Måling av fosfor utslipp i laboratorie microcosms for vurdering av vannkvalitet

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

Nøyaktig kvantifisering av fosfor (P) desorpsjon potensial i mettet jord og sedimenter er viktig for P modellering og transport tiltak innsats. For å bedre gjøre rede for in situ jord-vann Redox dynamikk og P mobilisering under langvarig metning, en enkel tilnærming ble utviklet basert på gjentatt prøvetaking av laboratorie microcosms.

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

Fosfor (P) er en kritisk begrensende næringsstoff i agroecosystems som krever nøye styring for å redusere transport risikoen til akvatiske miljøer. Rutinemessige laboratoriemålinger av P-biotilgjengelighet er basert på kjemiske utdrag utført på tørkede prøver under oksiderende forhold. Mens nyttig, disse testene er begrenset med hensyn til karakteriserer P slipp under langvarig vannmetning. Labilt ortofosfat bundet til oksidert jern og andre metaller kan raskt elendig til løsning i å redusere miljøer, øke P mobilisering risiko for overflate avrenning og grunnvann. For bedre å kvantifisere P desorpsjon potensiale og mobilitet under utvidet metning, ble en laboratorie mikrokosmos metode utviklet basert på gjentatt prøvetaking av Porewater og overliggende flomvann over tid. Metoden er nyttig for kvantifisere P Release potensial fra jord og sedimenter varierende i fysikalsk egenskaper og kan forbedre områdespesifikke P utslipps tiltak ved bedre karakteriserer P Release risiko i hydrologically aktive områder. Fordelene med metoden inkluderer muligheten til å simulere in situ Dynamics, enkelhet, lave kostnader og fleksibilitet.

Introduction

Fosfor (P) er en kritisk begrensende næringsstoff for både avling og akvatiske biomasse produktivitet. Overflatevann hydrologi er en sentral pådriver for P skjebne og transport, som det styrer fysisk transport av sediment og P samtidig som påvirker partisjonen potensialet under avrenning og flom/kondensvann hendelser. Ulike laboratorie BAS ert utvinningsmetoder brukes vanligvis til å anslå P-utslipp på felt skalaen under oksiderende forhold. Mens ulike mekanismer kan bidra til P Release, reductive oppløsning av jern-fosfater er en veletablert reaksjons mekanisme som kan føre til store ortofosfat-P flukser til vann1,2,3, firetil. I en gjennomgang av mekanismer kontrollerende P biogeochemistry i våtområder, Redox status var hypotetisk gjennomsnitt å være den viktigste variabelen kontrollerende P utgivelse til jord og grunne grunnvann5. Som sådan, tradisjonelle P-tester kan ikke være pålitelig prediktorer av P Release under langvarig metning.

Gitt viktigheten av vann botid og Redox status på P skjebne og transport, laboratoriet tilnærminger utformet for å bedre simulere in situ forhold kan føre til bedre P transport risiko indekser for landbruks-og våt lands økosystemer underlagt variabel metning. Siden ortofosfat er umiddelbart biotilgjengelig, kan hastigheten og omfanget av desorpsjon under metning brukes som en indeks av nonpoint kilde P forurensning risiko. Vår metode ble utformet for å kvantifisere P desorpsjon til Porewater (PW) og mobilisering til overliggende flomvann (FW), en typisk tilstand i områder med variabel kildeområdet hydrologi (f. eks oversvømmet jordbruks felt, våtområder, drenering grøfter, og riparian/ nær strøms soner). Metoden ble opprinnelig utviklet for å karakterisere P Release potensialet i sesongmessig oversvømmet jordsmonnet fra nordlige New York (USA) og nylig søkt å kvantifisere P desorpsjon potensialet i riparian jordsmonn fra nordvestlige Vermont ' s Lake Champlain Basin6 . Her gir vi en protokoll for laboratoriet mikrokosmos metoden og fremheve resultater fra en nylig publisert studie demonstrere sin evne til å kvantifisere P desorpsjon potensial. Vi viser også forholdet mellom P Release potensial og påliteligheten av rutinemessige jordprøver (labilt utvinnbare P, pH) for å forutsi utgivelse på tvers av nettsteder.

Gjennomføring av metoden krever tilgang til et analytisk laboratorium med tilstrekkelig klimakontroll, ventilasjon, vann, og et riktig syre avfalls håndteringssystem. Metoden forutsetter tilgang til rutinemessige kjemiske reagenser og laboratorieutstyr (vasker, hetter, glass osv.). Utover rutinemessige laboratorie behov er det nødvendig med en membran filtrering (≤ 0,45 μm) system og en UV-spektrofotometer for å måle P. En pH-meter eller multiparameter vannkvalitet sonde er også anbefalt, men ikke nødvendig. Laboratorie temperatur er en viktig faktor og bør holdes konstant med mindre temperaturen i seg selv blir undersøkt som en eksperimentell faktor (20 ° c anbefales). Uhindret tilgang til et adekvat analytisk laboratorium med riktig utstyr er en forutsetning for å utføre metoden riktig og generere meningsfulle resultater.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. samling av eksempler

  1. Samle inn ca 4 L av jord (eller sediment) fra ønskede områder. Samlings områder bør være relativt små for å begrense romlig variasjon i P og jordegenskaper.
  2. Sil prøver gjennom en grov (20 mm) skjerm fulgte en 2 mm skjerm. Grundig hånd-Mix prøver etter sikt.
  3. Veie ut 100 g av felt-fuktig jord eller sediment. Tørr i en ovn ved 105 ° c for 24 h og beregne gravimetrisk vanninnhold (jord vannmasse/tørr jordmasse).
  4. Ta en 500 mL subsample for kjemisk analyse.
    Merk: jord pH, organisk materie innhold og labilt uorganisk P (pi) konsentrasjon anbefales jord tester. Her labilt jord PI tilgjengelighet ble vurdert av: 1) PI utvunnet av 1,25 mol L-1 ammonium-acetate (pH = 4,8; heretter referert til som modifisert Morgan utvinnbare P) målt kolorimetrisk7,8, 2) PI utvunnet av destillert vann, og 3) P utvunnet av 1,25 mol L-1 ammonium-acetate (pH = 4,8) målt ved Induktivt kombinert plasma-optiske utslipps SPEKTROSKOPI (ICP)8.
  5. Bruk gjenværende soldet jord for mikrokosmos studier eller lagre i polyetylen poser ved 5 ° c for senere bruk.
    Merk: jordsmonnet tørker ut når det er nedkjølt i lange perioder (> 30 dager) og vil kreve remoistening. Ikke fryse jordprøver som det påvirker mikrobiell integritet og P Release potensial.

2. mikrokosmos konstruksjon

  1. Bruk en-liters (1 L) gradert polypropylen eller andre ikke-reaktive plast kanner som individuelle eksperimentelle enheter (microcosms). Vask kanner i 10% saltsyre og trippel skyll med destillert vann.
  2. Mål 2 cm opp fra bunnen og plassere et merke ved siden av begeret graderinger. Bor en 1,25 cm diameter hull for drenering porter.
  3. Plasser en liten perle av silikon rundt innsiden kanten av slangen Barb og ytre omkrets av borehullet. Sett drenerings porten forsiktig inn i hullet.
    Merk: Tillat lufttørking i minst 24 timer før du går videre til trinn 2,4.
  4. Trace utsiden omkretsen av slangen mothaker på nylon mesh filter skjermen og skar ut med saks. Påfør en tynn perle av silikon rundt omkretsen av hvert filter på ytterkanten og trykk filtre på slangen Barb viker. La det være minst 24 timer tørketid før bruk.
    Merk: en størrelse på 100 μm pore anbefales for de fleste bruksområder. Men, finere-teksturert jord kan kreve et større filter pore størrelse for å unngå svært lang PW sample samling tid.
  5. Fit et kort stykke 0,625 cm diameter latex slange til slangen Barb ender. Festet en 3,3 cm bred papir bindemiddel klemme til slangen for å hindre flyt.

3. gjennomføre en fosfor Release rettssaken

  1. Plasser 500 mL av prøven i duplikat microcosms og påfør destillert vann langs beger vegger til FW når 1 L-merket.
    Merk: La microcosms likevekt for 24 − 48 timer før første gangs prøver tas i bruk.
  2. Unclip papir bindemidler for å indusere PW Flow gjennom drenerings port. Samle prøver ved å plassere rene 30 mL kanner direkte under drenerings porter i PW. Tillat flere mL PW å drenere, forkaste og bruke de neste 10 mL som et representativt sample volum.
  3. Filtrer PW prøver gjennom 0,45 μm membran filtre og umiddelbart analysere for løselig reaktive P (SRP). Registrer absorbansen verdier og tid for målinger.
    Merk: SRP er generelt antatt å være ortofosfat; Imidlertid kan molybdat P også danne komplekser med Colloids og/eller nanopartikler som passerer gjennom 0,45 pm filter4.
  4. Ta første FW prøve ved å sette inn en 10 mL pære sprøyten pipette halvveis ned i vannsøylen og trekke en prøve med en sirkulær bevegelse. Tøm i kanner, Filtrer og analyser umiddelbart for SRP.
  5. Skift ut samplet vann ved å etterfylle kanner til 1 L-nivået med destillert vann.
    Merk: fordamping tap vil variere. Målet er å konsekvent opprettholde et total volum (oversvømmet jord + Vannsøyle) av 1 L i alle microcosms. Utskifting av fordamping vanntap har ubetydelig fortynning effekter på SRP.
  6. Gjenta trinn 3,2 til og med 3,5 basert på ønsket antall P Release tid poeng for analyse.
    Merk: antall prøver tatt over tid avhenger av eksperimentator mål. Prøvetaking en til tre ganger per uke er tilstrekkelig for mange programmer antar incubations er nær 20 ° c. Incubating ved høyere temperaturer øker SRP Utgivelses rater og vil kreve hyppigere prøvetaking. Hensikten her er å vise nytten av mikrokosmos metoden i stedet for å fokusere på dataanalyse fra eksperimenter. Både Kinetically-baserte og empiriske modeller for å passe P desorpsjon/sorption data presenteres andre steder9,10. Siden mikrokosmos metoden er avhengig av en gjentatt tiltak design og passer replikering og ulike behandlinger, generalisert lineære blandede modellering tilnærminger er også hensiktsmessig11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Resultater fra en fersk studie fokusert på P Release potensialet i riparian områder er uthevet for å demonstrere metoden evne til å karakterisere nettstednivå P Release Dynamics6. Mens noen jord viste minimale endringer i SRP over tid, andre hadde store økninger i PW-og FW-SRP konsentrasjoner (figur 1). To steder med kontrasterende trender er vist i figur 1. Jord 7 er en riparian nettsted med lav jord pH og preget av nesten kontinuerlig SRP sorption fra PW (figur 1a). Jord 14 ble samplet fra en tilstøtende mais produksjonsfelt med forhøyet labilt jord PI (jord 14) og demonstrerte nesten en 7-fold økning i PW-SRP over den første måneden av Kaötela (figur 1B).

I motsetning til PW-SRP-konsentrasjoner, hadde FW-SRP en tendens til å avta over tid (figur 1). Porewater jernholdige fe (Fe2 +) ble også målt som en proxy for Redox status. I alle unntatt én jord, PW-Fe2 + økt betydelig etter ca 3 uker, noe som indikerer redusere forholdene. Siden jord tørking endrer organisk karbon og pi løselighet, to områder ble også tørket før flom. Flom tørr jord betydelig økt PI desorpsjon til PW og påfølgende mobilisering til overliggende vann i forhold til flom samme jord i et felt-fuktig tilstand (figur 1C, D).

Velg jord P-tester ble også utført for å fastslå deres pålitelighet til å forutsi gjennomsnittlig SRP-konsentrasjoner. Destillert vann og modifisert Morgan utvinnbare P (målt ved molybdat kolorimetriprogrammene) var blant de beste prediktorer av gjennomsnittlig PW-og FW-SRP konsentrasjoner (figur 2a, C). Modifisert Morgan utvinnbare P målt ved ICP var ikke så bra for en indikasjon i forhold til modifisert Morgan utvinnbare P målt ved molybdat kolorimetriprogrammene eller destillert vann (figur 2C). Forholdet mellom PW-SRP: FW-SRP økt lineært som en funksjon av jord pH (figur 2D).

Figure 1
Figur 1: løselig reaktiv fosfor (SRP) konsentrasjoner i jord Porewater (pw) og overliggende flomvann (FW) over en 75-dagers inkubasjons for en riparian jord med lav pH og labilt PI (a), en jord fra en mais produksjonsfelt med høy labilt PI (B) og en riparian jord oversvømmet feltet-fuktig (C) vs flom etter tørking (D). Feilfelt representerer standardavviket for dupliserte mikrokosmos målinger. Data ble modifisert fra Young og Ross6 med tillatelse. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Mean Porewater (pw) og flomvann (FW) løselig reaktive P (SRP) konsentrasjoner over eksperimentet som en funksjon av modifisert Morgan utvinnbare p målt ved molybdat kolorimetriprogrammene (a), modifisert Morgan utvinnbare p (pi + organisk P) målt ved Induktivt i kombinasjon med optiske utslipps spektroskopi (B) og destillert vann (C). (D) forholdet mellom mener PW-SRP: FW-SRP for studien som en funksjon av jord pH. Data ble modifisert fra Young og Ross6 med tillatelse. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En viktigste tekniske fordelen med mikrokosmos tilnærming er dens evne til å simulere in-situ forhold der mettet jord eller sediment er umiddelbart OVERLAIN av FW som kan vesentlig avvike i Redox og P-status. Landskap med variabel kildeområdet hydrologi som drenering grøfter, oversvømmet cropland, våtområder, og riparian/nær-stream soner er alle eksempler på hvor redusert PW er periodisk overlain av mer oksidert vann med lavere PI konsentrasjoner. Disse Redox gradienter kan sterkt påvirke PI sorption/desorpsjon og derfor mobilitet til overflaten og grunnvann1,2,3,4,5,6, 12,13,14. I motsetning til mer rutine utdrag eller PI sorption isotherms, den mikrokosmos metoden naturlig simulerer redusere forhold som mikrobiell åndedrett forbruker oppløst PW oksygen. Samtidig forblir FW åpen for omgivelsesluft som tillater spredning av oksygen til FW, i likhet med naturlige forhold i feltet. I den grad overliggende vann er oksiderende, oppløst metaller som Fe2 + og MN2 + kan diffus oppover fra PW og resorb SRP ved oksidasjon ved aerobic-grensesnitt, bidrar til å hindre SRP mobilisering til FW2, 3,6,14,15. Dette bestemte PI sorption mekanismen er viktig i våtområder, innsjø sedimenter, og oversvømmet jordbruksjord. Evnen av mikrokosmos metoden å fange disse vesentlige naturlig system dynamikk tilbyder en fordel over flere tradisjonell metoder.

Våre resultater også fremheve viktigheten av rutine jord/sediment kjemiske målinger som potensielle prediktorer av PW-og FW-SRP utgivelse. For eksempel, både destillert vann og modifisert Morgan utvinnbare PI gitt pålitelige estimater av gjennomsnittlig SRP konsentrasjoner over inkubasjons, noe som indikerer at tidligere sorbed labilt PI er en viktig begrensning på omfanget av PI utgivelse. Mengden av utvinnbare PI er en viktig variabel for å håndtere landbruket P i tillegg til å være en inngang for empirisk og prosess-basert vannkvalitet modeller16. Forholdet mellom PW-SRP: FW-SRP var lineært knyttet til pH i jord, noe som tyder på en høyere brøkdel av PW-SRP mobilisert til FW ved høyere pH. Denne effekten er trolig knyttet til det faktum at løselighet av sterkt P-sorbing metall spesifikasjoner som Al3 + og Fe3 + øker ved lavere pH og derfor lettere former obligasjoner med SRP i løsningen (Merk det er også godt etablert at ortofosfat tilgjengelighet i jordsmonn tendens til å bli maksimert ved en pH nær nøytralitet på grunn av den samme mekanismen). Resultatene viste også at flom tørr jord betydelig økt PI utgivelse. Forbedret PI løselighet etter tørking har også blitt rapportert av andre17,18,19 og er verdig ytterligere forskning for å avgrense gjeldende P sykling modeller. Det er klart at interaksjoner mellom jordegenskaper (labilt PI status, jord pH, mineralogi) og Redox svingninger kan sterkt påvirke PI utgivelse og mobilitet. Den mikrokosmos metoden forenkler isolasjonen og samspillet mellom disse og andre faktorer og gjør det mulig å eksperimentere under kontrollerte forhold ved simulering av in situ -miljøer.

Den mikrokosmos tilnærmingen passer lett modifikasjoner som kan være av interesse for P forskere. I tillegg til variasjon i grunnleggende kjemiske og fysiske egenskaper som påvirker PI utgivelse, tillegg av jord endringer (dvs. husdyrgjødsel/gjødsel, biosolids, composts, og P-sorbing materialer) og andre ledelses aspekter vil forbli viktig Hensyn. Siden endringer i temperatur sterkt påvirke PI Release/sorption Kinetics9,20 og Redox reaksjoner9,15,20, eksperimenter designet for å isolere temperatur effekter på pi Release kan også være fordelaktig. I tillegg kan PI sorption kapasitet eksperimenter gjøres enkelt ved å legge kjente mengder PI til FW og måling forsvinning over tid3; mengden av P sorbed kan da være relatert til jordegenskaper for å forutsi PI oppbevaring i våt økosystemer. Gitt metoden enkelhet, lave kostnader og fleksibilitet, andre design modifikasjoner er også mulig avhengig av målsettinger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer at dette arbeidet ble gjennomført i fravær av kommersielle eller finansielle forhold som kan tolkes som en potensiell interessekonflikt.

Acknowledgments

Finansiering ble gjort tilgjengelig av Vermont vannressurser og Lake Studies Center gjennom en avtale med US Geological Survey. Konklusjoner og meninger er de av forfatterne og ikke Vermont vannressurser og Lake Studies Center eller 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

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