Nutriments dans les écosystèmes aquatiques

Source : Laboratoires de Margaret Workman et Kimberly Frye - Depaul University

Azote et le phosphore sont des nutriments essentiels dans les écosystèmes aquatiques et les deux sont surveillés dans le cadre de tests de qualité de l’eau car en quantités excessives, elles peuvent causer eau important problèmes de qualité.

Azote dans l’eau est mesurée par le nitrate de forme commune (n °₃^–) qui est dissous dans l’eau et facilement absorbé par les photosynthesizers comme les algues. La forme commune de phosphore mesurée est le phosphate (PO₄^-3), qui est fortement attirés par les particules et les sédiments ainsi que dissous dans l’eau. En quantités excessives, les deux éléments nutritifs peuvent provoquer une augmentation de la croissance des plantes aquatiques (efflorescences algales, Figure 1) qui peut perturber les niveaux de lumière, de température et d’oxygène dans l’eau en dessous et conduire à l’eutrophisation et de l’hypoxie (oxygène dissous dans l’eau) formant une « zone morte » d’aucune activité biologique. Sources de nitrates et phosphore comprennent des stations d’épuration des eaux usées, eaux de ruissellement des pelouses fécondés et terres agricoles, des systèmes septiques défectueux, ruissellement de fumier animal et des rejets de déchets industriels.

La figure 1. Efflorescences algales
L’écume verte dans l’image a tenu en 2011, à la prolifération d’algues pire que lac Érié a connu au cours des décennies. Pluies printanières diluviennes record lavé des engrais dans le lac, stimulant la croissance de microcystine produisant des efflorescences de cyanobactéries. Les filaments verts vibrants dépasser de la rive nord.

Les concentrations de nitrates et de phosphates peuvent être mesurées dans des échantillons d’eau à l’aide des réactifs chimiques connus qui causent l’échantillon changer de couleur en présence d’un nutriment spécifique, avec une intensité croissante couleur indiquant une augmentation de la concentration d’éléments nutritifs. Pour assurer la libération de toutes les molécules de phosphates qui sont liés à des sédiments dans l’eau, les échantillons de phosphore sont digérés chimiquement et avec la chaleur pour libérer des obligations de phosphate pour une mesure de la quantité totale de phosphate dans l’échantillon.

Afin de quantifier l’intensité des couleurs produite par le réactif, un spectrophotomètre est utilisé pour mesurer la longueur d’onde spécifique de la lumière qui correspond avec chaque couleur causée par les éléments nutritifs et leurs réactifs (nitrates ambre ; phosphates bleus). Le spectrophotomètre puis envoie un faisceau de lumière à travers chaque échantillon pour mesurer la quantité de cette lumière qui est absorbée par la couleur (absorbance). Plus la couleur est foncée, plus l’absorbance. Le spectrophotomètre convertit ensuite l’absorbance à une concentration de nutriments affichée (mg/L) basée sur des essais de concentration connue.

1. mesurer l’azote dans l’échantillon

1. Sur le spectrophotomètre, trouver le programme pour les nitrates (avec menu manuel ou un instrument de l’usager) et entrez le numéro de programme.
2. Pipeter 10 mL de l’échantillon d’eau dans un des tubes échantillon. Verser ce mélange dans un des tubes échantillon.
3. Répéter pour un deuxième tube à essais.
4. Ajouter le contenu d’une gélule de réactif nitrate dans un tube d’échantillon.
5. Cap les deux tubes d’échantillons.
6. Sur le spectrophotomètre, appuyez sur timer et entrée pour commencer une période de réaction pour le réactif. Agiter l’échantillon vigoureusement jusqu'à ce que le temps de réaction est terminée et les signaux sonores de minuterie. Échantillon commencera à tourner à ambre.
7. Appuyez sur entrée. Une période de 5 min deuxième réaction va se lancer.
8. Après que la minuterie émet un bip à la deuxième fois, nettoyer l’extérieur des deux tubes échantillon avec une serviette en papier non pelucheux.
9. Placer le tube d’échantillon sans tube (vide) de réactif dans le spectrophotomètre.
10. Couvrir la cellule avec le capuchon de l’instrument pour s’assurer de la lumière ambiante est bloquée.
11. Zéro le spectrophotomètre pour une lecture de 0,0 mg/L N°₃- N.
12. Enlever la cellule vide et placer la cellule avec le réactif dans le porte-cellule. Couvrir la cellule avec le couvercle de l’instrument.
13. Appuyez sur lire. Le curseur se déplace vers la droite, puis les résultats en mg/L, que N°₃-N s’affichera.

2. mesure de phosphore dans l’échantillon

1. Mesurer 5,0 mL de l’échantillon d’eau à l’aide d’une pipette.
2. Versez l’eau mesurée dans un tube à essais.
3. Ajouter le contenu d’une potassium persulfate gélule pour phosphonate dans le tube échantillon.
4. Boucher le tube hermétiquement et agiter pour dissoudre.
5. Marquer le haut de la PAC de tube et placer le tube dans un réacteur de morue (sous une hotte chimique) et de la chaleur pendant 30 min.
6. Placez-le dans un rack de tube à essai et laisser refroidir à température ambiante.
7. À l’aide d’une éprouvette graduée, mesurer 2 mL 1,54 N d’hydroxyde de sodium.
8. Verser ce mélange dans le tube à essais. Cap et mélanger.
9. Sur le spectrophotomètre, trouver le numéro de programme pour le phosphate (avec menu manuel ou un instrument de l’usager) et entrez le numéro de programme.
10. Nettoyez l’extérieur du tube échantillon avec une serviette en papier non pelucheux.
11. Placer l’éprouvette afin qu’il fait face à l’avant de l’instrument.
12. Placez le couvercle sur le tube à essai.
13. Sortir du tube à essais et ajouter le contenu de la gélule de réactif achetés pour la méthode de l’acide ascorbique.
14. Boucher hermétiquement et agiter pendant 10-15 s.
15. Appuyez sur timer et entrez. Commence une période d’attente de 2 min.
16. Après que la minuterie émet un bip, nettoyez l’extérieur du tube à essai avec une serviette en papier non pelucheux.
17. Placer l’éprouvette dans l’instrument avec le logo face à l’avant de l’instrument.
18. Placez le couvercle sur le tube à essai.
19. Appuyez sur lire. L’écran affichera les résultats en mg/L.

La figure 2. Graphique comparant les nitrates entre les types d’utilisation différents terrains (non développées, agricoles et urbaines).

Concentrations de nitrate moyen comparées en amont et en aval d’une usine de traitement de l’eau (Figure 3). La mesure en aval représente l’accomplissement du traitement.

Figure 3. Moyenne des concentrations de nitrates par rapport en amont et en aval d’une usine de traitement de l’eau. La mesure en aval représente l’accomplissement du traitement.

La figure 4. Graphe de phosphore pour différents endroits le long de la rivière Chicago.

Moyenne des concentrations de phosphate par rapport en amont et en aval d’une usine de traitement de l’eau (Figure 5). La mesure en aval représentent l’accomplissement du traitement.

Figure 5. Moyenne des concentrations de phosphate par rapport en amont et en aval d’une usine de traitement de l’eau. La mesure en aval représentent l’accomplissement du traitement.

Des concentrations élevées de nitrates et de phosphore peuvent stimuler conditions eutrophes dans l’eau en provoquant une prolifération des algues qui affecte négativement les autres facteurs de qualité de l’eau y compris l’oxygène dissous, température et autres indicateurs. Nitrates excessives peuvent conduire à l’eau hypoxique (de faibles niveaux d’oxygène dissous) n’est plus en mesure de soutenir la vie aérobie créant une « zone morte », où une mortalité massive non mobiles espèces et espèces mobiles s’éloigner d’autres eaux. Zones mortes sont produisent à l’échelle mondiale dans les régions côtières où convergent de grandes quantités d’eaux usées et de ruissellement riches en nutriments, et la vie aquatique est la plus forte concentration (Figure 6). Deux des plus grandes zones morts sont dans le Baltic Sea où en moyenne 49 000 km² d’eau contenait moins de 2 mg/L d’oxygène dissous et le nord du golfe du Mexique avec une zone morte mesurée à 17 353 km².

La figure 6. Zones mortes marines mondiales
Cercles rouges indiquent l’emplacement et la taille de plusieurs zones mortes. Points noirs indiquent les zones mortes de taille inconnue. Blues plus sombres dans cette image montrent des concentrations plus élevées de particules organiques, une indication des eaux trop fertiles qui peut culminer dans les zones mortes. La taille et le nombre de zones mortes marines — les zones où l’eau profonde est si faible en oxygène que créatures marines ne peuvent pas survivre dissous — ont grandi explosivement dans le passé un demi-siècle. Ce n’est aucun par hasard que les zones mortes se produisent en aval des lieux où la densité de population humaine est élevée (brun sombre).