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          持久性有機污染物(Persistent Organic Pollutants,簡稱POPs)是一類能夠通過大氣、水、土壤、沉積物和生物組織等環境介質長距離遷徙并持久存在于環境中,具有長期殘留性、生物蓄積性、半揮發性和高毒性等特征,可通過食物鏈或食物網累積,對人類健康和環境具有嚴重危害的有機污染物質。因此,為滿足環境立法要求、保障人類健康和環境生態,必須對環境中的POPs進行監測。

          在水環境中采樣后帶回實驗室進行化學分析,是水環境監測中最常規的方法,這種方法有一個最大的缺點就是:如果污染物濃度隨時間變化較大,那么該方法來進行污染物的環境監測就不合適了,而且對于突發性污染事故容易漏檢。對于這個問題的傳統解決方法是增加采樣頻率或者安裝自動采樣設備,保證在一定的時間周期內的采樣次數。但是這樣必定會增加測定成本,而且在許多情況下難以實現。另外,還有很多與生物相關的監測方法可以用于污染物濃度的監測,但是存在各種難以控制的影響因素,例如新陳代謝、生物降解、排泄作用、生長發育率和死亡等等。

          被動采樣技術可以在不影響母體溶液濃度的前提下收集目標物質,因此可以避免上述存在的許多問題。根據不同的采樣器結構設計,積累在采樣器中的污染物濃度可以真實反映出其在被測體系中的平衡濃度或者時間平均濃度。被動采樣技術適用于監測包括POPs在內的多數優先監測污染物。

          1.被動采樣技術介紹

          早在上世紀80年代,被動采樣的概念就在環境領域提出并得到發展了,并在90年代開始應用于科學研究。從那時起被動采樣法就開始用來監測水體以及沉積物孔隙水中的污染物濃度了,有的情況下還可以同時進行使用。例如在對某區域進行修復的時候,被動采樣器可以作為監測從沉積物中進入到修復材料層以及上覆水中的污染物的量的工具。

          2.被動采樣器的工作原理

          大部分被發現的有機污染物是疏水性的,例如多環芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)等等。根據“相似相溶”原理,疏水性有機化合物傾向于溶解和富集到非水相的環境相中,包括被動采樣器中,而不是溶解在水中。

          當被動采樣器被放置在受有機物污染的水環境中(例如PCBs),PCBs會逐漸從水體或者沉積物孔隙水中轉移出來,向被動采樣器擴散。經過一段時間后,PCBs會富集到被動采樣器上,直到被動采樣器上PCBs的濃度不再增加。值得注意的是,如果水體或者孔隙水中的PCBs濃度降低,那么被動采樣器上的濃度也會降低。當被動采樣器上PCBs的濃度不再發生明顯變化時,就認為PCBs在被動采樣器和其他環境相之間達到了一個平衡。達到平衡后,被動采樣器就可以從環境中被取出,進行有機污染物的測定了。

          被動采樣技術應用于水體中持久有機污染物的監測

           

          1.被動采樣器對PCBs富集過程

          當有機污染物從一個環境相轉移到另一個環境相的量平均為零的時候,那么就是達到平衡了,雖然這是個抽象的概念,但是它表明在我們需要測定的環境相中,已經不存在有機污染物的明顯變化了。當體系達到平衡,污染物的濃度不在任何環境相中發生變化,我們就可以確定測定的污染物濃度是準確的,不會發生明顯偏差。確定平衡的一個明確的方法就是,做出污染物濃度-時間圖,當污染物濃度不再隨著時間發生變化,那么就可以確定平衡達到了。

          3.被動采樣法常用材料

          被動采樣法的使用材料主要為聚乙烯(Polyethylene,簡稱PE)膜、聚甲醛(Polyoxymethylene,簡稱POM)膜和固相微萃?。⊿olid Phase Micro-extraction,簡稱SPME)材料,實質上都是一些有機聚合物。PE膜與POM膜都是簡單的塑料膜,厚度在15μm到100μm之間,可以根據需要用剪刀剪成或大或小的形狀。PE膜可以從大多數五金店買到,被經常用作被動采樣器材料。POM膜使用的是更專業化的聚合物,但是大片的也可以買到。SPME材料其實就是光導纖維柱,柱子內部的纖維芯是由玻璃組成的,不具有富集有機污染物的能力,但是包裹著玻璃芯的聚合材料(聚二甲基硅氧烷,polydimethylsiloxane,簡稱PDMS)是有效的被動采樣器。PDMS的厚度從10μm至100μm不等。玻璃纖維內芯長度有很多種,但是很容易斷,因此長度一般為1~20cm。

          被動采樣技術應用于水體中持久有機污染物的監測

          2.不同被動采樣器的化學結構 (a)PE,(b)POM,(c)SPME

          被動采樣技術應用于水體中持久有機污染物的監測

          3.不同被動采樣器的外觀結構 (a)PE,(b)POM,(c)SPME

          4.被動采樣技術的優點

          過去的幾十年來,有機污染物都是用有機溶劑來提取的,這些傳統的提取方法有一些缺點。首先,對水樣而言,即使在污染程度最重的采樣點,有可能GC/MS也檢測不出來數據,除非對特別大量的水樣(例如10升甚至更多)進行提取。并且,即使污染物可被檢測到,檢測結果也經常會受到微小的沉積物顆粒、膠體以及溶解性有機碳的影響,因此得到的數據不一定會真實地體現溶解態濃度,上述影響會使得對水體以及孔隙水的監測結果偏高。其次,對沉積物而言,有機溶劑提取幾乎可以把沉積物中的所有污染物都提取出來,包括與沉積物基質緊密結合的部分,因此這類方法對沉積物中總污染物的定量是有作用的,但是并沒有體現生物可利用性的部分,而生物可利用部分是反映對人體健康和環境影響的暴露程度和潛在風險的部分。另外,傳統的有機溶劑提取法使用大量的有機溶劑,成本高,而且對環境有影響;而被動采樣法使用的溶劑的量小得多。

          與傳統的提取方式相比,被動采樣技術有許多優點。例如,被動采樣器可以直接放置在被測環境中進行原位富集。富集的結果就是使得GC/MS能夠檢測到結果,因為在最后的提取中更多的污染物被提取到。被動采樣器可以一次性放置數天甚至高達數月,并能在時間上體現采樣點的污染物在被動采樣器的富集情況。相比之下,傳統的水樣采集僅僅提供了某一時刻的污染情況,不能體現污染物對采樣器的真正暴露情況。被動采樣器的成本要比傳統有機試劑提取法低,在實際應用時,如果由于糟糕的天氣或者其他事故導致被動采樣器的損失也并不大。

          被動采樣法能提供一個測定或預測溶解相中疏水性有機污染物濃度的更科學、有效的方式。從該方法得到的數據比傳統的提取方法更準確,更有生物利用相關性。傳統的提取方法只是提供了在某一時間點的有機污染物的濃度數據,當信息需要快速獲取或者某化學物質有明顯毒性存在時,這樣的方法還是有價值的;然而其準確性仍然存在疑問(例如上述討論過的溶解性有機碳的存在、膠體的存在等等),而且在實際工程應用時,測定結果還會受到突發或短期事件的影響(例如風暴、洪水等),因此也不能準確反映采樣點長期污染物的平均濃度。當我們想要了解污染物對水生動物及人體健康的長期暴露影響時,長期污染物的平均濃度是非常重要的,而被動采樣法監測的正是水體或孔隙水的長期的污染物平均濃度,因此被動采樣法提供的數據能更好地反映污染物對水生動物和人體健康的長期暴露影響。

          被動采樣技術應用于水體中持久有機污染物的監測

          4.被動采樣法反映長期污染物平均濃度示意圖

          (1)被動采樣器富集到的有機污染物的濃度:通過對被動采樣器進行溶劑提取來獲取,有越來越多的證據證明被動采樣器富集到的有機污染物的濃度與水生生物所富集到的濃度有很好的相關性,尤其是沉積物中的生物(例如底棲無脊椎動物)。一些研究中已經顯示,對沉積物進行的生物監測與評價(例如用蚯蚓)的生物富集結果,與用被動采樣法提取到的結果有不錯的一致性,說明在合適的條件下,被動采樣法可以替代生物監測。

          (2)被動采樣器周圍液相中富集到的有機污染物的濃度:水體或者孔隙水中的有機污染物是最具有生物可利用性的部分。這部分的污染物濃度是通過被動采樣器富集濃度和一個有機污染物在被動采樣器和水中的分配系數計算而來的。在實際應用中,這個濃度值可以和水質量標準值、風險評價值以及背景值進行比較,從而來評估有機污染物對水體或者孔隙水的潛在高濃度風險影響。

          5.被動采樣器的選擇

          PE膜和POM膜由于結構相似,因此二者有很多共同的優點。二者均比較廉價,質地光滑,可以根據具體情況需要剪成不同大小,鋪設方法簡單并且可大規模鋪設,因此在科學研究和實驗室應用中都很方便。另外,二者對水體和沉積物的鋪設均有效。但是二者也有不同和不足之處。PE膜易折疊,清洗起來比較困難,尤其是在鋪設之后。相反的是,POM膜擁有較為剛性的構造,因此POM膜清洗比較容易,但是在鋪設過程中容易從金屬線或框架上被扯掉(而PE膜延展性好,從而不容易被扯下來)。

          SPME被普遍認為比其他兩種被動采樣器具備更快的平衡速度,此外,由于SPME柱子尺寸緊湊,如果配有保護性的防護管套,SPME就很容易被鋪設、恢復和清理,這些都是它的很大優勢。然而,SPME與前兩種被動采樣器相比較為脆弱,難以大批量地進行鋪設。所以SPME更適用于鋪設在流動狀態較差的沉積物中,而不是布置在水體中。

          6.被動采樣器的使用方法

          被動采樣器可以用廉價而又簡單實用的設備布置在現場,在污染水體和沉積物中有許多被動采樣器的布置策略。如圖5所示,被動采樣器可以利用不銹鋼圈、捕蟹籠和銅網布置在水中,并且在水體位置表面使用浮標以防止由波浪作用引起的位置變化;而在沉積物中,被動采樣器用金屬管或者金屬框架固定。

          被動采樣技術應用于水體中持久有機污染物的監測

           

          圖5.被動采樣器的使用方式

          (a)不銹鋼圈(b)補蟹籠(c)銅網(d)金屬管(e)金屬框架

          時間:2018/9/5 17:27:57    瀏覽: 次

           

          類別: 行業資訊
          標簽: 監測,污染物,有機,持久
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