水質評価のための実験室用微小宇宙におけるリン放出の測定

要約

飽和土壌および堆積物におけるリン(P)脱着電位の正確な定量化は、Pモデリングおよび輸送緩和の取り組みにとって重要です。長時間の飽和下での土壌水酸化還元力学とP動員をより良く説明するために、実験室の微小宇宙の繰り返しサンプリングに基づいて簡単なアプローチが開発されました。

要約

リン(P)は、水生環境への輸送リスクを低減するために慎重な管理を必要とする農業生態系における重要な制限栄養素です。Pバイオアベイラビリティの日常的な実験室測定は、酸化条件下で乾燥したサンプルに対して行われる化学抽出に基づいている。有用であるが、これらの試験は、長期水飽和下でのP放出の特徴付けに関して制限される。酸化鉄や他の金属に結合した陰気オルソリン酸は、環境を減らす中で溶液に急速に脱着し、表面流出や地下水へのP動員リスクを高めることができます。拡張飽和時のP脱着電性と移動性をより良く定量化するために、時間の経過とともに孔水の繰り返しサンプリングと洪水のオーバーオーバーに基づいて実験室の微小宇宙法が開発されました。この方法は、物理化学的特性が異なる土壌や堆積物からのP放出電位を定量化するのに有用であり、水文学的に活性な領域におけるP放出リスクをより良く特徴付けることによって、サイト固有のP緩和努力を改善することができる。この方法の利点は、その位置のダイナミクス、シンプルさ、低コスト、柔軟性をシミュレートする機能です。

概要

リン(P)は、作物と水生バイオマスの生産性の両方に対する重要な制限栄養素です。表面水水文学は、流出や洪水/池のイベント中のリモビリゼーションの可能性に影響を与えながら、堆積物とPの物理的な輸送を制御するように、P運命と輸送の主な推進要因です。様々な実験室ベースの抽出方法は、通常、酸化条件下でフィールドスケールでP放出を推定するために使用されます。異なるメカニズムがP放出に寄与する一方で、鉄リン酸塩の還元溶解は、水1、2、3に大きなオルトリン酸-Pフラックスを導くことができる確立された反応機構^{である。 4}.湿地におけるP生物地球化学を制御するメカニズムのレビューでは、酸化還元状態は土壌および浅い地下水へのP放出を制御する主な変数であると仮定した5。そのため、従来のP検定は、長時間の飽和下でのP放出の信頼できる予測変数ではない場合があります。

Pの運命と輸送における水の滞留時間と酸化物の状態の重要性を考えると、その状況でより良いシミュレートを行えるように設計された実験室アプローチは、農業および湿地生態系のP輸送リスク指数の改善につながる可能性があります。可変飽和。オルトリン酸塩は直ちに生体利用できるため、飽和時の脱着率および程度は、非点源P汚染リスクの指標として用いることができる。私たちの方法は、P脱着を定量化するために設計されました (PW) と上流の洪水 (FW), 可変源域水文学を持つ地域の典型的な条件 (例えば, 洪水農業フィールド, 湿地, 排水溝, リパリ/ニアストリームゾーン)。この方法はもともと、ニューヨーク北部(米国)からの季節的に浸水した土壌におけるP放出電位を特徴付けるために開発され、最近、バーモント州北西部のシャンプレーン盆地6からリパリの土壌のP脱着電位を定量化するために適用された.ここでは、実験室の微小宇宙法のプロトコルを提供し、P脱着電位を定量化する能力を実証した最近発表された研究の結果を強調する。また、P放出電位と、サイト間の放出を予測する日常的な土壌試験(陰気抽出可能なP、pH)の信頼性との関係を示す。

この方法を実行するには、適切な気候制御、換気、水、および適切な酸性廃棄物処理システムを備えた分析ラボへのアクセスが必要です。この方法は、日常的な化学試薬や実験装置(シンク、フード、ガラス製品など)へのアクセスを想定しています。日常的な実験室の必要性を超えて、膜ろ過(≤0.45 μm)システムおよびPを測定するために紫外線分光光度計が要求される。pHメーターまたはマルチパラメータ水質プローブも推奨されますが、必須ではありません。実験室の温度は重要な要因であり、温度自体が実験因子として調査されていない限り、一定に保たれるべきである(20 °Cが推奨される)。適切な機器を備えた適切な分析ラボへのアクセスを妨げずに、メソッドを適切に実行し、有意義な結果を生成するための前提条件です。

プロトコル

1. サンプルコレクション

1. 所望の部位から約4Lの土壌(または堆積物)を採取する。P および土壌特性の空間変動を制限するには、収集領域が比較的小さくする必要があります。
2. 粗い(20 mm)画面を通してふるいのサンプルは2つのmmのスクリーンに続いた。ふるいにかける後、サンプルを徹底的に手混ぜます。
3. フィールド湿った土壌や堆積物の100グラムの重量を量る。105 °Cで24時間オーブンで乾燥し、重力水含有量(土壌水質量/乾燥土壌質量)を計算します。
4. 化学分析のために500 mLのサブサンプルを取る。
   注:土壌pH、有機物含有量および不溶性無機P(Pi)濃度は、土壌試験をお勧めします。ここで、不安定な土壌Piの利用可能性を評価した:1)1.25モルL-1酢酸アンモニウム(pH=4.8;以下、改変モルガン抽出可能Pと称する)によって抽出されたPiは、対色性7、8、2によって抽出された。蒸留水、及び3)誘導結合プラズマ光学発光分光法(ICP)8により測定した1.25mol L-1酢酸アンモニウム(pH=4.8)により抽出したP。
5. マイクロコスム研究のために残りのふるい土壌を使用するか、後で使用するために5 °Cでポリエチレン袋に保存します。
   注:長期間冷蔵すると土壌が乾燥し(>30日間)、再湿潤が必要になります。それは微生物の完全性およびP放出の可能性に影響を与えるので、土壌サンプルを凍結しないでください。

2. ミクロコスム構造

1. 1リットル(1L)の等級ポリプロピレンまたはその他の非反応性プラスチックビーカーを個々の実験単位(マイクロコスム)として使用してください。ビーカーを10%塩酸で洗い、蒸留水でトリプルリンスを洗います。
2. 下から2cm上に測定し、ビーカーの卒業にマークを置きます。排水口の直径 1.25 cm の穴をドリルします。
3. ホースバーブの内側の端と穴の外周の周りにシリコーンの小さなビーズを配置します。排水ポートを慎重に穴に挿入します。
   注:ステップ2.4に進む前に、少なくとも24時間の空気乾燥を許可します。
4. ナイロンメッシュフィルタースクリーンにホースバーブの外側の円周をトレースし、はさみで切り取ります。外側の端に各フィルタの周りの周りにシリコーンの薄いビーズを適用し、ホースバーブ入り入り入りにフィルタを押します。使用前に少なくとも24時間の乾燥時間を確保してください。
   注: ほとんどのアプリケーションでは、100 μm の細孔サイズをお勧めします。ただし、より細かいテクスチャの土壌は、過度に長いPWサンプル収集時間を避けるために、より大きなフィルター孔径を必要とする場合があります。
5. ホースバーブの端に0.625 cmの直径のラテックスホースの短い部分を合わせます。流れを防ぐために、幅3.3cmのペーパーバインダークリップをホースに取り付けました。

3. リン放出試験の実施

1. 500 mLのサンプルを複製されたミクロコスムに入れ、FWが1Lマークに達するまでビーカーの壁に沿って蒸留水を穏やかに塗布します。
   注:マイクロコスムは、最初のサンプルを採取する前に24−48時間平衡化します。
2. ペーパーバインダーをクリップ解除して、排水ポートを通るPWフローを誘導します。PW排水ポートの真下にきれいな30 mLビーカーを置くことによってサンプルを集める。PWの数mLを排水、廃棄、次の10 mLを代表的なサンプル容積として使用できるようにします。
3. 0.45 μmの膜フィルターを通してPWサンプルをフィルター処理し、可溶性反応性P(SRP)を直ちに分析します。吸光度値と測定時間を記録します。
   注: SRP は一般にオルトリン酸と見なされます。しかし、モリブデート反応性Pは、0.45 μmフィルター4を通過するコロイドおよび/またはナノ粒子との複合体を形成することもできる。
4. 水柱の半分下に10mL電球シリンジピペットを挿入して最初のFWサンプルを取り、円形の動きを使用してサンプルを撤回します。ビーカーに空、SRPのためにすぐにフィルタリングし、分析します。
5. ビーカーを蒸留水で1Lレベルに補充して、サンプリングした水を交換します。
   注:蒸発損失は異なります。目標は、すべてのマイクロコスムで1Lの総体積(浸水土壌+水柱)を一貫して維持することです。蒸発水損失の置き換えは、SRPに対してごくわずかな希釈効果を有する。
6. 解析に必要な P リリース時間ポイント数に基づいて、手順 3.2 ~ 3.5 を繰り返します。
   注: 時間の経過に見られるサンプルの数は、実験者の目標によって異なります。インキュベーションが20°Cに近いと仮定すると、多くのアプリケーションでは週に1~3回サンプリングで十分です。より高い温度でインキュベーションすると、SRPリリース速度が向上し、より頻繁なサンプリングが必要になります。ここでの目的は、実験からのデータ分析に焦点を当てるのではなく、マイクロコスム法の有用性を示すことです。P脱着/吸着データに適合するキネチカルベースおよび経験モデルの両方が、他の場所^で9、10に提示される。マイクロコスム法は、反復的な測定設計に依存し、複製および異なる治療に対応するため、一般化線形混合モデリングアプローチも適切^{です 11.}

結果

リパリ領域のP放出電位に焦点を当てた最近の研究の結果は、サイトレベルのPリリースダイナミクス6を特徴付ける方法の能力を実証するために強調表示されています。一部の土壌は時間の経過とともにSRPの変化を最小限に抑えたが、PWおよびFW-SRP濃度が大きく増加した土壌もありました(図1)。対照的な傾向を持つ 2 つのサイトを図 1

ディスカッション

マイクロコスムアプローチの主な技術的利点は、飽和土壌または堆積物が直ちに酸化還元およびP状態で大きく異なる可能性のあるFWによってオーバーレイされる、その中の状態をシミュレートする能力である。排水溝、洪水の作物、湿地、リパリアン/ニアストリームゾーンなどの可変源域水文学を持つ景観は、すべての例であり、減少したPWは、より低いPi濃度でより酸化された水に?...

資料

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