Clean monsterneming en analyse van de rivier en estuariene Waters voor Trace Metal 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
Het is algemeen erkend dat sommige sporen metalen resultaten verkregen voor natuurlijke wateren onjuist als gevolg van artefacten die voortvloeien uit inadequate technieken toegepast tijdens monstername, behandelingen en vastberadenheid 1,2 kan zijn. De ware concentraties (in sub-nM tot nM bereik in oppervlaktewater 3) van opgeloste sporen metalen zijn nu tot twee ordes van grootte lager is dan eerder gepubliceerde waarden. Dezelfde situatie werd gevonden in de mariene chemie, waar de geaccepteerde opgeloste sporen metalen concentraties in oceanische wateren zijn gedaald met ordes van grootte in de afgelopen 40 jaar of zo een betere bemonstering en analysemethoden zijn ingevoerd. Er zijn inspanningen gedaan om de kwaliteit van gegevens met de ontwikkeling van "schone technieken" gericht op de vermindering of afschaffing van sporen metalen besmetting in alle fasen van sporen metalen analyse 4-8 te verbeteren. Voor de bepaling van concentraties van zware metalen bij omgevingstemperatuurniveaus, wordt voorconcentrering vaak nodig. Ionenwisselingsproces technieken 8-12 werden vaak toegepast voor een efficiënte voorconcentrering.
Besmetting kan het gevolg zijn van de wanden van de containers, het schoonmaken van de containers, de sampler, sample handling en opslag, en sample behoud en analyse 7,13. Alle studies met schoon methoden min heeft onlangs aan dat concentraties van zware metalen in natuurlijke wateren zijn meestal ver onder de detectiegrenzen van routinemethoden 7. Sinds de erkenning van verdachte sporen metalen data in de vroege jaren 1990, zijn schoon methoden zijn opgenomen in de Amerikaanse EPA (Environmental Protection Agency) Richtsnoeren voor de trace metal bepaling 14 en de US Geological Survey heeft schone methoden voor de monitoring van de waterkwaliteit goedgekeurde projecten 15. Clean methoden voor het trace metal studies moeten worden toegepast in alle projecten met het oog op een stevige en nauwkeurige database te creëren.
<pclass = "jove_content"> In principe moet watermonsters gebruikt voor trace metalen bepaling worden opgevangen met de juiste sampling versnellingen van een bepaald materiaal en samenstelling, opgeslagen en behandelde de juiste manier met de juiste containers en apparaten, alvorens met instrumentele analyse. Sinds zwevende deeltjes (SPM) wijzigingen die tijdens de opslagperiode monster kan ondergaan en de samenstelling van het water, snelle scheiding van SPM uit watermonsters te veranderen is een gemeenschappelijke werkwijze voor trace metal studies in het aquatisch milieu. Voor de bepaling van opgeloste concentraties van zware metalen in natuurlijk water, filtratie noodzakelijk en inline filtratie technieken geschikt en efficiënt.Verspreiding en het gedrag van sporenmetalen in aquatische omgevingen zoals oppervlakte- en grondwater kan worden beïnvloed door natuurlijke (bv, verwering) en antropogene (bijvoorbeeld afvalwater afvalwater) factoren, evenals andere milieu-omstandigheden, zoals het opnieuwregionale geologie, morfologie, landgebruik en vegetatie, en klimaat 16-19. Dit kan vervolgens leiden tot verschillen in fysisch-chemische parameters zoals de concentratie van zwevende deeltjes (SPM), opgeloste organische koolstof (DOC), antropogene liganden (bijvoorbeeld ethyleendiaminetetra-azijnzuur, EDTA), zout, redoxpotentiaal en pH 17-20. Daarom, nauwkeurig en relevant trace metalen studies nodig passende monsters voor trace metal analyse, alsmede voor de bepaling van factoren en parameters.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het verkrijgen van betrouwbare trace metal data in natuurlijke wateren vereist grote zorg als benadrukte tijdens monster verzamelen, verwerken, voorbehandelingen, en analyses die tot doel hebben de verontreiniging te verminderen. Concentraties van zware metalen in natuurlijke wateren verkregen met behulp van "schone technieken" in de laatste twee decennia vond dat de concentraties kan worden ordes van grootte lager dan eerder gemeld. Waterkwaliteit criteria voor spoormetalen in de wateren zijn nu gemakkelijker…
Divulgaciones
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 |
Referencias
- 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).
