Name: measuring phosphorus release in laboratory microcosms for water quality assessment
Uploaded: 2019-07-22T15:00:00
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El Centro de Recursos Hídricos y Estudios de Lagos de Vermont puso a disposición fondos a través de un acuerdo con el Servicio Geológico de los Estados Unidos. Las conclusiones y opiniones son las de los autores y no el Centro de Recursos Hídricos y Estudios del Lago de Vermont o el USGS.

1. Recogida de muestras
<ol><li>Recoger aproximadamente 4 L de tierra (o sedimento) de los sitios deseados. Las áreas de recolección deben ser relativamente pequeñas para limitar la variación espacial en las propiedades de P y suelo.</li>
	<li>Las muestras de tamiz a través de una pantalla gruesa (20 mm) siguieron una pantalla de 2 mm. Mezcle bien las muestras a mano después del tamizado.</li>
	<li>Pesar 100 g de tierra húmeda en el campo o sedimentos. Secar en un horno a 105 oC durante 24 h y calcular el conten...

<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. 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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>

Una ventaja técnica principal del enfoque del microcosmos es su capacidad para simular condiciones in situ por las que el suelo saturado o sedimento es inmediatamente superado por FW que puede diferir sustancialmente en el estado de redox y P. Paisajes con hidrología de área de origen variable como zanjas de drenaje, tierras de cultivo inundadas, humedales y zonas ribereñas/cercanas son ejemplos de donde el PW reducido se sobrelava periódicamente por el agua más oxidada con concentraciones de Pi más bajas...

El fósforo (P) es un nutriente limitante crítico para la productividad de la biomasa tanto de cultivos como de biomasa acuática. La hidrología del agua superficial es un factor principal del destino y el transporte de P, ya que controla el transporte físico de sedimentos y P, al tiempo que afecta al potencial de removilización durante la escorrenza y los eventos de inundación/ponding. Varios métodos de extracción basados en laboratorio se utilizan típicamente para estimar la liberación de P a escala de campo en condiciones de oxidación. Mientras que diferentes mecanismos pueden contribuir a la liberación de P, la disolución reductiva de los fosfatos de hierro es un mecanismo de reacción bien establecido que puede conducir a grandes flujos de ortofosfato-P al agua1,2,3, 4. En una revisión de los mecanismos que controlan la biogeoquímica P en los humedales, se hipotetizó el estado de redox como la principal variable controladora de la liberación de P a los suelos y aguas subterráneas poco profundas5. Como tal, las pruebas P tradicionales pueden no ser predictores confiables de liberación P bajo saturación prolongada.
Dada la importancia del tiempo de residencia del agua y el estado de redox en el destino y el transporte P, los enfoques de laboratorio diseñados para simular mejor las condiciones in situ podrían dar lugar a una mejora de los índices de riesgo de transporte P para los ecosistemas agrícolas y humedales sujetos a saturación variable. Dado que el ortofosfato es inmediatamente biodisponible, la tasa y el grado de desorción durante la saturación se pueden utilizar como un índice de riesgo de contaminación P de fuente no puntual. Nuestro método fue diseñado para cuantificar la desorción P al agua de poro (PW) y la movilización a las aguas de inundación (FW), una condición típica en áreas con hidrología de área de origen variable (por ejemplo, campos agrícolas inundados, humedales, zanjas de drenaje y zonas cercanas a la corriente). El método fue desarrollado originalmente para caracterizar el potencial de liberación de P en suelos inundados estacionalmente del norte de Nueva York (EE.UU.) y recientemente se aplicó para cuantificar el potencial de desorción de suelos ribereños de la Cuenca del Lago Champlain 6, en el noroeste deVermont. . Aquí, proporcionamos un protocolo para el método de microcosmos de laboratorio y destacamos los resultados de un estudio publicado recientemente que demuestra su capacidad para cuantificar el potencial de desorción de P. También demostramos la relación entre el potencial de liberación de P y la fiabilidad de las pruebas rutinarias de suelo (P extraíble lábil, pH) para predecir la liberación entre sitios.
La realización del método requiere el acceso a un laboratorio analítico con un control de clima adecuado, ventilación, agua y un sistema adecuado de eliminación de residuos ácidos. El método presupone el acceso a reactivos químicos de rutina y equipos de laboratorio (sumideros, campanas, cristalería, etc.). Más allá de las necesidades rutinarias de laboratorio, se requiere un sistema de filtración por membrana (a 0,45 m) y un espectrofotómetro UV para medir P. También se recomienda un medidor de pH o una sonda de calidad de agua multiparámetro, pero no se requiere. La temperatura de laboratorio es un factor importante y debe mantenerse constante a menos que la temperatura en sí se esté investigando como un factor experimental (se recomienda 20 oC). El acceso sin obstáculos a un laboratorio analítico adecuado con el equipo adecuado es un requisito previo para realizar el método correctamente y generar resultados significativos.

<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

El fósforo (P) es un nutriente limitante crítico en los agroecosistemas que requiere una gestión cuidadosa para reducir el riesgo de transporte a los ambientes acuáticos. Las medidas rutinarias de laboratorio de biodisponibilidad P se basan en extracciones químicas realizadas en muestras secas en condiciones de oxidación. Si bien son útiles, estas pruebas se limitan con respecto a caracterizar la liberación P bajo saturación prolongada de agua. El ortofosfato lábil unido al hierro oxidado y otros metales puede desorbizar rápidamente a la solución en entornos de reducción, aumentando el riesgo de movilización de P para la escorrencíta superficial y las aguas subterráneas. Para cuantificar mejor el potencial de desorción de P y la movilidad durante la saturación prolongada, se desarrolló un método de microcosmos de laboratorio basado en muestreos repetidos de agua de poro y agua de inundación superpuesta a lo largo del tiempo. El método es útil para cuantificar el potencial de liberación de P de suelos y sedimentos que varían en propiedades fisicoquímicas y puede mejorar los esfuerzos de mitigación de P específicos del sitio al caracterizar mejor el riesgo de liberación de P en áreas hidrológicamente activas. Las ventajas del método incluyen su capacidad para simular la dinámica in situ, la simplicidad, el bajo costo y la flexibilidad.

Los resultados de un estudio reciente centrado en el potencial de liberación P de las áreas ribereñas se destacan para demostrar la capacidad del método para caracterizar la dinámica de liberación P a nivel de sitio6. Mientras que algunos suelos mostraron cambios mínimos en el SRP con eltiempo, otros tuvieron grandes aumentos en las concentraciones de PW y FW-SRP (Figura 1). En la Figura 1se muestran dos sitios con tendencias contr...

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Measuring Phosphorus Release in Laboratory Microcosms for Water Quality Assessment

La cuantificación precisa del potencial de desorción de fósforo (P) en suelos y sedimentos saturados es importante para los esfuerzos de modelado y mitigación del transporte de P. Para tener mejor en cuenta la dinámica in situ de redox suelo-agua y la movilización de P bajo saturación prolongada, se desarrolló un enfoque simple basado en muestreos repetidos de microcosmos de laboratorio.

Medición de la liberación de fósforo en microcosmos de laboratorio para la evaluación de la calidad del agua

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

Nuestro método ayuda a responder a la pregunta de la probabilidad de que un determinado suelo o sedimento libere fósforo soluble bajo saturación prolongada. La cuantificación del potencial de liberación de fósforo en entornos saturados variablemente es importante para determinar el riesgo de transporte de las corrientes y diseñar prácticas de mitigación. La principal ventaja del método es su capacidad para simular procesos biogeoquímicos importantes que afectan a la liberación de fósforo soluble en movilidad en condiciones de campo.Un científico que intenta este método por primera vez no debe luchar, ya que su simplicidad es una de sus principales ventajas. Para empezar, recoger aproximadamente cuatro litros de tierra de los sitios deseados. Limite las áreas de recolección a aproximadamente 10 metros cuadrados para reducir la cantidad de variabilidad espacial representada por la muestra.Muestras de tamiz a través de una pantalla gruesa de 20 milímetros, seguida de una pantalla de dos milímetros. Mezcle a mano las muestras después de tamizar. Pesar 100 gramos del suelo húmedo de campo, secar en un horno a 105 grados Celsius durante 24 horas.Pesar el suelo seco y calcular el porcentaje de contenido de agua gravimétrica. A continuación, mida una submuestra de 500 mililitros utilizando un vaso de precipitados vacío y reserve para el análisis químico. Utilice el suelo tamizado restante para estudios de microcosmos o guárdelo en bolsas de polipropileno a cinco grados centígrados para su uso posterior.Utilice un litro de polipropileno graduado u otros vasos de plástico no reactivos como unidades experimentales de microcosmos individuales. Lavar los vasos en 10%ácido clorhídrico y triple enjuague con agua destilada. Mida dos centímetros hacia arriba desde la parte inferior y coloque una marca junto a las graduaciones de vaso de precipitados.Taladre un orificio de 1,25 centímetros de diámetro en la marca para los puertos de drenaje. Coloque un pequeño cordón de silicona alrededor del borde interior de la púa de la manguera. Inserte cuidadosamente el puerto de drenaje en el orificio.Deje secar al aire durante 24 horas antes de proceder. Trace la circunferencia exterior de las púas de la manguera en la pantalla del filtro de malla de nylon. Corte con tijeras, aplique un cordón delgado de silicona alrededor del borde exterior de la pantalla del filtro y presione suavemente sobre la entrada de la manguera.Espere al menos 24 horas de tiempo de secado antes de usar. A continuación, coloque un trozo corto de manguera de látex en las púas de la manguera y sujeción con clips de aglutinante de papel de 3,3 centímetros de ancho. Llenar vasos con aproximadamente 500 mililitros de agua destilada, para comprobar posibles fugas.Cargue 500 mililitros de muestra en microcosmos duplicados y aplique suavemente agua destilada a lo largo de las paredes del vaso de precipitados hasta que el agua de inundación alcance la marca de un litro. Retire la película de parafina para inducir el flujo de agua de pore a través del puerto de drenaje en el punto de tiempo de muestreo inicial deseado. Recoja muestras colocando vasos limpios de 20 mililitros directamente debajo de los puertos de drenaje de agua pore.Permita que varios mililitros de agua de poro drene, deseche y utilice los siguientes 10 mililitros como un volumen de muestra representativo. Filtrar muestras de agua pore a través de filtros de membrana de 0,45 micras y analizar inmediatamente el fósforo reactivo soluble en un espectrofotómetro. Registre los valores de absorbancia y el tiempo de las mediciones.Tome la muestra inicial de agua de inundación insertando una pipeta de jeringa de bombilla de 10 mililitros a la mitad de la columna de agua, y retire una muestra usando un movimiento circular. Dispensar en vasos de pico, filtrar a través de filtros de membrana de 0,45 micras y analizar inmediatamente en busca de fósforo reactivo soluble. Rellene vasos a un nivel de un litro con agua destilada para mantener constantemente un volumen total de suelo inundado y columna de agua a un litro en todos los microcosmos.Repita el análisis del fósforo reactivo soluble en los puntos de tiempo deseados. En este protocolo, un sitio ribereño con pH de suelo bajo tenía una sorción de fósforo reactivo soluble casi continua de agua de poro. El suelo que se muestreó de un campo de producción de maíz contiguo con fósforo inorgánico labilbil elevado demostró casi un aumento de siete veces en el fósforo reactivo soluble en porewater durante el primer mes de inundación.La concentración de hierro ferroso de agua de pore, como apoderado para el estado de redox, aumentó sustancialmente después de aproximadamente tres semanas, lo que indica condiciones de reducción. Por el contrario, el fósforo reactivo soluble en agua de inundación tendía a disminuir con el tiempo. La inundación del suelo seco aumentó sustancialmente la desorción de fósforo inorgánico al agua de pore y la posterior movilización al agua excesiva en comparación con la inundación del mismo suelo en un estado húmedo de campo.Se evaluó la fiabilidad de las pruebas de fósforo del suelo para predecir las concentraciones medias de fósforo reactivo soluble. El agua destilada y el fósforo extraíble Morgan modificado fueron algunos de los mejores predictores de las concentraciones medias de agua de poro y fósforo reactivo soluble en agua de inundación. El fósforo extraíble Morgan modificado medido por espectroscopia de emisión óptica plasmática acoplada inductivamente no era tan bueno de un predictor en comparación con el fósforo extraíble Morgan modificado o el agua destilada medida por colorimetría de molibdato.La proporción de fósforo reactivo soluble en porewater sobre el fósforo reactivo soluble en agua de inundación aumentó linealmente en función del pH del suelo. Otros experimentos que caracterizan la dinámica del fósforo también son posibles, por ejemplo, la capacidad de eliminación de fósforo de los suelos de los humedales es un proceso importante y se puede simular escupiendo agua de inundación con fósforo y midiendo su tasa de desaparición con el tiempo. El procedimiento analítico utilizado para medir el fósforo implica el uso de ácido clorhídrico.Por lo tanto, se requieren equipos de seguridad y instalaciones de laboratorio adecuados.

Research

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