Medição da liberação de fósforo em microcosmos laboratoriais para avaliação da qualidade da água

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Summary

A quantificação exata do potencial de dessorção de fósforo (P) em solos saturados e sedimentos é importante para os esforços de modelagem P e mitigação de transporte. Para melhor se ter em conta a dinâmica redox do solo-água in situ e a mobilização de P saturação prolongada, foi desenvolvida uma abordagem simples com base na amostragem repetida de microcosmas laboratoriais.

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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

O fósforo (P) é um nutriente limitante crítico em agroecossistemas que necessitam de manejo cuidadoso para reduzir o risco de transporte para ambientes aquáticos. As medidas laboratoriais rotineiras da biodisponibilidade de P são baseadas em extrações químicas executadas em amostras secadas condições oxidantes. Embora úteis, esses testes são limitados em relação à caracterização da liberação de P saturação prolongada de água. O ortofosfato labile ligado ao ferro oxidado e aos outros metais pode ràpida de à solução em ambientes de redução, aumentando o risco da mobilização de P ao escoamento superficial e às águas subterrâneas. Para melhor quantificar o potencial de dessorção de P e a mobilidade durante a saturação estendida, um método de microcosmo laboratorial foi desenvolvido com base na amostragem repetida de água de água e inundação sobrejacente ao longo do tempo. O método é útil para quantificar o potencial de liberação de P de solos e sedimentos variando em propriedades físico-químicas e pode melhorar os esforços de mitigação de P específicos do local por melhor caracterizar o risco de liberação de P em áreas hidrologicamente ativas. As vantagens do método incluem a sua capacidade de simular dinâmica in situ , simplicidade, baixo custo e flexibilidade.

Introduction

O fósforo (P) é um nutriente limitante crítico para a produtividade da cultura e da biomassa aquática. A hidrologia da água de superfície é o principal condutor do destino e do transporte de P, pois controla o transporte físico de sedimentos e P, enquanto também afeta o potencial de remobilização durante os eventos de escoamento e inundação/pontamento. Vários métodos de extração baseados em laboratório são tipicamente usados para estimar a liberação de P na escala de campo condições oxidantes. Embora diferentes mecanismos possam contribuir para a liberação de p, a dissolução redutiva de fosfatos de ferro é um mecanismo de reação bem estabelecido que pode levar a grandes fluxos de p-ortofosfato-para a água1,2,3, a 4. Em uma revisão dos mecanismos que controlam a biogeoquímica de P nas zonas húmidas, o status redox foi supor para ser a variável principal controlando a liberação de P aos solos e às águas subterrâneas rasas5. Como tal, os testes tradicionais de P podem não ser preditores confiáveis de liberação de P saturação prolongada.

Dada a importância do tempo de permanência na água e do status redox sobre o destino e o transporte de P, as abordagens laboratoriais destinadas a simular melhor as condições in situ podem levar a melhores índices de risco de transporte p para ecossistemas agrícolas e alagados sujeitos a Saturação variável. Uma vez que o ortofosfato é imediatamente biodisponível, a taxa e a extensão da dessorção durante a saturação podem ser usadas como um índice de risco de poluição da fonte P não pontual. Nosso método foi projetado para quantificar a dessorção de P para a porágua (PW) e mobilização para a água de inundação sobrejacente (FW), uma condição típica em áreas com hidrologia de área de fonte variável (por exemplo, campos agrícolas alagados, zonas húmidas, valas de drenagem e Riparian/ zonas de fluxo próximo). O método foi originalmente desenvolvido para caracterizar o potencial de liberação de P em solos sazonalmente inundados do norte de Nova York (EUA) e aplicado recentemente para quantificar o potencial de dessorção de P de solos ribeirinos do noroeste da bacia do lago Champlain de Vermont6 . Aqui, nós fornecemos um protocolo para o método do microcosmo do laboratório e destacamos resultados de um estudo recentemente publicado que demonstra sua habilidade de quantificar o potencial do dessorption de P. Também demonstramos a relação entre o potencial de liberação de p e a confiabilidade dos testes de rotina do solo (p extraível lábil, pH) para prever a liberação em todos os sítios.

A realização do método requer acesso a um laboratório analítico com controle climático adequado, ventilação, água e um sistema adequado de descarte de resíduos ácidos. O método pressupõe o acesso a reagentes químicos de rotina e equipamentos laboratoriais (pias, capas, copos, etc.). Além das necessidades rotineiras do laboratório, um sistema da filtração da membrana (≤ 0,45 μm) é exigido e um espectrofotômetro UV para medir P. Um medidor de pH ou sonda de qualidade de água multiparâmetro também são recomendados, mas não é necessário. A temperatura do laboratório é um fator importante e deve ser mantida constante, a menos que a temperatura em si esteja sendo investigada como um fator experimental (recomenda-se 20 ° c). O acesso sem impedimentos a um laboratório analítico adequado com equipamento adequado é um pré-requisito para executar o método corretamente e gerar resultados significativos.

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Protocol

1. coleta de amostra

  1. Coletar aproximadamente 4 L de solo (ou sedimentos) de locais desejados. As áreas de coleta devem ser relativamente pequenas para limitar a variação espacial em P e propriedades do solo.
  2. As amostras de peneira através de uma tela grossa (20 mm) seguiram uma tela de 2 mm. Completamente as amostras da mão-mistura após peneirar.
  3. Pesar 100 g de solo úmido ou sedimento. Secar em forno a 105 ° c durante 24 h e calcular o teor de água gravimétrica (massa de água do solo/massa de solo seco).
  4. Faça uma subamostra de 500 mL para análise química.
    Nota: o pH do solo, o teor de matéria orgânica e a concentração de P inorgânico labial (PI) são testes de solo recomendados. Aqui, a disponibilidade de PI do solo lábil foi avaliada por: 1) PI extraído por 1,25 mol L-1 de amônio-acetato (pH = 4,8; doravante denominado Morgan extraível modificado P) medido colormetricamente7,8, 2) PI extraído por água destilada, e 3) P extraído por 1,25 mol L-1 de amônio-acetato (pH = 4,8) medido por espectroscopia de emissão óptica de plasma indutivamente acoplado (ICP)8.
  5. Use o solo sieved restante para estudos do microcosmo ou armazene-os em sacos do polietileno em 5 ° c para um uso mais atrasado.
    Nota: os solos secam quando refrigerados por longos períodos (> 30 dias) e exigirão o remoistening. Não congele amostras de solo, pois afeta a integridade microbiana e o potencial de liberação de P.

2. construção microcosm

  1. Use polipropileno graduado de um litro (1 L) ou outras taças plásticas não reativas como unidades experimentais individuais (microcosms). Lave os copos em ácido clorídrico a 10% e enxague triplo com água destilada.
  2. Meça 2 cm acima da parte inferior e coloc uma marca ao lado das graduações do copo. Perfurar um furo de 1,25 cm de diâmetro para portas de drenagem.
  3. Coloc um grânulo pequeno do silicone em torno da borda interna da farpa da mangueira e da circunferência exterior do furo de furo. Insira cuidadosamente a porta de drenagem no orifício.
    Nota: permitir a secagem de ar durante pelo menos 24 horas antes de prosseguir para o passo 2,4.
  4. Trace a circunferência externa de farpas de mangueira na tela de filtro de malha de nylon e cortado com tesouras. Aplique um grânulo fino do silicone em torno da circunferência de cada filtro na borda exterior e os filtros da imprensa em inlets da farpa da mangueira. Permitir, pelo menos, 24 horas de secagem antes de utilizar.
    Nota: um tamanho de poros de 100 μm é recomendado para a maioria das aplicações; no entanto, solos com textura mais fina podem exigir um tamanho maior de poros do filtro para evitar tempo de coleta de amostra PW excessivamente longo.
  5. Caber um pedaço curto de 0,625 cm de diâmetro da mangueira de látex para mangueira extremidades Barb. Anexado um clipe de pasta de papel de 3,3 cm de largura para a mangueira para evitar o fluxo.

3. realização de um ensaio de libertação de fósforo

  1. Coloc 500 mL da amostra em microcosmos duplicados e aplique delicadamente a água destilada ao longo das paredes da Taça até que o FW alcangue a marca de 1 L.
    Nota: permita que os microcosmos equilibrem para 24 − 48 h antes de tomar amostras iniciais.
  2. Unclip ligantes de papel para induzir PW fluxo através da porta de drenagem. Colete amostras, colocando limpa 30 mL copos diretamente abaixo PW portas de drenagem. Permitir que vários mL de PW para drenar, descartar e usar o próximo 10 mL como um volume de amostra representativo.
  3. Filtre amostras de PW através de filtros de membrana de 0,45 μm e analise imediatamente para P reativa solúvel (SRP). Valores de absorbância recorde e tempo de medições.
    Nota: o SRP é supor geralmente para ser orthophosphate; no entanto, o P molibdato-reativo também pode formar complexos com colóides e/ou nanopartículas que passam por filtros de 0,45 μm4.
  4. Pegue a amostra inicial de FW inserindo uma pipeta de seringa de bulbo de 10 mL na metade da coluna de água e retire uma amostra usando um movimento circular. Esvazie em copos, filtre e analise imediatamente para o SRP.
  5. Substitua a água amostrada reabastecimento de taças ao nível de 1 L com água destilada.
    Nota: as perdas evaporativas variarão. O objetivo é manter consistentemente um volume total (terra inundada + coluna de água) de 1 L em todos os microcosms. A substituição de perdas de água evaporativa tem efeitos de diluição negligenciáveis no SRP.
  6. Repita as etapas 3,2 a 3,5 com base no número desejado de pontos de tempo de liberação P para análise.
    Nota: o número de amostras tiradas ao longo do tempo depende das metas do experimentador. Amostragem de uma a três vezes por semana é suficiente para muitas aplicações assumindo incubações estão perto de 20 ° c. Incuar em temperaturas mais elevadas aumenta as taxas de liberação de SRP e exigirá uma amostragem mais freqüente. A intenção aqui é mostrar a utilidade do método do microcosmo um pouco do que focalizando na análise de dados dos experimentos. Modelos baseados em cineticamente e empíricos para ajustar os dados de dessorção/adsorção de P são apresentados em outros lugares9,10. Desde que o método do microcosmo confia em um projeto repetido das medidas e acomoda a replicação e tratamentos de deferimento, as aproximações de modelagem misturadas lineares generalizadas são igualmente apropriadas11.

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Representative Results

Os resultados de um estudo recente focado no potencial de liberação de P de áreas ribeiranas são destacados para demonstrar a capacidade do método de caracterizar a dinâmica de liberação de P no nível do site6. Enquanto alguns solos apresentaram alterações mínimas no SRP ao longo do tempo, outros apresentaram grandes aumentos nas concentrações de PW e FW-SRP (Figura 1). Dois locais com tendências contrastantes são mostrados na Figura 1. O solo 7 é um local ripariano com baixo pH do solo e caracterizado por sorção de SRP quase contínua da PW (Figura 1a). O solo 14 foi amostrado a partir de um campo de produção adjacente de milho com PI de solo lábil elevado (solo 14) e demonstrou quase um aumento de 7 vezes no PW-SRP durante o primeiro mês de inundação (Figura 1b).

Em contraste com as concentrações de PW-SRP, o FW-SRP tende a diminuir ao longo do tempo (Figura 1). O FE ferroso de porwater (FE2 +) foi medido igualmente como um proxy para o status redox. Em todos, mas um solo, PW-FE2 + aumentou substancialmente após aproximadamente 3 semanas, indicando condições de redução. Desde que a secagem do solo altera o carbono orgânico e a solubilidade do PI, dois locais foram secados igualmente antes da inundação. A inundação do solo seco aumentou substancialmente a dessorção de PI para a PW e subsequente mobilização para a água sobrejacente comparada à inundação do mesmo solo em um estado de campo úmido (Figura 1C, D).

Também foram realizados testes de P no solo para determinar sua confiabilidade para prever as concentrações médias de SRP. A água destilada e o P modificado de Morgan (medido por colorimetria de molibdato) estiveram entre os melhores preditores de concentrações médias de PW e FW-SRP (Figura 2a, C). O p extraível modificado de Morgan medido pelo ICP não era tão bom de um preditor comparado ao p extraível modificado de Morgan medido pela colorimetria do molibdato ou pela água destilada (Figura 2C). A razão de PW-SRP: FW-SRP aumentou linearmente em função do pH do solo (Figura 2D).

Figure 1
Figura 1: concentrações de fósforo reactivo solúvel (SRP) no solo de água (PW) e água de inundação sobrejacente (FW) ao longo de uma incubação de 75 dias para um solo ripado com pH baixo e PI lábil (a), um solo de um campo de produção de milho com PI lábil alta (B) e um mata ciliar solo inundado campo-úmido (C) vs. inundação após a secagem (D). As barras de erro representam o desvio padrão das medições de microcosmo duplicadas. Os dados foram modificados de Young e Ross6 com permissão. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: concentrações médias de p (RP) e de água de inundação (PF) reativas solúveis (SRP) sobre o experimento em função do p extraível modificado de Morgan medido por colorimetria de molibdato (a), p modificado de Morgan extraível (PI + p orgânico) medido por espectroscopia de emissão óptica de emissão de plasma indutivamente acoplada (B) e água destilada (C). (D) relação entre a média PW-SRP: FW-SRP para o estudo em função do pH do solo. Os dados foram modificados de Young e Ross6 com permissão. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Uma vantagem técnica principal da aproximação do microcosmo é sua habilidade de simular circunstâncias in situ por meio de que o solo saturado ou o sedimento é cobertos imediatamente pelo FW que pode substancialmente diferir no status de redox e de P. Paisagens com hidrologia de área de fonte variável, como valas de drenagem, terras alagadas, áreas húmidas e zonas de Riparian/Near-Stream são exemplos de onde o PW reduzido é periodicamente sobreposto por água mais oxidada com concentrações inferiores de PI. Estes gradientes redox podem afetar fortemente o PI sorption/Desorption e, portanto, a mobilidade para a superfície e as águas subterrâneas1,2,3,4,5,6, 12,13,14. Diferentemente de mais extrações rotineiras ou isotermas de sorção de PI, o método do microcosmo simula naturalmente as condições de redução à medida que a respiração microbiana consome oxigênio PW dissolvido. Ao mesmo tempo, o FW permanece aberto ao ar ambiente permitindo a difusão do oxigênio em FW, similar às circunstâncias naturais no campo. Na medida em que a água sobrejacente permanece oxidante, os metais dissolvidos como Fe2 + e Mn2 + podem difundir para cima de PW e resorb SRP após a oxidação em interfaces aeróbicas, ajudando a prevenir a mobilização de SRP para FW2, 3,6,14,15. Este mecanismo particular de sorção de PI é importante em zonas húmidas, sedimentos do lago e solos agrícolas inundados. A capacidade do método do microcosmo para capturar estas dinâmicas essenciais do sistema natural oferece uma vantagem sobre métodos mais tradicionais.

Nossos resultados também destacam a importância de medições químicas rotineiras do solo/sedimento como potenciais preditores de liberação de PW-e FW-SRP. Por exemplo, a água destilada e o PI extraível modificado de Morgan forneceram estimativas confiáveis de concentrações médias de SRP sobre a incubação, indicando que o PI lábil previamente sorvido é uma limitação importante na magnitude da liberação do PI. A quantidade de PI extraível é uma variável importante para o manejo da P agrícola, além de ser um insumo para os modelos empíricos e baseados em processos de qualidade da água16. A razão de PW-SRP: FW-SRP foi linearmente relacionada ao pH do solo, indicando uma fração maior de PW-SRP mobilizada para FW em pH mais elevado. Este efeito é provavelmente relacionado ao fato de que a solubilidade de fortemente P-sorbing metal cátions como Al3 + e Fe3 + aumenta em menor pH e, portanto, mais prontamente forma laços com SRP em solução (note que também é bem estabelecido que a disponibilidade do ortofosfato nos solos tende a ser maximizada em um pH próximo à neutralidade devido ao mesmo mecanismo). Os resultados também demonstraram que a inundação do solo seco aumentou substancialmente a liberação de PI. A solubilidade melhorada do PI após a secagem foi relatada igualmente por outro17,18,19 e é digna da pesquisa adicional para refinar modelos atuais do ciclagem de P. É evidente que as interações entre as propriedades do solo (estado de PI lábil, pH do solo, mineralogia) e flutuações redox podem influenciar fortemente a liberação e a mobilidade do PI. O método do microcosmo facilita o isolamento e a interação desses e de outros fatores e permite a experimentação condições controladas, simulando ambientes in situ .

A aproximação do microcosmo acomoda prontamente as modificações que podem ser do interesse aos investigadores de P. Além da variação nas propriedades químicas e físicas básicas que afetam a liberação de PI, a adição de alterações de solo (ou seja, esterco de gado/fertilizante, biossólidos, composts e materiais de P-sorbing) e outros aspectos de manejo continuarão a ser importantes Considerações. Como as alterações na temperatura afetam fortemente a cinética de liberação/sorção de PI9,20 e reações redox9,15,20, experimentos projetados para isolar efeitos de temperatura na liberação de PI também pode ser benéfico. Além disso, experimentos de capacidade de sorção de PI podem ser prontamente feitos adicionando quantidades conhecidas de PI ao FW e medindo o desaparecimento ao longo do tempo3; a quantidade de P sorvido pode então estar relacionada às propriedades do solo para prever a retenção de PI em ecossistemas alagados. Dada a simplicidade, o baixo custo e a flexibilidade do método, outras modificações de design também são possíveis dependendo dos objetivos.

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Disclosures

Os autores declaram que este trabalho foi conduzido na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

Acknowledgments

O financiamento foi disponibilizado pelos recursos hídricos de Vermont e Lake Studies Center por meio de um acordo com a pesquisa geológica dos EUA. As conclusões e as opiniões são aquelas dos autores e não dos recursos hídricos de Vermont e do centro dos estudos do lago ou do 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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