Полупроницаемые мембранные устройства
с полупроницаемыми мембранами Устройства ( СПМД ) представляют собой пассивные устройства для отбора проб, используемые для контроля следовых уровней органических соединений с log Kow > 3. СМПД являются эффективным способом мониторинга концентраций химических веществ, образующихся в результате антропогенных стоков и загрязнений в морской среде, благодаря их способности обнаружить минимальные уровни химического вещества. Данные, собранные с помощью пассивного пробоотборника, важны для изучения количества химических веществ в окружающей среде и, следовательно, могут быть использованы для разработки других научных исследований о влиянии этих химических веществ на организмы, а также на окружающую среду. Примеры химических веществ, обычно измеряемых с помощью SPMD, включают: ПАУ (полициклические ароматические углеводороды), ПХД (полихлорированные дифенилы), ПБДЭ (полибромдифениловые эфиры), диоксины и фураны, а также гидрофобные сточные воды, такие как ароматизаторы , триклозан и фталаты .
Пассивные пробоотборники могут использоваться для мониторинга и регистрации кратковременных импульсов загрязнения, обнаруженных в поверхностных водах, которые в противном случае были бы пропущены. SPMD могут накапливать загрязняющие вещества из толщи воды , поскольку триолеин (триолеат глицерина) составляет липидную мембрану, находящуюся внутри канистры. [1] Однако они наиболее успешны в накоплении микроэлементов в поверхностных водах с расчетным потоком. Количество химического вещества, измеренное с помощью SPMD, зависит от площади поверхности устройства для отбора проб. Следовательно, использование SPMD большего размера увеличивает количество отбираемых химических проб.
Развертывание
[ редактировать ]СМПД могут быть размещены в широком диапазоне водоемов, однако предпочтительнее проточное мелководье. Эти устройства необходимо прикрепить к близлежащим конструкциям, чтобы позволить SPMD оставаться в фиксированном положении в окружающей среде. Чтобы повысить устойчивость SPMD, можно использовать различные способы, включая крепление устройства к буйковой системе, якорю , лодке или конструкциям/обломкам на мелководье. Для получения наилучших данных с помощью пассивных пробоотборников требуется определенная степень стабильности и способность SPMD оставаться стационарным. Пока на корпусе устройства имеются отверстия, не существует определенного положения, в котором SPMD должен быть обращен во время развертывания. [2] В зависимости от типа анализа, который будет проводиться, может потребоваться использование одного или нескольких экстрактов пробоотборника. SPMD обычно используются в полевых условиях на срок до 30 дней, в зависимости от того, сколько микроэлементов накапливается в самом пассивном пробоотборнике.
Проточная вода
[ редактировать ]Преимущество использования SMPD в проточной воде, например, в ручьях или реках, заключается в том, что эти системы увеличивают объем отбираемой пробы воды. Однако следует избегать участков с очень сильным потоком, поскольку они представляют опасность для целостности SPMD из-за плавающего мусора (камней, отложений или древесины) и могут сдвинуть устройство вниз по течению. Если в ручье или реке через равные промежутки времени протекают взвешенные твердые частицы, может оказаться выгодным, если устройство будет развернуто так, чтобы большая часть отверстий была обращена в сторону от направления потока. Размещение канистры СПМД за препятствием в проточной воде также может уменьшить количество взвешенных веществ, которые взаимодействуют с устройством в системах такого типа. [2]
Озера и океаны
[ редактировать ]SPMD может быть развернут в районах с низкими скоростями течения или даже в глубоководных районах. Для обеспечения безопасности и правильного развертывания СПМД на глубоководных участках важно крепить устройство не только к плавучему устройству, но и к якорю. Для извлечения СМПД с поля может потребоваться лодка или водолаз, в зависимости от глубины контейнера. SPMD может концентрировать химические вещества из воды, а также отложений в толще воды, поэтому перед использованием важно знать состав отложений и поверхности бентоса. Чтобы уменьшить влияние химических веществ из нежелательных источников, может быть очень полезно закрепить SPMD на определенных глубинах (например, выше для илистых отложений в водных системах). [2]
Биологические препятствия
[ редактировать ]Биопленки
[ редактировать ]На канистре могут образовываться биопленки, что снижает количество собираемых загрязнений за счет закрытия пор мембраны.
Организмы
[ редактировать ]В морских системах может возникнуть распространенная проблема, связанная с ростом ракушек на контейнере и в нем, что может от умеренного до значительного уменьшения количества собираемых загрязнений, а также затруднить извлечение устройств.
Преимущества
[ редактировать ]Преимущества работы с пассивным пробоотборником SPMD по сравнению с обычным полевым испытанием организма заключаются в том, что SPMD можно использовать в чрезвычайно токсичных водах, которые могут быть слишком токсичными для жизни организма или просто не населены сидячими фильтраторами. . [3] Конструкция SPMD имитирует процесс накопления загрязняющих веществ, как это происходит в мидиях или устрицах, но без проблем смертности или метаболизма любых загрязняющих веществ, которые могут присутствовать. [3] Они также могут использоваться в течение длительного периода времени и могут учитывать случаи резкого стока, разливы химикатов или другие аномальные явления загрязнения. Физическая конструкция СМПД с покрытием из нержавеющей стали защищает его и позволяет подвешивать на неподвижном якоре в толще воды. [3] Основное преимущество SPMD перед другим пассивным пробоотборником, называемым интегративным пробоотборником полярных органических химических веществ (POCIS ), заключается в том, что SPMD обнаруживают загрязняющие вещества, которые не полностью растворились в воде. [3]
Недостатки
[ редактировать ]Хотя SPMD существуют с середины 1990-х годов, они все еще относительно новы в мире токсикологии и все еще изучаются как надежные формы сбора данных. Поскольку они сидячие, они не всегда дают точную картину окружающей среды, поскольку в воде много подвижных организмов, способных уйти от загрязнения.
Поскольку СПМД изготовлен из мембраны из полиэтилена низкой плотности, он прозрачен для волн UVa и UVb. И, к сожалению, химические вещества, чувствительные к свету, такие как ПАУ, могут разлагаться до того, как будут измерены правильные концентрации.
SPMD предназначены для накопления низких концентраций химических веществ, а те, которые подвергаются воздействию воздуха более 30 минут, могут концентрировать переносимые по воздуху загрязняющие вещества. Поверхностные воды, покрытые нефтью или другими слоями, должны быть нарушены, а вода очищена перед тем, как СПМД можно будет поместить в воду, в противном случае начнется сбор ложных данных. [1] .
Кроме того, хотя SPMD может учитывать выбросы загрязняющих веществ, трудно определить, когда это событие произошло в течение периода отбора проб, поскольку SPMD не отслеживает время. [3] . Еще одним большим недостатком является то, что SPMD не сможет обнаруживать загрязняющие вещества, которые легко растворяются в воде, тогда как такое устройство, как POCIS, может. [3]
Приложения
[ редактировать ]Анализ данных
[ редактировать ]Пассивные пробоотборники предоставляют два типа информации: концентрации загрязняющих веществ внутри пробоотборника и прогнозируемую концентрацию загрязнения в воде, окружающей пробоотборник. Концентрация химического вещества внутри пробоотборника определяется с помощью диализа SPMD, а концентрация воды - с помощью ряда расчетов, основанных на результатах диализа и методах отбора проб. [3]
Метод диализа начинается с тщательной очистки аппарата от солей. Затем его погружают в гексан и инкубируют от 18 до 24 часов. Этот процесс повторяется дважды, и гексан из обоих периодов диализа объединяется. Затем образцы обрабатываются в лаборатории аналитической химии для определения содержания смеси. [3]
Как установлено USEPA , концентрацию растворенного вещества вне пробоотборника можно спрогнозировать с помощью следующего уравнения:
Cw = Cps/Kow *1000 [4]
Cw – концентрация растворенного вещества в воде (мкг/л); Cps – концентрация примеси в СПМД (мкг примеси/г пробоотборника); Kow – коэффициент фазового разделения (л/кг); а 1000 — это множитель для поправки на изменение единиц измерения. [4] Это уравнение предназначено для обычных пассивных пробоотборников, тогда как более определенное уравнение включает в себя продолжительность мониторинга SPMD:
Cw = Cspmd*Vspmd/ (Rs*t) [5]
Cw – концентрация загрязнения в воде; Cspmd – концентрация в СПМД (обычно нг/л); Vспмд – объем СПМД (обычно л); Rs – эффективная скорость отбора проб (л/день); t – время развертывания (сутки). [5]
Использование Агентством по охране окружающей среды
[ редактировать ]SPMD в настоящее время используются Агентством по охране окружающей среды США (EPA) в качестве инструмента для оценки стратегий управления загрязнителями в воде и отложениях. На объекте Superfund в Южной Каролине три версии SPMD использовались на участке очистки Superfund для измерения ПХБ: один находился в контакте с поверхностными отложениями; второй подвешен на границе раздела вода-отложения; и третий в толще воды. [6] В июне 2005 года объект Superfund в Норт-Провиденсе, штат Род-Айленд, развернул SPMD в шести местах. Их поместили в толщу воды и осадок на 27-дневное воздействие для проверки на ТХДД, фураны, диоксины и летучие органические соединения . [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Хакинс, Джеймс Н.; Манувира, Гамини К.; Петти, Джимми Д.; Маккей, Дональд; Лебо, Джон А. (12 декабря 1993 г.). «Липидосодержащие полупроницаемые мембранные устройства для мониторинга органических загрязнений в воде». Экологические науки и технологии . 27 (12): 2489–2496. Бибкод : 1993EnST...27.2489H . дои : 10.1021/es00048a028 .
- ^ Jump up to: а б с Альварес, Дэвид (2010). Руководство по использованию устройства с полупроницаемой мембраной (SPMD) и полярного интегративного пробоотборника для органических химических веществ (POCIS) в исследованиях по мониторингу окружающей среды . Геологическая служба США.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час «Полупроницаемое мембранное устройство» . НОАА . 16 апреля 2013 г.
- ^ Jump up to: а б Рекомендации по использованию пассивных пробоотборников для мониторинга органических загрязнителей . Агентство по охране окружающей среды. 2012.
- ^ Jump up to: а б Хафф, Том (2016). Полупроницаемое мембранное устройство . Геологическая служба США.
- ^ Фут, Эрик (2012). «Использование SPMD для оценки естественного восстановления загрязненных ПХД отложений в озере Хартвелл, Южная Каролина: I. Полевые испытания новых методов развертывания на месте». Загрязнение почвы и отложений . 21 (1): 82. Бибкод : 2012SSCIJ..21...82S . дои : 10.1080/15320383.2012.636777 .
- ^ Центр записей Суперфонда . Агентство по охране окружающей среды. 2005.