Analyse von Wasser in Feuchtgebieten auf Phosphat, Nitrit und Bakterien Essay (Artikel)

Words: 1916
Topic: Biologie

Abstrakt

Wasser ist ein lebenswichtiges Medium für biologische Reaktionen in Pflanzen und Tieren. Die Qualität des Wassers, die durch die Überwachung der chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften bestimmt werden kann, beeinflusst seine Sicherheit bei der Verwendung in verschiedenen lebenserhaltenden Prozessen. Ziel dieses Experiments war es, Wasser aus einem Feuchtgebiet auf Phosphat-, Nitrit- und Bakteriengehalt zu analysieren. Jeweils 100 Wasserproben wurden an drei Tagen an vier verschiedenen Stellen in einem an einen Fluss angrenzenden Park entnommen. Die Proben wurden einer physikalisch-chemischen Analyse unterzogen, indem Temperatur und pH-Wert mit einem Leitfähigkeits- und Temperaturmessgerät gemessen wurden. Die Konzentrationen von Chlor, Nitrit und Phosphat wurden mit einem tragbaren Photometer bestimmt. Die niedrigsten und höchsten Temperaturen lagen bei 17oC und 24,5oC, während der durchschnittliche pH-Wert 8,5 betrug. Die Nitritkonzentration lag unter den maximal zulässigen Grenzwerten für Trinkwasser. Die Bakterienpopulationen reichten von 2,69×104 bis 4,82×104 Zellen. Phosphat war die größte chemische Verunreinigung in dem Feuchtgebiet. Es wurde empfohlen, Nanopartikel-Filter zur Reinigung des Wassers zu verwenden.

Einführung

Wasser ist ein lebenswichtiger Bestandteil, der in großen Mengen benötigt wird, um Leben zu erhalten. Der Begriff “Wasserqualität” bezeichnet die chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften des Wassers. Die Qualität des Wassers variiert je nach Art des Organismus, den menschlichen Bedürfnissen oder dem Zweck. Eine Reihe von Parametern kann den Zustand des Wassers in der Umgebung verändern, darunter chemische, physikalische oder biologische Faktoren. Zu den physikalischen Merkmalen der Wasserqualität gehören die Temperatur und die Trübung. Zu den chemischen Merkmalen hingegen gehören Faktoren wie der pH-Wert, gelöste Gase und Ionen. Physiologische Reaktionen finden in einem bestimmten Temperaturbereich statt, was bedeutet, dass die Wassertemperatur auch für die darin lebenden Organismen günstig sein sollte. Wichtige Ionen, die bei der Wasserqualität zu berücksichtigen sind, sind Nitrit, Chlorid und Phosphat.

Nitrite sind Salze, die sich von salpetriger Säure ableiten und natürlich im Grundwasser vorkommen können. Diese Ionen können aber auch aus stickstoffhaltigen Düngemitteln über Abwässer, Abflüsse oder Mineralablagerungen in die Gewässer gelangen. Die vorherrschenden Bakterien in Feuchtgebieten sind Cyanobakterien, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Stickstoff in verwertbare Formen zu fixieren, symbiotische Verbindungen mit Pflanzen eingehen. Nitrifizierende Bakterien gewinnen ihre Energie aus der Oxidation von organischen Stickstoffverbindungen. Nitrit-Ionen können das Wachstum von Bakterien auslösen, wenn sie in großen Mengen in Gewässern vorhanden sind.

Phosphate sind Oxide des Phosphors, die bei der Bewertung der Wasserqualität wichtig sind. Die normale Konzentration von Phosphaten im Wasser sollte etwa 0,02 Teile pro Million betragen (Abu-Hmeidan, Williams & Miller 2018). Auch wenn alle Pflanzen Phosphate für ein gesundes Wachstum und eine gesunde Entwicklung benötigen, verringern hohe Konzentrationen dieses Anions den Sauerstoffgehalt und führen zu trübem Wasser.

Chloride sind Salze, die entstehen, wenn sich Chlorgas mit Metallen verbindet. Die häufigsten Chloridsalze sind Natriumchlorid und Magnesiumchlorid. Chloride können aus Quellen wie landwirtschaftlichen Abwässern, chloridhaltigem Gestein sowie aus Abwässern von Kläranlagen und anderen Industrien in das Grundwasser gelangen. Geringe Mengen an Chloriden sind für das normale Funktionieren der Zellen wichtig. Hohe Chloridkonzentrationen haben jedoch nachteilige Auswirkungen wie Korrosion von Metallen und Tod von Wasserlebewesen (Manahan 2017). Diese Ionen führen auch zur Korrosion von Metallen in industriellen Anwendungen. Daher muss der Gehalt an Chloridionen im Wasser auf einem empfohlenen Höchstwert gehalten werden, um diese Auswirkungen zu vermeiden. Der Zweck dieses Experiments ist es, die Qualität des Wassers aus einem Feuchtgebiet zu analysieren, wobei der Schwerpunkt auf dem Nitrit-, Phosphat- und Bakteriengehalt liegt.

Materialien und Methoden

Der Untersuchungsort war ein Park, der an einen Fluss mit einheimischen Bakterien grenzt.

Die Temperatur- und pH-Parameter der Wasserproben wurden mit einem Leitfähigkeits- und Temperaturmessgerät/ Modell EC-PCTestr35 gemessen. Chemische Parameter wie Chlor, Nitrit und Phosphat wurden hingegen mit einem tragbaren Winlab® Data Line Photometer bestimmt. Zur Bestimmung des Spektrums der untersuchten Substanzen wurde ein quantitativer Ansatz verwendet.

Die Wasserproben wurden an drei verschiedenen Tagen an vier verschiedenen Stellen im selben Park entnommen. Die Daten der Probenentnahme waren der 9.04.19, 14.04.19 und 7.05.19. Jede Probe hatte ein Volumen von 100 mL.

Zur Auszählung der Bakterien wurde die Durchflusszytometrie verwendet, da sie schnell und genau ist. Die Proben wurden für die bakterielle Auszählung mittels Durchflusszytometrie vorbereitet, indem 25 µl Wasser zu 224 µl 0,2 µm gefiltertem TE-Puffer hinzugefügt wurden. Anschließend wurden jeder Portion 10 µL SYTO Orange-Arbeitslösung zugesetzt.

Ergebnisse

Die Konzentrationen von Nitrit- und Phosphat-Ionen in den Wasserproben an verschiedenen Tagen sind in Tabelle 1 angegeben. Die niedrigsten und höchsten Temperaturen wurden am 7. Mai bzw. am 14. April gemessen. Der Gesamt-pH-Wert des Wassers lag bei etwa 8,5 (der niedrigste pH-Wert war 8,23 und der höchste 8,91). Im Gegensatz dazu lag die niedrigste Phosphatkonzentration bei weniger als 0,03 mg/L (30 µg/L). Die höchste gemessene Konzentration an Phosphationen betrug 0,555 mg/L, was 555 µg/L entspricht. Die Nitritkonzentrationen lagen an den meisten Tagen unter 0,010 mg/L, außer in Probe D am 14. April. Die Abbildungen 1 bis 4 zeigen die durchflusszytometrischen Daten der Bakterienpopulation für die vier verschiedenen Proben. Die Anzahl der lebenden Bakterienzellen betrug 2,69×104, 2,21×104, 3,33×104 und 4,82×104 für die Proben A, B, C und D.

Tabelle 1: Eine Zusammenfassung der Temperaturen, des pH-Werts und der Konzentrationen von Chlorid, Nitrit und Phosphat in den Wasserproben.

Diskussion

Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, dass die Wassertemperaturen während des gesamten Probenahmezeitraums zwischen 17,0oC und 24,5oC lagen. Die Wassertemperatur spielt eine wichtige Rolle für die biologische Aktivität und den Stoffwechsel von Wasserlebewesen. So gedeihen beispielsweise Wasserpflanzen bei warmen Temperaturen, während Fische wie Lachse bei kälteren Temperaturen gut gedeihen. Auch die Bakterienpopulationen im Wasser werden von der Temperatur bestimmt. Die gemessenen Temperaturwerte zeigten, dass Psychophile und Mesophile (in geringerem Maße) unter diesen Bedingungen wahrscheinlich blühen (Xia et al. 2018). Die Wassertemperatur wird durch Faktoren wie thermische Verschmutzung und Wärmeübertragung aus der Luft, anderen Wasserquellen und Sonnenlicht beeinflusst. Folglich schließen die beobachteten Temperaturen die Möglichkeit einer thermischen Verschmutzung aus. Die Temperatur sollte bei der Bewertung der Wasserqualität überprüft werden, da sie andere Faktoren verändert, die die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Wassers beeinflussen können. So wirkt sich die Wassertemperatur beispielsweise auf die Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff, den Salzgehalt, die Leitfähigkeit, das Oxidations-Reduktionspotenzial, den pH-Wert und die Dichte aus.

Die Härte, Weichheit und Korrosivität von Wasser wird häufig durch den pH-Wert des Wassers bestimmt. Reines Wasser sollte einen pH-Wert von 7 haben, der jedoch in vielen Wassersystemen oft zwischen 6,5 und 8,5 liegt (Jena & Sinha 2017). Dennoch wurden auch pH-Werte von bis zu 8,9 festgestellt. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass das Wasser in Bezug auf diesen Parameter relativ sicher für den Konsum ist. Eine Reihe von Studien legt nahe, dass das Trinken von alkalischem Wasser gesundheitliche Vorteile hat, wie z. B. die Verringerung der Viskosität des Blutes, die Verbesserung des Blutdrucks, die Senkung des Cholesterinspiegels und die Senkung des Säuregehalts im Magen-Darm-Trakt, wodurch der saure Reflux gelindert wird. Weitere angebliche Vorteile von alkalischem Wasser sind die Reinigung des Dickdarms, die Stärkung des Immunsystems, die Bereitstellung von Antioxidantien, die der Alterung entgegenwirken, die Verbesserung der Hautgesundheit und der Beitrag zur Gewichtsabnahme (Passey 2017; Zalvan et al. 2017).

Die niedrigste Anzahl lebender Bakterien war 2,21×104 in Probe B, während die höchste Anzahl 4,82×104 in Probe D war. Die Phosphatkonzentration war im Allgemeinen hoch, da der niedrigste Wert 0,03 mg/L (30 µg/L) betrug. Phosphat-Ionen fördern das übermäßige Wachstum von Algen, die ihrerseits andere Organismen im Wasser verdrängen, indem sie schädliche Toxine absondern. Es wurde auch nachgewiesen, dass Phosphatkonzentrationen von bis zu 10 µg/L (0,01 mg/L) im Wasser das mikrobielle Wachstum im Trinkwasser erhöhen (Manahan 2017). Diese Beobachtung war der Grund für die große Anzahl von Bakterienzellen, die festgestellt wurden, da hohe Phosphatkonzentrationen das mikrobielle Wachstum fördern. Der Nitritgehalt lag bei weniger als 0,010 mg/L, was unter dem maximalen Schadstoffgrenzwert der US-Umweltschutzbehörde von 1,0 mg/L liegt (Atekwana & Geyer 2018). Daher könnte die hohe Bakterienpopulation im Wasser hauptsächlich auf erhöhte Phosphatwerte zurückzuführen sein. Nitrite sind giftig für die menschliche Gesundheit, insbesondere bei Säuglingen. Studien zeigen, dass Nitrite die Sauerstoffversorgung des Gewebes durch die Bildung von Methämoglobin anstelle von sauerstoffhaltigem Hämoglobin beeinträchtigen (Ráduly & Farkas 2017). Folglich konnte das analysierte Wasser hinsichtlich seiner Nitritkonzentrationen als sicher angesehen werden.

Es hat sich gezeigt, dass Phosphor das wichtigste anorganische Element ist, das das Wachstum von Mikroben im Wasser beeinflusst (Abu-Hmeidan, Williams & Miller 2018). Diese Beobachtung bietet neue Möglichkeiten zur Begrenzung des mikrobiellen Wachstums im Wasser durch die Weiterentwicklung von Technologien zur Beseitigung von Phosphor, insbesondere für Trinkwasserzwecke. Eine vielversprechende Technik ist die Verwendung von Nanopartikeln als Filter zur Kontrolle von Wasserverschmutzung und Bakterienpopulationen. Dieser Ansatz kann als Point-of-Use-Methode angewendet werden. Seine Wirksamkeit wurde bei der Inaktivierung von coliformen Bakterien in verschmutzten Wasserquellen nachgewiesen. Nanopartikel-Papierfilter, die Kupfer- oder Silbernanopartikel enthalten, wurden erfolgreich zur Senkung von E. coli und Gesamtcoliformen in unbehandeltem Abwasser eingesetzt (Morsi et al. 2017). Ein solcher Ansatz kann zur Verbesserung der Wasserqualität in diesem Experiment verwendet werden.

Aufgrund seiner biologischen Anforderungen sollte Wasser frei von verunreinigenden Mikroorganismen und chemischen Stoffen sein, da Wasser von schlechter Qualität schädliche Auswirkungen auf lebende Organismen und das umgebende Ökosystem haben kann. Zu den biologischen Anhaltspunkten für die Wasserqualität gehören Organismen wie Bakterien, Algen und Phytoplankton. All diese Komponenten müssen in Wasser, das für verschiedene Zwecke bestimmt ist, innerhalb bestimmter Werte gehalten werden, die in Richtlinien und Vorschriften zur Wasserqualität festgelegt sind. Die Nichteinhaltung dieser Normen kann zu durch Wasser übertragenen Krankheiten und anderen gesundheitlichen Komplikationen führen, wodurch die Ausgaben für das Gesundheitswesen steigen und das Arbeitspotenzial einer Gesellschaft sinkt. Daher ist die Prüfung der Wasserqualität ein nützliches Verfahren, um die Sicherheit aller Organismen zu gewährleisten, die für ihr Überleben auf eine Wasserquelle angewiesen sind.

Schlussfolgerung

Die Qualität des Wassers sollte vor seiner Verwendung für häusliche oder industrielle Zwecke geprüft werden. Darüber hinaus kann die Gesundheit eines Ökosystems durch die Bewertung der Wasserqualität überwacht werden, um die Sicherheit des Lebens im Wasser zu gewährleisten. In diesem Experiment war Phosphat der Hauptschadstoff, der zu einem hohen Bakterienwachstum beitrug. Es wird empfohlen, das Wasser mit Hilfe von Nanopartikelfiltern zu reinigen, um es für den Konsum sicher zu machen.

Referenzliste

Abu-Hmeidan, H, Williams, G, & Miller, A 2018, ‘Characterizing total phosphorus in current and geologic Utah lake sediments: implications for water quality management issues’, Hydrology, vol. 5, no. 1, p. 8.

Atekwana, EA & Geyer, CJ 2018, ‘Spatial and temporal variations in the geochemistry of shallow groundwater contaminated with nitrate at a residential site’, Environmental Science and Pollution Research, vol. 25, no. 27, pp. 27155-27172.

Jena, V & Sinha, D 2017, ‘Physicochemical analysis of ground water of selected areas of Raipur city’, Indian Journal of Science Research, vol. 13, pp. 61-65.

Manahan, S 2017, Umweltchemie, CRC Press, Boca Raton, FL.

Morsi, RE, Alsabagh, AM, Nasr, SA & Zaki, MM 2017, ‘Multifunctional nanocomposites of chitosan, silver nanoparticles, copper nanoparticles and carbon nanotubes for water treatment: antimicrobial characteristics’, International Journal of Biological Macromolecules, vol. 97, pp. 264-269.

Passey, C 2017, ‘Reducing the dietary acid load: how a more alkaline diet benefits patients with chronic kidney disease’, Journal of Renal Nutrition, vol. 27, no. 3, pp. 151-160.

Ráduly, OC & Farkas, A 2017, ‘Nitrate, Nitrit und mikrobielle Denitrifikation im Trinkwasser aus dem Dorf Ozun (Kreis Covasna, Rumänien) und der Zusammenhang zwischen Veränderungen während der Wasserlagerung’, Studia Universitatis Babes-Bolyai Biologia, vol. 62, no. 1, pp. 17-28.

Xia, YL, Sun, JH, Ai, SM, Li, Y, Du, X, Sang, P, Yang, LQ, Fu, YX & Liu, SQ 2018, ‘Insights into the role of electrostatics in temperature adaptation: a comparative study of psychrophilic, mesophilic, and thermophilic subtilisin-like serine proteases’, RSC Advances, vol. 8, no. 52, pp. 29698-29713.

Zalvan, CH, Hu, S, Greenberg, B & Geliebter, J 2017, ‘A comparison of alkaline water and Mediterranean diet vs proton pump inhibition for treatment of laryngopharyngeal reflux’, JAMA Otolaryngology-Head & Neck Surgery, vol. 143, no. 10, pp. 1023-1029.