1. Učební texty pro popularizátory vědy

Studijní opora k výukovému modulu v oblasti přírodních věd „K4/MTV12 Moderní chemická a biologická laboratoř“ byla vytvořena v rámci projektu „Poznej tajemství vědy“. Projekt s reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.0019 je financován z operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost a státního rozpočtu České republiky. Výukový modul představuje nástroj pro vzdělávání cílové skupiny (zájemci o vědu) ve specifickém tématu v rámci přírodních a technických věd. Tento modul popularizační formou seznámí potenciální zájemce o vědecko-výzkumnou práci s vědeckým přístupem (schopností odhalovat skryté příčiny dějů, rozpoznávat falešnou analogii). Dále motivační formou ukáže práci domácích i zahraničních výzkumníků v terénu i v laboratořích. Výukový modul je tvořený unikátním textem, obsahujícím: 1. Učební texty pro popularizátory vědy 2. Pracovní aktivity pro studenty a žáky, min. 5 aktivit pro SŠ, 3 aktivity pro ZŠ 2. st., 1 aktivita pro ZŠ 1. st.): a. popis vědeckých/badatelských aktivit (v laboratoři či terénu), b. pracovní listy, c. návody na experimenty a měření, d. dvě strany odborného anglického textu. 3. Metodická příručka

Materiál vytvořil expertní tým Výzkumného ústavu vodohospodářského T. G. Masaryka, veřejná výzkumná instituce, Podbabská 2582/30, 160 00 Praha 6. IČ: 00020711, Tel.: +420 596 134 899, Web: http://www.vuv.cz, E-mail: [email protected]. Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, v.v.i. (VÚV TGM, v.v.i.) je veřejnou výzkumnou institucí zřízenou Ministerstvem životního prostředí ČR podle ustanovení zákona č. 341/2005 Sb., o veřejných výzkumných institucích. VÚV TGM, v.v.i. byl zapsán do Rejstříku veřejných výzkumných institucí, vedeného Ministerstvem školství mládeže a tělovýchovy, dne 1. 1. 2007. Činnost instituce vychází ze zřizovací listiny veřejné výzkumné instituce vydané Opatřením č. 12/06 Ministerstva životního prostředí ze dne 12. prosince 2006, ve znění Opatření č. 4/07 Ministerstva životního prostředí o změně zřizovací listiny ze dne 2. srpna 2007. Základním posláním VÚV TGM, v.v.i. je výzkum stavu, užívání a změn vodních ekosystémů a jejich vazeb v krajině a souvisejících environmentálních rizik, hospodaření s odpady a obaly a odborná podpora ochrany vod, protipovodňové prevence a hospodaření s odpady a obaly, založená na uvedeném výzkumu. Garant: Mgr. David Chrastina Autoři: Mgr. David Chrastina, RNDr. Přemysl Soldán, Ph.D.

© Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, veřejná výzkumná instituce, 2015

2

OBSAH ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem ............................................................................. 8 1. Úvod................................................................................................................................................... 9 2. Jakost vod......................................................................................................................................... 10 2.1. Každodenní znečišťování vod ................................................................................................... 10 2.2. Fyzikální a chemické vlastnosti vod ......................................................................................... 11 2.3. Biologické vlastnosti vod .......................................................................................................... 16 2.4. Havarijní znečištění vod ............................................................................................................ 25 3. Analýza dalších složek životního prostředí ..................................................................................... 35 4. Miniaturizace ve vědě ...................................................................................................................... 38 5. Seznam zdrojů a použitá literatura ................................................................................................... 41 ČÁST B Pracovní aktivity pro studenty a žáky ................................................................................... 42 6. Pracovní aktivity pro 1. stupeň základních škol .............................................................................. 42 6.1. Chemická a biologická laboratoř............................................................................................... 42 7. Pracovní aktivity pro 2. stupeň základních Škol .............................................................................. 44 7.1. Voda a člověk (z pohledu chemika a fyzika) ............................................................................ 44 7.2. Jakost vod .................................................................................................................................. 46 7.3. Biologické vlastnosti vod .......................................................................................................... 47 8. Pracovní aktivity pro střední Školy.................................................................................................. 48 8.1. Laboratorní sklo a nádobí .......................................................................................................... 48 8.2. ph látek v laboratoři a okolo nás ............................................................................................... 50 8.3. Miniaturizované systémy a laboratoř na čipu ........................................................................... 51 8.4. Analýza potravin ....................................................................................................................... 53 8.5. Izotachoforetické stanovení aniontů.......................................................................................... 54 8.6. Stanovení počtu řas ................................................................................................................... 56 9. Pracovní listy s odborným textem v anglickém a českém jazyce .................................................... 58 9.1. Modern chemical and biological laboratory.............................................................................. 58 9.2. Moderní chemická a biologická laboratoř ................................................................................. 61 ČÁST C Metodická příručka ............................................................................................................... 64 10. Metodická příručka pro 1. stupeň základních škol ........................................................................ 64 10.1. Chemická a biologická laboratoř? ........................................................................................... 64 11. Metodická příručka pro 2. stupeň základních škol ........................................................................ 65 11.1. Voda a člověk (z pohledu chemika a fyzika) .......................................................................... 65 11.2. Jakost vod ................................................................................................................................ 66 11.3. Biologické vlastnosti vod ........................................................................................................ 66 12. Metodická příručka pro střední školy ............................................................................................ 68

3

12.1. Laboratorní sklo a nádobí ........................................................................................................ 68 12.2. pH látek v laboratoři a okolo nás ............................................................................................ 68 12.3. Miniaturizované systémy a laboratoř na čipu ......................................................................... 69 12.4. Analýza potravin ..................................................................................................................... 70 12.5. Izotachoforetické stanovení aniontů........................................................................................ 70 12.6. Stanovení počtu řas ................................................................................................................. 72

4

CÍL VÝUKOVÉHO MODULU Popularizátoři vědy se seznámí s následujícími okruhy Chemické i biologické laboratoře hrají v dnešní době důležitou roli. V laboratořích dochází k objevům nových léků, materiálů, technologií, ale slouží i ke kontrolám kvality životního prostředí, potravin, apod. V modulu se budeme podrobněji zabývat možnými zdroji znečištění vodního prostředí, možnostmi měření fyzikálně-chemických a biologických vlastností vod a způsobu monitorování a vyhodnocování havarijní situace. Zároveň se zmíníme o možnostech využití laboratoří v jiných oborech.

Znalosti

Popularizátoři vědy při aktivním seznámení s výukovým modulem budou schopni seznámit zájemce o vědu se základními činnostmi chemických a biologických laboratoří, jejich využití v různých oborech a s konkrétním stanovením některých ukazatelů při kontrole kvality vod.

Dovednosti

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 15 hodin.

5

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK AIDS

Syndrom získaného selhání imunity

DNA

Deoxyribonukleová kyselina

ESP

Environmental Sample Processor

HF

Kyselina fluorovodíková

KTJ

Kolonii tvořící jednotka

LC

Liquid Chromatography – kapalinová chromatografie

MBARI

Monterey Bay Aquarium Research Institute

PAU

Polyaromatické uhlovodíky

PCB

Polychlorované bifenyly

PCDD

polychlorované dibenzo-p-dioxiny

SARS

Těžký akutní respirační syndrom, syndrom náhlého selhání dýchání

UIP

Univerzální indikátorový papírek

UV

Ultraviolet - ultrafialový

VX

Bojová látka třídy V

μ-TAS

Micro Total Analysis System

6

Seznam symbolů a zkratek

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU

KLÍČOVÁ SLOVA

CÍL

MOTIVACE ÚKOL

7

ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování Získáte znalosti o základních fyzikálně-chemických a biologických vlastnostech vod a jejich měření, o způsobech a dopadech kontaminace životního prostředí nebezpečnými látkami. Získáte informace o miniaturizovaných laboratořích na čipu a možnostech jejich využití.

Znalosti

Získané znalosti použijete při výuce a činnostech v rámci environmetální výchovy.

Dovednosti

KLÍČOVÁ SLOVA Zdroje znečištění, fyzikální a chemické vlastnosti vod, biologické vlastnosti vod, mikroorganismy, ekotoxicita, havárie, laboratoř na čipu ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 4 hodiny

8

1. ÚVOD Využití chemických a biologických laboratoří v praxi je poměrně široké. I samotná chemická laboratoř se může dosti lišit ve své činnosti. V laboratořích organické chemie se vědci zabývají především přípravou nových organických látek s širokým využitím. V laboratořích anorganické chemie to je zase příprava různých komplexních sloučenin některých prvků. Jde zejména o látky s biologickou aktivitou, které by mohly fungovat jako nová léčiva při různých onemocněních. Fyzikální chemie zkoumá makroskopické vlastnosti látek na molekulární úrovni. Jednou z oblastí je například studium nanomateriálů. Biochemie se zabývá chemickými pochody v živých organismech. Analytická chemie zase zkoumá chemické složení látek a směsí. Prokazuje přítomnost konkrétních látek ve vzorku a určuje, v jakém množství se tyto látky v daném vzorku nacházejí. Biologie se zabývá studiem organismů. Každá laboratoř bude mít i jiné přístrojové vybavení potřebné pro svou činnost. Co se týče chemické laboratoře, je modul zaměřen na využití analytické chemie v praxi. Mikrobiologická laboratoř Práce s mikroorganismy vyžaduje zvláštní podmínky. Mikrobiologické pracoviště je určeno pouze pro mikrobiologické rozbory a skládá se z laboratoře, přípravny a varny živných půd, umývárny a přípravny sterilního skla. K vybavení laboratoře nesmí chybět očkovací box pro manipulaci s mikrobiologickým materiálem, sterilizátor, vodní lázeň, termostat pro kultivaci mikroorganismů při dané teplotě, chladnička k uchovávání vzorků vod a sterilních půd, zdroj UV záření pro dezinfekci prostředí. Chemická laboratoř Kromě běžného laboratorního skla, jako jsou kádinky, odměrné válce, odměrné baňky, pipety, byrety a podobně, je laboratoř vybavena lednicemi či mrazáky pro uchovávání vzorků, mechanickými zařízeními pro úpravu vzorků (mlýnky, mixery, sítová analýza), různými extraktory a v neposlední řadě měřicími přístroji od jednoduchých elektrod po složité analyzátory.

9

2. JAKOST VOD Vlastnosti vod určují látky, které jsou v nich obsaženy. Kromě látek, které se do vod dostávají přirozenou cestou, má na jakost vod velký vliv lidská činnost. Povrchová i podzemní voda je znečišťována z různých zdrojů. K tomuto znečišťování dochází jak v každodenním životě, tak při mimořádných situacích.

2.1. Každodenní znečišťování vod Obrázek 1: Zdroje každodenního znečišťování vod

Zdroj: schéma P. Soldán

Jak je z obrázku 1 patrno, na každodenním znečišťování vod se podílí několik hlavních zdrojů znečištění: - Bodové zdroje Tyto zdroje jsou pod kontrolou, jsou to totiž výpustě odpadních vod z čistíren či úpraven odpadních vod. Vypouštění těchto vod je regulováno tak zvaným integrovaným povolením k vypouštění odpadních vod. Toto povolení stanovuje maximální limity úrovně jejich znečištění a má zajistit, aby vypouštěné odpadní vody neohrozily kvalitu povrchových i podzemních vod. Integrované povolení vydávají příslušné orgány regionální samosprávy a kontrolují jejich dodržování pravidelnými rozbory vypouštěných odpadních vod. - Difúzní zdroje Difúzní zdroje znečištění tvoří řada menších znečišťovatelů z určité oblasti. Typicky se jedná o nechtěné úniky znečištění či záměrné vypouštění odpadních vod z domácností, malých výroben nebo zemědělských usedlostí (netěsné žumpy, drenáže a trativody ze septiků a podobně). Protože se jedná o nepovolené čili nelegální znečišťování, neexistuje jejich přesná evidence, a proto nemůže být 10

prováděna pravidelná kontrola a to vede k nejen k nežádoucímu (a neznámému) znečišťování vod, ale je to také nejčastější příčinou sousedských sporů (znečišťování zdrojů pitné a užitkové vody – studen, toků a nádrží), které často končí soudními žalobami, které teprve nastartují vyšetřování příčin a viníků. - Plošné zdroje Jak již samotný název napovídá, v tomto případě je znečištění smýváno do vod z větších ploch, jako jsou například pole nebo lesy. Tento typ znečištění opět nelze jednoduše kontrolovat a proto je přesné složení možných znečišťujících látek neznámé. - Atmosférická depozice Lidská činnost vede také ke znečišťování ovzduší. Toto znečištění je pak vymýváno z atmosféry srážkami (deštěm nebo sněhem). Tyto srážky se pak dostávají přímo do vod, nebo do nich stékají ze zemského povrchu. Tak jako u plošných zdrojů je složení tohoto znečištění neznámé. Když si nyní uvědomíme, že znečistění ze všech uvedených zdrojů znečištění končí ve vodách, nebude pro nás překvapením, že výsledná směs znečišťujících látek je velmi složitá. Toto znečištění významně ovlivňuje vlastnosti vod. Velice významné je ovlivnění biologické jakosti vody, neboť její snížení může vést k ohrožení člověka, který s danou vodou přijde do styku, buď jako zdrojem pitné vody nebo při jiném využití, například rekreačním koupání apod. Velké je také nebezpečí ohrožení organismů ve vodě žijících. Abychom měli jistotu, že vody budou bezpečné nejen pro člověka, ale i pro organismy, které v nich žijí, musíme co nejpřesněji znát jejich složení. Tyto informace získáváme z výsledků různých laboratorních rozborů a stanovení. Je důležité znát jejich významné fyzikální, chemické a biologické vlastnosti. Zatímco parametry z prvních dvou oblastí se stanovují speciálními analýzami v chemické laboratoři, biologické vlastnosti vod se určují v laboratořích biologických.

2.2. Fyzikální a chemické vlastnosti vod     

pH elektrolytická konduktivita kyslík sloučeniny dusíku – dusičnany, dusitany, amoniakální dusík fosfor

pH pH je velice důležitým parametrem, protože významně ovlivňuje chemické a biochemické procesy ve vodách. Také ovlivňuje formy výskytu jednotlivých látek přítomných ve vodách, a tím i jejich rozpustnost a toxicitu. Vysoké, ale i nízké hodnoty pH působí toxicky na vodní organismy buď přímo, nebo nepřímo. V čistých přírodních vodách (povrchových a prostých podzemních) je hodnota pH v rozmezí asi od 4,5 do 9,5 dána obvykle uhličitanovou rovnováhou. Tuto závislost mohou ovlivňovat např. huminové látky nebo kationty snadno podléhající hydrolýze (např. Al, Fe). Pokles pH asi pod 4,5 je způsoben přítomností volných anorganických nebo organických kyselin. Přírodní a užitkové vody s hodnotou pH nad 8,3 obsahují kromě hydrogenuhličitanů také uhličitany a při hodnotách pH nad 10také hydroxidové ionty. 11

Povrchové vody mívají hodnoty pH v rozmezí asi od 6,0 do 8,5. Relativně malé hodnoty pH mají vody z rašelinišť a málo mineralizované acidifikované vody některých nádrží a jezer. Podzemní vody mívají hodnotu pH většinou v rozmezí 5,5 – 7,5. Pro ryby je optimální hodnota pH v rozmezí 6,5 – 8,5. Mezní hodnota pH pro pitnou vodu je 6 – 8 (PITTER, 2009: s. 231-233). Hodnotu pH můžeme určit orientačně pomocí indikátorových papírků prostým namočením papírku do vody a porovnáním zbarvení s barevnou stupnicí. K přesnému měření hodnoty pH se používá pH metr se skleněnou elektrodou (obr. 2). Měří se rozdíl potenciálů mezi měrnou a srovnávací elektrodou. Elektrodu ponoříme do měřeného vzorku, na displeji přístroje vidíme přímo hodnotu pH a teplotu vzorku vody. Před měřením neznámých vzorků kalibrujeme pH metr pomocí kalibračních pufrů o známé hodnotě pH. Hodnota pH je velice závislá na teplotě, proto se při měření vždy uvádí teplota vzorku vody. Hodnotu pH uvádíme nejčastěji při teplotě 25 °C.

Obrázek 2: Ukázka měření pH pomocí pH metru se skleněnou elektrodou

Zdroj: foto D. Chrastina

Elektrická konduktivita Elektrolytická konduktivita (dále jen konduktivita) vodných vzorků je schopnost iontů přítomných ve vodě vést elektrický proud. Je definována jako převrácená hodnota elektrického odporu roztoku mezi dvěma platinovými elektrodami. Jednotkou je siemens na metr S.m-1, častěji milisiemens na metr mS.m-1. Konduktivita je závislá na teplotě vzorku, vody, druhu a koncentraci iontů a viskozitě roztoku. Konduktivita je u přírodních a užitkových vod s nízkou koncentrací organických látek chápána jako míra obsahu aniontů a kationtů. Čím větší je obsah iontů ve vodě, tím větší je její konduktivita. Destilovaná voda mívá konduktivitu 0,05 – 0,5 mS.m-1. Povrchové a prosté podzemní vody mívají konduktivitu v rozmezí 5 – 50 mS.m-1. U některých průmyslových odpadních vod mohou být hodnoty i vyšší než 1000 mS.m-1 (PITTER, 2009: s. 10).

12

Konduktivitu měříme pomocí konduktometru s elektrodou (obr. 3). Elektrodu ponoříme do měřeného vzorku vody a na displeji vidíme přímo hodnotu konduktivity v daných jednotkách a teplotu vzorku. Hodnotu konduktivity uvádíme při teplotě 25 °C. Obrázek 3: Konduktometr pro měření konduktivity


Kyslík Kyslík se dostává do vody z atmosféry, a také při fotosyntéze vodních rostlin a řas. Ve vodě se kyslík spotřebovává při aerobním rozkladu organických látek, disimilaci zelených organismů (vodních rostlin a fytoplanktonu), respiraci zooplanktonu, při nitrifikaci, a dále při oxidaci železa, manganu a sulfidů. Přítomnost nebo nepřítomnost kyslíku indikuje stav jakosti vod a rozhoduje o tom, zda budou ve vodě probíhat aerobní či anaerobní pochody, které jsou v přírodních vodách nežádoucí. Kyslík je nezbytný pro zajištění aerobních pochodů při samočištění povrchových vod a při biologickém čištění odpadních vod. Pokud je z vody vyčerpán, začnou jej mikroorganismy pro biochemické oxidace získávat nejprve redukcí některých anorganických látek (dusičnanů) a poté redukcí síranů na toxický sulfan a organických látek na methan. Kyslík je také nezbytný pro život ryb. Z těchto důvodů je koncentrace rozpuštěného kyslíku důležitým indikátorem čistoty povrchových vod. V čistých tocích najdeme vyšší koncentrace rozpuštěného kyslíku, naopak v organicky znečištěných tocích bude koncentrace kyslíku nižší. Co se týče ryb, lososovité ryby jsou mnohem náročnější na kyslík (vyžadují hodnoty nad 9 mg.l-1) než ryby kaprovité (nad 7 mg.l-1). Příznaky dušení lze u lososovitých ryb pozorovat při poklesu koncentrace kyslíku pod 3 mg.l-1, u kaprovitých ryb pod 1,5 mg.l-1. Nedostatek rozpuštěného kyslíku zvyšuje škodlivost působení toxických látek na ryby (PITTER, 2009: s. 257). Měření rozpuštěného kyslíku provádíme přístrojem s kyslíkovou sondou (obr. 4). Kyslík prochází membránou v sondě a redukuje se na elektrodě. Sondu ponoříme přímo v terénu do vody v řece. V laboratoři se sonda ponoří do zcela naplněné vzorkovnice bez vzduchové bublinky, aby nedocházelo k přenosu kyslíku mezi vzorkem vody a vzduchem. Na displeji přístroje vidíme koncentraci rozpuštěného kyslíku v jednotkách mg.l-1 nebo v procentech nasycení.

13

Obrázek 4: Přístroj pro měření rozpuštěného kyslíku s membránovou sondou


Sloučeniny dusíku Dusík patří mezi tzv. nutrienty, které jsou nezbytné pro rozvoj mikroorganismů. Sloučeniny dusíku jsou ve vodách málo stabilní a podléhají zejména biochemickým přeměnám. Mezi nejdůležitější patří nitrifikace (oxidace amoniakálního dusíku na dusitany až dusičnany) a denitrifikace (redukce dusičnanů na elementární dusík).

Dusičnany Dusičnany se vyskytují ve všech druzích vod v koncentracích od jednotek po desítky mg.l-1 v povrchových a podzemních vodách až po stovky mg.l-1 v některých odpadních vodách. Dusičnany jsou pro ryby velmi slabě jedovaté, nejvyšší přípustná koncentrace pro kapra je 80 mg.l -1, pro pstruha duhového 20 mg.l-1. Toxické účinky se projevují až při koncentracích 1000 mg.l-1. Pro lidi stanovuje vyhláška pro pitnou vodu limit 50 mg.l-1 (PITTER, 2009: s. 217). Dusičnany můžeme stanovit například elektromigračními metodami, kde sledujeme pohyblivost nabité částice v roztoku působením elektrického pole. Další velmi časté je spektrometrické stanovení, kde sledujeme množství světla pohlcené barevným vzorkem (absorbance) (obr. 5). Jedním z příkladů spektrometrického stanovení je reakce dusičnanů s kyselinou sulfosalicylovou v prostředí salicylanu sodného a následující alkalizaci za vzniku žluté sloučeniny. Pomocí spektrometru měříme absorbanci žlutého roztoku při vlnové délce 415 nm. Intenzita zbarvení odpovídá koncentraci dusičnanů ve vzorku.

14

Obrázek 5: Spektrometr pro měření např. Dusičnanů, dusitanů, amoniakálního dusíku, fosforečnanů a dalších iontů


Dusitany Dusitany většinou doprovázejí ve vodách dusičnany a formy amoniakálního dusíku. Ve vodách jsou velmi nestálé, mohou být snadno biochemicky oxidovány nebo redukovány, jejich koncentrace ve vodách je velmi nízká (setiny až desetiny mg.l-1). Dusitany působí toxicky na ryby, přípustná koncentrace je řádově v setinách mg.l-1. Dusitany stejně jako dusičnany můžeme stanovit více metodami. Principem spektrometrického stanovení dusitanů je tvorba azobarviva. Absorbanci růžového zbarvení měříme na spektrometru při 540 nm. Amoniakální dusík Amoniakální dusík se ve vodách vyskytuje jako amonný kation NH4+ (není výrazně toxická pro ryby) a v nedisociované (volné) formě jako NH3 (silně toxická pro ryby). Amoniakální dusík je ve vodách za oxických podmínek nestálý a snadno podléhá nitrifikaci. V povrchových vodách bývá koncentrace amoniakálního dusíku obvykle pod 1 mg.l-1. Ve splaškových vodách se koncentrace amoniakálního dusíku pohybuje v desítkách mg.l-1, v některých průmyslových odpadních vodách ve stovkách až tisících mg.l-1. Pro pitnou vodu je limitní hodnota 0,50 mg.l-1. Příkladem spektrometrického stanovení je reakce amonných iontů se salicylanem a chlornanovými ionty v přítomnosti nitroprussidu sodného za vzniku zelené sloučeniny, jejíž absorbanci měříme spektrometrem při vlnové délce 655 nm. Intenzita zbarvení odpovídá koncentraci amonných iontů ve vzorku vody. Fosfor Sloučeniny fosforu hrají významnou úlohu v přírodním koloběhu látek. Jsou nezbytné pro nižší i vyšší organismy, které je přeměňují na organicky vázaný fosfor. Po úhynu organismů a jejich následném rozkladu se fosforečnany opět uvolňují do prostředí. Fosforečnany se velmi významně

15

uplatňují při růstu zelených organismů ve vodě (řas a sinic), proto je jejich koncentrace v letním období v nádržích a jezerech velmi nízká. Fosfor má klíčový význam pro eutrofizaci povrchových vod. Fosforečnany se vyskytují ve vodách řádově v setinách až desetinách mg.l-1. Limit pro pitnou vodu nebyl stanoven, fosforečnany jsou pro lidi zdravotně nezávadné. U podzemních vod může nárůst koncentrace fosforečnanů indikovat možnost fekálního znečištění (pokud se nejedná o znečištění způsobené fosforečnanovými hnojivy). Příkladem spektrometrického stanovení fosforečnanů je reakce fosforečnanových iontů s molybdenanem amonným v prostředí kyseliny sírové za vzniku fosfomolybdenanového komplexu. Redukcí komplexu kyselinou askorbovou vzniká molybdenová modř. Pomocí spektrometru měříme absorbanci modrého roztoku, jehož intenzita odpovídá koncentraci fosforečnanů ve vzorku.

2.3. Biologické vlastnosti vod Biologické vlastnosti vod určuje mnoho faktorů, jejichž úroveň se stanovuje specializovanými postupy. My si vybereme tři, které jsou z hlediska ochrany zdraví člověka a živočichů vodních ekosystémů velmi významné:   

Výskyt mikroorganismů Úroveň trofie Ekotoxicita

Výskyt mikroorganismů Mikroorganismy se ve vodách vyskytují přirozeně. Jedná se jak o různé mikroskopické řasy a sinice, tak o bakteriální organismy. Zatímco řasy při svém přemnožení mohou vážně ohrozit přirozenou rovnováhu vodních ekosystémů, přítomnost některých druhů bakterií a sinic ve vodách může znamenat vážné riziko ohrožení zdraví člověka. Stanovení mikroskopických rostlinných organismů se provádí pomocí mikroskopické techniky. Stanovení počtu řas se provádí za použití různých typů počítacích komůrek (viz obr. 6). Druhy řas určujeme hlavně podle tvaru jejich buněk, případně vzhledu seskupení těchto buněk (viz obr. 7). Obrázek 6: Počítací komůrka Cyrus I

Zdroj: foto P. Soldán

16

Obrázek 7: Příklady řas třídy Zelenivky (Chlorophycae) s použitím obrázků Virtuálního algologického praktika Masarykovy univerzity Brno

Zdroj: http://botany.natur.cuni.cz/algo/praktika/index.html

17

V případě stanovení výskytu bakterií ve vodách je situace složitější. Pro určení druhů a skupin bakterií musíme disponovat vyspělou mikroskopickou technikou a znalostmi, jak ji správně používat. Musíme si také pomáhat různými dalšími úpravami, například speciálním barvením bakteriálních buněk (gramnegativní, grampozitivní bakterie). Také stanovení počtu bakterií ve vzorku vody je pomocí mikroskopu značně problematické. Proto byly vyvinuty speciální mikrobiologické postupy, které využívají kultivaci bakterií na agarových živných půdách. Na agarových živných půdách se stanovují počty kolonie tvořících jednotek (KTJ). Pro tyto potřeby si nejdříve připravíme živný roztok, ve kterém je obsaženo všechno, co bakterie ke svému růstu potřebují. V tomto roztoku nám bakterie vyrostou, když jich bude hodně, vytvoří zákal, ale jejich přesné počty nelze stanovit. Proto do horkého živného roztoku přidáme pomleté, nebo celé sušené stélky mořských řas Agar agar. Ty se v roztoku rozpustí. Ještě horký roztok rozlijeme do Petriho misek. Při chladnutí živného roztoku v miskách (při teplotě nižší než 40 °C) dojde k ztuhnutí roztoku, vytvoří se želatině podobná hmota. Na povrch tohoto ztuhlého média přeneseme malý objem zkoumaného vzorku vody, který speciální zahnutou skleněnou tyčinkou, které se hovorově říká hokejka, pečlivě rozetřeme po jeho celé ploše (viz obr. 8). Obrázek 8: Roztěr vzorku vody na povrchu agarové půdy

Zdroj: foto P. Soldán

Předpokládáme, že při tomto roztěru po celém povrchu rozmístíme bakteriální buňky, ve vodě obsažené. Když máme hotovo, misku zakryjeme skleněným víčkem a umístíme ji na určitou dobu do termostatu, který udržuje zvolenou teplotu, tu teplotu, která je nejvhodnější pro určité skupiny bakteriálních druhů (viz níže). Po určité době (době kultivace) se z původně neviditelných buněk stanou viditelné body na povrchu agarové půdy. To je způsobeno jednoduchým procesem – bakteriální buňky na povrchu živné půdy se za vhodných podmínek (dostatek živin a příhodná 18

teplota) začnou množit dělením a jejich počty narůstají geometrickou řadou. Z jedné buňky vzniknou dvě, z těchto dvou čtyři, ze čtyř osm a tak dále. Nové buňky, protože jsou na povrchu tuhého média, zůstávají v těsné blízkosti původní mateřské buňky a vytvoří okem viditelnou kolonii. Když pak tyto kolonie spočítáme, zjistíme, kolik bylo původně bakteriálních buněk v daném objemu vody, který jsme zkoumali. Tento postup má však jednu závažnou nevýhodu – na povrchu agarové půdy lze beze zbytku rozetřít jen velice malý objem vody (0,5 ml). Pokud máme stanovit počet buněk v objemu vody větším, pomůžeme si opět relativně jednoduchým opatřením. Tento větší objem vody přefiltrujeme přes speciální, velice jemný filtr. Ten zachytí bakteriální buňky. Tento filtr pak položíme na agarovou půdu tak aby k jejímu povrchu přilnul (nesmí jej oddělovat žádné vzduchové bubliny, které by bránily přímému kontaktu filtru s půdou). Bakterie, zachycené na filtru, jsou schopny živiny z agarového média bez problému získávat. Pak uzavřené Petriho misky s filtry na agarovém médiu umístíme na potřebnou dobu do termostatu a po uplynutí doby kultivace odečítáme kolonie, které narostou na filtru (viz obr. 9). Obrázek 9: Kolonie různých typů bakterií, zachycených na filtru, vyrostlé na půdě Tergitol 7 Agar - koliformní bakterie tvoří žluté kolonie

Zdroj: foto H. Mojžíšková

Pro ochranu zdraví člověka je velice potřebné vědět, jaké bakterie se vyskytují ve vodě, kterou pije, nebo používá k rekreačním účelům (koupání). Některé z bakterií ve vodách totiž mohou způsobovat vážná onemocnění. Jsou to většinou bakterie, které se vyskytují v trávicím traktu (střevech) savců. Ty se z jejich těla dostávají výkaly (fekáliemi) a proto se těmto nebezpečným bakteriím říká fekální bakterie. Z nich jsou hygienicky velice významné bakterie enterokoky, koliformní bakterie a zvláště bakterie Escherichia coli (viz obr. 10). Nedostatečnou ochranou povrchových nebo podzemních vod (prosakování jímek, žump, septiků, vypuštění nevyčištěných nebo špatně vyčištěných vod) může dojít k jejich kontaminaci těmito bakteriemi. 19

Obrázek 10: A - kolonie enterokoků na půdě Slanetz-Bartley; B - kolonie koliformních bakterií na půdě Endo Agar

Zdroj: foto H. Mojžíšková

Pro ochranu zdraví člověka jsou vyhláškami ministerstva zdravotnictví stanoveny limity, které musí dané typy vod splňovat, při jejich překročení je vyloučeno jejich využití pro dané účely. V tabulce 1 uvádíme limity pro bakteriální indikátory fekálního znečištění. Tabulka 1: Limitní hodnoty pro vybrané bakteriální indikátory fekálního znečištění Indikátor fekálního znečištění

Pitné vody

Přírodní koupací vody

KTJ/100 ml

KTJ/1ml

Enterokoky

0

20

koliformní bakterie

0

100

Escherichia coli

0

-

Zdroj: vlastní zpracování

Jak z tab. 1 vyplývá, jsou tyto bakterie opravdu nebezpečné, protože v pitné vodě se nesmí ve 100 ml vyskytovat žádná. Ve vodách přírodních koupališť jsou jejich limity výrazně „měkčí“ Všimněte si také, že jsou to počty kolonie tvořících jednotek v 1 ml, takže pro 100 ml, jak je to u pitné vody, by tyto hodnoty byly ještě vyšší – takže pozor na polykání vody při plavání a různých jiných vodních radovánkách. Úroveň trofie Stanovení úrovně trofie vod je stanovení jejich úživnosti pro autotrofní organismy, to je ty, které jsou schopny fotosyntézy. Trofie vod je dána obsahem limitních biogenních prvků, fosforu a dusíku, potřebných pro růst a rozmnožování autotrofních organismů. Je logické, že čím je více těchto látek ve vodě, tím intenzivněji se rostlinné organismy ve vodě rozmnožují a rostou. I když podpora růstu rostlinných organismů vypadá na první pohled příznivě, není tomu tak. Musíme si uvědomit, že vodní organismy tvoří ekosystémy, ve kterých jsou poměry počtů jednotlivých přesně vyváženy (také viz níže – trofické skupiny organismů v ekosystému). Jestliže se počty jedné významné skupiny organismů začnou neúměrně zvyšovat, poruší se křehká rovnováha, dochází k omezování jiné důležité skupiny a nakonec může dojít k destrukci celého ekosystému. Vysoké počty rostlinných organismů sice ve světlé části dne produkují velké množství biomasy, která slouží jako zdroj potravy býložravým druhům, a produkují také velké množství kyslíku, ale když se setmí, rostliny ztrácejí sluneční světlo, které je základním zdrojem energie pro fotosyntézu, a aby udržely 20

své životní pochody, začnou získávat energii štěpením zásobních látek, uložených ve svých buňkách. Pro toto štěpení využívají kyslík, začnou dýchat, tak jako ostatní organismy, které nejsou schopny fotosyntézy, kyslík spotřebovávají. A proto, když je jich v ekosystému velké množství, dochází také k veliké spotřebě kyslíku. Tento proces může vést k tomu, že nad ránem může být všechen kyslík ve vodě spotřebován a to vede až k úhynům organismů, na kyslíku životně závislých (hromadné úhyny ryb). Velké nárusty autotrofních organismů jsou také příčinou vzniku vodních květů v nádržích. Ty tvoří nejen vodní řasy a drobné vodní rostliny, ale také sinice, což jsou rostlinné organismy, produkující jedovaté látky (toxiny), které mohou způsobit nejen různé nepříjemné alergické reakce u člověka, ale dokonce i úhyn zvířat, které takto otrávenou vodu z nádrží vypijí. Podle množství živných látek ve vodě se vody rozlišují na oligotrofní, tedy s malým obsahem živných látek, mezotrofní, se středním obsahem živných látek a eutrofní, s vysokým obsahem živných látek. Podrobnější členění je uvedeno v tab. 2. Zde jsou také pro jednotlivé stupně trofie uvedeny hodnoty trofického potenciálu vod, tedy jejich schopnosti živit rostlinné organismy. Trofický potenciál vyjadřuje maximální množství testovacích vodních řas, které vyroste za optimálních laboratorních podmínek vody ve vodě daného typu. Toto množství se udává v miligramech hmotnosti sušiny narostlé rostlinné hmoty v 1 ml vzorku vody. Pro určení trofického potenciálu vzorky vod naočkujeme známým množstvím mikroskopických řas a po určité době, kdy necháme tyto organismy za optimálních podmínek ve vodě růst, stanovíme nárůst sušiny biomasy těchto zkušebních organismů. Tabulka 2: Trofické stupně vod -1

Stupeň trofie vod

Trofický potenciál vod [mg.l ]

Slovní vyjádření úživnosti vod

ultraoligotrofní

<5

neúživné až velmi slabě úživné

oligotrofní

5 - 50

slabě úživné

mesotrofní

50 - 100

středně úživné

eutrofní

200 - 500

silně úživné

polytrofní

500 – 1 000

velmi silně úživné

Hypertrofní

> 1 000

vysoce úživné

Zdroj: vlastní zpracování

Zatímco typická biologická zkouška, stanovení trofického potenciálu informuje o tom, co by v optimálních podmínkách mohlo v daném typu vody nastat, aktuální situaci popisují jiné rozbory, které jsou více charakteru chemických stanovení. V odebrané vodě můžeme stanovit obsah biogenních prvků, fosforu a dusíku (viz rozbory prováděné v chemické laboratoři), a můžeme také stanovit skutečné množství a stav drobných autotrofních organismů. Toto druhé hodnocení využívá stanovení obsahu významných rostlinných barviv chlorofylu-a a feopigmetů ve vzorku odebrané vody. Chlorofyl-a je hlavní fotosyntetický pigment autotrofních organismů a feopigmenty jsou produkty jeho rozkladu. Jejich poměr ke chlorofylu indikuje fyziologický stav řas – je-li jejich obsah vyšší, rostlinné organismy ve vodě odumírají. Samozřejmě tato barviva nejsou ve vodě volně, ale jsou uzavřena v buňkách rostlinných organismů (vodních řas a sinic), které se v odebrané vodě vyskytují. Pro potřeby stanovení odebranou vodu nejdříve zfiltrujeme, na filtru se zachytí rostlinné buňky a z těch barviva vyextrahujeme (vyloužíme) horkým etanolem (buňky vlivem vysoké teploty 21

etanolu prasknou a barviva se v etanolu rozpustí). Obsah výše zmíněných barviv pak změříme pomocí speciálního přístroje – kolorimetru (viz chemická laboratoř). Ekotoxicita Ekotoxikologické rozbory jsou zaměřeny na posouzení jedovatosti vod pro vodní organismy. Jejich výsledky tedy slouží k ochraně vodních ekosystémů. Existence ekosystému není ohrožena, pokud není narušena jeho rovnováha, která je dána strukturou a stavbou potravního řetězce. Ten tvoří organismy ze čtyř hlavních trofických skupin – producenti, konzumenti I, konzumenti II a destruenti (obr. 11). Obrázek 11: Schéma hlavních trofických skupin organismů v ekosystému


Do skupiny producentů patří autotrofní organismy, tedy organismy, které jsou schopny z jednoduchých anorganických látek vytvářet složité organické látky. Patří sem rostlinné organismy, které tyto látky vytvářejí fotosyntézou. Jako zdroj stavebních prvků jim stačí tak jednoduché anorganické stavební látky jako je vody (H2O), oxid uhličitý (CO2) a zdroje biogenních prvků (N, P, K, Ca, Mg, S aj.). Energii k syntetickým reakcím získávají rostlinné organismy ze slunečního záření – proto fotosyntéza. Při fotosyntéze vznikají nejen složité organické látky, které slouží jako stavební složky pro tvorbu biomasy autotrofních organismů, ale jako „odpadní“ produkt rovněž kyslík (O 2). Ten potřebují všechny organismy ekosystému ke svým životním pochodům. Bez producentů nemůže žádný ekosystém existovat, nejen proto, že produkují kyslík, ale také proto, že biomasa producentů slouží jako zdroj potravy (tedy energie a stavebních látek) pro konzumenty I. řádu. To jsou tedy býložravci. Býložravci pak slouží jako hlavní potrava pro masožravce. Ti totiž nejsou schopni zajistit svůj normální vývoj (růst, rozmnožování apod.) přímou konzumací producentů. 22

Destruenti se pak starají o to, aby byl uzavřen cyklus a aby byla všechna vytvořená organická hmota znovu časem přeměněna zpět na jednoduché anorganické látky, sloužící jako nový zdroj pro novou produkci biomasy. Ve správně fungujícím ekosystému musí být počty zástupců jednotlivých trofických skupin v rovnováze. Tyto počty jsou právě kontrolovány potravním řetězcem. Producenti jsou nezbytní, ale pokud mají dostatek zdrojových stavebních látek (potravy) a energie, mohou se přemnožit s negativními následky, které jsme uvedli v kapitole části, týkající se trofie vod. Aby k tomu nedošlo, snižují jejich počty požerem býložravci (konzumenti I). Těch však také nesmí být tolik, aby zdecimovali celkové počty producentů. Proto jsou v ekosystému masožravci (konzumenti II). No a jak již bylo řečeno zdroj potravy (jednoduchých anorganických látek) zajišťují rozkladem organické hmoty destruenti (obr. 12). Jestliže tedy chceme chránit ekosystém, musíme ochránit zástupce všech trofických skupin, musíme zajistit, aby vodní prostředí pro ně bylo bezpečné a nijak je svými vlastnostmi neomezovalo. Bezpečnost vodního prostředí můžeme zajistit na základě znalosti výsledků ekotoxikologických zkoušek. Ty se provádějí tak, že zástupce jednotlivých trofických skupin vystavíme působení hodnoceného vzorku vod (odpadních nebo povrchových – odebraných z řeky či nádrže). Obrázek 12: Zástupci jednotlivých trofických skupin v ekosystému


Možné účinky na producenty posuzujeme zkouškami, prováděnými s planktonními řasami. Vliv vzorku posuzujeme z intenzity růstu počtu řas (z intenzity rozmnožování). Perloočky (hrotnatka velká - Daphnia magna) jsou planktonní organismy, které nám v ekotoxikologických zkouškách zastupují konzumenty I. Zde je ukazatelem možného negativního účinku vzorku ztráta pohyblivosti – po uplynutí doby expozice odečítáme počty nepohyblivých organismů ve zkušebních nádobách. 23

Účinky zkoumaných vzorků na konzumenty II nám modelují zkoušky na akvarijních rybách. Zde vyhodnocujeme úhyn těchto organismů. Nejvýznamnějšími destruenty v ekosystému jsou bakterie, neboť ty jsou schopny dovést rozklad organických látek až na jejich nejzákladnější složky, to je vodu (H2O) a oxid uhličitý (CO2). Proto jsou důležitým zkušebním organismem v ekotoxikologii. Existuje samozřejmě řada možných postupů, nejčastěji se však provádí zkoušky s luminiscenčními (svítícími) bakteriemi Vibrio fischeri. To proto, že nutná doba expozice, potřebná k vyhodnocení možných negativních účinků zkoumaného vzorku, je velmi krátká (15 až 30 minut) a samotné provedení zkoušky je relativně jednoduché. Hodnoceným ukazatelem je snížení produkce světla, jehož pokles je závislý na úrovně negativního působení vzorku. K měření intenzity světla nám slouží specializované přístroje – luminometry (viz obr. 13). Jestliže tedy chceme mít jistotu, že ekosystémy nebudou ohroženy negativními biologickými vlastnostmi vod, nesmíme zaznamenat významné účinky v žádné ze zkoušek na všech čtyřech zástupcích trofických skupin.

Obrázek 13: Přístrojové vybavení pro stanovení toxicity vzorků pomocí luminiscenčních bakterií

Zdroj: firemní materiál firmy Dr. Bruno Lange

24

2.4. Havarijní znečištění vod


Mnohem větší koncentrace znečišťujících látek, ve srovnání s každodenním znečišťováním, se do vod dostávají při mimořádných situacích, jakými jsou havárie. K havarijním únikům znečištění do vod dochází ojediněle při povodňových stavech na tocích, kdy může dojít k zalití areálu podniku, situovaného v zatopené oblasti. Tehdy může dojít k vyplavení znečišťujících látek, mnohem častěji však zaviní k havárii vlivem lidská chyba. Pro doložení tohoto tvrzení uvádíme příklady několika havárií na území Evropy s dalekosáhlými následky. Požár skladu agrochemikálií firmy Sandoz – k požáru skladu agrochemikálií došlo ve Schweizerhalle (Švýcarsko) v listopadu 1986. Bylo zde uloženo asi 1 300 tun organických chemikálií. Při zásahu bylo aplikováno neefektivní hašení pěnou s velkou spotřebou vody (viz obr. 14). Celkově bylo pro likvidaci požáru použito asi 20 000 m3 vody a pěny. Organickými látkami vysoce znečištěná voda kontaminovala půdu v okolí zásahu a rovněž řeku Rýn v délce 400 km. Tím došlo k přeshraničnímu dopadu havárie - postiženy byly sousední státy, kterými Rýn protéká (Německo, Francie a Nizozemsko). Regenerace zasažených ekosystémů trvala déle než rok. Obrázek 14: Hašení požáru v Schweizerhalle

Zdroj: neznámý autor

25

Havárie v Baia Mare – 30. ledna 2000 došlo v Baia Mare (Rumunsko) k protržení hráze nádrže, do níž byly přečerpávány odpadní vody z procesu extrakce zbytkového zlata a stříbra z dříve vytěžené hlušiny (viz obr. 15). Důvodem byla špatná konstrukce hráze, která nevydržela zvýšený příval vod, způsobený táním velkých zásob sněhu z hor, pod kterými je daná oblast situována. Havárií se do toků dostalo asi 1 000 tun kyanidů (volných i vázaných) a stejné množství těžkých kovů. Tyto vysoce jedovaté látky způsobily rychlý úhyn organismů, žijících v zasažených řekách a jejich okolí (viz obr. 16). Obrázek 15: protržená hráz v Baia Mare


Obrázek 16: Otrávené ryby v řece Tisza /Maďarsko/


Havárie v Draslovce - dne 9. ledna 2006 v ranních hodinách došlo v podniku Lučební závody Draslovka, a. s. Kolín k havárii, při níž se do řeky Labe dostalo blíže neurčené množství kyanidů. Zřejmě vlivem mrazů byl porušen plovákový hladinoměr v detoxikační jímce odpadních vod. Odpadní vody s kyanidy unikly na zpevněnou plochu okolo jímky a odtud podnikovou kanalizací do Labe. Nejspíše selhala i obsluha, která mohla únik zjistit vizuálně. Když se pracovníci Draslovky z médií dozvěděli o úhynu ryb v Labi, údajně je ani nenapadlo, že by to mohlo mít spojitost s jejich firmou. Havárie v Ajce – opět špatná konstrukce byla příčinou toho, že v říjnu 2010 se v hliníkárně v obci Ajka (Maďarsko) protrhla odkalovací nádrž (viz obr. 17). Při neštěstí následně přišlo o život deset lidí, několik obcí bylo oranžovým žíravým bahnem zatopeno a zamořeny byly rozsáhlé oblasti (viz obr. 18, 19).

26

Obrázek 17: Protržená hráz v Ajce


Obrázek 18: Oranžové bahno v ulicích měst


27

Obrázek 19: Rozliv kontaminovaného bahna byl dobře patrný i na leteckých snímcích z postižené oblasti


Rychlost reakce na havarijní znečištění je velice důležitá z hlediska minimalizace škod, které havárie způsobí. O havarijním úniku znečištění se musíme dozvědět co nejdříve. Protože však k havárii dochází náhodně (nikdo neví, kdy k ní může dojít), musíme mít neustále informace o změnách jakosti vod. Odhalit havárii až na základě toho, že v řece plavou mrtvé ryby je velice pozdě. Proto se na řekách zavádí tak zvaný kontinuální monitoring havarijního znečištění. Nejvíce potřebných informací získáme nepřetržitým sledováním změn biologické jakosti vod. K tomu se používá zařízení od různých výrobců. I když se jejich konstrukce liší a používají jako detektory různé vodní organismy, jejich základní princip je stejný. Přístroje registrují a vyhodnocují reakce monitorovacích organismů, kontinuálně vystavených působení vody ze sledovaného říčního profilu (viz obr. 20). Při překročení limitních hodnot pak spouštějí havarijní varování.

28

Obrázek 20: Ukázka kontinuálního monitorování


Jako příklad můžeme uvést zařízení Daphnia Toximeter německé firmy bbe Moldaenke. V daném zařízení jsou perloočky (Daphnia magna) vystaveny působení sledované vody v průtočné komůrce, do níž je voda z monitorovaného profilu nasávána čerpadlem. Chování organismů je snímáno kamerou a průběžně vyhodnocováno integrovaným počítačem se specializovaným softwarem. Jím je převáděn obrazový záznam do grafické a posléze numerické podoby (viz obr. 21). Chování perlooček je vyhodnocováno na základě řady vypočtených parametrů, které zohledňují například průměrnou rychlost pohybu organismů, jejich polohu v komůrce a také jejich úhyn (viz. obr. 22). Z řady dat je stanoven tak zvaný toxický index (0 až 10). Na základě jeho hodnoty je pak spouštěno varování (alarm). Hraniční hodnoty pro varování a alarm jsou různé v závislosti na volbě citlivosti monitoringu. Obecně platí nepřímá závislost hodnoty toxického indexu na výši zvolené citlivosti. K zařízení se lze za pomocí specializovaného programu připojit on-line v síti internet z kteréhokoliv počítače, který je daným softwarem vybaven. To umožňuje získávat odkudkoliv aktuální informace o stavu biologické jakosti vod v monitorovaném profilu. Příklad záznamu havarijní situace, způsobené únikem jedovatých hasebních vod do řeky Odry, je uveden na obr. 23.

29

Obrázek 21: Kamerový obraz a jeho převod do grafické a numerické podoby

obraz organismů komůrce

vyjádření pohybu jednotlivých organismů

vypočtený toxický index a hodnoty dalších sledovaných parametrů

Zdroj: P. Soldán

Obrázek 22: Některé z hodnocených parametrů

Zdroj: podle firemního materiálu bbe Moldaenke

30

Obrázek 23: Záznam havarijního zhoršení jakosti vod v řece v profilu Bohumín vlivem splachu jedovatých hasebních vod z požáru bývalé laboratoře Hrušovských chemických závodů v Ostravě

Zdroj: foto HZS Moravskoslezského kraje

V případě havárie je třeba co nejdříve odhalit její příčinu, a proto se provádějí chemické analýzy přímo v terénu. V následujícím textu jsou uvedeny příklady stanovení některých látek. K tomu využíváme zejména fotometrické testy.

Stanovení kyanidů Princip: Kyanidové ionty reagují s chloračním činidlem za vzniku chlornanu, který pak reaguje s kyselinou 1,3-dimethylbarbiturovou v přítomnosti pyridinu za vzniku fialového zbarvení. Koncentrace kyanidů je měřena semikvantitativně vizuálním porovnáváním barvy měřeného vzorku s barevnými poli na barevné stupnici (obr. 24). Koncentrační stupnice: 0,002–0,004–0,007–0,010–0,013–0,016–0,020–0,025–0,030 mg.l-1 CNÚprava vzorku: Hodnota pH vzorku musí být v rozmezí 4,5–8. Pokud je nutné, pH vzorku je upraveno NaOH 1 mol.l-1 nebo H2SO4 0,5 mol.l-1. Hodnota pH je kontrolována pH papírkem. Zakalené vzorky jsou filtrovány. Postup: Do zkumavky je nalito 20 ml vzorku (15–40 °C). Po přidání jedné lžičky činidla CN-1 je vzorek protřepán do úplného rozpuštění činidla. Poté je přidána 1 lžička činidla CN-2 a vzorek opět protřepán do úplného rozpuštění činidla. pH musí být v rozmezí 3,0–3,5. pH případně upravit kyselinou nebo hydroxidem. Poté je přidáno 10 kapek činidla CN-3 a vzorek protřepán. Po 5 minutách stání je koncentrace porovnávána s barevnou stupnicí.

31

Obrázek 24: Test Aquaquant pro stanovení kyanidů


Stanovení NH4+ Princip: Amoniakální dusík (N-NH4+) se vyskytuje částečně ve formě amonných iontů a částečně jako amoniak. V silně alkalickém prostředí je amoniakální dusík přítomen téměř výhradně jako amoniak, který reaguje s chloračním činidlem za vzniku monochloraminu. Ten reaguje s tymolem za vzniku modrého indofenolového derivátu. Koncentrace je měřena semikvantitativně vizuálním porovnáváním barvy měřeného vzorku s barevnými poli na barevné stupnici (obr. 25). Koncentrační stupnice: 0,025–0,050–0,075–0,10–0,15–0,20–0,25–0,30–0,40 mg.l-1 NH4+ 0,02–0,04–0,06–0,08–0,12–0,16–0,19–0,23–0,31 mg.l-1 N-NH4+ Úprava vzorku: Hodnota pH vzorku musí být v rozmezí 4–13. Pokud je nutné, pH vzorku je upraveno NaOH 1 mol.l1 nebo H2SO4 0,5 mol.l-1. Hodnota pH je kontrolována pH papírkem. Zakalené vzorky jsou filtrovány. Postup: Do zkumavky je nalito 20 ml vzorku (20–30 °C). Stříkačkou jsou přidány 2 ml činidla NH4-1 a vzorek je protřepán. Poté je přidána 1 lžička činidla NH4-2 a vzorek protřepán do úplného rozpuštění. Po 5 minutové reakční době jsou přidány 2 kapky činidla NH4-3 a vzorek opět protřepán. Po 7 minutách stání je zbarvení vzorku (koncentrace) ihned porovnáváno s barevnou stupnicí, protože toto zbarvení zůstává stabilní jen velmi krátkou dobu. Jako blank je použito 20 ml vzorku bez přidaných činidel. V případě překročení koncentrace na barevné stupnici, je stanovení provedeno se zředěným vzorkem.

32

Obrázek 25: Test pro stanovení N-NH4+


Stanovení CrVI Princip: Stanovení šestimocného chromu je založeno na jeho reakci s 1,5-difenylkarbazidem za vzniku fialového zbarvení (obr. 26). Trojmocný chrom reakci neposkytuje. Koncentrační rozsah: 0–0,60 mg.l-1 CrVI. Úprava vzorku: Vzorky musí být analyzovány do 24 hodin. Postup: Alespoň 30 ml vzorku je nalito do 50 ml kádinky. Zatavená ampulka obsahující činidlo ChromaVer 3 je ponořena ke dnu kádinky dnem vzhůru a tlakem je ulomena špička ampulky. Vzorek je okamžitě nasát do ampulky. V kádince musí být dostatečný objem vzorku, aby byla ampule zcela naplněna. Běží 5 minutová reakční doba. Jako blank slouží 10 ml vzorku ve vialce. Po 5 minutách je kolorimetr vynulován na blank (tlačítko „zero“). Po vložení vzorku a stlačení tlačítka „read“ je na displeji zobrazena koncentrace CrVI v mg.l-1. Obrázek 26: Modelové vzorky CrVI o koncentraci 0,03 mg.l-1, 0,3 mg.l-1 a 0,6 mg.l-1 ve vialce blank


33

Stanovení Zn Zinek patří mezi esenciální stopové prvky pro lidi, zvířata i rostliny. Pro ryby a jiné vodní organismy je však toxický, a to již při koncentracích v desetinách mg.l-1. Zvlášť citlivé jsou lososovité ryby. Princip: Zinek a jiné kovy vytvářejí komplexy s kyanidy. Přidáním cyklohexanonu ke vzorku je selektivně uvolňován zinek, který reaguje se zinkonem za tvorby modrého komplexu. Koncentrační rozsah: 0–3 mg.l-1 Úprava vzorku Před měřením je nutno upravit pH vzorku na hodnotu 4–5. V případě nutnosti upravit pH kyselinou nebo hydroxidem. Kontrola pH se provádí pH papírkem. Postup: K 20 ml vzorku ve vialce je přidán obsah činidla ZincoVer 5 a vzorek je protřepán do úplného rozpuštění činidla. 10 ml vzorku je převedeno do nové vialky (blank). Do první vialky je přidáno 0,5 ml cyklohexanonu a vzorek je 30 sekund protřepáván. Po 3 minutové reakční době je do kolorimetru vložena vialka s blankem a stisknuto tlačítko „zero“. Ihned je vložena vialka se vzorkem a po stisknutí tlačítka „read“ je zobrazena koncentrace zinku ve vzorku v mg.l-1.

34

3. ANALÝZA DALŠÍCH SLOŽEK ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ Analýza ovzduší Látky znečišťující ovzduší můžeme rozdělit podle skupenství na plynné, kapalné a tuhé, podle původu na látky přírodní a antropogenní (vznikající činností člověka). K významným zdrojům znečištění ovzduší patří eroze, vulkanická činnost, lesní požáry, bouřky, stavebnictví, hornictví, hutnictví, chemický průmysl, doprava, zemědělství, a další. Z významných znečišťujících látek můžeme jmenovat popílek, saze, plyny (např. oxid siřičitý, sírový, uhličitý, uhelnatý, sulfan, oxidy dusíku), těžké kovy, uhlovodíky, alkoholy, fenoly a další (GRÜNWALD, 1999)  





Směs oxidu uhličitého, methanu, oxidu dusičitého a freonů označujeme jako skleníkové plyny. Ty jsou produkovány člověkem ve velké míře a jsou příčinou globální změny klimatu. Oxidy síry, hlavně oxid siřičitý, se dostávají do atmosféry v malé míře bakteriální a sopečnou činností, ale hlavním zdrojem je spalování fosilních paliv (ropa, zemní plyn, uhlí). Podílejí se na smogových situacích a zvýšené kyselosti srážek. Oxidy dusíku NOx se podobně jako oxid siřičitý podílejí na smogových situacích a zvýšené kyselosti srážek. Do této skupiny patří oxid dusný (vznikající v atmosféře přirozeně), oxid dusnatý (produkovaný lidmi spalovacími procesy včetně provozu automobilů) a oxid dusičitý (vzniká v atmosféře oxidací oxidu dusného). Uhlovodíky (methan, aldehydy, ketony, aromatické uhlovodíky) jsou součástí automobilových zplodin a ohrožují lidské zdraví.

Jedním z problémů znečištění ovzduší je snížení pH dešťových srážek, čímž vznikají kyselé deště. Oxidy dusíku a síry reagují v atmosféře s vodou za vzniku kyseliny dusičné a sírové. Za kyselý déšť je považován déšť s hodnotou pH < 5,6. Kyselé deště zvyšují kyselost podzemních i povrchových vod a půd. Vlivem kyselých dešťů může docházet k úhynu ryb, lesních porostů, ale také k poškození staveb a kulturních památek (NÁBĚLKOVÁ, NEKOVÁŘOVÁ, 2010). Kromě řady chemických metod používaných v laboratoři můžeme v našem okolí objevit monitorovací stanice. Kvalitu ovzduší na Ostravsku můžeme například sledovat na www.dychamproostravu.cz, kde přímo vidíme, zda jsou jednotlivé parametry v normě nebo jsou překročeny.

Analýza půdy Chemické metody využíváme také při analýze půdy, kdy získáváme informace o obsahu živin v půdě, a také o případné kontaminaci půdy. Zemědělské plodiny se ošetřují pomocí pesticidů (prostředky k hubení rostlinných a živočišných škůdců), které mohou dlouhou dobu setrvávat v půdě. K běžným kontaminantům půdy patří těžké kovy (např. rtuť, olovo, kadmium, měď), různé organické látky (např. polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU), fenoly, pesticidy, polychlorované bifenyly (PCB), polychlorované dibenzo-p-dioxiny (PCDD)). K izolaci organických látek z půdy využíváme extrakci pomocí organického rozpouštědla nebo směsi rozpouštědel (např. hexan, aceton, diethylether, ethylacetát a další). Přístroj pro extrakci látek z pevných vzorků je na obrázku 27. Získaný extrakt poté měříme na přístrojích (chromatografech), které dokáží oddělit jednotlivé látky ze složité směsi. V neznámém vzorku totiž mohou být i stovky různých látek. Ukázka takových přístrojů je na obrázku 28 a 29. 35

Obrázek 27: Extraktor pro izolaci látek z pevných vzorků


Obrázek 28: Plynový chromatogram

Zdroj: foto T. Mičaník

36

Obrázek 29: Kapalinový chromatogram s hmotnostním spektrometrem

Zdroj: foto T. Mičaník

Další využití chemických a biologických laboratoří Vraťme se na chvíli k vodám. Z lidské činnosti se dostává do odpadních vod spousta látek, které se zatím nedaří úspěšně eliminovat na čistírnách odpadních vod. Tyto látky se dostávají dále do vod povrchových, kde mají negativní vliv na vodní organismy. Mohou totiž zcela pozměnit jejich metabolismus. Netřeba zdůrazňovat, že vodní živočichové končí na našem talíři, a tím do sebe dostaneme zpět látky, které jsme předtím vypustili do kanalizace. Mezi takové látky patří zejména různá léčiva, hormony, drogy a další. Chemické laboratoře se snaží sledovat obsahy těchto látek ve vodách, a také najít účinné metody pro jejich odbourání. Chemickou nebo biologickou laboratoř najdeme i v jiných oborech. Ve farmaceutickém průmyslu se kontrolují nová léčiva, v medicíně využíváme metody k diagnostikování některých chorob, v toxikologických laboratořích zjišťují způsoby otrav. Můžeme se s nimi setkat také při analýze potravin, bojových látek, hornin nebo meteoritů, starých jeskynních maleb, kontrole vzácných obrazů, zda se nejedná o padělky a spousty dalších.

37

4. MINIATURIZACE VE VĚDĚ Miniaturizované systémy a laboratoř na čipu V některých oborech se dostáváme často do situace, kdy máme k dispozici jen velmi malé množství vzorku. Z tohoto důvodu se objevují miniaturizovaná zařízení pracující na bázi mikrofluidických čipů, označovaná jako „Micro Total Analysis System“ (μ-TAS) a s tím související koncept laboratoře na čipu „Lab-on-a-chip“. Laboratoř na čipu je zařízení, které integruje různé analytické procesy (jednu nebo více laboratorních funkcí) na jediném čipu o rozměrech několika mm2 až cm2. Převážně se jedná o přístroje, které jsou založeny na principu elektroforetických metod a kapalinové chromatografie. Jedním z prvních zařízení byl plynový chromatograf (Terry, 1979). Miniaturizované systémy se začaly intenzivně vyvíjet na přelomu 80. a 90. let 20. století zejména díky dvěma projektům v USA. Cílem jednoho projektu bylo vybavit armádu snadno ovladatelnými a přenosnými analyzároty, cílem druhého byla sekvence lidského genomu (SMEJKAL, 2012). Z pohledu separačních možností je jednou z nejdůležitějších vlastností mikrofluidické technologie možnost vytvářet mnohočetná spojení kanálků bez nebezpečí tvorby mrtvých objemů a netěsností. Typické „jednotkové operace“ vyvíjené pro využití v proteomice zahrnují mikrokolonové separace (elektroforézu, chromatografii), předúpravy vzorků (odsolení, předkoncentraci, afinitní výběr), chemické mikroreaktory (imobilizované enzymy), nebo elektrosprejové rozhraní. Spojení mikrofluidiky s hmotnostní spektrometrií je pro využití v proteomice velmi důležité. Laboratoř na mikročipu je komplikovaný systém kanálků s průměrem několika stovek nanometrů až desítek mikrometrů a délkou několika milimetrů až centimetrů, které se podle potřeby kříží, rozvětvují, ústí do mikroreaktorů, mikromixérů, separačních kanálků a detekčních cel. Zkoumaný vzorek putuje kanálky, ve kterých se setká s reakčním činidlem (to proto, aby byl pro detektor „viditelný“) (obr. 30), se kterým je transportován do mikromixéru a poté následuje dělení látky, která nás zajímá, od těch ostatních. Na konci celého procesu je detektor, který nám nakonec poví, zda a v jaké koncentraci je daná látka přítomna. Tyto informace se pak zpracují v miniaturním počítači a vám se na displeji objeví kýžený výsledek. A to vše díky malým rozměrům kanálků, kterými kapalina se vzorky a reagenciemi putuje v několika málo vteřinách, maximálně minutách. Obrázek 30: Separační kříž – dávkování a separace vzorku

Zdroj: SMEJKAL, 2012

38

Technologie přípravy čipů Mikrofluidické „čipy“ mohou být vyrobeny z různých materiálů, např. skla, křemene, křemíku, polymerních substrátů, ale také filtračního papíru nebo laminovací fólie (VALASKÁ, KNOBB, ŠEVČÍK, PETR). Nejpoužívanější technika pro výrobu mikročipů je fotolitografie. Na výchozí materiál je ve vakuu nanesena asi 100 nm silná ochranná kovová vrstva (chrom, zlato) a následně tenká vrstva fotorezistu, což je světlocitlivý materiál, který po ozáření správnou vlnovou délkou změní své chemické vlastnosti (polymerizace). Poté je přes masku se zvolenou strukturou exponován fotoresist UV-zářením při vlnové délce 300-400 nm. Po chemickém vyvolání a odstranění ochranné kovové vrstvy je pak substrát leptán roztokem kyseliny fluorovodíkové (HF) do požadované hloubky kanálků (5-50 μm). Po důkladném vyčištění jsou vyleptané kanálky shora uzavřeny krycím sklem při 500-600 ºC (FORET, 2006).

Výhody: nízká spotřeba roztoků (malé množství vzorku potřebné k analýze vhodné zejména v diagnostice), nízká spotřeba reakčních činidel, menší množství odpadu), nižší náklady, kratší doba analýzy (měření), malé rozměry (možnost měření přímo v terénu). Nevýhody: V laboratoři na čipu je mnoho křížících se kanálků s průměrem několika mikrometrů. Kapaliny se v takových kanálcích chovají úplně jinak. V miniaturních kanálcích je proudění kapalin laminární, nikoliv turbulentní, jako například v širokém potrubí. Turbulentní proudění svými »turbulencemi« pomáhá promíchat kapalinu, laminární proudění je spořádané bez turbulencí, a proto se dva souběžné proudy v jednom kanálku prakticky nesmísí – tedy alespoň ne v požadovaném krátkém intervalu. Je tomu třeba pomoci komplikovanými mikroreaktory a mikromixéry. A nejen to. Vysoká koncentrace nejrůznějších prvků na několika centimetrech čtverečních vystavuje čip nebezpečí, že se jednotlivé miniaturní součásti budou navzájem ovlivňovat.

Využití laboratoře na čipu Laboratoř na čipu může najít uplatnění v mnoha různých oblastech:  

 



Životní prostředí – kontrola kvality vod a ovzduší Medicína – diagnostické testy, testy DNA, dědičné poruchy. Mikročip by mohl v krátkém čase stanovit diagnózu, a tím rychleji by začalo léčení pacientů. Jsou vyvíjeny čipy pro identifikaci onemocnění nebo infekcí, jako je AIDS, tuberkulóza, SARS, atd. Farmacie Detekce nervových látek a výbušnin přímo na bojišti - malý čip umožní vojákům zjistit, jestli je látka přítomna v životu nebezpečné koncentraci a kterého typu látka je (Sarin, Soman, VX), ale také kdy byla (nervová látka) použita. Nervové bojové látky se poměrně rychle rozkládají na méně nebezpečné látky. Laboratoř na mikročipu dokáže všechny tyto látky od sebe oddělit a identifikovat. Na základě výskytu či absence jednotlivých látek (tzv. »otisků prstů«) pak připojený počítač dokáže snadno vyhodnotit přítomnost látky a dobu, která uplynula od jejího použití. Výzkum Sluneční soustavy – vyslání sondy ke kosmickému tělesu, např. na polární čepičky Marsu. Sonda se protaví do hloubky polární čepičky. Laboratoř na čipu, umístěná v sondě, provede analýzu roztaveného ledu. Pokud najde stopy života, sonda vyšle signál na Zem. 39

Laboratoř v plechovce Speciální podmořskou biologickou laboratoř, která má za úkol analyzovat vzorky vody v otevřeném oceánu, vyvinuli výzkumníci z amerického MBARI (Monterey Bay Aquarium Research Institute). Takzvané laboratoři v plechovce (Lab in a can) se přezdívá ESP (Environmental Sample Processor) (obr. 31). Laboratoř odebírá vodu, umožňuje extrahovat částice a dokáže zjistit přítomnost mikrobů i různých toxinů. Podle výzkumníků by se dala využít i při testování vody po různých ekologických katastrofách (např. při haváriích ropných tankerů), ale třeba i na farmách pro detekci mikroorganismů, jako je salmonela, apod.

Obrázek 31: Biologická laboratoř v plechovce

Zdroj: http://www.mbari.org/ESP

40

5. SEZNAM ZDROJŮ A POUŽITÁ LITERATURA FORET, František. Mikrofluidika a nanotechnologie pro protetiku. In: JULÁKOVÁ, E. Vysokoúčinné analytické separace biologicky aktivních látek. Praha: VŠCHT, 2006, s. 77-84. ISBN 978-80-86238-13-5. GRÜNWALD, Alexander (1999). Voda a ovzduší 20. Praha: ČVUT. ISBN 80-01-01241-7. CHUPÁČ, Aleš (2010). Chemie v úlohách. Sbírka úloh pro základní školy a víceletá gymnázia. Brno: MSD, s.r.o. ISBN 978-80-7392-131-6. NÁBĚLKOVÁ, Jana a Jana NEKOVÁŘOVÁ (2010) Chemie životního prostředí. Praha: ČVUT. ISBN 978-80-01-04534-3. PITTER, Pavel (2009). Hydrochemie. Praha: VŠCHT. ISBN 978-80-7080-701-9. SMEJKAL, Petr a František FORET (2012). Mikrofluidika v analytické instrumentaci. Chemické listy, č. 106, s. 104. ISSN 1213-7103. TERRY, S.C., JERMAN, J.H. and ANGELL, J.B.: A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer,IEEE Trans.Electron Devices,ED-26,12(1979)1880–1886. VALASKÁ, P., R. Knobb, J. Ševčík a J. Petr. Mikrofluidika v medicíně. In: PETR, J. a kol. Pokroky v chemii a medicíně popáleninových stavů. Olomouc: UPOL, 2014, s. 17-53. Internetové zdroje: http://21stoleti.cz/blog/2004/01/21/vejde-se-cela-chemicka-laborator-na-mikrocip/ http://www.vesmir.info/vynalezy-pro-budoucnost/laborator-na-mikrocipu-lab-on-a-chip.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Lab-on-a-chip http://www.nsf.gov/news/special_reports/science_nation/labinacan.jsp http://www.mbari.org/ESP

41

ČÁST B PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STUDENTY A ŽÁKY

6. PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 1. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL Tato aktivita je vhodná pro 3. a 4. třídy základních škol.

6.1. Chemická a biologická laboratoř

Chemické i biologické laboratoře nám pomáhají při výrobě nových látek a technologií, kontrole životního prostředí i zdraví lidí. Pojďte Motivace s námi nahlédnout pod pokličku. A/ Chemická a biologická laboratoř K čemu může sloužit chemická a biologická laboratoř?

Dokážeš napsat, se kterými pomůckami se můžeme setkat v chemické a biologické laboratoři?

42

Úkol

Úkol

B/ Jakost vod Co všechno v našem okolí může způsobit znečištění vody a ovzduší a jak se dá tomu předcházet?

43

Úkol

7. PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 2. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL 7.1. Voda a člověk (z pohledu chemika a fyzika)

Žáci na základě práce s textem a informačních komunikačních technologií prostudují problematiku vody a doplní uvedený text Motivace

A/ Chemické a fyzikální vlastnosti vody S pomocí literatury a internetových odpovězte na následující otázky Úkol

1. Uveďte základní vlastnosti vody (barva, zápach, teplota varu a tání, chuť apod.)

2. Kolik atomů tvoří molekulu vody? Ze kterých chemických prvků se skládá molekula vody?

3. V jakých skupenstvích se molekula vody vyskytuje? Čím se jednotlivá skupenství odlišují?

4. Vysvětlete pojem tvrdost vody. Na čem závisí? Která voda je měkká, která tvrdá?

5. Jaké chemické látky obsahuje mořská voda?

44

B/ Zásah člověka do vodního prostředí S pomocí literatury a internetových odpovězte na následující otázky

1. Kterými látkami člověk nejčastěji ohrožuje vodní prostředí?

2. Které zdroje (obecně) ohrožují vodní prostředí?

3. Co způsobuje přítomnost dusičnanů a fosforečnanů ve vodě – např. v rybnících?

4. Čím jsou způsobeny kyselé deště? Jak ovlivňují přírodu?

5. Najděte alespoň jeden novinový článek, který uvádí znečišťování vody člověkem.

LITERATURA – doplňte informační zdroje, které jste využívali při své přípravě KNIHA:

Příjmení a jméno autora. Název knihy. Rok vydání.

ČASOPIS: Příjmení a jméno autora. Název článku. Název časopisu. Měsíc a rok vydání. INTERNET: přesně zapsaná webová stránka. Datum, kdy jste informaci využili ze stránky.

45

Úkol

7.2. Jakost vod Do laboratoře nám přivezou tři neznámé vzorky vody. Provedeme analýzu a výsledky porovnáme s limity pro pitnou vodu. Motivace

Zkuste najít na internetu vyhlášku „252/2004 Sb., kterou se stanoví hygienické požadavky na pitnou a teplou vodu a četnost a rozsah kontroly pitné vody“. Porovnejte naměřené výsledky rozboru vzorků vod s vyhláškou. Určete, zda splňují limity pro pitnou vodu.

Escherichia coli Enterokoky Amonné ionty NH4+ Dusičnany NO3Dusitany NO2-

VZOREK A 0 KTJ/100 ml 0 KTJ/100 ml 1,12 mg.l-1 5 mg.l-1 0,11 mg.l-1

VZOREK B 3 KTJ/100 ml 0 KTJ/100 ml 0,25 mg.l-1 11 mg.l-1 0,08 mg.l-1

46

VZOREK C 0 KTJ/100 ml 0 KTJ/100 ml 0,42 mg.l-1 2,2 mg.l-1 0,14 mg.l-1

Úkol

7.3. Biologické vlastnosti vod Jaké druhy mikroorganismů, které jsou hygienicky zdravotně významné, můžete nalézt ve vodách?

Popište stanovení počtu kolonií pomocí agarové živné půdy.

Jaké organismy patří mezi producenty, konzumenty I, konzumenty II a destruenty? K čemu nám tyto organismy mohou sloužit?

47

Úkol

Úkol

Úkol

8. PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STŘEDNÍ ŠKOLY 8.1. Laboratorní sklo a nádobí

Chemické i biologické laboratoře nám pomáhají při výrobě nových látek a technologií, kontrole životního prostředí i zdraví lidí. Pojďme prozkoumat základní vybavení takové laboratoře.

Na základě níže uvedených obrázků uveď, o jaké pomůcky v laboratoři se jedná

48

Motivace

Úkol

0

10

20

30

40

50

Která z výše uvedených pomůcek může být využita k zahřívání kapalných látek?

Která z výše uvedených pomůcek může být využita k přesnému odměřování kapaliny?

49

Úkol

Úkol

8.2. ph látek v laboratoři a okolo nás Ke stanovení kyselosti či zásaditosti roztoků používáme tzv. hodnotu pH. Hodnotu pH zjišťujeme např. pomocí univerzálních indikátorových papírků, které představují papírky „nasáklé“ směsí indikátorů. Motivace

Určete hodnoty pH látek na základě experimentální činnosti. Úkol Následující tabulka vám pomůže vždy v průběhu laboratorní práce přesněji určit, zda je daný roztok vzorku kyselý, zásaditý popř. neutrální. pH ROZTOKY

0

1

2

silně kyselé

3

4

5

6

slabě kyselé

7 Neutrální

8

9

10

slabě zásadité

11

12

13

14

silně zásadité

Chemikálie: Pomůcky: Postup práce: -

kapku příslušného roztoku vzorku naneste pomocí čisté tyčinky na univerzální indikátorový papírek pH (zkr. UIP) podle zbarvení papírku odečtěte na stupnici (tubě s UIP) zapište své výsledky do přehledné tabulky a určete, zda jde o roztoky látek kyselé, neutrální nebo zásadité zjišťování pH látek opakujte se všemi vzorky a vždy používejte čistou skleněnou tyčinku pro nanášení vzorků

Výsledky a vyhodnocení: Vzorek látky

Hodnota pH

Barva UIP

Destilovaná voda Roztok kyseliny chlorovodíkové Roztok hydroxidu sodného

50

pH (kys. – neutr. – zás.)

Závěr:

8.3. Miniaturizované systémy a laboratoř na čipu Miniaturizované systémy a laboratoř na čipu V některých oborech se dostáváme často do situace, kdy máme k dispozici jen velmi malé množství vzorku. Z tohoto důvodu se objevují miniaturizovaná zařízení pracující na bázi mikrofluidických čipů, označovaná jako „Mikro Total Analysis Systém“ (μ-TAS) a s tím související koncept laboratoře na čipu „Lab-on-a-chip“. Laboratoř na čipu je zařízení, které integruje různé analytické procesy (jednu nebo více laboratorních funkcí) na jediném čipu o rozměrech několika mm2 až cm2. Převážně se jedná o přístroje, které jsou založeny na principu elektroforetických metod a kapalinové chromatografie. Jedním z prvních zařízení byl plynový chromatograf (Terry, 1979). Miniaturizované systémy se začaly intenzivně vyvíjet na přelomu 80. a 90. let 20. století zejména díky dvěma projektům v USA. Cílem jednoho projektu bylo vybavit armádu snadno Vysvětlení ovladatelnými a přenosnými analyzátory, cílem druhého byla sekvence lidského genomu. Z pohledu separačních možností je jednou z nejdůležitějších vlastností mikrofluidické technologie možnost vytvářet mnohočetná spojení kanálků bez nebezpečí tvorby mrtvých objemů a netěsností. Typické „jednotkové operace“ vyvíjené pro využití v proteomice zahrnují mikrokolonové separace (elektroforézu, chromatografii), předúpravy vzorků (odsolení, předkoncentraci, afinitní výběr), chemické mikroreaktory (imobilizované enzymy), nebo elektrosprejové rozhraní. Spojení mikrofluidiky s hmotnostní spektrometrií je pro využití v proteomice velmi důležité. Laboratoř na mikročipu je komplikovaný systém kanálků s průměrem několika stovek nanometrů až desítek mikrometrů a délkou několika milimetrů až centimetrů, které se podle potřeby kříží, rozvětvují, ústí do mikroreaktorů, mikromixérů, separačních kanálků a detekčních cel. Zkoumaný vzorek putuje 51

kanálky, ve kterých se setká s reakčním činidlem (to proto, aby byl pro detektor „viditelný“) (obr. 30), se kterým je transportován do mikromixéru a poté následuje dělení látky, která nás zajímá, od těch ostatních. Na konci celého procesu je detektor, který nám nakonec poví, zda a v jaké koncentraci je daná látka přítomna. Tyto informace se pak zpracují v miniaturním počítači a vám se na displeji objeví kýžený výsledek. A to vše díky malým rozměrům kanálků, kterými kapalina se vzorky a reagenciemi putuje v několika málo vteřinách, maximálně minutách. Mikrofluidické „čipy“ mohou být vyrobeny z různých materiálů, např. skla, křemene, křemíku, polymerních substrátů, ale také filtračního papíru nebo laminovací fólie. Nejpoužívanější technika pro výrobu mikročipů je fotolitografie. Na výchozí materiál je ve vakuu nanesena asi 100 nm silná ochranná kovová vrstva (chrom, zlato) a následně tenká vrstva fotorezistu, což je světlocitlivý materiál, který po ozáření správnou vlnovou délkou změní své chemické vlastnosti (polymerizace). Poté je přes masku se zvolenou strukturou exponován fotoresist UVzářením při vlnové délce 300-400 nm. Po chemickém vyvolání a odstranění ochranné kovové vrstvy je pak exponovaný substrát leptán roztokem kyseliny fluorovodíkové (HF) do požadované hloubky kanálků (5-50 μm). Výhodou je nízká spotřeba roztoků (malé množství vzorku potřebné k analýze vhodné zejména v diagnostice), nízká spotřeba reakčních činidel, menší množství odpadu), nižší náklady, kratší doba analýzy (měření), malé rozměry (možnost měření přímo v terénu). V laboratoři na čipu je mnoho křížících se kanálků s průměrem několika mikrometrů. Kapaliny se v takových kanálcích chovají úplně jinak. V miniaturních kanálcích je proudění kapalin laminární, nikoliv turbulentní, jako například v širokém potrubí. Turbulentní proudění svými »turbulencemi« pomáhá promíchat kapalinu, laminární proudění je spořádané bez turbulencí, a proto se dva souběžné proudy v jednom kanálku prakticky nesmísí – tedy alespoň ne v požadovaném krátkém intervalu. Je tomu třeba pomoci komplikovanými mikroreaktory a mikromixéry. A nejen to.

Ve třech větách formulujte myšlenku celého textu (oč se jedná)? Úkol

52

Charakterizujte laboratoř na čipu. Úkol

Které metody instrumentální analytické chemie sehrávají v laboratoři na čipu největší roli?

Úkol

Uveďte základní výhody laboratoře na čipu. Úkol

8.4. Analýza potravin Potraviny jsou každodenní součástí našeho života. Při pěstování plodin se často používají přípravky k hubení škůdců. Při postřiku se mohou tyto látky dostat do plodin a některé z nich mohou negativně ovlivňovat zdraví lidí. Totéž platí při chovu dobytka a podobně. Potřiky pesticidů a jiných látek se mohou kontaminovat půdu, povrchové i podzemní vody. Proto je kontrola kvality potravin velice důležitá.

Vypočítejte obsah vody a sušiny ve vzorku ryby.

Motivace

Úkol

Pracovní postup: Do hliníkové misky se naváží 15 g mořského písku. Miska s pískem a skleněnou tyčinkou se suší 30 minut v sušárně při teplotě 103 °C a po vychladnutí v exsikátoru se zváží s přesností na 0,001 g (m0). Do misky se naváží 5 – 8 g vzorku ryby. Miska s obsahem a skleněnou tyčinkou se zváží s přesností na 0,001 g (m1). Obsah misky se promíchá skleněnou tyčinkou, miska s obsahem a tyčinkou se zahřívá 2 h v sušárně při teplotě 103 °C, po vychladnutí v exsikátoru se zváží s přesností na 0,001 g. Zahřívání, chlazení a vážení se opakuje do konstantní hmotnosti. Miska s pískem a skleněnou tyčinkou vážila po vysušení 33,652 g. Do misky jsme navážili 6,894 g ryby. Po vysušení vážila miska s pískem, tyčinkou a vzorkem ryby 35,072 g.

53

Výpočet: Obsah vody se vypočte podle vzorce 𝑤=

𝑚1 – 𝑚2 ∙ 100 % 𝑚1 − 𝑚0

m0 … hmotnost misky, písku a tyčinky v gramech m1 … hmotnost misky se vzorkem, pískem a tyčinkou před sušením v gramech m2 … hmotnost misky se vzorkem, pískem a tyčinkou po sušení v gramech Obsah sušiny se dopočítá do 100 %.

8.5. Izotachoforetické stanovení aniontů Laboratoř převzala dva vzorky povrchových vod. Jednalo se o profily Odra-Třebovice a Ostravice-Slezská Ostrava. Ve vzorcích se má stanovit koncentrace dusičnanů a síranů. Ke stanovení byla použita metoda kapilární izotachoforézy, která využívá různé pohyblivosti dusičnanových a síranových iontů v elektrickém poli. Získáváme schodovitý záznam (izotachoforegram), kde délka zóny udaná v sekundách odpovídá množství látky ve vzorku a výška zóny je charakteristická pro danou látku. V našem případě odpovídá první tóna dusičnanům a druhá zóna síranům. Příklad záznamu z měření je uveden na obrázku.

Motivace

54

Připravili jste směsné roztoky o známé koncentraci dusičnanů a síranů viz níže. Všechny roztoky byly změřeny a ze záznamu byly odečteny délky zón pro jednotlivé látky. V excelu vytvořte graf závislosti koncentrace na délce zóny pro jednotlivé látky a s pomocí učitele zjistěte rovnici přímky (tato závislost je lineární – čím větší délka zóny, tím větší koncentrace). Z rovnice přímky vypočtěte koncentraci dusičnanů a síranů ve vzorcích. Dusičnany NO3 -1

Koncentrace (mg.l )

-

Sírany SO4

Délka zóny (s)

-1

Koncentrace (mg.l )

Úkol s učitelem

2-

Délka zóny (s)

Kalibrační bod 1

3

1,08

10

4,40

Kalibrační bod 2

5

1,80

20

8,68

Kalibrační bod 3

10

3,44

40

17,44

Kalibrační bod4

20

6,60

60

24,80

Kalibrační bor 5

40

13,20

80

32,92

Odra-Třebovice

3,92

16,92

Ostravice-Slezská Ostrava

1,64

25,96

POZOR: vzorek Ostravice-Slezská Ostrava byl před měřením 2x zředěný.

55

8.6. Stanovení počtu řas Řasy mohou při svém přemnožení vážně ohrozit přirozenou rovnováhu vodních ekosystémů. Stanovení počtu řas se provádí za použití různých typů počítacích komůrek, např. počítací komůrka Cyrus I viz obrázek.

Motivace

Počítací komůrka má 40 řádků a 40 sloupců. Ve 4 řádcích jsme napočítali 478 řasových buněk. Kolik řasových buněk se nachází v 1 ml vzorku vody? V každém řádku očekáváme průměrně stejný počet buněk. Objem komůrky vypočítejte z údajů na obrázku.

56

Úkol

Výkladový slovník Pojem

Vysvětlení

Absorbance

Veličina udávající, jaké množství světla bylo pohlceno vzorkem (barevným)

Agar

Přírodní polysacharid

Antropogenní

Vznikající činností člověka

Denitrifikace

Proces, při kterém se mění dusičnany na elementární dusík

Disimilace

Rozkládání organických tkáních živého organismu

Extrakce

Získávání látek z různých, většinou přírodních materiálů

Eutrofizace

Obohacování vod o živiny – dusík a fosfor

Nitrifikace

Proces, při kterém se mění amoniakální dusík na dusitany až dusičnany

Nutrienty

Živiny; látky, které organismus přijímá pro svůj vývoj

Proteomika

Vědní obor zabývající se studiem proteinů (bílkovin) a jejich vlastností

Toxicita

Jedovatost

57

látek

v buňkách

Slovník odborných pojmů

a

9. PRACOVNÍ LISTY S ODBORNÝM TEXTEM V ANGLICKÉM A ČESKÉM JAZYCE 9.1. Modern chemical and biological laboratory The use of chemical and biological laboratories is quite wide in practice. In laboratories of inorganic and organic chemistry, the scientists deal especially with a preparation of new substances with a wide use. It includes especially biologically active substances that could work like new medicaments treating various illnesses. The physical chemistry investigates macroscopic characteristics of substances at a molecular level. The study of nanomaterials is for example one of the branches. The biochemistry deals with chemical processes in living organisms. The analytical chemistry then investigates a chemical composition of substances and mixtures. It proves the presence of particular matters in a sample and it determinates the amount of the matters in investigated sample. The biology studies organisms. Water quality Water quality is given by substances contained in it. The human activities influence, except the natural pathways of substances into waters, water quality. Surface as well as ground water is contaminated by different kind of sources. The pollution is caused as in everyday life so in extraordinary situations. We have to know as exact as possible water composition to be sure that waters are not hazardous both for human and for organisms living there. We gain this information from results of various laboratory analysis and assessments. It is crucial to know their important physical, chemical and biological characteristics. While the parameters from the first two fields are assessed by special analysis in chemical laboratory, the biological characteristics of waters use to be analysed in the biological laboratories. Presence of microorganisms The microorganisms exist naturally in waters. There are various microscopic algae and blue-green algae, so as bacterial organisms. While the overpopulation of the algae can significantly endanger the natural balance of an aquatic ecosystem, the presence of some kind of bacteria and blue-green algae can mean a serious human health risk. The assessment of microscopic vegetal organisms is done by microscopy techniques. Determining the algae biomass is carried out by using of different kinds of counting chambers. Algae species are determinate especially according their cell shape, or a visual aspect of grouping these cells. The situation is complicated when determining bacteria in water. We have to have highly developed microscopy technique and knowledge of its proper use, to assess the species and groups of bacteria. We have to also help us by other various adjustments, e.g. special colouring of bacterial cells (gramnegative, gram-positive bacteria). The determination of bacterial number in a water sample by microscopy is also very complicated. Therefore special microbiological methods were developed that use a cultivation of bacteria on agar medium. Ecotoxicity The ecotoxic analyses are focused on assessment of water toxicity for aquatic organisms. Their results are therefore used for a protection of aquatic ecosystems. The presence of ecosystems is not in danger, if the balance given by food chain structure and composition is not disrupted. The food 58

chain comprises four main trophic groups – producers, primary consumers, secondary consumers and decomposers. Ecotoxic tests are carried out by exposing the aquatic organisms the studied water sample (waste or surface water – taken from river or reservoir). We evaluate the possible effects the on producers by experiments with planktonic algae. We infer the impact of the sample from the algae biomass development. Daphnias (Daphnia magna) are planktonic algae that present the primary consumers in ecotoxic tests. The indicator of a possible negative effect is the mobility loss – we count a number of immobile organisms in test containers after time exposure expiration. The impacts on analysed samples on the secondary consumers simulate the experiments with aquarium fish. The death of these organisms is evaluated here. Bacteria are the most important decomposers in ecosystem as they are able to decompose the organic matters on their basic elements i.e. water (H2O) and carbon dioxide (CO2). Luminescent (producing light) bacteria Vibrio fischeri are mostly used for the experiments. A decrease in light production is the evaluation factor where the decrease is dependent on the level of negative sample effect. Special instruments – luminometers are used for measurement of light intensity. Accidental water pollution Much higher concentrations of pollutants get into waters during extraordinary situations like accidents, in comparison with everyday contamination. Accidental water pollution arises sporadically during floods. A manufacturing area situated in a district affected by flood can be inundated. Then the contaminants can be leached from soil. More common accidents are due to a human mistake. The accidental water pollution must be fast detected to minimize the impacts. As the accidents use to be unpredictable (never know when it happens), the information about changes in water quality must be permanently available. There is therefore so called continual monitoring of accidental pollution on rivers. For this purpose is used e.g. Daphnia Toximeter. In this monitoring system the daphnias (Daphnia magna) are exposed to the effect of studied water sample in a flow chamber, where monitored water is sucked up by a pump. The behaviour of organisms is recorded by a camera and continuously evaluated by an integrated computer with specialised software. The visual record is via computer transformed into graphical and then numerical form. When the limit values are exceeded, the warning is activated. It is necessary, in case of any accident, to detect fast the cause, therefore chemical analysis are done directly in field. Various photometric tests are used primarily for this purpose, where investigated substance makes with a chemical agent colour component. The concentration of investigated substance in water can be set based on colouring intensity, then compared with limits and found out if the concentration of assessed substance was exceeded. Miniaturized systems and lab-on-a-chip (LOC) The laboratory instruments and equipments are also within the progress in sciences miniaturized. The advantage is less sample volume for diagnostic (especially in medicine), less required reagents, faster analysis, possibility to measure directly in field. Lab-on-a-chip is a device that integrates one or several laboratory functions on a single chip of a few square millimetres to a few square centimetres in size. Examined sample is pumped via channels where reacts with a reagent. They are transported into a micromixer and afterwards the investigated substance is separated. Finally the presence and the concentration of the substance are identified by a detector. This information is then processed in a miniature computer and the result is displayed on a screen.

59

Lab-on-a-chip application Lab-on-a-chip can be used to control water and air quality, in medicine to diagnose illnesses, DNA testing, to detect bio/chemical warfare agents and explosives, or also to study solar system. Other application of chemical and biological laboratories A lot of substances coming from human activities get into waste waters and their elimination in waste water treatment plants is not successful yet. These substances get after that into surface waters where they have a negative impact on aquatic organisms. They can in fact change their metabolism. Such substances include various medicaments, hormones, drugs etc. Chemical laboratories try to monitor concentrations of the chemicals in waters and also find effective methods how to eliminate them. Chemical and biological laboratory can be found also in some other professions. New medicaments are controlled in pharmaceutical industry; methods for diagnosing some diseases are used in medicine; methods of poisoning are detected in toxicological laboratories. We can meet with them also in analysis of minerals and meteorites, ancient cave paintings, rare painting control, whether they are counterfeit, and also many others. Výkladový slovník pojmů Anglicky

Česky

algae

řasy (vodní)

analysis

analýza

ancient

starodávný

application

aplikace, použití

cave

jeskyně

counterfeit

padělek

concentration

koncentrace

detect

zjistit, určit

device

zařízení, přístroj

disease

nemoc

eliminate

vyloučit, zmenšit

impact on

vliv (na)

industry

průmysl

medicaments

léky

painting

malba, obraz 60

Slovník pojmů

poison

jed

profession

profese

sample

vzorek

screen

obrazovka, monitor

waste

odpad

water treatment

vodní hodpodářství

9.2. Moderní chemická a biologická laboratoř Využití chemických a biologických laboratoří v praxi je poměrně široké. V laboratořích anorganické i organické chemie se vědci zabývají především přípravou nových látek s širokým využitím. Jde zejména o látky s biologickou aktivitou, které by mohly fungovat jako nová léčiva při různých onemocněních. Fyzikální chemie zkoumá makroskopické vlastnosti látek na molekulární úrovni. Jednou z oblastí je například studium nanomateriálů. Biochemie se zabývá chemickými pochody v živých organismech. Analytická chemie zase zkoumá chemické složení látek a směsí. Prokazuje přítomnost konkrétních látek ve vzorku a určuje, v jakém množství se tyto látky v daném vzorku nacházejí. Biologie se zabývá studiem organismů. Jakost vod Vlastnosti vod určují látky, které jsou v nich obsaženy. Kromě látek, které se do vod dostávají přirozenou cestou, má na jakost vod velký vliv lidská činnost. Povrchová i podzemní voda je znečišťována z různých zdrojů. K tomuto znečišťování dochází jak v každodenním životě, tak při mimořádných situacích. Abychom měli jistotu, že vody budou bezpečné nejen pro člověka, ale i pro organismy, které v nich žijí, musíme co nejpřesněji znát jejich složení. Tyto informace získáváme z výsledků různých laboratorních rozborů a stanovení. Je důležité znát jejich významné fyzikální, chemické a biologické vlastnosti. Zatímco parametry z prvních dvou oblastí se stanovují speciálními analýzami v chemické laboratoři, biologické vlastnosti vod se určují v laboratořích biologických. Výskyt mikroorganismů Mikroorganismy se ve vodách vyskytují přirozeně. Jedná se jak o různé mikroskopické řasy a sinice, tak o bakteriální organismy. Zatímco řasy při svém přemnožení mohou vážně ohrozit přirozenou rovnováhu vodních ekosystémů, přítomnost některých druhů bakterií a sinic ve vodách může znamenat vážné riziko ohrožení zdraví člověka. Stanovení mikroskopických rostlinných organismů se provádí pomocí mikroskopické techniky. Stanovení počtu řas se provádí za použití různých typů počítacích komůrek. Druhy řas určujeme hlavně podle tvaru jejich buněk, případně vzhledu seskupení těchto buněk. V případě stanovení výskytu bakterií ve vodách je situace složitější. Pro určení druhů a skupin bakterií musíme disponovat vyspělou mikroskopickou technikou a znalostmi, jak ji správně používat. Musíme si také pomáhat různými dalšími úpravami, například speciálním barvením bakteriálních buněk (gramnegativní, grampozitivní bakterie). Také stanovení počtu bakterií ve vzorku vody je 61

pomocí mikroskopu značně problematické. Proto byly vyvinuty speciální mikrobiologické postupy, které využívají kultivaci bakterií na agarových živných půdách. Ekotoxicita Ekotoxikologické rozbory jsou zaměřeny na posouzení jedovatosti vod pro vodní organismy. Jejich výsledky tedy slouží k ochraně vodních ekosystémů. Existence ekosystému není ohrožena, pokud není narušena jeho rovnováha, která je dána strukturou a stavbou potravního řetězce. Ten tvoří organismy ze čtyř hlavních trofických skupin – producenti, konzumenti I, konzumenti II a destruenti. Ekotoxikologické zkoušky se provádějí tak, že vodní organismy vystavíme působení hodnoceného vzorku vod (odpadních nebo povrchových – odebraných z řeky či nádrže). Možné účinky na producenty posuzujeme zkouškami, prováděnými s planktonními řasami. Vliv vzorku posuzujeme z intenzity růstu počtu řas (z intenzity rozmnožování). Perloočky (hrotnatka velká - Daphnia magna) jsou planktonní organismy, které nám v ekotoxikologických zkouškách zastupují konzumenty I. Zde je ukazatelem možného negativního účinku vzorku ztráta pohyblivosti – po uplynutí doby expozice odečítáme počty nepohyblivých organismů ve zkušebních nádobách. Účinky zkoumaných vzorků na konzumenty II nám modelují zkoušky na akvarijních rybách. Zde vyhodnocujeme úhyn těchto organismů. Nejvýznamnějšími destruenty v ekosystému jsou bakterie, neboť ty jsou schopný dovést rozklad organických látek až na jejich nejzákladnější složky, to je vodu (H2O) a oxid uhličitý (CO2). Zkoušky se provádí nejčastěji s luminiscenčními (svítícími) bakteriemi Vibrio fischeri. Hodnoceným ukazatelem je snížení produkce světla, jehož pokles je závislý na úrovni negativního působení vzorku. K měření intenzity světla nám slouží specializované přístroje – luminometry. Havarijní znečištění vod Ve srovnání s každodenním znečišťováním, se mnohem větší koncentrace znečišťujících látek dostávají do vod při mimořádných situacích, jakými jsou havárie. K havarijním únikům znečištění do vod dochází ojediněle při povodňových stavech na tocích, kdy může dojít k zalití areálu podniku situovaného v zatopené oblasti. Tehdy může dojít k vyplavení znečišťujících látek. Mnohem častěji však dochází k havárii vlivem lidské chyby. O havarijním úniku znečištění se musíme dozvědět co nejdříve, abychom byli schopni co nejvíce minimalizovat vzniklé škody. Protože však k havárii dochází náhodně (nikdo neví, kdy k ní může dojít), musíme mít neustále informace o změnách jakosti vod. Proto se na řekách zavádí takzvaný kontinuální monitoring havarijního znečištění. K tomuto účelu slouží např. zařízení Daphnia Toximeter. V daném zařízení jsou perloočky (Daphnia magna) vystaveny působení sledované vody v průtočné komůrce, do níž je voda z monitorovaného profilu nasávána čerpadlem. Chování organismů je snímáno kamerou a průběžně vyhodnocováno integrovaným počítačem se specializovaným softwarem. Jím je převáděn obrazový záznam do grafické a posléze numerické podoby. Při překročení limitních hodnot se pak spouštějí havarijní varování. V případě havárie je třeba co nejdříve odhalit její příčinu, a proto se provádějí chemické analýzy přímo v terénu. K tomu využíváme zejména různé fotometrické testy, kdy měřená látka vytvoří s činidlem barevnou sloučeninu. Na základě intenzity zbarvení můžeme určit koncentraci dané látky ve vodě a porovnat s limity, zda došlo k překročení koncentrace dané látky.

62

Miniaturizované systémy a laboratoř na čipu S pokrokem vědy dochází také k miniaturizaci různých laboratorních přístrojů a zařízení. Výhodou je malé množství vzorku potřebné k analýze (zejména v medicíně), nízká spotřeba činidel, kratší doba měření, možnost měření přímo v terénu. Laboratoř na čipu – „Lab-on-a-chip“ je zařízení, které v sobě zahrnuje jednu nebo více laboratorních funkcí na jediném čipu o rozměrech několika mm2 až cm2. Zkoumaný vzorek putuje kanálky, ve kterých se setká s reakčním činidlem, se kterým je transportován do mikromixéru a poté následuje dělení látky, která nás zajímá, od těch ostatních. Na konci celého procesu je detektor, který nám nakonec poví, zda a v jaké koncentraci je daná látka přítomna. Tyto informace se pak zpracují v miniaturním počítači a vám se na displeji objeví výsledek. Využití laboratoře na čipu Laboratoř na čipu může najít uplatnění při kontrole kvality vod a ovzduší, v medicíně při diagnostice onemocnění, testech DNA, při detekci nervových látek a výbušnin nebo také při výzkumu Sluneční soustavy. Další využití chemických a biologických laboratoří Z lidské činnosti se dostává do odpadních vod spousta látek, které se zatím nedaří úspěšně eliminovat na čistírnách odpadních vod. Tyto látky se dostávají dále do vod povrchových, kde mají negativní vliv na vodní organismy. Mohou totiž zcela pozměnit jejich metabolismus. Mezi takové látky patří zejména různá léčiva, hormony, drogy a další. Chemické laboratoře se snaží sledovat obsahy těchto látek ve vodách, a také najít účinné metody pro jejich odbourání. Chemickou nebo biologickou laboratoř najdeme i v jiných oborech. Ve farmaceutickém průmyslu se kontrolují nová léčiva, v medicíně využíváme metody k diagnostikování některých chorob, v toxikologických laboratořích zjišťují způsoby otrav. Můžeme se s nimi setkat také při analýze hornin nebo meteoritů, starých jeskynních maleb, kontrole vzácných obrazů, zda se nejedná o padělky a spousty dalších.

63

ČÁST C METODICKÁ PŘÍRUČKA

10. METODICKÁ PŘÍRUČKA PRO 1. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL 10.1. Chemická a biologická laboratoř? Vzdělávací cíl: Rozvoj znalostí o fungování chemických a biologických laboratoří. Čím se zabývají, jak pomáhají při sledování kvality životního prostředí. Cílová skupina: pro žáky 1. stupně základních škol V rámci předmětů: přírodověda, vlastivěda Rozsah: 1 hodina Poznámka: Možná práce ve dvojicích nebo ve skupinkách. Prezentace před hodnotící komisí, tj. učitel a dva spolužáci, možnost přizvání externího experta.

Pokyny pro učitele

Pomůcky: Papír A4, tužka. Podle počtu žáků ve třídě rozdělte děti do skupinek. Přečtěte dětem Motivaci a jednoduše jim popište co je to laboratoř, jak funguje, k čemu slouží, v jakých oborech se s ní můžeme potkat. V bodě A/ Chemická a biologická laboratoř děti popíší, jak si myslí, že vypadá chemická a biologická laboratoř, jaké pomůcky v ní můžeme najít, k čemu může laboratoř sloužit V bodě B/ Jakost vod děti napíší, co může způsobit znečištění vody a ovzduší, jak můžeme předcházet znečištění. Otázky, které děti nevyplní samy, doplňte společně. Se skupinkami je vhodné projít odpovědi a vyvolávat děti, aby se o své výsledky podělily s ostatními skupinkami. Odpovědi: K čemu může sloužit chemická a biologická laboratoř? Kontroluje kvalitu životního prostředí (vody, ovzduší, půdy), zda nedošlo ke znečištění nebezpečnými látkami nebo mikroorganismy. Kontroluje kvalitu potravin. Identifikace různých nemocí, identifikace bojových látek, vývoj nových léků, moderních materiálů, atd. Dokážeš napsat, se kterými pomůckami se můžeme setkat v chemické a biologické laboratoři? Např. různé laboratorní sklo (kádinky, odměrné válce, zkumavky, baňky, …), vařiče, lednice, mrazáky, mlýnky, mixery, měřicí přístroje. Co všechno v našem okolí může způsobit znečištění vody a ovzduší a jak se dá tomu předcházet? Znečištění vody – čistící a dezinfekční prostředky, ropné látky, benzín, nátěrové hmoty, ředidla, léky, atd. Znečištění ovzduší – výfukové plyny automobilů, lokální topeniště, atd. Znečišťující látky nevylívat do kanalizace ani přírodního toku, prázdné obaly odevzdávat firmám, které likvidují odpady,… 64

11. METODICKÁ PŘÍRUČKA PRO 2. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL 11.1. Voda a člověk (z pohledu chemika a fyzika) Vzdělávací cíl: Rozvoj povědomí o základních fyzikálně-chemických a biologických vlastnostech vody. Jakým způsobem a jakými látkami znečišťujeme životní prostředí. Jak můžeme znečištění zabránit a jaké máme metody pro odhalení znečištění. Cílová skupina: pro žáky 2. stupně základních škol V rámci předmětů: chemie, biologie Rozsah: 1 až 2 hodiny

Pokyny pro učitele

Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Možná práce ve skupinkách. Pomůcky: Papír A4, tužka, počítač s přístupem k internetu, odborná literatura Pročtěte s dětmi Motivaci a vysvětlete jim základní fyzikálně-chemické a biologické vlastnosti vodního prostředí, jakým způsobem člověk zasahuje do životního prostředí, které látky mohou škodit prostředí. V bodě A. děti pomocí literatury a internetových zdrojů doplní informace týkající se základních vlastností vody V bodě B děti pomocí literatury a internetových zdrojů odpoví na otázky týkající se znečišťování vodního prostředí. Odpovědi: A/ Chemické a fyzikální vlastnosti vody 1. Bez barvy, bez zápachu, teplota varu 100 °C, teplota tání 0 °C, bez chuti. Chuť může výrazně ovlivňovat přítomnost některých kovů a solí. 2. Molekulu vody tvoří dva atomy vodíku a jeden atom kyslíku. 3. Skupenství pevné (led, sníh), kapalné (vody), plynné (vodní pára). 4. Tvrdost vody souvisí s obsahem rozpuštěných sloučenin vápníku (Ca) a hořčíku (Mg) ve vodě. Ovlivňuje chuťové vlastnosti a je zdrojem tvorby vodního kamene. Tvrdost vody se uvádí jako suma Ca a Mg v jednotkách mmol.l-1. Měkká voda má < 1,26 mmol.l-1, tvrdá voda > 2,50 mmol.l-1. 5. Mořská voda obsahuje různé soli, hlavně chlorid sodný, sírany, uhličitany. B/ Zásah člověka do vodního prostředí 1. Čistící a dezinfekční prostředky, saponáty, ropné látky, motorová paliva, nátěrové hmoty, ředidla, léky, atd. 2. Bodové zdroje (výpustě odpadních vod z čistíren nebo úpraven vod), difúzní zdroje (úniky nebo záměrné vypouštění odpadních vod z domácností, malých výroben nebo zemědělských 65

usedlostí), plošné zdroje (např. smyvy z lesů a polí), atmosférická depozice (znečištění z ovzduší se dostává srážkami (deštěm) na zem a do vody). 3. Vyšší přítomnost dusičnanů a fosforečnanů v rybnících může způsobit přemnožení vodních fotosyntetizujících organismů. Množením vodních řas a sinic dochází ke zhoršení kvality vody, sinice navíc produkují jedovaté látky. 4. Kyselé deště jsou způsobeny zejména oxidy síry ze spalování fosilních paliv a oxidy dusíku z automobilů. V atmosféře reagují s vodou za tvorby kyselin, které padají ve formě deště na zem. Tím zvyšují kyselost ve vodách a v půdě. Kyselé deště ničí lesy, vodní živočichy, budovy a podobně.

11.2. Jakost vod Vzdělávací cíl: Rozvoj dovedností pomocí informačních technologií při řešení analytických úkolů jako podklad pro rozhodování veřejné správy státu. Cílová skupina: pro žáky 2. stupně základních škol. V rámci předmětů: občanská výchova, chemie, biologie, environmentální výchova. Rozsah: 1 hodina

Pokyny pro učitele

Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Možná práce ve skupinkách. Pomůcky: Počítač s přístupem k internetu, tužka. Pročtěte s dětmi Motivaci. Děti zkusí na základě dodaných naměřených hodnot a porovnáním s legislativou vyhodnotit vzorky dodané do laboratoře a rozhodnou, zda splňují limity pro pitnou vodu. Vyhlášku můžeme najít např. na www.zakonyprolidi.cz/cs/2004-252 U vzorku A nesplňují hygienický limit amonné ionty, mikrobiologické ukazatele jsou v pořádku. U vzorku B jsou v pořádku chemické ukazatele, ale limit překročily Escherichia coli. Pouze vzorek C splňuje hygienické limity pro pitnou vodu.

11.3. Biologické vlastnosti vod Vzdělávací cíl: Rozvoj znalostí o biologických vlastnostech vody, s jakými organismy se ve vodách můžeme setkat, jak mohou škodit, jakým způsobem je lze určovat, jak ovlivňují kvalitu vody. Můžeme se například koupat při zvýšenému výskytu některých organismů? Cílová skupina: pro žáky 2. stupně základních škol. V rámci předmětů: chemie, biologie, environmentální výchova. Rozsah: 1 až 2 hodiny Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Možná práce ve skupinkách. Pomůcky: Papír A4, tužka.

66

Pokyny pro učitele

Pročtěte s dětmi Motivaci. Děti popíší, jaké druhy organismů se mohou ve vodách vyskytovat. Jakým způsobem můžeme stanovit mikroorganismy ve vodách Jaké druhy mikroorganismů, které jsou hygienicky zdravotně významné, můžete nalézt ve vodách? Odpověď: Můžeme zde nalézt koliformní bakterie – Escherichia coli, enterokoky. Tyto bakterie indikují fekální znečištění z trávicího traktu teplokrevných živočichů včetně člověka. Mohou být zdrojem různých chorob pro člověka. Popište stanovení počtu kolonií pomocí agarové živné půdy. Odpověď: Připraví se živný roztok, ve kterém bakterie vyrostou. Aby se při velkém počtu bakterií nevytvořil zákal, přidají se do horkého živného roztoku stélky mořských řas Agar agar. Horký roztok se rozlije do Petriho misek, při chladnutí roztok ztuhne. Na povrch ztuhlého média se přenese malý objem vzorku vody a rozetře se zahnutou tyčinkou po celé ploše. Miska se zakryje víčkem a umístí na potřebnou dobu do termostatu udržujícího danou teplotu. Po době kultivace se na povrchu agarové půdy objeví viditelné body. Bakteriální buňky se na povrchu živné půdy začnou množit dělením a vytvoří kolem mateřské buňky kolonii viditelnou pouhým okem. Když spočítáme kolonie, zjistíme, kolik bylo původně bakteriálních buněk v daném objemu vody. Tento postup lze použít pro malý objem vzorku vody (0,5 ml). Při větším objemu vodu přefiltrujeme přes filtr, na kterém se buňky zachytí, a ten vložíme na agarovou živnou půdu. Jaké organismy patří mezi producenty, konzumenty I, konzumenty II a destruenty? K čemu nám tyto organismy mohou sloužit? Odpověď: Mezi producenty patří autotrofní organismy, které jsou schopny z jednoduchých anorganických látek vytvářet složité organické látky pomocí fotosyntézy. Patří zde např. planktonní řasy. Konzumenti I jsou býložravci, živí se producenty. Patří zde např. perloočky. Konzumenti II jsou masožravci, živí se konzumenty I. Zde patří např. akvarijní ryby. Destruenti rozkládají organickou hmotu až na základní složky, což je oxid uhličitý a voda. Mezi destruenty patří bakterie. Tyto organismy nám mohou sloužit v ekotoxikologických rozborech při posuzování jedovatosti vod pro vodní organismy.

67

12. METODICKÁ PŘÍRUČKA PRO STŘEDNÍ ŠKOLY 12.1. Laboratorní sklo a nádobí Vzdělávací cíl: Rozvoj znalostí o fungování chemických a biologických laboratoří. Cílová skupina: pro studenty 1. ročníku gymnázií, středních odborných škol V rámci předmětů: chemie, biologie, environmentální výchova. Rozsah: 1 hodina Poznámka: Samostatná práce.

Pokyny pro učitele

Pomůcky: tužka. Pročtěte se studenty Motivaci. Studenti přiřadí názvy k pomůckám používaných v laboratoři a odpoví na zadané otázky. Odpovědi: Nálevka, varná baňka, dělící nálevka, byreta K zahřívání kapalných látek slouží varná baňka K přesnému odměřování kapalin slouží byreta

12.2. pH látek v laboratoři a okolo nás Vzdělávací cíl: Rozvoj znalostí o základních fyzikálně-chemických vlastnostech látek. Jak důležitá je hodnota pH. Cílová skupina: pro studenty 1. až 3. ročníku gymnázií, středních odborných škol V rámci předmětů: chemie, biologie, environmentální výchova. Rozsah: 1 až 2 hodiny

Pokyny pro učitele

Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Samostatná práce i práce v týmech. Pomůcky: papír A4, tužka, laboratorní plášť. Pročtěte se studenty Motivaci a pokračujte úkolem. Studenti prakticky zjistí hodnotu pH připravených roztoků a pomocí stupnice pH určí, zda se jedná o látky kyselé, neutrální nebo zásadité. Odpověď: Destilovaná voda: 7 – zelená – neutrální Roztok kyseliny chlorovodíkové: 1 – červená – silně kyselé Roztok hydroxidu sodného: 10 – modrá – slabě zásadité

68

12.3. Miniaturizované systémy a laboratoř na čipu Vzdělávací cíl: Rozvoj znalostí o moderních metodách určování neznámých látek. Výhodou miniaturizovaných zařízení přenosnost zařízení, čili měření v terénu, rychlost měření, nižší náklady na analýzu, možnost využití v mnoha oborech. Cílová skupina: pro studenty 1. až 3. ročníku gymnázií, středních odborných škol V rámci předmětů: chemie, technologie. Rozsah: 1 až 2 hodiny

Pokyny pro učitele

Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Samostatná práce i práce v týmech. Pomůcky: papír A4, tužka. Pročtěte se studenty Vysvětlení. Studenti odpoví na zadané otázky. Co je to vlastně laboratoř na čipu, jaké může mít využití a v jakých oborech? Ve třech větách formulujte myšlenku celého textu (oč se jedná)? Odpověď: Jedná se o složité miniaturizované zařízení propojené mikrokanálky, které používá veškeré laboratorní operace na malém prostoru. Umožňuje i v malém množství vzorku a krátkém čase měřit neznámé látky, a to i přímo v terénu. Laboratoř na čipu lze využít například v armádě při detekci bojových látek, v medicíně při diagnostice různých onemocnění, v životním prostředí při kontrole kvality vod a ovzduší. Charakterizujte laboratoř na čipu Odpověď: Je to zařízení, které na jednom čipu velikosti několika mm2 až cm2, zahrnuje několik laboratorních funkcí, jako je úprava vzorků, reakce s různými činidly, extrakce, separace látek ve směsi, detekce látek. Které metody instrumentální analytické chemie sehrávají v laboratoři na čipu největší roli? Odpověď: Jedná se zejména o elektroforetické metody a kapalinovou chromatografii. Uveďte základní výhody laboratoře na čipu. Odpověď: Malé množství vzorku k analýze, nízká spotřeba reakčních činidel, nižší náklady, kratší doba měření, malé rozměry – možnost využít přímo v terénu.

69

12.4. Analýza potravin Vzdělávací cíl: Základní parametry v analýze potravin. Proč a jak je stanovujeme. Cílová skupina: pro studenty 1. až 3. ročníku gymnázií, středních odborných škol V rámci předmětů: chemie Rozsah: 1 hodina

Pokyny pro učitele

Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Samostatná práce i práce v týmech. Pomůcky: kalkulačka, papír A4, tužka. Studenti si vyzkouší spočítat základní parametry v analýze potravin – obsah vody a obsah sušiny v rybě. Hmotnost misky, písku a tyčinky: m0 = 33,652 g Hmotnost vzorku ryby: 6,894 g Hmotnost misky se vzorkem, pískem a tyčinkou před sušením: m1 = 33,652 g + 6,894 g = 40,546 g Hmotnost misky se vzorkem, pískem a tyčinkou po sušení: m2 = 35,072 g Obsah vody se vypočítá podle vzorce: 𝑤=

m1 –m2 m1−m0

∙ 100 % =

40,546 g –35,072 g 40,546 g−33,652 g

5,474 g

∙ 100 % = 6,894 g ∙ 100 % = 79,4 %

Obsah sušiny ve vzorku je: w = 100 % – 79,4 % = 20,6 %

12.5. Izotachoforetické stanovení aniontů Vzdělávací cíl: Rozvoj znalostí o možnostech analýzy látek v laboratoři, co všechno taková analýza obnáší, jak (ne)snadno se dostat od vzorku k výsledkům?. Cílová skupina: pro studenty 1. až 3. ročníku gymnázií, středních odborných škol V rámci předmětů: chemie Rozsah: 1 hodina

Pokyny pro učitele

Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Samostatná práce i práce v týmech. Pomůcky: Počítač s MS Office, kalkulačka papír A4, tužka. Pročtěte se studenty Motivaci a pokračujte řešením úkolu. Studenti na základě dat z měření zkusí vytvořit kalibrační závislost a vyhodnotit vzorky povrchových vod dodaných do laboratoře.

70

Zadání: Dusičnany NO3 -1

Koncentrace (mg.l )

-

Sírany SO4

Délka zóny (s)

-1

Koncentrace (mg.l )

2-

Délka zóny (s)

Kalibrační bod 1

3

1,08

10

4,40

Kalibrační bod 2

5

1,80

20

8,68

Kalibrační bod 3

10

3,44

40

17,44

Kalibrační bod4

20

6,60

60

24,80

Kalibrační bor 5

40

13,20

80

32,92

Odra-Třebovice

3,92

16,92

Ostravice-Slezská Ostrava

1,64

25,96

POZOR: vzorek Ostravice-Slezská Ostrava byl před měřením 2x zředěný. Řešení: Z dat v zadání vytvoříme v excelu závislost koncentrace na délce zóny pro kalibrační body 1-5 (zvlášť pro dusičnany a sírany). V levém sloupci jsou koncentrace jednotlivých kalibračních bodů, v pravém sloupci jim odpovídající délky zón. Po označení oblasti s daty vložíme bodový graf. Klikneme pravým tlačítkem myši na jakýkoliv bod zobrazené závislosti a vybereme „Přidat spojnici trendu“. Zaškrtneme „Zobrazit rovnici regrese“, případně i „Zobrazit hodnotu spolehlivosti R“. Získáme rovnice přímky pro jednotlivé anionty (závislost koncentrace na délce zóny je lineární). Rovnice přímky pro dusičnany (NO3-): y = 0,3262x + 0,1357 Rovnice přímky pro sírany (SO42-): y = 0,4057x + 0,6083 Za „y“ dosadíme naměřenou délku zóny a vypočteme koncentraci dusičnanů a síranů ve vzorcích. Odra-Třebovice: Dusičnany: 3,92 = 0,3262x + 0,1357 x = 11,6 mg.l-1 Sírany: 16,92 = 0,4057x + 0,6083 x = 40,2 mg.l-1 Ostravice-Slezská Ostrava: Dusičnany: 1,64 = 0,3262x + 0,1357 x = 4,6 mg.l-1, vzorek byl 2x zředěný, proto výsledná koncentrace dusičnanů ve vzorku je 2x vyšší, čili 9,2 mg.l-1. Sírany: 25,96 = 0,4057x + 0,6083 71

x = 62,5 mg.l-1, vzorek byl 2x zředěný, proto výsledná koncentrace síranů ve vzorku je 2x vyšší, čili 125,0 mg.l-1.

12.6. Stanovení počtu řas Vzdělávací cíl: Rozvoj znalostí o možnostech analýzy látek v laboratoři, co všechno taková analýza obnáší. Cílová skupina: pro studenty 1. až 3. ročníku gymnázií, středních odborných škol V rámci předmětů: biologie Rozsah: 1 hodina

Pokyny pro učitele

Poznámka: Nutnost aktivní účasti učitele. Samostatná práce i práce v týmech. Pomůcky: kalkulačka papír A4, tužka. Pročtěte se studenty Motivaci a pokračujte řešením úkolu. Studenti si vyzkouší stanovit počet řasových buněk v neznámém vzorku vody. Odpověď: Objem komůrky: 0,10 mm x 100 mm2 = 10 mm3 = 0,01 ml Když ve 4 řádcích je nalezeno 478 buněk, ve 40 řádcích, tj. v 0,01 ml, jich bude 4780. V 1 ml je 478 000 řasových buněk. 72

1. Učební texty pro popularizátory vědy

Recommend Documents