נקי דיגום ואנליזה של נהר ושפכי הנהרות ווטרס ללימודי מתכת עקבות
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
זה הוכר כי בדרך כלל כמה תוצאות מתכת עקבות שהתקבלו עבור מים טבעיים עשויות להיות לא מדויקות בשל ממצאים הנובעים טכניקות לקויות מיושמות במהלך איסוף דגימה, טיפולי 1,2 ונחישות. הריכוזים הנכונים (בתת-ננומטר טווח ננומטר במי משטח 3) של עקבות מתכות מומסות הם עכשיו עד שני סדרי גודל נמוך מזה של מדדי מחירים שפורסמו בעבר. המצב הדומה נמצא בכימיה הימית שבם ריכוזי מתכות קורט המומסים קבלו במים אושיאניק ירדו ב סדר הגודל מעל 40 השנים האחרונות בערך כמו דגימת שיפור שיטות אנליטיות הוכנסו. נעשו מאמצים כדי לשפר את איכות נתונים עם ההתפתחויות של "טכניקות נקיות" שמטרתו הצמצום או החיסול של זיהום עקבות מתכת לאורך כל שלבי ניתוח מתכת עקבות 4-8. לקביעת ריכוזי מתכות קורט ב הסביבה רמות, preconcentration נדרש לעיתים קרובות. יון-חילופי טכניקות 8-12 יושמו כלל עבור preconcentration יעיל.
זיהום יכול לנבוע קירות מכולות, ניקוי של המכולות, סמפלר, טיפול מדגם ואחסון, מדגם שימור וניתוח 7,13. כל המחקרים בשיטות נקיות שנערכו ולאחרונה עולים כי ריכוזי עקבות מתכת מים הטבעיים הם בדרך כלל הרבה מתחת לתחום הגילוי של שיטות שיגרתיות 7. מאז הכרת נתוני מתכת עקבות חשודות בתחילת 1990, שיטות נקיות שולבו ארה"ב EPA (סוכנות להגנת סביבה) הנחיות לקביעת מתכת עקבות 14 ו הגיאולוגי האמריקנית אמצה שיטות נקיות לניטור איכות מים שלהם פרויקטי 15. שיטות נקיות ללימודי מתכת זכר צריכות להיות מועסקות בכל הפרויקטים על מנת ליצור בסיס נתונים המשרד ומדויק.
<p class = "jove_content"> באופן עקרוני, דגימות מים המשמשות לקביעת מתכת עקבות יש לאסוף עם הילוכי דגימה מתאימים של חומר והרכב בפרט, מאוחסן ומטופלים כראוי באמצעות מכולות ומכשירים מתאימים, לפני שתמשיך ניתוח אינסטרומנטלי. מאז חומר חלקיקי מושעה (SPM) יכול לעבור שינויים במהלך תקופת האחסון מדגם ולשנות בהרכב המים כאמור, הפרדה מהירה של SPM ממדגמים מים היא מנהג נפוץ ללימודי מתכת עקבות בסביבות מימיים. לקביעת ריכוזי מתכות קורט מומסים במים טבעיים, הסינון הכרחי ב-קו טכניקות סינון מתאימות ויעילות.הפצה והתנהגות של עקבות מתכות בסביבות מימיות כגון מים עיליים ומי תהום יכולות להיות מושפעות טבעי (למשל, בליה) ו אנתרופוגניים (למשל, שפכי שפכים) גורמים, כמו גם תנאים סביבתיים אחרים, כגון מחדשגיאולוגית gional, מורפולוגיה, שימושי קרקע וצמחייה, והאקלים 16-19. אז זה יכול לגרום להבדלים בפרמטרים physicochemical כגון ריכוזי חומר חלקיקי מרחף (SPM), פחמן אורגני מומס (DOC), הליגנדים אנתרופוגניים (למשל, חומצה ethylenediaminetetraacetic, EDTA), מלח, פוטנציאל חיזור pH 17-20. לכן, מחקרי מתכת עקבות מדויקים ורלוונטיים דורשים איסוף מתאים של דגימות לבדיקת מתכת עקבות וכן על קביעת מקדמים ופרמטרים נלווים.
Protocol
Representative Results
Discussion
קבלת נתוני מתכת עקבות אמינות מים טבעיים דורשת זהירות רבה כפי שהודגש במהלך איסוף דגימה, עיבוד, pretreatments, וניתוח שמטרתם להפחית את הזיהום. עקבות ריכוז מתכות מים הטבעיים שהושגו באמצעות "טכניקות נקיות" בשני העשורים האחרונים נמצאו שריכוזם יכול להיות סדר הגודל נמוך ממה …
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).
