Измерение высвобождения фосфора в лабораторных микрокосмах для оценки качества воды

Environment

Your institution must subscribe to JoVE's Environment section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Точная количественная оценка потенциала дезорпирования фосфора (P) в насыщенных почвах и отложениях имеет важное значение для p моделирования и усилий по смягчению транспортной помощи. Для лучшего учета на месте динамики редокса почвы и P при длительном насыщении был разработан простой подход, основанный на повторной выборке лабораторных микрокосмов.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Фосфор (P) является критически ограничивающим питательным веществом в агроэкосистемах, требующим тщательного управления для снижения транспортного риска для водных сред. Регулярные лабораторные измерения биодоступности P основаны на химических экстракциях, проводимых на сушеных образцах в условиях окисления. Хотя эти тесты полезны, они ограничены в отношении характеристики P-выброса при длительном насыщении воды. Лабильный ортофосфат, связанный с окисленным железом и другими металлами, может быстро десарбировать раствор в снижении окружающей среды, увеличивая риск мобилизации P на поверхностный сток и грунтовые воды. Для лучшей количественной оценки потенциала и мобильности P desorption во время продолжительного насыщения был разработан лабораторный метод микрокосма, основанный на повторной выборке поревоводов и надводных паводковых вод с течением времени. Метод полезен для количественной оценки потенциала высвобождения P из почв и отложений, изменяющихся по физико-химическим свойствам, и может улучшить усилия по смягчению последствий P, лучше характеризуя риск выброса P в гидрологически активных районах. Преимущества метода включают его способность моделировать на месте динамику, простоту, низкую стоимость и гибкость.

Introduction

Фосфор (P) является критическим ограничивающим питательным веществом как для продуктивности сельскохозяйственных культур, так и для водных биомассы. Гидрология поверхностной воды является основным фактором, повлиявана на p fate and transport, поскольку она контролирует физическую транспортировку отложений и P, а также влияет на потенциал ремобилизации во время стока и наводнений/наводнений/ событий. Различные лабораторные методы извлечения обычно используются для оценки выброса P в полевой шкале в условиях окисления. В то время как различные механизмы могут способствовать выбросу P, редуктивное растворение железо-фосфатов является устоявшимся механизмом реакции, который может привести к большим потокам ортофосфата-P к воде1,2,3, 4. В обзоре механизмов контроля P биогеохимии в водно-болотных угодьях, redox статус был предположил, чтобы быть основной переменной контроля P релиз почвы и мелкой грунтовой воды5. Таким образом, традиционные тесты P не могут быть надежными предикторами p-релиза при длительном насыщении.

Учитывая важность времени пребывания воды и статуса Редокса на P судьбе и транспорте, лабораторные подходы, предназначенные для лучшего моделирования на местах, могут привести к улучшению индексов p-транспортных рисков для сельскохозяйственных и водно-болотных экосистем, подверженных переменной насыщенности. Поскольку ортофосфат сразу же биодоступен, скорость и степень дезорпации во время насыщения могут быть использованы в качестве индекса риска загрязнения неточечного источника P. Наш метод был разработан для количественной оценки P desorption к поревовод (PW) и мобилизации на преодоление паводковых вод (FW), типичное состояние в районах с переменной гидрологией области источника (например, затопленные сельскохозяйственные поля, водно-болотные угодья, дренажные канавы, и рябина / зон ближнего потока). Метод был первоначально разработан для характеристики P потенциал релиза в сезонно затопленных почвах из северной части Нью-йорка (США) и недавно применяется для количественной оценки P desorption потенциал созревания почв ы северо-западного Вермонта бассейн Шамплейн6 . Здесь мы предоставляем протокол для метода микрокосма лаборатории и подчеркиваем результаты недавно опубликованного исследования, демонстрирующего его способность к количественной оценке потенциала p desorption. Мы также демонстрируем связь между потенциалом выброса P и надежностью обычных тестов почвы (лабильный извлекаемый P, pH) для прогнозирования выпуска на разных участках.

Для осуществления этого метода необходим доступ к аналитической лаборатории с адекватным климат-контролем, вентиляцией, водой и надлежащей системой удаления кислотных отходов. Метод предполагает доступ к обычным химическим реагентам и лабораторному оборудованию (поглотители, вытяжки, стеклянная посуда и т.д.). Помимо обычных лабораторных потребностей, требуется система мембранной фильтрации (0,45 мкм) и УФ-спектрофотометра для измерения P. Также рекомендуется, но не требуется зонд качества pH или многопараметрического качества воды. Температура в лаборатории является важным фактором и должна оставаться постоянной, если сама температура не исследуется в качестве экспериментального фактора (рекомендуется 20 градусов по Цельсию). Беспрепятственный доступ к адекватной аналитической лаборатории с надлежащим оборудованием является необходимым условием для надлежащего выполнения метода и получения значимых результатов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Коллекция образцов

  1. Соберите около 4 л почвы (или осадка) из нужных участков. Области сбора должны быть относительно небольшими, чтобы ограничить пространственные колебания в свойствах P и почвы.
  2. Пробы сито через грубый (20 мм) экран следовали за 2-мм экраном. Тщательно ручной смеси образцов после просеивания.
  3. Взвесить 100 г полевой влажной почвы или осадка. Высушите в духовке при температуре 105 градусов по Цельсию на 24 ч и рассчитайте гравиметрическое содержание воды (масса воды почвы/сухая масса почвы).
  4. Возьмите подбытое 500 мл для химического анализа.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Содержание почвенных веществ, содержание органических веществ и концентрация неорганических P (Pi) рекомендуется проводить анализы почвы. Здесь, лабильная почва Pi наличие было оценено по: 1) Pi извлечены 1,25 мол L-1 аммоний-ацетат (рН 4,8; в дальнейшем называют модифицированным Морган извлекаемые P) измерены колориметрически7,8, 2) Pi извлечены дистиллированной воды, и 3) P извлечены 1,25 мол Л-1 аммоний-ацетат (рН 4,8) измеряется индуктивно связаны плазменно-оптической спектроскопии выбросов (ICP)8.
  5. Используйте оставшуюся просеянную почву для изучения микрокосма или храните в полиэтиленовых пакетах при 5 градусах Цельсия для последующего использования.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Почвы высыхают, когда охлаждается в течение длительного времени (30 дней) и потребует remoistening. Не замораживайте образцы почвы, так как это влияет на микробную целостность и потенциал выброса P.

2. Строительство микрокосма

  1. Используйте однолитровый (1 л) градуированный полипропилен или другие нереактивные пластиковые клювы в качестве отдельных экспериментальных блоков (микрокосм). Вымойте клюв в 10% соляной кислоты и тройной промыть дистиллированной водой.
  2. Измерьте 2 cm вверх от дна и уместите метку рядом с градациями стакана. Просверлите отверстие диаметром 1,25 см для дренажных портов.
  3. Поместите небольшой бис силикона вокруг внутреннего края шланга колючка и внешней окружности отверстия скважины. Аккуратно вставьте дренажный порт в отверстие.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Разрешить сушки воздуха, по крайней мере 24 ч, прежде чем приступить к шагу 2.4.
  4. Проследите внешнюю окружность шланга колючки на нейлоновой сетки фильтр экран и вырезать с ножницами. Нанесите тонкий бисиню из силикона вокруг окружности каждого фильтра на внешний край и нажмите фильтры на шланг колючие заливы. Разрешить по крайней мере 24 ч времени сушки перед использованием.
    ПРИМЕЧАНИЕ: 100 мкм размер пор рекомендуется для большинства приложений; однако, более тонкие почвы могут требовать более большого размера поры фильтра для того чтобы во избежание чрезмерно длиннее время собрания образца PW.
  5. Fit короткий кусок 0,625 см диаметром латексный шланг для шланга колючие концы. Прикрепите зажим бумаги шириной 3,3 см к шлангу, чтобы предотвратить поток.

3. Проведение испытания по выпуску фосфора

  1. Поместите 500 мл образца в дубликат ы и аккуратно нанесите дистиллированную воду вдоль стенок стакана до тех пор, пока FW не достигнет отметки 1 л.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Разрешить микрокосм уравновесить в течение 24-48 ч, прежде чем принимать первоначальные образцы.
  2. Unclip бумажные связующие, чтобы вызвать поток PW через дренажный порт. Соберите образцы, разместив чистые 30 мл клювов непосредственно под дренажными портами PW. Разрешить несколько мл PW слить, отбросить и использовать следующие 10 мл в качестве репрезентативного объема выборки.
  3. Фильтр PW образцы через 0,45 мембранных фильтров и немедленно анализировать для растворимых реактивных P (SRP). Значения поглощения записи и время измерений.
    ПРИМЕЧАНИЕ: SRP, как правило, считается ортофосфат; однако, молибдат-реактивный P также может образовывать комплексы с коллоидами и/илинаночастицами, которые проходят через фильтры 0.45 мкм 4.
  4. Возьмите начальный образец FW, вставив 10 мл лампы шприц пипетка на полпути вниз по колонке воды и снять образец с помощью кругового движения. Пустые в клюв, фильтр и немедленно проанализировать для SRP.
  5. Замените пробную воду заправкой клювов до уровня 1 л дистиллированной водой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Испарительные потери будут варьироваться. Цель состоит в том, чтобы последовательно поддерживать общий объем (затопленная почва и водная колонка) 1 л во всех микрокосмах. Замена испарительных потерь воды оказывает незначительное воздействие на SRP.
  6. Повторите шаги 3.2 до 3.5 на основе желаемого количества точек времени выпуска P для анализа.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Количество образцов, взятых с течением времени, зависит от целей экспериментаторов. Выборка один-три раза в неделю достаточна для многих применений при условии, что инкубации близки к 20 градусам Цельсия. Инкубирование при более высоких температурах увеличивает скорость высвобождения СРП и потребует более частой пробы. Цель здесь состоит в том, чтобы показать полезность метода микрокосма, а не фокусироваться на анализе данных в ходе экспериментов. Оба кинетически основе и эмпирические модели, чтобы соответствовать P desorption / сорбции данных представлены в другом месте9,10. Поскольку метод микрокосма опирается на повторяющийся дизайн мер и вмещает репликацию и различные методы лечения, обобщенные линейные смешанные подходы к моделированию также являются подходящими11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Результаты недавнего исследования, посвященного потенциалу P-релиза в области спелиных областей, подчеркиваются, чтобы продемонстрировать способность метода охарактеризовать динамику выпуска p уровня сайта6. В то время как некоторые почвы показали минимальные изменения в SRP с течением времени, другие имели значительное увеличение концентраций PW- и FW-SRP(рисунок 1). На рисунке 1показаны два сайта с контрастными тенденциями. Почва 7 является спелым участком с низким рН почвы и характеризуется почти непрерывной сорбцией SRP от PW(рисунок 1A). Почва 14 была отобрана из прилегающего поля производства кукурузы с повышенным лабильной почвой Pi (почва 14) и продемонстрировала почти 7-кратное увеличение PW-SRP за первый месяц затопления(рисунок 1B).

В отличие от концентраций PW-SRP, FW-SRP, как правило, уменьшается с течением времени(рисунок 1). Пореуотер ferrous Fe (Fe2)также был измерен в качестве прокси для статуса Redox. Во всех, кроме одной почвы, PW-Fe2 "значительно увеличилось примерно через 3 недели, что свидетельствует о снижении условий. Поскольку сушка почвы изменяет органический углерод и растворимость Пи, два участка были также высушены до затопления. Наводнение сухой почвы существенно увеличило Pi desorption к PW и последующая мобилизация к надлежащей воде сравненной к затоплять такую же почву в поле-влажном положении(рисунок 1C,D).

Были также проведены тесты на почву P для определения их надежности для прогнозирования средних концентраций СРП. Дистиллированная вода и модифицированные Морган экстрактовые P (измеряется молибдат колористетрии) были одними из лучших предикторов среднего PW- и FW-SRP концентрации(рисунок 2A, C). Модифицированный Морган извлекаемые P измеряется ICP не так хорошо предиктора по сравнению с модифицированным Морган извлекаемые P измеряется молибдат окраской или дистиллированной воды (Рисунок 2C). Соотношение PW-SRP:FW-SRP увеличилось линейно, как функция рН почвы(рисунок 2D).

Figure 1
Рисунок 1: Растворимые реактивные фосфорные фосфоры (SRP) концентрации в почвенной поровой (PW) и надлежащей паводковой воды (FW) в течение 75-дневной инкубации для спелой почвы с низким рН и лабилом Pi (A), почвы из поля производства кукурузы с высоким лабилом Pi (B) и риарианской почва затопленных поля влажных (C) против наводнения после сушки (D). Ошибки баров представляют собой стандартное отклонение дублирующих измерений микрокосма. Данные были изменены от Янг и Росс6 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Средняя поревода (PW) и паводковых вод (FW) растворимые реактивные P (SRP) концентрации в течение эксперимента в качестве функции модифицированных Морган экстрактоируемых P измеряется молибдат колористетрии (A), модифицированный Морган экстрактоируемых P (Pi ) органических P измеряется индуктивно соединенных плазменных выбросов оптической спектроскопии выбросов (B), и дистиллированной воды (C). (D) Связь между средним PW-SRP:FW-SRP для исследования как функции рН почвы. Данные были изменены от Янг и Росс6 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Основным техническим преимуществом микрокосма является его способность моделировать условия на месте, при которых насыщенная почва или осадок немедленно перекрываются FW, которые могут существенно отличаться по статусу редокс а также P. Ландшафты с гидрологией области переменной области источника, такие как дренажные канавы, затопленные сельскохозяйственные угодья, водно-болотные угодья и риарианские/зоны ближнего потока– являются примерами того, где снижение PW периодически перекрывается более окисленной водой с более низкими концентрациями Пи. Эти градиенты redox могут сильно повлиять на Pi sorption/desorption и поэтому удобоподвижность к поверхности и грунтовым водам1,2,4,5,6, 12,13,14. В отличие от более рутинных экстракции или Pi sorption isotherms, метод микрокосма естественно имитирует снижение условий, как микробное дыхание потребляет растворенный кислород PW. В то же время, FW остается открытым для окружающего воздуха, что позволяет диффузии кислорода в FW, подобно природным условиям в поле. В той степени, что надлежащая вода остается окисления, растворенные металлы, такие как Fe2 "и Mn2" может рассеиваться вверх от PW и resorb SRP на окисление на аэробных интерфейсов, помогая предотвратить мобилизацию SRP fW2, 3,6,14,15. Этот конкретный механизм pi sorption имеет важное значение в водно-болотных угодьях, озерных отложениях и затопленных сельскохозяйственных почвах. Способность метода микрокосма фиксировать эти существенные естественной динамики системы дает преимущество перед более традиционными методами.

Наши результаты также подчеркивают важность обычных химических измерений почвы/отложений в качестве потенциальных предикторов выпуска PW- и FW-SRP. Например, как дистиллированная вода, так и модифицированный Morgan extractable Pi предоставили надежные оценки средних концентраций СРП по сравнению с инкубации, что указывает на то, что ранее сордровая лабиль наяпийская система Является важным ограничением величины выброса Пи. Количество извлекаемых Pi является важной переменной для управления сельскохозяйственной P в дополнение к входным данным для эмпирических и технологических моделей качества воды16. Соотношение PW-SRP:FW-SRP было линейно связано с рН почвы, что указывает на более высокую долю PW-SRP, мобилизованной в FW при более высоком рН. Этот эффект, вероятно, связано с тем, что растворимости сильно P-сорбинг металлических катионов, таких как Al3 "и Fe3" увеличивается при более низком рН и, следовательно, более легко формирует связи с SRP в растворе (обратите внимание, что также хорошо установлено, что наличие ортофосфата в почвах, как правило, максимизируется при рН, близком к нейтралитету, благодаря тому же механизму). Результаты также показали, что затопление сухой почвы значительно увеличило выброс Пи. Улучшенная растворимость Pi после сушки также была сообщена другими17,18,19 и достойна дополнительных исследований для уточнения текущих моделей P велоспорта. Ясно, что взаимодействие между свойствами почвы (статус лабиля Pi, рН почвы, минералогия) и колебания редокса могут сильно влиять на выброс и подвижность Pi. Метод микрокосма облегчает изоляцию и взаимодействие этих и других факторов и позволяет экспериментировать в контролируемых условиях, имитируя в среде ситу.

Подход к микрокосму легко учитывает изменения, которые могут представлять интерес для исследователей P. В дополнение к изменению основных химических и физических свойств, влияющих на выброс Пи, важное значение будут приносить поправки к почве (т.е. навоз/удобрение, биосолис, компосты и материалы для Управления) и другие аспекты управления Соображения. Так как изменения температуры сильно влияют наPi релиз / сорбционные кинетики 9,20 и Redox реакции9,15,20, эксперименты, предназначенные для изоляции воздействия температуры на Pi релиз также может быть полезным. Кроме того, Pi sorption потенциал эксперименты могут быть легко сделать путемдобавления известных количеств Пи FW и измерения исчезновения с течением времени 3; количество P sorbed может быть связано с свойствами почвы, чтобы предсказать удержание Пи в водно-болотных экосистемах. Учитывая простоту метода, низкую стоимость и гибкость, другие изменения дизайна также возможны в зависимости от целей.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют, что эта работа была проведена в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Acknowledgments

Финансирование было предоставлено Вермонтским центром водных ресурсов и озерных исследований в рамках соглашения с Геологической службой США. Выводы и мнения являются выводы авторов, а не Вермонт водных ресурсов и озерных исследований центра или Геологической службы США.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Patrick, W. H., Khalid, R. A. Phosphate release and sorption by soils and sediments: Effect of aerobic and anaerobic conditions. Science. 186, (4158), 53-55 (1974).
  2. Moore, P. A., Reddy, K. R. Role of Eh and pH on phosphorus geochemistry in sediments of Lake Okeechobee, Florida. Journal of Environmental Quality. 23, 955-964 (1994).
  3. Young, E. O., Ross, D. S. Phosphate release from seasonally flooded soils: a laboratory microcosm study. Journal of Environmental Quality. 30, (1), 91-101 (2001).
  4. Henderson, R., et al. Anoxia-induced release of colloid- and nanoparticle-bound phosphorus in grassland soils. Environmental Science & Technology. 46, (21), 11727-11734 (2012).
  5. Vidon, F., et al. Hot spots and hot moments in riparian zones: potential for improved water quality management. Journal of the American Water Resources Association. 46, (2), 278-298 (2010).
  6. Young, E. O., Ross, D. S. Phosphorus mobilization in flooded riparian soils from the Lake Champlain Basin, VT, USA. Frontiers in Environmental Science. 6, (120), 1-12 (2018).
  7. McIntosh, J. L. Bray and Morgan soil extractants modified for testing acid soils from different parent materials. Agronomy Journal. 61, (2), 259-265 (1969).
  8. Young, E. O., Ross, D. S., Cade-Menun, B. J., Liu, C. Phosphorus speciation in riparian soils: a phosphorus-31 nuclear magnetic resonance and enzyme hydrolysis study. Soil Science Society of America Journal. 77, (5), 1636-1647 (2013).
  9. McGechan, M. B., Lewis, D. R. Sorption of phosphorus by soil: Part 1. Principles, equations, and models. Biosystems Engineering. 82, (1), 1-24 (2002).
  10. Cabrera, M. L. Modeling phosphorus in runoff: Basic approaches. Modeling Phosphorus in the Environment. Radcliffe, D. E., Cabrera, M. L. CRC Press. Boca Raton, FL. 65-81 (2007).
  11. Gbur, E. E., et al. Analysis of Generalized Linear Mixed Models in the Agricultural and Natural Resources Sciences. American Society of Agronomy, Crop Science Society of America, Soil Science Society of America. Madison, WI. (2012).
  12. Moore, P. A., Reddy, K. R., Fisher, M. M. Phosphorus flux between sediment and overlying water in Lake Okeechobee, Florida: Spatial and temporal variations. Journal of Environmental Quality. 27, (6), 1428-1439 (1998).
  13. Young, E. O., Briggs, R. D. Phosphorus concentrations in soil and subsurface water: A field study among cropland and riparian Buffers. Journal of Environmental Quality. 37, (1), 69-78 (2008).
  14. Hoffmann, C. C., Kjaergaard, C., Uusi-Kämppä, J., Hansen, H. C. B., Kronvang, B. Phosphorus retention in riparian buffers: review of their efficiency. Journal of Environmental Quality. 38, (5), 1942-1955 (2009).
  15. Bartlett, R. J., Ross, D. S. Chemistry of Redox Processes in Soils. Chemical Processes in Soils, SSSA Book Ser. 8. Tabatabai, M. A., Sparks, D. L. SSSA. Madison, WI. 461-487 (2005).
  16. Radcliffe, D. E., Freer, J., Schoumans, O. Diffuse phosphorus models in the United States and Europe: Their usages, scales, and uncertainties. Journal of Environmental Quality. 38, (5), 1956-1967 (2009).
  17. Bartlett, R. J., James, B. R. Studying dried, stored soil samples—some pitfalls. Soil Science Society of America Journal. 44, (4), 721-724 (1980).
  18. Turner, B. L., McKelvie, I. D., Haygarth, P. M. Characterization of water extractable soil organic phosphorus by phosphatase hydrolysis. Soil Biology & Biochemistry. 34, (1), 27-35 (2002).
  19. Turner, B. L., Haygarth, P. M. Phosphorus solubilization in rewetted soils. Nature. 411, 258 (2001).
  20. Sparks, D. L. Kinetics of reactions in pure and mixed systems. Soil Physical Chemistry. Sparks, D. L. CRC Press. Boca Raton, FL. (1986).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics