Полупроницаемые мембранные устройства - Semipermeable membrane devices

SPMD или полупроницаемая мембрана устройства, представляют собой пассивное устройство для отбора проб, используемое для мониторинга следовых уровней органических соединений с log Kow > 3. SPMD - это эффективный способ мониторинга концентраций химикатов в результате антропогенных стоков и загрязнения морской среды благодаря их способности обнаруживать мизерные уровни химикатов. Данные, собранные с помощью пассивного пробоотборника, важны для изучения количества химического вещества в окружающей среде и, следовательно, могут быть использованы для разработки других научных исследований о воздействии этих химикатов на организмы, а также на окружающую среду. Примеры обычно измеряемых химических веществ с использованием SPMD включают: ПАУ (Полициклические ароматические углеводороды), Печатные платы (полихлорированные бифенилы), ПБДЭ (полибромированные дифениловые эфиры), диоксины и фураны а также гидрофобные сточные воды, такие как ароматизаторы, триклозан и фталаты.

Чтобы принять во внимание короткоживущие импульсы загрязняющих веществ, обнаруженных в поверхностных водах, можно использовать пассивные пробоотборники для мониторинга и записи этих импульсов, которые в противном случае были бы пропущены. SPMD могут накапливать загрязнения из водной толщи из-за триолеин (триолеат глицерина), содержащий липидную мембрану, заключенную внутри контейнера.[1] Однако они наиболее успешны в накоплении следов химикатов в поверхностных водах с расчетным потоком. Количество химического вещества, измеренное с помощью SPMD, связано с площадью поверхности устройства для отбора проб, поэтому использование более крупного SPMD увеличивает количество отбираемого химического вещества.

Развертывание

SPMD могут быть развернуты в широком диапазоне водоемов, хотя предпочтительнее проточное мелководье. Эти устройства необходимо прикрепить к ближайшим конструкциям, чтобы SPMD мог оставаться в фиксированном положении в окружающей среде. Чтобы обеспечить устойчивость SPMD, можно использовать различные способы, включая прикрепление устройства к системе буев, якорь, лодка или строения / мусор на мелководье. Для получения наилучших возможных данных с использованием пассивных пробоотборников требуется определенная степень стабильности и способность SPMD быть стационарным. Пока на корпусе устройства есть отверстия, не существует конкретного способа, которым SPMD должен был быть обращен во время развертывания.[2] В зависимости от типа анализа, который будет проводиться, может потребоваться развертывание одного или нескольких экстрактов пробоотборника. SPMD обычно развертываются до 30 дней в полевых условиях, в зависимости от того, сколько следов химикатов накапливается в самом пассивном пробоотборнике.

Текущая вода

Преимущество развертывания SMPD в проточной воде, такой как ручьи или реки, заключается в том, что эти системы увеличивают объем отбираемой воды. Однако следует избегать участков с очень высоким потоком, поскольку они представляют опасность для целостности SPMD из-за плавающих обломков (камней, отложений или древесины) и могут перемещать устройство вниз по потоку. Если в ручье или реке есть взвешенные твердые частицы, текущие через равные промежутки времени, может быть целесообразно развернуть устройство так, чтобы большинство отверстий было обращено в противоположную сторону от направления потока. Размещение канистры SPMD за препятствием в проточной воде также может уменьшить количество взвешенных твердых частиц, которые взаимодействуют с устройством в этих типах систем.[2]

Озера и океаны

SPMD может быть развернут в районах с низкой скоростью потока или даже в глубоководных районах. Для обеспечения безопасности и правильного развертывания SPMD в глубоких областях важно прикрепить устройство к якорю, а также к плавучему устройству. Для извлечения SPMD с поля может потребоваться лодка или водолаз, в зависимости от глубины канистры. SPMD может концентрировать химические вещества как из воды, так и из отложений в водной толще, поэтому перед развертыванием важно знать состав донных отложений и поверхности бентоса. Чтобы уменьшить влияние химических веществ из нежелательных источников, установка SPMD на определенных глубинах (например, выше для илистых отложений в водных системах) может быть очень полезной.[2]

Биологические препятствия

Био-фильмы

Биопленки могут расти на контейнере, что снижает количество собираемых загрязняющих веществ из-за закрытия пор мембраны.

Организмы

В морских системах может возникнуть обычная проблема, связанная с ракушками, растущими на контейнере и в контейнере, что может умеренно значительно снизить количество собираемого загрязнения, а также затруднить извлечение устройств.

Преимущества

Преимущества работы с пассивным пробоотборником SPMD по сравнению с обычными полевыми испытаниями с организмом заключаются в том, что SPMD можно использовать в чрезвычайно токсичных водах, которые могут быть слишком токсичными для организма, чтобы жить в них, или просто не населены сидячими фильтраторами. .[3] Конструкция SPMD позволяет имитировать процесс накопления загрязняющих веществ, как это делают мидии или устрицы, но без проблем со смертностью или метаболизмом любых загрязняющих веществ, которые могут присутствовать.[3] Они также могут быть развернуты в течение длительного периода времени и могут учитывать явления нагнетания стока, разливы химикатов или другие явления аномального загрязнения. Физическая структура SPMD с покрытием из нержавеющей стали защищает его и позволяет подвешивать на неподвижном якоре в толще воды.[3] Основное преимущество SPMD перед другим пассивным пробоотборником, который называется интегрирующим пробоотборником полярных органических химических веществ. (POCIS ) заключается в том, что SPMD обнаруживают загрязнители, которые не полностью растворились в воде.[3]

Недостатки

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, потому что в воде есть много организмов, которые подвижны и могут уйти от загрязнения.

Поскольку SPMD изготовлен из полиэтиленовой мембраны 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 находятся в воздухе более 30 минут, могут концентрировать переносимые по воздуху загрязнители. Поверхностные воды, покрытые нефтью или другими слоями, должны быть нарушены, и вода должна быть очищена до того, как SPMD может быть помещен в воду, в противном случае начнется сбор ложных данных. [1].

Кроме того, хотя SPMD может учитывать выбросы загрязняющих веществ, трудно определить, когда это событие имело место во время периода отбора проб, поскольку SPMD не отслеживает время. [3]. Еще одним большим недостатком является то, что SPMD не может обнаруживать загрязнители, которые легко растворяются в воде, в то время как такое устройство, как POCIS, может.[3]

Приложения

Анализ данных

Пассивные пробоотборники предоставляют два типа информации: концентрации загрязняющего вещества внутри пробоотборника и прогнозируемая концентрация загрязнителя в воде, окружающей пробоотборник. Концентрация химического вещества внутри пробоотборника определяется на основе диализа SPMD, а концентрация воды - на основе ряда расчетов, основанных на результатах диализа и методах отбора проб.[3]

Метод диализа начинается с тщательной очистки устройства от солей. Затем его погружают в гексан и инкубируют от 18 до 24 часов. Этот процесс выполняется дважды, и гексан из обоих периодов диализа объединяется. Затем образцы обрабатываются лабораторией аналитической химии для определения содержания смеси.[3]

Как изложено USEPA, концентрацию растворенного вещества вне пробоотборника можно предсказать с помощью следующего уравнения: 

Cw = Cps / Kow * 1000 [4]

Cw - растворенная концентрация в воде (в мкг / л); Cps - это концентрация загрязнителя в SPMD (мкг загрязнителя / г пробоотборника); Kow - коэффициент разделения фаз (л / кг); и 1000 - множитель для корректировки изменения единиц.[4] Это уравнение предназначено для обычных пассивных пробоотборников, в то время как более определенное уравнение включает в себя продолжительность мониторинга SPMD:

Cw = Cspmd * Vspmd / (Rs * t) [5]

Cw - концентрация загрязняющего вещества в воде; Cspmd - концентрация в SPMD (обычно нг / л); Vspmd - объем SPMD (обычно L); Rs - эффективная частота дискретизации (л / день); а t - время развертывания (сутки).[5]

Использование в EPA

В настоящее время SPMD используются Агентством по охране окружающей среды США (USEPA) в качестве инструмента для оценки стратегий управления загрязнителями в воде и отложениях. На участке Суперфонда в Южной Каролине три версии SPMD использовались на участке очистки суперфонда для измерения ПХБ: одна поддерживалась в контакте с поверхностными отложениями; второй находится на границе раздела вода-осадок; и третий в толще воды.[6] В июне 2005 года сайт Superfund в Северном Провиденсе, Род-Айленд, разместил SPMD в шести местах. Их помещали в толщу воды и отложения для 27-дневного воздействия на ТХДД, фураны, диоксины и летучие органические соединения.[7]

Рекомендации

  1. ^ а б Huckins, James N .; Manuweera, Gamini K .; Петти, Джимми Д.; Маккей, Дональд; Лебо, Джон А. (12 декабря 1993 г.). «Липидсодержащие полупроницаемые мембранные устройства для мониторинга органических загрязнителей в воде». Экологические науки и технологии. 27 (12): 2489–2496. Дои:10.1021 / es00048a028.
  2. ^ а б c Альварес, Дэвид (2010). Руководство по использованию полупроницаемого мембранного устройства (SPMD) и полярного органического химического интегрирующего пробоотборника (POCIS) в исследованиях по мониторингу окружающей среды. USGS.
  3. ^ а б c d е ж грамм час «Полупроницаемое мембранное устройство». NOAA. 16 апреля 2013 г.
  4. ^ а б Рекомендации по использованию пассивных пробоотборников для мониторинга органических загрязнителей. EPA. 2012 г.
  5. ^ а б Хафф, Том (2016). Полупроницаемое мембранное устройство. USGS.
  6. ^ Фут, Эрик. «Использование SPMD для оценки естественного восстановления отложений, загрязненных ПХБ, в озере Хартвелл, Южная Каролина: I. Полевые испытания новых методов развертывания на месте». Загрязнение почвы и донных отложений: Международный журнал 21.
  7. ^ Центр записей Суперфонда. EPA. 2005 г.