Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University

In questo esperimento, tre macronutrienti del suolo vengono estratti chimicamente, combinati con reagenti a base di colore, quindi analizzati utilizzando il colore per determinare la concentrazione di nutrienti presenti nel campione di terreno.

Azoto, fosforo e potassio sono i componenti principali del fertilizzante del suolo. Questi metodi isolano ogni nutriente dal terreno in una soluzione che può essere analizzata utilizzando torbidità e colore per determinare la concentrazione di nutrienti presenti nel campione di terreno. Conoscere la concentrazione attuale informa gli scienziati ambientali di una carenza di nutrienti o di un surplus nei terreni utilizzati per supportare la produzione vegetale e fornisce anche informazioni generali sui cicli biogeochimici di base di un ecosistema.

Quando chimicamente isolato dal suolo, i nutrienti possono essere rilevati utilizzando questa tecnica. L'azoto e il fosforo, che si trovano tipicamente sotto forma di nitrati e fosfati, vengono estratti con un estrattore chimico che legherà il nutriente di interesse. Una volta estratto dal suolo, ogni nutriente può essere combinato con un reagente noto che fa sì che la soluzione nutritiva cambi in un colore specifico del nutriente in una relazione lineare, con un colore più scuro che indica una maggiore concentrazione del nutriente. Per analizzare la concentrazione di ciascun nutriente, verrà utilizzato un reagente chimico per colorare ogni campione con un aumento dell'intensità del colore che indica una maggiore concentrazione del nutriente.

Nei test sui nitrati ad alta e media gamma, il metallo cadmio viene utilizzato per ridurre i nitrati (NO₃^-) ai nitriti (NO₂^-). Il cadmio è contenuto nei cuscini in polvere Nitraver 5 (alta e media gamma) e Nitraver 6 (gamma bassa) acquistati.

NO₃^- +  Cd  +  2 H⁺  → NO₂^- +  Cd²⁺ +  H₂O

Gli ioni nitriti reagiscono quindi con l'acido sulfanilico (in un mezzo acido contenuto nella polvere nitraVer 5) per formare un sale di diazonio intermedio. Quando accoppiato con acido gentisico (contenuto anche nel NitraVer 5), si forma una soluzione di colore ambrato.  L'intensità del colore di questo composto è direttamente proporzionale alla concentrazione di nitrati del campione di acqua e può essere quantificata utilizzando la scatola di confronto del colore del nitrato con un disco di colore ambra nitrato continuo.

Per il fosforo, il molidato di sodio e il pirosolfato di potassio nella polvere di reagente PhosVer 3 acquistata reagiscono con i fosfati reattivi solubili per formare un complesso fosfo-molibdato.

                                             H₂PO₄^- + 12 Na₂MoO₄ + → PMo₁₂O₄₀^3-

Il complesso viene quindi ridotto dall'acido ascorbico (contenuto anche nella polvere di PhosVer 3) per formare un colore blu molibdeno. Il colore blu viene quantificato utilizzando una scatola di confronto del colore del fosfato con un disco di colore blu fosfato continuo.

Per questo metodo viene utilizzata una casella di confronto dei colori. Questo strumento funziona in base alle intensità di colore note per ogni concentrazione compresa tra 0-50 mg / L. Un disco di colore sulla scatola viene ruotato fino a quando il colore in entrambe le finestre di visualizzazione (vuoto e campione) corrisponde. Una volta che i colori sono abbinati, la concentrazione di nutrienti corrispondente (mg / L) verrà visualizzata in una finestra inferiore separata sulla casella di confronto dei colori. Queste scatole sono abbastanza robuste da essere utilizzate con studenti di qualsiasi livello fino ai corsi universitari introduttivi e possono essere facilmente trasportate come parte di un kit di test del suolo sul campo che può essere utilizzato in un luogo di campionamento. Questi metodi consentono test nutrizionali di base nel laboratorio della classe senza richiedere costosi pezzi di attrezzature che potrebbero non essere disponibili. Per garantire l'accuratezza del test, è possibile utilizzare soluzioni standard di nitrati e fosfati al posto di un campione nelle procedure prima di recarsi sul campo o iniziare l'analisi dei campioni di terreno in laboratorio.

Nei test del potassio, gli ioni di potassio si combinano con il tetrafenilborato di sodio contenuto nella polvere di reagente di potassio 3 acquistata per formare tetrafenilborato di potassio, un precipitato bianco. Il precipitato rimane in sospensione nei campioni, causando un aumento della torbidità.

NO₃^- + Cd + 2 H⁺ NaB(C₆H₅)₄ + K⁺ → KB(C₆H₅)₄ + Na⁺

Un'astina di misurazione del potassio viene utilizzata per quantificare la quantità di torbidità che viene convertita in concentrazione di potassio. L'astina ha un punto nero su un'estremità che viene posizionato nel campione fino a quando il punto non è più visibile attraverso il precipitato bianco. L'astina di livello viene contrassegnata in modo incrementale per indicare una scala di visibilità che viene quindi convertita in concentrazione di potassio con un grafico di conversione. Questo metodo è una procedura economica con attrezzature minime che possono essere trasportate in un sito di campionamento all'aperto e abbastanza robuste da essere utilizzate con studenti di qualsiasi livello fino ai corsi universitari introduttivi.

1. Estrazione di azoto (nitrato NO₃^-)

1. Accendi la bilancia, imposta una barca di pesatura in cima e azzera la bilancia.
2. Utilizzare una spatola per pesare 10 g di terreno (essiccato e setacciato) e trasferire in un becher etichettato da 100 ml.
3. Pesare 0,1 g di solfato di calcio e trasferirlo al becher.
4. Utilizzando un cilindro graduato da 25 ml misurare 20 mL di acqua deionizzata e trasferirla al becher.
5. Ripetere i passaggi 1.1 - 1.4 per ogni campione di terreno azotato.
6. Mescolare accuratamente il contenuto di ciascun becher con un'asta di agitazione.
7. Fissare i campioni su uno shaker da tavolo e agitare per 1 minuto.

2. Estrazione di fosforo e potassio

1. Accendi la bilancia, imposta una barca di pesatura sulla parte superiore e azzera la bilancia.
2. Utilizzare una spatola per pesare 2 g di terreno (essiccato e setacciato) e trasferirlo in un becher da 100 ml etichettato.
3. Utilizzare un cilindro graduato da 25 mL per misurare 20 mL di estrattore di terreno Mehlich 2 nel cilindro. Trasferimento al becher.
4. Ripetere i passaggi 2.1 - 2.3 per ogni campione di fosforo e potassio.
5. Mescolare accuratamente il contenuto di ciascun becher con un'asta di agitazione.
6. Fissare i campioni su un tavolo shaker da tavolo e agitare per 5 minuti.

3. Filtrazione dell'estrazione dei nutrienti - Questo passaggio verrà eseguito per tutti e tre gli analiti (nitrato, fosfato e potassio)

1. Fissare un'estremità del tubo dell'imbuto su un getto di vuoto.
2. Fissare l'altra estremità del tubo al braccio laterale del pallone.
3. Assemblate l'imbuto agganciando insieme il cilindro e il disco superiore perforato. Posizionare l'imbuto assemblato sopra il pallone a braccio laterale inserendo il tappo di gomma nella parte superiore del pallone per fissare l'imbuto sulla parte superiore.
4. Posizionare 1 carta da filtro pulita sopra l'imbuto.
5. Accendere il getto di vuoto.
6. Versare lentamente la soluzione di estratto di terreno nell'imbuto, lasciando che l'estratto drestra lontano dal terreno e sul fondo del pallone a imbuto.
7. Versare l'estratto filtrato in un nuovo becher da 50 ml etichettato. Questo filtrato verrà analizzato così come è.
8. Rimuovere l'imbuto, scartare la carta da filtro e risciacquare l'imbuto e il pallone con acqua deionizzata. Utilizzare il getto d'aria per asciugare l'imbuto e il pallone.
9. Ripetere i passaggi 3.3 - 3.7 per ogni campione di terreno.

4. Analisi del campione con comparatore di colore per nitrato

1. Etichettare un tubo di visualizzazione a colori "S" per il campione e un altro tubo di visualizzazione a colori "B" per il bianco.
2. Risciacquare accuratamente entrambi i tubi di visualizzazione dei colori con acqua deionizzata. Agitare i tubi per rimuovere l'acqua di risciacquo rimanente.
3. Aggiungere una piccola quantità dell'estratto del campione (preparato nei passaggi 1.1 - 1.7) a circa 1/4" di profondità al tubo di visualizzazione a colori contrassegnato con "S". Tappare il tubo con un tappo di gomma e agitarlo per 3 s. Scartare questa soluzione.
4. Aggiungere l'estratto del campione in entrambe le provette fino a quando il menisco è uniforme con il segno di 5 ml sui tubi (parte inferiore dell'area smerigliata).
5. Aggiungere il contenuto di un cuscino per polveri NitraVer 5 al tubo contrassegnato con "S". Tappare e agitare vigorosamente il tubo per esattamente un minuto.
6. Posizionare immediatamente i tubi "S" e "B" nel comparatore con il tubo "B" nel foro esterno e il tubo "S" nel foro interno.
7. Attendere 5 minuti, quindi tenere il comparatore di colori fino a una fonte di luce. Ruotare il disco fino a quando il colore nella finestra per il tubo "B" corrisponde al colore nella finestra per il tubo "S". Registrare il valore di concentrazione (mg/L) visualizzato nella finestra inferiore della casella del comparatore di colori.
8. Ripetere i passaggi da 4.1 a 4.7 per tutte le repliche e registrare la media.
9. Ripetere il passaggio 4.8 per tutti i campioni di nitrati.

5. Analisi del campione con comparatore di colore per fosfato

1. Utilizzando il contagocce da 2,5 mL, aggiungere 2,5 mL dell'estratto del campione filtrato (preparato nei passaggi 2.1 - 2.6) a un cilindro graduato da 25 mL.
2. Diluire fino al segno di 25 ml con acqua deionizzata, tappo con tappo e invertire per mescolare.
3. Etichettare un tubo di visualizzazione a colori "S" per il campione e un altro tubo di visualizzazione a colori "B" per il bianco.
4. Risciacquare accuratamente entrambi i tubi di visualizzazione dei colori con acqua deionizzata. Agitare i tubi per rimuovere l'acqua di risciacquo rimanente.
5. Aggiungere una piccola quantità di estratto diluito a circa 1/4 "di profondità al tubo di visualizzazione del colore contrassegnato "S". Tappare il tubo con un tappo di gomma e agitarlo per alcuni secondi, quindi scartare questa soluzione.
6. Aggiungere l'estratto del campione in entrambe le provette fino a quando il menisco è uniforme con il segno di 5 ml sui tubi (parte inferiore dell'area smerigliata).
7. Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere PhosVer 3 al tubo "S". Tappare e agitare vigorosamente il tubo per un minuto.
8. Posizionare immediatamente i tubi "S" e "B" nel comparatore con il tubo "B" nel foro esterno e il tubo "S" nel foro interno.
9. 3 minuti dopo aver completato il passaggio 5.8, tenere il comparatore di colori fino a una fonte di luce. Ruotare il disco fino a quando il colore nella finestra per il tubo "B" corrisponde al colore nella finestra per il tubo "S". In un'area di visualizzazione inferiore della scatola, il disco a colori visualizzerà contemporaneamente il valore di concentrazione corrispondente all'intensità del colore scelta. Registrare il valore di concentrazione visualizzato nella finestra.
10. Ripetere i passaggi da 5.1 a 5.10 per tutte le repliche e registrare la media.
11. Ripetere il passaggio 5.10 per tutti i campioni di fosforo.

6. Aggiunta di reagenti e analisi per il potassio

1. Utilizzando un contagocce da 1 mL, aggiungere 3 mL di estratto di campione di potassio (preparato nei passaggi 2.1 - 2.6) a un cilindro da 25 mL.
2. Aggiungere acqua DI al segno di 21 ml sul cilindro. Tappare saldamente il cilindro con un tappo di gomma e invertire per mescolare.
3. Aggiungere un cuscino in polvere di potassio 2 reagenti al cilindro.
4. Aggiungere 3 mL di soluzione alcalina edta al cilindro.
5. Tappare il cilindro e invertire più volte per mescolare. Lasciare riposare la soluzione per 3 minuti.
6. Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere di potassio 3 reagenti.
7. Tappare saldamente il cilindro e agitare vigorosamente per 10 s.
8. Lasciare riposare la soluzione per 3 minuti mentre si sviluppa una torbidità bianca.
9. Mentre guardi dritto verso il basso nel cilindro, inserisci lentamente l'astina di potassio verticalmente nella soluzione fino a quando il punto nero non è più visibile da sopra il cilindro.
10. Tenere l'astina in quella posizione e ruotare il cilindro in modo che possa essere vista la scala sull'astina. Guarda attraverso la superficie della scala sull'astina di livello. Registrare il numero sulla scala dell'astina di livello in cui la superficie del campione incontra la scala dell'astina di livello.
11. Ripetere 6.1- 6.10 per tutte le repliche e la media. Ripetere 6.11 per tutti i campioni di potassio.
12. Fare riferimento alla tabella di conversione del potassio per determinare la concentrazione di potassio nei campioni di terreno. Individuare la lettura dell'astina di livello sulla colonna di sinistra e registrare la corrispondente concentrazione di mg/L sulla colonna di destra.

Ogni analisi dei nutrienti si tradurrà in una concentrazione riportata in mg/L.

Le concentrazioni di nitrati e fosfati saranno determinate con le scatole di confronto dei colori e visualizzeranno il risultato nella finestra.

Figura 1. Esempi di dischi colorati per scatole di confronto del colore nitrato (a sinistra) e fosfato (a destra). Le intensità di colore sono sul bordo esterno dei dischi e la concentrazione di nutrienti (mg / L) è sul bordo interno dei dischi.

Tabella 1. Tabella di conversione del potassio utilizzata per convertire la lettura del potassio dell'astina in mg / L. Individuare la lettura dell'astina di livello sulla colonna di sinistra e registrare la corrispondente concentrazione di mg/L sulla colonna di destra.

Tabella 2. Tabella degli intervalli di nutrienti organizzati per categorie.

Determinare le concentrazioni di nutrienti per nitrati, fosfati e potassio può rivelare come funziona un suolo per quanto riguarda l'uso previsto e come i nutrienti stanno attraversando un suolo. Un test nutrizionale fornisce un rapporto sulla concentrazione media di nutrienti (mg / L) per tutti i nutrienti testati.  In un ambiente agricolo, conoscere la concentrazione di sostanze nutritive può aiutare i produttori di alimenti a sapere quando aggiungere fertilizzante, quanto aggiungere e quali nutrienti devono essere integrati e in quale quantità. Terreni costantemente ad alto contenuto di azoto, ad esempio, sarebbero buoni per la coltivazione di colture che richiedono azoto come soia e mais. Alti livelli di azoto sono anche particolarmente utili per le piante non da fiore perché l'azoto è richiesto per qualsiasi parte verde delle piante. Alti livelli di azoto possono sopprimere la fioritura, tuttavia, se rimangono superiori ai livelli di fosforo. Il fosforo controlla la fioritura nelle piante ed è importante per qualsiasi produzione vegetale che coinvolge piante da fiore o da frutto e il fosforo viene spesso aggiunto ai terreni o direttamente alle piante prima e durante le fasi del ciclo di vita della fioritura e della fruttificazione per aumentare le rese agricole in colture di dimensioni maggiori e maggiori quantità di produzione di frutta per pianta. Il potassio è coinvolto nella catalizzazione di molte reazioni chimiche necessarie per sostenere la vita delle piante, tra cui la tolleranza alla siccità e la regolazione dell'umidità. I terreni a basso contenuto di potassio dovranno probabilmente essere irrigati se l'ammendazione del suolo non è possibile. La concentrazione di nutrienti può anche informare di carenze o eccedenze nutrizionali che possono essere dannose per la crescita delle piante.  Se un nutriente è troppo alto, è possibile eseguire modifiche per ridurre un surplus, come l'aggiunta di pacciame o la lavorazione del terreno. Se i nutrienti sono troppo bassi per sostenere la produzione vegetale, la fertilizzazione può essere utilizzata per aggiungere nutrienti in una quantità necessaria per una coltura specifica. Il suolo a basso contenuto di nutrienti può anche avere usi più applicabili ai gestori del territorio per spazi ricreativi o sviluppati (superfici pavimentate o costruzione di edifici).