Clean Échantillonnage et analyse de la Rivière et estuariens Waters pour Trace études métalliques
Summary
Special care using “clean techniques” is required to properly collect and process water samples for trace metal studies in aquatic environments. A protocol for sampling, processing, and analytical procedures with the aim of obtaining reliable environmental monitoring data and results with high sensitivity for detailed trace metal studies is presented.
Abstract
Most of the trace metal concentrations in ambient waters obtained a few decades ago have been considered unreliable owing to the lack of contamination control. Developments of some techniques aiming to reduce trace metal contamination in the last couple of decades have resulted in concentrations reported now being orders of magnitude lower than those in the past. These low concentrations often necessitate preconcentration of water samples prior to instrumental analysis of samples. Since contamination can appear in all phases of trace metal analyses, including sample collection (and during preparation of sampling containers), storage and handling, pretreatments, and instrumental analysis, specific care needs to be taken in order to reduce contamination levels at all steps. The effort to develop and utilize “clean techniques” in trace metal studies allows scientists to investigate trace metal distributions and chemical and biological behavior in greater details. This advancement also provides the required accuracy and precision of trace metal data allowing for environmental conditions to be related to trace metal concentrations in aquatic environments.
This protocol that is presented here details needed materials for sample preparation, sample collection, sample pretreatment including preconcentration, and instrumental analysis. By reducing contamination throughout all phases mentioned above for trace metal analysis, much lower detection limits and thus accuracy can be achieved. The effectiveness of “clean techniques” is further demonstrated using low field blanks and good recoveries for standard reference material. The data quality that can be obtained thus enables the assessment of trace metal distributions and their relationships to environmental parameters.
Introduction
Il a été généralement reconnu que certains résultats de métaux traces obtenues pour les eaux naturelles peuvent être inexacts en raison d'artefacts provenant de techniques inadéquates appliquées lors de la collecte de l' échantillon, les traitements et la détermination 1,2. Les concentrations vraies (en sous-nM à gamme nM dans les eaux de surface 3) de métaux traces dissous sont maintenant à deux ordres de grandeur plus faible que les valeurs publiées antérieurement. La même situation a été trouvé dans la chimie marine où les concentrations dissoutes de métaux traces acceptées dans les eaux océaniques ont diminué par ordre de grandeur au cours des 40 dernières années ou ainsi que l'amélioration de méthodes d'échantillonnage et d'analyse ont été introduites. Des efforts ont été faits pour améliorer la qualité des données avec l'évolution des techniques "propres" visant à la réduction ou l' élimination de la contamination des métaux traces dans toutes les phases de l' analyse des métaux traces 4-8. Pour la détermination des concentrations de métaux traces à la température ambianteniveaux, préconcentration est souvent nécessaire. Techniques d'échange d' ions 8-12 ont été communément appliqué pour préconcentration efficace.
La contamination peut provenir des murs de conteneurs, le nettoyage des conteneurs, l'échantillonneur, la manipulation des échantillons et de stockage et conservation des échantillons et l' analyse 7,13. Toutes les études utilisant des méthodes propres menées plus récemment indiquent que les concentrations de métaux traces dans les eaux naturelles sont généralement bien en deçà des limites de détection des méthodes de routine 7. Depuis la reconnaissance des données suspectes de métaux traces au début des années 1990, les méthodes de nettoyage ont été incorporées dans US EPA (Environmental Protection Agency) Lignes directrices pour la détermination des métaux traces 14 et le US Geological Survey a adopté des méthodes propres à leur surveillance de la qualité de l' eau 15 projets. Méthodes de nettoyage pour les études de métaux traces doivent être utilisés dans tous les projets afin de créer une base de données solide et précise.
<pclass = "jove_content"> En principe, les échantillons d'eau utilisés pour la détermination des métaux traces doivent être recueillies avec des engrenages d'échantillonnage appropriés d'un matériau particulier et de la composition, stockés et traités correctement en utilisant des récipients et des appareils appropriés, avant de procéder à l'analyse instrumentale. Depuis des particules en suspension (SPM) peut subir des changements au cours de la période de stockage des échantillons et modifier la composition de l'eau, la séparation rapide du SPM à partir d'échantillons d'eau est une pratique courante pour les études de métaux traces dans les milieux aquatiques. Pour la détermination des concentrations en métaux traces dissous dans les eaux naturelles, la filtration est nécessaire et en ligne des techniques de filtration sont adaptés et efficaces.Distribution et comportement des métaux traces dans les milieux aquatiques tels que les eaux de surface et souterraines peuvent être affectées par des catastrophes naturelles (par exemple, aux intempéries) et anthropiques (par exemple, les effluents d'eaux usées) des facteurs, ainsi que d' autres conditions environnementales, telles que rela géologie régionale, la morphologie, l' utilisation des sols et de la végétation, et le climat 16-19. Cela peut alors conduire à des différences de paramètres physico – chimiques tels que les concentrations de particules en suspension (SPM), le carbone organique dissous (COD), des ligands anthropiques (par exemple, l' acide éthylènediaminetétraacétique, EDTA), le sel, le potentiel redox et de pH 17-20. Par conséquent, des études précises et pertinentes trace métalliques nécessitent la collecte appropriée des échantillons pour l'analyse des métaux traces, ainsi que pour la détermination des facteurs et paramètres connexes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Obtenir des données de métaux traces fiables dans les eaux naturelles exige beaucoup de soins comme l'a souligné lors de la collecte de l'échantillon, le traitement, les prétraitements, et l'analyse qui visent à réduire la contamination. Tracez les concentrations de métaux dans les eaux naturelles obtenues à l'aide de techniques "propres" dans les deux dernières décennies ont constaté que les concentrations peuvent être des ordres de grandeur plus faible que précédemment rapport?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Drs. Bobby J. Presley, Robert Tayloy, Paul Boothe, Mr. Bryan Brattin, and Mr. Mike Metcalf for their assistance during the laborious field sampling and lab work for the practical development and application of “clean techniques”.
Materials
| Nitric Acid | Seastar Chemicals | Baseline grade | |
| Ammonium hydroxide | Seastar Chemicals | Baseline grade | |
| Acetic Acid | Seastar Chemicals | Baseline grade | |
| Nitric Acid | J. T. Baker | 9601-05 | Reagent grade |
| Hydrochloric acid | J. T. Baker | 9530-33 | Reagent grade |
| Chromatographic columns | Bio-Rad | 7311550 | Poly-Prep |
| Column stack caps | Bio-Rad | 7311555 | |
| Cap connectors (female luers) | Bio-Rad | 7318223 | |
| 2-way stopcocks | Bio-Rad | 7328102 | |
| Cation exchange resin | Bio-Rad | 1422832 | Chelex-100 |
| Portable sampler (sampling pump) | Cole Palmer | EW-07571-00 | |
| FEP tube | Cole Palmer | EW-06450-07 | 6.4 mm I.D., 9.5 mm O.D. |
| Pumping tube | Cole Palmer | EW-06424-24 | 6.4 mm I.D. C-Flex |
| Capsule filter (0.4 mm) | Fisher Scientific | WP4HY410F0 | polypropylene casing |
| 1 L low density polyethylene bottle | NALGE NUNC INTERNATIONAL | 312088-0032 | |
| 1 L (or 500 ml) FEP bottle | NALGE NUNC INTERNATIONAL | 381600-0032 |
References
- Taylor, H. E., Shiller, A. M. Mississippi River Methods Comparison Study: Implications for water quality monitoring of dissolved trace elements. Environmental Science and Technology. 29, 1313-1317 (1995).
- Windom, H. L., Byrd, J. T., Smith, R. G., Huan, F. Inadequacy of NASQAN data for assessing metal trends in the nation’s rivers. Environmental Science and Technology. 25 (6), 1137-1142 (1991).
- Mason, R. P. . Trace Metals in Aquatic Systems. , (2013).
- Wen, L. -. S., Santschi, P., Gill, G., Paternostro, C. Estuarine trace metal distributions in Galveston Bay: importance of colloidal forms in the speciation of the dissolved phase. Marine Chemistry. 63, 185-212 (1999).
- Wen, L. -. S., Stordal, M. C., Tang, D., Gill, G. A., Santschi, P. H. An ultraclean cross-flow ultrafiltration technique for the study of trace metal phase speciation in seawater. Marine Chemistry. 55, 129-152 (1996).
- Benoit, G. Clean technique measurement of Pb, Ag, and Cd in freshwater: A redefinition of metal pollution. Environmental Science and Technology. 28, 1987-1991 (1994).
- Benoit, G., Hunter, K. S., Rozan, T. F. Sources of trace metal contamination artifacts during collection, handling, and analysis of freshwater. Analytical Chemistry. 69 (6), 1006-1011 (1997).
- Jiann, K. -. T., Presley, B. J. Preservation and determination of trace metal partitioning in river water by a two-column ion exchange method. Analytical Chemistry. 74 (18), 4716-4724 (2002).
- Fardy, J. J., Alfassi, Z. B., Wai, C. M. . Preconcentration Techniques for Trace Elements. , 181-210 (1992).
- Pai, S. -. C. Pre-concentration efficiency of Chelex-100 resin for heavy metals in seawater. Part 2. Distribution of heavy metals on a Chelex-100 column and optimization of the column efficiency by a plate simulation method. Analytica Chimica Acta. 211, 271-280 (1988).
- Pai, S. -. C., Fang, T. -. H., Chen, C. -. T. A., Jeng, K. -. L. A low contamination Chelex-100 technique for shipboard pre-concentration of heavy metals in seawater. Marine Chemistry. 29, 295-306 (1990).
- Pai, S. -. C., Whung, P. -. Y., Lai, R. -. L. Pre-concentration efficiency of Chelex-100 resin for heavy metals in seawater. Part 1. Effects of pH and salts on the distribution ratios of heavy metals. Analytica Chimica Acta. 211, 257-270 (1988).
- Salbu, B., Oughton, D. H., Salbu, B., Steinnes, E. . Trace Elements in Natural Waters. , 41-69 (1995).
- . U.S. Environmental Protection Agency. Method 1669. Sampling ambient water for trace metals at EPA Water Quality criteria levels Available from: https://www3.epa.gov/caddis/pdf/Metals_Sampling_EPA_method_1669.pdf (1996)
- Horowitz, A. J., et al. Problems associated with using filtration to define dissolved trace metal concentrations in natural water samples. Environmental Science and Technology. 30, 954-963 (1996).
- Cortecci, G., et al. Geochemistry of trace elements in surface waters of the Arno River Basin, northern Tuscany, Italy. Applied Geochemistry. 24 (5), 1005-1022 (2009).
- Markich, S. J., Brown, P. L. Relative importance of natural and anthropogenic influences on the fresh surface water chemistry of the Hawkesbury-Nepean River, south-eastern Australia. The Science of the Total Environment. 217, 201-230 (1998).
- Shafer, M. M., Overdier, J. T., Hurley, J. P., Armstrong, D., Webb, D. The influence of dissolved organic carbon, suspended particles, and hydrology on the concentration, partitioning and variability of trace metals in two contrasting Wisconsin watersheds (U.S.A.). Chemical Geology. 136, 71-97 (1997).
- Warren, L. A., Haack, E. A. Biogeochemical controls on metal behaviour in freshwater environments. Earth-Science Reviews. 54, 261-320 (2001).
- Jiann, K. -. T., Santschi, P. H., Presley, B. J. Relationships between geochemical parameters (pH, DOC, SPM, EDTA Concentrations) and trace metal (Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) concentrations in river waters of Texas (USA). Aquatic Geochemistry. 19 (2), 173-193 (2013).
- Peltzer, E. T., et al. A comparison of methods for the measurement of dissolved organic carbon in natural waters. Marine Chemistry. 54, 85-96 (1996).
- Nowack, B., Kari, F., Hilger, S. U., Sigg, L. Determination of dissolved and adsorbed EDTA species in water and sediments by HPLC. Analytical Chemistry. 68 (3), 561-566 (1996).
- Bergers, P. J. M., de Groot, A. C. The analysis of EDTA in water by HPLC. Water Research. 28 (3), 639-642 (1994).
