การวิเคราะห์ธาตุอาหาร

ให้เรตสมาชิก

ไม่ดีดี 

เคมีของธาตุอาหารในแหล่งน้ำ

 

1. ไนโตรเจนและสารประกอบไนโตรเจน

โดยทั่วไปแบ่งไนโตรเจนที่พบตามแหล่งน้ำออกเป็น 2 ประเภท คือ ไนโตรเจนที่ละลายน้ำ (total dissolved nitrogen, TDN) กับไนโตรเจนในอนุภาค ( particulate nitrogen, PN) ไนโตรเจนที่ละลายน้ำได้แก่ ไนไตรท์ ไนเตรท แอมโมเนีย และไนโตรเจนอินทรีย์ที่ละลายน้ำ (กรดอะมิโนต่างๆ ) ผลรวมของไนไตรท์ ไนเตรท และ แอมโมเนียรวม เรียกว่า อนินทรีย์ไนโตรเจนที่ละลายน้ำ(dissolved inorganic nitrogen, DIN) สำหรับไนโตรเจนในอนุภาคได้แก่ ไนโตรเจนที่อยู่ในสิ่งมีชีวิตหรือซากสิ่งมีชีวิต ไนโตรเจนในอนุภาคนี้ส่วนหนึ่งจะตกตะกอน อีกส่วนหนึ่งจะเป็นอาหารของสิ่งมีชีวิตเล็กๆ รวมทั้งแบคทีเรีย เคมีของไนโตรเจนมีความซับซ้อนมากเพราะไนโตรเจนมีอยู่หลายรูป เช่น NH₃ , N₂ , N₂O , NO₂^- , NO₃^- , N₂O , N₂O₅ และ N₂O₃ เป็นต้น ในที่นี้ขอกล่าวถึงเฉพาะ NH₃ , NH₄⁺ , NO₂^- และ NO₃^- เนื่องจากเป็นอนินทรีย์ไนโตรเจนที่มีบทบาทสำคัญต่อระบบนิเวศน์ในแหล่งน้ำและการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ (ภาพ)

 

รูปของไนโตรเจนและฟอสฟอรัสที่พบในน้ำ

ที่มา : Allan (1995)

ตาราง  รูปหลักของไนโตรเจนในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ

รูป	สัญลักษณ์	ความสำคัญ
แก๊สไนโตรเจน	N2	แก๊สเฉื่อย, ถ่ายทอดไปมาระหว่างบรรยากาศกับน้ำ
อินทรีย์ไนโตรเจน	Org-N	ย่อยสลายปล่อยแอมโมเนีย
แอมโมเนียไม่มีประจุ	NH3	เป็นพิษต่อสัตว์น้ำสูง พบมากเมื่อพีเอชของน้ำสูง
แอมโมเนียมีประจุ	NH4+	ไม่เป็นพิษต่อสัตว์น้ำยกเว้นมีความเข้มข้นสูงมาก พบมากเมื่อพีเอชของน้ำต่ำ
แอมโมเนียรวม	NH3 + NH4+	ผลรวมของแอมโมเนียมีประจุและไม่มีประจุ, เป็นรูปที่วิเคราะห์ได้ โดยตรง, เปลี่ยนไปเป็นไนไตรท์โดย nitrifying bacteria
ไนไตรท์	NO2-	เป็นพิษต่อสัตว์น้ำสูง, เปลี่ยนไปเป็นไนเตรทโดย nitrifying bacteria
ไนเตรท	NO3-	ไม่เป็นพิษต่อสัตว์น้ำยกเว้นมีความเข้มข้นสูงมาก, พืชน้ำนำไปใช้

---

ที่มา : Lawson (1995)

 

แอมโมเนีย แอมโมเนียเป็นอนินทรีย์ไนโตรเจนที่เกิดจากการย่อยสลายอินทรีย์ไนโตรเจน การขับถ่ายของสิ่งมีชีวิต อาหารที่ตกค้าง การย่อยสลายยูเรีย แอมโมเนียมีอยู่ 2 รูปคือ รูปที่มีประจุ (NH₄⁺) และไม่มีประจุ (NH₃) ผลรวมของแอมโมเนียรูปที่มีประจุ (NH₄⁺) กับไม่มีประจุ (NH₃) เรียกว่าแอมโมเนียรวม (Total ammonia, TAN) หรือเรียกง่ายๆว่า แอมโมเนีย ซึ่งเป็นค่าที่ได้จากการวิเคราะห์

แพลงก์ตอนพืชและพืชน้ำใช้แอมโมเนียเพื่อสร้างโปรตีน (กรดอะมิโน) ส่วนแอมโมเนียที่เกินความต้องการถูกปล่อยสู่แหล่งน้ำ ในสภาวะที่มีออกซิเจนแอมโมเนียในแหล่งน้ำถูกออกซิไดซ์โดยnitrosomonas bacteria และ nitrobactor bacteria ไปเป็นไนไตรท์ และไนเตรทตามลำดับ ดังสมการ (Dojlido and Best, 1993)

2NH₃ + 3O₂ -------> 2NO₂^- + 2H⁺ + 2H₂O

2NO₂^- + O₂ -------> 2NO₃^-

ในแหล่งน้ำที่มีออกซิเจนสูง อัตราการเปลี่ยนแอมโมเนียไปเป็นไนไตรท์ และจากไนไตรท์เป็นไนเตรทจะมีอัตราที่เท่ากัน ดังนั้นในแหล่งน้ำทั่วไปจึงมีไนไตรท์ค่อนข้างต่ำ ในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน ไนเตรทจะถูกแบคทีเรียบางชนิดเปลี่ยนไปเป็นไนไตรท์ และแก๊สไนโตรเจนตามลำดับ ซึ่งกระบวนการดังกล่าวเรียกว่า denitrification

2HNO₃ -------> 2HNO₂ -------> N₂O -------> N₂(g)

ความเป็นพิษของแอมโมเนียสัมพันธ์กับความเข้มข้นของแอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุซึ่งเป็นรูปที่เป็นพิษต่อสัตว์น้ำ โดยทั่วไปนิยมรายงานความเป็นพิษของแอมโมเนียในเทอมของความเข้มข้นของแอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุมากกว่าแอมโมเนียรวม สัตว์น้ำส่วนใหญ่เมื่อสัมผัสกับแอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุ 1-2 mg-N/L นานประมาณหนึ่งชั่วโมงจะทำให้เกิดการตายอย่างฉับพลัน (Boyd and Tucker, 1998) อย่างไรก็ตามความเป็นพิษของแอมโมเนียต่อสัตว์น้ำยังขึ้นกับปัจจัยอื่นๆ ด้วย โดยเฉพาะออกซิเจนละลายที่ความเข้มข้นเดียวกัน แอมโมเนียที่ไม่มีประจุเป็นพิษมากขึ้นเมื่อมีความเข้มข้นของออกซิเจนละลายต่ำแหล่งน้ำโดยทั่วๆ ไปพบแอมโมเนียรูปที่มีประจุเป็นส่วนใหญ่ สัดส่วนของแอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุและรูปที่มีประจุขึ้นกับค่าพีเอช อุณหภูมิ และ ionic strength โดยพีเอชมีอิทธิพลสูงสุด
ส่วน ionic strength มีอิทธิพลต่อสัดส่วนดังกล่าวน้อยมาก (Matthews et al., 2000) จากสมการที่ 1. เมื่อค่าพีเอชของน้ำลดลง ปฏิกิริยาจะเปลี่ยนไปทางขวา และถ้าค่าความเป็นกรด-ด่างของน้ำสูงขึ้น ปฏิกิริยาจะเปลี่ยนไปทางซ้าย ที่พีเอช 7.0 อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส แอมโมเนียที่มีประจุประมาณ 99.2 % ของ
แอมโมเนียรวม ที่อุณหภูมิเดียวกัน แต่ค่าพีเอชเพิ่มขึ้นเป็น 9.0 แอมโมเนียที่มีประจุมีประมาณ 55.4 % ของแอมโมเนียรวม ในน้ำทะเลสัดส่วนโมลของแอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุมีประมาณ 40 % ของน้ำจืดที่พีเอชและอุณหภูมิเดียวกัน (Lawson, 1995)

เมื่อความเข้มข้นของแอมโมเนียในแหล่งน้ำสูงขึ้น ความสามารถในการขับถ่ายแอมโมเนียของสัตว์น้ำลดลง ทำให้ระดับของแอมโมเนียในเลือดและเนื้อเยื่อสูงขึ้น พีเอชของเลือดจึงสูงขึ้นส่งผลกระทบต่อปฏิกิริยาของเอนไซม์และความคงสภาพของเนื้อเยื่อ ทำให้เหงือกเสียหาย ลดความสามารถในการลำเลียงออกซิเจนของเลือด (Lawson, 1995) จากตาราง  สามารถคำนวณความเข้มข้นของแอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุได้ดังนี้

แอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุ = (a)TAN

เมื่อ (a) = สัดส่วนโมลของแอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุ

TAN = แอมโมเนียรวม(mg-N/L)

ถ้าทราบอุณหภูมิ พีเอช และสัดส่วนโมลของแอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุ ความเข้มข้นของแอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุคำนวณได้ดังนี้

แอมโมเนียรูปที่ไม่มีประจุ = 1/1+10^{10.068-0.033T-pH}

 

ไนไตรท์ ไนไตรท์เป็นสารประกอบระหว่างกลางในกระบวนการไนตริฟิเคชัน โดยทั่วไปไนไตรท์จะไม่สะสมอยู่ในแหล่งน้ำ เพราะไนไตรท์ที่ได้จะเปลี่ยนไปเป็นไนเตรทอย่างรวดเร็ว แต่ในบางสภาวะ หากอัตราการออกซิไดซ์แอมโมเนียเร็วกว่าอัตราการออกซิไดซ์ไนไตรท์ก็จะเกิดการสะสมของไนไตรท์ขึ้นได้ แหล่งน้ำทั่วไปพบมีความเข้มข้นต่ำ เฉลี่ยน้อยกว่า 0.007 mg-N/L แต่แหล่งน้ำที่รับน้ำเสียพบไนไตรท์ในความเข้มข้นที่สูงกว่า เช่นเดียวกับบ่อเลี้ยงสัตว์น้ำที่เลี้ยงสัตว์น้ำด้วยความหนาแน่นสูง เพราะในบ่อเลี้ยงสัตว์น้ำมีการเติมไนโตรเจนในรูปของอาหารเม็ด ปุ๋ยเคมี หรือปุ๋ยคอกลงไปในบ่ออย่างไรก็ตามความเข้มข้นของไนไตรท์ในบ่อเลี้ยงสัตว์น้ำมักจะต่ำ (<0.1 mg-N/L) เนื่องจากแอมโมเนียซึ่งเป็นสารตั้งต้นถูกแพลงก์ตอนพืชนำไปใช้ (Boyd and Tucker, 1998)

ไนไตรท์เป็นอนินทรีย์ไนโตรเจนที่เป็นพิษต่อสัตว์น้ำเช่นเดียวกับแอมโมเนีย โดยไนไตรท์ไปลดประสิทธิภาพในการของส่งออกซิเจนของเลือดและทำลายเนื้อเยื่อของสัตว์น้ำ ปริมาณคลอไรด์ในน้ำช่วยลดความเป็นพิษของไนไตรท์ต่อสัตว์น้ำได้ ในการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำกร่อยจึงไม่มีปัญหาเนื่องจากความเป็นพิษของไนไตรท์ เพราะน้ำกร่อยมีความเข้มข้นของคลอไรด์สูงอยู่แล้ว (Lawson, 1995) ระดับความเข้มข้นของไนไตรท์ที่ทำให้สัตว์น้ำตายเปลี่ยนแปลงไปตามชนิดของสัตว์น้ำ ขนาดของสัตว์น้ำ และสภาพทางเคมีของน้ำ เนื่องจากในสภาวะที่มีออกซิเจน ไนไตรท์จะถูกออกซิไดส์ไปเป็นไนเตรทอย่างรวดเร็วโดย nitrobactor bacteria

ตาราง  สัดส่วน(Mole fraction) ของแอมโมเนียที่มีประจุในน้ำที่อุณหภูมิ และค่าความเป็นกรดด่างต่างๆ

อุณหภูมิ	ความเป็นกรด-ด่าง
(oC)	6.0	6.5	7.0	7.5	8.0	8.5	9.0	9.5	10.0
20	-	0.001	0.004	0.012	0.038	0.112	0.284	0.557	0.799
21	-	0.001	0.004	0.013	0.041	0.119	0.299	0.575	0.810
22	-	0.001	0.005	0.014	0.044	0.127	0.315	0.592	0.821
23	-	0.002	0.005	0.015	0.047	0.135	0.330	0.609	0.832
24	0.001	0.002	0.006	0.016	0.050	0.144	0.346	0.626	0.841
25	0.001	0.002	0.006	0.018	0.054	0.153	0.363	0.643	0.851
26	0.001	0.002	0.006	0.019	0.057	0.162	0.379	0.659	0.859
27	0.001	0.002	0.007	0.020	0.061	0.172	0.396	0.674	0.868
28	0.001	0.002	0.007	0.022	0.066	0.182	0.412	0.689	0.875
29	0.001	0.002	0.007	0.023	0.070	0.192	0.429	0.704	0.883
30	0.001	0.003	0.008	0.025	0.075	0.203	0.446	0.718	0.890

 

---

ที่มา : Emerson et al. (1975) อ้างโดย Lawson (1995)

ไนเตรท ไนเตรทเป็นอนินทรีย์ไนโตรเจนที่พบเสมอในแหล่งน้ำธรรมชาติและในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ ซึ่งส่วนใหญ่ได้จากผลผลิตขั้นสุดท้ายของกระบวนการไนตริฟิเคชัน แต่ในบ่อเลี้ยงสัตว์น้ำ ไนเตรทอาจได้มาจากการใช้ปุ๋ยไนเตรทเพื่อกระตุ้นการเจริญเติบโตของแพลงก์ตอนพืชหรือการใช้ปุ๋ยไนเตรทตามพื้นบ่อเพื่อป้องกันสภาวะที่เป็นรีดิวซ์ที่จะนำไปสู่การผลิตไฮโดรเจนซัลไฟด์ขึ้นมา ความเข้มข้นของไนเตรทในแหล่งน้ำทั่วๆ ไปต่ำ เฉลี่ยประมาณ 0.05 mg-N/L แหล่งน้ำที่รับน้ำทิ้งจากชุมชนหรือการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำเป็นจำนวนมากจะมีไนเตรทโดยเฉลี่ยสูงถึง 0.30 mg-N/Lไนเตรทเป็นอนินทรีย์ไนโตรเจนที่เป็นมีความเป็นพิษต่อสัตว์น้ำต่ำสุด โดยปกติค่า 96-h LC50 ต่อสัตว์น้ำสูงเกิน 1000 mg-N/L (Pierce et al., 1993 อ้างตาม Boyd and Tucker, 1998) ผลของไนเตรทต่อสัตว์น้ำคล้ายคลึงกับไนไตรท์กล่าวคือ ไปลดประสิทธิภาพในการขนส่งออกซิเจนของเลือด และทำลายเนื้อเยื่อของสัตว์น้ำ (Lawson, 1995)

 

2. ฟอสฟอรัส

ฟอสฟอรัสมีความสำคัญกับการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ แม้จะไม่มีรายงานถึงความเป็นพิษของฟอสฟอรัสต่อสัตว์น้ำก็ตาม เนื่องจากบ่อเลี้ยงสัตว์น้ำมักมีฟอสฟอรัสสูงกว่าแหล่งน้ำธรรมชาติ การปล่อยน้ำจากบ่อเลี้ยงสัตว์น้ำลงสู่แหล่งน้ำจึงอาจก่อให้เกิดมลภาวะอันเนื่องจากฟอสฟอรัสและนำสู่การเพิ่มจำนวนอย่างผิดปกติของแพลงก์ตอนพืชได้ ดังนั้นข้อมูลเกี่ยวกับฟอสฟอรัสทั้งที่มีอยู่เดิมและที่เติมลงไปในบ่อเลี้ยงสัตว์น้ำจึงมีความสำคัญต่อผู้เพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ

ฟอสฟอรัสที่พบในแหล่งน้ำแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ คือ ฟอสฟอรัสที่ละลายน้ำ (total dissolved phosphorus, TDP) กับฟอสฟอรัสในอนุภาค (particulate phosphorus, PP) ฟอสฟอรัสที่ละลายน้ำได้แก่ ออร์โธฟอสเฟต และอินทรีย์ฟอสฟอรัสที่ละลายน้ำ (dissolved organic phosphorus, DOP) ออร์โธฟอสเฟตอาจเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า อนินทรีย์ฟอสฟอรัสที่ละลายน้ำ (dissolved inorganic phosphorus, DIP) สำหรับฟอสฟอรัสในอนุภาค ได้แก่ ฟอสฟอรัสที่อยู่ในสิ่งมีชีวิตหรือซากสิ่งมีชีวิต ซึ่งฟอสฟอรัสใน อนุภาคนี้ส่วนหนึ่งจะตกตะกอน อีกส่วนหนึ่งจะเป็นอาหารของสิ่งมีชีวิตเล็กๆ รวมทั้งแบคทีเรียเช่นเดียวไนโตรเจน

สารประกอบพวกอนินทรีย์ฟอสเฟต เป็นสารประกอบฟอสเฟตที่พบในแหล่งน้ำทั่วๆ ไป แบ่งออกได้เป็น สารประกอบพวกออร์โธฟอสเฟต ได้แก่ สารประกอบพวก PO₄^3-, HPO₄^2- และ H₂PO^4- สารประกอบพวกนี้ละลายน้ำได้ดีและแพลงก์ตอนพืชสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ สารประกอบพวกออร์โธฟอสเฟตนี้บางทีเรียกว่า soluble reactive phosphorus สารประกอบพวกอนินทรีย์ฟอสเฟตอีกพวกหนึ่ง คือ โพลีฟอสเฟต โพลีฟอสเฟตพบในน้ำทิ้งจากบ้านเรือนเนื่องจากเป็นส่วนผสมของผงซักฟอก สารประกอบพวกอนินทรีย์ฟอสเฟตสามารถเปลี่ยนมาเป็นออร์โธฟอสเฟตได้โดยขบวนการไฮโดรไลซีส รูปแบบของฟอสเฟตในแหล่งน้ำขึ้นอยู่กับค่าพีเอช (ตาราง) ที่พีเอชต่ำกว่า 6 ฟอสเฟตจะอยู่ในรูปของ H₂PO₄^- เป็นส่วนใหญ่ ขณะที่พีเอชระหว่าง 7-11 อิออนหลักเป็น HPO₄^2- (Dojlido and Best, 1993)

ตาราง  รูปของฟอสเฟตที่พีเอชต่างๆ

	สัดส่วนของฟอสเฟต (%) ที่พีเีอชต่า่งๆ
	5.00	6.00	7.00	8.00	8.50	9.00	10.00	11.00
H3PO4	0.10	0.10	-	-	-	-	-	-
H2PO4-	97.99	83.68	33.90	4.88	1.60	0.51	0.05	-
HPO42-	1.91	16.32	66.10	95.12	98.39	99.45	99.59	96.53
PO43-	-	-	-	-	0.10	0.04	0.36	3.47

 

กระบวนการที่เปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของธาตุอาหาร

การรู้ถึงกระบวนการตามธรรมชาติบางอย่างที่สามารถเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของธาตุอาหารในตัวอย่างความสำคัญต่อการเลือกใช้วิธีการรักษาสภาพตัวอย่าง จริงๆ แล้วไม่มีวิธีการรักษาสภาพตัวอย่างวิธีใดที่จะทำให้ตัวอย่างคงสภาพได้นานเท่าที่ต้องการ กิจกรรมทางชีววิทยาของสิ่งมีชีวิตในน้ำตัวอย่างมีโอกาสเกิดขึ้นได้เช่นเดียวกับในแหล่งน้ำ ธาตุอาหารที่ละลายน้ำสามารถเคลื่อนย้ายเข้าหรือออกจากน้ำตัวอย่างผ่านกระบวนการต่างๆ ซึ่งกระบวนการทางชีวเคมีที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของธาตุอาหารมีดังนี้ (Quevauviller, 1995)

1. การสังเคราะห์แสง การสังเคราะห์แสงเป็นกระบวนการที่สำคัญแหล่งน้ำชายฝั่งแพลงก์ตอนพืชใช้คาร์บอนอนินทรีย์ที่ละลายน้ำและธาตุอาหารเพื่อการเจริญเติบโตดังสมการ

106CO₂ + 16NO₃^- + HPO₄^2- + 122H₂O + 18H⁺ ------> C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P + 138O₂

กระบวนการนี้ใช้แสงเป็นแหล่งพลังงาน ส่วนไนโตรเจนที่ใช้ในกระบวนการนี้อาจได้มาจากไนเตรท ไนไตรท์ หรือแอมโมเนีย หากมีแพลงก์ตอนพืชพวกไดอะตอมในกระบวนการการสังเคราะห์แสงจะใช้ซิลิเกตที่มีอยู่ในน้ำด้วย

2. การสลายเป็นธาตุ (mineralization หรือ regeneration ) การสลายเป็นธาตุโดยแบคทีเรียชนิดที่สร้างอาหารเองไม่ได้จะย่อยสลายซากสิ่งมีชีวิตและสารอินทรีย์ที่ละลายน้ำ การสลายเป็นธาตุของสารอินทรีย์ที่ได้จากสิ่งมีชีวิตเป็นปฏิกิริยาย้อนกลับของกระบวนการสังเคราะห์แสง การสลายเป็นธาตุจะให้พลังงานและธาตุที่จำเป็นแก่เซลล์เพื่อสร้างมวลชีวภาพ ส่วนธาตุอาหารที่เหลือ(แอมโมเนียและฟอสเฟต) ถูกปล่อยสู่น้ำ

3. cell lysis กระบวนการนี้เกิดขึ้นหลังจากเซลล์ได้ตายลง ซึ่งส่วนใหญ่จะให้ธาตุอาหารอินทรีย์กลับสู่น้ำ อย่างไรก็ตามถ้าธาตุอาหารอนินทรีย์มีมากเกินความต้องการก็จะปลดปล่อยออกมาเช่นกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งฟอสเฟต

4. การขับถ่าย การขับถ่ายของสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กมีหลายแบบ เซลล์ของแพลงก์ตอนพืชที่มีชีวิตปล่อยธาตุอาหารในรูปอินทรีย์ที่ละลายน้ำ อาทิเช่น กรดอะมิโนต่างๆ ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า exudation เซลล์ของแพลงก์ตอนพืชอื่น ๆ เช่น heterotrophic microflagellates หรือ ciliates ขับถ่ายแอมโมเนียและฟอสเฟต แพลงก์ตอนสัตว์ เช่น โคพีพอด จะขับถ่ายธาตุอาหารที่เป็นอนุภาคซึ่งแบคทีเรียสามารถย่อยสลายต่อได้ และละลายน้ำใหม่ได้อีกครั้ง

5. ไนตริฟิเคชัน (nitrification) กระบวนการไนตริฟิเคชันจะเปลี่ยนแอมโมเนียให้เป็นไนไตรท์ (nitritation) แล้วเปลี่ยนไนไตรท์เป็นไนเตรท กระบวนการนี้เกิดขึ้นในแหล่งน้ำที่มีออกซิเจนเท่านั้น โดยมีแบคทีเรียเพียง 2 ชนิด เข้ามาเกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้ คือ nitrosomonas bacteria และ nitrobactor bacteria

6. ดีไนตริฟิเคชัน (denitrification) ดีไนตริฟิเคชันเป็นกระบวนการรีดักชันของไนเตรทที่เกิดขึ้นในแหล่งน้ำที่ไม่มีออกซิเจนโดย heterotrophic bacteria หลายชนิด ไนเตรทจะเป็นตัวให้ออกซิเจนแล้วเปลี่ยนเป็นแก็สไนโตรเจน (N₂, N₂O)

ตาราง  สรุปกระบวนการทางชีววิทยาที่เปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของธาตุอาหาร

กระบวนการ	ลด	เพิ่ม	หมายเหตุ
การสังเคราะห์แสง	DIN, PO43-,Si		แสงมีความจำเป็น
การสลายเป็นธาตุ	DON, DOP	NH3, PO43-
การขับถ่าย		DON, NH3, PO43-
Cell lysis		DON, DOP, (PO43-)
ไนตริฟิเคชัน	NH3	NO2-	nitratation
ไนตริฟิเคชัน	NO2-	NO3-	nitratation
ดีไนตริฟิเคชัน	NO3-	(NH3, NO2-)	ในสภาพไร้อากาศ

---

ที่มา : Quevauviller(1995)
หมายเหตุ : DIN : อนินทรีย์ไนโตรเจนที่ละลายน้ำ(ไนไตรท์ ไนเตรท และแอมโมเนีย)
                DON : อินทรีย์ไนโตรเจนที่ละลายน้ำ, DOP : อินทรีย์ฟอสฟอรัสที่ละลายน้ำ

 

ข้อควรพิจารณาในการวิเคราะห์ธาตุอาหาร

1. การเก็บและการรักษาสภาพตัวอย่าง ความเข้มข้นของธาตุอาหารในขวดตัวอย่าง จะเปลี่ยนแปลงตามเวลาหลังจากเก็บน้ำขึ้นมาอันเนื่องจากกิจกรรมต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างน้ำจากแหล่งน้ำที่มีกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตและผลผลิตสูง ความเข้มข้นของธาตุอาหารจะเปลี่ยนแปลงได้มากกว่า นอกจากนั้นการแลกเปลี่ยนกับอนุภาคทำให้ความเข้มข้นของธาตุอาหารเปลี่ยนแปลงได้เช่นกัน อย่างไรก็ตามเราไม่สามารถรู้ได้ล่วงหน้าได้ว่าตัวอย่างน้ำที่ได้รวบรวมมานั้นมีกระบวนการอะไรเกิดขึ้นบ้างและเกิดขึ้นมากน้อยเท่าใด การวิเคราะห์ธาตุอาหารจึงควรดำเนินการทันที กรณีที่ไม่สามารถวิเคราะห์ตัวอย่างได้ทันที ควรกรองตัวอย่างโดยเร็วแล้วเก็บรักษาตัวอย่าง (storage) ไว้จนกระทั่งถึงเวลาวิเคราะห์

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความเข้มเข้มข้นของธาตุอาหารส่วนใหญ่เกิดจากสิ่งมีชีวิตดังนั้นวิธีการรักษาสภาพตัวอย่างต่างๆ จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อลดกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตของตัวอย่าง ซึ่งวิธีการรักษาสภาพตัวอย่างมีอยู่ 2 วิธีคือ

1) การลดกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตด้วยวิธีทางกายภาพ เช่น การแช่เย็น การกรอง การไม่ให้ถูกแสง และ

2) การยับยั้งหรือการฆ่าสิ่งมีชีวิตด้วยสารเคมี (Quevauviller, 1995) ในการรักษาสภาพของตัวอย่างอาจเลือกใช้วิธีใดวิธีหนึ่งหรือใช้รวมกันทั้ง 2 วิธีก็ได้ เพื่อให้การรักษาสภาพตัวอย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด

ในการเลือกใช้วิธีรักษาสภาพตัวอย่างควรพิจารณาถึงเวลาที่เก็บ (storage time) คุณลักษณะของน้ำ และข้อจำกัดอื่น ๆ ซึ่งผู้วิเคราะห์ควรเลือกใช้วิธีที่ดีที่สุด การเก็บรักษาตัวอย่างจำแนกตามระยะเวลาที่เก็บรักษาได้ 2 ประเภท คือ การเก็บรักษาตัวอย่างเป็นเวลาสั้นๆ (short-term preservation) กับการเก็บรักษาตัวอย่างเป็นเวลานาน (long-term preservation) (Quevauviller,1995)

1) การเก็บรักษาตัวอย่างเป็นระยะเวลาสั้นๆ สิ่งที่ต้องทำทันทีในการเก็บรักษาตัวอย่างเป็นเวลาสั้นๆ คือ การกำจัดสารแขวนลอยด้วยการกรอง ขั้นตอนนี้ง่ายและใช้เวลาไม่มากนัก การกรองจะลดทั้งกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและการเปลี่ยนแปลงอันเนื่องจากสิ่งมีชีวิต เมื่อกรองตัวอย่างเสร็จแล้วรีบเก็บตัวอย่างไว้ในที่ที่ไม่ถูกแสงซึ่งจะลดการ assimilation ของแพลงก์ตอนพืชแต่จะไม่ลดกิจกรรมและการหายใจของแบคทีเรีย และขั้นตอนสุดท้ายการเก็บรักษาตัวอย่างเป็นเวลาสั้นๆ ก็คือ นำตัวอย่างไปแช่เย็นอุณหภูมิ 0-5 องศาเซลเซียส เพื่อให้กระบวนการ metabolic ต่างๆ เกิดขึ้นได้ช้าลง ซึ่งการเก็บรักษาตัวอย่างด้วยวิธีนี้ส่วนใหญ่จะเก็บตัวอย่างไว้ได้นานจาก 2-3 ชั่วโมงเป็น 1-2 วัน

2) การเก็บรักษาตัวอย่างเป็นเวลานาน ในการวิเคราะห์ธาตุอาหารนั้นการเก็บรักษาตัวอย่างเป็นเวลานานหมายถึงการเก็บตัวอย่างไว้มากกว่า 1 วันจนถึงหลายเดือน การเก็บรักษาตัวอย่างเป็นเวลานานมีหลายวิธีดังนี้

- poisoning poisoning ที่ใช้หลายแบบ เช่น การเติมกรด (acidification) การใช้ chloroform และการใช้ mercuric chloride ซึ่งการรักษาสภาพตัวอย่างด้วยการใช้ poi -soning ดังกล่าวไม่เหมาะกับตัวอย่างที่จะนำมาวิเคราะห์ธาตุอาหาร เนื่องจากมีผลเสียมากกว่าผลดี อย่างเช่น acidification 1)ไปเปลี่ยนแปลง matrix 2) เกิด hydrolysis ของอินทรีย์ฟอสฟอรัส และ 3) อาจทำให้ไนไตรท์หายไป หรือการใช้ chloroform ในการรักษาสภาพตัวอย่างจะมีการปลดปล่อยฟอส- ฟอรัสออกมาจากสาหร่ายขนาดเล็ก

- freezing วิธีนี้มีข้อดี คือ สัมผัสกับตัวอย่างน้อยที่สุด และไม่ต้องเติมสิ่งแปลกปลอมลงในตัวอย่าง และเนื่องจากเมตริกซ์ของตัวอย่างไม่เปลี่ยนแปลง สภาพที่จะเกิดปฏิกิริยาจึงยังเหมือนกับตัวอย่างสดๆ ถ้าทำกับตัวอย่างที่ยังไม่ได้กรองเซลล์ต่างๆ จะแตก ดังนั้นพวก particulate nitrogen และ particulate phosphorus ก็จะกลายเป็น dissolved nitrogen และ dissolved phosphorus นอกจากนี้ยังเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของซิลิเกตที่ละลายอยู่ในน้ำ เมื่ออุณหภูมิต่ำมากๆ ซิลิเกตจะตกตะกอนออกมา เมื่อตกตะกอนออกมาแล้ว การละลายกลับเป็นไปได้ยากมาก

2. การกรอง (filtration) การกรองเป็นสิ่งจำเป็นในการวิเคราะห์ธาตุอาหารที่ละลายน้ำสำหรับตัวอย่างน้ำจากชายฝั่งทะเล เนื่องจากน้ำทะเลชายฝั่งมีแพลงก์ตอนพืชและอนุภาคแขวนลอยอื่นๆ สูง การกรองจะกำจัดแพลงก์ตอนพืชและอนุภาคต่าง ๆ ออกไปซึ่งจะช่วยลดกระบวนการต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงธาตุอาหารให้น้อยลงได้ (Quevauviller, 1995)

ในการกรองสิ่งที่สำคัญก็คือ แผ่นกรอง ในการเลือกใช้แผ่นกรองนั้นผู้ใช้ควรคำนึงถึงเนื้อวัสดุที่ใช้ทำแผ่นกรองเป็นหลัก กล่าวคือ วัสดุที่ใช้ทำแผ่นกรองจะต้องไม่ดูดซับธาตุอาหารที่ละลายน้ำและไม่ทำให้เกิดการปนเปื้อนในตัวอย่าง วัสดุที่ใช้ทำแผ่นกรองอาจเป็นใยแก้วหรือโพลิเมอร์ชนิดต่างๆ (ส่วนใหญ่เป็นพวกเซลลูโลสเอสเทอร์และโพลีคาร์บอเนต) ก็ได้ โดยทั่วไปแผ่นกรองที่ทำมาจากใยแก้วและโพลีคาร์บอเนตเหมาะสำหรับใช้กรองตัวอย่างน้ำเพื่อวิเคราะห์ธาตุอาหารทุกชนิด (Quevauviller, 1995) นอกจากนั้นในการเลือกใช้แผ่นกรองควรคำนึงถึงความสามารถในการกรองและปริมาณสารแขวนลอยในน้ำ ความสามารถในการกรองขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลาง และขนาดรูเปิดของแผ่นกรอง (pore size) แผ่นกรองที่มีขนาดใหญ่กว่าจะกรองตัวอย่างน้ำได้มากกว่า ปัจจุบันแผ่นกรองเส้นผ่านศูนย์กลาง 47 มิลลิเมตร และ 25 มิลลิเมตร. เป็นขนาดมาตรฐานและหาซื้อได้ทั่วไป โดยทั่วไปในการกรองตัวอย่างน้ำเพื่อวิเคราะห์ธาตุอาหารจะนิยมใช้แผ่นกรอง GF/C (pore size 1.2 μm)

3. เมตริกซ์ (matrix) ในการวิเคราะห์ตัวอย่าง สิ่งที่ต้องการวิเคราะห์เรียกว่า analyte ส่วนองค์ประกอบอื่นๆ ที่เหลือทั้งหมดนั้นเรียกว่า เมตริกซ์ (Fifield and Haines, 1995) ในการวิเคราะห์ธาตุอาหารนั้นเมตริกซ์ที่มีอยู่ในตัวอย่าง (sample matrix) อาจมีผลต่อค่าการดูดกลืนแสงที่วัดได้ ถ้าเมตริกซ์ของสารมาตรฐานกับตัวอย่างแตกต่างกัน กราฟมาตรฐานนั้นอาจไม่ถูกต้อง เป็นเพราะว่าองค์ประกอบในตัวอย่างไปเพิ่มหรือลดสัญญาณการวิเคราะห์ หรือไปรบกวนการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่สร้างเป็นสารประกอบ (Grasshoff et al., 1999)

เมตริกซ์ที่สำคัญในการวิเคราะห์ธาตุอาหารคือ ความขุ่น และเกลือ ความขุ่นกำจัดได้ด้วยการกรอง หรือชดเชยค่าเนื่องจากความขุ่นด้วยการใช้น้ำตัวอย่างที่ไม่ได้เติมสารเคมีใดเป็นตัวอ้างอิง (turbidity blank) เกลืออาจเป็นสาเหตุให้ค่าการดูดกลืนแสงผิดพลาดได้ ผลจากเกลือนี้ไปลดค่าการดูดกลืนแสง (ในกรณีของการวิเคราะห์ซิลิเกตและฟอสเฟต) อันเป็นผลเนื่องจากอิออนในน้ำทะเล หรือผลจากความสามารถในการเป็นบัฟเฟอร์ของน้ำทะเล (Grasshoff et al., 1999)

ผลจากเกลืออาจแก้ได้โดยเตรียมสารมาตรฐานและแบลงค์จากน้ำทะเลที่ไม่มีธาตุอาหารหรือมีธาตุอาหารต่ำหรือใช้น้ำทะเลเทียม ในการวิเคราะห์ธาตอาหารควรให้ความเค็มของสารมาตรฐานและแบลงค์เท่ากับความเค็มของน้ำตัวอย่าง แต่ในกรณีของน้ำจากเอสทูรีซึ่งความเค็มผันแปรในช่วงกว้างเกินกว่าที่จะใช้น้ำทะเลเทียมหรือน้ำทะเลที่มีธาตุอาหารต่ำเพียงค่าความเค็มเดียวได้ ควรปรับแก้ผลเนื่องจากความเค็ม

4. Turbidity blank ในการวิเคราะห์หาอาหารในบางครั้ง พบว่า แม้ได้กรองตัวอย่างแล้วแต่ตัวอย่างนั้นยังขุ่นอยู่ เนื่องจากสิ่งที่ทำให้เกิดความขุ่นนั้นมีการกระจายขนาดเป็นลักษณะของสเปคตรัม กล่าวคือมีขนาดต่างๆ กัน อาจเล็กกว่า 1 นาโนเมตร จนถึงใหญ่กว่า 100 ไมครอน อนุภาคที่เล็กกว่ารูของแผ่นกรองจึงผ่านแผ่นกรองไปได้ ความขุ่นมีผลต่อความเข้มข้นของธาตุอาหารที่วัดได้ โดยเฉพาะไนไตรท์ และออร์โธฟอสเฟต โดยค่าที่ได้มีความเข้มข้นสูงกว่าความเข้มข้นจริง ดังนั้นเมื่อกรองตัวอย่างแล้วแต่ตัวอย่างดังกล่าวยังขุ่นอยู่ ต้องเตรียม และวัด Turbidity blank ด้วย (ตัวอย่างที่กรอง แต่ไม่ได้เติมน้ำยาเคมี) เพื่อนำค่าที่ได้ไปลบออกจากค่าที่วัดได้จากตัวอย่าง

5. น้ำบริสุทธิ์ ในการวิเคราะห์ธาตุอาหารควรใช้น้ำกลั่นสองครั้ง (double distilled water) หรือน้ำปราศจากอิออน (deionized water) น้ำบริสุทธิ์ที่ใช้ควรเป็นน้ำบริสุทธิ์ที่ผลิตขึ้นมาใหม่ๆ ไม่ควรเก็บน้ำบริสุทธิ์ใส่ภาชนะไว้ (Grasshoff et al., 1999)

6. น้ำทะเลเทียม ในการวิเคราะห์ธาตุอาหารอาจใช้น้ำทะเลเทียมเป็นเมตริกซ์สำหรับสารมาตรฐานและแบลงค์ น้ำทะเลเทียมมีคุณสมบัติที่สำคัญ 3 ประการที่อาจมีผลต่อการวิเคราะห์ธาตุอาหาร คือ (Grasshoff et al., 1999)

- ionic strength

- ความเค็ม(density, absorbance, refrective index etc)

- buffer capacity

น้ำทะเลเทียมเตรียมได้โดยชั่งโซเดี่ยมคลอไรด์ (Nacl) ตามความเค็มที่ต้องการ เช่น ต้องการเตรียมน้ำทะเลเทียมความเค็ม 30 psu เตรียมได้โดยละลายโซเดี่ยมคลอไรด์ 30 กรัม ในน้ำกลั่น 1 ลิตร ควรหลีกเลี่ยงในการใช้สารเคมีหลายตัวสำหรับเตรียมน้ำทะเลเทียม เพราะอาจทำให้เกิดการปนเปื้อนมากกว่าที่จะช่วยให้ผลการวิเคราะห์ดีขึ้น (Grasshoff et al., 1999)

ในการวิเคราะห์ธาตุอาหารบางอย่าง เช่น แอมโมเนีย ความสามารถในการเป็นบัฟเฟอร์ของน้ำทะเลมีผลต่อการเกิดปฏิกิริยา จึงจำเป็นต้องมีการปรับแก้ค่าความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากความเค็มด้วยการปรับเมตริกซ์ของสารละลายมาตรฐานให้เหมือนกับตัวอย่างหรือการปรับแก้ผลการวิเคราห์

 

เปรียบเทียบกราฟมาตรฐานของแอมโมเนียใน matrix ที่เป็นน้ำกลั่นกับน้ำทะเลเทียม

 

 

เปรียบเทียบกราฟมาตรฐานของออร์โธฟอสเฟตใน matrix ที่เป็นน้ำกลั่นกับน้ำทะเลเทียม

7.  น้ำทะเลที่มีธาตุอาหารต่ำ (low-nutrient seawater, LNSW) เพื่อให้ผลการวิเคราะห์ธาตุอาหารมีความถูกต้องมากที่สุดนั้นเมตริกซ์ของตัวอย่างกับสารมาตรฐานจะต้องคล้ายคลึงกัน นอกเหนือจากน้ำทะเลเทียมแล้วอาจใช้น้ำทะเลตามธรรมชาติเตรียมสารมาตรฐานก็ได้ น้ำทะเลตามธรรมชาติที่มีธาตุอาหารต่ำเป็นเมตริกซ์ที่ดีที่สุดสำหรับใช้เตรียมสารมาตรฐาน น้ำทะเลที่ใช้จะนำมาใช้เป็นเมตริกซ์ควรมีซิลิเกตไม่เกิน 5 μM ไนเตรทไม่เกิน 1 μM น้ำทะเลที่นำมาใช้ควรกรองผ่านแผ่นกรอง 10 ไมครอน เพื่อกำจัดอนุภาคต่าง ๆ ออกไป ซึ่งสามารถเก็บไว้ในที่มืดได้นาน 2 สัปดาห์ (Grasshoff et al., 1999)

8. สารอ้างอิงและสารมาตรฐาน อุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ ที่ใช้เตรียมสารมาตรฐานเพื่อวิเคราะห์ธาตุอาหาร เช่น เครื่องชั่งวิเคราะห์ เครื่องแก้ว น้ำบริสุทธิ์ ตลอดจนถึงสารเคมีที่ใช้ จะต้องไม่สร้างปัญหาใดๆ ที่อาจทำให้ความเข้มข้นของสารมาตรฐานเปลี่ยนแปลงไป สารมาตรฐานที่เตรียมขึ้นครั้งแรกด้วยน้ำบริสุทธิ์มีความเข้มข้น 10 mM แล้วเก็บไว้ในขวดแก้ว ( Duran, Pyrex หรือเทียบเท่า) ยกเว้นซิลิเกตซึ่งจะต้องเก็บไว้ในขวดพลาสติก (polycarbonate, polyethylene หรือ polypropylene) ที่สำคัญอย่างยิ่งสารมาตรฐานที่เตรียมขึ้นใหม่จะต้องทำการ cross-check ทั้งจากภายในและภายนอกห้องปฏิบัติการ ในการเตรียมสารมาตรฐานหากต้องการเตรียมให้เมตริกซ์คล้ายคลึงกับตัวอย่างให้เจือจางสารมาตรฐานสุดท้าย(working standard) ด้วยน้ำทะเลเทียมหรือน้ำทะเลที่มีธาตุอาหารต่ำ (Grasshoff et al., 1999)

9. กราฟมาตรฐาน กราฟมาตรฐานเป็นการเปรียบเทียบค่าการดูดกลืนแสงของตัวอย่างหลังจากเกิดปฏิกิริยาเคมีกับค่าการดูดกลืนแสงของสารมาตรฐานที่รู้ความเข้มข้นซึ่ง ความน่าเชื่อถือของกราฟมาตรฐานลดลงเมื่อความเข้มข้นของตัวอย่างและสารมาตรฐานแตกต่างกันมาก ดังนั้นควรให้ความเข้มข้นของสารละลายที่ใช้เตรียมกราฟมาตรฐานและของตัวอย่างใกล้เคียงกัน

ขั้นตอนการทำกราฟมาตรฐานและการคำนวณโดยทั่วไปมี 5 ขั้นตอน

1) ประมาณความเข้มข้นในตัวอย่าง ความเค็ม และสิ่งที่อาจรบกวนการวิเคราะห์ ความเข้มข้นสูงสุดต้องมีค่าการดูดกลืนแสงไม่เกิน 0.8-1

2) เตรียมน้ำบริสุทธิ์ (อาจเป็นน้ำกลั่น น้ำทะเลเทียม หรือน้ำทะเลธรรมชาติที่มีธาตุอาหารต่ำ) ไว้ให้เพียงพอตามต้องการ ถ้าความเค็มของน้ำตัวอย่างผันแปรอยู่ในช่วง +2 เมื่อเทียบกับกราฟมาตรฐานไม่ต้องปรับแก้ความเค็ม (Grasshoff et al., 1999)

3) เตรียมสารมาตรฐานความเข้มข้นต่างกันอย่างน้อย 5 ความเข้มข้น (รวมทั้งแบลงค์) โดยให้ความเข้มข้นสูงสุดมากกว่าความเข้มข้นที่คาดว่าจะมีในตัวอย่างเล็กน้อย เตรียมความเข้มข้นละ 3 ซ้ำ

4) วัดค่าการดูดกลืนแสงโดยใช้น้ำบริสุทธิ์ที่ไม่ได้เติมน้ำยาเคมีเป็น referencecell

5) คำนวณหาความสัมพันธ์ระหว่างค่าการดูดกลืนแสงกับความเข้มข้นของธาตุอาหารด้วยสมการเชิงเส้น ( Linear regression)