Pasivni uzorkivači u monitoringu organskih zagađivača u vodi

Oni ipak ne daju uvek direktno „prosečnu koncentraciju“. Takav proračun zahteva poznatu kinetiku preuzimanja i korekciju za temperaturu, protok, bioobraštaj i druge uslove, pa je metodološki izveštaj jednako važan kao laboratorijski rezultat.

Koncentracija organskih mikrozagađivača može se promeniti između dva klasična uzorkovanja. Pasivni uzorkivači ostaju u vodi duže i akumuliraju određenu frakciju supstanci, čime povećavaju verovatnoću da se registruje prolazno ili vrlo nisko opterećenje.

SPMD — Semi-Permeable Membrane Device: biomimetika u plastičnoj vrećici

SPMD je razvijen krajem 1980-ih od strane Randyja Huckinsa i saradnika u US Geological Survey kao uređaj koji oponaša pasivnu bioakumulaciju hidrofobnih organskih zagađivača u organizmu. Konstrukcija je jednostavna: tanka (75–95 mikrometara) cevčica od polietilena niske gustine (LDPE), dužine 91,4 cm, napunjena 1 ml triolein-a — nerazgranatim trigliceridom koji je strukturno sličan lipidnoj fazi bioloških membrana. Celokupni volumen LDPE cevčice permeabilan je za lipofilne organske molekule (log Kow > 3), koji difunduju kroz polietilensku membranu i akumulišu se u triolein-u prema svom koeficijentu raspodele.

Matematički model koji opisuje akumulaciju u SPMD bazira se na konceptu uzorkovačke brzine (Rs, u litrima po danu): masa akumuliranog analita jednaka je proizvodu Rs i vremenski integrisane koncentracije u vodi (TWA-C). Rs je specifičan za svaki analiti, temperaturu i hidrodinamičke uslove ekspozicije, i određuje se kalibracijom in situ ili u laboratorijskim mešanim sistemima. Huckins i saradnici (2006, Passive Sampling Technologies in Environmental Monitoring, CRC Press) dali su sveobuhvatan pregled kalibracionih pristupa i faktora koji utiču na Rs, uključujući biofouling — nakupljanje biofilma na površini SPMD koji smanjuje permeabilnost membrane i može uzrokovati podcenjivanje TWA-C za 20–50% ako se ne koriguje.

SPMD je optimalan za visoko hidrofobne zagađivače: PAH, PCB, organohlorni pesticidi, bromovani usporivači gorenja. Njegova primena u monitoringu reka Balkana dokumentovana je u nekoliko studija koje su koristile SPMD kao komplementarni alat uz hemijsku analizu vode i biomarkerske studije u ribama, dajući konzistentnu sliku prostorne distribucije hidrofobnih zagađivača u rečnom sistemu.

POCIS — Polar Organic Chemical Integrative Sampler: hvatač farmaceutika i pesticida

SPMD je odličan za hidrofobne zagađivače, ali praktično beskoristan za polarnije, hidrofilne supstance koje se ne akumuliraju u lipidnoj fazi. A upravo ove supstance — farmaceutici, hormoni, polarni pesticidi poput atrazina i imidakloprida, industrijske hemikalije poput PFAS jedinjenja — predstavljaju neke od najznačajnijih savremenih mikrozagađivača u akvatičkim sistemima.

POCIS je dizajniran kao odgovor na ovaj analitički izazov. Osnovna konstrukcija sastoji se od hidrofobno-hidrofilne adsorbentne mase (najčešće Oasis HLB od Waters Corp., ili polimer POCIS tipa koji koristi farmaceutske čvrste faze) zatvorene između dve mikroporozne poliettersulfon (PES) membrane. Polarni zagađivači difunduju kroz PES membranu i ireverzibilno adsorbiraju na površini čvrstog adsorbenta. Na kraju ekspozicije, adsorbent se ekstrahuje organskim rastvaračem i ekstrakt se analizuje LC-MS/MS metodama.

Alvarez i saradnici (2004, Environmental Science and Technology) koji su razvili POCIS pokazali su da uređaj integriše koncentracije polarnih zagađivača u opsegu od nanograma do mikrograma po litru sa uzorkovačkim brzinama između 10 i 200 ml/dan, zavisno od analita i hidrodinamičkih uslova. Primena POCIS u monitoringu farmaceutika u rekama posebno je vredna jer su farmaceutici tipično prisutni u niskim, vremenski varijabilnim koncentracijama koje grab uzorkovanje često podcenjuje ili potpuno propušta.

Važna interpretaciona napomena: POCIS daje semikvantitativne rezultate ako nisu dostupne in situ uzorkovačke brzine specifične za datu lokaciju. Laboratorijska kalibracija daje aproximativne Rs vrednosti koje mogu odgovarati realnim uslovima u mirnim, toplim vodama, ali se mogu razlikovati za faktor 2–5 od Rs u turbulentnim ili hladnim vodama. Studenti koji koriste POCIS u diplomskim istraživanjima moraju biti svesni ove nesigurnosti i tretirati rezultate kao red-of-magnitude procene koncentracija, a ne kao precizne kvantitativne vrednosti.

Chemcatcher: modularni sistem za specifične analite

Chemcatcher je razvijen od strane istraživačke grupe Richarda Kingstona na Univerzitetu Portsmouth kao modularna platforma u kojoj se kombinacijom različitih membrana i adsorbentnih faza mogu podesiti karakteristike uzorkivača za specifičnu klasu analita. Osnovna geometrija je jednostavna: polietilenski disk-holder u koji se slaže adsorbentna faza (EmporeSheathDisk ili C18 disk) i, opciono, difuziona membrana od LDPE ili silicona koja kontroliše stopu uzorkovanja.

Prednost Chemcatcher-a leži upravo u modularnosti: menajući membranu i adsorbentnu fazu, isti kućišni dizajn može biti podešen za metale (korišćenjem Chelex-100 jono-izmenjivačke faze i celulozno-nitratne membrane), za nepolarne organike (C18 disk sa LDPE membranom) ili za polarnije zagađivače (SDB-RPS disk bez membrane). Ova fleksibilnost čini Chemcatcher populardnim izborom u sveobuhvatnim monitoringskim studijama koje moraju pokriti više klasa zagađivača.

Mills i saradnici (2014, Water Research) sproveli su komparativnu studiju u kojoj su SPMD, POCIS i Chemcatcher bili simultano eksponiran na istim lokacijama u engleskim rekama i rezultate poredili sa konvencionalnim grab uzorkovanjem i bioakumulacijom u tkivima riba. Zaključak je bio jednoznačan: pasivni uzorkivači konzistentno daju represenatativnije procene vremenski integrisanih koncentracija od grab uzorkovanja, posebno za zagađivače prisutne u pulsativnim, nepredvidivim koncentracionim profilima.

Prednosti i ograničenja nad grab uzorkovanjem: kritička analiza

Grab uzorak prikazuje stanje u jednom trenutku i može propustiti kratkotrajni talas zagađenja. Pasivni uzorkivač povećava verovatnoću detekcije i daje vremenski integrisan odgovor, naročito za supstance prisutne u veoma niskim koncentracijama.

Ograničenje je što brzina preuzimanja zavisi od hidrodinamike i temperature. Za pouzdanu procenu koncentracije potrebni su odgovarajući koeficijenti uzorkovanja, kontrolni standardi i dokumentovani uslovi izlaganja.

Ekstrakcija, analiza i izveštavanje rezultata

Izveštaj treba da navede tip membrane i sorbenta, seriju, vreme i dubinu izlaganja, protok, temperaturu, bioobraštaj, blankove, ekstrakciju, instrumentalnu metodu i granice kvantifikacije.

Kada kalibracija nije dovoljna, rezultat je poštenije prikazati kao masu akumuliranu u uzorkivaču nego kao prividno preciznu koncentraciju u vodi.