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수생 생태계의 영양소

Overview

출처: 마가렛 노동자와 킴벌리 프라이의 실험실 - 데폴 대학

질소와 인은 수생 생태계에서 발견되는 필수 식물 영양소이며, 과도한 양으로 인해 상당한 수질 문제를 일으킬 수 있기 때문에 둘 다 수질 테스트의 일부로 모니터링됩니다.

물에 있는 질소는 물에 용해되고 조류와 같은 광합성자에 의해 쉽게 흡수되는 일반적인 형태의 질산염(NO3-)으로측정됩니다. 측정된 인의 일반적인 형태는 인산염(PO43-)으로,침전물 입자뿐만 아니라 물에 용해되는 것으로 강하게 끌린다. 과량으로 양양모두 아래 물의 빛, 온도 및 산소 수준을 방해하고 부영양화 및 저산소증(물에 낮은 용존 산소)을 유발하여 생물학적 활성이 없는 "데드 존"을 형성할 수 있는 수생 식물 성장(조류 꽃, 도 1)의증가를 유발할 수 있다. 질산염과 인의 원천으로는 폐수 처리 장, 수정된 잔디와 농지에서 유출, 결함이있는 정화조 시스템, 동물 분뇨 유출 및 산업 폐기물 배출이 포함됩니다.

Figure 1
그림 1. 조류 꽃
2011년에 촬영된 이 이미지에 나타난 녹색 쓰레기는 이리 호수가 수십 년 동안 경험한 최악의 조류 꽃이었습니다. 기록적인 집중 봄 비가 호수로 비료를 씻어 내고, 치아노박테리아를 생산하는 미세시스틴의 성장을 촉진합니다. 활기찬 녹색 필라멘트는 북부 해안에서 뻗어 있습니다.

Principles

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질산염 및 인산염 농도는 특정 영양소가 있을 때 시료가 색을 변화시키는 원인이 되는 공지된 화학 시약을 사용하여 수분 샘플에서 측정될 수 있으며, 색 강도가 증가하여 영양소의 농도가 증가합니다. 물 속퇴물에 결합되는 인산염 분자의 방출을 보장하기 위해 인 샘플은 화학적으로 소화되며 열로 인해 시료의 총 인산염 측정을 위해 인산염 결합을 방출합니다.

시약에 의해 생성 된 색상 강도를 정량화하기 위해, 분광계는 영양소와 시약 (질산염 황색; 인산염 블루)에 의해 발생 각 색상에 해당하는 빛의 특정 파장을 측정하는 데 사용됩니다. 그런 다음 분광광계는 각 샘플을 통해 빛의 빔을 전송하여 색상(흡광도)에 흡수되는 빛의 양을 측정합니다. 색상이 어두워지면 흡수율이 높아지습니다. 분광광계는 공지된 농도 분석법에 기초하여 광흡수를 표시된 영양소 농도(mg/L)로 변환합니다.

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Procedure

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1. 샘플에서 질소 측정

  1. 분광계에서 질산염(사용자 설명서 또는 기기 메뉴)을 찾아 프로그램 번호를 입력합니다.
  2. 샘플 샘플의 파이펫 10 mL을 샘플 튜브 중 하나로 넣습니다. 이를 샘플 튜브 중 하나에 붓습니다.
  3. 두 번째 샘플 튜브를 반복합니다.
  4. 질산염 시약 파우더 베개 1개 내용물을 샘플 튜브 1개에 추가합니다.
  5. 두 샘플 튜브를 캡.
  6. 분광계에서 타이머를 누르고 시약반응 기간을 시작한다. 반응 시간이 끝날 때까지 샘플을 격렬하게 흔들어 타이머가 경고음을 울립니다. 샘플은 황색으로 바뀌기 시작합니다.
  7. enter기. 두 번째 5분 반응 기간이 시작됩니다.
  8. 타이머가 두 번째로 경고음을 낸 후, 보풀이없는 종이 타월로 두 샘플 튜브의 바깥쪽을 닦아냅니다.
  9. 시약(공백) 튜브없이 샘플 튜브를 분광계에 넣습니다.
  10. 주변 광이 차단되도록 계측기 캡으로 셀을 단단히 덮습니다.
  11. 0.0 mg/L NO 3-N의 판독을위한 분광계를 0으로 설정합니다.
  12. 빈 셀을 제거하고 시약으로 샘플 셀을 셀 홀더에 넣습니다. 샘플 셀을 계측기 캡으로 단단히 덮습니다.
  13. 읽기를누릅니다. 커서가 오른쪽으로 이동한 다음 mg/L NO3-N의결과가 표시됩니다.

2. 샘플에서 인 측정

  1. 파이펫을 사용하여 물 샘플의 5.0 mL을 측정합니다.
  2. 측정된 물을 샘플 튜브에 붓습니다.
  3. 샘플 튜브에 인을 위한 1개의 칼륨 과황산파우더 베개의 내용물을 추가합니다.
  4. 튜브를 단단히 캡하고 흔들어 녹입니다.
  5. 튜브 캡의 상단을 레이블과 대구 반응기 (화학 후드)에 튜브를 배치하고 30 분 동안 가열합니다.
  6. 테스트 튜브 랙에 놓고 실온으로 식힙니다.
  7. 졸업한 실린더를 사용하여 수산화 나트륨 1.54N의 2mL를 측정합니다.
  8. 이를 샘플 튜브에 붓습니다. 뚜껑을 덮고 섞습니다.
  9. 분광계에서 인산염 프로그램 번호(사용자 설명서 또는 기기 메뉴)를 찾아 프로그램 번호를 입력합니다.
  10. 보풀이 없는 종이 타월로 샘플 튜브의 외부를 청소하십시오.
  11. 그것은 악기의 전면을 향하고 있도록 테스트 튜브를 배치합니다.
  12. 커버를 테스트 튜브에 놓습니다.
  13. 시험관을 꺼내 서용시파우더 베개의 내용물을 아스코르브산 방법에 추가합니다.
  14. 단단히 캡과 10-15 s에 대한 흔들어.
  15. 타이머를 누그러고 입력합니다. 대기 기간이 2분 시작됩니다.
  16. 타이머가 경고음후, 보풀이없는 종이 타월로 테스트 튜브의 외부를 청소하십시오.
  17. 기기 의 전면을 향한 로고가 있는 테스트 튜브를 계측기에 넣습니다.
  18. 커버를 테스트 튜브 위에 놓습니다.
  19. 읽기를 누릅니다. 디스플레이는 mg/L의 결과를 표시합니다.

질소와 인은 수생 생태계에서 발견되는 필수 식물 영양소이지만, 과도한 양으로 인해 심각한 수질 문제를 일으킬 수 있습니다. 물에 있는 질소와 인은 전형적으로 각각 질산염과 인산염의 양식에서, 각각 있습니다. 두 영양소는 물에 용해되고 조류와 같은 광신도에 쉽게 흡수됩니다.

질산염과 인산염은 폐수 처리 공장, 수정 잔디와 농업 토지, 결함이 있는 정화조 시스템 및 산업 폐기물 배출에서 담수 유출을 통해 물 시스템에 들어갑니다. 과량으로, 두 영양소 는 위축성이라고 불리는 수생 식물 성장과 조류 꽃의 증가를 일으킬 수 있습니다. 이 조류 꽃은 쉽게 산소와 햇빛에 액세스하기 위해, 수면에 살고있다.

결과적으로 부영양화는 공기 중의 햇빛과 산소에 대한 낮은 수위를 방지합니다. 조류가 죽을 때, 그들은 낮은 수위로 가라 앉고 분해, 저산소증을 일으키는 깊은 물에 산소를 소모, 또는 낮은 용존 산소 수준. 산소가 부족하고 재보급을 차단하면 깊은 물이 사각지대가 됩니다. 그 결과, 물고기와 다른 유기체는 엄청난 숫자로 죽는다. 사각지대는 인구밀도가 높은 도시 지역에서 전 세계 바다와 호수에 널리 퍼져 있습니다.

이 비디오는 지표수에서 질산염 및 인산염 농도를 측정하는 방법론을 소개하고 실험실에서 측정을 시연합니다.

물에 있는 질소는 "질산염으로 질소"의 관점에서 보고됩니다. "질산염-질소"라는 문구는 질산염 형태로 질소의 양을 나타냅니다. 따라서 질산염-질소 농도는 질소 및 질산염의 분자량의 비율을 사용하여 질산염 농도로 변환될 수 있다.

질산염 농도는 카드뮴 환감 방법을 사용하여 측정된다. 카드뮴 금속은 질산염을 아질산으로 감소시키고, 아질산 이온은 황판산과 반응하여 중간 디아조늄 소금을 형성합니다. 디아조늄 소금은 젠티산과 결합하고 호박색 화합물을 형성합니다. 호박색이 어두워질수록 샘플에서 질산염 농도가 높아지다.

물 샘플에서 인의 농도는 인산염 형태의 인의 양 측면에서 유사하게 보고된다. 인산염 농도와 인산염 농도 사이의 변환은 분자량을 사용하여 쉽게 완료될 수 있다. 인산염은 다양한 순응도에 따라 물에 존재한다. 모든 인산염은 먼저 산및 칼륨 과황염으로 샘플을 가열하여 가수 분해를 통해 정형 외과로 변환해야합니다.

아스코르브산/몰리비데이트 방법은 정형외과산 농도를 계산하는 데 사용된다. 직소산염은 산성 조건에서 몰리비테 나트륨과 반응하여 인산염/몰리비데이트 복합체를 생성합니다. 아스코르브산은 복합체를 줄이는 데 사용되어 파란색 제품을 생산합니다. 두 실험에서 시약에 의해 생성된 색 강도를 정량화하기 위해 색계계가 유색종에 흡수되는 빛의 양을 측정하는 데 사용된다. 흡광도는 그 때 집중으로 변환됩니다.

다음 실험은 이러한 착색 기술을 수행하기 위해 사전 혼합 시약 패킷을 사용하여 물 샘플에서 질산염 및 인산염 농도의 분석을 시연할 것이다.

질소 측정을 시작하려면, 색계에 질산염에 대한 프로그램을 찾아, 적절한 프로그램 번호를 입력하거나 420 nm에서 측정할 색계를 설정합니다. 물 샘플의 10mL를 측정하고, 샘플 튜브로 파이프를 입력하고, 튜브에 라벨을 부착합니다. 두 번째 동일한 튜브를 준비하고 빈 튜브로 레이블을 지정합니다.

샘플 튜브에 미리 혼합된 카드뮴 환원 방법 시약 패킷의 내용을 추가합니다. 두 샘플 튜브를 캡. 시약에 대한 1 분 반응 기간 타이밍을 시작합니다. 반응 시간이 완료될 때까지 튜브를 손으로 힘차게 흔들어 줍니다.

튜브를 아래로 설정하고, 카드뮴이 질소를 줄일 수 있도록 두 번째 5 분 반응 기간을 시작합니다. 반응 기간이 끝나면 두 튜브를 보풀이 없는 종이 타월로 깨끗하게 닦으십시오.

시약없이 샘플 튜브를 배치, 빈 라벨, 컬러 미터에. 어떤 레이블도 라이트 경로를 방해하지 않도록 합니다. 모든 주변 광이 샘플 챔버에서 차단되도록 계측기 캡으로 셀을 단단히 덮습니다.

질소로 0.0 mg/L 질산염을 판독하기 위해 빈 색계를 보정합니다. 빈 튜브를 제거하고 샘플 홀더에 샘플 튜브를 배치하고 계측기 캡을 교체합니다. 시료 흡광도를 측정하고 질산염 농도를 샘플에서 질소로 표시합니다.

물 샘플에서 인의 측정은 질소의 측정과 유사합니다. 먼저, 물 샘플의 5mL를 측정하고 샘플 튜브로 파이프. 샘플 튜브에 인산염을 위한 사전 혼합 칼륨 과황산 분말 베개 1개의 내용물을 추가합니다.

튜브를 단단히 캡하고 흔들어 분말을 녹입니다. 캡 의 상단에 레이블을 지정합니다. 튜브를 후드에 넣고 150°C에서 30분 동안 가열합니다. 가열 후, 반응기에서 튜브를 제거하고 튜브 랙에 배치하고 실온으로 냉각 할 수 있습니다.

다음으로, 샘플 튜브에 수산화 나트륨 1.54M의 2mL를 추가하여 pH를 조정한다. 튜브를 캡하고 혼합합니다. 색도계에서 인산염에 대한 프로그램 번호를 찾아 프로그램 번호를 입력하거나 880 nm에서 흡광도를 측정하기 위해 분광계를 설정합니다.

보풀이 없는 물티슈로 샘플 튜브를 청소하고 테스트 튜브를 컬러미터에 적재합니다. 기기의 라이트 경로를 방해하는 레이블이 없는지 확인합니다. 커버를 계측기 위에 놓고 반응하지 않은 샘플을 빈 칸으로 사용하여 보정합니다.

기기에서 튜브를 제거하고 미리 혼합된 아스코르브산 방법 시약 패킷의 내용을 시험관에 추가합니다. 튜브를 단단히 캡하고 튜브를 흔들어 섞습니다. 튜브를 랙에 놓고 타이머를 사용하여 2 분 반응 기간을 시작합니다.

반응 기간이 끝나면 솔루션 색상이 파란색이어야 합니다. 보풀이 없는 종이 타월로 튜브 의 외부를 청소하십시오. 테스트 튜브를 라이트 경로에서 모든 라벨이 있는 기기에 넣습니다.

샘플 챔버 커버를 닫고 읽기 버튼을 누를 수 있습니다. 결과는 mg/L에 표시됩니다. 분광계를 사용하는 경우 880 nm에서 샘플 흡광도를 측정합니다.

수도권 강가지에 있는 질산염과 인산염의 농도는 본 실험에서 5개의 다른 견본 현장에서 비교되었다.

깨끗한 강물은 전형적으로 질산염 질소의 0 - 1 mg /L및 인산염 인의 0 ~ 0.03 mg / L을 포함합니다. 농도 사이 3 받는 다 5 질산염 질소의 mg/L 및 0.03 받는 다 0.1 인산염-인의 mg/L 높은 것으로 간주 됩니다., 그리고 위 축 호 간주 이러한 범위 위에.

질산염 및 인산염 수준은 5개의 샘플링 위치 의 3에서 높았습니다. 마찬가지로, 평균 질산염 및 인산염 농도는 수처리 플랜트의 상류 및 하류를 비교했다. 업스트림 측정은 처리되지 않은 물을 나타내며, 다운스트림 측정은 처리 플랜트의 유출을 나타냅니다.

하류 측정은 처리 과정에서 유기 물질의 제거로 인한 인산염이 낮았다. 그러나, 평균 질산염 농도는 더 높은 다운스트림이었다, 배출 지역 근처 가능한 질산염 입력을 나타내는, 아마도 잔디 비료에서.

물 유출의 영양소 함량과 해양 플랜트 생물에 미치는 영향을 이해하는 것은 자연 생태계를 보존하는 데 매우 중요합니다.

다음 예에서는, 해양 미생물은 암초와 같은 외딴 환경에서 공부되었다. 이러한 결과 질산염 농도 와 결과 조류 꽃으로 인해 변경 된 미생물 인구를 해명 하는 데 도움이 될 수 있습니다.

물 샘플은 오염을 방지하기 위해 외부 환경으로 폐쇄되는 용기에서 수집되었습니다. 미생물은 0.22 μm 필터로 수집되었다. 여과된 물은 무기 불순물을 검사하기 위해 분석되었다. 메타게놈 분석은 미생물 유전 물질의 전송이 질산염 농도와 긍정적으로 상관관계가 있음을 발견했습니다.

부영양화에 대처하기 위해서는 토양 유출과 토양의 오염 물질의 운명과 수송을 이해하는 것이 중요합니다. 다음 예에서 강우량을 시뮬레이션하고 토양에서 오염 물질의 운명을 연구했습니다. 토양 상자는 관심의 오염 물질을 포함하는 토양으로 포장되었다, 이 경우 우레아, 질소 비료의 일반적인 형태. 인 함유 분자는 동일한 절차로 연구될 수 있습니다. 강우량은 다른 조건에서 시뮬레이션되었고 유출은 수집및 분석되었습니다.

마지막 예와 마찬가지로, 유출은 자연 환경에서 야외에서 공부할 수도 있습니다. 여기에 도시 지역에 유출 연구 시설이 건설되었습니다. 다른 지역으로의 유출 오염을 방지하고 제어된 수심을 가능하게 하기 위해 옹벽이 건설되었습니다. 측면 물의 움직임을 방지하기 위해 플롯 영역도 분리되었습니다. 물 유출 연구는 관개 시스템을 사용하여 수행되었다. 물 유출을 수집하고 물 내 오염 물질을 결정하기 위해 화학 분석을 완료했다.

당신은 단지 지표수에서 물 영양소 분석에 대한 JoVE의 소개를 보았다. 이제 물 유출 및 부영양화와 관련된 과제와 물 샘플의 영양소 함량을 측정하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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Figure 2
그림 2. 다른 토지 이용 유형(미개발, 농업 및 도시)의 질산염을 비교하는 그래프.

수처리 공장에서 상류 및 하류를 비교한 평균 질산염농도(그림 3). 다운스트림 측정은 처리에서 배출을 나타냅니다.

Figure 3
그림 3. 수처리 공장에서 상류 및 하류를 비교한 평균 질산염 농도. 다운스트림 측정은 처리에서 배출을 나타냅니다.

Figure 4
그림 4. 시카고 강을 따라 다른 위치에 대한 인의 그래프.

수처리 공장에서 상류 및 하류를 비교한 평균 인산염농도(그림 5). 다운스트림 측정은 처리에서 배출을 나타냅니다.

Figure 5
그림 5. 수처리 공장에서 상류 및 하류를 비교한 평균 인산염 농도. 다운스트림 측정은 처리에서 배출을 나타냅니다.

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Applications and Summary

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질산염과 인의 높은 농도는 용존 산소, 온도 및 기타 지표를 포함한 다른 수질 요인에 부정적인 영향을 미치는 조류 꽃을 유발하여 물에서 위축성 상태를 자극할 수 있습니다. 과잉 질산염은 저산소수분(저산소농도)으로 이어질 수 있으며, 더 이상 호기성 생활을 지원할 수 없게 되어 비이동종 대량 다이오프와 이동식 종들이 다른 바다로 이동하는 "데드 존"을 만듭니다. 사각지대는 고영양 유출과 폐수가 수렴되는 해안 지역에서 전 세계적으로 발생하고 있으며, 수생 수명이 가장 많이 집중되어있다(그림 6). 가장 큰 사각지대 중 두 곳은 발트해에 있으며, 평균 49,000km2의 물이 용존 산소2mg/L 미만을 포함하고 있으며, 멕시코 북부 만은 17,353km 2로 측정된 사각지대를 가지고있습니다.

Figure 6
그림 6. 전 세계 해양 사각지대
빨간색 원은 많은 데드 존의 위치와 크기를 보여줍니다. 검은 색 점은 알 수없는 크기의 데드 존을 보여줍니다. 이 이미지의 어두운 파란색은 미립자 유기물의 높은 농도를 보여, 사각지대에서 절정을 할 수있는 지나치게 비옥한 물의 표시. 해양 사각지대의 크기와 수 - 깊은 물이 용해 산소가 너무 낮아 바다 생물이 살아남을 수 없는 지역은 지난 반세기 동안 폭발적으로 증가했습니다. 사각지대가 인간의 인구 밀도가 높은 곳의 하류에서 발생하는 것은 우연이 아닙니다(가장 어두운 갈색).

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