Internationell studie visar att sötvatten förorenat av fekalt material kan bestämmas snabbare och mer tillförlitligt med en ny teknik. Kredit:Från Jiao et al, doi:10.1126/sciadv.abc7318. Detta arbete är licensierat under CC BY-NC.
Internationell studie visar att sötvatten förorenat av fekalt material kan bestämmas snabbare och pålitligare med en ny teknik.
När avloppsvatten från byar och städer rinner ut i floder och sjöar hamnar stora mängder fetter, proteiner, sockerarter och andra kolhaltiga, organiska ämnen i naturen tillsammans med avföringen. Dessa organiska ämnen bryts ner av bakterier som förbrukar syre. Ju större volym avloppsvatten, desto bättre trivs bakterierna. Detta betyder dock att syrehalten i vattnet fortsätter att minska tills fisken, musslorna eller maskarna bokstavligen får slut på luft. Detta har skapat dödszoner med låg syrehalt i många floder och sjöar runt om i världen.
Ingen guldstandard för mätningar förrän nu
För att mäta hur hårt vattnet är förorenat med organiskt material från avföring tar statliga myndigheter och miljöforskare regelbundet vattenprover. En mycket använd mätmetod använder en kemisk reaktion för att bestämma innehållet av organiska ämnen. Som ett internationellt team av forskare nu visar ger denna etablerade metod värden från vilka den faktiska graden av vattenförorening knappast kan härledas. Prof. Helmuth Thomas, direktör för Hereons Institute of Carbon Cycles är också bidragsgivare till studien, som nu har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science Advances . "I tidningen introducerar vi därför också en ny metod för att göra mätningarna mycket mer tillförlitliga i framtiden", säger han.
Med den konventionella mätmetoden blandas vattenprover med kemikalierna permanganat eller dikromat. Dessa är särskilt reaktiva och bryter ner alla organiska ämnen på kort tid. Mängden konsumerade permanganater eller dikromater kan sedan användas för att bestämma hur mycket organiskt ämne som fanns i vattenprovet.
Experter hänvisar till denna mätning som "kemiskt syrebehov", COD. Problemet med COD-mätningarna är att de inte skiljer på de organiska ämnen som hamnar i vattnet med avloppsvattnet, och de som uppstår naturligt — som lignin och humussyror — som frigörs när trä förmultnar. Det gör att vattenföroreningarna knappast kan särskiljas från det naturliga innehållet av organiska ämnen.
”För Hanfloden i Sydkorea har vi till exempel visat att föroreningarna med organiska ämnen från avloppsvatten under de senaste tjugofem åren har minskat. COD-mätningarna visar dock fortfarande höga värden som de var tidigare, säger Helmuth Thomas, "eftersom de naturliga ämnena här utgör en stor del av det organiska materialet i vattnet."
Komplicerad biologisk analys
Men hur kan den faktiska föroreningen mätas mer tillförlitligt? En biologisk mätmetod har etablerats här i decennier, men den är mycket mer komplex än COD-metoden och används därför mer sällan av statliga organ och forskningsinstitutioner. I detta fall tas ett vattenprov från ån eller sjön och vattnets syrehalt mäts som ett initialt värde. Ett annat "parallellt prov" försluts omedelbart lufttätt. Sedan vilar detta vattenprov i fem dagar. Under denna tid bryter bakterierna ner det organiska ämnet, varvid de gradvis förbrukar syret i vattnet. Efter fem dagar öppnas behållaren och syret mäts. Om vattnet innehåller mycket organiskt material var bakterierna särskilt aktiva. Syreförbrukningen var då motsvarande hög. Experter hänvisar till det "biologiska syrebehovet" (BOD) i denna mätning.
"BOD-mätningen är mycket mer exakt än COD eftersom bakterierna företrädesvis bryter ner de små organiska molekylerna från avloppsvattnet men lämnar de naturliga, som lignin, orörda", säger Thomas. Trots detta har BOD-mätningen också sina nackdelar. Å ena sidan tar BOD-mätningen fem dagar medan COD-värdet är tillgängligt efter några minuter. Å andra sidan, när vattenproverna fylls, lagras och mäts, måste noggrann försiktighet vidtas för att säkerställa att inget syre från den omgivande luften hamnar i provet och förfalskar mätvärdet. "Endast ett fåtal personer med stor laboratorieerfarenhet har bemästrat hur man helt och hållet hanterar BOD-mätningen", säger Thomas. "Därför föredrar statliga organ och forskare än idag fortfarande COD trots dess större osäkerhet."
Snabbare och mer pålitlig metod
Helmuth Thomas och hans team introducerar därför en alternativ metod som förbättrar den konventionella BOD-mätningen. Fördelen med metoden är att endast ett vattenprov behövs, som omedelbart försluts och syreförbrukningen mäts utan att det stör provet. Det är därför onödigt att öppna provet igen efter fem dagar för att mäta syrehalten. Detta förhindrar att provet kommer i kontakt med atmosfäriskt syre igen.
Med det nya tillvägagångssättet sätts en optisk fiber in i provkärlet så snart vattenprovet är fyllt. Genom denna fiber kan syrehalten kontinuerligt mätas direkt i provet med hjälp av optiska effekter. Thomas säger, "Vi kan mäta syrehalten nonstop och få en mycket mer exakt bild av syreförbrukningen av bakterierna."
Första tester har visat att ett meningsfullt resultat är tillgängligt redan efter cirka fyrtioåtta timmar, något som avsevärt accelererar BOD-mätningen. Sammantaget gör den optiska metoden BOD-mätningarna inte bara mer tillförlitliga, utan också snabbare. Helmuth Thomas antar att den nya metoden under de kommande åren därför kommer att etableras som den nya standarden, som kommer att ersätta såväl COD som de klassiska BOD-mätningarna. I framtiden kommer det till exempel att vara möjligt att på ett mer tillförlitligt sätt än tidigare avgöra om åtgärder för bekämpning av vattenföroreningar faktiskt är framgångsrika.
Referens:"Att korrigera ett stort fel vid bedömning av organisk kolförorening i naturliga vatten" av 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 och Louis Legendre, 14 april 2021, Science Advances .
DOI:10.1126/sciadv.abc7318
