Międzynarodowe badania pokazują, że słodką wodę skażoną odchodami można szybciej i niezawodnie określić za pomocą nowej techniki. Źródło:od Jiao i in., doi:10,1126/sciadv.abc7318. Ta praca jest na licencji CC BY-NC.
Międzynarodowe badania pokazują, że słodką wodę zanieczyszczoną odchodami można szybciej i niezawodnie określić za pomocą nowej techniki.
Kiedy ścieki ze wsi i miast spływają do rzek i jezior, duże ilości tłuszczów, białek, cukrów i innych zawierających węgiel substancji organicznych trafiają do natury wraz z kałem. Te substancje organiczne są rozkładane przez bakterie zużywające tlen. Im większa objętość ścieków, tym lepiej rozwijają się bakterie. Oznacza to jednak, że zawartość tlenu w wodzie nadal spada, aż w końcu rybom, małżom lub robakom dosłownie zabraknie powietrza. Stworzyło to strefy śmierci o niskiej zawartości tlenu w wielu rzekach i jeziorach na całym świecie.
Do tej pory brak złotego standardu dla pomiarów
Aby zmierzyć stopień zanieczyszczenia wód materią organiczną pochodzącą z odchodów, organy rządowe i badacze środowiska regularnie pobierają próbki wody. Jedna z powszechnie stosowanych metod pomiarowych wykorzystuje reakcję chemiczną do określenia zawartości substancji organicznych. Jak pokazuje międzynarodowy zespół naukowców, ta ugruntowana metoda dostarcza wartości, z których trudno wyprowadzić rzeczywisty stopień zanieczyszczenia wody. Prof. Helmuth Thomas, dyrektor Hereon’s Institute of Carbon Cycles jest również współtwórcą badania, które zostało opublikowane w czasopiśmie naukowym Science Advances . „W artykule przedstawiamy zatem również nową metodę, dzięki której pomiary będą znacznie bardziej wiarygodne w przyszłości”, mówi.
Stosując konwencjonalną metodę pomiaru, próbki wody miesza się z chemikaliami nadmanganianem lub dwuchromianem. Są one szczególnie reaktywne i w krótkim czasie rozkładają wszystkie substancje organiczne. Ilość zużytych nadmanganianów lub dichromianów można następnie wykorzystać do określenia ilości substancji organicznej zawartej w próbce wody.
Eksperci nazywają ten pomiar „chemicznym zapotrzebowaniem tlenu”, ChZT. Problem z pomiarami ChZT polega na tym, że nie rozróżniają one substancji organicznych, które trafiają do wody ze ściekami, od tych, które powstają naturalnie – takich jak lignina i kwasy humusowe – które są uwalniane podczas rozkładu drewna. Oznacza to, że trudno odróżnić zanieczyszczenie wody od naturalnej zawartości substancji organicznych.
„Na przykład w przypadku rzeki Han w Korei Południowej wykazaliśmy, że zanieczyszczenie substancjami organicznymi ze ścieków w ciągu ostatnich dwudziestu pięciu lat zmniejszyło się. Jednak pomiary COD nadal wykazują wysokie wartości, takie jak wcześniej”, mówi Helmuth Thomas, „ponieważ tutaj naturalne substancje stanowią dużą część materii organicznej w wodzie”.
Skomplikowana analiza biologiczna
Ale w jaki sposób można bardziej wiarygodnie zmierzyć rzeczywiste zanieczyszczenie? Od dziesięcioleci stworzono tu metodę pomiaru biologicznego, ale jest ona znacznie bardziej złożona niż metoda ChZT i dlatego jest rzadziej wykorzystywana przez organy rządowe i instytucje badawcze. W tym przypadku próbka wody jest pobierana z rzeki lub jeziora, a zawartość tlenu w wodzie jest mierzona jako wartość początkowa. Kolejna „równoległa próbka” jest natychmiast hermetycznie zamykana. Następnie ta próbka wody odpoczywa przez pięć dni. W tym czasie bakterie rozkładają substancję organiczną, dzięki czemu stopniowo zużywają tlen zawarty w wodzie. Po pięciu dniach pojemnik otwiera się i mierzy się tlen. Jeśli woda zawiera dużo materii organicznej, bakterie były szczególnie aktywne. Zużycie tlenu było wówczas odpowiednio wysokie. W tym pomiarze eksperci odnoszą się do „biologicznego zapotrzebowania tlenu” (BZT).
„Pomiar BZT jest znacznie dokładniejszy niż ChZT, ponieważ bakterie preferencyjnie rozkładają małe cząsteczki organiczne ze ścieków, ale pozostawiają nietknięte te naturalne, takie jak lignina”, mówi Thomas. Niemniej jednak pomiar BZT ma też swoje wady. Z jednej strony pomiar BZT trwa pięć dni, podczas gdy wartość ChZT jest dostępna po kilku minutach. Z drugiej strony, podczas napełniania, przechowywania i pomiaru próbek wody należy zwrócić szczególną uwagę na to, aby tlen z otaczającego powietrza nie dostał się do próbki i nie zafałszował wartości pomiaru. „Tylko kilka osób z dużym doświadczeniem laboratoryjnym opanowało, jak w pełni obsługiwać pomiar BZT”, mówi Thomas. „Dlatego organy rządowe i badacze nawet dzisiaj nadal preferują ChZT pomimo jego większej niepewności”.
Szybsza i bardziej niezawodna metoda
Helmuth Thomas i jego zespół wprowadzają zatem alternatywną metodę, która poprawia konwencjonalny pomiar BZT. Zaletą tej metody jest to, że potrzebna jest tylko jedna próbka wody, która jest natychmiast uszczelniana, a zużycie tlenu jest mierzone bez ingerencji w próbkę. Dlatego nie jest konieczne ponowne otwieranie próbki po pięciu dniach w celu pomiaru zawartości tlenu. Zapobiega to ponownemu kontaktowi próbki z tlenem atmosferycznym.
W nowym podejściu światłowód jest wprowadzany do naczynia na próbkę zaraz po napełnieniu próbki wody. Dzięki temu włóknu zawartość tlenu może być w sposób ciągły mierzona bezpośrednio w próbce za pomocą efektów optycznych. Thomas mówi:„Możemy mierzyć zawartość tlenu bez przerwy i uzyskać znacznie dokładniejszy obraz zużycia tlenu przez bakterie”.
Pierwsze testy wykazały, że znaczący wynik jest już dostępny po około czterdziestu ośmiu godzinach, co znacznie przyspiesza pomiar BZT. Podsumowując, metoda optyczna sprawia, że pomiary BZT są nie tylko bardziej wiarygodne, ale także szybsze. Helmuth Thomas zakłada, że nowa metoda w nadchodzących latach zostanie zatem ustanowiona jako nowy standard, który zastąpi zarówno ChZT, jak i klasyczne pomiary BZT. Na przykład w przyszłości możliwe będzie bardziej wiarygodne niż dotychczas określenie, czy środki kontroli zanieczyszczenia wody są rzeczywiście skuteczne.
Odniesienie:„Korekta poważnego błędu w ocenie zanieczyszczenia węglem organicznym w naturalnych wodach” autorstwa Nianzhi Jiao, Jihua Liu, Bethanie Edwards, Zongqing Lv, Ruanhong Cai, Yongqin Liu, Xilin Xiao, Jianning Wang, Fanglue Jiao, Rui Wang, Xingyu Huang, Bixi Guo, Jia Sun, Rui Zhang, Yao Zhang, Kai Tang, Qiang Zheng, Farooq Azam, John Batt, Wei-Jun Cai, Chen He, Gerhard J. Herndl, Paul Hill, David Hutchins, Julie LaRoche, Marlon Lewis, Hugh MacIntyre, Luca Polimene, Carol Robinson, Quan Shi, Curtis A. Suttle, Helmuth Thomas, Douglas Wallace i Louis Legendre, 14 kwietnia 2021 r., Science Advances .
DOI:10.1126/sciadv.abc7318
