Misurazione del rilascio di fosforo nei microcosmi di laboratorio per la valutazione della qualità dell'acqua

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Summary

La quantificazione accurata del potenziale di desorption del fosforo (P) nei terreni e nei sedimenti saturi è importante per la modellazione P e gli sforzi di mitigazione del trasporto. Per tenere meglio conto delle dinamiche di redox in situ suolo-acqua e della mobilitazione P in saturazione prolungata, è stato sviluppato un approccio semplice basato sul campionamento ripetuto di microcosmi di 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

Il fosforo (P) è un nutriente critico che limita gli agroecosistemi che richiede un'attenta gestione per ridurre il rischio di trasporto per gli ambienti acquatici. Le misure di laboratorio di routine della biodisponibilità di P si basano su estrazioni chimiche eseguite su campioni secchi in condizioni ossidanti. Sebbene utili, questi test sono limitati per quanto riguarda la caratterizzazione del rilascio di P in condizioni di saturazione prolungata dell'acqua. L'ortopedo di Labile legato al ferro ossidato e ad altri metalli può rapidamente desistere verso la soluzione in ambienti di riduzione, aumentando il rischio di mobilitazione P al deflusso superficiale e alle acque sotterranee. Per quantificare meglio il potenziale di P desorption e la mobilità durante la saturazione estesa, è stato sviluppato un metodo di microcosmo di laboratorio basato sul campionamento ripetuto di acqua di pori e sull'acqua alluvionale sovrapposta nel tempo. Il metodo è utile per quantificare il potenziale di rilascio P da suoli e sedimenti che variano nelle proprietà fisicochimiche e può migliorare gli sforzi di mitigazione P specifici del sito caratterizzando meglio il rischio di rilascio P in aree idrologicamente attive. I vantaggi del metodo includono la sua capacità di simulare in situ dinamica, semplicità, basso costo, e la flessibilità.

Introduction

Il fosforo (P) è un nutriente fondamentale per la produttività delle colture e della biomassa acquatica. L'idrologia delle acque superficiali è uno dei principali motori del destino e del trasporto di P, in quanto controlla il trasporto fisico di sedimenti e P, influenzando anche il potenziale di remobilizzazione durante gli eventi di decomposizione e allagamento/ponding. Vari metodi di estrazione basati su laboratorio sono tipicamente utilizzati per stimare il rilascio di P su scala di campo in condizioni ossidanti. Mentre diversi meccanismi possono contribuire al rilascio di P, la dissoluzione riduttiva dei fosfati di ferro è un meccanismo di reazione ben consolidato che può portare a grandi flussi di ortopedia-p all'acqua1,2,3, 4. In una revisione dei meccanismi che controllano la biogeochimica della P nelle zone umide, si è ipotizzato che lo stato di redox sia la variabile principale che controlla il rilascio di P nei suoli e nelle acque sotterranee poco profonde5. Di conseguenza, i test P tradizionali potrebbero non essere predittori affidabili del rilascio di P in saturazione prolungata.

Data l'importanza del tempo di residenza dell'acqua e dello stato di redox sul destino e sui trasporti P, gli approcci di laboratorio progettati per simulare meglio le condizioni in situ potrebbero portare a un miglioramento degli indici di rischio del trasporto P per gli ecosistemi agricoli e delle aree umide soggetti a saturazione variabile. Poiché l'ortopedo è immediatamente biodisponibile, il tasso e l'entità della desorption durante la saturazione possono essere utilizzati come indice del rischio di inquinamento P di origine non distaccata. Il nostro metodo è stato progettato per quantificare la desorgtizione P all'acqua di pore (PW) e la mobilitazione alle acque alluvionali (FW), una condizione tipica nelle aree con idrologia di origine variabile (ad esempio, campi agricoli allagati, zone umide, fossati di drenaggio e zone di quasi-flusso). Il metodo è stato originariamente sviluppato per caratterizzare il potenziale di rilascio di P nei suoli stagionalmente allagati dal nord di New York (USA) e recentemente applicato per quantificare il potenziale di spedizione P dei suoli ripariali dal bacino del lago Champlain del Vermont nord-occidentale6 . Qui, forniamo un protocollo per il metodo del microcosmo di laboratorio ed evidenziamo i risultati di uno studio recentemente pubblicato che dimostra la sua capacità di quantificare il potenziale di P desorption. Dimostriamo anche la relazione tra il potenziale di rilascio P e l'affidabilità dei test del suolo di routine (P, pH labile) per prevedere il rilascio tra i siti.

L'esecuzione del metodo richiede l'accesso a un laboratorio analitico con un adeguato controllo del clima, ventilazione, acqua e un adeguato sistema di smaltimento dei rifiuti acidi. Il metodo presuppone l'accesso a reagenti chimici di routine e attrezzature di laboratorio (lavandini, cappe, vetro, ecc.). Al di là delle esigenze di laboratorio di routine, è necessario un sistema di filtrazione a membrana (0,45 m) e uno spettrofotometro UV per misurare P. È inoltre consigliato ma non richiesto un misuratore di pH o una sonda multiparametrica di qualità dell'acqua. La temperatura di laboratorio è un fattore importante e deve essere mantenuta costante a meno che la temperatura stessa non venga studiata come fattore sperimentale (si raccomandano 20 gradi centigradi). L'accesso senza ostacoli a un laboratorio analitico adeguato con attrezzature adeguate è un prerequisito per eseguire correttamente il metodo e generare risultati significativi.

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Protocol

1. Raccolta di campioni

  1. Raccogliere circa 4 L di terreno (o sedimenti) dai siti desiderati. Le aree di raccolta dovrebbero essere relativamente piccole per limitare la variazione spaziale nelle proprietà P e del suolo.
  2. I campioni di setaccio attraverso uno schermo grossolano (20 mm) seguivano uno schermo da 2 mm. Accuratamente mixare i campioni dopo la setacciatura.
  3. Pesare 100 g di terreno umido o sedimenti. Asciugare in forno a 105 gradi centigradi per 24 ore e calcolare il contenuto di acqua gravimetrica (massa di acqua del suolo/massa del suolo asciutto).
  4. Prendi un sottocampione da 500 mL per l'analisi chimica.
    NOTA: Si raccomandano test del suolo per il pH del suolo, contenuto di materia organica e concentrazione di P (Pi) inorganico labile. In questo caso, la disponibilità del suolo labile Pi è stata valutata da: 1) Pi estratto da 1,25 mol L-1 acetato di ammonio (pH - 4,8; in seguito indicato come modificato Morgan estraibile P) misurato colorimetricamente7,8, 2) Pi estratto da l'acqua distillata, e 3) P estratta da 1,25 molo L-1 acetato di ammonio (pH - 4,8) misurata dalla spettroscopia delle emissioni plasma-ottica (ICP)8.
  5. Utilizzare il terreno setacciato rimanente per studi di microcosmo o conservare in sacchetti di polietilene a 5 gradi centigradi per un uso successivo.
    NOTA: I terreni si asciugano quando vengono refrigerati per lunghi periodi (>30 giorni) e richiederanno il rimodellamento. Non congelare i campioni del suolo in quanto influisce sull'integrità microbica e sul potenziale di rilascio P.

2. Costruzione microcosmo

  1. Utilizzare polipropilene graduato da un litro (1 L) o altri becher di plastica non reattivi come singole unità sperimentali (microcosmi). Lavare i becher in acido cloridrico al 10% e il triplo risciacquo con acqua distillata.
  2. Misurare 2 cm dal basso e posizionare un segno accanto a graduazioni becher. Forare un foro di 1,25 cm di diametro per le porte di drenaggio.
  3. Posizionare una piccola perla di silicone intorno al bordo interno della barra del tubo e della circonferenza esterna del foro del foro. Inserire con attenzione la porta di drenaggio nel foro.
    NOTA: Attendere l'essiccazione dell'aria per almeno 24 ore prima di procedere al passaggio 2.4.
  4. Tracciare la circonferenza esterna delle barre del tubo sul filtro a rete di nylon e ritagliata con le forbici. Applicare una sottile perla di silicone intorno alla circonferenza di ogni filtro sul bordo esterno e premere i filtri sulle insenature delle barre del tubo flessibile. Lasciare almeno 24 h di tempo di asciugatura prima dell'uso.
    NOTA: per la maggior parte delle applicazioni è consigliata una dimensione di pori di 100 m; tuttavia, i suoli più sottili possono richiedere una dimensione del poro di filtro maggiore per evitare tempi di raccolta di campioni di PW eccessivamente lunghi.
  5. Montare un pezzo corto di tubo di lattice di 0,625 cm di diametro per le estremità della barra del tubo flessibile. Attaccata una graffetta larga 3,3 cm al tubo per evitare il flusso.

3. Condurre una prova di rilascio del fosforo

  1. Mettere 500 mL di campione in microcosmi duplicati e applicare delicatamente l'acqua distillata lungo le pareti del becher fino a quando FW raggiunge il segno 1 L.
    NOTA: Lasciare che i microcosmi eseguano per 24/48 h prima di prelevare i campioni iniziali.
  2. Sganciare i leganti di carta per indurre il flusso di PW attraverso la porta di drenaggio. Raccogliere i campioni posizionando becher da 30 mL puliti direttamente sotto le porte di drenaggio PW. Lasciare diversi mL di PW per drenare, scartare e utilizzare i successivi 10 mL come volume campione rappresentativo.
  3. Filtrare i campioni di PW attraverso filtri a membrana da 0,45 m e analizzare immediatamente la p reattiva solubile (SRP). Registrare i valori di assorbimento e il tempo delle misurazioni.
    NOTA: SRP è generalmente considerato orthophosphate; tuttavia, il molybdate-reattivo P può anche formare complessi con colloidi e/o nanoparticelle che passano attraverso 0,45 filtri di m4.
  4. Prendi il campione FW iniziale inserendo una pipetta di siringa a bulbo da 10 mL a metà della colonna d'acqua e ritira un campione con un movimento circolare. Svuotare in becher, filtrare e analizzare immediatamente per SRP.
  5. Sostituire l'acqua campionata ricaricando i becher al livello 1 L con acqua distillata.
    NOTA: Le perdite evaporative varieranno. L'obiettivo è quello di mantenere costantemente un volume totale (terreno allagato e colonna d'acqua) di 1 L in tutti i microcosmi. La sostituzione delle perdite di acqua evaporativa ha effetti di diluizione trascurabili su SRP.
  6. Ripetere i passaggi da 3.2 a 3.5 in base al numero desiderato di punti temporali di rilascio P per l'analisi.
    NOTA: il numero di campioni prelevati nel tempo dipende dagli obiettivi dello sperimentatore. Il campionamento da una a tre volte alla settimana è sufficiente per molte applicazioni, supponendo che le incubazioni siano vicine ai 20 gradi centigradi. L'incubazione a temperature più elevate aumenta i tassi di rilascio SRP e richiederà un campionamento più frequente. L'intento qui è quello di mostrare l'utilità del metodo microcosmo piuttosto che concentrarsi sull'analisi dei dati da esperimenti. Sia i modelli a base chinetica che quella empirica per adattarsi ai dati di P desorption/sorption sono presentati altrove9,10. Poiché il metodo del microcosmo si basa su una progettazione di misure ripetute e ospita la replicazione e i diversi trattamenti, anche gli approcci di modellazione mista lineare generalizzati sono appropriati11.

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Representative Results

I risultati di un recente studio incentrato sul potenziale di rilascio P delle aree ripariali sono evidenziati per dimostrare la capacità del metodo di caratterizzare le dinamiche di rilascio P a livello di sito6. Mentre alcuni suoli hanno mostrato variazioni minime nel SRP nel tempo, altri hanno avuto grandi aumenti delle concentrazioni di PW e FW-SRP (Figura 1). Due siti con tendenze contrastanti sono illustrati nella Figura 1. Il suolo 7 è un sito ripariale con basso pH del suolo e caratterizzato da una quasi continua asorptizione SRP da PW (Figura 1A). Il suolo 14 è stato campionato da un campo di produzione di mais adiacente con terreno labile elevato Pi (suolo 14) e ha dimostrato un aumento di quasi 7 volte del PW-SRP nel primo mese di inondazione (Figura 1B).

A differenza delle concentrazioni di PW-SRP, l'FW-SRP tendeva a diminuire nel tempo (Figura 1). Il ferroso di acqua di poreato Fe (Fe2)è stato anche misurato come proxy per lo stato di redox. In tutto il suolo tranne uno, il PW-Fe2 è aumentato notevolmente dopo circa 3 settimane, indicando condizioni di riduzione. Poiché l'essiccazione del suolo altera il carbonio organico e la solubilità di Pi, sono stati essiccati anche due siti prima delle inondazioni. Le inondazioni del suolo secco hanno notevolmente aumentato la disidratazione di Pi a PW e la successiva mobilitazione all'acqua sovrastante rispetto all'inondazione dello stesso suolo in uno stato umido di campo (Figura 1C, D).

Sono stati inoltre eseguiti test di selezione del suolo P per determinarne l'affidabilità per prevedere le concentrazioni medie di SRP. L'acqua distillata e la P estraibile Morgan modificata (misurata in colorimetria molybdate) erano tra i migliori predittori delle concentrazioni medie di PW e FW-SRP (Figura 2A, C). La P estraibile Morgan modificata misurata da ICP non era così buona di un predittore rispetto alla P estraibile Morgan modificata misurata con colorimetria molybdate o acqua distillata (Figura 2C). Il rapporto di PW-SRP:FW-SRP è aumentato linearmente in funzione del pH del suolo (Figura 2D).

Figure 1
Figura 1: concentrazioni di fosforo reattivo solubile (SRP) nell'acqua di poil (PW) e sovrastanti acqua alluvionale (FW) su un'incubazione di 75 giorni per un suolo ripariale con basso pH e labile Pi (A), un terreno proveniente da un campo di produzione di mais con alto labile Pi (B) e un ripariano terreno allagato campo-umido (C) contro inondazioni dopo l'essiccazione (D). Le barre di errore rappresentano la deviazione standard delle misurazioni duplicate del microcosmo. I dati sono stati modificati da Young e Ross6 con il permesso. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Concentrazioni medie di acqua porea (PW) e di acqua solubile (FW) solubili reattive (SRP) nell'esperimento in funzione della misura di Morgan extractable P modificato misurato dalla colorimetria molybdate (A), modificato Morgan estraibile P (Pi - organico P) misurato da spettroscopia ottica a emissione ottica a emissione al plasma accoppiato induttivamente (B) e acqua distillata (C). (D) Relazione tra pW-SRP:FW-SRP medi per lo studio in funzione del pH del suolo. I dati sono stati modificati da Young e Ross6 con il permesso. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Uno dei principali vantaggi tecnici dell'approccio microcosmo è la sua capacità di simulare condizioni in situ per cui il suolo saturo o il sedimento è immediatamente sovraccaricato da FW che possono differire sostanzialmente nello stato redox e P. Paesaggi con idrologia di origine variabile come fossati di drenaggio, terreni coltivati allagati, zone umide e zone ripariane/vicino al flusso sono tutti esempi di dove la PW ridotta è periodicamente sovraccarica da acqua più ossidata con concentrazioni di Pi più basse. Questi gradienti redox possono influenzare fortemente Pi sorption/desorption e quindi la mobilità verso le acque superficiali e sotterranee1,2,3,4,5,6, 12,13,14. A differenza di altre estrazioni di routine o di isotermidi dell'asorpazione Pi, il metodo del microcosmo simula naturalmente condizioni di riduzione in quanto la respirazione microbica consuma ossigeno PW disciolto. Allo stesso tempo, L'FW rimane aperto all'aria ambiente permettendo la diffusione dell'ossigeno in FW, simile alle condizioni naturali del campo. Nella misura in cui l'acqua sovrastante rimane ossidante, metalli disciolti come Fe2 e Mn2 possono diffondersi verso l'alto da PW e SRP riassorbito dopo l'ossidazione alle interfacce aerobiche, contribuendo a prevenire la mobilitazione SRP a FW2, 3,6,14,15. Questo particolare meccanismo di inorption Pi è importante nelle zone umide, nei sedimenti lacustri e nei terreni agricoli allagati. La capacità del metodo del microcosmo di catturare queste dinamiche essenziali del sistema naturale offre un vantaggio rispetto ai metodi più tradizionali.

I nostri risultati evidenziano anche l'importanza delle misurazioni chimiche di routine del suolo/sedimento come potenziali predittori del rilascio di PW e FW-SRP. Ad esempio, sia l'acqua distillata che la Morgan estraibile Pi modificata hanno fornito stime affidabili delle concentrazioni medie di SRP rispetto all'incubazione, indicando che in precedenza il labile Pi è un importante vincolo sulla grandezza del rilascio di Pi. La quantità di Pi estraibile è una variabile importante per la gestione agricola P oltre ad essere un input per i modelli di qualità dell'acqua empirici e basati sul processo16. Il rapporto tra PW-SRP:FW-SRP era linearmente correlato al pH del suolo, indicando una frazione più elevata di PW-SRP mobilitata a FW a pH più alto. Questo effetto è probabilmente legato al fatto che la solubilità di forti cazioni metalliche P-sorbing come Al3 e Fe3 s'aumenta a pH inferiore e quindi forma più facilmente legami con SRP in soluzione (notare che è anche ben stabilito che la disponibilità di ortopofosde nei suoli tende ad essere massimizzata in un pH vicino alla neutralità a causa dello stesso meccanismo). I risultati hanno anche dimostrato che le inondazioni del suolo secco hanno aumentato notevolmente il rilascio di Pi. Potenziato Pi solubility dopo l'essiccazione è stato segnalato anche da altri17,18,19 ed è degno di ulteriori ricerche per perfezionare gli attuali modelli di ciclismo P. È chiaro che le interazioni tra le proprietà del suolo (stato labile Pi, pH del suolo, mineralogia) e le fluttuazioni di redox possono influenzare fortemente il rilascio e la mobilità di Pi. Il metodo del microcosmo facilita l'isolamento e l'interazione di questi e altri fattori e consente la sperimentazione in condizioni controllate simulando in ambienti situ.

L'approccio al microcosmo ospita prontamente modifiche che possono essere di interesse per i ricercatori P. Oltre alle variazioni nelle proprietà chimiche e fisiche di base che influiscono sul rilascio di Pi, l'aggiunta di modifiche del suolo (ad esempio, letame/fertilizzante per bestiame, biosolidi, compost e materiali di P-sorbing) e altri aspetti di gestione rimarranno importanti Considerazioni. Dal momento che le variazioni di temperatura influenzano fortemente Gli effetti della temperatura Pi release/sorption kinetics9,20 e reazioni redox9,15,20, esperimenti progettati per isolare gli effetti di temperatura sul rilascio Pi può anche essere utile. Inoltre, gli esperimenti di capacità di Pi sorption possono essere prontamente fatti aggiungendo quantità note di Pi a FW e misurando la scomparsa nel tempo3; la quantità di P sorbed può quindi essere correlata alle proprietà del suolo per prevedere la ritenzione Pi negli ecosistemi delle aree umide. Data la semplicità del metodo, il basso costo e la flessibilità, altre modifiche progettuali sono possibili anche a seconda degli obiettivi.

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Disclosures

Gli autori dichiarano che questo lavoro è stato condotto in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.

Acknowledgments

I finanziamenti sono stati messi a disposizione dal Vermont Water Resources and Lake Studies Center attraverso un accordo con lo U.S. Geological Survey. Conclusioni e opinioni sono quelle degli autori e non del Vermont Water Resources and Lake Studies Center o dell'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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