水質評価のための実験室用微小宇宙におけるリン放出の測定

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

飽和土壌および堆積物におけるリン(P)脱着電位の正確な定量化は、Pモデリングおよび輸送緩和の取り組みにとって重要です。長時間の飽和下での土壌水酸化還元力学とP動員をより良く説明するために、実験室の微小宇宙の繰り返しサンプリングに基づいて簡単なアプローチが開発されました。

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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

リン(P)は、水生環境への輸送リスクを低減するために慎重な管理を必要とする農業生態系における重要な制限栄養素です。Pバイオアベイラビリティの日常的な実験室測定は、酸化条件下で乾燥したサンプルに対して行われる化学抽出に基づいている。有用であるが、これらの試験は、長期水飽和下でのP放出の特徴付けに関して制限される。酸化鉄や他の金属に結合した陰気オルソリン酸は、環境を減らす中で溶液に急速に脱着し、表面流出や地下水へのP動員リスクを高めることができます。拡張飽和時のP脱着電性と移動性をより良く定量化するために、時間の経過とともに孔水の繰り返しサンプリングと洪水のオーバーオーバーに基づいて実験室の微小宇宙法が開発されました。この方法は、物理化学的特性が異なる土壌や堆積物からのP放出電位を定量化するのに有用であり、水文学的に活性な領域におけるP放出リスクをより良く特徴付けることによって、サイト固有のP緩和努力を改善することができる。この方法の利点は、その位置のダイナミクス、シンプルさ、低コスト、柔軟性をシミュレートする機能です。

Introduction

リン(P)は、作物と水生バイオマスの生産性の両方に対する重要な制限栄養素です。表面水水文学は、流出や洪水/池のイベント中のリモビリゼーションの可能性に影響を与えながら、堆積物とPの物理的な輸送を制御するように、P運命と輸送の主な推進要因です。様々な実験室ベースの抽出方法は、通常、酸化条件下でフィールドスケールでP放出を推定するために使用されます。異なるメカニズムがP放出に寄与する一方で、鉄リン酸塩の還元溶解は、水1、2、3に大きなオルトリン酸-Pフラックスを導くことができる確立された反応機構である。 4.湿地におけるP生物地球化学を制御するメカニズムのレビューでは、酸化還元状態は土壌および浅い地下水へのP放出を制御する主な変数であると仮定した5。そのため、従来のP検定は、長時間の飽和下でのP放出の信頼できる予測変数ではない場合があります。

Pの運命と輸送における水の滞留時間と酸化物の状態の重要性を考えると、その状況でより良いシミュレートを行えるように設計された実験室アプローチは、農業および湿地生態系のP輸送リスク指数の改善につながる可能性があります。可変飽和。オルトリン酸塩は直ちに生体利用できるため、飽和時の脱着率および程度は、非点源P汚染リスクの指標として用いることができる。私たちの方法は、P脱着を定量化するために設計されました (PW) と上流の洪水 (FW), 可変源域水文学を持つ地域の典型的な条件 (例えば, 洪水農業フィールド, 湿地, 排水溝, リパリ/ニアストリームゾーン)。この方法はもともと、ニューヨーク北部(米国)からの季節的に浸水した土壌におけるP放出電位を特徴付けるために開発され、最近、バーモント州北西部のシャンプレーン盆地6からリパリの土壌のP脱着電位を定量化するために適用された.ここでは、実験室の微小宇宙法のプロトコルを提供し、P脱着電位を定量化する能力を実証した最近発表された研究の結果を強調する。また、P放出電位と、サイト間の放出を予測する日常的な土壌試験(陰気抽出可能なP、pH)の信頼性との関係を示す。

この方法を実行するには、適切な気候制御、換気、水、および適切な酸性廃棄物処理システムを備えた分析ラボへのアクセスが必要です。この方法は、日常的な化学試薬や実験装置(シンク、フード、ガラス製品など)へのアクセスを想定しています。日常的な実験室の必要性を超えて、膜ろ過(≤0.45 μm)システムおよびPを測定するために紫外線分光光度計が要求される。pHメーターまたはマルチパラメータ水質プローブも推奨されますが、必須ではありません。実験室の温度は重要な要因であり、温度自体が実験因子として調査されていない限り、一定に保たれるべきである(20 °Cが推奨される)。適切な機器を備えた適切な分析ラボへのアクセスを妨げずに、メソッドを適切に実行し、有意義な結果を生成するための前提条件です。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. サンプルコレクション

  1. 所望の部位から約4Lの土壌(または堆積物)を採取する。P および土壌特性の空間変動を制限するには、収集領域が比較的小さくする必要があります。
  2. 粗い(20 mm)画面を通してふるいのサンプルは2つのmmのスクリーンに続いた。ふるいにかける後、サンプルを徹底的に手混ぜます。
  3. フィールド湿った土壌や堆積物の100グラムの重量を量る。105 °Cで24時間オーブンで乾燥し、重力水含有量(土壌水質量/乾燥土壌質量)を計算します。
  4. 化学分析のために500 mLのサブサンプルを取る。
    注:土壌pH、有機物含有量および不溶性無機P(Pi)濃度は、土壌試験をお勧めします。ここで、不安定な土壌Piの利用可能性を評価した:1)1.25モルL-1酢酸アンモニウム(pH=4.8;以下、改変モルガン抽出可能Pと称する)によって抽出されたPiは、対色性7、8、2によって抽出された。蒸留水、及び3)誘導結合プラズマ光学発光分光法(ICP)8により測定した1.25mol L-1酢酸アンモニウム(pH=4.8)により抽出したP。
  5. マイクロコスム研究のために残りのふるい土壌を使用するか、後で使用するために5 °Cでポリエチレン袋に保存します。
    注:長期間冷蔵すると土壌が乾燥し(>30日間)、再湿潤が必要になります。それは微生物の完全性およびP放出の可能性に影響を与えるので、土壌サンプルを凍結しないでください。

2. ミクロコスム構造

  1. 1リットル(1L)の等級ポリプロピレンまたはその他の非反応性プラスチックビーカーを個々の実験単位(マイクロコスム)として使用してください。ビーカーを10%塩酸で洗い、蒸留水でトリプルリンスを洗います。
  2. 下から2cm上に測定し、ビーカーの卒業にマークを置きます。排水口の直径 1.25 cm の穴をドリルします。
  3. ホースバーブの内側の端と穴の外周の周りにシリコーンの小さなビーズを配置します。排水ポートを慎重に穴に挿入します。
    注:ステップ2.4に進む前に、少なくとも24時間の空気乾燥を許可します。
  4. ナイロンメッシュフィルタースクリーンにホースバーブの外側の円周をトレースし、はさみで切り取ります。外側の端に各フィルタの周りの周りにシリコーンの薄いビーズを適用し、ホースバーブ入り入り入りにフィルタを押します。使用前に少なくとも24時間の乾燥時間を確保してください。
    注: ほとんどのアプリケーションでは、100 μm の細孔サイズをお勧めします。ただし、より細かいテクスチャの土壌は、過度に長いPWサンプル収集時間を避けるために、より大きなフィルター孔径を必要とする場合があります。
  5. ホースバーブの端に0.625 cmの直径のラテックスホースの短い部分を合わせます。流れを防ぐために、幅3.3cmのペーパーバインダークリップをホースに取り付けました。

3. リン放出試験の実施

  1. 500 mLのサンプルを複製されたミクロコスムに入れ、FWが1Lマークに達するまでビーカーの壁に沿って蒸留水を穏やかに塗布します。
    注:マイクロコスムは、最初のサンプルを採取する前に24−48時間平衡化します。
  2. ペーパーバインダーをクリップ解除して、排水ポートを通るPWフローを誘導します。PW排水ポートの真下にきれいな30 mLビーカーを置くことによってサンプルを集める。PWの数mLを排水、廃棄、次の10 mLを代表的なサンプル容積として使用できるようにします。
  3. 0.45 μmの膜フィルターを通してPWサンプルをフィルター処理し、可溶性反応性P(SRP)を直ちに分析します。吸光度値と測定時間を記録します。
    注: SRP は一般にオルトリン酸と見なされます。しかし、モリブデート反応性Pは、0.45 μmフィルター4を通過するコロイドおよび/またはナノ粒子との複合体を形成することもできる。
  4. 水柱の半分下に10mL電球シリンジピペットを挿入して最初のFWサンプルを取り、円形の動きを使用してサンプルを撤回します。ビーカーに空、SRPのためにすぐにフィルタリングし、分析します。
  5. ビーカーを蒸留水で1Lレベルに補充して、サンプリングした水を交換します。
    注:蒸発損失は異なります。目標は、すべてのマイクロコスムで1Lの総体積(浸水土壌+水柱)を一貫して維持することです。蒸発水損失の置き換えは、SRPに対してごくわずかな希釈効果を有する。
  6. 解析に必要な P リリース時間ポイント数に基づいて、手順 3.2 ~ 3.5 を繰り返します。
    注: 時間の経過に見られるサンプルの数は、実験者の目標によって異なります。インキュベーションが20°Cに近いと仮定すると、多くのアプリケーションでは週に1~3回サンプリングで十分です。より高い温度でインキュベーションすると、SRPリリース速度が向上し、より頻繁なサンプリングが必要になります。ここでの目的は、実験からのデータ分析に焦点を当てるのではなく、マイクロコスム法の有用性を示すことです。P脱着/吸着データに適合するキネチカルベースおよび経験モデルの両方が、他の場所で9、10に提示される。マイクロコスム法は、反復的な測定設計に依存し、複製および異なる治療に対応するため、一般化線形混合モデリングアプローチも適切です 11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

リパリ領域のP放出電位に焦点を当てた最近の研究の結果は、サイトレベルのPリリースダイナミクス6を特徴付ける方法の能力を実証するために強調表示されています。一部の土壌は時間の経過とともにSRPの変化を最小限に抑えたが、PWおよびFW-SRP濃度が大きく増加した土壌もありました(図1)。対照的な傾向を持つ 2 つのサイトを図 1に示します。土壌7は、低土壌pHを有するリパリの部位であり、PW(図1A)からのほぼ連続的なSRP吸着によって特徴付けられた。土壌14は、高い陰性土壌パイ(土壌14)を持つ隣接するトウモロコシ生産場からサンプリングし、浸水の最初の1ヶ月間にPW-SRPのほぼ7倍の増加を示した(図1B)。

PW-SRP濃度とは対照的に、FW-SRPは時間の経過とともに減少する傾向があった(図1)。ポアウォーター鉄Fe(Fe2+)もレドックス状態のプロキシとして測定した。1つの土壌を除く全ての土壌において、PW-Fe2+は約3週間後に大幅に増加し、減少条件を示した。土壌乾燥は有機炭素とパイ溶解性を変化させるため、洪水前に2つの部位も乾燥させた。乾燥した土壌の洪水は、同じ土壌をフィールド湿った状態で浸水させるのに比べて、PWへのPi脱着を大幅に増加させ、その後の動員を上回る水に対して増加した(図1C,D)。

選択土壌P試験も行い、平均SRP濃度を予測する信頼性を決定した。蒸留水および修飾されたモルガン抽出可能P(モリブデート色分法で測定)は、平均PWおよびFW-SRP濃度の最良の予測変数の一つであった(図2A,C)。ICPで測定した修飾されたモルガン抽出可能Pは、モリブデート色彩測定または蒸留水によって測定された修飾されたモルガン抽出可能Pと比較して予知器の良好性ではなかった(図2C)。PW-SRP:FW-SRPの比率は、土壌pH(図2D)の関数として直線的に増加した。

Figure 1
図1:土壌細孔水(PW)および上流洪水水(FW)における可溶性反応性リン濃度は、低pHおよび不安定なPi(A)、高い不安定性パイ(B)とリパリアンを有するトウモロコシの生産場からの土壌であるリパリの土壌に対する75日間のインキュベーションを行う。土壌浸水フィールド湿潤(C)対乾燥後の洪水(D)。誤差小節は、重複するマイクロコスム測定値の標準偏差を表します。データは、許可を受けてヤングとロス6から変更されました。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:モリブデート色彩測定(A)により測定した修飾モーガン抽出可能Pの関数としての実験上の平均気孔水(PW)及び洪水(FW)可溶性反応性P(SRP)濃度、修飾モーガン抽出可能P(Pi+有機P)により測定誘導結合プラズマ発光光分光法(B)、および蒸留水(C)。(D)土壌pHの関数としての研究のための平均PW-SRP:FW-SRPとの関係。 データは、許可を受けてヤングとロス6から変更されました。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

マイクロコスムアプローチの主な技術的利点は、飽和土壌または堆積物が直ちに酸化還元およびP状態で大きく異なる可能性のあるFWによってオーバーレイされる、その中の状態をシミュレートする能力である。排水溝、洪水の作物、湿地、リパリアン/ニアストリームゾーンなどの可変源域水文学を持つ景観は、すべての例であり、減少したPWは、より低いPi濃度でより酸化された水によって定期的にオーバーレールされます。これらの酸化物勾配は、パイ吸着/脱着に強く影響を与える可能性があるため、表面および地下水への移動性 1、23456 12,13,14.より多くのルーチン抽出やPi吸着イソマムとは異なり、微生物呼吸が溶存PW酸素を消費するので、マイクロコスム法は自然に減少条件をシミュレートします。同時に、FWは、フィールドの自然条件と同様に、FWに酸素の拡散を可能にする周囲の空気に開いたままです。上面水が酸化されたままである限り、Fe2+やMn2+などの溶解金属は、好気インターフェースでの酸化時にPWから上方に拡散し、FW 2へのSRP動員を防ぐのに役立ちます。 3,6,14,15.この特定のPi吸着機構は、湿地、湖の堆積物、および洪水農業土壌において重要です。これらの本質的な自然系ダイナミクスを捕捉するマイクロコスム法の能力は、より伝統的な方法よりも優位性を提供します。

我々の結果はまた、PW-およびFW-SRP放出の潜在的な予測変数としての日常的な土壌/堆積物化学測定の重要性を強調する。例えば、蒸留水と改変されたモルガン抽出可能なPiの両方が、インキュベーション上の平均SRP濃度の信頼性の高い推定値を提供し、以前に寝床の不安定なPiがPi放出の大きさに重要な制約であることを示す。抽出可能なPiの量は、経験的およびプロセスベースの水質モデル16の入力であることに加えて、農業Pを管理するための重要な変数である。PW-SRP:FW-SRPの比率は土壌pHに直線的に関連し、より高いpHでFWに動員されたPW-SRPの高い割合を示した。この効果は、Al3+やFe3+などの強いPソルビング金属カチオンの溶解度が低いpHで増加し、したがって、より容易に溶液中のSRPとの結合を形成するという事実に関連している(注意しても十分に確立されている)土壌中のオルソリン酸塩の利用可能性は、同じメカニズムによる中性に近いpHで最大化される傾向がある)。結果はまた、洪水乾燥土壌がPi放出を大幅に増加させたことを実証した。乾燥後の高められたPi溶解度はまた他の17、18、19によって報告され、現在のPサイクリングモデルを精製するために付加的な研究に値する。土壌特性(陰気なPiステータス、土壌pH、鉱物学)と酸化還元変動の相互作用が、Pi放出と移動性に強く影響を及ぼすことは明らかである。マイクロコスム法は、これらの要因やその他の要因の分離と相互作用を容易にし、その場でシミュレートしながら、制御された条件下での実験を可能にします。

マイクロコスムアプローチは、P研究者が関心を持つ可能性のある変更に容易に対応します。Pi放出に影響を与える基本的な化学的および物理的特性の変動に加えて、土壌修正(家畜肥料/肥料、バイオソリッド、堆肥、およびP-sorbing材料)の追加およびその他の管理面は、依然として重要である。考慮 事項。温度の変化はPi放出/吸着運動学9、20および酸化還元反応9、15、20強く影響するので、Pi放出に対する温度影響を分離するように設計された実験また、有益である可能性があります。さらに、Pi吸着能力実験は、既知の量のPiをFWに加え、時間の経過とともに消失を測定することで容易に行うことができる。Pソルベッドの量は、湿地生態系におけるPi保持を予測するために土壌特性に関連することができます。この方法のシンプルさ、低コスト、柔軟性を考慮すると、目的に応じて他の設計変更も可能です。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

著者らは、この研究は、潜在的な利益相反として解釈される可能性のある商業的または財政的な関係がない場合に行われたと宣言している。

Acknowledgments

資金は、米国地質調査所との合意を通じて、バーモント水資源湖研究センターによって利用可能になりました。結論と意見は著者のものであり、バーモント水資源・湖研究センターやUSGSではありません。

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