Устройство с полупроницаемой мембраной

Полупроницаемые мембранные устройства ( SPMD ) — это пассивные устройства для отбора проб, используемые для мониторинга следовых количеств органических соединений с log Kow > 3. SPMD — это эффективный способ мониторинга концентраций химических веществ из антропогенных стоков и загрязнений в морской среде благодаря своей способности обнаруживать мельчайшие уровни химических веществ. Данные, собранные с помощью пассивного пробоотборника, важны для изучения количества химических веществ в окружающей среде и, следовательно, могут использоваться для формулирования других научных исследований о влиянии этих химических веществ на организмы, а также на окружающую среду. Примерами химических веществ, обычно измеряемых с помощью SPMD, являются: ПАУ (полициклические ароматические углеводороды), ПХБ (полихлорированные бифенилы), ПБДЭ (полибромированные дифениловые 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 загрязняющих веществ, обнаруженных в поверхностных водах, которые в противном случае были бы пропущены. SPMD могут накапливать загрязняющие вещества из водной толщи , поскольку триолеин (глицерилтриолеат) составляет липидную мембрану, размещенную внутри контейнера. ^[1] Однако они наиболее успешны в накоплении следовых количеств химикатов в поверхностных водах с расчетным потоком. Количество химиката, измеренное с помощью SPMD, связано с площадью поверхности устройства для отбора проб. Поэтому использование большего SPMD увеличивает количество отобранных химикатов.

SPMD могут быть развернуты в широком диапазоне водоемов, хотя предпочтительнее текущая неглубокая вода. Эти устройства должны быть закреплены на близлежащих сооружениях, чтобы SPMD мог оставаться в фиксированном положении в своей среде. Чтобы обеспечить устойчивость SPMD, можно использовать различные способы, включая прикрепление устройства к системе буев, якорю, лодке или сооружениям/мусору на мелководье. Для сбора наилучших возможных данных с помощью пассивных пробоотборников требуется некоторая степень устойчивости и способность SPMD быть неподвижным. Пока на контейнере устройства есть отверстия, нет определенного способа, которым SPMD должен быть обращен во время развертывания. ^[2] В зависимости от типа анализа, который будет проводиться, может потребоваться извлечение одного или нескольких пробоотборников для развертывания. SPMD обычно развертываются до 30 дней в полевых условиях, в зависимости от того, насколько сильно накапливаются следы химических веществ в самом пассивном пробоотборнике.

Преимущество развертывания SPMD в текущей воде, такой как ручьи или реки, заключается в том, что эти системы увеличат объем отбираемой воды. Однако следует избегать областей с чрезвычайно высоким потоком, поскольку они представляют опасность для целостности SPMD из-за плавающего мусора (камней, осадка или древесины) и могут сместить устройство вниз по течению. Если в ручье или реке есть взвешенные твердые частицы, протекающие через регулярные интервалы, может быть выгодно, чтобы устройство было развернуто так, чтобы большинство отверстий было обращено в сторону от направления потока. Размещение контейнера SPMD за препятствием в текущей воде также может уменьшить количество взвешенных твердых частиц, которые взаимодействуют с устройством в этих типах систем. ^[2]

SPMD может быть развернут в районах с низкими скоростями течения или даже в глубоководных районах. Для обеспечения безопасности и правильного развертывания SPMD в глубоких районах 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 химикаты из воды, а также из отложений в толще воды, поэтому важно знать состав отложений и бентической поверхности перед развертыванием. Чтобы уменьшить помехи от химикатов нежелательных источников, закрепление SPMD на определенных глубинах (например, выше для илистых отложений в водных системах) может быть очень полезным. ^[2]

На канистре может образовываться биопленка, что снижает количество собираемых загрязнений из-за закрытия пор мембраны.

В морских системах может возникнуть распространенная проблема, связанная с обрастанием канистр и водорослями, что может в некоторой степени или значительно снизить количество собираемых загрязняющих веществ, а также затруднить извлечение устройств.

Преимущества работы с пассивным пробоотборником SPMD по сравнению с обычным полевым испытанием с организмом заключаются в том, что SPMD можно развертывать в чрезвычайно токсичных водах, которые могут быть слишком токсичными для жизни организма или просто не заселены сидячими фильтраторами. ^[3] Конструкция SPMD позволяет имитировать процесс накопления загрязняющих веществ, как это делают мидии или устрицы, но без проблем смертности или метаболизма любых загрязняющих веществ, которые могут присутствовать. ^[3] Их также можно развертывать в течение длительного периода времени и учитывать события скачка воды, разливы химикатов или другие аномальные события загрязнения. Физическая структура SPMD с покрытием из нержавеющей стали защищает его и позволяет подвешивать его на сидячем якоре в толще воды. ^[3] Главное преимущество SPMD перед другим пассивным пробоотборником, называемым полярным органическим химическим интегративным пробоотборником (POCIS ), заключается в том, что SPMD будут обнаруживать загрязняющие вещества, которые не полностью растворились в воде. ^[3]

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 рисуют точную картину окружающей среды, поскольку в воде есть много организмов, которые подвижны и могут уходить 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 деградировать до того, как будут измерены правильные концентрации.

SPMD предназначены для накопления низких концентраций химикатов, а те, которые подвергаются воздействию воздуха более 30 минут, могут концентрировать загрязняющие вещества, находящиеся в воздухе. Поверхностные воды, покрытые маслами или другими слоями, должны быть взболтаны, а вода очищена перед тем, как SPMD может быть помещена 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] . Другим большим недостатком является то, что SPMD не сможет обнаружить загрязняющие вещества, которые легко растворяются в воде, тогда как такое устройство, как POCIS, может. ^[3]

Пассивные пробоотборники предоставляют два типа информации: концентрации загрязняющих веществ внутри пробоотборника и прогнозируемая концентрация загрязняющих веществ в воде, окружающей пробоотборник. Концентрация химикатов внутри пробоотборника определяется с помощью диализа SPMD, а концентрация воды — с помощью набора расчетов, основанных на результатах диализа и методах отбора проб. ^[3]

Метод диализа начинается с тщательной очистки устройства для удаления солей. Затем его погружают в гексан и инкубируют в течение 18–24 часов. Этот процесс выполняется дважды, и гексан из обоих периодов диализа объединяется. Затем образцы обрабатываются в аналитической химической лаборатории для определения состава смеси. ^[3]

Согласно данным Агентства по охране окружающей среды США (USEPA) , концентрацию растворенного вещества за пределами пробоотборника можно предсказать с помощью следующего уравнения:

Cw = Cps/Kow *1000 [4]

Cw — концентрация растворенного вещества в воде (в мкг/л); Cps — концентрация загрязняющего вещества в SPMD (мкг загрязняющего вещества/г пробоотборника); Kow — коэффициент разделения фаз (л/кг); а 1000 — множитель для коррекции изменения единиц измерения. ^[4] Это уравнение предназначено для обычных пассивных пробоотборников, в то время как более определенное уравнение включает в себя продолжительность времени, в течение которого SPMD осуществлял мониторинг:

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

Cw — концентрация загрязняющего вещества в воде; Cspmd — концентрация в SPMD (обычно нг/л); Vspmd — объем SPMD (обычно л); Rs — эффективная скорость отбора проб (л/день); t — время развертывания (день). ^[5]

В настоящее время SPMD используются Агентством по охране окружающей среды США (EPA) в качестве инструмента для оценки стратегий управления загрязняющими веществами в воде и отложениях. На участке Superfund в Южной Каролине три версии SPMD использовались на участке очистки Superfund для измерения ПХБ: один находился в контакте с поверхностными отложениями; второй был подвешен на границе раздела вода-отложения; и третий в водной толще. ^[6] В июне 2005 года участок Superfund в Норт-Провиденсе, Род-Айленд, развернул SPMD в шести местах. Они были установлены в водной толще и отложениях для 27-дневного воздействия для проверки на ТХДД, фураны, диоксины и летучие органические соединения . ^[7]