< Terug naar vorige pagina
Project
De beschikbaarheid van opgeloste organische fosfor voor algen in oppervlaktewater.
Fosfor (P) wordt algemeen beschouwd als het meest limiterende nutriëntvoor de primaire productie in zoetwatersystemen. VerhoogdeP-concentraties kunnen eutrofiëring ver oorzaken, met nadelige gevolgenvoor de waterkwaliteit door een overdadi ge algenbloei. Algengroei isniet zonder meer afhankelijk van de totale P-concentratie in het watermaar ook van de P-speciatie; of met andere w oorden van de verdeling vanP over verschillende chemische vormen zoals orthofosfaat (Pi),organische P-verbindingen (voornamelijk fosfaatesters ) en anorganischecolloïden (P geassocieerd met ijzercolloïden). Frequen t gebruikteanalytische methoden voor de bepaling van de P-concentratie detecterenverschillende proporties van deze P-vormen waardoor eenvoudig etechnieken, zoals colorimetrie, </>niet voldoende precies zijn o mde biologisch beschikbare fractie te voorspellen. Het algemene doel va ndeze studie was om de biologisch beschikbare P-fractie in de opgeloste fase (< 0,45 µm) te kwantificeren en in verband te brengen met de P zoals die gedetecteerd wordt met gebruikelijke analytische methoden. Voorgaande studies, die </>de colloïdale P-vormen meestal niet in rekening brachten, rapporteren dat de biobeschikbaar P op lange termijn kan variëren van 0 tot 100%. Deze lange termijn biobeschikbare P wordt algemeen gedefinieerd als de P die uiteindelijk beschikbaar is door natuurlijke processen. </>Ze is groter dan de korte termijn biobeschikbare P; de onmiddellijk beschikbare P-fractie.
Er werd begonnen met de vergelijking van vier analytische methoden om de P-concentratie in water te meten:ion chromatografie (IC), colorimetrie </>met malachiet groen (CM), de diffusive gradient in thin films technique (DGT) en, voor totaal opgeloste P (TDP), inductively coupled plasma met optische emissie spectroscopie (ICP-OES). Deze methoden werden vergeleken op drie reeksen van oplossingen gefilterd doorheen een membraanfilter (< 0,45 µm): oplossingenmet organische P-componenten, suspensies van synthetische Fe- en Al-colloïden geladen met P en natuurlijke waterstalen die P bevatten. De meeste model organische P-componenten bleven eerder inert onder invloed van colorimetrische en chromatografische detectie (< 2% van TDP). De P geassocieerd met synthetische colloïden werd echter bijna volledig gedetecteerd via colorimetrie en gedeeltelijk ook met ionchromatografie. De DGT wasde beste methode om colloïdale P-vormen uit te sluiten gedurende Pi-meting. Er werd verondersteld dat de colloïdale partikels te groot zijn om ongehinderd doorheen de diffuse gellaag van de DGTs te diffunderen. Bepaalde organische P-componenten kunnen echter wel substantieel bijdragen tot P-meting door DGT. Deze fractie kan geminimaliseerd worden door (i) chromatografie of colorimetrie te gebruiken als methode om P in de DGT-eluaten te meten, (ii) het verminderen van de zuurheid van de oplossing van de eluaten en (iii) verminderen van de elutietijd. De data van een uitgebreide reeks natuurlijke stalen van bodemporiewater, grondwater en oppervlaktewater suggereren dat oppervlaktewater-P grotendeels bestaat uitPi en P geassocieerd met colloïdale partikels terwijl organische P-vormen een groter belang hebben in grondwater.
Het is gekend dat colloïdale en organische P-vormen biobeschikbaar kunnen zijn voor zoetwateralgenmaar eenduidige verbanden tussen analytische P-metingen van model P-componenten en P aanwezig in natuurlijke waterstalen enerzijds en hun biobeschikbaarheid anderzijds ontbreken. In een tweede deel werd de biobeschikbare P van gelijkaardige stalen als hierboven beschreven (organisch, colloïdaal, natuurlijk) onderzocht en gerelateerd met de analytische P-meting van de P-concentraties bij aanvang van de algengroeitest. De P-beschikbaarheidstest was gebaseerd op de groeirespons gedurende 14 dagen van een axenische cultuur van Pseudokirchneriella subcapitata in testmedia met P als limiterend nutriënt. Voor de berekening van de biobeschikbare Pwerd een operationele definitie gehanteerd waarbij we de verhouding namen van de maximale celdensiteit bereikt op een bepaalde P-vorm relatief tegenover de maximale celdensiteit bereikt op dezelfde Pi-concentratie. De 14 natuurlijke waterstalen werden gestandaardiseerd naar gelijke concentraties aan opgelost C en andere nutriënten. De biobeschikbaarheid vande organische componenten varieerde tussen 1 en 70% van Pi-beschikbaarheid terwijl deze P-vormen niet gedetecteerd werden door ion chromatografie en colorimetrie. De biobeschikbaarheid van de colloïdale P varieerde tussen 55 en 85% van de Pi-beschikbaarheid terwijl deze vormen compleet gedetecteerd worden met colorimetrie en gedeeltelijk met ionchromatografie. De biobeschikbaarheid van de totale opgeloste P van de natuurlijke waterstalen varieerde tussen 7 en 85% (gemiddeld 43%) van de Pi-beschikbaarheid. De P gemeten met ionchromatografie onderschat, terwijl colorimetrie en TDP de biobeschikbare P overschatten met respectievelijk 44 en 57%. We stellen dat de CM de beste index van de drie geteste analytische methoden vormt om de lange termijn biobeschikbare P van natuurlijk opgeloste P-stalen te voorspellen in media waar colloïdale P-vormen in belangrijkere mate bijdragen dan organische P-vormen.
Algencellen die uitgehongerd zijn wat P betreft, beschikken over de capaciteit om snel P te accumuleren na aanvulling van P in het medium. Daarom werd het potentieel van P-uitgehongerde algencellen om Pi en organische P-vormen te accumuleren nagegaan. De initiële (< 0.5 uur) P-opnamesnelheden van Pseudokirchneriella subcapitata verhoogden met een factor 18 met toenemende P-uitputting. Algen met verschillende graad van initiële P-uitputting werden vervolgens blootgesteld aan verschillende model organische P-componenten incombinatie met carrier-vrij 33Pi. De P-opname (gedurende 1 uur) van organische P-componenten vermeerderde met een factor vijf met toenemende P-uitputting. De biobeschikbaarheid van de organische P, relatief tegenover Pi, werd berekend aan de hand van opname van 31P en 33P isotopen in deveronderstelling dat geen isotopische uitwisseling optreedt met de organische P-vormen. De relatieve biobeschikbaarheid varieerde van 0 tot 57%en was doorgaans onafhankelijk van de graad van P-uitputting. Het toepassen van een wasmethode om extracellulaire fosfatasen te verwijderen hadgeen invloed op deze resultaten. De korte termijn P-opnamesnelheid steeg snel met dalend intern P-gehalte van de algencellen maar de biobeschikbaarheid van organisch P, relatief tegenover Pi, bleef ongewijzigd. Dezebevindingen suggereren dat P-uitputting van algencellen de opnamecapaciteit van Pi bevordert maar dat tegelijk ook de capaciteit om organisch Pte hydrolyseren ongeveer proportioneel toeneemt.
Samengevat toont deze studie aan dat colloïdale P-vormen een belangrijke rol spelen in natuurlijke waterstalen. Deze P-vormen worden vlot meegemeten via ionchromatografie en colorimetrie terwijl hun biologische beschikbaarheid eerder laag blijft. Van de meest voorkomende organische P-vormen in natuurlijke waterstalen wordt niet verwacht dat ze veel bijdragen tot ionchromatografisch of colorimetrisch gemeten P terwijl deze P-vormen wel bijdragen tot de biologisch beschikbare fractie, zeker na een langere blootstellingsduur (weken versus minuten). Toekomstig onderzoek kan zich toespitsen opde DGT-techniek als een nog betere index dan de colorimetrie voor de voorspelling van biobeschikbaar P in waterstalen. Vervolgens kan de korte termijn biobeschikbare P voor natuurlijke colloïden onderzocht worden ennagegaan worden of de aanwezigheid van bacteriën en/of andere algensoorten de biobeschikbaarheid van de verschillende P-vormen doet toenemen.</>
</></></></></></></></>
Er werd begonnen met de vergelijking van vier analytische methoden om de P-concentratie in water te meten:ion chromatografie (IC), colorimetrie </>met malachiet groen (CM), de diffusive gradient in thin films technique (DGT) en, voor totaal opgeloste P (TDP), inductively coupled plasma met optische emissie spectroscopie (ICP-OES). Deze methoden werden vergeleken op drie reeksen van oplossingen gefilterd doorheen een membraanfilter (< 0,45 µm): oplossingenmet organische P-componenten, suspensies van synthetische Fe- en Al-colloïden geladen met P en natuurlijke waterstalen die P bevatten. De meeste model organische P-componenten bleven eerder inert onder invloed van colorimetrische en chromatografische detectie (< 2% van TDP). De P geassocieerd met synthetische colloïden werd echter bijna volledig gedetecteerd via colorimetrie en gedeeltelijk ook met ionchromatografie. De DGT wasde beste methode om colloïdale P-vormen uit te sluiten gedurende Pi-meting. Er werd verondersteld dat de colloïdale partikels te groot zijn om ongehinderd doorheen de diffuse gellaag van de DGTs te diffunderen. Bepaalde organische P-componenten kunnen echter wel substantieel bijdragen tot P-meting door DGT. Deze fractie kan geminimaliseerd worden door (i) chromatografie of colorimetrie te gebruiken als methode om P in de DGT-eluaten te meten, (ii) het verminderen van de zuurheid van de oplossing van de eluaten en (iii) verminderen van de elutietijd. De data van een uitgebreide reeks natuurlijke stalen van bodemporiewater, grondwater en oppervlaktewater suggereren dat oppervlaktewater-P grotendeels bestaat uitPi en P geassocieerd met colloïdale partikels terwijl organische P-vormen een groter belang hebben in grondwater.
Het is gekend dat colloïdale en organische P-vormen biobeschikbaar kunnen zijn voor zoetwateralgenmaar eenduidige verbanden tussen analytische P-metingen van model P-componenten en P aanwezig in natuurlijke waterstalen enerzijds en hun biobeschikbaarheid anderzijds ontbreken. In een tweede deel werd de biobeschikbare P van gelijkaardige stalen als hierboven beschreven (organisch, colloïdaal, natuurlijk) onderzocht en gerelateerd met de analytische P-meting van de P-concentraties bij aanvang van de algengroeitest. De P-beschikbaarheidstest was gebaseerd op de groeirespons gedurende 14 dagen van een axenische cultuur van Pseudokirchneriella subcapitata in testmedia met P als limiterend nutriënt. Voor de berekening van de biobeschikbare Pwerd een operationele definitie gehanteerd waarbij we de verhouding namen van de maximale celdensiteit bereikt op een bepaalde P-vorm relatief tegenover de maximale celdensiteit bereikt op dezelfde Pi-concentratie. De 14 natuurlijke waterstalen werden gestandaardiseerd naar gelijke concentraties aan opgelost C en andere nutriënten. De biobeschikbaarheid vande organische componenten varieerde tussen 1 en 70% van Pi-beschikbaarheid terwijl deze P-vormen niet gedetecteerd werden door ion chromatografie en colorimetrie. De biobeschikbaarheid van de colloïdale P varieerde tussen 55 en 85% van de Pi-beschikbaarheid terwijl deze vormen compleet gedetecteerd worden met colorimetrie en gedeeltelijk met ionchromatografie. De biobeschikbaarheid van de totale opgeloste P van de natuurlijke waterstalen varieerde tussen 7 en 85% (gemiddeld 43%) van de Pi-beschikbaarheid. De P gemeten met ionchromatografie onderschat, terwijl colorimetrie en TDP de biobeschikbare P overschatten met respectievelijk 44 en 57%. We stellen dat de CM de beste index van de drie geteste analytische methoden vormt om de lange termijn biobeschikbare P van natuurlijk opgeloste P-stalen te voorspellen in media waar colloïdale P-vormen in belangrijkere mate bijdragen dan organische P-vormen.
Algencellen die uitgehongerd zijn wat P betreft, beschikken over de capaciteit om snel P te accumuleren na aanvulling van P in het medium. Daarom werd het potentieel van P-uitgehongerde algencellen om Pi en organische P-vormen te accumuleren nagegaan. De initiële (< 0.5 uur) P-opnamesnelheden van Pseudokirchneriella subcapitata verhoogden met een factor 18 met toenemende P-uitputting. Algen met verschillende graad van initiële P-uitputting werden vervolgens blootgesteld aan verschillende model organische P-componenten incombinatie met carrier-vrij 33Pi. De P-opname (gedurende 1 uur) van organische P-componenten vermeerderde met een factor vijf met toenemende P-uitputting. De biobeschikbaarheid van de organische P, relatief tegenover Pi, werd berekend aan de hand van opname van 31P en 33P isotopen in deveronderstelling dat geen isotopische uitwisseling optreedt met de organische P-vormen. De relatieve biobeschikbaarheid varieerde van 0 tot 57%en was doorgaans onafhankelijk van de graad van P-uitputting. Het toepassen van een wasmethode om extracellulaire fosfatasen te verwijderen hadgeen invloed op deze resultaten. De korte termijn P-opnamesnelheid steeg snel met dalend intern P-gehalte van de algencellen maar de biobeschikbaarheid van organisch P, relatief tegenover Pi, bleef ongewijzigd. Dezebevindingen suggereren dat P-uitputting van algencellen de opnamecapaciteit van Pi bevordert maar dat tegelijk ook de capaciteit om organisch Pte hydrolyseren ongeveer proportioneel toeneemt.
Samengevat toont deze studie aan dat colloïdale P-vormen een belangrijke rol spelen in natuurlijke waterstalen. Deze P-vormen worden vlot meegemeten via ionchromatografie en colorimetrie terwijl hun biologische beschikbaarheid eerder laag blijft. Van de meest voorkomende organische P-vormen in natuurlijke waterstalen wordt niet verwacht dat ze veel bijdragen tot ionchromatografisch of colorimetrisch gemeten P terwijl deze P-vormen wel bijdragen tot de biologisch beschikbare fractie, zeker na een langere blootstellingsduur (weken versus minuten). Toekomstig onderzoek kan zich toespitsen opde DGT-techniek als een nog betere index dan de colorimetrie voor de voorspelling van biobeschikbaar P in waterstalen. Vervolgens kan de korte termijn biobeschikbare P voor natuurlijke colloïden onderzocht worden ennagegaan worden of de aanwezigheid van bacteriën en/of andere algensoorten de biobeschikbaarheid van de verschillende P-vormen doet toenemen.</>
</></></></></></></></>
Datum:1 jan 2009 → 19 apr 2013
Trefwoorden:Organic phosphor
Disciplines:Bodemwetenschappen, uitdagingen en vervuiling, Landbouw, land- en landbouwbedrijfsbeheer
Project type:PhD project