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
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم توفير التمويل من قبل مركز فيرمونت للموارد المائية ودراسات البحيرات من خلال اتفاق مع هيئة المسح الجيولوجي الأميركية. الاستنتاجات والآراء هي تلك التي المؤلفين وليس فيرمونت الموارد المائية ومركز دراسات البحيرة أو USGS.
Materials
| 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 |
References
- Patrick, W. H., Khalid, R. A. Phosphate release and sorption by soils and sediments: Effect of aerobic and anaerobic conditions. Science. 186 (4158), 53-55 (1974).
- Moore, P. A., Reddy, K. R. Role of Eh and pH on phosphorus geochemistry in sediments of Lake Okeechobee, Florida. Journal of Environmental Quality. 23, 955-964 (1994).
- Young, E. O., Ross, D. S. Phosphate release from seasonally flooded soils: a laboratory microcosm study. Journal of Environmental Quality. 30 (1), 91-101 (2001).
- Henderson, R., et al. Anoxia-induced release of colloid- and nanoparticle-bound phosphorus in grassland soils. Environmental Science & Technology. 46 (21), 11727-11734 (2012).
- Vidon, F., et al. Hot spots and hot moments in riparian zones: potential for improved water quality management. Journal of the American Water Resources Association. 46 (2), 278-298 (2010).
- Young, E. O., Ross, D. S. Phosphorus mobilization in flooded riparian soils from the Lake Champlain Basin, VT, USA. Frontiers in Environmental Science. 6 (120), 1-12 (2018).
- McIntosh, J. L. Bray and Morgan soil extractants modified for testing acid soils from different parent materials. Agronomy Journal. 61 (2), 259-265 (1969).
- Young, E. O., Ross, D. S., Cade-Menun, B. J., Liu, C. Phosphorus speciation in riparian soils: a phosphorus-31 nuclear magnetic resonance and enzyme hydrolysis study. Soil Science Society of America Journal. 77 (5), 1636-1647 (2013).
- McGechan, M. B., Lewis, D. R. Sorption of phosphorus by soil: Part 1. Principles, equations, and models. Biosystems Engineering. 82 (1), 1-24 (2002).
- Cabrera, M. L., Radcliffe, D. E., Cabrera, M. L. Modeling phosphorus in runoff: Basic approaches. Modeling Phosphorus in the Environment. , 65-81 (2007).
- Gbur, E. E., et al. . Analysis of Generalized Linear Mixed Models in the Agricultural and Natural Resources Sciences. , (2012).
- Moore, P. A., Reddy, K. R., Fisher, M. M. Phosphorus flux between sediment and overlying water in Lake Okeechobee, Florida: Spatial and temporal variations. Journal of Environmental Quality. 27 (6), 1428-1439 (1998).
- Young, E. O., Briggs, R. D. Phosphorus concentrations in soil and subsurface water: A field study among cropland and riparian Buffers. Journal of Environmental Quality. 37 (1), 69-78 (2008).
- Hoffmann, C. C., Kjaergaard, C., Uusi-Kämppä, J., Hansen, H. C. B., Kronvang, B. Phosphorus retention in riparian buffers: review of their efficiency. Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1942-1955 (2009).
- Bartlett, R. J., Ross, D. S., Tabatabai, M. A., Sparks, D. L. Chemistry of Redox Processes in Soils. Chemical Processes in Soils, SSSA Book Ser. 8. , 461-487 (2005).
- Radcliffe, D. E., Freer, J., Schoumans, O. Diffuse phosphorus models in the United States and Europe: Their usages, scales, and uncertainties. Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1956-1967 (2009).
- Bartlett, R. J., James, B. R. Studying dried, stored soil samples—some pitfalls. Soil Science Society of America Journal. 44 (4), 721-724 (1980).
- Turner, B. L., McKelvie, I. D., Haygarth, P. M. Characterization of water extractable soil organic phosphorus by phosphatase hydrolysis. Soil Biology & Biochemistry. 34 (1), 27-35 (2002).
- Turner, B. L., Haygarth, P. M. Phosphorus solubilization in rewetted soils. Nature. 411, 258 (2001).
- Sparks, D. L., Sparks, D. L. Kinetics of reactions in pure and mixed systems. Soil Physical Chemistry. , (1986).
