e sotto il 50% è scarso.

Livelli di ossigeno disciolto di 6 mg/L sono sufficienti a sostenere la maggior parte delle specie acquatiche. Livelli inferiori a 4 mg / L sono stressanti per la maggior parte degli animali acquatici, quindi la biodiversità ne risentirà. L'acqua contenente meno di 2 mg/L di ossigeno disciolto non supporta la vita acquatica aerobica.

La capacità di quantificare la quantità di ossigeno disciolto in una fonte d'acqua ha anche metodi alternativi e molte applicazioni pratiche rilevanti. Alcuni di questi sono esplorati qui.

L'ossigeno disciolto e la temperatura possono anche essere misurati utilizzando un monitor portatile LabQuest con ossigeno disciolto e sonde di temperatura. Per l'ossigeno disciolto, collegare la sonda al canale 1. Le unità devono essere in mg/L. Immergere la sonda nel campione d'acqua, facendo circolare lentamente la sonda attraverso il campione per evitare di consumare ossigeno in un'area localizzata. Quando le letture sembrano stabilizzarsi, registrare il valore.

La maggior parte dei pesci richiede livelli da moderati a buoni di ossigeno disciolto nei loro habitat per prosperare e riprodursi. Per gli allevamenti ittici, che possono occupare laghi o torrenti artificiali o naturali, essere in grado di testare i livelli di ossigeno disciolto può aiutare i gestori degli allevamenti a scegliere un buon sito di allestimento iniziale o a tenere traccia della salute delle loro piscine o corsi d'acqua.

Il monitoraggio dell'ossigeno disciolto può anche essere utile per la gestione e la conservazione dell'habitat. Se un lago o una regione fluviale contiene flora o fauna protetta o in via di estinzione, il monitoraggio dei livelli di ossigeno disciolto può dare un'indicazione della salute dell'ecosistema. Se i livelli cambiano rapidamente, ciò potrebbe indicare un pericolo per le specie protette e potrebbe indicare che dovrebbe essere attuata una strategia di intervento di gestione.

L'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti, l'EPA, suggerisce una serie di misure per correggere i livelli di ossigeno disciolto negli ecosistemi. Questi includono l'uso corretto e minimo di fertilizzanti, un adeguato trattamento delle acque reflue, non lo scarico di liquami dalle barche e la conservazione di fiumi, torrenti e zone umide adiacenti. Ridurre gli ossidi di azoto riducendo al minimo l'elettricità e l'uso dell'automobile e scegliendo motori per barche più efficienti può anche aiutare a mantenere adeguati livelli di ossigeno disciolto nelle risorse idriche.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla misurazione dell'ossigeno disciolto nelle acque superficiali. Ora dovresti capire i principi alla base della misurazione dell'ossigeno disciolto, come quantificare l'ossigeno disciolto nei tuoi campioni di acqua e come interpretare i tuoi risultati e le loro implicazioni per l'ambiente. Grazie per l'attenzione!

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Results

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Un livello di ossigeno disciolto di 6 mg/L è sufficiente per la maggior parte delle specie acquatiche. I livelli di ossigeno disciolto inferiori a 4 mg / L sono stressanti per la maggior parte degli animali acquatici. Livelli di ossigeno disciolto inferiori a 2 mg/L non supportano la vita acquatica aerobica (Figura 5).

La quantità massima di ossigeno che può essere disciolta in acqua varia in base alla temperatura (Tabella 1).

Le misurazioni DO in mg/L vengono convertite in % di saturazione utilizzando la temperatura dell'acqua e la tabella di conversione riportata di seguito (Figura 6).

LIVELLI DI OSSIGENO DISCIOLTO (% SATURAZIONE)
Eccellente: 91 – 110
Buono: 71 – 90
Fiera: 51 – 70
Scarso: < 50

Figure 5a
Figura 5. Le misurazioni DO vengono convertite in % di saturazione utilizzando la temperatura dell'acqua. La temperatura dell'acqua sull'asse orizzontale superiore e il valore DO misurato sull'asse orizzontale inferiore. Utilizzare un righello per disegnare una linea tra i due valori e registrare dove la linea incontra l'asse diagonale centrale per la saturazione percentuale.

Figure 5
Figura 6. Un livello di ossigeno disciolto di 6 mg/L è sufficiente per la maggior parte delle specie acquatiche. I livelli di ossigeno disciolto inferiori a 4 mg / L sono stressanti per la maggior parte degli animali acquatici. I livelli di ossigeno disciolto inferiori a 2 mg / L non supportano i pesci e inferiori a 1 mg / L non supportano la maggior parte delle specie.

Temperatura (°C) DO (mg/L) Temperatura (°C) DO (mg/L) Temperatura(°C) DO (mg/L) Temperatura(°C) DO (mg/L)
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

Tabella 1. Quantità massime di ossigeno che possono essere sciolte in acqua dalla temperatura.

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Applications and Summary

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I fiumi che si muovono lentamente sono particolarmente vulnerabili a bassi livelli di DO e, in casi estremi, questi livelli di DO possono portare a condizioni ipossica, creando "zone morte" in cui la vita aerobica non è più supportata da un corpo idrico (Figura 7). Una volta che le piante e gli animali muoiono, l'accumulo di sedimenti che si verifica può anche sollevare il letto del fiume, consentendo alle piante di colonizzare sopra l'acqua e potrebbe portare alla perdita del fiume tutti insieme (Figura 8). Le acque superficiali ad altitudini più elevate sono anche più vulnerabili a bassi livelli di DO, poiché la pressione atmosferica diminuisce con l'aumentare dell'altitudine e meno gas ossigeno viene sospeso nell'acqua.

Bassi livelli di DO supportano forme di vita considerate poco attraenti o inadatte all'uso umano, comprese sanguisughe e vermi acquatici (Oligochaeta).

Figure 6
Figura 7. Mappa delle concentrazioni di ossigeno disciolto attraverso la piattaforma della Louisiana che mostra la regione della zona morta.

Figure 7
Figura 8.  Fotografia del Mar Caspio che mostra una grave eutrofizzazione all'estremità nord.

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