Nye metoder til overvågning af miljøfremmede stoffer i vandmiljøet 6. Oversigt over metoder6.1 Introduktion til passive indsamlingsmetoder 6.1 Introduktion til passive indsamlingsmetoderPassiv indsamling af er kendt fra mange områder af miljøovervågningen. Dosimetre, som det kendes fra arbejde med radioaktive stoffer, er en passiv "indsamling" af radioaktiv stråling, og indenfor måling af luftforurening især i arbejdsmiljø har passiv (eller diffusiv) indsamling af luftarter været kendt i mere end 25 år /1/. Passiv indsamling er også kendt fra økologien, hvor der indsamles epiflora og –fauna, som sætter sig på udsatte kunstige substrater. Det passive princip er også blevet brugt til indsamling af fastsiddende mikroalger i PICT konceptet (Pollution Induced Community Tolerance), hvor effekter af miljøfarlige stoffer måles på algerne /2/. Indsamlende fase og membran Passive indsamlingsmetoder for kemiske stoffer omfatter metoder, som kan isolere de relevante stoffer, og hvis virkemåde ikke er baseret på tilført energi, i modsætning til konventionelle manuelle og automatiske metode. Generelt er der tale om en indsamlende fase (vand, organisk solvent eller polymer) som er omsluttet af en gennemtrængelig diffusionsbarriere, oftest en semipermeable membran. Metoderne er særligt populære, hvor det er upraktisk eller besværligt at anvende mekanisk eller elektrisk apparatur ved indsamlingen, og hvor det anses for vigtig ikke at forstyrre de naturlige ligevægte mere end højst nødvendigt. Det gælder f.eks. ved indsamling af stoffer fra den fase som ikke er bundet til organisk stof, i porevand i sediment, poreluft i jord, og ikke mindst ved længerevarende prøveudtagning. En opdeling af måder prøver kan indsamles på er illustreret herunder:
De tidlige metoder De første passive metoder (1 : 1 metoder uden opkoncentrering) tog sigte på at måle ligevægte af uorganiske stoffer over dialysemembraner i strømmende vand /3/ og i sediment-vand grænselaget /4/. Dialysemembraner var fordelagtige, fordi de kan fås med så små porestørrelser, at kun frit opløste molekyler af de relevante stoffer kan passere. Desværre er membranen af cellulose og modtagelig for mikrobiel nedbrydning. Disse indsamlere blev senere udviklet til "peepers", små indsamlingskopper med et mere modstandsdygtigt filter over åbningen, som i dag især anvendes i porevand i sedimenter /5/. I sin oprindelige udformning anvendtes passiv indsamling mest på metaller og næringsstoffer. Det skyldes, at det begrænsede volumen vand i indsamleren (få ml) er for lidt til bestemmelse af de typiske miljøfremmede stoffer med de kendte analysemetoders detektionsgrænser. Opkoncentrerende metoder I dette projekt er de opkoncentrerende metoder i fokus, og det er den "nye" generation af passive indsamlere, som blev lanceret i slutningen af 1980’erne /6/, /7/, /8/ og /9/. I modsætning til den første generation er der nu tale om passive akkumulerende indsamlere (PAI’er), hvor stoffer ophobes i den indsamlende fase til en højere koncentration end den omgivende vandfase. Akkumuleringsfaktoren (AF) svinger mellem 100-1.000.000 afhængig af stof og PAI, og det er ofte tilstrækkeligt til at bestemme forekomsten af en række almindelige miljøfarlige stoffer på trods af det begrænsede volumen (<10 mL). Selektivitet Det har hidtil oftest været en fedtopløselig (hydrofob) fase, som der er akkumuleret til. Det giver både fordele og ulemper: nogle af de stoffer som det er vanskeligt at måle i vand med traditionelle metoder (PAH’er, PCB’er og andre hydrofobe stoffer) er betydeligt lettere at måle på denne måde pga. opkoncentreringen; til gengæld giver det også en selektivitet, således at vandopløselige og ioniserede stoffer ikke akkumuleres så effektivt. De fleste PAI-metoder indsamler den del af de overvågede stoffer, som er opløst direkte i vandfasen. Dvs. at stof bundet til suspenderede partikler eller opløst organisk materiale, som i et vist omfang medbestemmes i konventionel prøvetagning og analyse, ikke er med i resultater fra PAI’er. Kvalitativ/kvantitativ Der kan være stor forskel på metoderne, ikke blot den fysiske udformning, men også deres formål. Alle de nævnte metoder kan give et kvalitativt svar: "stof A var her", "stof B var ikke"; nogle er videreudviklet især med det formål at gøre det muligt at beregne koncentrationen af stof A i vandet omkring, andre kan bruges til at beskrive bioakkumulation af stoffet. Økotoksikologiske test I flere metoderne kan PAI’en tømmes eller ekstraheres, og materialet har været anvendt til at screene prøver i (øko-)toksikologiske test. Akkumulering i biota PAI’er kan i et vist omfang erstatte transplantationsudsætninger med organismer i vandfasen, og kan yderligere eksponeres under betingelser, hvor akkumuleringsresultater indhentet med organismer vil være en umulighed eller svært fortolkelige pga. organismernes kondition. 6.2 Passive akkumulerende in situ metoderDer er flere potentielt "interessante" metoder til overvågningsformål. Det er dog typisk af flertallet af metoder er udviklet og anvendt i et enkelt eller meget få studier. Kun få af PAI-metoderne har været prøvet i et omfang, hvor de kan siges at være slået an til moniteringsbrug. Man kan betragte anvendelsen af PAI som en kemisk ekstraktion der udføres in situ i stedet for i laboratoriet. Der er derfor en flydende overgang mellem laboratoriemetoder og metoder, der kan anvendes in situ, og flere metoder støtter sig på kendte laboratoriemetoder. Metoderne er yderligere omtalt i bilagsmaterialet. Frit opløst koncentration og biotilgængelighed Stort set alle metoderne i Tabel 6.1 indsamler udelukkende fra den frit opløste fase af stofferne uden at få partikler med. Det vil sige, at for stoffer med stor adsorption (høj Kow) eller i matricer med høj koncentration af opløst organisk stof (TOC, humussyre) kan der være forskel på den koncentration en PAI viser og en målt total koncentration i vandfasen. Der er dog mange fordele ved at måle den frit opløse fase: Det er denne fase som står i ligevægt med luft, opløst organisk stof og partikelfaser, ligesom den for de fleste vandlevende organismer regnes som den primære biotilgængelige fase. Tabel 6.1 Overview of PAC methods that have been used or can be used in situ. a Flere indsamlingsformål kan identificeres: bestemmelse af koncentrationen af stof i vandfasen (kvantitativ), kvalitative eller semi-kvantitativ bestemmelse af forekomst (screening), indsamling af materiale til toksicitetstests (toksisitetstests), bestemmelse af biokoncentrationspotentiale (biokoncentration).6.2.1 Semipermeable membrane device (SPMD) En type PAI er særlig velundersøgt og SPMD (semipermeable membrane device) er begyndt at vinde indpas til vandovervågning, især i USA, hvor metoden er udviklet for ca. 10 år siden /9/. Den anvendte type er en lukket flad polyethylenslange, ca. 1 m lang og fyldt med et fedtstof (triolein), med en samlet vægt på ca. 5 g /22/. SPMD’er kan eksponeres over længere tid i vand (og luft). Alle fedtopløselige stoffer kan optages (logKow>2-3), men generelt optages kun stoffer, som ikke er ioner. Man skal derfor være opmærksom på om stofferne forekommer ioniseret ved miljøets pH. For stoffer, som har en oktanol-vandkoefficient <200 er kapaciteten i membranen lille og SPMD er ikke en optimal indsamler, med mindre der tilsættes kompleksdannere. Der gælder tilsvarende for metaller, som kan optages, men kun ved ændring af SPMD'ens sammensætning. Metoden er beskrevet i detaljer i flere oversigtsartikler /22/, /23/, /24/, og der er publiceret mere end 50 artikler om anvendelsen. Der er også grupper, som arbejder med tilsvarende SPMD design, men ændrede materialevalg og dimensioner. F.eks. membran med et mere favorabelt overflade/volumen-forhold for hurtig ligevægt /25/, mindre membraner og membraner uden solvent /26/. I følge J. Huckins (medudvikler af SPMD) /27/, er der arbejde i gang for at udvikle en SPMD indsamler, som er bedre egnet til mere hydrofile stoffer. Der er foreløbig anvendt teststofferne 17a -ethinylestradiol, diazinon og atrazin /28/. 6.2.2 Solvent-fyldte dialyseslanger Den "oprindelige" PAI metode består af et rør af en almindelig cellulosebaseret dialysemembran, som omslutter et volumen organisk opløsningsmiddel, typisk hexan /6/. Hydrofobe miljøfremmede stoffer søger ind i den fase fra vandet og stofferne opkoncentreres. Membranen tillader samme molekylstørrelser at passere som en biologisk membran (molekylvægt cut-off 1000 Dalton » 1000 g/mol. Metoden er baseret på samme diffusionsprincipper som biokoncentrering af hydrophobe fremmedstoffer i fisk og invertebrater. Solvent-fyldte dialyseslanger kan bruges til at estimere relative bidrag til bioakkumulation fra den potentielt biotilgængelige frit opløste fase. Solvent-fyldte dialyseslanger kan kun vanskeligt anvendes til måling af vandkoncentrationen, men er anvendelige til screeningsformål. I forhold til monitering og analyse af organismer er solvent-fyldte dialyseslanger af ensartede dimensioner og sammensætning, de er simplere at håndtere i laboratoriet end muslinger og kræver ofte mindre oprensning, da en del interfererende stoffer ikke passerer membranen. Metoden er nem og billig, da den kan produceres i eget laboratorium, men har vist sig ikke at have helt samme potentiale som SPMD’er. 6.2.3 Empore disks Empore disks er filtre imprægneret med et standard kolonnemateriale (ofte en C18 resin), som normalt bruges til ekstraktion af hydrofobe organiske stoffer i vandprøver. De er ikke omsluttet af en membran, men dyppes i vand in situ (som en tepose) og ekstraherer miljøfremmede stoffer direkte fra vandet /10/. Imprægnerede filtre er blevet anvendt til at ekstrahere prøver med højt indhold af fine partikler uden at få medbestemt den partikelbundne fraktion /29/. Der er kun ganske få publikationer med Empore metoden, og det er ikke muligt, at vurdere den reelt i forhold til in situ anvendelse. 6.2.4 Passive sampling devices (PSD) Under denne overskrift er der samlet en række forskellige metoder, som lever op til PAI definitionen, men som ikke er anvendt i mere end et eller nogle ganske få projekter, nogle er dog ret nye og kan udvikle sig til mere populære metoder. De består alle af en membran omkring en organisk fase (et solvent eller en absorberende resin).
Disse metoder behandles under et og gives samlet benævnelsen PSD (passive sampling devices), hvis de ikke omtales ved eget navn. 6.2.5 Blue cotton Med opsamlingsmaterialet "Blue cotton" (nogle gange benævnt "blue rayon") kan man opsamle phthalater og aromatiske forbindelser med tre eller flere ringe /20/. Det skyldes disse stoffers affinitet for copper-phthalocyanin trisulfonat, som rayon’en er imprægneret med (og som gør den blå). Metoden anvendes primært i Japan og bruges in situ til opsamling af store stofmængder til test for mutagenicitet. Der vil ikke blive lagt vægt på denne metode, som er ganske stofspecifik og ikke er kvantitativ. 6.2.6 Solid phase microextraction (SPME) Solid phase microextraction (SPME) er egentlig ikke en in situ metode, men en ny, effektiv og simpel ekstraktionsmetode til stoffer i vand og luft /21/. Den er baseret på kendte gaschromatografiske kolonnematerialer, som i form af meget fine fibre eksponeres direkte i vandprøven (eller i headspace over prøven) og ekstraherer prøven. Der kræves ofte kun få mL prøve. Fibrene analyseres så direkte på en gaschromatograf. Som den anvendes i dag går fibrene meget hurtigt i ligevægt ved eksponering, og metoden tilbyder derfor ikke tidsintegrering, men svarer i sit princip til ekstraktion af en normal prøve uden anvendelse af organisk solvent. Gennemgang af alle laboratorieapplikationer af SPME ligger udenfor projektets rammer, men der er medtaget enkelte relevante referencer i nærværende rapport. Der er dog ingen tvivl om, at metoden kan modificeres relativt simpelt til længere eksponeringstider i vand, således at SPME kan anvendes til tidsintegrerende prøvetagning i vand. Det er allerede sket for eksponering i luft /30/, /31/. I følge Prof. J. Pawliszyn, som udviklede SPME, er der ikke information om denne type anvendelser i vandmiljø, men der forskes også i dette aspekt /32/. Senest har en hollandsk gruppe korrelleret SPME med biokoncentrering /33/. Der vil dog formodentlig gå adskillige år, før der er udviklet en praktisk standardiseret metode. Der kan også anvendes mange forskellige fibermaterialer afhængig af de undersøgte stoffer, hvilket vil kræve en større kalibreringsarbejde og/eller anvendelse af interne standarder. 6.3 Ikke evaluerede metoderAktive og automatiske metoder Der anvendes en række aktive metoder til at monitere for miljøfremmede stoffer i vandmiljøet. Den hyppigste er utvivlsomt blot at tage en vandprøve i en flaske, men især i åbne farvande eller vandløb, hvor koncentrationen af miljøfremmede stoffer kan være lav eller svingende, overvåges i stedet biota og/eller sediment. Vandprøverne vil kun give et øjebliksbillede, og i det omfang der ønskes prøver fra længere tidsrum anvendes ofte automatiske prøvetagere. Automatiske prøvetagere er typisk en vacuum prøvetager, som tids- eller flowproportionalt udtager en prøve, og som kræver tilførsel af energi (el) for at kunne udføre aktiviteten. For miljøfremmede stoffer er der flere laboratoriemetoder, som er blevet kombineret med automatiske prøvetagere, så ekstraktionen af stofferne sker in situ direkte på kolonnematerialer. Det gælder "Solid Phase Extraction (SPE)" og lignende metoder, f.eks. "C18 filter disks", men det er ikke passive metoder og disse anvendelser er ikke medtaget. Metoder til metaller Princippet for passive akkumulerende in situ metoder til metaller blev fremsat allerede i 1980 /34/, og metal-PAI’er har tidligere være på banen uden større gennemslagskraft /35/, /36/. Nu er der udviklet en ny metode til in situ monitering (Diffusion Gel Technique, DGT) /37/, som sandsynligvis vil kunne anvendes i monitering. Den har været anvendt i både vand og sediment, og bygger på samme principper som SPMD. Flygtige forbindelser En række passive metoder er udviklet til at måle koncentrationen af flygtige stoffer i luft, og en del af disse er blevet anvendt i vandige miljøer, f.eks. /19/. De er dog ikke medtaget, hvis der udelukkende er fokuseret på luftbåren forurening, som f.eks. måling af letflygtige klorerede kulbrinter /38/. Sedimentfælder Metoder til indsamling af miljøfremmede stoffer og metaller på suspenderede partikler er ofte også passive, akkumulerende og tidsintegrerende, f.eks. sedimentfælder, som typisk er oprette rør med en åbning mod vandoverfladen. De opfattes dog normalt ikke som PAI-metoder og er ikke medtaget. En enkelt nyere metode har dog stærke lighedstegn med passiv indsamling /39/. Biologiske metoder (biosensors) Passiv overvågning ved hjælp af indsamlede organismer er standard moniteringsteknik verden over. Visse moniteringsprogrammer er baseret på eksponering af transplanterede organismer in situ og bygger på samme principper som PAI. Nogle metoder anvendes helt parallelt med PAI’er, f.eks. akkumulering i muslinger og SPMD /40/, i krebsdyr og solvent-fyldte dialyseslanger /6/ eller samtidige målinger af co-migration af stoffer og mikroorganismer /12/. I en rummelig fortolkning er biomarkørområdet og passiv indsamling parallele metoder: De bygger på in situ (ofte langtids-)eksponering, der tilføres ikke menneskeskabt energi, der overvåges typisk for mange stoffer på een gang. Nogle metoder er "cross over" metoder, f.eks. eksponering af ferskvandsmosser i glasfiberposer /41/. Standard immunokemiske metoder (f.eks. immobiliseret ELISA) og andre metoder baseret på et biokemisk/biologisk respons (biosensors) kan i princippet anvendes til både passiv og aktiv overvågning, men har endnu kun fundet begrænset anvendelse /42/. Der er enkelte moniteringsprogrammer som anvender fysiologiske parametre ("mixed function oxygenase", "stress proteins") in situ, blandt har det britiske moniteringsprogram i 1995 målt EROD (7-ethoxyresorufin-O-deethylase) i fladfisk omkring to skotske kilder til olieforurening /43/. Tilsvarende målinger har været udført i forbindelse med store oliespild (tankskibsulykkerne med Braer og Sea Empress). Denne type effektmonitering er stadig ikke almindelig eller udbredt i nationale moniteringsprogrammer. Biologisk effekt måles typisk som vækst eller biomasse i forhold til et referenceområde. For organotinforbindelser anvendes dog nu graden af imposex i snegle som en generel biologisk indikator for belastningen med disse stoffer, og denne indikator moniteres i NOVA 2003.
|
|||||||||