Medición de la liberación de fósforo en microcosmos de laboratorio para la evaluación de la calidad del agua

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Summary

La cuantificación precisa del potencial de desorción de fósforo (P) en suelos y sedimentos saturados es importante para los esfuerzos de modelado y mitigación del transporte de P. Para tener mejor en cuenta la dinámica in situ de redox suelo-agua y la movilización de P bajo saturación prolongada, se desarrolló un enfoque simple basado en muestreos repetidos de microcosmos de laboratorio.

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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

El fósforo (P) es un nutriente limitante crítico en los agroecosistemas que requiere una gestión cuidadosa para reducir el riesgo de transporte a los ambientes acuáticos. Las medidas rutinarias de laboratorio de biodisponibilidad P se basan en extracciones químicas realizadas en muestras secas en condiciones de oxidación. Si bien son útiles, estas pruebas se limitan con respecto a caracterizar la liberación P bajo saturación prolongada de agua. El ortofosfato lábil unido al hierro oxidado y otros metales puede desorbizar rápidamente a la solución en entornos de reducción, aumentando el riesgo de movilización de P para la escorrencíta superficial y las aguas subterráneas. Para cuantificar mejor el potencial de desorción de P y la movilidad durante la saturación prolongada, se desarrolló un método de microcosmos de laboratorio basado en muestreos repetidos de agua de poro y agua de inundación superpuesta a lo largo del tiempo. El método es útil para cuantificar el potencial de liberación de P de suelos y sedimentos que varían en propiedades fisicoquímicas y puede mejorar los esfuerzos de mitigación de P específicos del sitio al caracterizar mejor el riesgo de liberación de P en áreas hidrológicamente activas. Las ventajas del método incluyen su capacidad para simular la dinámica in situ, la simplicidad, el bajo costo y la flexibilidad.

Introduction

El fósforo (P) es un nutriente limitante crítico para la productividad de la biomasa tanto de cultivos como de biomasa acuática. La hidrología del agua superficial es un factor principal del destino y el transporte de P, ya que controla el transporte físico de sedimentos y P, al tiempo que afecta al potencial de removilización durante la escorrenza y los eventos de inundación/ponding. Varios métodos de extracción basados en laboratorio se utilizan típicamente para estimar la liberación de P a escala de campo en condiciones de oxidación. Mientras que diferentes mecanismos pueden contribuir a la liberación de P, la disolución reductiva de los fosfatos de hierro es un mecanismo de reacción bien establecido que puede conducir a grandes flujos de ortofosfato-P al agua1,2,3, 4. En una revisión de los mecanismos que controlan la biogeoquímica P en los humedales, se hipotetizó el estado de redox como la principal variable controladora de la liberación de P a los suelos y aguas subterráneas poco profundas5. Como tal, las pruebas P tradicionales pueden no ser predictores confiables de liberación P bajo saturación prolongada.

Dada la importancia del tiempo de residencia del agua y el estado de redox en el destino y el transporte P, los enfoques de laboratorio diseñados para simular mejor las condiciones in situ podrían dar lugar a una mejora de los índices de riesgo de transporte P para los ecosistemas agrícolas y humedales sujetos a saturación variable. Dado que el ortofosfato es inmediatamente biodisponible, la tasa y el grado de desorción durante la saturación se pueden utilizar como un índice de riesgo de contaminación P de fuente no puntual. Nuestro método fue diseñado para cuantificar la desorción P al agua de poro (PW) y la movilización a las aguas de inundación (FW), una condición típica en áreas con hidrología de área de origen variable (por ejemplo, campos agrícolas inundados, humedales, zanjas de drenaje y zonas cercanas a la corriente). El método fue desarrollado originalmente para caracterizar el potencial de liberación de P en suelos inundados estacionalmente del norte de Nueva York (EE.UU.) y recientemente se aplicó para cuantificar el potencial de desorción de suelos ribereños de la Cuenca del Lago Champlain 6, en el noroeste deVermont. . Aquí, proporcionamos un protocolo para el método de microcosmos de laboratorio y destacamos los resultados de un estudio publicado recientemente que demuestra su capacidad para cuantificar el potencial de desorción de P. También demostramos la relación entre el potencial de liberación de P y la fiabilidad de las pruebas rutinarias de suelo (P extraíble lábil, pH) para predecir la liberación entre sitios.

La realización del método requiere el acceso a un laboratorio analítico con un control de clima adecuado, ventilación, agua y un sistema adecuado de eliminación de residuos ácidos. El método presupone el acceso a reactivos químicos de rutina y equipos de laboratorio (sumideros, campanas, cristalería, etc.). Más allá de las necesidades rutinarias de laboratorio, se requiere un sistema de filtración por membrana (a 0,45 m) y un espectrofotómetro UV para medir P. También se recomienda un medidor de pH o una sonda de calidad de agua multiparámetro, pero no se requiere. La temperatura de laboratorio es un factor importante y debe mantenerse constante a menos que la temperatura en sí se esté investigando como un factor experimental (se recomienda 20 oC). El acceso sin obstáculos a un laboratorio analítico adecuado con el equipo adecuado es un requisito previo para realizar el método correctamente y generar resultados significativos.

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Protocol

1. Recogida de muestras

  1. Recoger aproximadamente 4 L de tierra (o sedimento) de los sitios deseados. Las áreas de recolección deben ser relativamente pequeñas para limitar la variación espacial en las propiedades de P y suelo.
  2. Las muestras de tamiz a través de una pantalla gruesa (20 mm) siguieron una pantalla de 2 mm. Mezcle bien las muestras a mano después del tamizado.
  3. Pesar 100 g de tierra húmeda en el campo o sedimentos. Secar en un horno a 105 oC durante 24 h y calcular el contenido de agua gravimétrica (masa de agua del suelo/masa del suelo seco).
  4. Tome una submuestra de 500 ml para el análisis químico.
    NOTA: Se recomiendan pruebas de suelo con pH del suelo, contenido de materia orgánica y concentración inorgánica de P (Pi). Aquí, la disponibilidad de Pi del suelo lábil fue evaluada por: 1) Pi extraído por 1.25 mol L-1 amonio-acetato (pH a 4.8; en lo sucesivo denominado Morgan extraído modificado P) medido colorimétricamente7,8, 2) Pi extraído por agua destilada y 3) P extraídapor 1,25 mol L-1 acetato de amonio-acetato (pH a 4,8) medido por espectroscopia de emisión plasma-óptica (ICP) acoplada inductivamente8.
  5. Utilizar el suelo tamizado restante para estudios de microcosmos o almacenar en bolsas de polietileno a 5 oC para su uso posterior.
    NOTA: Los suelos se secan cuando se refrigeran durante largos períodos (>30 días) y requerirán rehumectación. No congele muestras de suelo, ya que afecta a la integridad microbiana y al potencial de liberación de P.

2. Construcción de microcosmos

  1. Utilice polipropileno graduado de un litro (1 L) u otros vasos de plástico no reactivos como unidades experimentales individuales (microcosmos). Lave los vasos en ácido clorhídrico al 10% y enjuague triple con agua destilada.
  2. Mida 2 cm de la parte inferior y coloque una marca junto a las graduaciones del vaso de precipitados. Taladre un orificio de 1,25 cm de diámetro para los puertos de drenaje.
  3. Coloque un pequeño cordón de silicona alrededor del borde interior de la barba de la manguera y la circunferencia exterior del orificio del agujero. Inserte cuidadosamente el puerto de drenaje en el orificio.
    NOTA: Deje secar al aire durante al menos 24 horas antes de continuar con el paso 2.4.
  4. Trace la circunferencia exterior de las púas de manguera en la pantalla de filtro de malla de nylon y corte con tijeras. Aplique un cordón delgado de silicona alrededor de la circunferencia de cada filtro en el borde exterior y presione los filtros en las entradas de la barba de la manguera. Deje al menos 24 h de tiempo de secado antes de usar.
    NOTA: Se recomienda un tamaño de poro de 100 m para la mayoría de las aplicaciones; sin embargo, los suelos con textura más fina pueden requerir un tamaño de poro de filtro más grande para evitar un tiempo de recolección de muestras PW excesivamente largo.
  5. Coloque una pieza corta de manguera de látex de 0,625 cm de diámetro en los extremos de la barba de la manguera. Se ha conectado un clip de aglutinante de papel de 3,3 cm de ancho a la manguera para evitar el flujo.

3. Llevar a cabo un ensayo de liberación de fósforo

  1. Coloque 500 ml de muestra en microcosmos duplicados y aplique suavemente agua destilada a lo largo de las paredes del vaso de precipitados hasta que FW alcance la marca de 1 L.
    NOTA: Permita que los microcosmos se equilibren de 24 a 48 h antes de tomar muestras iniciales.
  2. Desenganche los aglutinantes de papel para inducir el flujo de PW a través del puerto de drenaje. Recoja las muestras colocando vasos limpios de 30 ml directamente debajo de los puertos de drenaje PW. Permita que varios ml de PW drenen, desechen y utilicen los siguientes 10 ml como volumen de muestra representativo.
  3. Filtre las muestras de PW a través de filtros de membrana de 0,45 m y analice inmediatamente la P reactiva soluble (SRP). Registre los valores de absorbancia y el tiempo de las mediciones.
    NOTA: SRP generalmente se supone que es ortofosfato; sin embargo, la P molibdato-reactiva también puede formar complejos con coloides y/o nanopartículas que pasan a través de filtros de 0,45 m4.
  4. Tome la muestra inicial de FW insertando una pipeta de jeringa de 10 ml hasta la mitad de la columna de agua y retire una muestra con un movimiento circular. Vacíe en vasos de precipitados, filtre y analice inmediatamente el SRP.
  5. Sustituya el agua muestreada rellenando los vasos de precipitados al nivel de 1 L con agua destilada.
    NOTA: Las pérdidas evaporativas variarán. El objetivo es mantener consistentemente un volumen total (suelo inundado + columna de agua) de 1 L en todos los microcosmos. La sustitución de las pérdidas de agua evaporativas tiene efectos de dilución insignificantes en el SRP.
  6. Repita los pasos 3.2 a 3.5 en función del número deseado de puntos de tiempo de liberación P para el análisis.
    NOTA: El número de muestras tomadas con el tiempo depende de los objetivos del experimentador. El muestreo de una a tres veces por semana es suficiente para muchas aplicaciones que suponiendo que las incubaciones estén cerca de 20 oC. La incubación a temperaturas más altas aumenta las tasas de liberación de SRP y requerirá un muestreo más frecuente. La intención aquí es mostrar la utilidad del método de microcosmos en lugar de centrarse en el análisis de datos de experimentos. Tanto los modelos cinéticos como los empíricos que se adaptan a los datosde desorción/sorción Desorción P se presentan en otros lugares 9,10. Dado que el método del microcosmos se basa en un diseño de medidas repetidas y se adapta a la replicación y los diferentes tratamientos, los enfoques generalizados de modelado mixto lineal también son adecuados11.

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Representative Results

Los resultados de un estudio reciente centrado en el potencial de liberación P de las áreas ribereñas se destacan para demostrar la capacidad del método para caracterizar la dinámica de liberación P a nivel de sitio6. Mientras que algunos suelos mostraron cambios mínimos en el SRP con eltiempo, otros tuvieron grandes aumentos en las concentraciones de PW y FW-SRP (Figura 1). En la Figura 1se muestran dos sitios con tendencias contrastantes. Soil 7 es un sitio ribereño con bajo pH del suelo y caracterizado por una sorción sRP casi continua de PW (Figura1A). El suelo 14 se muestreó en un campo de producción de maíz contiguo con suelo lábil elevado Pi (suelo 14) y demostró casi 7 veces más aumento en PW-SRP durante el primer mes de inundación (Figura1B).

A diferencia de las concentraciones PW-SRP, FW-SRPtendió a disminuir con el tiempo (Figura 1). El porowater ferrous Fe (Fe2+) también se midió como un proxy para el estado redox. En todo menos en un suelo, PW-Fe2+ aumentó sustancialmente después de aproximadamente 3 semanas, lo que indica la reducción de condiciones. Dado que el secado del suelo altera el carbono orgánico y la solubilidad Pi, también se secaron dos sitios antes de las inundaciones. La inundación de suelo seco aumentó sustancialmente Pi desorption a PW y la posterior movilización al agua superpuesta en comparación con inundar el mismo suelo en un estado húmedo en el campo (Figura1C,D).

También se realizaron pruebas Select soil P para determinar su fiabilidad para predecir las concentraciones medias de SRP. El agua destilada y la P extraíble Morgan modificada (medida por colorimetría de molibdato) se encontrabanentre los mejores predictores de las concentraciones medias de PW y FW-SRP (Figura 2A,C). La P extraíble de Morgan modificada medida por ICP no era tan buena de un predictor en comparación con la P extraíble de Morgan modificada medida por colorimetría de molibdato o agua destilada (Figura2C). La relación de PW-SRP:FW-SRP aumentó linealmente en función del pH del suelo (Figura2D).

Figure 1
Figura 1: Concentraciones de fósforo reactivo soluble (SRP) en el agua de poro del suelo (PW) y el agua de inundación sobrelación (FW) durante una incubación de 75 días para un suelo ribereño con bajo pH y lábile Pi (A), un suelo de un campo de producción de maíz con alto labile Pi (B) y un riparian tierra inundada de campo húmedo (C) frente a inundación después del secado (D). Las barras de error representan la desviación estándar de las mediciones de microcosmos duplicados. Los datos fueron modificados de Young y Ross6 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Concentraciones medias de P reactivo soluble de agua poro (PW) y agua de inundación (FW) sobre el experimento en función de la P extraíble Morgan modificada medida por colorimetría de molibdato (A), Morgan extraíble modificada P (Pi + P orgánica) medida por espectroscopia óptica de emisión de plasma acoplada inductivamente (B) y agua destilada (C). (D) Relación entre pw-SRP:FW-SRP medio para el estudio en función del pH del suelo. Los datos fueron modificados de Young y Ross6 con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Una ventaja técnica principal del enfoque del microcosmos es su capacidad para simular condiciones in situ por las que el suelo saturado o sedimento es inmediatamente superado por FW que puede diferir sustancialmente en el estado de redox y P. Paisajes con hidrología de área de origen variable como zanjas de drenaje, tierras de cultivo inundadas, humedales y zonas ribereñas/cercanas son ejemplos de donde el PW reducido se sobrelava periódicamente por el agua más oxidada con concentraciones de Pi más bajas. Estos gradientes redox pueden afectar fuertemente a pi sorción / desorción y por lo tanto la movilidad a las aguas superficiales y subterráneas1,2,3,4,5,6, 12,13,14. A diferencia de más extracciones rutinarias o isotermas de sorción Pi, el método de microcosmos simula naturalmente condiciones de reducción a medida que la respiración microbiana consume oxígeno PW disuelto. Al mismo tiempo, FW permanece abierto al aire ambiente permitiendo la difusión de oxígeno en FW, similar a las condiciones naturales en el campo. En la medida en que el agua superpuesta permanece oxidante, los metales disueltos como Fe2+ y Mn2+ pueden difundirse hacia arriba desde PW y resorb SRP tras la oxidación en interfaces aeróbicas, ayudando a prevenir la movilización de SRP a FW2, 3,6,14,15. Este mecanismo de sorción Pi en particular es importante en humedales, sedimentos de lagos y suelos agrícolas inundados. La capacidad del método de microcosmos para capturar estas dinámicas esenciales del sistema natural ofrece una ventaja sobre los métodos más tradicionales.

Nuestros resultados también destacan la importancia de las mediciones químicas rutinarias de suelo/sedimento como posibles predictores de liberación de PW y FW-SRP. Por ejemplo, tanto el agua destilada como el Pi extraíble modificado de Morgan proporcionaron estimaciones fiables de las concentraciones medias de SRP durante la incubación, lo que indica que el pi de lábil previamente sorbido es una restricción importante en la magnitud de la liberación de Pi. La cantidad de Pi extraíble es una variable importante para la gestión de La Agricultura P, además de ser un insumo para los modelos de calidad del agua empíricos y basados en procesos16. La relación de PW-SRP:FW-SRP se relacionó linealmente con el pH del suelo, lo que indica una fracción más alta de PW-SRP movilizado a FW a un pH más alto. Este efecto probablemente está relacionado con el hecho de que la solubilidad de cationes metálicos fuertemente P-sorbing como Al3+ y Fe3+ aumenta a un pH más bajo y por lo tanto forma más fácilmente enlaces con SRP en solución (tenga en cuenta que también está bien establecido que La disponibilidad de ortofosfato en los suelos tiende a maximizarse a un pH cercano a la neutralidad debido al mismo mecanismo). Los resultados también demostraron que la inundación de suelo seco aumentó sustancialmente la liberación de Pi. Mejora Pi solubilidad después del secado también ha sido reportado por otros17,18,19 y es digno de investigación adicional para refinar los modelos actuales de ciclismo P. Está claro que las interacciones entre las propiedades del suelo (estado de Pi lábil, pH del suelo, mineralogía) y las fluctuaciones de redox pueden influir fuertemente en la liberación y movilidad de Pi. El método de microcosmos facilita el aislamiento y la interacción de estos y otros factores y permite la experimentación en condiciones controladas mientras se simulan ambientes in situ.

El enfoque del microcosmos se adapta fácilmente a las modificaciones que pueden ser de interés para los investigadores de P. Además de la variación en las propiedades químicas y físicas básicas que afectan a la liberación de Pi, la adición de modificaciones del suelo (es decir, estiércol/fertilizante de ganado, biosólidos, compost y materiales de P-sorbing) y otros aspectos de gestión seguirán siendo importantes Consideraciones. Dado que los cambios de temperatura afectan fuertemente a la cinética de liberación/sorción pi9,20 y reacciones redox9,15,20, experimentos diseñados para aislar los efectos de temperatura en la liberación de Pi también puede ser beneficioso. Además, los experimentos de capacidad de sorción pi se pueden hacer fácilmente agregando cantidades conocidas de Pi a FW y midiendo la desaparición con el tiempo3; la cantidad de costra P puede entonces estar relacionada con las propiedades del suelo para predecir la retención de Pi en los ecosistemas de humedales. Dada la simplicidad, el bajo costo y la flexibilidad del método, también son posibles otras modificaciones de diseño dependiendo de los objetivos.

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Disclosures

Los autores declaran que esta obra se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un posible conflicto de intereses.

Acknowledgments

El Centro de Recursos Hídricos y Estudios de Lagos de Vermont puso a disposición fondos a través de un acuerdo con el Servicio Geológico de los Estados Unidos. Las conclusiones y opiniones son las de los autores y no el Centro de Recursos Hídricos y Estudios del Lago de Vermont o el USGS.

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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