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Phosphat: Schnelle und direkte Bestimmung per Photometrie Je weniger, desto besser – Phosphat in Oberflächengewässern bestimmen

Autor / Redakteur: Katrin Schwind und Gunter Decker* / Dr. Ilka Ottleben

Natürliche Gewässer enthalten normalerweise äußerst geringe Mengen an Phosphor. Für das Gleichgewicht dieser aquatischen Ökosysteme ist dieser Umstand von enormer Bedeutung und der Mensch durch Phosphat-Einträge über Düngemittel oder Abwässer wie so oft eine Gefahr. Die niedrigen PO4-P-Konzentrationen in Oberflächengewässern stellen die Analytik vor Herausforderungen. Ein neues, photometrisches Verfahren schafft nun eine echte Alternative.

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Abb. 1: Die Mengen an Phosphor in natürlichen, unbelasteten Gewässern sind so gering, dass es das wachstumsbegrenzende Element für Pflanzen darstellt.
Abb. 1: Die Mengen an Phosphor in natürlichen, unbelasteten Gewässern sind so gering, dass es das wachstumsbegrenzende Element für Pflanzen darstellt.
(Bild: ©kwasny221/Fotolia.com)

Phosphor ist ein für Lebewesen und Pflanzen essenzielles Element. [1] In natürlichen, unbelasteten Gewässern liegt es organisch gebunden, polykondensiert oder als Ortho-Phosphat, häufig als PO4-P bezeichnet, vor. Die Mengen an Phosphor in natürlichen Gewässern sind so gering, dass es das wachstumsbegrenzende Element für Pflanzen darstellt.

Erhöht sich die Konzentration des limitierenden Elements Phosphor, führt dies zu einem verstärkten Algenwachstum und zur Eutrophierung des Gewässers [2, 3]. In Deutschland so geschehen durch den anthropogenen Phosphat-Eintrag über beispielsweise Düngemittel, Abwasser und Waschmittel Mitte des 20. Jahrhunderts. Daraufhin wurden Maßnahmen zur Reduktion des Phosphatgehaltes getroffen. Durch den Verzicht auf phosphathaltige Waschmittel sowie der Fällung von Phosphaten in Kläranlagen konnte der Phosphateintrag um ca. 75 Prozent verringert werden [2, 4]. Ein Beispiel hierfür ist der Bodensee. Hier lag die PO4-P-Konzentration Ende der 1970er bei 84 µg/L, heute weist der See im Jahresmittel PO4-P-Gehälter von nur noch 5 bis 6 µg/L auf [5, 6].

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Analytik von Phosphat in Oberflächengewässern

Die niedrigen PO4-P-Konzentrationen in Oberflächengewässern stellen die Analytik vor Herausforderungen. Der untere Arbeitsbereich der Ionenchromatographie beträgt nach DIN EN ISO 10304-1 33 µg/L PO4-P (entspricht 100 µg/L PO4) und liegt deutlich oberhalb der Phosphatkonzentration in Oberflächengewässern [7]. Die Photometrie erlaubt wesentlich sensitivere Messungen. Nach DIN EN ISO 6878 ist eine Quantifizierung ohne aufwändigen Extraktionsschritt ab PO4-P-Konzentrationen von 5 µg/L möglich [8].

Merck bietet mit dem Spectroquant-Reagenzientest Phosphat (Artikelnummer 114848) eine einfache, kostengünstige und sensitive Alternative zur sicheren Quantifizierung des Ortho-Phosphatgehaltes in Oberflächengewässern. Das Verfahren ist analog den Standardverfahren zur Phosphatbestimmung, DIN EN ISO 6878, APHA 4500-P E und EPA 365.2+3.

Mit dem neuen Prove 600 aus der Spectroquant-Prove-Familie sind durch die Messung in der 100-mm-Küvette Bestimmungen schon ab 2,5 µg/L PO4-P möglich. Niedrige PO4-P-Konzentrationen in Oberflächengewässern können somit zuverlässig und schnell gemessen werden.

Neben der sensitiven Messung besitzt der Phosphat-Reagenzientest von Merck noch einen weiteren Vorteil. Durch die Verwendung der Spectroquant-Instrumente entfällt im Vergleich zur klassischen Photometrie die zeitaufwändige Methodenkalibrierung. Alle Spectroquant-Instrumente sind zur genauen Bestimmung des Phosphatgehaltes der Proben mit einer 10-Punkt-Eichkurve vorprogrammiert. Daraus ergibt sich durch die Verwendung verschiedener Küvettengrößen auf Basis des Lambert-Beerschen-Gesetzes ein Gesamtmessbereich von 0,0025 bis 5,00 mg/l PO4-P. So lassen sich unbekannte Phosphatkonzentrationen von Proben direkt ohne Erstellung einer Kalibriergeraden ermitteln.

Methodenvergleich: Spectroquant-Test vs. Photometrie nach DIN EN ISO 6878

Die Methoden Spectroquant Phosphat 114848 und Photometrie nach DIN EN ISO 6878 beruhen beide auf demselben Verfahren. Orthophosphat-Ionen bilden in schwefelsaurer Lösung mit Molybdat- und Antimon-Ionen Molybdatophosphorsäure. Diese wird mit Ascorbinsäure zu Phosphormolybdänblau (PMB) reduziert, das photometrisch bestimmt wird [9].

Der Vorteil des Spectroquant-Testsatzes im Vergleich zum Standardverfahren ist neben der bereits bestehenden Kalibriergerade die einfache Durchführung. Für die Bestimmung gemäß DIN EN ISO 6878 müssen die Reagenzien selbst angesetzt werden. Dabei handelt es sich um mindestens fünf Lösungen ohne Berücksichtigung der für die Kalibration herzustellenden Standards [8]. Im Vergleich dazu liegen in dem Spectroquant-Testsatz die für die Analyse benötigten Reagenzien gebrauchsfertig vor. Für die sensitive Phosphatbestimmung in der 100-mm-Küvette müssen zu 20 mL Probe 20 Tropfen PO4-1-Reagenz und 4 Löffel PO4-2-Reagenz gegeben werden. Nach einer Reaktionszeit von 5 Minuten wird die Färbung der Probe im Photometer gemessen. Die Konzentration an Phosphat kann direkt am Photometer abgelesen werden. Eine detaillierte Durchführungsbeschreibung ist in der Applikation „Sensitive Bestimmung von Ortho-Phosphat in Grund- und Oberflächenwasser“ gegeben. Die Applikation kann online unter der Produktseite des Spectroquant Phosphat Tests 114848 gefunden werden.

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Um Aussagen über die Eignung des Spectroquant-Testsatzes zur Bestimmung des Phosphatgehalts in Oberflächengewässern zu erhalten, wurden sechs Proben mittels Spectroquant-Test und zum Vergleich nach DIN EN ISO 6878 auf ihren PO4-P-Gehalt untersucht. Die Nachweisgrenze für das Verfahren nach DIN wurde gemäß DIN 32 645 mit 0,003 mg/L PO4-P bestimmt. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse, die mit dem Spectroquant-Testsatz ermittelt wurden, denen nach DIN EN ISO 6878 gegenübergestellt.

Beide Verfahren zeigen vergleichbare Ergebnisse. Bei vier von sechs Proben lag der PO4-P-Gehalt unterhalb des Messbereichs. Nur bei zwei Realproben lag der PO4-P-Gehalt innerhalb des Messbereichs. In der Probe „Brombachsee“ unterschieden sich die ermittelten Konzentrationen um 0,0031 mg/L PO4-P. In der Probe „Altmühlsee“ betrug die Abweichung zwischen dem Ergebnis des Spectroquant-Tests und dem nach DIN nur 0,0004 mg/L PO4-P. Die Wiederfindung beträgt hier 97 Prozent.

Neben der Referenzanalytik wurden zusätzlich Standardadditionen durchgeführt. Hierzu wurde zu fünf See- und einer Talsperrenproben vier verschiedene Konzentrationen an PO4-P gegeben und die Wiederfindung bestimmt. In Abbildung 2 sind die Ergebnisse dargestellt. Der zugegebene Standard konnte unabhängig von Konzentration und Probe wiedergefunden werden. Die Wiederfindung lag im Durchschnitt bei 105 Prozent ± 5 Prozent. Soll die Genauigkeit noch weiter erhöht werden, kann bei Bedarf eine eigene Kalibrierung für den vorgesehenen Messbereich durchgeführt werden.

Für einen Messbereich von 0,0025 bis 0,0250 mg/L PO4-P wurde eine 10-Punkt-Kalibriergerade erstellt (s. Abb. 3). Die Methode zeigt eine gute Linearität. Im Vergleich zur vorprogrammierten Methode konnten die Verfahrenskenndaten deutlich verbessert werden (s. Tab. 2). Es konnte eine Verfahrensstandardabweichung von ± 0,0001 mg/L, ein Verfahrensvariationskoeffizient von ± 0,88 Prozent und ein Vertrauensbereich von ± 0,0003 mg/L erzielt werden.

Literatur:

[1] H.-D. Belitz, W. Gosch, Lehrbuch der Lebensmittelchemie, Springer-Verlag, 1. Ausgabe, 1982.

[2] D. Gleisberg, Chem. unserer Zeit, 1988, 22(6), 201–207.

[3] American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation, Standard Methods for the examination of Water and Wastewater, 4500P – Phosphorus, 1999.

[4] G. Metzner, Phosphate aus Wasch- und Reinigungsmitteln im kommunalen Abwasser der Bundesrepublik Deutschland, 2006.

[5] Internationale Gewässerschutzkommission für den Bodensee, Gesunder Bodensee Dank niedriger Phosphorwerte, Pressemitteilung der IGKB, Juni 2013.

[6] Bodensee-Wasserversorgung, http://www.zvbwv.de/index.php?id=135 [Datum des Zugriffs: 25.08.2016]

[7] DIN EN ISO 10304-1:2009-07, Wasserbeschaffenheit – Bestimmung von gelösten Anionen mittels Flüssigkeits-Ionenchromatographie – Teil 1: Bestimmung von Bromid, Chlorid, Fluorid, Nitrat, Nitrit, Phosphat und Sulfat (ISO 10304-1:2007)

[8] DIN EN ISO 6878:2004-09, Wasserbeschaffenheit – Bestimmung von Phosphor – Photometrisches Verfahren mittels Ammoniummolybdat (ISO 6878:2004)

[9] Beipackzettel Spectroquant Phosphat-Test, Artikelnummer 114848, Januar 2016.

* K. Schwind und G. Decker: Merck KGaA, 64293 Darmstadt

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