Name: measuring phosphorus release in laboratory microcosms for water quality assessment
Uploaded: 2019-07-22T15:00:00
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I finanziamenti sono stati messi a disposizione dal Vermont Water Resources and Lake Studies Center attraverso un accordo con lo U.S. Geological Survey. Conclusioni e opinioni sono quelle degli autori e non del Vermont Water Resources and Lake Studies Center o dell'USGS.

1. Raccolta di campioni
<ol><li>Raccogliere circa 4 L di terreno (o sedimenti) dai siti desiderati. Le aree di raccolta dovrebbero essere relativamente piccole per limitare la variazione spaziale nelle proprietà P e del suolo.</li>
	<li>I campioni di setaccio attraverso uno schermo grossolano (20 mm) seguivano uno schermo da 2 mm. Accuratamente mixare i campioni dopo la setacciatura.</li>
	<li>Pesare 100 g di terreno umido o sedimenti. Asciugare in forno a 105 gradi centigradi per 24 ore e calcolare il contenuto di ac...

<ol>
	<li>Patrick, W. H., Khalid, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphate+release+and+sorption+by+soils+and+sediments:+Effect+of+aerobic+and+anaerobic+conditions.">Phosphate release and sorption by soils and sediments: Effect of aerobic and anaerobic conditions.</a> Science. 186 (4158), 53-55 (1974).</li><li>Moore, P. A., Reddy, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+Eh+and+pH+on+phosphorus+geochemistry+in+sediments+of+Lake+Okeechobee,+Florida.">Role of Eh and pH on phosphorus geochemistry in sediments of Lake Okeechobee, Florida.</a> Journal of Environmental Quality. 23, 955-964 (1994).</li><li>Young, E. O., Ross, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphate+release+from+seasonally+flooded+soils:+a+laboratory+microcosm+study.">Phosphate release from seasonally flooded soils: a laboratory microcosm study.</a> Journal of Environmental Quality. 30 (1), 91-101 (2001).</li><li>Henderson, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anoxia-induced+release+of+colloid-+and+nanoparticle-bound+phosphorus+in+grassland+soils.">Anoxia-induced release of colloid- and nanoparticle-bound phosphorus in grassland soils.</a> Environmental Science &amp; Technology. 46 (21), 11727-11734 (2012).</li><li>Vidon, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hot+spots+and+hot+moments+in+riparian+zones:+potential+for+improved+water+quality+management.">Hot spots and hot moments in riparian zones: potential for improved water quality management.</a> Journal of the American Water Resources Association. 46 (2), 278-298 (2010).</li><li>Young, E. O., Ross, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+mobilization+in+flooded+riparian+soils+from+the+Lake+Champlain+Basin,+VT,+USA.">Phosphorus mobilization in flooded riparian soils from the Lake Champlain Basin, VT, USA.</a> Frontiers in Environmental Science. 6 (120), 1-12 (2018).</li><li>McIntosh, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bray+and+Morgan+soil+extractants+modified+for+testing+acid+soils+from+different+parent+materials.">Bray and Morgan soil extractants modified for testing acid soils from different parent materials.</a> Agronomy Journal. 61 (2), 259-265 (1969).</li><li>Young, E. O., Ross, D. S., Cade-Menun, B. J., Liu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+speciation+in+riparian+soils:+a+phosphorus-31+nuclear+magnetic+resonance+and+enzyme+hydrolysis+study.">Phosphorus speciation in riparian soils: a phosphorus-31 nuclear magnetic resonance and enzyme hydrolysis study.</a> Soil Science Society of America Journal. 77 (5), 1636-1647 (2013).</li><li>McGechan, M. B., Lewis, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sorption+of+phosphorus+by+soil:+Part+1.+Principles,+equations,+and+models.">Sorption of phosphorus by soil: Part 1. Principles, equations, and models.</a> Biosystems Engineering. 82 (1), 1-24 (2002).</li><li>Cabrera, M. L., Radcliffe, D. E., Cabrera, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+phosphorus+in+runoff:+Basic+approaches.">Modeling phosphorus in runoff: Basic approaches.</a> Modeling Phosphorus in the Environment. , 65-81 (2007).</li><li>Gbur, E. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Analysis of Generalized Linear Mixed Models in the Agricultural and Natural Resources Sciences. , (2012).</li><li>Moore, P. A., Reddy, K. R., Fisher, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+flux+between+sediment+and+overlying+water+in+Lake+Okeechobee,+Florida:+Spatial+and+temporal+variations.">Phosphorus flux between sediment and overlying water in Lake Okeechobee, Florida: Spatial and temporal variations.</a> Journal of Environmental Quality. 27 (6), 1428-1439 (1998).</li><li>Young, E. O., Briggs, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+concentrations+in+soil+and+subsurface+water:+A+field+study+among+cropland+and+riparian+Buffers.">Phosphorus concentrations in soil and subsurface water: A field study among cropland and riparian Buffers.</a> Journal of Environmental Quality. 37 (1), 69-78 (2008).</li><li>Hoffmann, C. C., Kjaergaard, C., Uusi-K&#228;mpp&#228;, J., Hansen, H. C. B., Kronvang, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+retention+in+riparian+buffers:+review+of+their+efficiency.">Phosphorus retention in riparian buffers: review of their efficiency.</a> Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1942-1955 (2009).</li><li>Bartlett, R. J., Ross, D. S., Tabatabai, M. A., Sparks, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemistry+of+Redox+Processes+in+Soils.">Chemistry of Redox Processes in Soils.</a> Chemical Processes in Soils, SSSA Book Ser. 8. , 461-487 (2005).</li><li>Radcliffe, D. E., Freer, J., Schoumans, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffuse+phosphorus+models+in+the+United+States+and+Europe:+Their+usages,+scales,+and+uncertainties.">Diffuse phosphorus models in the United States and Europe: Their usages, scales, and uncertainties.</a> Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1956-1967 (2009).</li><li>Bartlett, R. J., James, B. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studying+dried,+stored+soil+samples&#8212;some+pitfalls.">Studying dried, stored soil samples&#8212;some pitfalls.</a> Soil Science Society of America Journal. 44 (4), 721-724 (1980).</li><li>Turner, B. L., McKelvie, I. D., Haygarth, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+water+extractable+soil+organic+phosphorus+by+phosphatase+hydrolysis.">Characterization of water extractable soil organic phosphorus by phosphatase hydrolysis.</a> Soil Biology &amp; Biochemistry. 34 (1), 27-35 (2002).</li><li>Turner, B. L., Haygarth, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+solubilization+in+rewetted+soils.">Phosphorus solubilization in rewetted soils.</a> Nature. 411, 258 (2001).</li><li>Sparks, D. L., Sparks, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetics+of+reactions+in+pure+and+mixed+systems.">Kinetics of reactions in pure and mixed systems.</a> Soil Physical Chemistry. , (1986).</li></ol>

Uno dei principali vantaggi tecnici dell'approccio microcosmo è la sua capacità di simulare condizioni in situ per cui il suolo saturo o il sedimento è immediatamente sovraccaricato da FW che possono differire sostanzialmente nello stato redox e P. Paesaggi con idrologia di origine variabile come fossati di drenaggio, terreni coltivati allagati, zone umide e zone ripariane/vicino al flusso sono tutti esempi di dove la PW ridotta è periodicamente sovraccarica da acqua più ossidata con concentrazioni di Pi pi...

Il fosforo (P) è un nutriente fondamentale per la produttività delle colture e della biomassa acquatica. L'idrologia delle acque superficiali è uno dei principali motori del destino e del trasporto di P, in quanto controlla il trasporto fisico di sedimenti e P, influenzando anche il potenziale di remobilizzazione durante gli eventi di decomposizione e allagamento/ponding. Vari metodi di estrazione basati su laboratorio sono tipicamente utilizzati per stimare il rilascio di P su scala di campo in condizioni ossidanti. Mentre diversi meccanismi possono contribuire al rilascio di P, la dissoluzione riduttiva dei fosfati di ferro è un meccanismo di reazione ben consolidato che può portare a grandi flussi di ortopedia-p all'acqua1,2,3, 4. In una revisione dei meccanismi che controllano la biogeochimica della P nelle zone umide, si è ipotizzato che lo stato di redox sia la variabile principale che controlla il rilascio di P nei suoli e nelle acque sotterranee poco profonde5. Di conseguenza, i test P tradizionali potrebbero non essere predittori affidabili del rilascio di P in saturazione prolungata.
Data l'importanza del tempo di residenza dell'acqua e dello stato di redox sul destino e sui trasporti P, gli approcci di laboratorio progettati per simulare meglio le condizioni in situ potrebbero portare a un miglioramento degli indici di rischio del trasporto P per gli ecosistemi agricoli e delle aree umide soggetti a saturazione variabile. Poiché l'ortopedo è immediatamente biodisponibile, il tasso e l'entità della desorption durante la saturazione possono essere utilizzati come indice del rischio di inquinamento P di origine non distaccata. Il nostro metodo è stato progettato per quantificare la desorgtizione P all'acqua di pore (PW) e la mobilitazione alle acque alluvionali (FW), una condizione tipica nelle aree con idrologia di origine variabile (ad esempio, campi agricoli allagati, zone umide, fossati di drenaggio e zone di quasi-flusso). Il metodo è stato originariamente sviluppato per caratterizzare il potenziale di rilascio di P nei suoli stagionalmente allagati dal nord di New York (USA) e recentemente applicato per quantificare il potenziale di spedizione P dei suoli ripariali dal bacino del lago Champlain del Vermont nord-occidentale6 . Qui, forniamo un protocollo per il metodo del microcosmo di laboratorio ed evidenziamo i risultati di uno studio recentemente pubblicato che dimostra la sua capacità di quantificare il potenziale di P desorption. Dimostriamo anche la relazione tra il potenziale di rilascio P e l'affidabilità dei test del suolo di routine (P, pH labile) per prevedere il rilascio tra i siti.
L'esecuzione del metodo richiede l'accesso a un laboratorio analitico con un adeguato controllo del clima, ventilazione, acqua e un adeguato sistema di smaltimento dei rifiuti acidi. Il metodo presuppone l'accesso a reagenti chimici di routine e attrezzature di laboratorio (lavandini, cappe, vetro, ecc.). Al di là delle esigenze di laboratorio di routine, è necessario un sistema di filtrazione a membrana (0,45 m) e uno spettrofotometro UV per misurare P. È inoltre consigliato ma non richiesto un misuratore di pH o una sonda multiparametrica di qualità dell'acqua. La temperatura di laboratorio è un fattore importante e deve essere mantenuta costante a meno che la temperatura stessa non venga studiata come fattore sperimentale (si raccomandano 20 gradi centigradi). L'accesso senza ostacoli a un laboratorio analitico adeguato con attrezzature adeguate è un prerequisito per eseguire correttamente il metodo e generare risultati significativi.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>1.25 cm plastic hose barbs</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chemical reagents for phosphorus determination</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td>P analysis capability is assumed; refer to cited references for details on method</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chordless or electric drill with 1.25 cm bit</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graduated plastic beakers (1L)</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory with fume hoods, temperature control, and acid waste disposal system</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nylon mesh filter screen (100um)</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV Spectrophotometer</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring phosphorus release in laboratory microcosms for water quality assessment

Il fosforo (P) è un nutriente critico che limita gli agroecosistemi che richiede un'attenta gestione per ridurre il rischio di trasporto per gli ambienti acquatici. Le misure di laboratorio di routine della biodisponibilità di P si basano su estrazioni chimiche eseguite su campioni secchi in condizioni ossidanti. Sebbene utili, questi test sono limitati per quanto riguarda la caratterizzazione del rilascio di P in condizioni di saturazione prolungata dell'acqua. L'ortopedo di Labile legato al ferro ossidato e ad altri metalli può rapidamente desistere verso la soluzione in ambienti di riduzione, aumentando il rischio di mobilitazione P al deflusso superficiale e alle acque sotterranee. Per quantificare meglio il potenziale di P desorption e la mobilità durante la saturazione estesa, è stato sviluppato un metodo di microcosmo di laboratorio basato sul campionamento ripetuto di acqua di pori e sull'acqua alluvionale sovrapposta nel tempo. Il metodo è utile per quantificare il potenziale di rilascio P da suoli e sedimenti che variano nelle proprietà fisicochimiche e può migliorare gli sforzi di mitigazione P specifici del sito caratterizzando meglio il rischio di rilascio P in aree idrologicamente attive. I vantaggi del metodo includono la sua capacità di simulare in situ dinamica, semplicità, basso costo, e la flessibilità.

I risultati di un recente studio incentrato sul potenziale di rilascio P delle aree ripariali sono evidenziati per dimostrare la capacità del metodo di caratterizzare le dinamiche di rilascio P a livello di sito6. Mentre alcuni suoli hanno mostrato variazioni minime nel SRP nel tempo, altri hanno avuto grandi aumenti delle concentrazioni di PW e FW-SRP (Figura 1). Due siti con tendenze contrastanti sono illustrati nella Figura 1. Il suol...

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Measuring Phosphorus Release in Laboratory Microcosms for Water Quality Assessment

La quantificazione accurata del potenziale di desorption del fosforo (P) nei terreni e nei sedimenti saturi è importante per la modellazione P e gli sforzi di mitigazione del trasporto. Per tenere meglio conto delle dinamiche di redox in situ suolo-acqua e della mobilitazione P in saturazione prolungata, è stato sviluppato un approccio semplice basato sul campionamento ripetuto di microcosmi di laboratorio.

Misurazione del rilascio di fosforo nei microcosmi di laboratorio per la valutazione della qualità dell'acqua

Phosphorus (P) is a critical limiting nutrient in agroecosystems requiring careful management to reduce transport risk to aquatic environments. Routine ...

Il nostro metodo aiuta a rispondere alla domanda su quanto sia probabile che un dato terreno o sedimento rilasci fosforo solubile sotto saturazione prolungata. Quantificare il potenziale di rilascio di fosforo in ambienti variamente saturi è importante per determinare il rischio di trasporto per i flussi e progettare pratiche di mitigazione. Il principale vantaggio del metodo è la sua capacità di simulare importanti processi biogeochimici che influenzano il rilascio solubile di fosforo nella mobilità in condizioni di campo.Uno scienziato che prova questo metodo per la prima volta non dovrebbe lottare, poiché la sua semplicità è uno dei suoi principali vantaggi. Per iniziare, raccogli circa quattro litri di terreno dai siti desiderati. Limitare le aree di raccolta a circa 10 metri quadrati per ridurre la quantità di variabilità ziale rappresentata dal campione.Setacciare i campioni attraverso uno schermo grossolano di 20 millimetri, seguito da uno schermo di due millimetri. Mescolare accuratamente a mano i campioni dopo il setaccio. Pesare 100 grammi del terreno umido del campo, asciugare in forno a 105 gradi Celsius per 24 ore.Pesare il terreno asciutto e calcolare il contenuto di acqua gravimetrica percentuale. Quindi, misurare un sottocampione da 500 millilitri usando un becher vuoto e riservare per l'analisi chimica. Utilizzare il terreno setacciato rimanente per studi di microcosmo o conservare in sacchetti di polipropilene a cinque gradi Celsius per un uso successivo.Utilizzare un polipropilene graduato da un litro o altri becher plastici non reattivi come singole unità sperimentali di microcosmo. Lavare i becher con acido cloridrico al 10% e triplo risciacquo con acqua distillata. Misurare due centimetri verso l'alto dal basso e posizionare un segno accanto alle graduazione dei becher.Praticare un foro di 1,25 centimetri di diametro al segno per le porte di drenaggio. Posizionare una piccola perla di silicone attorno al bordo interno della spina del tubo. Inserire con cura la porta di drenaggio nel foro.Lasciare asciugare all'aria per 24 ore prima di procedere. Traccia la circonferenza esterna delle barbe del tubo su uno schermo filtrante in rete di nylon. Tagliare con le forbici, applicare una sottile perla di silicone attorno al bordo esterno dello schermo del filtro e premere delicatamente sull'ingresso del tubo.Lasciare almeno 24 ore di asciugatura prima dell'uso. Quindi, montare un breve pezzo di tubo di lattice su barbe di tubo e morsetto con clip leganti di carta larghe 3,3 centimetri. Riempire i becher con circa 500 millilitri di acqua distillata, per testare possibili perdite.Caricare 500 millilitri di campione in microcosmi duplicati e applicare delicatamente acqua distillata lungo le pareti dei becher fino a quando l'acqua di inondazione raggiunge il segno di un litro. Rimuovere la pellicola di paraffina per indurre il flusso di acqua dei pori attraverso la porta di drenaggio nel punto di tempo di campionamento iniziale desiderato. Raccogliere campioni posizionando becher puliti da 20 millilitri direttamente sotto i porti di drenaggio delle acque poro.Lasciare che diversi millilitri di acqua pore drenare, scartare e utilizzare i successivi 10 millilitri come volume rappresentativo del campione. Filtrare i campioni di acqua porosa attraverso filtri a membrana da 0,45 micron e analizzare immediatamente la ricerca di fosforo reattivo solubile su uno spettrofotometro. Registrare i valori di assorbanza e il tempo delle misurazioni.Prelevare il campione iniziale di acqua alluvionale inserendo una pipetta per siringhe a bulbo da 10 millilitri a metà della colonna d'acqua e prelevare un campione utilizzando un movimento circolare. Erogare nei becher, filtrare attraverso filtri a membrana da 0,45 micron e analizzare immediatamente la ricerca di fosforo reattivo solubile. Riempire i becher al livello di un litro con acqua distillata per mantenere costantemente un volume totale di terreno allagato e colonna d'acqua a un litro in tutti i microcosmi.Ripetere l'analisi del fosforo reattivo solubile nei punti di tempo desiderati. In questo protocollo, un sito ripariale con basso pH del suolo aveva un assorbimento di fosforo reattivo solubile quasi continuo dall'acqua di poro. Il suolo che è stato campionato da un campo di produzione di mais adiacente con fosforo inorganico labile elevato ha dimostrato quasi un aumento di sette volte del fosforo reattivo solubile in porewater durante il primo mese di inondazione.La concentrazione di ferro ferroso di Porewater, come indicatore dello stato di redox, è aumentata notevolmente dopo circa tre settimane, indicando condizioni di riduzione. Al contrario, il fosforo reattivo solubile in acqua alluvionale tendeva a diminuire nel tempo. L'inondazione del suolo secco ha aumentato notevolmente il desorbimento inorganico del fosforo nell'acqua dei pori e la successiva mobilitazione verso l'acqua sovrassorbitrice rispetto all'inondazione dello stesso suolo in uno stato umido dal campo.È stata valutata l'affidabilità delle prove sul fosforo del suolo per prevedere le concentrazioni medie di fosforo reattivo solubile. L'acqua distillata e il fosforo estraibile Morgan modificato erano tra i migliori predittori delle concentrazioni medie di acqua poro e fosforo reattivo solubile in acqua alluvionale. Il fosforo estraibile Morgan modificato misurato mediante spettroscopia di emissione ottica al plasma accoppiata induttivamente non era buono come un predittore rispetto al fosforo estraibile Morgan modificato o all'acqua distillata misurata dalla colorimetria molibdata.Il rapporto tra fosforo reattivo solubile in porewater e fosforo reattivo solubile in acqua alluvionale è aumentato linearmente in funzione del pH del suolo. Altri esperimenti che caratterizzano la dinamica del fosforo sono anche possibili, ad esempio, la capacità di rimozione del fosforo dei suoli delle zone umide è un processo importante e può essere simulato spiking floodwater con fosforo e misurando il suo tasso di scomparsa nel tempo. La procedura analitica utilizzata per misurare il fosforo comporta l'uso di acido cloridrico.Sono quindi necessarie adeguate attrezzature di sicurezza e strutture di laboratorio.

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