Ren Provtagning och analys av floden och flodmynningar för spårmetall Studies
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
Det har varit allmänt känt att vissa spårmetall resultat som erhållits för naturliga vatten kan vara felaktiga på grund av artefakter som härrör från bristande teknik som används under provtagning, behandling och beslutsamhet 1,2. De verkliga koncentrationer (i under nM till nM i ytvatten 3) av upplösta spårmetaller är nu upp till två storleksordningar lägre än tidigare publicerade värden. Samma situation har visat sig i marin kemi där de accepterade upplösta spårmetallkoncentrationer i oceaniska vatten har minskat med storleksordningar under de senaste 40 åren eller så förbättrad provtagning och analysmetoder har införts. Ansträngningar har gjorts för att förbättra datakvaliteten med utvecklingen av "ren teknik" som syftar till att minska eller eliminera föroreningar spårmetall i alla faser av spårmetallanalys 4-8. För bestämning av spårmetallkoncentrationer vid omgivandenivåer, förkoncentrering ofta krävs. Jonbytargrupper tekniker 8-12 har allmänt tillämpats för effektiv förkoncentrering.
Föroreningar kan uppstå från väggarna i behållarna, rengöring av behållarna, provtagaren, provhantering och lagring, och prov bevarande och analys 7,13. Alla studier med rena metoder genomförts på senare tid tyder på att spårmetallkoncentrationer i naturliga vatten är oftast långt under gränserna för rutinmetoder 7 detektions. Eftersom erkännandet av misstänkta spårmetall data i början av 1990-talet, har rena metoder införlivats i US EPA (Environmental Protection Agency) riktlinjer för spårmetallbestämning 14 och US Geological Survey har antagit rena metoder för deras övervakning av vattenkvaliteten projekt 15. Rena metoder för spårstudier metall måste användas i alla projekt för att skapa en fast och korrekt databas.
<pclass = "jove_content"> I princip bör vattenprover som används för spårmetallbestämning samlas med lämpliga provtagnings redskap med ett speciellt material och sammansättning, lagras och behandlas på rätt sätt med lämpliga behållare och apparater, innan du fortsätter med instrumentala analys. Eftersom svävande partiklar (SPM) kan genomgå förändringar under provlagringsperioden och ändra vattensammansättningen, snabb separation av SPM från vattenprov är en vanlig metod för spårstudier metall i vattenmiljöer. För bestämning av lösta spårmetallkoncentrationer i naturliga vatten, är filtrering nödvändig och in-line filtreringstekniker är lämpliga och effektiva.Distribution och beteende av spårmetaller i vattenmiljöer såsom yt- och grundvatten kan påverkas av naturliga (t.ex. vittring) och antropogena (t.ex. avloppsvatten avlopp) faktorer, liksom andra miljöförhållanden, såsom reregional geologi, morfologi, markanvändning och vegetation och klimat 16-19. Detta kan sedan leda till skillnader i fysikalisk-kemiska parametrar, såsom koncentrationer av suspenderade partiklar (SPM), löst organiskt kol (DOC), mänskligt orsakade ligander (t ex etylendiamintetraättiksyra, EDTA), salt, redoxpotential och pH 17-20. Därför korrekt och relevant spårmetall studier kräver lämplig provtagning för spårmetallanalys samt för att fastställa relaterade faktorer och parametrar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Erhålla tillförlitliga uppgifter spårmetall i naturliga vatten kräver stor omsorg som betonas under provtagning, behandling, förbehandlingar och analys som syftar till att minska föroreningar. Trace metallhalter i naturliga vatten som erhållits genom att använda "rena tekniker" under de senaste två decennierna funnit att halterna kan vara storleksordningar lägre än vad som tidigare rapporterats. Vatten kvalitetskriterier för spårmetaller i vatten nu lättare bedömas när spårmetallnivåer mäts …
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).
