قياس إطلاق الفوسفور في الميكروكوزمختبر لتقييم جودة المياه

Summary

ومن المهم بالنسبة لجهود النمذجة والتخفيف من آثار النقل التحديد الكمي الدقيق لإمكانات امتصاص الفوسفور (P) في التربة المشبعة والرواسب. ولتحديد أفضل لديناميات الأكسدة في التربة والمياه في الموقع وتعبئة P في ظل التشبع المطول، تم وضع نهج بسيط يستند إلى أخذ العينات المتكررة من الميكروكوزات المختبرية.

Abstract

الفوسفور (P) هو عنصر غذائي حاسم يحد من المغذيات في النظم الإيكولوجية الزراعية التي تتطلب إدارة متأنية للحد من مخاطر النقل إلى البيئات المائية. وتستند التدابير المختبرية الروتينية للتوافر البيولوجي P على الاستخراج الكيميائي الذي يتم إجراؤه على العينات المجففة في ظل ظروف مؤكسدة. في حين أن هذه الاختبارات مفيدة، فهي محدودة فيما يتعلق بتوصيف إطلاق P تحت تشبع المياه لفترات طويلة. يمكن لـ Labile orthophosphate المرتبط بالحديد المؤكسد والمعادن الأخرى أن يُحل بسرعة في الحد من البيئات، مما يزيد من خطر تعبئة P على الجريان السطحي والمياه الجوفية. ولتحديد قدر ة القدرية على تحسين القدرة على امتصاص النفايات والتنقل أثناء التشبع الممتد، تم تطوير طريقة مصغرة مختبرية تستند إلى أخذ عينات متكررة من مياه المسام ومياه الفيضانات فوقها مع مرور الوقت. وهذه الطريقة مفيدة في التحديد الكمي لإمكانات الإطلاق من التربة والرواسب المتفاوتة في الخصائص الفيزيائية الكيميائية، ويمكن أن تحسن جهود التخفيف من حدة انبعاثات المواد الخطرة في الموقع عن طريق تحسين توصيف مخاطر الإطلاق من P في المناطق النشطة من الناحية الهيدرولوجية. وتشمل مزايا الأسلوب قدرته على محاكاة الديناميات في الموقع، والبساطة، وانخفاض التكلفة، والمرونة.

Introduction

الفوسفور (P) هو عنصر غذائي حاسم يحد من إنتاجية المحاصيل والكتلة الحيوية المائية على حد سواء. الهيدرولوجيا المائية السطحية هي المحرك الرئيسي لمصير P والنقل، كما أنها تسيطر على النقل المادي للرواسب وP في حين تؤثر أيضا على إمكانية إعادة التعبئة خلال الجريان السطحي والفيضانات / البرك الأحداث. وعادة ما تستخدم أساليب استخراج مختبرية مختلفة لتقدير الإطلاق P على نطاق الحقل في ظل ظروف مؤكسدة. في حين أن آليات مختلفة يمكن أن تسهم في إطلاق P، حل اختزالي من الحديد الفوسفات هو آليةرد فعل راسخة التي يمكن أن تؤدي إلى تدفقات كبيرة من orthophosphate-P إلى الماء 1،^{2،3، 4}. وفي استعراض لآليات التحكم في الكيمياء الجيولوجية الحيوية P في الأراضي الرطبة، افترض أن حالة الأكسدةهي المتغير الرئيسي الذي يتحكم في إطلاق P للتربة والمياه الجوفية الضحلة 5. وعلى هذا النحو، قد لا تكون الاختبارات P التقليدية تنبؤات موثوقة لإطلاق P تحت التشبع لفترات طويلة.

وبالنظر إلى أهمية وقت الإقامة المائية ووضع الأكسدة على مصير P والنقل، فإن النُهج المختبرية المصممة لمحاكاة الظروف في الموقع على نحو أفضل يمكن أن تؤدي إلى تحسين مؤشرات مخاطر النقل P للنظم الإيكولوجية الزراعية والأراضي الرطبة الخاضعة للزراعة والأراضي الرطبة تشبع متغير. وبما أن orthophosphate متاح بيولوجياً على الفور، يمكن استخدام معدل ومدى الامتصاص أثناء التشبع كمؤشر لمخاطر التلوث ب المصدر غير المدبب. تم تصميم طريقتنا لتحديد كمية P desorption إلى مسام المياه (PW) والتعبئة لمياه الفيضانات فوق (FW)، وهي حالة نموذجية في المناطق ذات الهيدرولوجيا منطقة مصدر متغير (على سبيل المثال، الحقول الزراعية المغمورة، والأراضي الرطبة، وخنادق الصرف الصحي، ووريبيان / المناطق القريبة من التيار). وقد وضعت هذه الطريقة في الأصل لوصف إمكانية إطلاق P في التربة التي غمرتها الفيضانات موسميا من شمال نيويورك (الولايات المتحدة الأمريكية) وطبقت مؤخرا لتحديد كمية الخصائص P إمكانات التربة المشاطئة من حوض بحيرة شامبلين في شمال غرب فيرمونت⁶ . هنا، نقدم بروتوكوللطريقة الميكروكوز المختبر ويسلط الضوء على النتائج من دراسة نشرت مؤخرا مما يدل على قدرتها على تحديد قدرة P desorption المحتملة. كما نبين العلاقة بين إمكانية إطلاق P وموثوقية اختبارات التربة الروتينية (P القابلة للاستخراج من الحموضة) للتنبؤ بالإطلاق عبر المواقع.

ويتطلب تنفيذ هذه الطريقة الوصول إلى مختبر تحليلي مزود بمراقبة كافية للمناخ، والتهوية، والمياه، ونظام مناسب للتخلص من النفايات الحمضية. وتفترض هذه الطريقة الحصول على الكواشف الكيميائية الروتينية ومعدات المختبرات (المصارف، والأغطية، والأواني الزجاجية، وما إلى ذلك). وإلى جانب الاحتياجات المختبرية الروتينية، يلزم نظام لترشيح الغشاء (≤ 0.45 ميكرومتر) ومقياس مطياف للأشعة فوق البنفسجية لقياس P. كما يوصى باستخدام مقياس درجة الحموضة أو مسبار جودة المياه متعدد المعلمات ولكن ليس مطلوباً. درجة حرارة المختبر عامل مهم وينبغي أن تبقى ثابتة ما لم يتم التحقيق في درجة الحرارة نفسها كعامل تجريبي (20 درجة مئوية ينصح). والوصول دون عوائق إلى مختبر تحليلي ملائم مزود بالمعدات المناسبة شرط مسبق لأداء هذه الطريقة على نحو سليم وتحقيق نتائج ذات مغزى.

Protocol

1. جمع عينة

1. جمع ما يقرب من 4 لتر من التربة (أو الرواسب) من المواقع المطلوبة. وينبغي أن تكون مناطق الجمع صغيرة نسبياً للحد من التباين المكاني في خصائص P والتربة.
2. تبعت عينات غربال من خلال شاشة خشنة (20 مم) شاشة 2 مم. تماما عينات مزيج اليد بعد غربال.
3. وزن 100 غرام من التربة الرطبة في الحقل أو الرواسب. يجف في فرن عند 105 درجة مئوية لمدة 24 ساعة ويحسب محتوى الماء الجاذب (كتلة مياه التربة/كتلة التربة الجافة).
4. أخذ عينة فرعية 500 مل للتحليل الكيميائي.
   ملاحظة: يُوصى باختبارات التربة لدرجة الحموضة في التربة ومحتوى المواد العضوية وتركيز P غير العضوي (Pi). هنا، تم تقييم توافر التربة الصفراء Pi من قبل: 1) Pi المستخرجة من قبل 1.25 مول L^-1 خلات الأمونيوم (درجةالحموضة = 4.8؛ ويشار إليها فيما بعد باسم تعديل مورغان القابلة للاستخراج P) قياس اللون7،^8،2) Pi المستخرجة من قبل الماء المقطر، و3) P المستخرجة من قبل 1.25 مول L^-1 خلات الأمونيوم (درجة الحموضة = 4.8) تقاس بواسطة مطياف الانبعاثات البصرية البلازما المقترنة بكثافة (ICP)⁸.
5. استخدام التربة المنخل المتبقية لدراسات microcosm أو تخزين في أكياس البولي ايثيلين في 5 درجة مئوية للاستخدام في وقت لاحق.
   ملاحظة: التربة تجف عند تبريدها لفترات طويلة (>30 يوما) وسوف تتطلب عن بعد. لا تجمد عينات التربة لأنها تؤثر على سلامة الميكروبات وإمكانية إطلاق P.

2. ميكروكوزم البناء

1. استخدام لتر واحد (1 لتر) تخرج البولي بروبلين أو غيرها من الأكواب البلاستيكية غير التفاعلية كوحدات تجريبية فردية (microcosms). غسل الأكواب في 10٪ حمض الهيدروكلوريك وشطف الثلاثي مع الماء المقطر.
2. قياس 2 سم حتى من أسفل ووضع علامة بجانب التخرج الكأس. حفر ثقب قطرها 1.25 سم لمنافذ الصرف الصحي.
3. وضع حبة صغيرة من السيليكون حول الحافة الداخلية من خرطوم بارب ومحيط الخارجي من حفرة تتحمل. إدراج بعناية ميناء الصرف الصحي في الحفرة.
   ملاحظة: السماح بتجفيف الهواء لمدة 24 ساعة على الأقل قبل الانتقال إلى الخطوة 2.4.
4. تتبع محيط خارجي من قضبان خرطوم على شاشة مرشح شبكة النايلون وقطع مع مقص. تطبيق حبة رقيقة من السيليكون حول محيط كل مرشح على الحافة الخارجية واضغط على مرشحات على مداخل خرطوم بارب. السماح على الأقل 24 ساعة من وقت التجفيف قبل استخدام.
   ملاحظة: ينصح حجم المسام 100 ميكرومتر لمعظم التطبيقات; ومع ذلك، قد تتطلب التربة الدقيقة محكم حجم مسام مرشح أكبر لتجنب وقت جمع عينة PW طويلة للغاية.
5. تناسب قطعة قصيرة من 0.625 سم خرطوم اللاتكس قطرها إلى خرطوم barb ينتهي. إرفاق مقطع الموثق ورقة واسعة 3.3 سم إلى خرطوم لمنع التدفق.

3- إجراء محاكمة لإطلاق الفوسفور

1. ضع 500 مل من العينة في صورة مصغرة مكررة وتطبيق بلطف الماء المقطر على طول الجدران الكأس حتى FW يصل إلى علامة 1 L.
   ملاحظة: السماح للميكروكوزات بمعادلة 24-48 ساعة قبل أخذ العينات الأولية.
2. فك المجلدات ورقة للحث على تدفق PW من خلال ميناء الصرف الصحي. جمع العينات عن طريق وضع الأكواب نظيفة 30 مل مباشرة تحت منافذ الصرف PW. السماح لعدة مل PW لاستنزاف وتجاهل واستخدام 10 مل التالية كوحدة تخزين عينة تمثيلية.
3. تصفية عينات PW من خلال مرشحات غشاء 0.45 ميكرومتر وتحليل على الفور لP رد الفعل القابلة للذوبان (SRP). قيم امتصاص السجلات ووقت القياسات.
   ملاحظة: يفترض عموما ً أن يكون التقويم الاستراتيجي للفوسفات الأُرَثَّف؛ ومع ذلك، يمكن أيضا أن تشكل molybdate-رد الفعل P المجمعات مع الغرويات و / أو الجسيمات النانوية التي تمر من خلال مرشحات 0.45 ميكرومتر⁴.
4. خذ عينة FW الأولية عن طريق إدخال ماصة حقنة لمبة 10 مل في منتصف العمود المائي وسحب عينة باستخدام حركة دائرية. فارغة في الأكواب، وتصفية وتحليل فورا لSRP.
5. استبدال المياه عينات عن طريق إعادة ملء الأكواب إلى مستوى 1 لتر مع الماء المقطر.
   ملاحظة: ستختلف خسائر التبخر. والهدف من ذلك هو الحفاظ باستمرار على الحجم الإجمالي (التربة المغمورة + عمود المياه) من 1 لتر في جميع microcosms. ولاستبدال خسائر المياه التبخرية آثار تخفيف لا تذكر على برنامج التقويم الاستراتيجي.
6. كرر الخطوات من 3.2 إلى 3.5 استناداً إلى العدد المطلوب من نقاط وقت الإصدار P للتحليل.
   ملاحظة: يعتمد عدد العينات التي تم أخذها مع مرور الوقت على أهداف التجربة. أخذ العينات مرة إلى ثلاث مرات في الأسبوع يكفي للعديد من التطبيقات على افتراض الحضانة قريبة من 20 درجة مئوية. والحضانة في درجات حرارة أعلى تزيد من معدلات إطلاق برنامج التقويم الاستراتيجي، وسيتطلب أخذ عينات أكثر تواترا. والقصد هنا هو إظهار فائدة طريقة الميكروكوز بدلا من التركيز على تحليل البيانات من التجارب. يتم عرض كل من النماذج القائمة على الحركية والتجريبية لتناسب P desorption / sorption البيانات في مكان آخر^9،10. وبما أن طريقة الميكروكوز تعتمد على تصميم تدابير متكررة وتستوعب النسخ المتماثل والعلاجات المختلفة، فإن نُهُج النمذجة الخطية المختلطة المعممة هي أيضاً ملائمة¹¹.

النتائج

يتم تسليط الضوء على نتائج دراسة حديثة ركزت على إمكانية إطلاق P من المناطق المشاطئة لإثبات قدرة الطريقة على توصيف ديناميات إطلاق P على مستوى الموقع⁶. وفي حين أظهرت بعض التربة تغيرات طفيفة في برنامج التقويم الاستراتيجي مع مرور الوقت،فإن البعض الآخر كان لديه زياد...

Discussion

وتتمثل إحدى المزايا التقنية الرئيسية لنهج الميكروكوز في قدرته على محاكاة الظروف في الموقع التي يتم بموجبها الإفراط فوراً في التربة المشبعة أو الرواسب بواسطة شركة FW التي قد تختلف اختلافاً كبيراً في حالة الأكسدة وP. والمناظر الطبيعية ذات الهيدرولوجيا المتغيرة في منطقة المصدر مثل خناد...

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