Mesure de la libération de phosphore dans les microcosmes de laboratoire pour l'évaluation de la qualité de l'eau

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Summary

La quantification précise du potentiel de desorption du phosphore (P) dans les sols saturés et les sédiments est importante pour la modélisation du P et les efforts d'atténuation des transports. Pour mieux tenir compte de la dynamique in situ des redox sol-eau et de la mobilisation du P sous saturation prolongée, une approche simple a été développée sur la base d'échantillonnages répétés de microcosmes de laboratoire.

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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

Le phosphore (P) est un nutriment limitant essentiel dans les agroécosystèmes qui nécessite une gestion soigneuse pour réduire les risques de transport vers les milieux aquatiques. Les mesures de laboratoire courantes de la biodisponibilité de P sont basées sur des extractions chimiques effectuées sur des échantillons séchés dans des conditions oxydantes. Bien qu'utiles, ces tests sont limités en ce qui concerne la caractérisation de la libération de P sous saturation prolongée de l'eau. L'orthophosphate labile lié au fer oxydé et à d'autres métaux peut rapidement desorb à la solution dans des environnements réducteurs, augmentant le risque de mobilisation de P au ruissellement de surface et aux eaux souterraines. Pour mieux quantifier le potentiel de desorption de P et la mobilité pendant la saturation prolongée, une méthode de microcosme de laboratoire a été développée basée sur l'échantillonnage répété des pores et des eaux de crue sus-jacentes au fil du temps. La méthode est utile pour quantifier le potentiel de rejet de P des sols et des sédiments variant dans les propriétés physicochimiques et peut améliorer les efforts d'atténuation de P spécifiques au site en caractérisant mieux le risque de rejet de P dans les zones hydrologiquement actives. Les avantages de la méthode comprennent sa capacité à simuler la dynamique in situ, la simplicité, le faible coût et la flexibilité.

Introduction

Le phosphore (P) est un nutriment limitant essentiel pour la productivité des cultures et de la biomasse aquatique. L'hydrologie de surface de l'eau est l'un des principaux moteurs du destin et du transport en P, car elle contrôle le transport physique des sédiments et du P tout en affectant le potentiel de remobilisation pendant les eaux de ruissellement et les inondations et les inondations. Diverses méthodes d'extraction en laboratoire sont généralement utilisées pour estimer la libération de P à l'échelle du champ dans des conditions d'oxydation. Tandis que différents mécanismes peuvent contribuer à la libération de P, la dissolution réductrice des phosphates de fer est un mécanisme bien établi de réaction qui peut mener aux grands flux orthophosphate-P à l'eau1,2,3, 4. Dans un examen des mécanismes contrôlant la biogéochimie de P dans les zones humides, le statut deredox a été présumé être la variable principale contrôlant la libération de P aux sols et aux eaux souterraines peu profondes 5. En tant que tel, les tests P traditionnels peuvent ne pas être des prédicteurs fiables de la libération de P sous saturation prolongée.

Étant donné l'importance du temps de résidence en eau et de l'état redox sur le destin et le transport en P, les approches de laboratoire conçues pour mieux simuler les conditions in situ pourraient conduire à l'amélioration des indices de risque de transport P pour les écosystèmes agricoles et humides soumis à saturation variable. Étant donné que l'orthophosphate est immédiatement biodisponible, le taux et l'étendue de la desorption pendant la saturation peuvent être utilisés comme un indice du risque de pollution par la source Nonpoint P. Notre méthode a été conçue pour quantifier la désorption de P à l'eau de porewater (PW) et la mobilisation aux eaux de crue (FW) qui s'en trouvent les sources excessives ( par exemple, les champs agricoles inondés, les terres humides, les fossés de drainage et les riverains/ zones proches du cours d'eau). La méthode a été développée à l'origine pour caractériser le potentiel de rejet de P dans les sols inondés de façon saisonnière du nord de New York (États-Unis) et a récemment été appliquée pour quantifier le potentiel de desorption P des sols riverains du nord-ouest du bassin du lac Champlain6. . Ici, nous fournissons un protocole pour la méthode de microcosme de laboratoire et soulignons les résultats d'une étude récemment éditée démontrant sa capacité à quantifier le potentiel de desorption de P. Nous démontrons également la relation entre le potentiel de libération de P et la fiabilité des essais de routine sur le sol (P extractible labile, pH) pour prédire la libération à travers les sites.

L'exécution de la méthode nécessite l'accès à un laboratoire d'analyse avec un contrôle climatique adéquat, ventilation, eau, et un système approprié d'élimination des déchets acides. La méthode suppose l'accès à des réactifs chimiques de routine et à de l'équipement de laboratoire (puits, hottes, verrerie, etc.). Au-delà des besoins courants en laboratoire, un système de filtration membranaire (0,45 m) est nécessaire et un spectrophotomètre UV pour mesurer le P. Un compteur de pH ou une sonde multiparamétrique de qualité de l'eau sont également recommandés, mais pas nécessaires. La température de laboratoire est un facteur important et doit être maintenue constante à moins que la température elle-même ne soit étudiée comme facteur expérimental (20 oC est recommandé). L'accès sans entrave à un laboratoire d'analyse adéquat avec un équipement adéquat est une condition préalable pour effectuer la méthode correctement et générer des résultats significatifs.

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Protocol

1. Collecte d'échantillons

  1. Recueillir environ 4 L de sol (ou de sédiments) à partir des sites désirés. Les zones de collecte devraient être relativement petites pour limiter la variation spatiale des propriétés de P et du sol.
  2. Les échantillons de tamis à l'écran grossier (20 mm) ont suivi un écran de 2 mm. Bien mélanger les échantillons à la main après le tamisage.
  3. Peser 100 g de sol ou de sédiments humides sur le terrain. Sécher au four à 105 oC pendant 24 h et calculer la teneur en eau gravimétrique (masse d'eau du sol/masse sèche du sol).
  4. Prenez un sous-échantillon de 500 ml pour l'analyse chimique.
    REMARQUE : Le pH du sol, la teneur en matière organique et la concentration inorganique labile de P (Pi) sont recommandés par des analyses du sol. Ici, la disponibilité du sol labile Pi a été évaluée par: 1) Pi extrait par 1,25 mol L-1 ammonium-acétate (pH - 4,8; ci-après désigné sous le nom modifié Morgan extrait P) mesuré colorimétriquement7,8, 2) Pi extrait par eau distillée, et 3) P extrait par 1,25 mol L-1 ammonium-acétate (pH 4,8) mesuré par spectroscopie d'émission plasma-optique couplée inductive (ICP)8.
  5. Utilisez le sol tamisé restant pour les études de microcosme ou entreposez-les dans des sacs de polyéthylène à 5 oC pour une utilisation ultérieure.
    REMARQUE : Les sols se dessèchent lorsqu'ils sont réfrigérés pendant de longues périodes (30 jours) et nécessiteront une réhydratation. Ne gèlez pas les échantillons de sol car ils affectent l'intégrité microbienne et le potentiel de libération de P.

2. Construction de microcosme

  1. Utilisez un litre (1 L) de polypropylène gradué ou d'autres béchers en plastique non réactifs comme unités expérimentales individuelles (microcosmes). Laver les béchers à 10 % d'acide chlorhydrique et tripler le rinçage à l'eau distillée.
  2. Mesurez 2 cm vers le haut du fond et placez une marque à côté des graduations de bécher. Percer un trou de 1,25 cm de diamètre pour les ports de drainage.
  3. Placez une petite perle de silicone autour du bord intérieur de la barbe de tuyau et de la circonférence extérieure du trou de forage. Insérez soigneusement le port de drainage dans le trou.
    REMARQUE : Laisser sécher à l'air pendant au moins 24 h avant de passer à l'étape 2.4.
  4. Tracer la circonférence extérieure des barbes de tuyau sur l'écran de filtre en maille en nylon et découper avec des ciseaux. Appliquer une fine perle de silicone autour de la circonférence de chaque filtre sur le bord extérieur et appuyez sur les filtres sur les criques de barbe de tuyau. Prévoyez au moins 24 h de temps de séchage avant de l'utiliser.
    REMARQUE : Une taille de 100 pores est recommandée pour la plupart des applications ; cependant, les sols à texture plus fine peuvent nécessiter une taille plus grande de pores de filtre pour éviter le temps de collecte excessivement long d'échantillon de PW.
  5. Adaptons un court morceau de tuyau en latex de 0,625 cm de diamètre aux extrémités de barbe de tuyau. Attaché un clip de reliure de papier de 3,3 cm de large au tuyau pour empêcher l'écoulement.

3. Mener un essai de libération de phosphore

  1. Placer 500 ml d'échantillon dans des microcosmes en double et appliquer délicatement de l'eau distillée le long des parois des bécherjusqu'à ce que FW atteigne la marque de 1 L.
    REMARQUE : Laisser les microcosmes s'alcaliniser pendant 24 à 48 h avant de prélever les premiers échantillons.
  2. Découpez les liants de papier pour induire le flux de PW par le port de drainage. Recueillir des échantillons en plaçant des béchers propres de 30 ml directement sous les ports de drainage PW. Laisser plusieurs mL de PW pour égoutter, jeter et utiliser les 10 ml suivants comme volume d'échantillon représentatif.
  3. Filtrer les échantillons de PW à travers des filtres à membrane de 0,45 m et analyser immédiatement la recherche de P (SRP) réactif soluble. Enregistrez les valeurs d'absorption et le temps des mesures.
    REMARQUE : On suppose généralement que le SRP est orthophosphate; cependant, le P molybdate-réactif peut également former des complexes avec des colloïdes et/ou des nanoparticules qui passent par des filtres de 0,45 m4.
  4. Prenez l'échantillon initial de FW en insérant une pipette de seringue d'ampoule de 10 ml à mi-chemin dans la colonne d'eau et retirez un échantillon en utilisant un mouvement circulaire. Videz dans des béchers, filtrez et analysez immédiatement pour le SRP.
  5. Remplacer l'eau échantillonnée par le remplissage des béchers au niveau de 1 L par de l'eau distillée.
    REMARQUE : Les pertes d'évaporation varient. L'objectif est de maintenir systématiquement un volume total (sol inondé et colonne d'eau) de 1 L dans tous les microcosmes. Le remplacement des pertes d'eau par évaporation a des effets de dilution négligeables sur le SRP.
  6. Répétez les étapes 3.2 à 3.5 basées sur le nombre désiré de points de sortie P pour l'analyse.
    REMARQUE : Le nombre d'échantillons prélevés au fil du temps dépend des objectifs de l'expérimentateur. L'échantillonnage d'une à trois fois par semaine est suffisant pour de nombreuses applications en supposant que les incubations sont proches de 20 oC. L'incubation à des températures plus élevées augmente les taux de rejet du SRP et nécessitera un échantillonnage plus fréquent. L'intention ici est de montrer l'utilité de la méthode du microcosme plutôt que de se concentrer sur l'analyse des données à partir d'expériences. Les modèles fondés sur la parenté et empiriques pour s'adapter aux données de desorption/sorption de P sont présentés ailleurs9,10. Étant donné que la méthode du microcosme repose sur une conception de mesures répétées et s'adapte à la réplication et aux différents traitements, des approches linéaires généralisées de modélisation mixte sont également appropriées11.

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Representative Results

Les résultats d'une étude récente axée sur le potentiel de rejet De P des zones riveraines sont mis en évidence pour démontrer la capacité de la méthode à caractériser la dynamique de sortie P au niveau du site6. Alors que certains sols ont montré des changements minimes dans le PSR au fil du temps, d'autres ont connu une forte augmentation des concentrations de PW et de SRP (figure1). Deux sites aux tendances contrastées sont présentés à la figure 1. Le sol 7 est un site riverain à faible pH du sol et caractérisé par une sorption SRP presque continue de PW (figure 1A). Le sol 14 a été échantillonné à partir d'un champ de production de maïs adjacent avec un sol labile élevé Pi (sol 14) et a démontré une augmentation de près de 7 fois du PP au cours du premier mois d'inondation (figure 1B).

Contrairement aux concentrations de PW-SRP, le PSF-SRP a eu tendance à diminuer avec le temps (figure 1). Porewater ferreux Fe (Fe2)a également été mesurée comme un proxy pour le statut redox. Dans tous les sols sauf un, le PW-Fe2 a augmenté considérablement après environ 3 semaines, ce qui indique des conditions de réduction. Comme le séchage du sol modifie la solubilité du carbone organique et de la solubilité de Pi, deux sites ont également été séchés avant les inondations. L'inondation du sol sec a considérablement augmenté la desorption de Pi à PW et la mobilisation subséquente à l'eau sus-jacente comparée à l'inondation du même sol dans un état de champ-humide (figure 1C,D).

Des tests P du sol ont également été effectués pour déterminer leur fiabilité afin de prédire les concentrations moyennes de SRP. L'eau distillée et le P extrait Morgan modifié (mesuré par la colorimétrie molybdate) ont été parmi les meilleurs prédicteurs des concentrations moyennes de PW et de FW-SRP (Figure 2A, C). Le P extrait Morgan modifié mesuré par ICP n'était pas aussi bon qu'un prédicteur que le P extrait Morgan modifié mesuré par la colorimétrie molybdate ou l'eau distillée (Figure 2C). Le ratio de PW-SRP:FW-SRP a augmenté linéairement en fonction du pH du sol (figure 2D).

Figure 1
Figure 1 : Concentrations de phosphore réactif soluble (PRS) dans les pores du sol (PW) et les eaux de crue (FW) sur une incubation de 75 jours pour un sol riverain à faible pH et Pi labile (A), un sol provenant d'un champ de production de maïs à haute labile Pi (B) et un riverain sol inondé champ-moist (C) vs inondations après le séchage (D). Les barres d'erreur représentent l'écart standard des mesures du microcosme en double. Les données ont été modifiées à partir de Young et Ross6 avec la permission. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Concentrations moyennes de porewater (PW) et d'eau de crue (FW) solubles P (SRP) réactives au cours de l'expérience en fonction du P extrait de Morgan modifié mesuré par colorimétrie molybdate (A), Modifié Morgan extractible P (Pi - organique P) mesuré par spectroscopie d'émission optique d'émission de plasma (B) et eau distillée (C). (D) Relation entre pw-SRP:FW-SRP moyen pour l'étude en fonction du pH du sol. Les données ont été modifiées à partir de Young et Ross6 avec la permission. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Discussion

Un avantage technique principal de l'approche de microcosme est sa capacité à simuler des conditions in situ où le sol ou les sédiments saturés sont immédiatement surlais par FW qui peuvent différer sensiblement dans le statut redox et P. Les paysages où l'hydrologie de la zone à source variable, comme les fossés de drainage, les terres cultivées inondées, les terres humides et les zones riveraines/près du cours d'eau, sont tous des exemples d'exemples où la réduction de la teneur en eau par la p. LÉP est périodiquement recouverte d'eau plus oxydée avec des concentrations de Pi plus faibles. Ces gradients redox peuvent fortement affecter la sorption Pi/desorption et donc la mobilité à la surface et aux eaux souterraines1,2,3,4,5,6, 12,13,14. Contrairement aux extractions plus courantes ou aux isothermes de sorption de Pi, la méthode de microcosme simule naturellement la réduction des conditions pendant que la respiration microbienne consomme l'oxygène dissous de PW. Dans le même temps, FW reste ouvert à l'air ambiant permettant la diffusion de l'oxygène dans FW, semblable aux conditions naturelles dans le domaine. Dans la mesure où l'eau sus-jacente reste oxydante, les métaux dissous tels que Fe2 et Mn2 peuvent se diffuser vers le haut à partir de PW et resorbe SRP lors de l'oxydation aux interfaces aérobies, aidant à empêcher la mobilisation SRP à FW2, 3,6,14,15. Ce mécanisme particulier de sorption Pi est important dans les zones humides, les sédiments lacustres et les sols agricoles inondés. La capacité de la méthode du microcosme à capturer ces dynamiques essentielles du système naturel offre un avantage sur les méthodes plus traditionnelles.

Nos résultats soulignent également l'importance des mesures chimiques courantes du sol et des sédiments en tant que prédicteurs potentiels de la libération de PW et de FW-SRP. Par exemple, l'eau distillée et le Pi extrait de Morgan modifié ont fourni des estimations fiables des concentrations moyennes de SRP au cours de l'incubation, ce qui indique que le Pi labile précédemment sorbé est une contrainte importante sur l'ampleur de la libération de Pi. La quantité de Pi extractible est une variable importante pour la gestion de l'agriculture P en plus d'être un apport pour les modèles empiriques et de qualité de l'eau à base de processus16. Le rapport de PW-SRP:FW-SRP était linéairement lié au pH de sol, indiquant une fraction plus élevée de PW-SRP mobilisée à FW au pH plus élevé. Cet effet est probablement lié au fait que la solubilité des cations métalliques fortement P-sorbing telles que Al3 et Fe3 augmente au pH inférieur et donc plus facilement forme des liens avec SRP en solution (notez qu'il est également bien établi que La disponibilité de l'orthophosphate dans les sols a tendance à être maximisée à un pH proche de la neutralité due au même mécanisme). Les résultats ont également démontré que l'inondation du sol sec augmentait considérablement le rejet de Pi. La solubilité améliorée de Pi après le séchage a également été rapportée par d'autres17,18,19 et est digne de recherches supplémentaires pour affiner les modèles actuels de cycle P. Il est clair que les interactions entre les propriétés du sol (état de Pi labile, pH du sol, minéralogie) et les fluctuations du redox peuvent fortement influencer la libération et la mobilité de Pi. La méthode du microcosme facilite l'isolement et l'interaction de ces facteurs et d'autres et permet l'expérimentation dans des conditions contrôlées tout en simulant des environnements in situ.

L'approche du microcosme s'adapte facilement aux modifications qui peuvent intéresser les chercheurs de P. En plus de la variation des propriétés chimiques et physiques de base affectant le rejet de Pi, l'ajout d'amendements au sol (c.-à-d. fumier/engrais de bétail, biosolides, composts et matériaux de sorbing En P) et d'autres aspects de gestion demeureront importants. Considérations. Puisque les changements de température affectent fortement la cinétique de libération/sorption de Pi9,20 et les réactions de redox9,15,20, expériences conçues pour isoler des effets de température sur la libération de Pi peut également être bénéfique. En outre, les expériences de capacité de sorption de Pi peuvent être facilement faites en ajoutant des quantités connues de Pi à FW et en mesurant la disparition au fil du temps3; la quantité de sorbed P peut alors être liée aux propriétés du sol pour prédire la rétention de Pi dans les écosystèmes des zones humides. Compte tenu de la simplicité, du faible coût et de la flexibilité de la méthode, d'autres modifications de conception sont également possibles en fonction des objectifs.

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Disclosures

Les auteurs déclarent que ce travail a été effectué en l'absence de relations commerciales ou financières qui pourraient être interprétées comme un conflit d'intérêts potentiel.

Acknowledgments

Le Vermont Water Resources and Lake Studies Center a accordé des fonds dans le cadre d'une entente avec le U.S. Geological Survey. Les conclusions et les opinions sont celles des auteurs et non du Vermont Water Resources and Lake Studies Center ou de l'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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