การวิเคราะห์หาออกซิเจนที่ละลายในน้ำ (Dissolved Oxygen, DO)

แก๊สออกซิเจนเป็นแก๊สที่จำเป็นต่อสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องใช้แก๊สออกซิเจนในกระบวนการต่างๆ ของเซลล์ภายในร่างกายในการผลิตพลังงานเพื่อการดำรงชีวิต แม้ว่าในบรรยากาศมีแก๊สออกซิเจนประมาณ 21 เปอร์เซ็นต์ แต่แก๊สออกซิเจนละลายน้ำได้น้อยมาก สัตว์น้ำจึงต้องใช้พลังงานเพื่อการหายใจมากกว่าสัตว์บกเพื่อให้ได้ออกซิเจนเพียงพอต่อความต้องการ ความสามารถในการละลายน้ำของแก๊สออกซิเจนขึ้นอยู่กับความกดดันของบรรยากาศ อุณหภูมิและความเค็มของนํ้า แก๊สออกซิเจนละลายน้ำได้มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิและความเค็มของน้ำลดลง (ตาราง )

นอกจากแก๊สออกซิเจนจะ ได้มาจากการแพร่จากบรรยากาศลงสู่แหล่งน้ำและจากปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ในแหล่งน้ำแล้ว แหล่งที่มาสำคัญของแก๊สออกซิเจนในแหล่งน้ำยังมาจากการสังเคราะห์แสงของแพลงก์ตอนพืช ส่วนการหายใจของสิ่งมีชีวิตและกระบวนการย่อยสารอินทรีย์ที่เกิดจากจุลินทรีย์รวมทั้งการทำปฏิกิริยากับสารอนินทรีย์ต่างๆ ที่มีอยู่ในน้ำทำให้แหล่งน้ำสูญเสียออกซิเจ

 ในภาวะทั่วไป ช่วงเวลาเช้ามืดก่อนดวงอาทิตย์ขึ้นออกซิเจนละลายจะมีค่าต่ำสุด แล้วค่อยๆ เพิ่มสูงขึ้นในตอนกลางวันจนมีค่าสูงสุดในตอนบ่ายอันเนื่องจากการสังเคราะห์แสงของแพลงก์ตอนพืช ส่วนในตอนกลางคืนไม่มีกระบวนการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้น สิ่งมีชีวิตต่างๆ ที่อาศัยอยู่ในน้ำมี แต่การใช้ออกซิเจนเพื่อการหายใจ ทำให้ออกซิเจนละลายค่อยๆ ลดลงอีกครั้ง

น้ำที่มีออกซิเจนละลายอยู่เต็มที่ (อยู่ในสมดุลพอดี) เรียกว่าอิ่มตัว (saturation) น้ำที่มีออกซิเจนละลายอยู่น้อย เรียกว่า ยังไม่อิ่มตัว (unsaturation) และน้ำที่มีออกซิเจนละลายอยู่มากกว่าสมดุล เรียกว่า อิ่มตัวเกินไป (oversaturation) ระดับความอิ่มตัวของออกซิเจนในน้ำแสดงได้ในรูปของ % อิ่มตัวดังนี้

ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณออกซิเจน ละลายน้ำในรอบหนึ่งวัน (Boyd, 1981)

อัตราการบริโภคออกซิเจนของสัตว์น้ำเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิความเข้มข้นของแก๊สออกซิเจน ขนาดของสัตว์น้ำ ระดับของกิจกรรม เวลาหลังจากการให้อาหาร และอื่นๆ สัตว์น้ำขนาดเล็กบริโภคออกซิเจนมากกว่าสัตว์น้ำขนาดใหญ่เมื่อวัดในน้ำหนักที่เท่ากัน

สัตว์น้ำแต่ละชนิดทนต่อการขาดออกซิเจนได้ต่างกัน เช่น Peneaid shrimp ระดับที่ทำให้เกิดการตายอยู่ระหว่าง 0.7-1.4 mg/L ขึ้นอยู่กับชนิด ขนาด และปัจจัยแวดล้อมอื่นๆ กุ้งที่สัมผัสกับออกซิเจนต่ำเป็นเวลานานจะทำให้การเจริญเติบโตและประสิทธิภาพในการกินอาหารของลดลง ปริมาณออกซิเจนละลายต่ำสุดที่เหมาะสมกับการเจริญเติบโตของกุ้งกุลาดำ กุ้งแชบ๊วย และปลากะรังจุดสีน้ำตาลมีค่าใกล้เคียงกัน อยู่ระหว่าง 3.5-3.8 mg/L ส่วนออกซิเจนละลายต่ำสุดที่เหมาะสมกับการเจริญเติบโตของปลากะพงขาวอยู่ที่ 2.4 mg/L (พานิชย์ และจารุวัฒน์, 2538) ปลาจะเจริญเติบโตไม่ดีถ้ามีออกซิเจนต่ำกว่า 25 เปอร์เซ็นต์ของจุดอิ่มตัวเป็นเวลานาน โดยทั่วไปในบ่อเลี้ยงสัตว์น้ำควรมีออกซิเจนที่ละลายน้ำไม่น้อยกว่า 6 mg/L หรืออย่างต่ำ 90 เปอร์เซ็นต์ของจุดอิ่มตัวจะทำให้การเลี้ยงสัตว์น้ำเป็นไปอย่างราบรื่น(Lawson, 1995)

ผลของออกซิเจนละลายต่อสัตว์น้ำ

ที่มา : Lawson (1995)

การหาออกซิเจนละลายด้วยการไตเตรท

การเก็บตัวอย่าง

ขวดสำหรับเก็บตัวอย่างน้ำเพื่อวิเคราะห์หาออกซิเจนละลายเป็นขวดแก้วมีฝาปิด เรียกว่า ขวดบีโอดี ในการเก็บตัวอย่างน้ำเพื่อวิเคราะห์หาออกซิเจนละลายต้องระมัดระวังไม่ให้เกิดฟองอากาศ โดยควรใช้กระบอกเก็บน้ำในการเก็บตัวอย่าง ในระหว่างการถ่ายน้ำจากกระบอกเก็บน้ำต้องให้สายยางที่ต่อจากกระบอกเก็บน้ำถึงก้นขวดเพื่อป้องกันไม่ให้ออกซิเจนจากบรรยากาศลงไปเจือปน ขณะปล่อยน้ำต้องค่อยๆ เลื่อนให้ปลายสายยางจุ่มใต้ผิวน้ำในขวดบีโอดีประมาณ 1 เซนติเมตร อยู่ตลอดเวลา เมื่อน้ำล้นปากขวดบีโอดีปล่อยให้น้ำล้นสักระยะหนึ่งแล้วค่อยๆ ใช้จุดแก้วปิดฝาขวดโดยไม่ให้มีฟองอากาศหลงเหลืออยู่ที่คอขวดบีโอดี

โดยทั่วไปแล้วควรทำการวิเคราะห์หาออกซิเจนละลายทันทีหลังจากเก็บตัวอย่าง หากไม่สามารถทำได้ ควรตรึงออกซิเจนละลายไว้ให้คงที่ด้วยการเติมสารละลายแมงกานัสซัลเฟต(manganous sulfate) และน้ำยาอัลคาไลไอโอไดด์อะไซด์ (alkali-iodide-azide reagent) อย่างละ 1 มิลลิลิตร ตามลำดับ เขย่าให้สารละลายเข้ากันจนเกิดตะกอน หลังจากนั้น sealed ที่คอขวดด้วยน้ำตัวอย่าง แล้วเก็บขวดตัวอย่างไว้ไม่ให้ถูกแสง ซึ่งสามารถเก็บรักษาตัวอย่างไว้ได้นาน 12 ชั่วโมง (Grasshoff et al., 1999)

หลักการวิเคราะห์หาออกซิเจนละลาย

การวิเคราะห์หาออกซิเจนละลายในน้ำทะเลด้วยวิธี azide modification เป็นวิธีที่เชื่อถือได้และมีความเที่ยงตรง (Strickland and Parsons, 1972) ในการวิเคราะห์หาปริมาณออกซิเจนละลายด้วยวิธีนี้จะใช้แมงกานัสไฮดรอกไซด์ (manganous hydroxide, Mn(OH)2) เป็นตัวตรึงออกซิเจนในน้ำ ดังสมการ (Boyd, 1979)

I₂ + starch (blue) I₂ + 2Na₂S₂O₃.5H₂O ---------------> Na₂S₄O₆ + 2NaI + 10H₂O + starch (no blue)

ตามสมการข้างบนจะเห็นได้ว่า 1 โมเลกุลของ Na₂S₂O₃.5H₂O จะทำปฏิกิริยากับไอโอดีน 1 อะตอม (1/2I₂) เนื่องจากแต่ละอะตอมของออกซิเจนจะออกซิไดส์ไอโอดีนอิออน(2I^-) ได้ไอโอดีน(I₂) และ 1โมเลกุลของ Na₂S₂O₃ .5H₂O (น้ำหนักโมเลกุลเท่ากับน้ำหนักสมมูลย์) เท่ากับน้ำหนักสมมูลย์ของออกซิเจน(O₂) ดังนั้นสารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟต 1 นอร์มอล จำนวน 1 มิลลิลิตร จึงเท่ากับออกซิเจน (O₂) หนัก 8 mg เนื่องจากน้ำโดยทั่วไปมีออกซิเจนละลายอยู่ประมาณ 8 mg/L สารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟต 1 นอร์มอล จึงเข้มข้นเกินไป ถ้าลดความเข้มข้นของสารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟตลงเป็น 1/8 นอร์มอล ( = 0.125 นอร์มอล) สารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟต 1 มิลลิลิตร จะเท่ากับ 1 มิลลิกรัมของออกซิเจน ซึ่งถ้าน้ำมีออกซิเจนละลายอยู่ 5-8 mg/L ต้องใช้สารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟต 5-8 มิลลิลิตร และใช้น้ำตัวอย่างถึง 1,000 มิลลิลิตร แต่ขวดบีโอดีมีความจุสูงสุดเพียง 300 มิลลิลิตร จึงสามารถนำตัวอย่างน้ำเพียง 100 มิลลิลิตร 200 มิลลิลิตร และ 300 มิลลิลิตร เท่านั้นมา ไตเตรท แต่ถ้าลดความเข้มข้นของสารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟต 1/8 นอร์มอล ลงอีก 1/5 นอร์มอล ซึ่งจะมีค่าเท่ากับ0.025 นอร์มอล และลดปริมาณน้ำตัวอย่างลง 1/5 ของ 1,000 มิลลิลิตร (=200 มิลลิลิตร) ก็จะใช้สารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟตเพียง 8 มิลลิลิตร สำหรับตัวอย่างน้ำที่มีออกซิเจนละลายอยู่ 8 mg/L ดังนั้นจึงนิยมใช้สารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟต 0.025 นอร์มอล ไตเตรทหาออกซิเจนละลาย เนื่องจากปริมาณออกซิเจน(mg/L) เท่ากับจำนวนมิลลิลิตรของสารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟตที่ใช้ในการไตเตรท ในกรณีปริมาณของตัวอย่างไม่เท่ากับ 200 มิลลิลิตร หรือความเข้มข้นของสารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟตไม่เท่ากับ 0.025 นอร์มอล สามารถใช้สูตรข้างล่างนี้คำนวณหาปริมาณออกซิเจนได้ดังนี้

น้ำยาเคมีและวิธีเตรียม (APHA, AWWA and WEF, 1995)

1. สารละลายแมงกานีสซัลเฟตเตตราไฮเดรตละลายแมงกานีสซัลเฟตเตตราไฮเดรต (MnSO4.4H2O) 480 กรัม หรือแมงกานีสซัลเฟตไดไฮเดรต (MnSO₄.2H₂O) 400 กรัม หรือแมงกานีสซัลเฟตโมโนไฮเดรต (MnSO₄ .H₂O) 364 กรัมในน้ำกลั่น ปรับปริมาตรให้ได้ 1 ลิตร สารละลายไม่ควรมีสีเมื่อเติมน้ำแป้งและสารละลายโปแตสเซียมไอโอไดด์ (KI)

2. น้ำยาอัลคาไลไอโอไดด์อะไซด์ (alkali-iodide-azide reagent)

1) สำหรับตัวอย่างซึ่งมีออกซิเจนละลายเกินจุดอิ่มตัว (supersaturated sample) :ละลายโซเดียมเอไซด์ (NaN₃) 10 กรัม ในน้ำกลั่น 500 มิลลิลิตร แล้วเติมโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) 480 กรัม และโซเดียมไอโดไดด์ (NaI) 750 กรัม กวนให้ละลายผสมเป็นสารละลายเดียวกัน สารละลายนี้จะมีสีขาวขุ่น (ข้อควรระวัง ห้ามเติมกรดลงในสารละลายนี้ เพราะจะทำปฏิกิริยาได้ hydrazoic acid fumes ซึ่งจะเป็นอันตรายได้)

2) สำหรับตัวอย่างที่มีออกซิเจนต่ำกว่าจุดอิ่มตัวหรือมีออกซิเจนอิ่มตัวพอดี (saturated or less-than-saturated sample) : ละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) 500 กรัม (หรือโปแตสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) 700 กรัม) และ โซเดียมไอโดไดด์ (NaI) 135 กรัม (หรือโปแตสเซียมไอโอไดด์(KI) 150 กรัม ) ในน้ำกลั่น แล้วปรับปริมาตรให้ได้ 1 ลิตร หลังจากนั้นจึงเติมโซเดียมอะไซด์ (NaN₃) 10 กรัม ที่ละลายในน้ำกลั่น 40 มิลลิลิตร ลงไปในสารละลายข้างต้น สารละลายไม่ควรมีสีเมื่อเติมน้ำแป้งและสารละลายโปแตสเซียมไอโอไดด์

3. กรดซัลฟูริกเข้มข้นกรดซัลฟูริกเข้มข้น (concentrated H₂SO₄ acid) 1 มิลลิลิตร จะทำปฏิกิริยาสมดุลย์กับสารละลายอัลคาไลไอโอไดด์เอไซด์ (alkali-iodide-azide reagent) 3.0 มิลลิลิตร

4. น้ำแป้ง

ละลายแป้ง (laboratory-grade soluble starch) 2-4 กรัม และสารละลายกรดซาลิไซลิก (salicylic acid) 0.2 กรัม ในน้ำกลั่นที่ร้อน 100 มิลลิลิตร (อาจจะต้องต้มและกวนให้สารละลายเป็นเนื้อเดียวกัน และเติมน้ำกลั่นให้พอเพื่อให้สารละลายไม่ข้นเกินไปนัก)

5. สารละลายมาตรฐานโซเดียมไธโอซัลเฟต ละลายโซเดียมไธโอซัลเฟตเพนตะไฮเดรต (Na₂S₂O₃.5H₂O ) 6.205 กรัม ในน้ำกลั่น แล้วเติมสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH ) 6 นอร์มอล จำนวน 1.5 มิลลิลิตร หรือ 0.4 กรัม จากนั้นเจือจางให้ได้ 1 ลิตร สารละลายนี้จะต้องนำมาหาความเข้มข้นที่แน่นอนกับสารละลายโปแทสเซียมไบไอโอเดต (KH(IO₃)₂) ทุกครั้งที่เตรียมใหม่

6. สารละลายโปแทสเซียมไบไอโอเดต 0.025 นอร์มอล ละลายโปแทสเซียมไบไอโอเดต (KH(IO₃)₂) 812.4 มิลลิกรัม ในน้ำกลั่นที่ปราศจากก๊าซคาร์ไดออกไซด์ แล้วปรับปริมาตรให้ได้ 1 ลิตร

7. การเทียบมาตรฐานความเข้มข้นของสารละลายมาตรฐานโซเดียมไธโอซัลเฟต การเทียบมาตรฐานความเข้มข้นของสารละลายมาตรฐานโซเดียมไธโอซัลเฟตทำได้ดังนี้

ตาราง  ความสามารถในการละลายน้ำของแก๊สออกซิเจน (mg-O₂/L) ที่อุณหภูมิและความเค็มต่างๆ ณ ความดัน 1 บรรยากาศ

ขั้นตอนวิเคราะห์

1. เก็บน้ำด้วยขวดบีโอดี (ระวังอย่าให้มีฟองอากาศ) เติมสารละลายแมงกานีสซัลเฟต (MnSO₄) และสารละลายอัลคาไลไอโอไดด์อะไซด์ อย่างละ1 มิลลิลิตร โดยให้ปลายไปเปตจุ่มใต้ผิวน้ำตัวอย่าง ปิดจุกขวดโดยไม่ให้มีฟองอากาศเหลืออยู่ที่คอขวดบีโอดี เขย่าขวดโดยคว่ำขวดขึ้นลงประมาณ 15 ครั้ง ตั้งทิ้งไว้ให้ตะกอนตกตะกอนประมาณครึ่งขวด (หากไม่ต้องการนำไปไตเตรททันที ควร sealed ที่คอขวดด้วยน้ำตัวอย่าง แล้วเก็บขวดตัวอย่างไว้ไม่ให้ถูกแสง ซึ่งสามารถเก็บรักษาตัวอย่างไว้ได้นาน 12 ชั่วโมง ดังกล่าวแล้วข้างต้น)

2. เติมกรดซัลฟูริกเข้มข้นลงไป 1 มิลลิลิตร (ค่อยๆ ปล่อย) ปิดจุกขวดบีโอดี แล้วเขย่าขวดบีโอดีโดยคว่ำขวดขึ้นลงจนกระทั่งตะกอนละลายหมด

3. ตวงสารละลายที่ได้ตามข้อ 2 มา 200 มิลลิลิตร แล้วไตเตรทกับสารละลายมาตรฐานโซเดียมไธโอซัลเฟต 0.025 นอร์มอล จนสีสารละลายจางลง หลังจากนั้นเติมน้ำแป้ง 2-3 หยด(สีสารละลายจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน) แล้วไตเตรทต่อจนสารละลายกลายเป็นสีขาวใส (ควรทิ้งให้สารละลายมีสีขาวใสอย่างน้อย 20 วินาที ( Strickland and Parsons, 1972) บันทึกปริมาตร (มิลลิลิตร) ของสารละลายมาตรฐานโซเดียมไธโอซัลเฟต 0.025 นอร์มอล ที่ใช้ไป ปริมาณ (มิลลิลิตร) ของสารละลายมาตรฐานโซเดียมไธโอซัลเฟต 0.025 นอร์มอล เท่ากับปริมาณ mg/L ของแก๊สออกซิเจน

4. การไตเตรทตามข้อ 3 ถ้าเติมสารละลายมาตรฐานโซเดียมไธโอซัลเฟต มากเกินจุดสมดุลย์ (end point) ต้องทำการไตเตรทย้อนกลับ( back titrate) ด้วยสารละลาย Bi-iodate 0.025 นอร์มอล แล้วคำนวณกลับตามวิธีเทียบมาตรฐาน

การหาออกซิเจนละลายด้วยเครื่องมือวัด

การเตรียมเครื่องมือ

2. ทำการ calibrate เครื่องวัด ซึ่งจะต้องทำการ calibrate เครื่องมือวัดก่อนนำไปใช้ทุกครั้ง วิธี calibrate เครื่องวัดออกซิเจนภาคสนามมี 3 วิธี คือ

1) การไตเตรท เครื่องวัดออกซิเจนที่สามารถ calibrated เทียบกับการไตเตรท เช่น เครื่องวัดออกซิเจนของ YSI รุ่น 57 ซึ่งทำได้ดังนี้

- ตรวจความเรียบร้อยของ probeและเครื่องวัดโดยเมื่อปรับปุ่มเข็มวัดควรชี้ที่เลขศูนย์ และเมื่อปรับไปยังปุ่ม red line เข็มวัดควรชี้ที่เส้นสีแดง

- ตักน้ำใส่ถังพลาสติก แล้วเก็บตัวอย่างน้ำด้วยขวดบีโอดี นำไปไตเตรทหาออกซิเจนละลาย

- วัดออกซิเจนละลายของน้ำในถังด้วยเครื่องวัด หากค่าที่วัดได้ไม่ตรงกับค่าที่ได้จากการไตเตรทให้ทำการปรับค่าให้เท่ากับค่าที่ได้จากการไตเตรท

2) Air-saturated water calibration การ calibrate เครื่องวัด ด้วยวิธีนี้มีขั้นตอนดังนี้

- เติมอากาศในน้ำจืด (300-500 มิลลิลิตร) ให้อิ่มตัวอย่างน้อย 15 นาที

- ย้ายหัววัดลงในน้ำที่อิ่มตัวด้วยอากาศ และมีอุณหภูมิคงที่ หมุนปุ่มไปที่อุณหภูมิ แล้วอ่านค่า ทำการเทียบค่าที่ได้กับค่าในตาราง

ตาราง  ความสามารถในการละลายของออกซิเจนในน้ำจืด ณ ความดัน 1 บรรยากาศ

3) Air calibration เครื่องวัดออกซิเจนบางยี่ห้อสามารถ calibrate ได้หลายวิธี อย่างเช่น เครื่องวัดออกซิเจนยี่ห้อ YSI รุ่น 57 สามารถทำการ calibrated ได้ทั้งการไตเตรท และ Air calibration แต่เครื่องวัดออกซิเจนบางยี่ห้อ เช่น WTW ทำการ calibrated ได้เพียงวิธีเดียว คือ Air calibration ซึ่งมีขั้นตอนดังนี้

- เอาหัววัดใส่ใน air calibration chamber ที่มีฟองน้ำชื้นอยู่

- จากนั้นเริ่ม calibrated รอจนกระทั่งเครื่องหมาย AR หยุดกระพริบ และค่า slope อยู่ในช่วง 0.6-1.25 เป็นอันว่าเครื่องพร้อมที่จะใช้งาน

การวัดค่าออกซิเจนละลายด้วยเครื่อง YSI รุ่น 57

1. วัดความเค็มของน้ำ

2. ปรับค่าความเค็มตามค่าที่วัดได้

3. จุ่มหัววัดลงในน้ำจนถึงความลึกที่ต้องการ แกว่งสายวัดเบา ๆ (ความเร็วประมาณ 1 ฟุต/วินาที) บันทึกค่าที่วัดได้ (การบันทึกค่าที่วัดได้ควรปฏิบัติตามคำแนะนำตามคู่มือของแต่ละยี่ห้ออย่างเคร่งครัด)

4. ทำความสะอาดหัววัด แล้วเก็บเข้าที่ให้เรียบร้อย