环境采样新技术及应用

环境采样新技术及应用现代采样技术的发展趋势是样品的采集与前处理往往是同时完成的。环境样品的采集通常有主动采样（ActiveSampling）和被动采样（PassiveSampling）两大类。经典采样方式的局限：★分析的是与整体相分离的水或空气样品，反映的仅是采样瞬时样品的构成或组成，很可能会遗失一些重要的污染过程或现象。★当需要从大体积的水样和空气样品中收集或萃取痕量有机污染物进行定量分析或评估时，往往面临物理学和质量保证方面的困难。★经典的采样或样品前处理方法不能得到真正溶解或易于生物利用的污染物的准确浓度。★水体毒理数据、气体阈限值根据的来源是可溶的、气相部分中浓度，而不是总值。★采样体积小于4L的经典技术常常很难测定痕量有机污染物的生物有效浓度，更极少能采集足够的量用于生物评估。★由于生物残留物的新陈代谢、净化以及周围环境压力的影响，导致影响生物体健康，因此生物检测（生物监测或生物标志物）往往不能正确反映环境污染物的浓度。一、平衡采样装置：原理及应用（EquilibriumSamplingDevices，ESD）平衡采样装置（ESD）是近几年来对快速发展的以SPMD和SPME为代表的被动采样技术和装置进行理论解释的新概念。1、与经典方法的比较：★经典方法（主动采样）：测定的是待测物在环境介质中现存（有）化学形式的所有浓度，而不是其有效性（Availability）浓度和活性（Activity）浓度，不能在“自由”溶解分子和与环境中其它物质键和而“固定”的分子间得到区分，而这恰恰是环境分析、毒理及评估中最重要的。★平衡采样装置或技术：方法测定的确切地说不是待测物在环境介质中的浓度，而是其在一个参比介质中的浓度，该浓度与环境介质中待测物的浓度达到一个平衡或存在一定比例。2、平衡采样技术及装置特点及原理★特点：平衡采样装置是一个对化学势（ChemicalPotential）和逸度（Fugacity）两个热动力学参数敏感的装置★原理：一个物质的化学势与它的逸度为对数关系而与它在特定介质中的自由溶解浓度成线性相关。由此可以确定一个物质的有效性（Availability）浓度。★已有的平衡采样技术：半透膜装置（SPMD，SemipermeableMembraneDevice）固相微萃取（SPME，SolidPhaseMicroextraction）扩散梯度膜（DGT，DiffusiveGradientinThinFilms）扩散平衡膜（DET，DiffusiveEquilbriuminThinFilms）支持液体膜（SLM，SupportedLiquidMembrane）等1987年瑞典伦德大学生态系教授Sodergren首次提出用SPDM进行水中疏水性有机污染物的分离和富集。所设计的SPMD由亲水再生纤维素透析袋内装正己烷构成。（Sodergren,A.Environ.Soc.Technol.1987,21,855-859.）1990年美国地质调查局哥伦比亚环境研究中心Huckins教授等使用低密度聚乙烯或其它高分子微孔聚合物做成薄层长带，中封中性类脂（如三油酸甘油酯）做成SPMD。（Huckins,J.N.etal.Chemosphere,1990,20,535-552）3、历史及发展4、测定的基本原理CS（t）是待测物在采样装置中t采样时间内的累积浓度，CW是待测物在水环境中的浓度，k1、k2分别是摄入速率常数和脱出速率常数，K为参比相和水相间的分配系数（1）平衡被动采样：（2）动力学被动采样：式（3）可重排为：MS（t）是待测物在采样时间t内累积在参比相中的质量，RS是一个比例常数（采样速率），也可解释为采样时间内被采样装置移除的每单位待测物水的体积。对大多数动力学采样来说，CW并不随RS而变，而是受水的流动或扰动、水温以及生物污着的影响。5、平衡采样技术的主要应用（1）空气、水环境及土壤孔隙水中痕量憎水性有机污染物采样分析（2）有机污染物毒性测试（3）复杂介质中物质有效性（或有效浓度）的阐明二、SPMD（SemipermeableMembraneDevice）采样技术1、问题的由来憎水（hydrophobic）亲脂（lipophilic）类亲水（hydrophilic）憎脂（lipophobic）类2、装置及主要过程主要关键部件由膜厚小于100um的低密度聚乙烯（LDPE）扁平管，内封如三油酸甘油脂（Triolein）的中性油组成。憎水性有机污染物（非极性、弱极性或中等极性）由于化学势或逸度的差异，从水体或空气中通过由于高分子聚合物膜分子热运动形成的极小孔穴进入膜内被中性油吸收。在采样吸收达至平衡或规定时间后，小心洗净膜外表面油脂及其它污物后，用有机溶剂将待测物透析出来。SPMD可同时完成三个任务：（1）模拟生物组织中有机污染物的生物有效浓度；（2）提供高重现性的低浓度欲测污染物在线被动式采样，而生物监测往往受到环境因素的极大影响；（3）使痕量有机污染混合物的毒性在线评估和毒性鉴别评估得以实现。★SPMD膜组成：由50-100um厚的非孔性高分子膜或管构成材料可为：LDPE（LowDensityPolyethylene）低密度聚乙烯有机硅或硅橡胶（表面需等离子处理）聚丙烯乙烯醋酸乙酯其它★结合相由大分子非极性脂脂体或流体组成如：中性脂肪有机硅流体其它类脂有机流体单独的LDPE膜典型的商品SPMD尺寸：长91.4cm，宽2.5cm，膜厚50-95um，表面积450cm2，约100cm2/g的LDPE扁平管，内含1ml（0.915g）三油酸甘油酯，脂与膜质量比维持在0.2左右。3、特点及应用特点：★非机械的、被动式采样装置，容易安装，不用电或维护★模拟生物体对有机污染物的摄入，浓度精度高★SPMD衬质可以在使用前很方便地清洗，延长了使用期★容易浓缩如PAHs等有机污染物残留，这些物质在水环境中常易被生物体新陈代谢掉★一旦准备好，SPMD可以冷冻贮存到任何合适的时间再安装采样，而用生物体进行生物监测时则只能小心侍侯喂养，还有周期性的要求★同样暴露条件下，SPMD通常比生物监测的细胞体和沉积物更少分析前清洁的困难应用：★测定污染物的来源和浓度水平★测定间歇性的污染物释放★测定溶解或蒸汽相中化学物质的时间重均（TWA）浓度★测定在某个环境区域里化学物质易被生物利用的部分（溶解态或蒸汽相态），预测其传输、归属和毒性★评估生物体的暴露和生物浓度★在线仿生萃取环境污染物以用作生物及免疫测定★渗析分离目标分析物和基体干扰物质★用作毒性鉴别过程的工具可在三油酸甘油酯得到明显浓缩的有机污染物：★多氯化二恶英及呋喃★多环芳烃类（PAHs）★多氯联苯类（PCBs）★有机氯杀虫剂★拟除虫菊酯杀虫剂★某些除草剂和工业化学品★烷基硒★四丁基锡4、装置安装示意SPMD的固定5、SPMD采样的优点：★与活生物体相比，SPMD不用饲养繁殖★它们彼此间不互相蚕食，或死于病害、其它动物口中、水中缺氧或来至我们将要测定的污染物★SPMD不会到处移动，不会逃逸，或导致引进新物种的问题★SPMD几乎可以用于所有的采样环境中，不用在寒冷的高山使用一种，而到沙漠或海洋甚至地下水中又使用另外一种，SPMD可以很有效地浓缩空气、土壤和沉积物中的污染物★鱼可能会主动地滤掉（摆脱）某些憎水污染物，而SPMD不会。如果在SPMD装置点放置的第一个星期，发生泄漏，我们可以一个月后仍能在泄漏点即SPMD放置点的装置中发现憎水性污染物，而对于鱼等生物监测，是不太可能的★同样，我们可以用SPMD回算水生污染物浓度，而我们通常不可能用鱼来做同样的事SPMD不能完全代替鱼的生物监测模式，鱼可以通过它们的饮食结构滤除某些污染物而挑选另外一些，其中一些在动物体内可达到很高的浓度，导致食物链中的相应增高，这就是“生物累积效应”，SPMD不可能模拟“生物累积”，但它可以使我们警觉一些不会产生“生物累积”污染物的存在6、一些典型采用SPMD技术的分析流程图（1）SPMD采样及GC分析流程示意图（2）、体外生物分析及免疫分析流程图7、具体分析应用举例例1SPMD监测—生物体监测技术间的比较例2SPMD采样监测与软体动物生物监测间比较例3不同采样技术间比较例4不同来源样品的比较例5SPMD在线浓缩污染物用作生物指示剂及其测试SampleTypeMicrotoxToxicity(EC-50)aMutatoxGenotoxicity(+/-)SPMDsWinterQuartersBayb3.1(2.9-3.3)-McMurdoSoundb88(28-275)-FlatBranchcNAd+QualityControlProceduralBlankeNDf-SPMDControlgND-Microtoxphenolreferencetoxicant(µg/mLH2O)19(17-21)NAMutatoxbenzo-a-pyrenereferencetoxicant(1.0µg/vial)NA+aAssayswereconductedonlipiddiluentordialysatesandEC-50valuesrepresentmgSPMDlipid/mLcarriersolventbSPMDswereexposedtoAntarcticasedimentsinmicrocosmscSPMDswereexposedtoasmallurbanstreamdNoneanalyzedeSolvents/reagentsusedintestsfNonedetectedgFreshlypreparedSPMD;carriedthroughMicrotoxandMutatoxtest例6SPMD用于大气采样例7利用主动和被动采样技术和发光菌毒性测试评价水中有机污染物的毒性（马梅等.环境科学学报，2004，24（4），684-689）沿洋河设5个采样点(图1),分别位于工业污水口(Y1);生活污水口(Y2);洋河水库(Y3);响水铺(Y4)和鸡鸣驿(Y5)1、材料和方法：SPMD装置自制：用将聚乙烯膜制成长22.8cm×2.5cm(长×宽)的塑封袋,用环己烷浸泡24h,以去除其中的杂质.用高纯氮气吹干后,每个充入250μL三油酸酯(Triolein,99%pure,Sigma公司),用带纱网的PVC框架(5cm×3cm×25cm)固定,密封在铝箔中,立即放入-20℃冰箱中密封保存备用。2、样品采集及前处理：★SPMD采样：各放入4～5个trioleinSPMD采样器,28d后取出低温密封保存,送回实验室.分别用蒸馏水和酸洗后,放入环己烷中透析24h,透析液用无水硫酸钠脱水,用高纯氮气吹干后用一定体积的二甲基亚砜(DMSO,A.R.,Sigma公司)溶解,低温保存。★CH2Cl2液-液萃取：每个取样点采集2～3L水样,经0.45μm膜过滤后取其中2L用CH2Cl2萃取,用无水硫酸钠脱水,高纯氮气吹干后用一定体积的DMSO(A.R.，SigmaCo.)溶解,配制成所需的浓度,低温保存。3、结论无论是天然水还是城市污水处理厂,直接测定水中污染物的发光菌毒性时,水中影响发光的物质会对测定结果产生干扰.可以采用液液萃取和半渗透膜生物模拟采样技术作为水中有机有毒物质毒性测试的样品前处理手段,所得到的结果一定程度上排除了共存无机离子和水质条件变化对毒性测试结果的影响.由于SPMD技术简便易行,一定程度上模拟了生物在一段时间内积累和中毒的过程,推荐采用半渗透膜被动式采样装置作为有机有毒污染物的富集手段,并和发光菌毒性测试相结合,开展水体和接纳污水的生态风险评价。例8利用SPMD技术监测珠江三角洲大气有机氯农药（刘国卿等.环境科学研究，2004，17（6），1-4转11）图1采样点分布1、材料与方法：标准的SPMD被动式采样装置(80～90cm×2cm,膜厚75μm,1mL三油酸甘油酯)由美国地质调查局(USGS)制造。小心地展开SPMD并将其圈套于金属百叶箱内的不锈钢支架上,吊挂于离地面约1m高的位置。金属百叶箱可保护SPM