Nutrienti negli ecosistemi acquatici

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University

L'azoto e il fosforo sono nutrienti vegetali essenziali presenti negli ecosistemi acquatici ed entrambi sono monitorati come parte dei test di qualità dell'acqua perché in quantità eccessive possono causare problemi significativi di qualità dell'acqua.

L'azoto in acqua è misurato come la forma comune di nitrato (NO₃^-) che viene disciolto in acqua e prontamente assorbito da fotosintetizzatori come le alghe. La forma comune di fosforo misurata è il fosfato (PO₄^3-), che è fortemente attratto dalle particelle di sedimento e disciolto in acqua. In quantità eccessive, entrambi i nutrienti possono causare un aumento della crescita delle piante acquatiche (fioritura algale, Figura 1)che può interrompere la luce, la temperatura e i livelli di ossigeno nell'acqua sottostante e portare all'eutrofizzazione e all'ipossia (basso livello di ossigeno disciolto nell'acqua) formando una "zona morta" senza attività biologica. Le fonti di nitrati e fosforo includono impianti di trattamento delle acque reflue, deflusso da prati fertilizzati e terreni agricoli, sistemi settici difettosi, deflusso di letame animale e scarico di rifiuti industriali.

Figura 1. Fioritura algale
Scattata nel 2011, la feccia verde mostrata in questa immagine è stata la peggiore fioritura di alghe che il lago Erie abbia mai sperimentato negli ultimi decenni. Record di piogge primaverili torrenziali hanno lavato il fertilizzante nel lago, promuovendo la crescita di microcistina producendo fioriture di cianobatteri. Filamenti verdi vibranti si estendono dalla costa settentrionale.

Le concentrazioni di nitrati e fosfati possono essere misurate in campioni di acqua utilizzando reagenti chimici noti che fanno cambiare colore al campione quando si trova in presenza di un nutriente specifico, con un'intensità del colore crescente che indica una maggiore concentrazione del nutriente. Per garantire il rilascio di qualsiasi molecola di fosfato che è legata ai sedimenti nell'acqua, i campioni di fosforo vengono digeriti chimicamente e con calore per rilasciare legami fosfatici per una misura del fosfato totale nel campione.

Per quantificare l'intensità del colore prodotta dal reagente, viene utilizzato uno spettrofotometro per misurare la lunghezza d'onda specifica della luce che corrisponde a ciascun colore causato dai nutrienti e dai loro reagenti (nitrati ambra; fosfati blu). Lo spettrofotometro invia quindi un fascio di luce attraverso ciascun campione per misurare la quantità di quella luce che viene assorbita dal colore (assorbanza). Più scuro è il colore, maggiore è l'assorbanza. Lo spettrofotometro converte quindi l'assorbanza in una concentrazione di nutrienti visualizzata (mg / L) in base a saggi di concentrazione noti.

1. Misurare l'azoto nel campione

1. Sullo spettrofotometro, trova il programma per il nitrato (con manuale utente o menu dello strumento) e inserisci il numero del programma.
2. Pipettare 10 mL del campione d'acqua in una delle provette del campione. Versarlo in uno dei tubi campione.
3. Ripetere l'operazione per una seconda provetta.
4. Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere di reagente nitrato a una provetta campione.
5. Cappuccio in entrambe le provette campione.
6. Sullo spettrofotometro, premere timer e immettere per avviare un periodo di reazione per il reagente. Agitare vigorosamente il campione fino al termine del tempo di reazione e ai elisi del timer. Il campione inizierà a diventare ambrato.
7. Premere invio. Inizierà un secondo periodo di reazione di 5 minuti.
8. Dopo che il timer emette un elica un bip la seconda volta, pulire l'esterno delle due provette del campione con un tovagliolo di carta privo di lanugine.
9. Posizionare la provetta del campione senza tubo di reagente (vuoto) nello spettrofotometro.
10. Coprire saldamente la cella con il cappuccio dello strumento per garantire che la luce ambientale sia bloccata.
11. Azzerare lo spettrofotometro per una lettura di 0,0 mg/L NO₃-N.
12. Rimuovere la cella vuota e posizionare la cella campione con il reagente nel supporto della cella. Coprire ermeticamente la cella campione con il cappuccio dello strumento.
13. Premere LEGGI. Il cursore si sposterà verso destra, quindi verranno visualizzati i risultati in mg/L NO₃-N.

2. Misurare il fosforo nel campione

1. Misurare 5,0 ml del campione d'acqua utilizzando una pipetta.
2. Versare l'acqua misurata in una provetta campione.
3. Aggiungere il contenuto di un cuscino in polvere di persolfato di potassio per fosfonato alla provetta del campione.
4. Tappare saldamente il tubo e agitare per sciogliere.
5. Etichettare la parte superiore del tappo del tubo e posizionare il tubo in un reattore COD (in una cappa chimica) e riscaldare per 30 minuti.
6. Metterlo in una griglia per provette e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.
7. Utilizzando un cilindro graduato, misurare 2 mL di idrossido di sodio 1,54 N.
8. Versarlo nella provetta del campione. Tappo e mescolare.
9. Sullo spettrofotometro, trova il numero di programma per il fosfato (con manuale utente o menu dello strumento) e inserisci il numero del programma.
10. Pulire l'esterno della provetta con un tovagliolo di carta privo di lanugine.
11. Posizionare la provetta in modo che sia rivolta verso la parte anteriore dello strumento.
12. Posizionare il coperchio sulla provetta.
13. Estrai la provetta e aggiungi il contenuto del cuscino in polvere reagente acquistato per il metodo dell'acido ascorbico.
14. Tappare saldamente e agitare per 10-15 s.
15. Premere timer e quindi invio. Inizierà un periodo di attesa di 2 minuti.
16. Dopo che il timer emette un eschetto, pulire l'esterno della provetta con un tovagliolo di carta privo di lanugine.
17. Posizionare la provetta nello strumento con il logo rivolto verso la parte anteriore dello strumento.
18. Posizionare il coperchio sopra la provetta.
19. Premere leggi. Il display mostrerà i risultati in mg/L.

Figura 2. Grafico che confronta i nitrati tra diversi tipi di uso del suolo (non sviluppati, agricoli e urbani).

Concentrazioni medie di nitrati confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque (Figura 3). La misurazione a valle rappresenta lo scarico dal trattamento.

Figura 3. Concentrazioni medie di nitrati confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque. La misurazione a valle rappresenta lo scarico dal trattamento.

Figura 4. Grafico del fosforo per diverse località lungo il fiume Chicago.

Concentrazioni medie di fosfato confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque (Figura 5). Le misurazioni a valle rappresentano lo scarico dal trattamento.

Figura 5. Concentrazioni medie di fosfato confrontate a monte e a valle di un impianto di trattamento delle acque. Le misurazioni a valle rappresentano lo scarico dal trattamento.

Alte concentrazioni di nitrati e fosforo possono stimolare le condizioni eutrofiche nell'acqua causando la fioritura algale che influisce negativamente su altri fattori di qualità dell'acqua tra cui ossigeno disciolto, temperatura e altri indicatori. L'eccesso di nitrati può portare ad acqua ipossica (bassi livelli di ossigeno disciolto) non più in grado di sostenere la vita aerobica creando una "zona morta", dove le specie non mobili muoiono di massa e le specie mobili si allontanano in altre acque. Le zone morte si verificano a livello globale nelle regioni costiere dove convergono grandi quantità di deflusso ad alto contenuto di nutrienti e acque reflue e la vita acquatica è più altamente concentrata (Figura 6). Due delle più grandi zone morte si trovano nel Mar Baltico, dove in media 49.000 km² di acqua conteneva meno di 2 mg / L di ossigeno disciolto, e nel Golfo del Messico settentrionale con una zona morta misurata a 17.353 km².

Figura 6. Zone morte marine in tutto il mondo
I cerchi rossi mostrano la posizione e le dimensioni di molte zone morte. I punti neri mostrano zone morte di dimensioni sconosciute. I blu più scuri in questa immagine mostrano concentrazioni più elevate di materia organica particolata, un'indicazione delle acque eccessivamente fertili che possono culminare in zone morte. Le dimensioni e il numero di zone morte marine – aree in cui l'acqua profonda è così bassa in ossigeno disciolto che le creature marine non possono sopravvivere – sono cresciute in modo esplosivo nell'ultimo mezzo secolo. Non è un caso che le zone morte si verifichino a valle di luoghi in cui la densità della popolazione umana è elevata (marrone più scuro).