测量实验室微量微生物中的磷释放,用于水质评估

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Summary

在饱和土壤和沉积物中准确定量磷(P)解吸电位对P建模和运输缓解工作非常重要。为了更好地解释在长期饱和条件下的原位土壤-水氧化还原动力学和P动员,在实验室缩微图反复取样的基础上,开发了一种简单的方法。

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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

磷(P)是农业生态系统中一种关键的营养物质,需要谨慎管理,以减少对水生环境的运输风险。P生物利用度的常规实验室测量基于在氧化条件下对干燥样品进行的化学提取。这些测试虽然有用,但相对于在长期水饱和条件下的P释放特征而言是有限的。与氧化铁和其他金属结合的甲氧乙酸磷可以迅速解灭溶液,减少环境,增加地表径流和地下水的P动员风险。为了更好地量化P解吸电潜力和在延长饱和期间的流动性,基于对孔隙和覆盖洪水的反复取样,开发了实验室微观方法。该方法可用于量化土壤和沉积物中具有物理化学性质变化的P释放潜力,并通过更好地描述水文活动区域的P释放风险,改进现场特定的P缓解工作。该方法的优点包括能够模拟原位动力学、简单性、低成本和灵活性。

Introduction

磷(P)是作物和水生生物量生产力的关键限制营养素。地表水水文是P命运和运输的主要驱动力,因为它控制着沉积物和P的物理运输,同时也影响径流和洪水/池塘事件期间的再动员潜力。各种基于实验室的提取方法通常用于在氧化条件下估计场尺度的P释放。虽然不同的机制可以促进P释放,但铁磷酸盐的还原溶解是一种成熟的反应机制,可导致对水1、2、3的大正磷-P通量。 4.在湿地P生物地球化学控制机制的综述中,将氧化还原状态假设为控制土壤和浅层地下水P释放的主要变量5。因此,传统的P测试可能不是长期饱和下P释放的可靠预测变量。

鉴于水停留时间和氧化还原状态对P命运和运输的重要性,旨在更好地模拟原位条件的实验室方法可改善农业和湿地生态系统的P运输风险指数。可变饱和度。由于正磷酸盐是可立即生物可利用的,饱和期间解吸率和范围可作为非点源P污染风险的指标。我们的方法旨在量化P解吸水(PW)和动员覆盖洪水(FW),这是在源区水文变化地区的典型情况(例如,被淹的农田、湿地、排水沟和河岸/近流区域)。该方法最初用于描述美国纽约北部季节性淹没土壤中的P释放潜力,最近用于量化佛蒙特州西北部尚普兰湖盆地6的河岸土壤的P解吸潜力。.在这里,我们为实验室微缩方法提供一个协议,并重点介绍了最近发表的一项研究的结果,该研究展示了其量化P解吸潜力的能力。我们还演示了P释放潜力与常规土壤测试(可提取P,pH)的可靠性之间的关系,以预测不同地点的释放。

实施该方法需要进入具有适当气候控制、通风、水和适当酸废物处理系统的分析实验室。该方法假定使用常规化学试剂和实验室设备(水槽、罩、玻璃器皿等)。除了常规实验室需求外,还需要一个膜过滤(± 0.45 μm)系统和一个紫外分光光度计来测量P。也推荐使用 pH 计或多参数水质探头,但不是必需的。实验室温度是一个重要因素,除非温度本身作为实验因子加以研究(建议为 20°C),否则应保持不变。能够畅通无阻地使用适当的分析实验室和适当的设备,是正确执行该方法并产生有意义的结果的先决条件。

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Protocol

1. 样本收集

  1. 从所需地点收集大约 4 L 的土壤(或沉积物)。采集区域应相对较小,以限制 P 和土壤属性的空间变化。
  2. 通过粗(20 mm)屏幕筛分样品,跟随2毫米屏幕。筛分后,彻底手工混合样品。
  3. 称重 100 克田间湿润土壤或沉积物。在105°C的烤箱中干燥24小时,并计算重力水含量(土壤水体/干土质量)。
  4. 以 500 mL 子样本进行化学分析。
    注:推荐土壤pH、有机物含量和实验室无机P(Pi)浓度。在这里,可测量的土壤 Pi 可用性: 1) Pi 提取的 1.25 mol L-1乙酸铵 (pH = 4.8; 下称改性摩根可萃取P) 测量的色度 7,8,2) Pi 提取蒸馏水,和3)P提取1.25摩尔L-1乙酸铵(pH = 4.8)测量电感耦合等离子-光发射光谱(ICP)8 。
  5. 使用剩余的筛土进行微观研究,或储存在5°C的聚乙烯袋中,供日后使用。
    注:长时间冷藏时,土壤干燥,需要重新保湿。不要冻结土壤样品,因为它会影响微生物的完整性和P释放潜力。

2. 微观工程

  1. 使用一升(1升)分级聚丙烯或其他非反应性塑料烧杯作为单个实验单元(缩微体)。用10%盐酸清洗烧杯,用蒸馏水三次冲洗。
  2. 从底部向上测量 2 厘米,并在烧杯刻度旁边放置一个标记。钻一个直径为 1.25 厘米的孔,用于排水口。
  3. 在软管棒内边缘和孔孔外圆周周围放置一小颗硅胶珠。小心地将排水口插入孔中。
    注:在继续步骤 2.4 之前,请先让空气干燥至少 24 小时。
  4. 将软管棒的外周跟踪到尼龙网状滤网屏幕上,用剪刀切开。在每个过滤器的周围外边缘周围涂抹一层薄薄的硅胶珠,并将滤芯压到软管棒入口上。使用前至少留出24小时的干燥时间。
    注:对于大多数应用,建议使用 100 μm 孔径;但是,纹理更精细的土壤可能需要更大的滤孔尺寸,以避免过长的 PW 样品收集时间。
  5. 将直径为 0.625 厘米的乳胶软管短片安装到软管棒端。将 3.3 厘米宽的纸夹连接到软管,以防止流动。

3. 进行磷释放试验

  1. 将 500 mL 的样品放入重复的微观世界中,沿烧杯壁轻轻涂抹蒸馏水,直到 FW 达到 1 L 标记。
    注:在采集初始样本之前,允许显微物平衡24~48小时。
  2. 松开回针活页夹,以诱导 PW 流通过排水口。将清洁的 30 mL 烧杯直接放置在 PW 排水口下方,收集样品。允许多个 mL PW 排空、丢弃并使用下一个 10 mL 作为代表性的样本体积。
  3. 通过 0.45 μm 膜过滤器过滤 PW 样品,并立即分析可溶性反应 P (SRP)。记录吸光值和测量时间。
    注:SRP通常假定为正磷酸盐;然而,Molybdate反应P也可以形成复合物与胶体和/或纳米粒子,通过0.45 μm滤波器4。
  4. 将 10 mL 灯泡注射器移液器插入水柱的一半,并使用圆周运动提取样本,从而获取初始 FW 样本。倒入烧杯中,立即过滤和分析 SRP。
  5. 将烧杯重新加注至 1 L 水平,用蒸馏水代替取样水。
    注: 蒸发损失会有所不同。目标是在所有微观中始终保持总体积(淹没土壤 +水柱)1 L。更换蒸发水损失对 SRP 的稀释作用可以忽略不计。
  6. 根据所需的 P 释放时间点数重复步骤 3.2 到 3.5 进行分析。
    注:随时间而采集的样本数量取决于实验者的目标。每周取样一到三次,对于许多应用来说,假设孵育接近20°C就足够了。在较高温度下孵育会增加 SRP 释放率,并且需要更频繁的采样。这里的目的是展示微观方法的效用,而不是专注于实验的数据分析。基于动力学的模型和经验模型,以适应P解吸/吸附数据,在别处9,10。由于微观方法依赖于重复测量设计,并适应复制和不同的处理,广义线性混合建模方法也是适当的11。

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Representative Results

最近一项侧重于河岸区域P释放潜力的研究的结果被突出显示,以表明该方法具有表征站点级P释放动力学6的能力。虽然一些土壤在SRP中随时间的变化很小,但其他土壤PW-和FW-SRP浓度有较大增加(图1)。图 1显示了两个具有对比趋势的站点。土壤7是低土壤pH值的河岸地,其特点是PW几乎连续的SRP吸附(图1A)。土壤14是从毗邻的玉米生产场取样,土壤皮(土壤14)升高,在洪水发生的第一个月,PW-SRP增加了近7倍(图1B)。

与 PW-SRP 浓度相比,FW-SRP 会随着时间的推移而降低 (图 1)。波雷沃特铁铁Fe ( Fe2+) 也被测量为氧化还原状态的代理.在大约 3 周后,除了一块土壤外,PW-Fe2+在所有土壤中都大幅增加,表明条件正在减少。由于土壤干燥会改变有机碳和Pi的溶解性,所以在洪水发生之前,两个地点也已经干燥。与在田间潮湿状态下淹没同一土壤相比,洪水使干土大量增加 Pi 解吸到 PW,并随后动员到覆盖水(图 1C,D)。

还进行了选择土壤 P 测试,以确定其可靠性以预测平均 SRP 浓度。蒸馏水和改性摩根可萃取P(用二元色度测定测量)是PW-和FW-SRP平均浓度的最佳预测指标(图2A,C)。与经修改的摩根可萃取P相比,ICP测量的修正摩根可萃取P与经修正的摩根可萃取P相比,不如预测变量(图2C)。PW-SRP:FW-SRP的比例随着土壤pH值的函数呈线性增长(图2D)。

Figure 1
图 1 : 土壤孔隙水 ( PW ) 和覆盖洪水 ( FW ) 中的可溶性活性磷 ( SRP ) 浓度 , 在 75 天孵育中 , 用于低 pH 和 Pi ( A ) 的河岸土壤 , 该土壤来自玉米生产田 , 具有高阴极 Pi ( B ) 和河岸土壤淹没田湿 (C) 与干燥后洪水 (D)。误差条表示重复微观测量的标准偏差。数据在允许的情况下从 Young 和 Ross6进行了修改。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:平均孔径水(PW)和洪水(FW)可溶性反应P(SRP)浓度在实验中作为经过修改的摩根可萃取P的函数,测量的莫利达色度测定法(A),修改摩根可萃取P(Pi + 有机P)测量电感耦合等离子体发射光发射光谱(B)和蒸馏水(C)。(D)均 PW-SRP:FW-SRP 之间的关系,用于作为土壤 pH 值函数的研究。数据在允许的情况下从 Young 和 Ross6进行了修改。请点击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

微观方法的一个主要技术优势是能够模拟原位条件,使饱和的土壤或沉积物立即被FW覆盖,在氧化还原和P状态上可能有很大差异。具有可变源区水文的景观,如排水沟、被淹没的农田、湿地和河岸/近流区,都是通过更氧化的水而周期性地过度利用的、Pi浓度较低的水减少 PW 的示例。这些氧化还原梯度可以强烈地影响 Pi 吸附/解吸,因此可移动到地表和地下水1、2、3、4、5、6 12,13,14.与常规萃取或 Pi 吸附等液不同,显微体方法自然模拟微生物呼吸消耗溶解 PW 氧气的还原条件。同时,FW 仍然对环境空气开放,允许氧气扩散到 FW 中,类似于野外的自然条件。如果覆盖水仍然氧化,溶解的金属(如 Fe2+和 Mn2+)在有氧界面氧化时可能会从 PW 向上扩散,在有氧界面上重新扩散 SRP,有助于防止 SRP 动员到 FW2, 3,6,14,15.这种特殊的皮吸附机制在湿地、湖泊沉积物和被淹没的农业土壤中非常重要。微观方法捕获这些基本自然系统动力学的能力提供了比传统方法的优势。

我们的研究结果还强调了常规土壤/沉积物化学测量作为 PW 和 FW-SRP 释放的潜在预测值的重要性。例如,蒸馏水和改性摩根可萃取 Pi 都提供了对孵育期平均 SRP 浓度的可靠估计,表明以前被除卵的实验室 Pi 是 Pi 释放量的重要限制因素。可萃取Pi的数量是管理农业P的重要变量,也是经验型和过程性水质模型16的输入。PW-SRP:FW-SRP 与土壤pH值呈线性相关,表明在较高的 pH 值下,PW-SRP 被动员到 FW 的比例较高。这种效应可能与一个事实有关,即强P-sors金属阳离子(如Al3+和Fe3+)的溶解度在较低的pH倍数下增加,因此更容易在溶液中与SRP形成粘结(请注意,这也已经得到了很好的证实,由于相同的机制,土壤中的正磷酸盐可用性往往在接近中性的pH值下最大化)。结果还表明,洪水干土大大增加了Pi释放。其他人也报道了干燥后增强的Pi溶解度,值得进一步研究,以改进目前的P循环模型。显然,土壤特性(表皮状态、土壤pH、矿物学)和氧化还原波动之间的相互作用会强烈地影响Pi释放和流动性。微观方法有助于这些因素和其他因素的隔离和相互作用,并允许在受控条件下进行实验,同时模拟原位环境。

微观方法很容易适应P研究人员可能感兴趣的修改。除了影响 Pi 释放的基本化学和物理特性的变化外,增加土壤改良(即牲畜粪肥/肥料、生物固体、堆肥和 P-sor-sors 材料)和其他管理方面仍然很重要考虑。由于温度变化强烈地影响Pi释放/吸附动力学9,20和氧化还原反应9,15,20,旨在分离温度效应对Pi释放的实验可能也是有益的。此外,Pi吸附能力实验可以通过将已知数量的Pi添加到FW中并测量随时间的消失3;然后,P sorbed的数量可以与土壤特性相关,以预测湿地生态系统中的Pi保留量。由于该方法简单、成本低和灵活,还可以根据目标进行其他设计修改。

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Disclosures

提交人宣布,这项工作是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的,这种关系可能被解释为潜在的利益冲突。

Acknowledgments

佛蒙特州水资源和湖泊研究中心通过与美国地质调查局达成协议,提供了资金。结论和意见是作者的结论和意见,而不是佛蒙特州水资源和湖泊研究中心或美国地质调查局。

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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