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Nutrienti negli ecosistemi acquatici

Overview

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

L'azoto e il fosforo sono nutrienti vegetali essenziali presenti negli ecosistemi acquatici ed entrambi sono monitorati come parte dei test di qualità dell'acqua perché in quantità eccessive possono causare problemi significativi di qualità dell'acqua.

L'azoto in acqua è misurato come la forma comune di nitrato (NO3-) che viene disciolto in acqua e prontamente assorbito da fotosintetizzatori come le alghe. La forma comune di fosforo misurata è il fosfato (PO43-), che è fortemente attratto dalle particelle di sedimento e disciolto in acqua. In quantità eccessive, entrambi i nutrienti possono causare un aumento della crescita delle piante acquatiche (fioritura algale, Figura 1)che può interrompere la luce, la temperatura e i livelli di ossigeno nell'acqua sottostante e portare all'eutrofizzazione e all'ipossia (basso livello di ossigeno disciolto nell'acqua) formando una "zona morta" senza attività biologica. Le fonti di nitrati e fosforo includono impianti di trattamento delle acque reflue, deflusso da prati fertilizzati e terreni agricoli, sistemi settici difettosi, deflusso di letame animale e scarico di rifiuti industriali.

Figure 1
Figura 1. Fioritura algale
Scattata nel 2011, la feccia verde mostrata in questa immagine è stata la peggiore fioritura di alghe che il lago Erie abbia mai sperimentato negli ultimi decenni. Record di piogge primaverili torrenziali hanno lavato il fertilizzante nel lago, promuovendo la crescita di microcistina producendo fioriture di cianobatteri. Filamenti verdi vibranti si estendono dalla costa settentrionale.

Principles

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Le concentrazioni di nitrati e fosfati possono essere misurate in campioni di acqua utilizzando reagenti chimici noti che fanno cambiare colore al campione quando si trova in presenza di un nutriente specifico, con un'intensità del colore crescente che indica una maggiore concentrazione del nutriente. Per garantire il rilascio di qualsiasi molecola di fosfato che è legata ai sedimenti nell'acqua, i campioni di fosforo vengono digeriti chimicamente e con calore per rilasciare legami fosfatici per una misura del fosfato totale nel campione.

Per quantificare l'intensità del colore prodotta dal reagente, viene utilizzato uno spettrofotometro per misurare la lunghezza d'onda specifica della luce che corrisponde a ciascun colore causato dai nutrienti e dai loro reagenti (nitrati ambra; fosfati blu). Lo spettrofotometro invia quindi un fascio di luce attraverso ciascun campione per misurare la quantità di quella luce che viene assorbita dal colore (assorbanza). Più scuro è il colore, maggiore è l'assorbanza. Lo spettrofotometro converte quindi l'assorbanza in una concentrazione di nutrienti visualizzata (mg / L) in base a saggi di concentrazione noti.

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Procedure

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1. Misurare l'azoto nel campione

  1. Sullo spettrofotometro, trova il programma per il nitrato (con manuale utente o menu dello strumento) e inserisci il numero del programma.
  2. Pipettare 10 mL del campione d'acqua in una delle provette del campione. Versarlo in uno dei tubi campione.
  3. Ripetere l'operazione per una seconda provetta.
  4. Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere di reagente nitrato a una provetta campione.
  5. Cappuccio in entrambe le provette campione.
  6. Sullo spettrofotometro, premere timer e immettere per avviare un periodo di reazione per il reagente. Agitare vigorosamente il campione fino al termine del tempo di reazione e ai elisi del timer. Il campione inizierà a diventare ambrato.
  7. Premere invio. Inizierà un secondo periodo di reazione di 5 minuti.
  8. Dopo che il timer emette un elica un bip la seconda volta, pulire l'esterno delle due provette del campione con un tovagliolo di carta privo di lanugine.
  9. Posizionare la provetta del campione senza tubo di reagente (vuoto) nello spettrofotometro.
  10. Coprire saldamente la cella con il cappuccio dello strumento per garantire che la luce ambientale sia bloccata.
  11. Azzerare lo spettrofotometro per una lettura di 0,0 mg/L NO3-N.
  12. Rimuovere la cella vuota e posizionare la cella campione con il reagente nel supporto della cella. Coprire ermeticamente la cella campione con il cappuccio dello strumento.
  13. Premere LEGGI. Il cursore si sposterà verso destra, quindi verranno visualizzati i risultati in mg/L NO3-N.

2. Misurare il fosforo nel campione

  1. Misurare 5,0 ml del campione d'acqua utilizzando una pipetta.
  2. Versare l'acqua misurata in una provetta campione.
  3. Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere di persolfato di potassio per fosfonato alla provetta del campione.
  4. Tappare saldamente il tubo e agitare per sciogliere.
  5. Etichettare la parte superiore del tappo del tubo e posizionare il tubo in un reattore COD (in una cappa chimica) e riscaldare per 30 minuti.
  6. Metterlo in una griglia per provette e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.
  7. Utilizzando un cilindro graduato, misurare 2 mL di idrossido di sodio 1,54 N.
  8. Versarlo nella provetta del campione. Tappo e mescolare.
  9. Sullo spettrofotometro, trova il numero di programma per il fosfato (con manuale utente o menu dello strumento) e inserisci il numero del programma.
  10. Pulire l'esterno della provetta con un tovagliolo di carta privo di lanugine.
  11. Posizionare la provetta in modo che sia rivolta verso la parte anteriore dello strumento.
  12. Posizionare il coperchio sulla provetta.
  13. Estrai la provetta e aggiungi il contenuto del cuscino in polvere reagente acquistato per il metodo dell'acido ascorbico.
  14. Tappare saldamente e agitare per 10-15 s.
  15. Premere timer e quindi invio. Inizierà un periodo di attesa di 2 minuti.
  16. Dopo che il timer emette un eschetto, pulire l'esterno della provetta con un tovagliolo di carta privo di lanugine.
  17. Posizionare la provetta nello strumento con il logo rivolto verso la parte anteriore dello strumento.
  18. Posizionare il coperchio sopra la provetta.
  19. Premere leggi. Il display mostrerà i risultati in mg/L.

L'azoto e il fosforo sono nutrienti vegetali essenziali che si trovano negli ecosistemi acquatici, tuttavia, in quantità eccessive, possono causare significativi problemi di qualità dell'acqua. L'azoto e il fosforo nell'acqua si trovano tipicamente nelle forme di nitrato e fosfato, rispettivamente. Entrambi i nutrienti sono disciolti in acqua e sono facilmente assorbiti da fotosintetizzatori come le alghe.

Nitrati e fosfati entrano nei sistemi idrici attraverso il deflusso di acqua dolce da impianti di trattamento delle acque reflue, prati fertilizzati e terreni agricoli, sistemi settici difettosi e scarichi di rifiuti industriali. In quantità eccessive, entrambi i nutrienti possono causare un aumento della crescita delle piante acquatiche e delle fioriture di alghe, chiamate eutrofizzazione. Queste fioriture di alghe vivono sulla superficie dell'acqua, al fine di accedere facilmente all'ossigeno e alla luce solare.

Di conseguenza, l'eutrofizzazione impedisce ai livelli più bassi dell'acqua di accedere alla luce solare e all'ossigeno nell'aria. Quando le alghe muoiono, affondano nei livelli più bassi dell'acqua e si decompongono, consumando ossigeno nell'acqua più profonda causando ipossia o bassi livelli di ossigeno disciolto. Affamata di ossigeno e tagliata fuori dal rifornimento, l'acqua profonda diventa una zona morta. Di conseguenza, pesci e altri organismi muoiono in numero massiccio. Le zone morte sono diffuse negli oceani e nei laghi del mondo, prevalentemente nelle aree urbane altamente popolate.

Questo video introdurrà la metodologia per misurare le concentrazioni di nitrati e fosfati nelle acque superficiali e dimostrerà le misurazioni in laboratorio.

L'azoto nell'acqua è riportato in termini di "nitrato-come-azoto". La frase "nitrato come azoto" si riferisce alla quantità di azoto in forma di nitrato. Pertanto, la concentrazione di nitrato come azoto può essere convertita in concentrazione di nitrato utilizzando i rapporti dei pesi molecolari di azoto e nitrato.

La concentrazione di nitrati viene misurata utilizzando il metodo di riduzione del cadmio. Il metallo cadmio riduce i nitrati a nitriti, quindi gli ioni nitriti reagiscono con l'acido sulfanilico per formare un sale di diazonio intermedio. Il sale di diazonio si accoppia quindi con l'acido gentisico e forma un composto di colore ambrato. Più scuro è il colore ambrato, maggiore è la concentrazione di nitrato nel campione.

La concentrazione di fosforo nei campioni di acqua è riportata in modo simile, in termini di quantità di fosforo in forma di fosfato. La conversione tra concentrazione di fosfato e concentrazione di fosfato come fosforo può essere facilmente completata utilizzando il peso molecolare. I fosfati sono presenti nell'acqua in molte conformazioni diverse. Tutti i fosfati devono prima essere convertiti in ortofosfati attraverso l'idrolisi riscaldando i campioni con acido e persolfato di potassio.

Il metodo dell'acido ascorbico/molibdato viene utilizzato per calcolare la concentrazione di ortofosfato. Gli ortofosfati reagiscono con il molibdato di sodio in condizioni acide per produrre un complesso fosfato/molibdato. L'acido ascorbico viene quindi utilizzato per ridurre il complesso, producendo un prodotto di colore blu. Per quantificare l'intensità del colore prodotta dal reagente in entrambi gli esperimenti, viene utilizzato un colorimetro per misurare la quantità di luce assorbita dalle specie colorate. L'assorbanza viene quindi convertita in concentrazione.

Il seguente esperimento dimostrerà l'analisi delle concentrazioni di nitrati e fosfati in campioni d'acqua utilizzando pacchetti di reagenti premiscelati per eseguire questa tecnica colorimetrica.

Per iniziare la misurazione dell'azoto, trovare il programma per il nitrato sul colorimetro e inserire il numero di programma appropriato o impostare il colorimetro per misurare a 420 nm. Misurare 10 ml del campione d'acqua, pipettare in una provetta ed etichettare il tubo. Preparare un secondo tubo identico ed etichettarlo come vuoto.

Aggiungere il contenuto di una confezione di reagente premiscelato con metodo di riduzione del cadmio alla provetta del campione. Cappuccio in entrambe le provette campione. Iniziare a cronometrare il periodo di reazione di 1 minuto per il reagente. Agitare vigorosamente il tubo a mano fino al completamento del tempo di reazione.

Impostare il tubo verso il basso e iniziare un secondo periodo di reazione di 5 minuti per consentire al cadmio di ridurre l'azoto. Al termine del periodo di reazione, pulire entrambi i tubi con un asciugamano di carta privo di lanugine.

Posizionare la provetta del campione senza reagente, etichettata come vuota, nel colorimetro. Assicurarsi che nessuna etichetta interferisca con il percorso della luce. Coprire saldamente la cella con il cappuccio dello strumento per garantire che tutta la luce ambientale sia bloccata dalla camera del campione.

Calibrare il colorimetro con il bianco per una lettura di 0,0 mg/L di nitrato come azoto. Rimuovere il tubo vuoto e posizionare la provetta del campione nel supporto del campione e sostituire il cappuccio dello strumento. Misurare l'assorbanza del campione e visualizzare la concentrazione di nitrato come azoto nel campione.

La misurazione del fosforo in un campione d'acqua è simile alla misurazione dell'azoto. In primo luogo, misurare 5 ml del campione d'acqua e convogliarlo in una provetta. Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere di persolfato di potassio premiscelato per fosfonato alla provetta del campione.

Tappare saldamente il tubo e agitare per sciogliere la polvere. Etichettare la parte superiore del cappuccio. Posizionare il tubo nel reattore in una cappa e riscaldare per 30 minuti a 150 °C. Dopo il riscaldamento, rimuovere il tubo dal reattore, posizionarlo in un rack tubolare e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.

Quindi, regolare il pH aggiungendo 2 mL di idrossido di sodio 1,54 M alla provetta del campione. Tappare il tubo e mescolare. Sul colorimetro, individuare il numero di programma per il fosfato e immettere il numero di programma oppure impostare lo spettrofotometro per misurare l'assorbanza a 880 nm.

Pulire la provetta del campione con una salvietta priva di lanugine e caricare la provetta nel colorimetro. Assicurarsi che nessuna etichetta interferisca con il percorso della luce nello strumento. Posizionare il coperchio sullo strumento e calibrare utilizzando il campione non ricreato come bianco.

Rimuovere il tubo dallo strumento e aggiungere il contenuto di un pacchetto di reagente con metodo dell'acido ascorbico premiscelato alla provetta. Tappare saldamente il tubo e agitare il tubo per mescolare. Posizionare il tubo in un rack e avviare un periodo di reazione di 2 minuti utilizzando un timer.

Dopo che il periodo di reazione è finito, il colore della soluzione dovrebbe essere blu. Pulire l'esterno del tubo con un tovagliolo di carta senza lanugine. Posizionare la provetta nello strumento con tutte le etichette fuori dal percorso della luce.

Chiudere il coperchio della camera del campione e premere il pulsante READ. I risultati saranno mostrati in mg/L. Se si utilizza uno spettrofotometro, misurare l'assorbanza del campione a 880 nm.

Le concentrazioni di nitrato e fosfato in un ramo fluviale metropolitano sono state confrontate in 5 diversi siti campione in questo esperimento.

L'acqua pulita del fiume contiene in genere da 0 a 1 mg / L di azoto nitrico e da 0 a 0,03 mg / L di fosfato-fosforo. Concentrazioni comprese tra 3 e 5 mg/L di nitrato-azoto e da 0,03 a 0,1 mg/L di fosfato-fosforo sono considerate elevate e al di sopra di questi intervalli considerate eutrofiche.

I livelli di nitrati e fosfati erano elevati in 3 dei 5 luoghi di campionamento. Analogamente, le concentrazioni medie di nitrati e fosfati sono state confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque. La misurazione a monte rappresenta l'acqua non trattata, mentre la misurazione a valle rappresenta il deflusso dall'impianto di trattamento.

La misurazione a valle era a basso contenuto di fosfati a causa della rimozione di materiale organico durante il processo di trattamento. Tuttavia, le concentrazioni medie di nitrati erano più elevate a valle, indicando possibili apposizioni di nitrati vicino all'area di scarico, possibilmente da fertilizzante per prato.

Comprendere il contenuto di nutrienti del deflusso dell'acqua e il suo conseguente effetto sulla vita vegetale marina è estremamente importante per preservare i nostri ecosistemi naturali.

Nell'esempio seguente, i microrganismi marini sono stati studiati in ambienti remoti come le barriere coralline. Questi risultati possono aiutare a chiarire le mutevoli popolazioni microbiche a causa delle concentrazioni di nitrati e delle fioriture algali risultanti.

I campioni d'acqua sono stati raccolti in contenitori chiusi all'ambiente esterno per prevenire la contaminazione. I microbi sono stati raccolti su un filtro da 0,22 μm. L'acqua filtrata è stata analizzata per esaminare le impurità inorganiche. L'analisi metagenomica ha rilevato che il trasferimento di materiale genetico microbico era correlato positivamente con la concentrazione di nitrati.

Per combattere l'eutrofizzazione, è importante comprendere il deflusso del suolo e il destino e il trasporto dei contaminanti nel suolo. Nell'esempio seguente, è stata simulata la pioggia e studiato il destino dei contaminanti nel suolo. Le scatole di terreno erano piene di terreno contenente contaminanti di interesse, in questo caso l'urea, una forma comune di fertilizzante azotato. Le molecole contenenti fosforo possono essere studiate con la stessa procedura. Le precipitazioni sono state simulate in diverse condizioni e il deflusso è stato raccolto e analizzato.

Simile all'ultimo esempio, il deflusso può essere studiato anche all'aperto in ambienti naturali. Qui, una struttura di ricerca di deflusso è stata costruita in un'area urbana. Un muro di contenimento è stato costruito per prevenire la contaminazione da deflusso verso altre aree e per consentire la raccolta controllata dell'acqua. Anche le aree della trama sono state separate, per impedire il movimento laterale dell'acqua. Gli studi sul deflusso dell'acqua sono stati condotti utilizzando sistemi di irrigazione. Il deflusso dell'acqua è stato raccolto e un'analisi chimica è stata completata per determinare i contaminanti nell'acqua.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'analisi dei nutrienti dell'acqua nelle acque superficiali. Ora dovresti capire le sfide associate al deflusso e all'eutrofizzazione dell'acqua e come misurare il contenuto di nutrienti nei campioni di acqua. Grazie per l'attenzione!

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Results

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Figure 2
Figura 2. Grafico che confronta i nitrati tra diversi tipi di uso del suolo (non sviluppati, agricoli e urbani).

Concentrazioni medie di nitrati confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque (Figura 3). La misurazione a valle rappresenta lo scarico dal trattamento.

Figure 3
Figura 3. Concentrazioni medie di nitrati confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque. La misurazione a valle rappresenta lo scarico dal trattamento.

Figure 4
Figura 4. Grafico del fosforo per diverse località lungo il fiume Chicago.

Concentrazioni medie di fosfato confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque (Figura 5). Le misurazioni a valle rappresentano lo scarico dal trattamento.

Figure 5
Figura 5. Concentrazioni medie di fosfato confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque. Le misurazioni a valle rappresentano lo scarico dal trattamento.

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Applications and Summary

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Alte concentrazioni di nitrati e fosforo possono stimolare le condizioni eutrofiche nell'acqua causando la fioritura algale che influisce negativamente su altri fattori di qualità dell'acqua tra cui ossigeno disciolto, temperatura e altri indicatori. L'eccesso di nitrati può portare ad acqua ipossica (bassi livelli di ossigeno disciolto) non più in grado di sostenere la vita aerobica creando una "zona morta", dove le specie non mobili muoiono di massa e le specie mobili si allontanano in altre acque. Le zone morte si verificano a livello globale nelle regioni costiere dove convergono grandi quantità di deflusso ad alto contenuto di nutrienti e acque reflue e la vita acquatica è più altamente concentrata (Figura 6). Due delle più grandi zone morte si trovano nel Mar Baltico, dove in media 49.000 km2 di acqua conteneva meno di 2 mg / L di ossigeno disciolto, e nel Golfo del Messico settentrionale con una zona morta misurata a 17.353 km2.

Figure 6
Figura 6. Zone morte marine in tutto il mondo
I cerchi rossi mostrano la posizione e le dimensioni di molte zone morte. I punti neri mostrano zone morte di dimensioni sconosciute. I blu più scuri in questa immagine mostrano concentrazioni più elevate di materia organica particolata, un'indicazione delle acque eccessivamente fertili che possono culminare in zone morte. Le dimensioni e il numero di zone morte marine – aree in cui l'acqua profonda è così bassa in ossigeno disciolto che le creature marine non possono sopravvivere – sono cresciute in modo esplosivo nell'ultimo mezzo secolo. Non è un caso che le zone morte si verifichino a valle di luoghi in cui la densità della popolazione umana è elevata (marrone più scuro).

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