JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
русский

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

Лабораторно-определяется Фосфор поток от озерных отложениях в качестве меры внутреннего фосфора Загрузка

Published: March 06, 2014
doi:
10.3791/51617
, ,
1Annis Water Resources Institute,Grand Valley State University

Summary

Озеро эвтрофикации является вопрос качества воды во всем мире, что делает необходимость выявления и контроля источников питания критической. Лабораторное определение скорости высвобождения фосфора из донных отложений является ценным подход к определению роли внутреннего загрузки фосфора и руководящих управленческих решений.

Abstract

Эвтрофикации является вопрос качества воды в озерах по всему миру, и есть острая необходимость определить и контролировать питательных источников. Внутренняя фосфора (Р) загрузка из озерных отложений может составлять значительную часть общего P нагрузки в эвтрофные и некоторых мезотрофных, озер. Лабораторное определение скорости высвобождения P состава отложений является одним из подходов для определения роли внутреннего P нагрузки и направления управленческих решений. Два главных альтернатив экспериментального определения осадка P-релизе существуют для оценки внутренние нагрузки: непосредственных измерений изменений в hypolimnetic P во времени и баланса массы P в. Экспериментальный подход с использованием лабораторных основе отложений инкубации количественно внутренний P нагрузки является прямым методом, что делает его ценным инструментом для управления озера и восстановления.

Лабораторные инкубации из донных отложений может помочь определить относительную важность Внутренний против внешних нагрузок P,а также использоваться для ответа разнообразные управлению озером и исследовательских вопросов. Проиллюстрируем использование осадка основных инкубации для оценки эффективности на сульфата алюминия (квасцы) лечения для снижения осадка P-релиз. Другие исследовательские вопросы, которые могут быть исследованы с помощью этого подхода включают влияние осадка ресуспендированием и биотурбации на P-релизе.

Этот подход также имеет свои ограничения. Предположения должны быть сделаны в отношении: экстраполяции результатов донных отложений на всю озера; решив над тем, что периоды времени для измерения питательных релиз и устранения возможных артефактов центральной трубы. Комплексный растворяется стратегии мониторинга кислорода для оценки временной и пространственной статус окислительно-восстановительного в озере обеспечивает большую уверенность в ежегодных нагрузок P оценкам от отложений основных инкубации.

Introduction

Поскольку все большее количество озер по всему миру страдают от культурного эвтрофикации, определение причин ухудшения качества воды становится все более важным для управления озера и восстановления. Фосфор (P) загрузка в озерах, как правило, участвуют в эвтрофикации, как это чаще всего питательных ограничения роста водорослей 1. Исторически сложилось так, количественная оценка P погрузки до озер сосредоточено на внешних источников, или P, происходящих в бассейне через точки и рассредоточенных источников. Тем не менее, внутренняя нагрузка от озерных отложениях может объяснить большую часть, если не большинство, из общей P нагрузки в эвтрофных озер 2-5. Таким образом, даже существенное сокращение внешней нагрузки в озерах может не привести к улучшению качества воды в связи с первостепенной эффекта P-релизе от отложений 5-8. Из-за экологических и социальных последствий P нагрузки, в том числе стоимости и сложности управления P, очень важно, чтобы P транспортировку грузовточно определены до принятия стратегии управления.

По крайней мере, два различных механизма ответственны за выпуском фосфора от отложений. 1) в периоды аноксии, гипоксии или восстановительных условий может привести к десорбции фосфата из железа гидроксидов на границе раздела осадок водой, в результате чего диффузию растворенного фосфата из отложений в толщу воды 9-11. 2) Нарушение поверхности осадка, через ветрового ресуспендирования и биотурбации, может привести к высвобождению P в толще воды либо десорбции Р из ресуспендировали частиц осадка или высвобождения растворенного Р из поровой воды осадка в водной толще соответственно 11-13.

Три основных подхода доступны для количественного внутренний P нагрузку на озерах 14,15. (1) В полевых измерений изменений в hypolimnetic общего фосфора (TP) с течением времени могут быть использованы при мониторингданные. Оценки Внутренние нагрузки на основе измерений на местах страдают от высокой изменчивости, связанной с присущей пространственной и временной изменчивости экологических данных и могут быть затронуты недостаточной частоте мониторинга 14. (2) Материальный баланс может быть использован для оценки внутреннюю нагрузку, когда полные бюджетов P может быть построена. Тем не менее, лишь в редких случаях имеется достаточно данных на P входов и экспорта построить полную P бюджет 16. (3) Экспериментально-ставки, определенные осадок P высвобождением могут быть использованы в сочетании с информацией о поверхностной степени и продолжительности P выпуска (т.е. бескислородной период), чтобы вычислить внутреннюю P нагрузку. Это является прямым методом внутреннего количественного P нагрузки, хотя это тоже имеет ограничения (см. ниже).

Потому что управленческие решения часто должны быть сделаны на сжатом временном масштабе, в связи с ограничениями финансирования или давление со стороны общества, экспериментального определения внутреннего PНагрузка может иметь большую полезность для управления озера и восстановления, так как требует меньше времени и данных, чем на месте и подходов баланса масс. Лабораторные инкубации из донных отложений, в сочетании с контролем внешних нагрузок, были использованы для определения относительного вклада внутренних и внешних нагрузок P, с целью руководящих управленческих решений с целью оптимизации питательных управления источником 2,4,17. В двух Мичиган озера с широким развитием береговой линии и высокий процент непроницаемой поверхности (> 25%) в суб-бассейнов, непосредственно примыкающих к озеру, внутренний P нагрузки, по оценкам, составляют до 80% от общего P нагрузки, что вызвало рекомендации сосредоточить усилия управления по снижению отложений P релиз 2,4. Напротив, экспериментальные исследования осадка от менее развитого озера в том же регионе, показали, что внутренняя нагрузка состоит лишь 7% от общего P нагрузки, что вызвало рекомендацию сосредоточиться стратегии управления P в ваtershed 17. Донных отложений эксперименты также были использованы в озере Мичиган, чтобы определить потенциальную эффективность сульфата алюминия (квасцы) лечение для снижения осадка скорости высвобождения P 2, наиболее эффективным квасцы дозирования концентрации и эффекты осадков ресуспендированием 13, а эффективность на месте лечения квасцов на 1 год 18 и 5 лет 19 после лечения. Экспериментальное определение внутреннего P нагрузки является эффективным подходом к обеспечению ответы на ключевые вопросы управления в эвтрофных озер.

Protocol

1. Полевые испытания Провести отбор проб один раз в течение каждого свободного ото льда моря (где применимо) в течение 1-2 лет, если это возможно (т.е. в 3 раза / год в северо умеренного климата). Если времени и / или средств запретить сезонный отбор проб, проводят отбор проб один раз в год во время середины-конце лета. Выберите отложений сайтов сбора для покрытия различных географических регионов в озере. Выбор места, близкие к исторической качества воды и / или отложений участков отбора проб, если это возможно, часто желательно воспользоваться исторических данных. В противном случае, попытаться выбрать сайты, которые представляют различные типы отложений в озере. Провести отбор проб качества воды до донных отложений коллекцию. Как минимум, измерить глубину воды и вертикальные профили температуры воды и растворенного кислорода. Придонных измерения должны быть приняты как можно ближе к поверхности грунта, насколько это возможно, не нарушая осадок. Соберите любой другой Ваткачества э данные и образцы, которые желательны для выполнения конкретных целей исследования. Примеры включают вертикальные профили рН, проводимости и мутности, глубина Secchi; фотосинтеза активной радиации (PAR) профили; хлорофилл а; растворим реактивного фосфора (SRP); общего фосфора (TP) и азота видов. В каждом месте отбора проб, заполнить 10 л бутыль с водой, собранной 1 м над поверхностью осадков с помощью Ван Дорна или Нискин бутылку. Эта информация будет использоваться в начальной настройки из донных отложений в лаборатории и для заправки ядер после отбора проб во время инкубации. Поместите бутыль в холодильнике со льдом. Соберите 6 осадочных кернов на сайте, используя поршень бур 2,20. См. Фишер и др.. 20 для специальных инструкций, касающихся строительства бурового устройства. Вкратце, шумовой дорожки Устройство состоит из градуированного 0,6 м длинный поликарбоната основной трубы (7 см ID), поливинилхлорида (PVС) в сборе привязанность для соединения с алюминиевой тяги, поршня, изготовленный из двух резиновыми пробками и рым-болтом, с пластиковым покрытием поршня кабеля с зажимом поворотным и алюминия привода стержней. Сборка керна устройство в соответствии со следующими стадиями: Резьба на поворотный зажим конец кабеля поршня через верхнюю часть сборки крепления ПВХ. Ориентировать основной трубе с болтовыми отверстиями вверх и продлить кабель по всей длине основной трубы. Клип кабель поршня к рым-болтом поршневого пробкой. Прикрепите основной трубе к сборке крепления ПВХ с помощью металлической замок сцепного устройства. Извлеките кабель поршня для продвижения поршня 20 см от нижней части центральной трубки, чтобы поддерживать водный слой на верхней поверхности осадка во время основной коллекции. Присоединить алюминиевой приводной шток к другому концу узла крепления ПВХ с использованием проволочной замок сцепного устройства. Нижняя отбора керна устройство вертикально в воде, добавление дополнительных секций алюминиевого дискаСтержень по мере необходимости. Расположите бур вертикально на границе осадок-вода и нажмите вниз, с поршнем кабеля остается неподвижным. Чтобы достичь этого, тянуть кабель поршня тугой, как только бур находится в месте на границе осадок-воды, приложите вице ручки для кабеля, шаг на кабеля к внутренней стороне тисков, а затем нажмите вниз. Принесите ядро ​​на поверхность и печать с резиновой пробкой до разрушения поверхности воды. Закрепите нижнюю пробку с клейкой лентой. Болт поршень в верхней части центральной трубки, чтобы сохранить его стационарный во время транспортировки. Поместите основной трубе в вертикальной стойке и поддерживать при температуре окружающей придонном температуры озера, с помощью льда, если это необходимо. 2. Лаборатория Инкубационный По возвращении из области, отрегулируйте ядер, содержит требуемую глубину осадка и вышележащих толще воды. Избыток осадка можно осторожно выпускать дно центральной трубки через гemoving нижнюю пробку, добавить воды из бутыли, собранной в соответствующем месте, если это необходимо. Обычно используемые осадка и в толще воды Глубины 20-сантиметровый слой отложений с 25 см вышележащих толщу воды 2,4,13,17-19, но эти суммы могут быть изменены по желанию. Наведите донных отложений трубки в затемненной камере окружающей роста, с температурой, поддерживаемой, чтобы соответствовать окружающей нижние температуры воды, измеренные в поле. Expose сердечники для окислительно-восстановительные процедуры. Для лечения кислородной, пузырь толща воды из 3 ядер / сайта с воздухом. Водяного столба из оставшихся трех ядер на сайте с N 2 (с ~ 350 частей на миллион CO 2 в буфер рН) для бескислородной лечения пузыря. Убедитесь, медленный и последовательную скорость пузырь, который без нарушения поверхности осадка. На 1-й день основной инкубации фильтровать каждый 10 л бутыль, содержащую придонных воду, собранную с каждого сайта в этой области. Использование перистальтического насоса и картридж фильтракорпус, фильтр воды сначала через 1 мкм фильтр, а затем фильтр 0,2 мкм. Магазин фильтрованной воды при 4 ° С в течение всего срока основного инкубации. Примеры сердечники для скорости высвобождения P над продолжительности инкубационного периода 2,3. Потому что это окислительно-восстановительной чувствительным экспериментом, принять меры предосторожности для поддержания условия обработки окислительно-восстановительный когда это возможно. С помощью шприца удалите пробу воды 40 мл через порт выборки каждого ядра осадка в дни 0 (т.е. в момент ядра помещают в камеру роста), 1, 2, 4, 6, 8, 12, 20, 24 и 28 основного инкубации. (Примечание:. Если изменения в течение очень коротких временных рамок желательно, режим выборки может быть изменен, чтобы попробовать на ч 1, 2, 4, 8 и т.д. Тем не менее, система часто еще уравновешивания через первый 12 часов, так что P выпуск динамика может быть весьма переменная в начале инкубации.) Сразу после удаления, обойтись в 20 мл0; подвыборка в сцинтилляционный флакон и поставить в холодильник для анализа ТП. Фильтр другую 20 мл подвыборки через мембранный фильтр 0,45 мкм и в сцинтилляционный флакон и заморозить для анализа SRP. Заменить 40 мл подвыборки с равным объемом фильтрованной воды (см. шаг 2.4) из соответствующего сайта. 3. Р выпуска Оценить Расчет Рассчитать поток (скорости высвобождения), основанный на изменении ТП толще воды или SRP, используя следующее уравнение 2: Р р-р = (С т – С 0) × V / A где Р р-р является чистым Р-релиз (положительные значения) или сохранение (отрицательные значения) Цена за единицу поверхности осадка (мг P / м 2 / г), С т является TP или SRP концентрация в толще воды в момент времени т , C 0 TP или SRP концентрацию в момент времени 0, В является объем воды в водной толще сердцевины TUbe, и это область плоская поверхность ядер осадка. Рассчитать скорость высвобождения P, используя линейную часть концентрации против кривой времени, чтобы дать максимальную скорость очевидным, релиз 4,13,18,19. Во избежание возможной краткосрочной уклон, выбрать непоследовательные даты выборки для C T и C 0 18,19. 4. Внутренняя Расчет по нагрузке Рассчитать годовой поток P. Для каждого сезона, на котором произошла выборки, умножьте бескислородной и кислородной поток индивидуально по количеству дней в этом сезоне. Подводя сезонные значения, получая ежегодный бескислородной и кислородной поток (мг / м 2 / год). Если несколько сайтов в том же озере были отобраны, этот расчет может быть выполнена либо отдельно для каждого сайта или с использованием средних значений потока для всех сайтов (см. раздел 4.2.2). Р-релиз от отложений, как правило, очень низкая зимой из-за низкой температуры воды. Если выборки не проводился в течение зимы,Предположим, что P поток 0 для этого сезона 14,15. Потому что большинство внутреннего освобождения P происходит в течение лета, ежегодный поток внутренней P можно грубо оценить по летних измерений только в отсутствие сезонных данных 2,15,17. Для этого подхода, вычислить поток P в соответствии с разделом 4.1.1 и предположим, 0 флюс для всех сезонов, кроме лета. Признать, что это будет консервативная оценка годового выпуска P. Если есть возможность, растворенные данных кислорода могут быть использованы для уточнения годовой P потока вычислений 2,4. Такие данные могут показать, что озеро испытывает гипоксию или кислородное голодание для определенного процента от года, или в определенные сезоны. В тех случаях, использовать бескислородной и кислородной поток в соответствии с соответствующей пропорции или сезона и просуммировать значения для расчета годовой поток внутреннего P. Например, если гипоксия или кислородное голодание измерялась только в летний период, расчета раздел 4.1.1 с помощью бескислородной поток для лета и потока кислородной дляостальные сезоны. Суммировать значения для получения годовой поток внутреннего P. Аналогичным образом, если указать обычные растворенные данные мониторинга кислорода, что озеро испытывает гипоксию или кислородное голодание 35% в году, умножьте ежегодный бескислородной поток из раздела 4.1.1 на 0,35 и годовой кислородной потока из раздела 4.1.1 по 0,65 и просуммировать значения для расчета Годовой поток внутренней P. Полимиктовыми озера представляют собой особую проблему для расчета внутренней P нагрузки, в связи с их частой смешивания и пространственно-временной изменчивости в окислительно-восстановительного состояния 14. Нюрнберг и др.. 16 разработали модель для расчета количества бескислородных дней полимиктовый озеро могут возникнуть в течение сезона или года. Активная область выпуск осадка и время (AA), которое представляет собой период времени (дни / сезон), что область похожа на поверхности озера активно рилизинг-P, может быть рассчитано следующим образом: AA = -36,2 + 50,2 журнала (Р сезон) + 0,762 г / 00,5 где Р-средняя концентрация TP водяного столба в течение данного сезона, г является средняя глубина, и является площадь поверхности озера. Для вычисления годовой поток внутреннего P, умножить на АА бескислородной потока и количества снабжаемых кислородом дней на кислородной потока для каждого сезона, а затем просуммировать все значения. Расширить внутреннюю поток P на всю площадь озера. Умножьте ежегодный поток P с шага 4.1 по всей площади поверхности озера для расчета годовой внутренний P нагрузку. Если годовой поток P не рассчитан в соответствии с разделами 4.1.4 или 4.1.5, используйте бескислородной ежегодный поток для расчета годовой внутренний P нагрузку. В противном случае используйте поток рассчитывается в разделах 4.1.4 или 4.1.5. Если несколько сайтов в том же озере были отобраны, озеро можно разделить на географических зон, связанных с каждого участка. Умножьте ежегодный поток бескислородной P (или ежегодный поток от разделах 4.1.4 или 4.1.5) для каждого сайта по площади поверхности зоны, то просуммировать значения для получения ЭннUAL внутренний P нагрузка для всего озера 4,17. Кроме того, среднее годовой поток P всех сайтов может быть использован в разделе 4.2.1. Подробные растворенные данных кислорода может означать, что конкретные области опыта озеро гипоксических или бескислородных условиях (например, глубокие районы), в то время как другие области остаются кислородной круглый год. Если есть возможность, использовать эту информацию для уточнения потока расчет × площадь (Штейнман и др.., В процессе подготовки). Умножьте площадь бескислородной поверхности годовым бескислородной потока и умножить площадь поверхности кислородной годовым потока кислородной и сложите два значения для расчета годовой внутренний P нагрузку.

Representative Results

Внутренний релиз P измеряли состава отложений, собранных в Мона Лейк, Мичиган, чтобы определить относительный вклад внутреннего против внешних нагрузок P 4. Четыре объекта были отобраны в течение трех сезонов, чтобы оценить ежегодный внутренний P нагрузки, на которые приходится пространственного изменения в P потока. В осадочных кернах инкубировали в течение 20-28 дней в бескислородных и снабжаемых кислородом условиях, а в столбце вышележащих воды отбирали для SRP и концентрации ТП через регулярные промежутки времени в течение инкубационного периода. Бескислородной лечение срабатывает SRP и TP-релиз от отложений, однако, мы представляем только результаты потока ТП для иллюстрации. Концентрации TP были самыми высокими в течение лета в бескислородных лечения, и пространственная изменчивость в релизе TP было очевидно в течение всех сезонов (рис. 1). Средний поток внутренней ТП было меньше, чем 1,4 мг P / м 2 / день во всех снабжаемых кислородом ядер; отрицательные значения потока в 3 из 4 участков во время падения показали, что кислородной осадкас действовали в качестве поглотителя, а не источника P в течение этого сезона 4 (табл. 1). Скорости высвобождения TP были значительно выше в бескислородных ядер, с потока выше, чем 15,56 мг P / м 2 / день в летнее время и по цене от 0,80 мг P / м 2 / день весной 4 (табл. 1). Эти значения потока были использованы для расчета сезонной внутренний поток P на основе растворенных условиях кислорода, измеренная в момент осадка основной коллекции 4. Сезонное внутренний P нагрузка была рассчитана путем расширения потока на каждом участке с площадью поверхности соответствующей географической зоны 4; сезонные значения были подведены к оценкам ежегодный внутренний P нагрузку, предполагая 0 поток в зимний период. Годовой внутренний P нагрузка оценивалась в 3,4 метрических тонн, с большинством нагрузки, произошедшим в течение лета (табл. 2). Сравнивая эти результаты с одновременной оценки внешнего P нагрузки, было подсчитано, что отложения в Мона озера вклатэ между 9-82% от общего годового P нагрузки 4 (табл. 2). В серии экспериментов было проведено в Спринг-Лейк, штат Мичиган, чтобы определить 1) потенциальную эффективность сульфата алюминия (квасцы) лечения в снижении внутреннего P загрузку 2 и 2) эффективности на месте квасцов лечения 18,19. Лабораторные эксперименты, моделирующие озеро-широкое применение квасцов продемонстрировали резкое снижение внутреннего освобождения P с лечением 2 (рис. 2). Как и в приведенном выше примере, мы представляем только релиз TP из этих экспериментов, как представительных результатов. В бескислородных проводов без квасцов лечения (имитирующей природные условия летние в Спринг-Лейк отложений), средние концентрации TP в водный столб над отложениями составил более 1,2 мг / л (рис. 2). В противоположность этому, бескислородных сердечники вводили квасцов была практически не P высвобождения и концентрации не отличались от любой изоксидного обработки 2 (рис. 2). Осадка основной инкубационный проводится 1 год после озера шириной применения квасцов в Spring Lake, показало, что лечение было очень эффективным средством снижения осадка P-релиз, с темпами подобных между бескислородных и снабжаемых кислородом лечения 18 (рис. 3А) выпуска. Когда эксперимент был повторен 5 лет после лечения квасцов, выпуск ТП оставалась существенно ниже, чем предварительной обработки, но был больше, чем измеряется 1 год после лечения, что свидетельствует незначительное снижение квасцов эффективности 19 (рис. 3В). Рисунок 1. Общий фосфор (TP) концентрации (мг / л) измеряется во время лабораторных инкубаций донных отложений, полученных от Моны Лейк, Мичиган, во время. пружина (А), лето (B), и падение (C) 4 TP измеряли в ядрах осадка воды вышележащих от 4 озерных участков в течение 20 – до 28-дневного инкубирования. Письмо в легенде относится к окислительно-восстановительное состояние (A = бескислородной лечение; O = лечение кислородной); число относится к репликации количество (1-3). Обратите внимание на различные весы на у-осей среди сезонов. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение. Сезон Сайт Аноксические поток, мг P / м 2 / день Кислородной поток, мг P / м 2 / день Весна 1 2.77 ± 1.53 0,25 ± 0,01 2 2.82 ± 0.83 0,26 ± 0,23 3 0.80 & #177; 0,07 0,17 ± 0,07 4 1,15 ± 0,71 0,12 ± 0,04 Лето 1 7.06 ± 2.57 0,46 ± 0,24 2 9.27 ± 5.99 1,36 ± 0,73 3 15.56 ± 1.00 0,90 ± 0,29 4 13.63 ± 1.82 0,59 ± 0,41 Падать 1 4.48 ± 1.56 -0.66 ± 0,22 2 2.87 ± 0.97 -1.14 ± 0.93 3 3.10 ± 4.08 0,51 ± 0,13 4 6.46 ± 4.66 -0.79 ± 0,23 Таблица 1. Среднее (± СО) максимум Поток очевидно, TP (мг P / м 2 / день) в донных отложений, собранных из Mona Lake, штат Мичиган, и инкубировали в бескислородных условий и снабжаемых кислородом 4. Поток рассчитывают по изменению концентрации ТП с течением времени, показанного на рисунке 1. Сезон Внутренний P Нагрузка, т Внешний P Нагрузка, т Внутренняя нагрузка Вклад,% Весна 0.055 0.557 9,0% Лето 2.272 0.862 72,5% Падать 1.127 0.242 82,3% Зима 0.000 Годовой 3,454 Содержание "> Таблица 2. Ежегодные и сезонные оценки внутренние P нагрузка (т, Т) для Mona Lake, штат Мичиган, вычисляется на основе максимального потока очевидно TP 4 (показан в таблице 1). сезонные оценки внутренний P нагрузки по сравнению с внешней Р нагрузка оценкам определить вклад внутреннего нагрузки к общему P нагрузки. Рисунок 2. Среднее (± стандартное отклонение) ТП концентрации (мг / л), измеренная во время лабораторных инкубаций донных отложений, собранных из Спринг-Лейк, штат Мичиган, и экспериментально обрабатывали сульфата алюминия (квасцы) под снабжаемых кислородом и бескислородных условиях 2. TP измеряли в толще воды вышележащих осадочные керны над 20-дневного инкубационного периода. Эта цифра была изменена с Штейнман и др.. 2 Печатается поВведено, ASA, CSSA, ГАСС. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение. Рисунок 3. Среднее (± стандартное отклонение) ТП концентрации (мг / л), измеренная во время лабораторных инкубаций донных отложений, собранных из Spring Lake, Мичиган 1 год после 18 (А) и 5 лет после 19 (В) озеро широкое применение квасцов. Осадочных кернов были подвергнуты снабжаемых кислородом и бескислородных лечения и столбец вышележащих воды отбирали для концентрации TP в течение 22-дневного (A) до 25 дней (B) инкубации. Эта цифра была изменена с Штейнман и др. 18;. Панели и Штейнман и др. 19;. Панели B </stronг>. Печатается с разрешения, ASA, CSSA, ГАСС. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Discussion

Биогенная нагрузка на озерах может привести к как экологических, так и экономических нарушений 21-23, поэтому крайне важно, чтобы общество понимает природу питательных источников и как ими управлять. Дорогостоящие попытки сократить биогенной нагрузки не может улучшить качество воды, если соответствующий источник, способствующим (т.е. озерные отложения или водораздела входы) не направлено для принятия управленческих решений, в результате чего неудачи в восстановлении озера и разочарования со стороны заинтересованных сторон. В частности, в мелководных эвтрофных озер, количественное определение внутренней фосфорной нагрузки является важным шагом в определении стратегии управления для улучшения условий качества воды. Даже тогда, когда отложения вовлечены в качестве основного источника питательных веществ, сокращение внешнего P нагрузки должны быть включены в любой стратегии управления озеро для облегчения эвтрофикации, поскольку внешние входы P в конечном счете, накапливаются в донных отложениях и топливо будущего внутренняя нагрузка 24,25 </ SUP>.

Хотя другие подходы существуют, чтобы оценить внутреннюю P нагрузку, экспериментальное определение скорости высвобождения P является прямым методом, что может быть скорректирована, чтобы ответить на различные управления и исследовательских вопросов. Лабораторные инкубации из донных отложений, собранных из Spring Lake, штат Мичиган, были использованы для определения потенциальной эффективности в лечении квасцов 2 и наиболее эффективным концентрации приложений 13. В результате выводы из этих лабораторных исследованиях на основе, заинтересованные стороны разработали уверенность, что лечение квасцы может контролировать P-релиз в Спринг-Лейк отложений. Следовательно, они одобрили оценку финансировать лечение квасцов 10-летний; последующие донных отложений инкубации показало, что лечение было эффективным средством снижения осадка P поток 1 год 18 и 5 лет 19 после лечения. Донных отложений инкубации были также использованы для оценки последствий осадков ресуспендированием 13 </SUP> и биотурбация (Г. Ногаро и А. Харрис, неопубликованные данные) на P-релизе.

Несколько дополнительных анализов донных отложений может быть выполнена в сочетании с основными инкубации предоставлять информацию, которая будет полезна при интерпретации результатов P релиз отложений. Верхние 5 или 10-сантиметровый слой отложений может выдавливаться из ядер для анализа осадка ТП, поровой воде SRP, последовательной P фракционирования и металлов 4,18,19. Пример последовательного P фракционирования 26, которые могут быть полезны в внутренних исследований загрузки включает в себя определение количества P, связанный с 1) алюминий (Al-P) или железа (Fe-P), который представляет собой окислительно-восстановительный независимы (Al-P) и окислительно-восстановительный чувствительных (Fe-P) минеральные ассоциации, которые могут стать растворимым при анаэробных условиях, и 2) кальций (Ca-P) или магний (Mg-P), которые оба устойчивые минеральные ассоциации. Кроме того, осадок Fe: отношения P можно рассчитать, чтобы обеспечить представление о потенциальной P-связывающий мощностью отложений. Богатые железом отложения, которые остаютсяокисляется, как было показано, чтобы выпустить очень мало, когда P Fe: P коэффициенты выше 15 (по весу) 27. Эти дополнительные анализы осадка может быть выполнена на ядрах следующее внутренней нагрузки инкубации 4,18,19, или на повторных керна в момент внутреннего нагрузки основной коллекции, но не используемых для измерений скорости высвобождения.

Несмотря на преимущества экспериментального определения осадка P потока, подход не без ограничений. Ряд допущений часто должны быть сделаны, которые могут добавить неопределенность с результатами:

  • Один предположение, что скорости высвобождения из осадочные керны являются репрезентативными для условий в озере исследования. Чтобы свести к минимуму воздействие этого предположения, стратегии отбора проб должны быть разработаны, чтобы представить, как большая часть пространственной и временной изменчивости, как это возможно в наносов P-релизе. Отбор проб сайты должны охватывать как можно больше ареал, насколько это возможно в пределах озера, чтобы захватить пространственное изменение в наносов CharacteristИС 2. Если есть возможность, батиметрические карты могут быть использованы для выбора места, которые являются репрезентативными диапазоне донных глубинах в озере. Другие соображения для захвата пространственное изменение включают местоположение основных входов подчиненных и наличие различных озерных бассейнов. Когда это возможно, лабораторные инкубации следует проводить в течение каждого свободного ото льда моря и в течение нескольких лет, чтобы захватить временное изменение скорости высвобождения.
  • Второе предположение заключается в том, что условия инкубации являются представителями естественных условиях. Константа бескислородной состояние создает оптимальную ситуацию для выхода P, которые не могут, естественно, происходят в озере исследования. Таким образом, при отсутствии кислорода лечение может переоценить осадка P-релиз, поэтому это может быть лучше, чтобы думать о скорости высвобождения измеренных в бескислородных лечения как максимально возможных ставок.
  • Для того чтобы рассчитать ежегодный внутренний P нагрузку, предположения о сроках, продолжительности и пространственной протяженности hypolimnetic аноксии должны быть сделаны.Например, в сильно стратифицированных озер с относительно постоянной глубины воды и подтвержденных hypolimnetic кислородное голодание, некоторые исследования предположили, что весь район озера бескислородной во слоистых периодов с целью годовом исчислении внутренний P нагрузки 2,4. Тем не менее, это может привести к завышению нагрузки из-за снабжаемых кислородом отложений в мелководных прибрежных районах 4. Таким образом, комплексная растворяется стратегии мониторинга кислорода, который захватывает Diel, сезонный и пространственной изменчивости в окислительно-восстановительного состояния рекомендуется для точного годовом исчислении внутренний нагрузки.
  • Наконец, лабораторные инкубации может ввести экспериментальные артефакты в связи с невозможностью полностью имитировать естественные условия. Например, потому, что отложения в нем заключаются в основных труб, водообмен через проницаемые отложения исключается, однако, можно проектировать проточные основных труб, которые смягчают этот вопрос 28. Другие артефакты включают неспособность имитировать основнымсмешивания события или ветер-волнового воздействия, которые могут нарушить целостность осадка в природных систем.

Учитывая, что осадок основной инкубационный подход может быть использован для создания разумные оценки внутреннего P нагрузки в качестве лишь одного года (хотя несколько лет данных обеспечивают более надежную информацию), она является ценным инструментом для принятия обоснованных решений по управлению озером. При использовании для разработки планов по управлению озером или восстановления, это может помочь обеспечить разумное использование финансовых ресурсов. В озерах, где управление внутренней P нагрузка уже произошли, донных отложений инкубации может проверить эффективность лечения и использоваться для изменения траектории управления, если это будет оправдано.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы выражают благодарность поле и лаборатории помощь, оказываемую Джеймс Смит и Курт Томпсон. Финансирование оригинальных исследований, для которых была разработана этот протокол был предоставлен Весны Озеро-Лейк Совета 2,13,18,19; Мичиган Департамента качества окружающей среды 4, и Джим Дункан, Дэйв Фархат, и канцелярия президента в Гранд-Валли государственный Университет 17.

Materials

Multiparameter sonde YSI YSI 6600 The key parameters of interest are temperature and dissolved oxygen, although other measurements may be desired depending on the goals of the study. The other major manufacturer of multiparameter sondes is Hach (Hydrolab). 
Niskin bottle General Oceanics 101005 A Van Dorn bottle can also be used.
Carboys, 10 L  Nalgene DS2213-0020 Available from many laboratory supply companies, including Fisher Scientific and VWR.
Piston corer N/A N/A Details on construction materials given in Fisher et al. 1992
Vice grips N/A N/A
Duct tape N/A N/A
Vertical rack for holding core tubes N/A N/A Custom fabricated on-site.
Environmental growth chamber Powers Scientific, Inc. DS70SD
Compressed air with regulator N/A N/A Use lab air supply or purchase from local gas supply company.
Buffered N2 gas with regulator N/A N/A Purchase from local gas supply company. 
Parker Parflex Series E (instrument grade) polyethylene tubing; 1/4" o.d., 0.04" wall, .170" i.d. Parker E-43-B-0100 Tubing (from gas to chamber)
PEEK Capillary tubing; 1/16" o.d., 1/32" i.d. Fisher Scientific 3050412 Tubing (from manifold to cores)
Union tee Parker 164C-4
Union tee nut Parker 61C-4
Nylon tubing; 1/4" o.d., 3/16" i.d. US Plastics 58042
Ferrule, front and back; 1/4" Swagelock B-400-Set
Brass nut; 1/4" Swagelock B-402-1
Brass medium-flow meterings valve; 1/4" Swagelock B-4MG
Once-piece short finger tight fittings; 1/16" Alltech 32070 Half of the sampling port
Female 10-32 to female luer; 1/4 " Alltech 20132 Half of the sampling port
Ferrule, front and back; 1/16" Swagelock B-100-Set
Brass nut fittings; 1/16" Swagelock B-102-1
Tube fitting reducer; 1/16" x 1/4" Swagelock B-100-R-4
PTFE tubing; 1/16" o.d., 0.040" i.d. Grace Davison Discovery Sciences 2106982
Low-pressure PTFE tubing; 1/8" o.d., 0.1" i.d. Fisher Scientific AT3134 Tubing from sampling port into core
AirTite all-plastic Norm-Ject syringes, 50mL (60mL) luer slip (eccentric), Sterile Fisher Scientific 14-817-35
Wheaton HDPE liquid scintillation vials, 20 mL, Poly-Seal cone liner Fisher Scientific 03-341-72D
Nylon Syringe Filter; 30mm diameter, 0.45 mm Fisher Scientific 03-391-1A
Masterflex peristaltic pump, model 755490 Cole Parmer A-77910-20
Pall Filterite filter housing, model T911257000 Pall Corporation SCO 10UP
Graver QMC 1-10NPCS filter; 10", 1.0 mm Flowtech Corp N/A
Graver Watertec 0.2-10NPCS filter; 10", 0.2 mm Flowtech Corp N/A
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Schindler, D. W. The dilemma of controlling cultural eutrophication of lakes. Proc. Royal Soc. B. 279, 4322-4333 (2012).
  2. Steinman, A. D., Rediske, R., Reddy, K. R. The reduction of internal phosphorus loading using alum in Spring Lake. Michigan. J. Env. Qual. 33, 2040-2048 (2004).
  3. Moore, P. A., Reddy, K. R., Fisher, M. M. Phosphorus flux between sediment and overlying water in Lake Okeechobee, Florida: spatial and temporal variations. J. Env. Qual. 27, 1428-1439 (1998).
  4. Steinman, A. D., Chu, X., Ogdahl, M. Spatial and temporal variability of internal and external phosphorus loads in an urbanizing watershed. Aquatic Ecol. 43, 1-18 (2009).
  5. Søndergaard, M., Bjerring, R., Jeppesen, E. Persistent internal phosphorus loading during summer in shallow eutrophic lakes. Hydrobiologia. 710, 95-110 (2013).
  6. Björk, S. Lake restoration techniques. In: Lake pollution and recovery. International Congress of European Water Pollution Control Association. , 293-301 (1985).
  7. Graneli, W. Internal phosphorus loading in Lake Ringsjon. Hydrobiologia. 404, 19-26 (1999).
  8. Steinman, A. D., Reddy, K. R., O’Connor, G. A., Schelske, C. L., et al. . Phosphorus in Lake Okeechobee: sources, sinks, and strategies. In: Phosphorus Biogeochemistry of Subtropical Ecosystems: Florida as a case example. , 527-544 (1999).
  9. Mortimer, C. H. The exchange of dissolved substances between mud and water in lakes. J. Ecol. 29, 280-329 (1941).
  10. Marsden, M. W. Lake restoration by reducing external phosphorus loading: the influence of sediment phosphorus release. Freshwater Biol. 21, 139-162 (1989).
  11. Søndergaard, M., Jensen, J. P., Jeppesen, E. Role of sediment and internal loading of phosphorus in shallow lakes. Hydrobiologia. 506-509, 135-145 (2003).
  12. Selig, U. Particle size-related phosphate binding and P-release at the sediment-water interface in a shallow German lake. Hydrobiologia. 492, 107-118 (2003).
  13. Steinman, A. D., Nemeth, L., Nemeth, E., Rediske, R. Factors influencing internal P loading in a western Michigan, drowned river-mouth lake. J. N. Am. Benthol. Soc. 25, 304-312 (2006).
  14. Nürnberg, G. K. Assessing internal phosphorus load—problems to be solved. Lake Reservoir Manag. 25, 419-432 (2009).
  15. Nürnberg, G. K., LaZerte, B. D., Loh, P. S., Molot, L. A. Quantification of internal phosphorus load in a large, partially polymictic and mesotrophic Lake Simcoe, Ontario. J. Great Lakes Res. 39, 271-279 (2013).
  16. Nürnberg, G. K., Tarvainen, M., Ventellä, A. -. M., Sarvala, J. Internal phosphorus load estimation during biomanipulation in a large polymictic and mesotrophic lake. Inland Waters. 2, 147-132 (2012).
  17. Steinman, A. D., Ogdahl, M., Luttenton, M., Miranda, F. R., Bernard, L. M. . An analysis of internal phosphorus loading in White Lake Michigan. In: Lake Pollution Research Progress. , 311-325 (2008).
  18. Steinman, A. D., Ogdahl, M. Ecological effects after an alum treatment in Spring Lake Michigan. J. Env. Qual. 37, 22-29 (2008).
  19. Steinman, A. D., Ogdahl, M. E. Macroinvertebrate response and internal phosphorus loading in a Michigan Lake after alum treatment. J. Env. Qual. 41, 1540-1548 (2012).
  20. Fisher, M. M., Brenner, M., Reddy, K. R. A simple, inexpensive piston corer for collecting undisturbed sediment/water interface profiles. J. Paleolimnol. 7, 157-161 (1992).
  21. Carpenter, S. R., Bolgrien, D., Lathrop, R. C., Stow, C. A., Reed, T., Wilson, M. A. Ecological and economic analysis of lake eutrophication by nonpoint pollution. Aus. J. Ecol. 23, 68-79 (1998).
  22. Smith, V. H., Pace, M. L., Groffman, P. M. . Cultural eutrophication of inland, estuarine, and coastal waters. In: Successes, limitations, and frontiers in ecosystem science. , 7-49 (1998).
  23. Pretty, J. N., Mason, C. F., Nedwell, D. B., Hine, R. E., Leaf, S., Dils, R. Environmental costs of freshwater eutrophication in England and Wales. Env. Sci. Technol. 37, 201-208 (2003).
  24. Carpenter, S. R. Eutrophication of aquatic ecosystems: Bistability and soil phosphorus. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 10002-10005 (2005).
  25. Hansson, L. -. A., et al. Biomanipulation as an application of food chain theory: constraints, synthesis and recommendations for temperate lakes. Ecosystems. 1, 558-574 (1998).
  26. Moore, P. A., Reddy, K. R. Role of Eh and pH on phosphorus geochemistry in sediments of Lake Okeechobee, Florida. J. Env. Qual. 23, 955-964 (1994).
  27. Jensen, H. S., Kristensen, P., Jeppesen, E., Skytthe, A. Iron:phosphorus ratio in surface sediment as an indicator of phosphate release from aerobic sediments in shallow lakes. Hydrobiologia. 235-236, 731-743 (1992).
  28. Roychoudhury, A. N., Viollier, E., Van Cappellen, P. A plug flow-through reactor for studying biogeochemical reactions in undisturbed aquatic sediments. App. Geochem. 13, 269-280 (1998).

Tags

Phosphorus FluxInternal Phosphorus LoadingEutrophicationSediment CoresLaboratory IncubationsAlum TreatmentSediment ResuspensionBioturbationDissolved OxygenRedox StatusLake ManagementLake Restoration

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Ogdahl, M. E., Steinman, A. D., Weinert, M. E. Laboratory-determined Phosphorus Flux from Lake Sediments as a Measure of Internal Phosphorus Loading. J. Vis. Exp. (85), e51617, doi:10.3791/51617 (2014).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image