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Nutrientes em Ecossistemas Aquáticos

Overview

Fonte: Laboratórios de Margaret Workman e Kimberly Frye - Universidade Depaul

Nitrogênio e fósforo são nutrientes vegetais essenciais encontrados em ecossistemas aquáticos e ambos são monitorados como parte de testes de qualidade da água porque em quantidades excessivas podem causar problemas significativos de qualidade da água.

O nitrogênio na água é medido como a forma comum de nitrato (NO3-) que é dissolvido na água e facilmente absorvido por fotossintéticos como algas. A forma comum de fósforo medido é o fosfato (PO43-), que é fortemente atraído por partículas de sedimentos, bem como dissolvido na água. Em quantidades em excesso, ambos os nutrientes podem causar um aumento no crescimento das plantas aquáticas (flor de algas, Figura 1) que podem interromper os níveis de luz, temperatura e oxigênio na água abaixo e levar à eutrofização e hipoxia (baixo oxigênio dissolvido na água) formando uma "zona morta" sem atividade biológica. As fontes de nitratos e fósforo incluem estações de tratamento de águas residuais, escoamento de gramados fertilizados e terras agrícolas, sistemas sépticos defeituosos, escoamento de estrume animal e descarga de resíduos industriais.

Figure 1
Figura 1. Eflorescência algal
Tirada em 2011, a escória verde mostrada nesta imagem foi a pior flor de algas que o Lago Erie já experimentou em décadas. Chuvas torrenciais recordes de primavera lavaram fertilizantes no lago, promovendo o crescimento das flores de cianobactérias produtoras de microcistina. Filamentos verdes vibrantes se estendem para fora da costa norte.

Principles

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As concentrações de nitrato e fosfato podem ser medidas em amostras de água usando reagentes químicos conhecidos que fazem com que a amostra mude de cor quando na presença de um nutriente específico, com aumento da intensidade da cor indicando uma maior concentração do nutriente. Para garantir a liberação de quaisquer moléculas de fosfato que estejam ligadas a sedimentos na água, as amostras de fósforo são digeridas quimicamente e com calor para liberar ligações fosfato para uma medida de fosfato total na amostra.

Para quantificar a intensidade da cor produzida pelo reagente, um espectrofotômetro é usado para medir o comprimento de onda específico da luz que corresponde a cada cor causada pelos nutrientes e seus reagentes (nitratos âmbar; fosfatos azuis). O espectrômetro envia então um feixe de luz através de cada amostra para medir a quantidade dessa luz que é absorvida pela cor (absorvância). Quanto mais escura a cor, maior a absorvância. O espectrômetro converte então a absorvência em uma concentração de nutrientes exibida (mg/L) com base em ensaios de concentração conhecidos.

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Procedure

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1. Meça nitrogênio na amostra

  1. No espectrômetro, encontre o programa para nitrato (com manual do usuário ou menu de instrumentos) e digite o número do programa.
  2. Pipeta 10 mL da amostra de água em um dos tubos de amostra. Despeje isso em um dos tubos de amostra.
  3. Repita para um segundo tubo de amostra.
  4. Adicione o conteúdo de um travesseiro de pó de reagente de nitrato a um tubo de amostra.
  5. Tampe ambos os tubos de amostra.
  6. No espectrômetro, pressione o temporizador e entre para iniciar um período de reação para o reagente. Agite a amostra vigorosamente até que o tempo de reação acabe e o temporizador emite um bipe. A amostra começará a virar âmbar.
  7. Pressione enter. Um segundo período de reação de 5 minutos começará.
  8. Após o temporizador bipes pela segunda vez, limpe o lado de fora dos dois tubos de amostra com uma toalha de papel sem fiapos.
  9. Coloque o tubo de amostra sem tubo de reagente (em branco) no espectotômetro.
  10. Cubra firmemente a célula com a tampa do instrumento para garantir que a luz ambiente esteja bloqueada.
  11. Zero o espectrômetro para uma leitura de 0,0 mg/L NO3-N.
  12. Remova a célula em branco e coloque a célula da amostra com reagente no suporte celular. Cubra firmemente a célula amostral com a tampa do instrumento.
  13. Leia a imprensa. O cursor passará para a direita, então os resultados em mg/L NO 3 -Nserãoexibidos.

2. Medir fósforo na amostra

  1. Meça 5,0 mL da amostra de água usando uma pipeta.
  2. Despeje água medida em um tubo de amostra.
  3. Adicione o conteúdo de um travesseiro de pó persulfato de potássio para fosfonato ao tubo de amostra.
  4. Tampe o tubo firmemente e agite para dissolver.
  5. Rotule a parte superior da tampa do tubo e coloque o tubo em um reator de COD (em uma capa química) e aqueça por 30 minutos.
  6. Coloque-o em um rack de tubo de ensaio e deixe esfriar até a temperatura ambiente.
  7. Usando um cilindro graduado, meça 2 mL de hidróxido de sódio de 1,54 N.
  8. Despeje isso no tubo de amostra. Cap e mix.
  9. No espectrômetro, encontre o número do programa para fosfato (com manual do usuário ou menu de instrumentos) e digite o número do programa.
  10. Limpe o lado de fora do tubo de amostra com uma toalha de papel sem fiapos.
  11. Coloque o tubo de ensaio para que ele fique voltado para a frente do instrumento.
  12. Coloque a tampa no tubo de ensaio.
  13. Pegue o tubo de ensaio e adicione o conteúdo do travesseiro de pó de reagente comprado para o método ácido ascórbico.
  14. Cap firmemente e agitar para 10-15 s.
  15. Pressione o temporizador e, em seguida, digite. Um período de espera de 2 minutos começará.
  16. Após o bipe do temporizador, limpe o lado de fora do tubo de ensaio com uma toalha de papel sem fiapos.
  17. Coloque o tubo de ensaio no instrumento com o logotipo voltado para a frente do instrumento.
  18. Coloque a tampa sobre o tubo de ensaio.
  19. A imprensa leu. O display mostrará os resultados em mg/L.

Nitrogênio e fósforo são nutrientes vegetais essenciais encontrados em ecossistemas aquáticos, no entanto, em quantidades excessivas, podem causar problemas significativos na qualidade da água. Nitrogênio e fósforo na água são tipicamente encontrados nas formas de nitrato e fosfato, respectivamente. Ambos os nutrientes são dissolvidos em água e são facilmente absorvidos por fotossintéticos como algas.

Nitratos e fosfatos entram nos sistemas de água através do escoamento de água doce de estações de tratamento de águas residuais, gramados fertilizados e terras agrícolas, sistemas sépticos defeituosos e descarga de resíduos industriais. Em quantidades em excesso, ambos os nutrientes podem causar um aumento no crescimento das plantas aquáticas e nas flores das algas, chamadas de eutrofização. Essas algas florescem na superfície da água, a fim de acessar facilmente oxigênio e luz solar.

Como resultado, a eutrofização impede que níveis mais baixos de água tenham acesso à luz solar e oxigênio no ar. Quando as algas morrem, elas afundam nos níveis mais baixos da água e se decompõem, consumindo oxigênio na água mais profunda causando hipóxia, ou baixos níveis de oxigênio dissolvidos. Sem oxigênio, e isolada do reabastecimento, a água profunda se torna uma zona morta. Como resultado, peixes e outros organismos morrem em grande número. Zonas mortas são generalizadas nos oceanos e lagos do mundo, predominantemente em áreas urbanas altamente povoadas.

Este vídeo introduzirá a metodologia de medição de concentrações de nitrato e fosfato em águas superficiais, e demonstrará as medidas em laboratório.

Nitrogênio na água é relatado em termos de "nitrato-como-nitrogênio". A frase "nitrato-como-nitrogênio" refere-se à quantidade de nitrogênio em forma de nitrato. Portanto, a concentração de nitrato como nitrogênio pode ser convertida em concentração de nitrato usando as razões dos pesos moleculares de nitrogênio e nitrato.

A concentração de nitrato é medida utilizando o método de redução de cádmio. O metal cádmio reduz os nitratos a nitritos, em seguida, os íons de nitrito reagem com ácido sulfanílico para formar um sal de diazonium intermediário. O sal de diazonium então acotoda com ácido gentisico, e forma um composto cor de âmbar. Quanto mais escura a cor âmbar, maior a concentração de nitrato na amostra.

A concentração de fósforo em amostras de água é relatada da mesma forma, em termos da quantidade de fósforo na forma de fosfato. A conversão entre concentração de fosfato e concentração de fosfato-como-fósforo pode ser facilmente concluída usando peso molecular. Fosfatos estão presentes na água em muitas conformações diferentes. Todos os fosfatos devem primeiro ser convertidos em ortofosfatos através da hidrólise, aquecendo amostras com persulfato ácido e potássio.

O método ácido ascórbico/molilhado é usado para calcular a concentração de ortofosfato. Ortofosfatos reagem com moliste de sódio em condições ácidas para produzir um complexo fosfato/molgo. O ácido ascórbico é então usado para reduzir o complexo, produzindo um produto de cor azul. Para quantificar a intensidade da cor produzida pelo reagente em ambos os experimentos, um colorímetro é usado para medir a quantidade de luz absorvida pela espécie colorida. A absorvência é então convertida em concentração.

O experimento a seguir demonstrará a análise das concentrações de nitrato e fosfato em amostras de água usando pacotes de reagentes pré-misturados para executar esta técnica colorimétrica.

Para iniciar a medição do nitrogênio, encontre o programa de nitrato no colorímetro e insira o número apropriado do programa ou defina o colorímetro para medir a 420 nm. Meça 10 mL da amostra de água, insurgir em um tubo de amostra e rotule o tubo. Prepare um segundo tubo idêntico e rotule-o como o branco.

Adicione o conteúdo de um método de redução de cádmio pré-misturado pacotes de reagente ao tubo de amostra. Tampe ambos os tubos de amostra. Comece cronometrando o período de reação de 1 min para o reagente. Aperte o tubo vigorosamente à mão até que o tempo de reação esteja completo.

Defina o tubo para baixo, e inicie um segundo período de reação de 5 minutos para permitir que o cádmio reduza o nitrogênio. Quando o período de reação acabar, limpe os dois tubos com uma toalha de papel sem fiapos.

Coloque o tubo de amostra sem reagente, rotulado em branco, no colorímetro. Certifique-se de que nenhum rótulo interfira no caminho da luz. Cubra firmemente a célula com a tampa do instrumento para garantir que toda a luz ambiente seja bloqueada da câmara de amostra.

Calibrar o colorímetro com o branco para uma leitura de 0,0 mg/L de nitrato como nitrogênio. Retire o tubo em branco e coloque o tubo de amostra no suporte da amostra e substitua a tampa do instrumento. Meça a absorvância amostral e exiba a concentração de nitrato como nitrogênio na amostra.

A medição do fósforo em uma amostra de água é semelhante à medição do nitrogênio. Primeiro, meça 5 mL da amostra de água e encosta-a em um tubo de amostra. Adicione o conteúdo de um travesseiro de pó de persulfato de potássio pré-misturado para fosfonato ao tubo de amostra.

Tampe o tubo firmemente e agite para dissolver o pó. Rotule a parte superior da tampa. Coloque o tubo no reator em um capô e aqueça por 30 min a 150 °C. Após o aquecimento, remova o tubo do reator, coloque-o em um rack de tubo e deixe esfriar até a temperatura ambiente.

Em seguida, ajuste o pH adicionando 2 mL de hidróxido de sódio de 1,54 M ao tubo amostral. Tampe o tubo e misture. No colorímetro, localize o número do programa para fosfato e digite o número do programa, ou defina o espectrômetro para medir a absorvência em 880 nm.

Limpe o tubo de amostra com uma limpeza sem fiapos e carregue o tubo de ensaio no colorímetro. Certifique-se de que nenhum rótulo interfira no caminho da luz no instrumento. Coloque a tampa sobre o instrumento e calibrar usando a amostra não redigida como o branco.

Remova o tubo do instrumento e adicione o conteúdo de um pacote de reagente do método de ácido ascórbico pré-medial ao tubo de ensaio. Tampe o tubo firmemente, e agite o tubo para misturar. Coloque o tubo em um rack e inicie um período de reação de 2 minutos usando um temporizador.

Após o período de reação sobre a cor da solução deve ser azul. Limpe a parte externa do tubo com uma toalha de papel sem fiapos. Coloque o tubo de ensaio no instrumento com todos os rótulos fora do caminho da luz.

Feche a tampa da câmara de amostra e pressione o botão READ. Os resultados serão mostrados em mg/L. Se usar um espectótmetro, meça a absorvância da amostra em 880 nm.

As concentrações de nitrato e fosfato em um ramo fluvial metropolitano foram comparadas em 5 locais amostrais diferentes neste experimento.

A água limpa do rio normalmente contém 0 a 1 mg/L de nitrato-nitrogênio e 0 a 0,03 mg/L de fósforo-fosfato. Concentrações entre 3 a 5 mg/L de nitrato-nitrogênio e 0,03 a 0,1 mg/L de fósforo-fosfato é considerada alta, e acima dessas faixas consideradas eutróficas.

Os níveis de nitrato e fosfato foram elevados em 3 dos 5 locais amostrais. Da mesma forma, as concentrações médias de nitrato e fosfato foram comparadas rio acima e rio abaixo de uma estação de tratamento de água. A medição a montante representa água não tratada, enquanto a medição a jusante representa o escoamento da estação de tratamento.

A medição a jusante foi baixa em fosfatos devido à remoção de material orgânico durante o processo de tratamento. No entanto, as concentrações médias de nitrato foram mais elevadas rio abaixo, indicando possíveis insumos de nitrato perto da área de descarga, possivelmente a partir de fertilizantes de gramado.

Entender o teor de nutrientes do escoamento da água, e seu efeito resultante na vida vegetal marinha é extremamente importante para preservar nossos ecossistemas naturais.

No exemplo a seguir, microrganismos marinhos foram estudados em ambientes remotos, como recifes. Esses resultados podem ajudar a elucidar a mudança das populações microbianas devido às concentrações de nitrato e às flores algas resultantes.

Foram coletadas amostras de água em recipientes fechados ao ambiente externo para evitar contaminação. Os micróbios foram coletados em um filtro de 0,22 μm. A água filtrada foi analisada para examinar impurezas inorgânicas. A análise metagenômica constatou que a transferência de material genético microbiano estava positivamente correlacionada com a concentração de nitrato.

Para combater a eutrofização, é importante entender o escoamento do solo e o destino e o transporte de contaminantes no solo. No exemplo a seguir, as chuvas foram simuladas, e o destino dos contaminantes no solo estudado. As caixas de solo estavam embaladas com solo contendo contaminantes de interesse, neste caso ureia, uma forma comum de fertilizante nitrogênio. Moléculas que contêm fósforo podem ser estudadas com o mesmo procedimento. As chuvas foram simuladas em diferentes condições, e o escoamento coletado e analisado.

Semelhante ao último exemplo, o escoamento também pode ser estudado ao ar livre em ambientes naturais. Aqui, uma instalação de pesquisa em escoamento foi construída em uma área urbana. Um muro de contenção foi construído para evitar a contaminação do escoamento para outras áreas, e para permitir a coleta controlada de água. As áreas do lote também foram separadas, para evitar o movimento lateral da água. Os estudos de escoamento de água foram realizados utilizando sistemas de irrigação. O escoamento da água foi coletado e uma análise química concluída para determinar contaminantes na água.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE à análise de nutrientes da água na água superficial. Agora você deve entender os desafios associados ao escoamento de água e eutrofização, e como medir o teor de nutrientes em amostras de água. Obrigado por assistir!

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Results

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Figure 2
Figura 2. Gráfico comparando nitratos entre diferentes tipos de uso da terra (não desenvolvidos, agrícolas e urbanos).

Concentrações médias de nitrato comparadas rio acima e rio abaixo de uma estação de tratamento de água(Figura 3). A medição a jusante representa a descarga do tratamento.

Figure 3
Figura 3. Concentrações médias de nitrato comparadas rio acima e rio abaixo de uma estação de tratamento de água. A medição a jusante representa a descarga do tratamento.

Figure 4
Figura 4. Gráfico de fósforo para diferentes locais ao longo do rio Chicago.

Concentrações médias de fosfato comparadas rio acima e rio abaixo de uma estação de tratamento de água(Figura 5). A medição a jusante representa a descarga do tratamento.

Figure 5
Figura 5. Concentrações médias de fosfato comparadas rio acima e rio abaixo de uma estação de tratamento de água. A medição a jusante representa a descarga do tratamento.

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Applications and Summary

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Altas concentrações de nitratos e fósforo podem estimular condições eutróficas na água, causando flor de algas que afetam negativamente outros fatores de qualidade da água, incluindo oxigênio dissolvido, temperatura e outros indicadores. O excesso de nitratos pode levar à água hipóxica (baixos níveis de oxigênio dissolvido) não mais capazes de suportar a vida aeróbica criando uma "zona morta", onde espécies não móveis morrem em massa e espécies móveis se mudam para outras águas. Zonas mortas estão ocorrendo globalmente em regiões costeiras onde grandes quantidades de escoamento de nutrientes e águas residuais convergem, e a vida aquática é mais altamente concentrada(Figura 6). Duas das maiores zonas mortas estão no Mar Báltico, onde, em média, 49.000 km2 de água continham menos de 2 mg/L de oxigênio dissolvido, e o norte do Golfo do México com uma zona morta medida a 17.353 km2.

Figure 6
Figura 6. Zonas mortas marinhas em todo o mundo
Círculos vermelhos mostram a localização e o tamanho de muitas zonas mortas. Pontos pretos mostram zonas mortas de tamanho desconhecido. Os azuis mais escuros nesta imagem mostram maiores concentrações de material orgânico particulado, uma indicação das águas excessivamente férteis que podem culminar em zonas mortas. O tamanho e o número de zonas mortas marinhas - áreas onde a água profunda é tão baixa em oxigênio dissolvido que as criaturas marinhas não podem sobreviver - cresceram explosivamente no último meio século. Não é coincidência que zonas mortas ocorram rio abaixo de lugares onde a densidade populacional humana é alta (marrom mais escuro).

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