Mätning av fosforutsläpp i Laboratoriemikrokosmos för bedömning av vattenkvalitet

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

Noggrann kvantifiering av fosfor (P) desorptionspotential i mättade jordar och sediment är viktigt för P modellering och transport minskning insatser. För att bättre kunna redogöra för in situ Soil-Water redox dynamik och P mobilisering under långvarig mättnad, en enkel metod utvecklades baserat på upprepade provtagning av laboratoriet 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) är ett kritiskt begränsande näringsämne i agroekosystem som kräver noggrann hantering för att minska transportrisken till vattenmiljöer. Rutinmässiga laboratorie åtgärder av P biotillgänglighet är baserade på kemiska extraktioner utförs på torkade prover under oxiderande förhållanden. Medan användbara, dessa tester är begränsade med avseende på karakterisera P release under långvarig vattenmättnad. Labile ortofosfat bundet till oxiderat järn och andra metaller kan snabbt desorb till lösning i att minska miljöer, öka P mobilisering risk för att ytan avrinning och grundvatten. För att bättre kvantifiera P desorption potential och rörlighet under utökad mättnad, ett laboratorium mikrokosmos metod utvecklades baserat på upprepad provtagning av spår och överliggande flodvattnet över tiden. Metoden är användbar för att kvantifiera P release potential från jordar och sediment som varierar i fysikalisk-kemiska egenskaper och kan förbättra platsspecifika P mildrande insatser genom att bättre karakterisera P release risk i hydrologiskt aktiva områden. Fördelarna med metoden är dess förmåga att simulera in situ -dynamik, enkelhet, låg kostnad och flexibilitet.

Introduction

Fosfor (P) är en kritisk begränsande näringsämne för både gröda och akvatiska biomassa produktivitet. Ytvatten hydrologi är en huvudsaklig drivrutin för P öde och transport, eftersom det styr den fysiska transporten av sediment och P samtidigt påverkar remobilisering potential under avrinning och översvämningar/ponding händelser. Olika laboratoriebaserade extraktionsmetoder används vanligtvis för att uppskatta P release vid fält skalan under oxiderande förhållanden. Medan olika mekanismer kan bidra till P frisättning, reduktiv upplösning av järn-fosfater är en väletablerad Reaktionsmekanism som kan leda till stora ortofosfat-P-flöden till vatten1,2,3, 4. I en översyn av mekanismer som styr P biogeokemi i våtmarker, var redox status en hypotes om att vara den viktigaste variabeln kontrollerande P utsläpp till jordar och grunda grundvatten5. Som sådan, traditionella P-tester kan inte vara tillförlitliga prediktorer för P release under långvarig mättnad.

Med tanke på vikten av vatten uppehållstid och redoxstatus på P öde och transport, kan laboratoriemetoder som utformats för att bättre simulera in situ -förhållanden leda till förbättrade P-transportriskindex för jordbruks-och våtmarksekosystem som omfattas varierande mättnad. Eftersom ortofosfat är omedelbart biotillgängligt, kan hastigheten och omfattningen av desorption under mättnad användas som ett index för Nonpoint källa P föroreningsrisk. Vår metod var utformad för att kvantifiera P desorption till spår (PW) och mobilisering till överliggande flodvattnet (FW), ett typiskt tillstånd i områden med variabel källa område hydrologi (t. ex. översvämmade jordbruksområden, våtmarker, dränering diken, och Riparian/ nära Ströms zoner). Metoden utvecklades ursprungligen för att karakterisera P release potential i säsongsmässigt översvämmade jordar från norra New York (USA) och nyligen tillämpas för att kvantifiera P desorption potential av Strandmark från nordvästra Vermont Lake Champlain Basin6 . Här, vi tillhandahåller ett protokoll för laboratoriet mikrokosmos metod och belysa resultat från en nyligen publicerad studie som visar dess förmåga att kvantifiera P desorption potential. Vi visar också sambandet mellan P release potential och tillförlitligheten av rutinmässig mark tester (labile extraherbara P, pH) att förutsäga release över webbplatser.

För att genomföra metoden krävs tillgång till ett analytiskt laboratorium med tillräcklig klimatkontroll, ventilation, vatten och ett lämpligt system för bortskaffande av syra avfall. Metoden förutsätter tillgång till rutinmässiga kemiska reagenser och laboratorieutrustning (sänkor, huvor, glasvaror, etc.). Utöver rutinmässiga laboratorie behov krävs ett membran filtreringssystem (≤ 0,45 μm) och en UV-spektrofotometer för mätning av P. En pH-mätare eller multiparametrar vattenkvalitet sond rekommenderas också men inte krävs. Laboratorie temperaturen är en viktig faktor och bör hållas konstant om inte temperaturen i sig undersöks som en experimentell faktor (20 ° c rekommenderas). Obehindrat tillträde till ett adekvat analytiskt laboratorium med lämplig utrustning är en förutsättning för att kunna utföra metoden på rätt sätt och generera meningsfulla resultat.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. provtagning

  1. Samla cirka 4 L jord (eller sediment) från önskade platser. Insamlings områden bör vara relativt små för att begränsa rumslig variation i P och markens egenskaper.
  2. Såll prover genom en grov (20 mm) skärm följt en 2 mm skärm. Grundligt hand-mix prover efter siktning.
  3. Väg ut 100 g fält-fuktig jord eller sediment. Torka i en ugn vid 105 ° c i 24 timmar och beräkna gravimetrisk vattenhalt (jord vattenmassa/torr mark massa).
  4. Ta ett 500 mL-delprov för kemisk analys.
    Anmärkning: markens pH, organiskt material innehåll och labila oorganiska P (PI) koncentration rekommenderas mark tester. Här utvärderades labila Soil PI tillgänglighet av: 1) PI extraheras av 1,25 mol L-1 ammoniumacetat (pH = 4,8; hädanefter kallad modifierad Morgan extraherbara P) uppmätt kolorimetriskt7,8, 2) PI extraherad av destillerat vatten, och 3) P extraherad med 1,25 mol L-1 ammoniumacetat (pH = 4,8) mätt med induktivt kopplad plasma-optisk emissions spektroskopi (ICP)8.
  5. Använd kvarvarande sållen jord för mikrokosmos studier eller förvara i polyeten påsar vid 5 ° c för senare användning.
    Obs: jordar torka ut när kylda under långa perioder (> 30 dagar) och kommer att kräva remoistening. Frys inte jordprover eftersom det påverkar mikrobiell integritet och P release potential.

2. Microcosm konstruktion

  1. Använd en-liters (1 L) graderad polypropen eller andra icke-reaktiva Plastbägare som enskilda experimentella enheter (mikrokosmos). Tvätta bägare i 10% saltsyra och trippel sköljning med destillerat vatten.
  2. Mät 2 cm upp från botten och placera ett märke bredvid bägaren graderingar. Borra ett hål på 1,25 cm i diameter för dräneringshamnar.
  3. Placera en liten pärla av silikon runt insidan kanten av slang hulling och yttre omkrets av borrhålet. Sätt försiktigt in dräneringsporten i hålet.
    Obs: låt lufttorka i minst 24 h innan du går vidare till steg 2,4.
  4. Spåra utsidan omkrets slang Huggar på nylon mesh filter skärmen och skär ut med sax. Applicera en tunn pärla av silikon runt omkretsen av varje filter på utsidan kanten och tryck på filter på slang Barb vikar. Vänta minst 24 timmar torktid innan du använder den.
    Anmärkning: en porstorlek på 100 μm rekommenderas för de flesta tillämpningar. men, finare-texturerat jordar kan kräva en större filter porstorlek för att undvika alltför lång PW provinsamling tid.
  5. Montera en kort bit av 0,625 cm diameter latex slang till slang Barb ändar. Bifogat en 3,3 cm bred pappers pärm klämma till slangen för att förhindra flöde.

3. genomföra en provversion av fosforutsläpp

  1. Placera 500 mL prov i dubbla mikrokosmer och Applicera försiktigt destillerat vatten längs bägare väggarna tills FW når 1 L-märket.
    Anmärkning: låt mikrokosmer att jämvikt för 24 − 48 h innan du tar inledande prover.
  2. Unclip papper bindemedel för att inducera PW flöde genom dräneringsporten. Samla prover genom att placera rena 30 mL-bägare direkt under PW-dräneringsportar. Låt flera mL av PW rinna av, kassera och Använd nästa 10 mL som representativ provvolym.
  3. Filtrera PW prover genom 0,45 μm membranfilter och omedelbart analysera för lösliga reaktiva P (SRP). Registrera absorbansvärden och tid för mätningar.
    Anmärkning: SRP antas allmänt vara ortofosfat; men molybdate-reaktivt P kan också bilda komplex med kolloider och/eller nanopartiklar som passerar genom 0,45 μm filter4.
  4. Ta första FW prov genom att sätta en 10 mL glödlampa spruta halvvägs ner i vatten kolumnen och dra ut ett prov med en cirkelrörelse. Töm i bägare, filtrera och analysera omedelbart för SRP.
  5. Byt ut prov vatten genom påfyllning av bägare till 1 L-nivå med destillerat vatten.
    Notera: avdunstningsförlusterna kommer att variera. Målet är att konsekvent upprätthålla en total volym (översvämmad jord + vatten kolumn) av 1 L i alla microcosms. Byte av avdunstnings vattenförluster har försumbar utspädningseffekt på SRP.
  6. Upprepa steg 3,2 till 3,5 baserat på önskat antal P-frigörningstidpunkter för analys.
    Obs: antalet prover som tas över tiden beror på försöksledaren mål. Provtagning en till tre gånger per vecka är tillräcklig för många tillämpningar under förutsättning att inkuberingar är nära 20 ° c. Inkuberande vid högre temperaturer ökar SRP release priser och kommer att kräva tätare provtagning. Avsikten här är att Visa nyttan av mikrokosmos metod snarare än att fokusera på dataanalys från experiment. Både Kinetically-baserade och empiriska modeller för att passa P desorption/sorption data presenteras på annat håll9,10. Eftersom mikrokosmos metoden förlitar sig på en upprepad åtgärder design och rymmer replikering och olika behandlingar, generaliserad linjär blandad modellering metoder är också lämpliga11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Resultat från en nyligen studie inriktad på P release potentialen i strandområden är markerade för att demonstrera metodens förmåga att karakterisera P release Dynamics6på platsnivå. Medan vissa jordar visade minimala förändringar i SRP över tid, andra hade stora ökningar i PW-och FW-SRP koncentrationer (figur 1). Två sajter med kontrasterande trender visas i figur 1. Jord 7 är en strandnära plats med lågt jord pH och kännetecknas av nästan kontinuerlig SRP sorption från PW (figur 1a). Jord 14 samplades från ett angränsande majs produktionsområde med förhöjd labila jord-PI (jord 14) och uppvisade nästan en 7-faldig ökning av PW-SRP under den första månaden av inundationen (figur 1b).

I motsats till PW-SRP-koncentrationer tenderade FW-SRP att minska med tiden (figur 1). Porewater ferrous FE (FE2 +) mättes också som en proxy för redoxstatus. I alla utom en jord, PW-FE2 + ökat väsentligen efter ca 3 vecken, antydande slaknande författningarna. Eftersom jord torkning förändrar organiskt kol och PI löslighet, var två platser också torkade före översvämningar. Översvämningar torr mark kraftigt ökad PI desorption till PW och efterföljande mobilisering till överliggande vatten jämfört med översvämningar samma jord i ett område-fuktig stat (figur 1c, D).

Välj jord P-tester utfördes också för att fastställa deras tillförlitlighet för att förutsäga genomsnittliga SRP koncentrationer. Destillerat vatten och modifierad Morgan extraherbar P (mätt med molybdatkolorimetri) var bland de bästa prediktorer av genomsnittliga PW-och FW-SRP koncentrationer (figur 2A, C). Modifierad Morgan extraherbar P mätt med ICP var inte lika bra för en prediktor jämfört med modifierad Morgan extraherbar P mätt med molybdatkolorimetri eller destillerat vatten (figur 2C). Förhållandet mellan PW-SRP: FW-SRP ökade linjärt som en funktion av markens pH (figur 2D).

Figure 1
Figur 1: koncentrationer av lösliga reaktiva fosfor (SRP) i jord spår (PW) och överliggande flodvattnet (FW) över en 75-dagars inkubering för en Strandmark med lågt pH och labila PI (a), en jord från en majs produktionsområde med hög labila PI (B) och en strand jord översvämmade fält-fuktig (C) vs översvämningar efter torkning (D). Felstaplar representerar standardavvikelsen för dubblerade mikrokosm-mätningar. Data ändrades från Young och Ross6 med tillstånd. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: medelvärde för spår (PW) och flodvattnet (FW) lösliga reaktiva p (SRP) koncentrationer över experimentet som en funktion av modifierad Morgan extraherbar p mätt med molybdatkolorimetri (a), modifierad Morgan extraherbara p (PI + organisk p) mätt med optisk emissions spektroskopi (B) med induktivt kopplat plasma emission och destillerat vatten (C). (D) förhållandet mellan medelvärdet PW-SRP: FW-SRP för studien som en funktion av markens pH. Data ändrades från Young och Ross6 med tillstånd. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En huvudsaklig teknisk fördel av mikrokosmos-metoden är dess förmåga att simulera in situ- förhållanden där mättad jord eller sediment omedelbart överlagras av FW som väsentligen kan skilja sig i redox-och P-status. Landskap med variabel källa område hydrologi såsom dränering diken, översvämmade åkermark, våtmarker, och Riparian/Near-Stream zoner är alla exempel på där reducerade PW regelbundet överliggs av mer oxiderat vatten med lägre PI koncentrationer. Dessa redoxgradienter kan starkt påverka PI sorption/desorption och därför rörlighet till yt-och grundvatten1,2,3,4,5,6, 12,13,14. Till skillnad från mer rutinmässiga extraktioner eller PI sorption Isotherms, den mikrokosmos metoden simulerar naturligt minska villkor som mikrobiell andning förbrukar upplöst PW syre. Samtidigt förblir FW öppen för omgivande luft så att diffusion av syre till FW, liknande naturliga förhållanden i området. I den utsträckning som det överliggande vattnet fortfarande oxiderar kan upplösta metaller som FE2 + och mn2 + sprida sig uppåt från PW och Resorb SRP vid oxidation vid aeroba gränssnitt, vilket bidrar till att förhindra att SRP mobiliserar till FW2, 3,6,14,15. Denna särskilda PI sorption mekanism är viktig i våtmarker, sjön sediment, och översvämmade jordbruksmark. Möjligheten för mikrokosmos metod för att fånga dessa väsentliga naturliga system dynamik erbjuder en fördel jämfört med mer traditionella metoder.

Våra resultat belyser också vikten av rutinmässig jord/sediment kemiska mätningar som potentiella prediktorer för PW-och FW-SRP release. Till exempel, både destillerat vatten och modifierad Morgan extraherbar PI förutsatt tillförlitliga uppskattningar av genomsnittliga SRP koncentrationer över inkubationen, vilket indikerar att tidigare sorberad labila PI är en viktig begränsning på omfattningen av PI release. Mängden extraherbar PI är en viktig variabel för att hantera jordbruket P förutom att vara en input för empiriska och processbaserade Vattenkvalitets modeller16. Förhållandet mellan PW-SRP: FW-SRP var linjärt relaterade till markens pH, vilket indikerar en högre fraktion av PW-SRP mobiliserade till FW vid högre pH. Denna effekt är förmodligen relaterad till det faktum att löslighet av starkt P-sorbing metall katjoner såsom Al3 + och FE3 + ökar vid lägre pH och därför mer lätt bildar obligationer med SRP i lösning (Observera att det är också väl etablerat att tillgängligheten av ortofosfat i jordar tenderar att vara maximerad vid ett pH nära neutraliteten på grund av samma mekanism). Resultaten visade också att översvämningar torr mark kraftigt ökade PI release. Förbättrad PI löslighet efter torkning har också rapporterats av andra17,18,19 och är värd ytterligare forskning för att förfina nuvarande P cykelmodeller. Det är tydligt att interaktioner mellan markens egenskaper (labile PI status, markens pH, mineralogi) och redox fluktuationer kan starkt påverka PI frisättning och rörlighet. Mikrokosmos-metoden underlättar isolering och interaktion mellan dessa och andra faktorer och möjliggör experimenterande under kontrollerade betingelser samtidigt som man simulerar in situ -miljöer.

Den mikrokosmos tillvägagångssätt lätt rymmer ändringar som kan vara av intresse för P forskare. Förutom variation i grundläggande kemiska och fysikaliska egenskaper som påverkar PI frisättning, tillägg av jord ändringar (dvs. stallgödsel/gödningsmedel, bio fasta ämnen, komposter och P-sorbing material) och andra förvaltningsaspekter kommer att förbli viktiga Överväganden. Eftersom förändringar i temperatur starkt påverkar PI release/sorptionskinetik9,20 och redoxreaktioner9,15,20, experiment för att isolera temperatureffekter på Pi release kan också vara fördelaktigt. Dessutom kan PI sorption kapacitet experiment lätt göras genom att lägga till kända mängder Pi till FW och mäta försvinnandet över tid3; mängden P sorberad kan sedan relateras till markens egenskaper för att förutsäga PI-retention i våtmarksekosystem. Med tanke på metodens enkelhet, låga kostnader och flexibilitet är även andra konstruktionsändringar möjliga beroende på mål.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar att detta arbete utfördes i avsaknad av kommersiella eller ekonomiska förhållanden som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Acknowledgments

Finansiering gjordes tillgänglig av Vermont Water Resources och Lake Studies Center genom ett avtal med den amerikanska geologiska undersökningen. Slutsatser och åsikter är de av författarna och inte Vermonts vattenresurser och 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