수질 평가를 위한 실험실 소우주에서 인 방출 측정

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Summary

포화 토양 및 퇴적물에서 인(P) 탈착 전위를 정확하게 정량화하는 것은 P 모델링 및 운송 완화 노력에 중요합니다. 장기간 포화도 하에서 토양-물 산화 역학 및 P 동원을 더 잘 설명하기 위해 실험실 소우주의 반복 샘플링을 기반으로 간단한 접근법이 개발되었습니다.

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Young, E. O., Ross, D. S., Sherman, J. Measuring Phosphorus Release in Laboratory Microcosms for Water Quality Assessment. J. Vis. Exp. (149), e60072, doi:10.3791/60072 (2019).

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Abstract

인 (P)은 수생 환경에 대한 운송 위험을 줄이기 위해 신중한 관리가 필요한 농업 생태계에서 영양소를 제한하는 중요한 영양소입니다. P 생체 이용률의 일상적인 실험실 측정산화 조건 하에서 건조 된 샘플에 수행 하는 화학 추출에 따라. 유용하지만, 이러한 시험은 장기간의 물 포화 하에서 P 방출을 특성화하는 것에 대하여 제한된다. 산화철 및 기타 금속에 결합된 비질 정형외과 인가산염은 환경 저감시 용액에 빠르게 탈지되어 표면 유출 및 지하수에 대한 P 동원 위험을 증가시킬 수 있습니다. 확장된 포화 동안 P 탈착 전위 및 이동성을 더 잘 정량화하기 위해, 시간이 지남에 따라 모공수의 반복 샘플링과 오버레이 홍수를 기반으로 실험실 소우주 방법이 개발되었습니다. 이 방법은 물리화학적 특성이 다양한 토양 및 퇴적물로부터 P 방출 전위를 정량화하는 데 유용하며, 수학적 활성 영역에서 P 방출 위험을 더 잘 특성화하여 현장별 P 완화 노력을 개선할 수 있습니다. 이 방법의 장점으로는 현장에서 역학, 단순성, 저렴한 비용 및 유연성을 시뮬레이션할 수 있는 기능이 있습니다.

Introduction

인 (P)은 작물과 수생 바이오 매스 생산성 모두에 중요한 제한 영양소입니다. 표면 물 수문학은 P 운명과 수송의 주요 드라이버, 그것은 또한 유출 및 홍수 / 연못 이벤트 동안 재화 잠재력에 영향을 미치는 동안 퇴적물과 P의 물리적 수송을 제어하기 때문에. 다양한 실험실 기반 추출 방법은 일반적으로 산화 조건하에서 현장 스케일에서 P 방출을 추정하는 데 사용됩니다. 다른 메커니즘이 P 방출에 기여할 수 있는 동안, 철 인산염의 환원 용해는 물1,2,3에큰 정형 된 반응 장치입니다 4. 습지에서 P 생지구화학을 제어하는 메커니즘의 검토에서, 레독스 상태는 토양 및 얕은 지하수에 P방출을 제어하는 주요 변수로 가설되었다 5. 따라서 기존의 P 테스트는 장기간 포화 도하에서 P 방출의 신뢰할 수 있는 예측 변수가 아닐 수 있습니다.

P 운명 및 운송에 물 거주 시간 및 산화 재도스 상태의 중요성을 감안할 때, 실험실 접근 은 농업 및 습지 생태계에 대한 개선 된 P 전송 위험 지수로 이어질 수 있습니다. 가변 채도. 정형외과는 즉시 생체이용 가능하기 때문에 포화 도면 시 탈착의 속도와 정도는 비점원 P 오염 위험의 지수로 사용될 수 있다. 우리의 방법은 기공 (PW)에 P 탈착을 정량화하고 오버 리홍수 (FW)에 동원하도록 설계되었으며, 가변 소스 영역 수문학 (예 : 침수 된 농업 분야, 습지, 배수 도랑 및 riparian/ 근스트림 영역)을 참조하십시오. 이 방법은 원래 북부 뉴욕 (미국)에서 계절 침수 토양에서 P 방출 잠재력을 특성화하기 위해 개발되었으며, 최근 북서부 버몬트의 호수 챔플레인 분지 6에서 리파리아 토양의 P 탈착 잠재력을 정량화하기 위해 적용되었다 . 여기에서, 우리는 실험실 소우주 방법에 대한 프로토콜을 제공하고 P 탈착 전위를 정량화하는 능력을 보여주는 최근에 출판된 연구 결과의 결과를 강조합니다. 또한 P 방출 잠재력과 일상적인 토양 테스트(비질 추출 가능한 P, pH)의 신뢰성 간의 관계를 입증하여 사이트 간에 방출을 예측합니다.

이 방법을 수행하려면 적절한 온도 조절, 환기, 물 및 적절한 산성 폐기물 처리 시스템을 갖춘 분석 실험실에 액세스해야 합니다. 이 방법은 일상적인 화학 시약 및 실험실 장비 (싱크, 후드, 유리 제품 등)에 대한 액세스를 가정합니다. 일상적인 실험실 요구 를 넘어, 멤브레인 여과 (≤ 0.45 μm) 시스템은 필요하고 P를 측정하는 UV 분광광도계. pH 측정기 또는 다중 매개 변수 수질 프로브도 권장되지만 필수는 아닙니다. 실험실 온도는 중요한 요소이며 온도 자체가 실험 인자로 조사되지 않는 한 일정하게 유지되어야합니다 (20 °C 권장). 적절한 장비를 갖춘 적절한 분석 실험실에 대한 방해받지 않는 접근은 이 방법을 적절하게 수행하고 의미 있는 결과를 생성하기 위한 전제 조건입니다.

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Protocol

1. 샘플 수집

  1. 원하는 부위에서 약 4L의 토양(또는 퇴적물)을 채취하십시오. 수집 영역은 P 및 토양 특성의 공간 변화를 제한하기 위해 상대적으로 작아야 합니다.
  2. 거친 (20 mm) 스크린을 통해 체 샘플은 2mm 스크린을 따랐다. 체질 후 샘플을 철저히 손으로 섞습니다.
  3. 100g의 필드 축축한 토양이나 퇴적물을 계량하십시오. 오븐에서 24시간 동안 105°C에서 건조시키고 중량 측정 수분 함량(토양 물 질량/건조 토양 질량)을 계산합니다.
  4. 화학 분석을 위해 500 mL 하위 샘플을 가져 가라.
    참고 : 토양 pH, 유기 물 함량 및 비질 무기 P (Pi) 농도는 토양 테스트를 권장합니다. 여기서, 비질 토양 Pi 가용성은 1) 1.25L-1 암모늄-아세테이트(pH=4.8; 이하 개질모건 추출 가능 P로지칭됨)에 의해 추출된 Pi에 의해 추출된 비관적 토양 Pi에 의해 추출된 Pi에 의해 추출되었다. 증류수 및 3) P는 1.25 몰L-1 암모늄-아세테이트(pH=4.8)로 추출하여 유도결합플라즈마-광방출 분광법(ICP)에 의해측정된다.8.
  5. 소우주 연구에 남은 체질 토양을 사용하거나 나중에 사용하기 위해 5 °C의 폴리에틸렌 백에 보관하십시오.
    참고: 토양은 장기간 냉장 보관할 때(>30일) 건조되며, 재보관이 필요합니다. 토양 샘플은 미생물 무결성 및 P 방출 잠재력에 영향을 미치기 때문에 동결하지 마십시오.

2. 소우주 건설

  1. 1리터(1L)의 석판 폴리프로필렌 또는 기타 비반응성 플라스틱 비커를 개별 실험 단위(소우주)로 사용하십시오. 비커를 10% 염산으로 씻고 증류수로 삼중 헹구어 주세요.
  2. 바닥에서 위로 2cm를 측정하고 비커 졸업 옆에 마크를 놓습니다. 배수 포트에 대한 1.25cm 직경 구멍을 드릴.
  3. 호스 바브의 안쪽 가장자리와 구멍의 바깥둘레주위에 실리콘의 작은 비드를 놓습니다. 조심스럽게 구멍에 배수 포트를 삽입합니다.
    참고: 2.4단계로 진행하기 전에 적어도 24시간 동안 공기 건조를 허용하십시오.
  4. 나일론 메쉬 필터 화면에 호스 바브의 외부 둘레를 추적하고 가위로 잘라. 바깥쪽 가장자리에 각 필터의 둘레에 얇은 실리콘 비드를 적용하고 호스 바브 입구에 필터를 누릅니다. 사용하기 전에 건조 시간을 24시간 이상 두십시오.
    참고 : 대부분의 응용 프로그램에 는 100 μm 기공 크기가 권장됩니다. 그러나, 미세한 질감의 토양은 지나치게 긴 PW 샘플 수집 시간을 피하기 위해 더 큰 필터 기공 크기를 요구할 수 있습니다.
  5. 0.625cm 직경의 라텍스 호스를 호스 바브 끝에 짧은 조각을 맞춥습니다. 흐름을 방지하기 위해 3.3cm 너비의 종이 바인더 클립을 호스에 부착했습니다.

3. 인 방출 재판 실시

  1. 500 mL의 샘플을 중복 소우주에 넣고 FW가 1L 마크에 도달할 때까지 비커 벽을 따라 증류수를 부드럽게 바릅니다.
    참고: 초기 시료를 채취하기 전에 소우주가 24-48시간 동안 평형화되도록 하십시오.
  2. 용지 바인더를 언클립하여 배수 포트를 통해 PW 흐름을 유도합니다. PW 배수 포트 바로 아래에 깨끗한 30mL 비커를 배치하여 샘플을 수집합니다. PW의 여러 mL이 배수, 폐기 및 다음 10 mL을 대표적인 샘플 볼륨으로 사용할 수 있도록 하십시오.
  3. 0.45 μm 멤브레인 필터를 통해 PW 샘플을 필터링하고 즉시 수용성 반응성 P(SRP)를 분석합니다. 흡광도 값과 측정 시간을 기록합니다.
    참고: SRP는 일반적으로 정형 외과 인산염으로 가정됩니다. 그러나 몰리브데이트 반응성 P는 0.45 μm 필터 4를 통과하는 콜로이드 및/또는 나노입자가 있는 복합체를 형성할 수도 있습니다.
  4. 물 기둥 중간에 10 mL 전구 주사기 파이펫을 삽입하여 초기 FW 샘플을 가지고 원형 운동을 사용하여 샘플을 철회. 비커에 비워, 필터링 및 SRP에 대한 즉시 분석.
  5. 비커를 증류수로 1L 수준으로 리필하여 샘플링된 물을 대체합니다.
    참고: 증발 손실은 다를 수 있습니다. 목표는 모든 소우주에서 1L의 총 부피(침수토양 + 물 기둥)를 일관되게 유지하는 것입니다. 증발물 손실을 대체하는 것은 SRP에 무시할 수 있는 희석 효과가 있습니다.
  6. 분석을 위해 원하는 P 방출 시간 점 수를 기준으로 3.2단계부터 3.5단계까지 반복합니다.
    참고: 시간이 지남에 따라 수행되는 샘플 수는 실험자의 목표에 따라 다릅니다. 인큐베이션이 20°C에 가깝다고 가정하는 많은 응용 분야에는 일주일에 1~3회 샘플링하는 것으로 충분합니다. 더 높은 온도에서 인큐베이션하면 SRP 방출 속도가 증가하고 더 자주 샘플링해야 합니다. 여기서 의도는 실험에서 데이터 분석에 초점을 맞추기보다는 소우주 방법의 유용성을 보여주기 위한 것입니다. P 탈착/흡착 데이터에 맞는 키네틱 기반 및 경험적 모델 모두9,10다른 곳에 제시됩니다. 소우주 방식은 반복적인 측정 설계에 의존하고 복제 및 다른 처리를 수용하기 때문에 일반화 선형 혼합 모델링방법도 11에 적합합니다.

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Representative Results

리파리안 영역의 P 방출 잠재력에 초점을 맞춘 최근 연구의 결과는 사이트 레벨 P 방출 역학을 특성화하는 방법의 능력을 입증하기 위해 강조 6. 일부 토양은 시간이 지남에 따라 SRP에서 최소한의 변화를 보였지만, 다른 토양은 PW- 및 FW-SRP 농도가 크게 증가했습니다(그림1). 대조적인 추세가 있는 두 사이트는 그림1에 나와 있습니다. 토양 7은 낮은 토양 pH를 가진 리파리아 부위이며 PW로부터 거의 연속적인 SRP 흡착을 특징으로 한다(도1A). 토양(14)은 인접한 옥수수 생산장에서 고음질 토양 Pi(토양 14)를 사용하여 샘플링하고 침수 첫 달에 걸쳐 PW-SRP의거의 7배 증가를 입증하였다(도 1B).

PW-SRP 농도와 는 대조적으로, FW-SRP는 시간이지남에 따라 감소하는 경향이 있었다 (그림 1). 모공철페(Fe2+)도 레독스 상태에 대한 프록시로 측정되었다. 하나의 토양을 제외한 모든 토양에서, PW-Fe2+는 약 3주 후에 실질적으로 증가하여 감소 상태를 나타냅니다. 토양 건조는 유기 탄소와 파이 용해도를 변화시키기 때문에, 두 사이트는 홍수 전에 건조되었다. 침수 건조 토양은 실질적으로 PW에 Pi 탈착을 증가시키고, 필드 습한 상태에서 동일한 토양을 범람하는 것과 비교하여 과잉 수로의 후속 동원(도1C,D).

선택된 토양 P 시험은 또한 평균 SRP 농도를 예측하기 위해 그들의 신뢰성을 결정하기 위해 수행되었다. 증류수 및 변형된 모건 추출 가능한 P(몰리브데이트 착색계에 의해 측정)는 평균 PW-및 FW-SRP 농도의 가장 좋은 예측자 중 하나였다(도2A,C). ICP에 의해 측정된 개질모건 추출가능한 P는 몰리브데이트 착색수 또는 증류수로 측정된 개질모건추출가능한 P에 비해 예측변수가 좋지 않았다(도 2C). PW-SRP:FW-SRP의 비율은 토양 pH의 함수로서 선형적으로 증가하였다(도2D).

Figure 1
그림 1: 토양 기공수(PW) 및 75일 동안 의 용해성 반응성 인(SRP) 농도가 낮은 pH와 음포파이(A)를 가진 리피아 토양에 대한 인큐베이션을 통해, 높은 비질 파이(B)와 리파리아리안을 가진 옥수수 생산장의 토양 토양 홍수 필드 습한 (C) 대 건조 후 홍수 (D). 오류 막대는 중복 소우주 측정의 표준 편차를 나타냅니다. 데이터는 영과 로스6에서 허가를 받아 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
도 2: 몰리브데이트 착색술(A)에 의해 측정된 개질 모건 추출 가능한 P의 함수로서 실험을 통해 실험에 걸쳐 평균 기공수(PW) 및 홍수(FW) 및 홍수(FW) 농도, 개질모건 추출 가능한 P(Pi + organic P)에 의해 측정됨 유도적으로 결합된 플라즈마 방출 광학 방출 광 분광법(B) 및 증류수(C). (D) 토양 pH의 함수로서 연구에 대한 평균 PW-SRP:FW-SRP 사이의 관계. 데이터는 영과 로스6에서 허가를 받아 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

소우주 접근법의 주요 기술적 장점은 포화 토양 이나 퇴적물을 즉시 중복 및 P 상태에서 크게 다를 수 있는 FW에 의해 오버레이되는 체재 조건을 시뮬레이션하는 능력입니다. 배수 도랑, 침수 된 농지, 습지 및 riparian / 근류 영역과 같은 가변 소스 영역 수문학을 가진 풍경은 모두 감소 된 PW가 더 낮은 Pi 농도로 더 많은 산화 수로 인해 주기적으로 오버레이되는 곳의 예입니다. 이러한 레독스 그라데이션은 Pi 흡착 /탈착에 강하게 영향을 미칠 수 있으므로 표면 및 지하수 1,2,3,4,5,6, 12,13,14. 더 일상적인 추출 또는 Pi 흡착 등온과는 달리, 미생물 호흡이 용존 PW 산소를 소모함에 따라 소우주 방법은 자연스럽게 조건 감소를 시뮬레이션합니다. 동시에, FW는 주변 공기에 개방되어 있어 현장의 자연 조건과 유사하게 FW로 산소를 확산할 수 있습니다. 과도하게 물이 산화되는 정도까지, Fe2+ 및 Mn2+와 같은 용존 금속은 에어로빅 인터페이스에서 산화시 PW에서 위쪽으로 확산되고 SRP를 resorb 할 수 있으므로 FW 2로SRP가 동원되는 것을 방지할 수 있습니다. 3,6,14,15. 이 특별한 Pi 침전 메커니즘은 습지, 호수 퇴적물 및 침수 된 농업 토양에서 중요합니다. 이러한 필수 자연 시스템 역학을 포착하는 소우주 방법의 능력은 전통적인 방법에 비해 이점을 제공합니다.

또한 PW 및 FW-SRP 방출의 잠재적 예측 변수로서 일상적인 토양/퇴적물 화학 측정의 중요성을 강조합니다. 예를 들어, 증류수와 수정된 모건 추출 가능한 Pi는 인큐베이션에 대한 평균 SRP 농도의 신뢰할 수 있는 추정치를 제공하였고, 이는 이전에 염수된 비질 파이가 Pi 방출의 크기에 대한 중요한 제약 조건임을 나타냅니다. 추출 가능한 Pi의 양은 경험적 및 공정 기반 수질 모델(16)에 대한 입력이될 뿐만 아니라 농업 P를 관리하기 위한 중요한 변수이다. PW-SRP:FW-SRP의 비율은 토양 pH와 선형적으로 관련되어 있으며, 이는 PW-SRP의 더 높은 분율이 더 높은 pH에서 FW에 동원되었음을 나타낸다. 이 효과는 아마도 Al3+ 및 Fe3+와 같은 강하게 P-sorbing 금속 양이온의 용해도가 낮은 pH에서 증가하고 따라서 더 쉽게 용액에서 SRP와의 결합을 형성한다는 사실과 관련이 있습니다 (참고력도 잘 확립되어 있습니다. 토양에서의 정형외과 인가도는 동일한 메커니즘으로 인해 중립성에 가까운 pH에서 최대화되는 경향이 있다. 결과는 또한 침수 건조 토양이 실질적으로 Pi 방출을 증가시켰다는 것을 입증했다. 건조 후 향상된 Pi 용해도는 또한 다른 사람에 의해 보고되었다17,18,19 현재 P 사이클링 모델을 정제하기 위해 추가 연구의 가치가있다. 토양 특성(비질 파이 상태, 토양 pH, 광물학) 및 레독스 변동 간의 상호 작용이 Pi 방출 및 이동성에 강하게 영향을 미칠 수 있음이 분명합니다. 소우주 방법은 이러한 요인과 다른 요인의 격리 및 상호 작용을 용이하게하고, situ 환경에서 시뮬레이션하는 동안 제어 된 조건에서 실험을 할 수 있습니다.

소우주 접근법은 P 연구자들이 관심을 가질 만한 수정사항을 쉽게 수용할 수 있습니다. Pi 방출에 영향을 미치는 기본 화학 적 및 물리적 특성의 변화 외에도 토양 개정 (즉, 가축 분뇨 / 비료, 바이오 고형물, 퇴비 및 P-소빙 재료) 및 기타 관리 측면이 중요하게 유지됩니다. 고려 사항. 온도 의 변화가 Pi 방출 / 흡착 역학9,20 및 산화환원 반응 9,15,20에강한 영향을 미치기 때문에 Pi 방출에 대한 온도 효과를 격리하도록 설계된 실험 또한 도움이 될 수 있습니다. 또한, Pi 흡착 용량 실험은 FW에 알려진 양의 Pi를 추가하고 시간이 지남에따라 실종을 측정하여 쉽게 수행 할 수 있습니다 3; P sorbed의 양은 습지 생태계에서 Pi 보유를 예측하기 위해 토양 특성과 관련될 수 있습니다. 이 방법의 단순성, 저렴한 비용 및 유연성을 감안할 때 목표에 따라 다른 설계 수정도 가능합니다.

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Disclosures

저자는 이 작품이 잠재적 이해 상충으로 해석될 수 있는 상업적 또는 재정적 관계가 없는 상태에서 수행되었다고 선언합니다.

Acknowledgments

기금은 버몬트 수자원 및 호수 연구 센터에 의해 미국 지질 조사와의 계약을 통해 제공되었습니다. 결론과 의견은 버몬트 수자원 및 호수 연구 센터 또는 USGS가 아닌 저자의 의견입니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1.25 cm plastic hose barbs numerous NA
Chemical reagents for phosphorus determination numerous NA P analysis capability is assumed; refer to cited references for details on method
Chordless or electric drill with 1.25 cm bit numerous NA
Graduated plastic beakers (1L) numerous NA
Laboratory with fume hoods, temperature control, and acid waste disposal system NA NA
Nylon mesh filter screen (100um) numerous NA
Silicone numerous NA
UV Spectrophotometer numerous NA

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References

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