Metody pasivního vzorkování

Pasivní vzorkování nabízí několik výhod oproti klasickému způsobu odběru vzorků. Pasivní vzorkovač je na místě odběru po delší dobu (často dny nebo týdny) a akumuluje sledované látky v průběhu celé této doby. Naměřena tak není momentální koncentrace, ale průměrná koncentrace dosažená v průběhu této doby, což eliminuje riziko nezachycení znečištění, např. z důvodu výkyvu koncentrací vypouštěných znečišťujících látek. V současné době jsou k dispozici pasivní vzorkovače pro nepolární organické sloučeniny (např. PAU, PCB, dioxiny), polární organické látky (např. ve vodě rozpustné pesticidy), těkavé organické látky (BTEX, chlorované alifatické uhlovodíky), kovy a anionty. Zatímco ve Skandinávii (zejména ve Švédsku a Norsku) jsou metody pasivního vzorkování velmi často používány k monitoringu kvality vody a sedimentů, v případě dalších evropských zemí jsou využívány minimálně. 

Metody pasivního vzorkování můžeme rozdělit, dle jejich principu, na dvě skupiny:

1. integrativní (zjednodušeně sorpční), a
2. rovnovážné (difuzní) vzorkovače.

Integrativní pasivní vzorkovače jsou zařízení, která jsou schopná v sobě kumulovat vzorkované látky (nejčastěji pomocí sorpce). Na rozdíl od vzorkovačů rovnovážných je jejich odběr nutné provést ještě před dosažením rovnovážného stavu. Následně je ze znalosti vzorkovací rychlosti (rychlosti kumulace vzorkované látky ve vzorkovači) a množství zachycené vzorkované látky uvnitř vzorkovače určena průměrná koncentrace látky ve vzorkovaném médiu za celé vzorkovací období. Tímto způsobem je eliminováno riziko podcenění nebo nadhodnocení celkové hmotnostní koncentrace znečištění v důsledku náhodného (jednorázového) odběru vzorků v době s minimální nebo maximální koncentrací (Obr. 1). Navíc, tyto vzorkovače umožňují odběr pouze biologicky dostupné frakce kontaminace, tj. té, která může být asimilována organismy. Do této skupiny patří pasivní vzorkovače PS Organic, PS Polar a PS Metal.

Obr. 1: Integrativní pasivní vzorkovače – časový průměr koncentrace polutantu

Naproti tomu v rovnovážných, neboli difúzních vzorkovačích, je stanovována koncentrace v blízkosti rovnovážného stavu mezi vzorkovačem a vzorkovaným médiem. Vzorkované látky difundují skrz membránu do deionizované vody uvnitř vzorkovače do doby, kdy dojde k nastolení rovnováhy. Při poklesu koncentrace vzorkovaných látek v médiu se směr difuze otočí a vzorkované látky ze vzorkovače opět unikají. Po vyjmutí vzorkovače z podzemní vody je analyzován jeho obsah, který typicky reprezentuje podmínky panující v okolí vzorkovače v posledních několika dnech před odběrem (Obr. 2). Typickým představitelem této skupiny pasivních vzorkovačů je PS VOC.

Obr. 2: Rovnovážné pasivní vzorkovače – koncentrace polutantu blízká rovnovážnému stavu

Pasivní vzorkovače pro nepolární organické sloučeniny (PS Organic)

Tyto pasivní vzorkovače se využívají pro nepolární organické sloučeniny (např. PAU, PCB, dioxiny a furany, HCH vč. lindanu, PCP či bromované zpomalovače hoření – BFR). Vzorkovač se skládá z nádobky z nerezové oceli, která drží jednu nebo dvě membrány a které jsou montované v takzvaných pavoucích. Alternativně, je možné použít menší a jednodušší (na jedno použití) vzorkovač, který obsahuje jednu nebo dvě kratší membrány. Membrána obsahuje lipid, který se snadno rozpouští hydrofobní látky (Obr. 3). Délka vzorkovací periody je variabilní, v průměru trvá asi 1 měsíc. Během této doby organické znečišťující látky v rozpuštěné nebo plynné fázi difundují membránou a hromadí se v lipidové vrstvě. Membrána je průchozí pro molekuly o velikosti do 10 Ǻ (1 nm). Jedná se v podstatě o simulaci záchytu organických polutantů v živých organismech (např. v rybách či škeblích).

Obr. 3: PS Organic – schéma difuze látek přes lipidovou membránu (vlevo), ukázka dvou možných uspořádání vzorkovače (střed, vpravo) 

Koncentrace látek rozpustných v tucích, jsou často ve vodě tak nízké, že zachycení této látky pomocí běžného (aktivního) vzorkování je obtížné. Pasivní vzorkovač umožní zakoncentrovaní sledované látky nad mez detekce analytické metody, a tím její spolehlivé stanovení. Vzhledem k velké kapacitě lipidové vrstvy je však nezbytné dodržet periodu vzorkování minimálně 1 měsíc. Následně jsou organické látky vyextrahovány z lipidové vrstvy a stanoveny běžnými analytickými postupy. Koncentrace v prostředí je pak zpětně vypočítána.

Pasivní vzorkovače pro polární organické látky (PS Polar)

PS Polar je naopak vzorkovací metoda pro polární organické látky. S pomocí vzorkovačů PS Polar lze stanovit hydrofilní pesticidy (např. alachlor, atrazine, diuron, simazine) a zbytky léčiv patřící do skupiny farmak a produktů personální péče označované zkratkou PPCPs (např. diklofenak, ibuprofen, karbamazepin, aspirin, tj. látky s estrogenní aktivitou). Vzorkovač se skládá z pevného sorbentu (prášek) uzavřeného mezi dvě membránové vrstvy, které jsou umístěny v páru podložek z nerezové oceli (Obr. 4). Do vzorkovaného média se umisťují samostatně či ve skupinách (např. tří). Polární sloučeniny difundují přes membránu a hromadí se v sorbentu. Po extrakci se analýza provádí standardními analytickými metodami, stejně tak jako v předchozím případě.

Obr. 4: PS Polar – ukázka vzorkovače (vlevo) a jeho skupinové uspořádání (vpravo) 

Pasivní vzorkovače pro kovy a anionty (PS Metal)

Pasivní vzorkovače pro kovy se používají pro vzorkování kovů a aniontů ve vodě, půdě a sedimentech (např. Al, As, Cd, Cr, CU, Fe, Mn, Pb, Zn, U). Jedná se o jednoduchý plastový vzorkovač obsahující filtr, hydrogel a ionex (Obr. 5). Kovové kationty nebo anionty difundují přes filtr a gel, a hromadí se v iontově-výměnné pryskyřici. Čím delší je doba vzorkování, tím větší množství iontů se v pryskyřici nahromadí. V matricích, kde jsou předpokládány velmi nízké koncentrace stanovovaných látek, bývá vzorkovač zpravidla ponecháván na místě po dobu několika měsíců. Tyto ionty jsou pak eluovány z pryskyřice kyselinou, a následně jsou analyticky stanoveny. Koncentrace kovů a aniontů je následně vypočítána podle teploty vzorkované vody a doby vzorkování.

Pro odběr kovových kationtů se používá tzv. Chelex pryskyřice, zatímco pro anionty je ionexová část tvořena z hydratovaného oxidu železitého (ferrihydrit). Vzorkovač pro sediment má tvar ploché hole, která se vtláčí do sedimentu. Konečným výsledkem je koncentrační profil s vysokým prostorovým rozlišením.

Obr. 5: PS Metal – schéma uspořádání (vlevo) a ukázka vzorkovače pro vodu (vpravo)

Toxicita kovů je silně ovlivněna tvorbou komplexů, ke které dochází v přírodních vodních systémech. V mnoha případech se koncentrace stopového kovu, který je k dispozici pro vodní organismy liší od jeho celkové koncentrace. Při odběru vzorků pomocí pasivních vzorkovačů jsou ze vzorku vyloučeny kovy silně vázané v komplexech, což reflektuje jejich nedostupnost pro biotu. V důsledku toho výsledky koncentrací získané pomocí pasivních vzorkovačů na kovy nejsou přímo srovnatelné s celkovou koncentrací kovu či koncentrací rozpuštěného kovu stanovenými ve vzorcích odebraných běžnými vzorkovacími postupy.

Pasivní vzorkovače pro těkavé organické sloučeniny (PS VOC)

Pasivní vzorkovač pro těkavé organické látky (BTEX, chlorované etheny a ethany aj.) je především určen pro vzorkování podzemní vody ve vrtech. Může se však použít i pro jiné typy vod. Tento vzorkovač je na rozdíl od předchozích třech rovnovážný, nikoliv integrativní. Jedná se o trubici z polyethylenu s nízkou hustotou (LDPE) naplněnou deionizovanou vodou (Obr. 6). Vzorkovací perioda je zpravidla 2 týdny. Vzorky pro vlastní stanovení jsou odebírány přímo ze vzorkovače do vialek, ze kterých je koncentrace kontaminantů následně stanovena standardními postupy. Výhodou vzorkování VOC tímto způsobem je omezené těkání těchto látek (v porovnání s čerpáním podzemní vody).

Obr. 6: PS VOC – ukázka vzorkovače

Výzkumný projekt PASSES

Od roku 2015 Ústav pro životní prostředí Přírodovědecké fakulty University Karlovy ve spolupráci se společnostmi Dekonta a.s. a ALS Laboratory Group Norway AS řeší vědecko-výzkumný projekt zabývající se využitím pasivních vzorkovačů pro účely zachycení a následného analytického stanovení znečištění v podzemních vodách na vybraných lokalitách v České republice. Cílem projektu je nejen otestování vybraných pasivních vzorkovačů v reálných podmínkách (testovány jsou PS Polar, PS VOC a PS Metal) a srovnání takto dosažených výsledků s výsledky dosaženými pomocí klasického (aktivního) odběru vzorků, ale rovněž také výzkum a vývoj pasivního vzorkovače pro stanovení mikrobiologického oživení podzemí, tzv. in-situ mikrokosmů za účelem monitoringu probíhajících biologických, resp. biodegradačních procesů (Obr. 7). Nedílnou součástí projektu jsou rovněž aktivity zaměřené na zvýšení povědomí o možnostech a výhodách pasivního vzorkování mezi odbornou i laickou veřejností.

V současné době je dostupných několik komerčně vyráběných in-situ mikrokosmů, které jako nosné médium využívají různé formy aktivního uhlí. Mezi nejznámější patří Bio-Trap. Mikrokosmy vyvíjené v rámci projektu PASSES jako nosné médium obsahují zeminu z konkrétní lokality odebranou při hloubení vrtů. Při vlastní analýze mikrokosmů je pak kladen důraz na molekulární mikrobiologické metody. Využíváno je jak metod genetických, tak méně selektivních metod stanovení fosfolipidových mastných kyselin (PLFA). Metoda PLFA umožňuje poměrně přesné stanovení velikosti mikrobiálních populací a současně umožňuje také sledovat toxické působení znečištění i aplikovaných sanačních postupů, resp. činidel na autochtonní mikroorganismy.

Obr. 7: PS Mikrokosmos – ukázka vzorkovačů vyvíjených a testovaných v rámci projektu PASSES

Přestože projekt PASSES probíhá až do dubna 2017, již teď je zřejmé, že inovační in-situ mikrokosmos nalezne své uplatnění v praxi, protože umožňuje objektivní zhodnocení vlivu sanačního zásahu a používaných činidel na přítomnou mikroflóru horninového prostředí. 

Poděkování     

Projekt PASSES (ev. č. 7F14045) získal finanční prostředky z Norského finančního mechanismu na období 2009-2014 a od Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci rozhodnutí číslo  MSMT-23681 / 2015-1.

Autor:

Torgeir Rødsand, MSc.

ALS Laboratory Group Norway AS, Drammnsveien 173, 0277 Oslo, Norsko

Tel.: +47 22 13 18 00; E-mail: info.on@alsglobal.com