Overview
מקור: מעבדות של מרגרט וורקמן וקימברלי פריי - אוניברסיטת דפול
חנקן וזרחן הם חומרים מזינים צמחיים חיוניים שנמצאים במערכות אקולוגיות מימיות ושניהם מנוטרים כחלק מבדיקת איכות המים מכיוון שבכמויות עודפות הם יכולים לגרום לבעיות משמעותיות באיכות המים.
חנקן במים נמדד כצורה הנפוצה חנקתית (NO3-) המומסת במים ונספגת בקלות על ידי פוטוסינתזים כגון אצות. הצורה הנפוצה של זרחן נמדד הוא פוספט (PO43-), אשר נמשך מאוד חלקיקי משקעים, כמו גם מומס במים. בכמויות עודפות, שני החומרים המזינים עלולים לגרום לעלייה בצמיחת הצמח הימי (פריחת אצות, איור 1) שיכולה לשבש את רמות האור, הטמפרטורה והחמצן במים שמתחת ולהוביל לאטרופיקציה ולהיפוקסיה (חמצן מומס נמוך במים) היוצרים "אזור מת" ללא פעילות ביולוגית. מקורות של חנקות וזרחן כוללים מתקני טיהור שפכים, נגר ממדשאות מופרות ואדמות חקלאיות, מערכות ספיגה פגומות, נגר זבל בעלי חיים ופריקה מפסולת תעשייתית.
איור 1. פריחת אצות
צולם בשנת 2011, החלאה הירוקה המוצגת בתמונה זו הייתה פריחת האצות הגרועה ביותר אגם אירי חווה מזה עשרות שנים. שיא גשמי האביב הסוערים שטפו דשן לאגם, מה שמקדם את צמיחת המיקרוציסטין המייצר פריחות ציאנובקטריה. חוטים ירוקים תוססים משתרעים מהחוף הצפוני.
Principles
ריכוזי חנקות ופוספט ניתן למדוד בדגימות מים באמצעות ריאגנטים כימיים ידועים שגורמים לדגימה לשנות צבע כאשר בנוכחות חומר מתזונה ספציפי, עם עוצמת צבע גוברת המצביעה על ריכוז מוגבר של החומרים המזינים. כדי להבטיח שחרור של כל מולקולות פוספט כי הם נקשרו משקעים במים, דגימות זרחן מתעכלים כימית עם חום לשחרר קשרים פוספט עבור מידה של פוספט הכולל במדגם.
כדי לכמת את עוצמת הצבע המיוצרת על ידי ריאגנט, ספקטרופוטומטר משמש למדידת אורך הגל הספציפי של האור התואם עם כל צבע הנגרם על ידי החומרים המזינים והראגנטים שלהם (ענבר חנקתי; כחול פוספטים). לאחר מכן הספקטרופוטומטר שולח קרן אור דרך כל דגימה כדי למדוד את כמות האור הנספג על ידי הצבע (ספיגה). כמה שהצבע כהה יותר, כך הספיגה גבוהה יותר. הספקטרופוטומטר ממיר את הספיגה לריכוז מתזונה מוצג (mg/L) בהתבסס על סמך התקפות ריכוז ידועות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. למדוד חנקן במדגם
- על הספקטרופוטומטר, מצא את התוכנית עבור חנקתי (עם מדריך למשתמש או תפריט מכשיר) והזן את מספר התוכנית.
- פיפטה 10 מ"ל מדגימת המים לתוך אחד מצינורות הדגימה. יוצקים את זה לתוך אחד הצינורות לדוגמה.
- חזור על הפעולה לקבלת צינור דגימה שני.
- מוסיפים את התוכן של כרית אבקת ריאגנט חנקתי אחד לצינור מדגם אחד.
- כובע שני צינורות מדגם.
- על הספקטרופוטומטר, לחץ על שעון עצר והזן כדי להתחיל תקופת תגובה עבור ריאגנט. לנער את המדגם במרץ עד זמן התגובה נגמר ושעון התזמן מצפצף. הדגימה תתחיל להפוך לענבר.
- הקש Enter. תקופת תגובה שנייה של 5 דקות תתחיל.
- לאחר טיימר מצפצף בפעם השנייה, לנגב את החלק החיצוני של שני צינורות מדגם עם מגבת נייר ללא מוך.
- מניחים את צינור הדגימה ללא צינור ריאגנט (ריק) לתוך הספקטרופוטומטר.
- יש לכסות היטב את התא במכסה המכשיר כדי להבטיח שנור הסביבה חסום.
- אפס ספקטרופוטומטר לקריאה של 0.0 מ"ג / L NO3-N.
- הסר את התא הריק והצב את התא לדוגמה עם ריאגנט למחזיק התא. כסו היטב את תא הדגימה במכסה המכשיר.
- לחץ על קרא. הסמן יעבור ימינה, ואז התוצאות mg / L NO3-N יוצגו.
2. למדוד זרחן במדגם
- למדוד 5.0 מ"ל של דגימת המים באמצעות pipette.
- יוצקים מים מדודים לתוך צינור מדגם.
- מוסיפים את התוכן של כרית אבקת אשלגן אסולפט אחת עבור פוספונט לצינור המדגם.
- מכסים את הצינור בחוזקה ומנערים כדי להתמוסס.
- סמן את החלק העליון של מכסה הצינור והנח את הצינור בכור COD (במכסה המנוע הכימי) וחום במשך 30 דקות.
- מניחים אותו על מתלה מבחנה ומאפשרים להתקרר לטמפרטורת החדר.
- באמצעות צילינדר מדורג, למדוד 2 מ"ל של 1.54 N נתרן הידרוקסיד.
- יוצקים את זה לתוך הצינור לדוגמה. כובע ומערבבים.
- על הספקטרופוטומטר, מצא את מספר התוכנית עבור פוספט (עם תפריט ידני למשתמש או מכשיר) והזן את מספר התוכנית.
- נקו את החלק החיצוני של צינור הדגימה עם מגבת נייר ללא מוך.
- מניחים את המבחנה כך שהיא פונה לחזית המכשיר.
- מניחים את הכיסוי על המבחנה.
- מוציאים מבחנה ומוסיפים את תכולת כרית אבקת ריאגנט שנרכשה לשיטת החומצה האסקורית.
- מכסים בחוזקה ומנערים במשך 10-15 s.
- לחץ על שעון התזמן ולאחר מכן הזן. תחל תקופת המתנה של 2 דקות.
- לאחר טיימר מצפצף, לנקות את החלק החיצוני של המבחנה עם מגבת נייר ללא מוך.
- הנח את המבחנה לתוך המכשיר עם הלוגו הפונה לחזית המכשיר.
- מניחים את הכיסוי מעל המבחנה.
- לחץ לקרוא. התצוגה תציג את התוצאות ב- mg/L.
חנקן וזרחן הם חומרים מזינים צמחיים חיוניים שנמצאו במערכות אקולוגיות מימיות, עם זאת, בכמויות עודפות, הם יכולים לגרום לבעיות משמעותיות באיכות המים. חנקן וזרחן במים נמצאים בדרך כלל בצורות של חנקות ופוספט, בהתאמה. שני החומרים המזינים מומסים במים ונספגים בקלות על ידי פוטוסינתזות כגון אצות.
חנקות ופוספטים נכנסים למערכות המים באמצעות נגר מים מתוקים ממתקני טיהור שפכים, מדשאות מופרות ואדמות חקלאיות, מערכות ספיגה פגומות ופליטת פסולת תעשייתית. בכמויות עודפות, שני החומרים המזינים יכולים לגרום לעלייה בצמיחת הצמח הימי ופריחת אצות, הנקראת eutrophication. פריחת אצות אלה חיה על פני המים, על מנת לגשת בקלות לחמצן ואור שמש.
כתוצאה מכך, האיחוד מונע ממפלס מים נמוך יותר גישה לאור השמש וחמצן באוויר. כאשר האצות מתות, הן שוקעות ברמות המים הנמוכות ומתפרקות, צורכות חמצן במים העמוקים יותר וגורמות להיפקסיה, או לרמות חמצן נמוכות. מורעבים מחמצן, ומנותקים מאספקה מחדש, המים העמוקים הופכים לאזור מת. כתוצאה מכך, דגים ואורגניזמים אחרים מתים במספרים עצומים. אזורים מתים נפוצים באוקיינוסים ובאגמים בעולם, בעיקר באזורים עירוניים מאוכלסים מאוד.
וידאו זה יציג את המתודולוגיה למדידת ריכוזי חנקות ופוספטים במים על פני השטח, וידגים את המדידות במעבדה.
חנקן במים מדווח במונחים של "חנקן כמו חנקן". הביטוי "חנקן כחנקן" מתייחס לכמות החנקן בצורת חנקן. לכן, ריכוז חנקות-כמו-חנקן ניתן להמיר לריכוז חנקתי באמצעות היחסים של המשקלים המולקולריים של חנקן וחנקות.
ריכוז החנקות נמדד בשיטת הפחתת קדמיום. מתכת קדמיום מפחיתה את החנקות לניטריטים, ואז יוני החנקן מגיבים עם חומצה גופרתית כדי ליצור מלח דיאזוניום ביניים. מלח הדיאזוניום אז זוגות עם חומצה גנטיזית, ויוצר תרכובת בצבע ענבר. כמה שצבע הענבר כהה יותר, כך ריכוז החנקות במדגם גבוה יותר.
ריכוז הזרחן בדגימות מים מדווח באופן דומה, במונחים של כמות הזרחן בצורת זרחן. ההמרה בין ריכוז פוספט וריכוז זרחן ניתן להשלים בקלות באמצעות משקל מולקולרי. פוספטים נמצאים במים בקונפורמציות רבות ושונות. כל הפוספטים חייבים להיות מומרים תחילה לאורתופוספטים באמצעות הידרוליזה על ידי חימום דגימות עם חומצה ואשלגן פרסולפט.
שיטת חומצה אסקורבית /מוליבטט משמשת לחישוב ריכוז אורתופוספט. אורתופוספטים מגיבים עם נתרן מוליבאדט בתנאים חומציים כדי לייצר קומפלקס פוספט/מוליבאדט. חומצה אסקורבית משמשת לאחר מכן כדי להפחית את המתחם, לייצר מוצר בצבע כחול. כדי לכמת את עוצמת הצבע המיוצרת על ידי ריאגנט בשני הניסויים, משתמשים בצביעה כדי למדוד את כמות האור הנספגת על ידי המינים הצבעוניים. הספיגה מומרת לריכוז.
הניסוי הבא ידגים את הניתוח של ריכוזי חנקות ופוספטים בדגימות מים באמצעות מנות ריאגנט מעורבות מראש כדי לבצע טכניקה צבעונית זו.
כדי להתחיל את מדידת החנקן, מצא את התוכנית עבור חנקות על colorimeter, ולהכניס את מספר התוכנית המתאים או להגדיר את colorimeter למדוד ב 420 ננומטר. למדוד 10 מ"ל של דגימת המים, צינור לתוך צינור מדגם, ולתייג את הצינור. הכן צינור זהה שני, וסמן אותו כריקים.
הוסף את התוכן של אחת מנות ריאגנט שיטת הפחתת קדמיום מעורב מראש לצינור המדגם. כובע שני צינורות מדגם. התחל לתזמן את תקופת התגובה של דקה אחת עבור ריאגנט. לנער את הצינור במרץ ביד עד זמן התגובה הושלם.
הניחו את הצינור, והתחילו תקופת תגובה שנייה של 5 דקות כדי לאפשר לקדמיום להפחית חנקן. כאשר תקופת התגובה נגמרת, יש לנקות את שני הצינורות במגבת נייר ללא מוך.
מניחים את הצינור לדוגמה ללא ריאגנט, שכותרתו הריקה, בצביעה. ודא שאין תוויות שיפריעו לנתיב האור. יש לכסות היטב את התא במכסה המכשיר כדי להבטיח שכל אור הסביבה ייחסם מתא הדגימה.
כייל את colorimeter עם ריק לקריאה של 0.0 מ"ג / L חנקתי כמו חנקן. הסר את הצינור הריק והצב את צינור הדגימה במחזיק המדגם, והחלף את מכסה המכשיר. למדוד את ספיגת המדגם, ולהציג את הריכוז של חנקן כמו חנקן במדגם.
מדידת הזרחן במדגם מים דומה למדידה של חנקן. ראשית, למדוד 5 מ"ל של דגימת המים ולהזרים אותו לתוך צינור מדגם. מוסיפים את התוכן של כרית אבקת אשלגן פרסולפט מעורבבת אחת עבור פוספונט לצינור המדגם.
מכסים את הצינור בחוזקה ומנערים כדי להמיס את האבקה. תייג את החלק העליון של המכסה. מניחים את הצינור בכור במכסה המנוע, ומחממים במשך 30 דקות ב 150 °C (50 °F). לאחר החימום, להסיר את הצינור מן הכור, למקם אותו על מתלה צינור, ולאפשר לו להתקרר לטמפרטורת החדר.
לאחר מכן, להתאים את ה- pH על ידי הוספת 2 מ"ל של 1.54 M נתרן הידרוקסיד לצינור המדגם. מכסים את הצינור ומערבבים. על colorimeter, לאתר את מספר התוכנית עבור פוספט ולהזין את מספר התוכנית, או להגדיר את הספקטרופוטומטר כדי למדוד ספיגה ב 880 ננומטר.
נקו את צינור הדגימה עם מגבון ללא מוך, וטענו את המבחנה לתוך מקלע הצבעים. ודא ששום תוויות לא מפריעות לנתיב האור בכלי. הנח את הכיסוי על הכלי וכייל באמצעות המדגם שלא נטען כרקה.
הסר את הצינור מן המכשיר, ולהוסיף את התוכן של חבילת ריאגנט שיטת חומצה אסקורבית מעורב מראש למבחנה. מכסים את הצינור בחוזקה, ומנערים את הצינור כדי לערבב. מניחים את הצינור בארון תקשורת, ויזמה תקופת תגובה של 2 דקות באמצעות טיימר.
לאחר שתקופת התגובה נגמרה צבע הפתרון צריך להיות כחול. נקו את החלק החיצוני של הצינור עם מגבת נייר ללא מוך. מניחים את המבחנה לתוך המכשיר עם כל התוויות מחוץ לנתיב האור.
סגור את כיסוי תא הדגימה ותלחץ על לחצן READ. התוצאות יוצגו ב mg/L. אם משתמשים בספקטרופוטומטר, מודדים את ספיגת הדגימה ב-880 ננומטר.
ריכוזי החנקות והפוספט בענף נהר מטרופולין הושוו ב-5 אתרי מדגם שונים בניסוי זה.
מי נהר נקיים מכילים בדרך כלל 0 עד 1 מ"ג / ליטר של חנקן חנקתי ו 0 עד 0.03 מ"ג / ליטר של פוספט-זרחן. ריכוזים בין 3 ל 5 מ"ג / ליטר של חנקן חנקתי ו 0.03 כדי 0.1 מ"ג / ליטר של פוספט-זרחן נחשב גבוה, ומעל טווחים אלה נחשב אוטרופי.
רמות החנקות והפוספט היו גבוהות ב-3 מתוך 5 מיקומי הדגימה. באופן דומה, ריכוזי חנקות ופוספט ממוצעים הושוו במעלה הזרם ובמורד הזרם של מפעל לטיפול במים. המדידה במעלה הזרם מייצגת מים לא מטופלים, בעוד המדידה במורד הזרם מייצגת נגר ממפעל הטיפול.
המדידה במורד הזרם הייתה נמוכה בפוספטים עקב הסרת חומר אורגני במהלך תהליך הטיפול. עם זאת, ריכוזי החנקות הממוצעים היו גבוהים יותר במורד הזרם, מה שמצביע על תשומות חנקתיות אפשריות ליד אזור הפריקה, אולי מדשן דשא.
הבנת התוכן התזונתי של נגר מים, והשפעתו הנובעת מכך על חיי הצמח הימי חשובה ביותר לשימור המערכות האקולוגיות הטבעיות שלנו.
בדוגמה הבאה, מיקרואורגניזמים ימיים נחקרו בסביבות מרוחקות כגון שוניות. תוצאות אלה יכולות לעזור להדגיש את שינוי האוכלוסיות המיקרוביאליות בשל ריכוזי חנקות ופריחת האצות הנובעת מכך.
דגימות מים נאספו במיכלים הסגורים לסביבה החיצונית כדי למנוע זיהום. חיידקים נאספו על מסנן 0.22 מיקרומטר. המים המסוננים נותחו כדי לבחון זיהומים אנאורגניים. ניתוח מטגנומי מצא כי העברת חומר גנטי מיקרוביאלי הייתה בקורלציה חיובית עם ריכוז חנקתי.
על מנת להילחם באוטרופיקציה, חשוב להבין את נגר הקרקע ואת גורלם והובלתם של מזהמים בקרקע. בדוגמה הבאה, גשמים היו מדומים, ואת גורלם של מזהמים בקרקע נחקר. קופסאות אדמה היו ארוזות באדמה המכילה מזהמים של עניין, במקרה זה אוריאה, צורה נפוצה של דשן חנקן. ניתן לחקור מולקולות המכילות זרחן באותו הליך. כמות המשקעים הייתה מדומה בתנאים שונים, וההברחה נאספה ונותחה.
בדומה לדוגמה האחרונה, נגר יכול להיחקר גם בחוץ בסביבות טבעיות. כאן, מתקן מחקר נגר נבנה באזור עירוני. הוקם קיר תמך למניעת זיהום נגר לאזורים אחרים, ולאפשר איסוף מים מבוקר. אזורי העלילה הופרדו גם כן, כדי למנוע תנועת מים רוחבית. מחקרי נגר מים נערכו באמצעות מערכות השקיה. נגר מים נאסף וניתוח כימי הושלם כדי לקבוע מזהמים במים.
הרגע צפיתם בהקדמה של JoVE לניתוח חומרים מזינים במים. עכשיו אתה צריך להבין את האתגרים הקשורים נגר מים ו eutrophication, וכיצד למדוד תוכן תזונתי בדגימות מים. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
איור 2. גרף המשווה חנקות בין סוגי שימוש בקרקע שונים (לא מפותחים, חקלאיים ועירוניים).
ריכוזי חנקות ממוצעים בהשוואה במעלה הזרם ובמורד הזרם ממפעל לטיפול במים(איור 3). מדידת הזרם במורד מייצגת את השחרור מהטיפול.
איור 3. ריכוזי חנקות ממוצעים בהשוואה במעלה הזרם ובמורד הזרם ממפעל לטיפול במים. מדידת הזרם במורד מייצגת את השחרור מהטיפול.
איור 4. גרף של זרחן למקומות שונים לאורך נהר שיקגו.
ריכוזי פוספט ממוצעים בהשוואה במעלה הזרם ובמורד הזרם ממפעל לטיפול במים(איור 5). המדידה במורד הזרם מייצגת את הפריקה מהטיפול.
איור 5. ריכוזי פוספט ממוצעים בהשוואה במעלה הזרם ובמורד הזרם ממפעל לטיפול במים. המדידה במורד הזרם מייצגת את הפריקה מהטיפול.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
ריכוזים גבוהים של חנקות וזרחן יכולים לעורר תנאים אוטרופיים במים על ידי גרימת פריחת אצות המשפיעה לרעה על גורמי איכות מים אחרים כולל חמצן מומס, טמפרטורה, ואינדיקטורים אחרים. חנקות עודפות יכולות להוביל למים היפוקסיים (רמות נמוכות של חמצן מומס) שאינם מסוגלים עוד לתמוך בחיים אירוביים היוצרים "אזור מת", שבו מינים לא ניידים מתים המוניים ומינים ניידים מתרחקים למים אחרים. אזורים מתים מתרחשים ברחבי העולם באזורי חוף שבהם מתכנסות כמויות גדולות של נגר ושפכים עתירי חומרים מזינים, והחיים הימיים מרוכזים ביותר(איור 6). שניים מהשטחים המתים הגדולים ביותר נמצאים בים הבלטי, שם נמדדו בממוצע 49,000 ק"מ2 מים המכילים פחות מ-2 מ"ג/ליטר של חמצן מומס, ובצפון מפרץ מקסיקו עם שטח מת שנמדד ב-17,353 ק"מ2.
איור 6. אזורים מתים ימיים ברחבי העולם
עיגולים אדומים מראים את המיקום והגודל של אזורים מתים רבים. נקודות שחורות מראות אזורים מתים בגודל לא ידוע. כחול כהה יותר בתמונה זו מראה ריכוזים גבוהים יותר של חומר אורגני חלקיקי, אינדיקציה למים הפוריים מדי שיכולים להסיק לשיאם באזורים מתים. הגודל והמספר של האזורים המתים הימיים — אזורים שבהם המים העמוקים כה נמוכים בחמצן מומס שיצורי ים לא יכולים לשרוד — גדלו בצורה נפיצה בחצי המאה האחרונה. אין זה צירוף מקרים כי אזורים מתים מתרחשים במורד הנהר של מקומות שבהם צפיפות האוכלוסייה האנושית גבוהה (החום הכהה ביותר).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
