2012.11.21.
A kémiai analitika szerepe a környezetvédelemben Ökológia alapjai Bevezetés az ökológiába
Egészségügyi határértékek • elemek, ionok megadott koncentrációját jelentik, • melyek meghatározását kémiai analitikai módszerekkel végzik
Környezetanalitikai módszerek az ökológiában Simon Edina 2012. Október 8.
A modern műszerek a szennyező anyagok kis koncentrációját érzékelik → a szennyezési folyamatok már csírájukban felismerhetők.
Fémek szennyező forrásai
Néhány jelentősebb fém szennyezés Rajna folyó szennyezése Glogów (réz, cink, mangán és ólom
szennyezés) Sudbury környéke (nikkel és rézionok
táplálékláncba kerülése → halpusztulás) Túr folyó ( cink, réz, ólom szennyezés) Tisza folyó (cianid-és fém szennyezés)
Cink → galván, papír, színezék, festékipar Higany →festék, papír, gyógyszeripar Kadmium → fémkohászat, galvánipar Nikkel → galván, kerámia, színezékipar Ólom → papír, festék, textil, nyomdaipar Réz → villamos, galván, textil, bőripar
1
2012.11.21.
Az analitikai vizsgálatok lépései
A vizsgálandó minta
Mintavétel
Talajminta Minta előkészítés
Felszíni vízminta
Felszíni víz üledék mintája Műszeres mérés
A vizek felszíni szennyezőforrásai
Állati és/vagy növényi minta
Felszíni víz mintavétel Pontminta: a vett folyadékminta a vizsgálandó
víznek azon kis térfogatelemét reprezentálja, ahonnan a mintavétel történt. Átlagminta: a reprezentatív mintavételt a
vizsgálandó víz lehető legnagyobb térfogatára terjesztjük ki.
2
2012.11.21.
Üledék mintavétel
Állati minták gyűjtése
hosszabbtávú szennyezések megtörténtéről
nyújtanak kiemelkedően fontos információkat speciális mintavevő berendezéseket fejlesztettek ki , mintavételi lényege, hogy 1-6 m hosszú magminta vehető – sokszor 15-20 m mély – tavakból.
Állati minták gyűjtésének eszközei képekben
Szárazföldi gerinctelenek talajcsapdázás hálózás kézi gyűjtés Vízi szervezetek hálózás speciális módszerek
Minta előkészítés típusai Nagynyomású oldási, feltárási módszer Atmoszférikus nyomáson történő száraz
roncsolás Speciális termikus bontási, hamvasztási
módszerek Atmoszférikus nyomáson történő nedves
roncsolás
3
2012.11.21.
Nagynyomású oldási, feltárási módszer Szervetlen alapanyagú minták feltárásához
alkalmazzák Előnyei: könnyen illó elemek vesztesége elkerülhető nagy nyomás mellett gyorsan, rövid idő alatt végrehajtható Teflon edények alkalmazása Talaj, csiga ill. kagyló minták feldolgozása alkalmas
Speciális termikus bontási, hamvasztási módszerek
Atmoszférikus nyomáson történő száraz roncsolás Minta ismert mennyiségének izzó kemencébe
helyezése a kemencét hő lépcsők
alkalmazásával melegítik Hátránya: illékony elemek (As, Hg, Cd, Pb) meghatározására nem használható
Atmoszférikus nyomáson történő nedves roncsolás a szárított mintát főzőpohárba helyezzük, melyhez
gázatmoszférában történik
a termikus kezelés gázként oxigént használnak → szén-dioxiddá oxidálja a szerves anyagot a szervetlen anyag hamu formájában marad vissza
65%-os salétromsavat teszünk Előnye: - kis hőmérsékleten megy végbe - nem lép fel jelentős nyomelem
veszteség Hátrány: - a nehezen roncsolódó szerves anyagok (zsírok) feltárására nem alkalmas pl. rovarminták, gerinces vázrendszerének roncsolása
4
2012.11.21.
Szilárd mintás műszeres analitikai módszerek A szilárd minták közvetlen elemzésére alkalmasak Speciális analitikai feladat megoldására (felületelemzésre) használhatók ESCA EDAX PIXE
PIXE Particle-induced X-ray emission/Protonindukált röntgenemissziós analízis Jellemzői: szilárd anyagok közvetlen vizsgálatára alkalmazható eljárás, előnye: biológiai minták feltárása során probléma merülhet fel az oldatóságukkal kapcsolatban, ezzel e módszernél nem kell számolni, alkalmazása: pl.: csontkémiai vizsgálatok
ESCA Electron Spectroscopy for Chemical Analysis/ elektronspektroszkópia kémiai analízisre, szűkebb értelemben a módszer a röntgen-fotoelektron spektroszkópiát jelenti, lényege, hogy a mintából ismert energiájú röntgensugárzással kiváltott fotoelektron csúcsok energiáinak és intenzitásainak mérésével azonosítjuk a mintában elforduló elemeket, alkalmazása: pl. a felületi tisztaság ellenőrzése, felületi szennyezők meghatározása, vékonyrétegek növekedése, felületi réteg összetételének és vastagságának meghatározása, a felületi összetétel módosulásának monitorozása ötvözetekben.
Oldatok összetételét meghatározó módszerek Atomspektroszkópiai módszerek - ICP-OES - AAS - FES - AFS
-
Molekula spektroszkópiai módszerek Fotometria Spektrofotometria Spektrofluorimetria
5
2012.11.21.
Atomspektroszkópiai módszerek I. Az elemek csoportosítása biológiai szerepük alapján:
Esszenciális főalkotók
C, N, O, P, S, Cl, Na, K, Ca, Mg
Esszenciális nyomelemek
F, I, Se, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Si, Sn, As
Toxikus elemek
Li, Be, Ba, F, Cl, Br, As, Sb, Bi, Pb, Sn, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg
Atomspektroszkópiai módszerek III. Mintacsoportok és minták II. Mintacsoport
Vizsgált elemek, ionok, vegyületek
Minta
Biológiai minták As, Cd, Cu, Hg, K, Pb, Zn növényi és állati Ca, Co, Cr, Fe, K, Mn, Mg, Na, Ni, Se, szövetek, biomonitor szervezetek Sn Hulladékok
Ag, As, Cd, Cr, Cr(VI), Cu, Fe, Hg, Mn, Na, Ni, Pb, Ni,Cl-, F-, NO3-, PO43,NH4+, SO42-
települési, ipari hulladék
Atomspektroszkópiai módszerek II. Mintacsoportok és minták I. Mintacsoport
Vizsgált elemek, ionok, vegyületek
Minta
vizek
Ag, Al, As, B, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, K, Mn, Mg, Mo, Na, Ni,Cl-, F-, NO3-, NO2-, PO43-
felszíni, felszín alatti víz, rétegvíz, figyelőkutakból vizek, ivóvíz
szennyvizek
Ag, As, Cd, Cr, Cr(VI), Cu, Fe, Hg, Mn, Na, Ni, Pb, Ni,Cl-, F-, NO3-, PO43-,NH4+, SO42-
ipari szennyvíz, települési szennyvíz
talajok
As, Ba, Cd, Co, Cr, Cr(VI), Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sn, Zn,Cl-, F-, NO3-, NO2-, PO43- NH4+, SO42-
mezőgazdasági talajvizsgálat, foszfor műtrágyák, körny.véd
iszapszerű minták
As, Ba, Cd, Co, Cr, Cr(VI), Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sn, Zn,Cl-, F-, NO3-, NO2-, PO43- NH4+, SO42-
felszíni vizek üledék mintái, szennyvíziszap
porok
As, Ba, Cd, Co, Cr, Cr(VI), Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sn, Zn
szállópor ülepedő por
AAS Atomabszorpciós spektrometria (AAS) az Korlátozott lehetőségek több elem együttes analízisére Szűk lineáris tartomány → ez a környezeti analitikában hátrányos Oldat minták használata előnyben → homogenizálhatóság, automatizálhatóság Nagyon kis lehetőség speciációra
6
2012.11.21.
FES Flame Emission Spectroscopy, lángfotometria Jellemzői: a legegyszerűbb felépítésű, alkálifémek (Li, Na, K) és alkáliföldfémek (Mg, Ca, Sr, Ba) mérésére kialakított atom emissziós spektrométer, elemek a természetben és az élő szervezetekben viszonylag magas, több tíz vagy több száz ppm koncentrációban fordulnak elő, ezért alkalmazása igen elterjedt közepes pontosság-igényű, rutin mérések céljaira, a műszer igen egyszerű felépítésű, olcsó
Atomspektroszkópiai módszerek jellemzője oldatos módszerek,
elemek széles köre elemezhető (nemesgázok, halogén elemek, hidrogén, oxigén és nitrogén általában nem mérhető) megfelelő készülés alkalmazásával egyidejűleg sok elem meghatározására van lehetőség (szimultán multielemes módszerek) az
Környezetvédelmi analitikában fém meghatározáshoz alkalmazott módszerek Atomspektroszkópiai módszerek: ICP-OES (induktív csatolású plazma optikai emissziós spketrometriás módszer),
L-AAS (láng-atomabszorpciós módszer)
Hg-AAS (higany-atomabszorpciós módszer) HIDR-AAS (hibrid-atomabszorpciós módszer) L-OES (emissziós lángfotometriás módszer)
Tömegspektrometriás módszerek: ICP-MS (induktív csatolású tömegspketrometriás módszer)
ICP-OES I. Jellemzői: Nagyenergiájú gerjesztőforrás (szinte minden elem gerjeszthető) Nincs önabszorpció Szimultán többelemes módszer Tág lineáris tartomány Alacsony kimutatási határok Drága Környezetvédelmi fémanalitika egyik leghatékonyabb módszere, mely nagyszámú elem egyidejű meghatározását teszi lehetővé az elemek mennyiségi meghatározását teszi lehetővé
7
2012.11.21.
ICP-OES II. ICP-OES módszerrel meghatározható elemek (vastag szedéssel)
Atomabszorpciós módszerek I. a laboratóriumok univerzális módszere, nagyon gyakran alkalmazott nyomanalitikai
módszer, 3 egymást kiegészítő változata terjedt el:
láng-AAS, grafitkemence-AAS és higanyhibrid-AAS módszer,
Atomabszorpciós módszerek II. AAS módszerrel meghatározható elemek (vastag szedéssel)
Felszíni és felszín alatti víz fémkomponenseinek meghatározása I. Felszíni víz felszíni vizek vizsgálhatók egyszeri és sorozatban vett mintákból, a sorozatos mintavétel történhet az idő függvényében vagy irányulhat a hossz és keresztszelvény szerinti eltérések felderítésére, ha a mélység szerinti eloszlást nem vizsgáljuk, a felszín alatt 30 cm-re vesszük a mintát. Felszín alatti víz ún. megütött talajvíz-mintát vagy szivattyúzást követően a környezettel egyensúlyba jutott ún. nyugalmi talavíz-mintákat vehetünk, mintavétel merítéssel történik, egy megfelelő méretű polietilén palackot engedünk le, majd feltöltődés után felhúzzuk.
8
2012.11.21.
Talajmintavétel módszerei
Talajfúrók és talajminta-vevők
környezetvédelmi talajvizsgálatokhoz zavart mintákat
vagy zavartalan mintákat használnak, zavart minta: egy adott rétegszelvényre kevert mintát
jelent, zavartalan minta: a mintavétel során megőrizzük a a
talaj eredeti rétegződését, ill. szerkezetét, kisebb mélységig (6-10 m) lazább talajból kézi
talajfúróval vehető minta, nagyobb mélységekből és kötöttebb talajokból gépi
hatású fúrókkal történik a mintavétel
Az ökológia és a környezeti analitika kapcsolata I. bioindikátor
szervezetek alkalmasak a környezetszennyezés következményeit feltáró tanulmányokban, biológiai értelemben indikáció alatt a következő értendő: "a populációk jelenlétükkel, illetve fenotípusos tulajdonságaikkal jelzik a környezeti tényezőket, illetőleg azok változásait. Minden alaktani, táplálkozásbeli, viselkedéstani, társulástani jelenség mögött egy vagy több ökológiai jelenség áll.
Az ökológia és a környezeti analitika kapcsolata II. Tágabb
értelemben a biológiai indikátorok jelenlétükkel, hiányukkal vagy genetikai tulajdonságaik megváltozásával jelzik a releváns környezeti tényezőket. Szűkebb értelemben a környezeti tényezők szűk intervallumához alkalmazkodó szervezeteket nevezzük biológiai indikátoroknak, melyek előfordulásukkal, hiányukkal vagy változásaikkal jelzik a környezet tulajdonságait, reagálnak a végbemenő változásokra, terhelésekre, szennyezésekre.
9
2012.11.21.
Az ökológia és a környezeti analitika kapcsolata III.
Az ökológia és a környezeti analitika kapcsolata IV.
Növényi minták: szöveteik felveszik a talajvízből a toxikus fémeket, illetve a toxikus fémeket tartalmazó ülepedőpor megtapad a növények felületén, növények fémszennyezése több célú: 1) emberi fogyasztásra vagy takarmányozásra kerülő növényi termékeket minősítik a toxikus fémtartalom alapján, 2) a növényeket biomonitor szervezetként használják a környezetállapot, környezetszennyezés vizsgálatára
Állati minták: az állati szervezetek a táplálékláncon keresztül felveszik, sok esetben bizonyos szerveikben (vese, máj) koncentrálják a toxikus fémeket, fémszennyezéseik vizsgálata több célú: 1) irányulhat az emberi fogyasztásra szolgáló állati eredetű termékek minősítésére, 2) szolgálhatnak mint biomonitor szervezetek a környezet állapot, környezetszennyezés vizsgálatára.
Biomonitorozás példái kecskebéka (Rana esculenta) → Zn akkumuláció
vizsgálata különböző szervekben (máj, bőr, lábfejcsont, combcsont, combizom), kecskebéka (Rana esculenta) → elemösszetétel (P, Ca, Mg, Mn, Na, S és Zn) vizsgálata különböző csontokban, illetve a debreceni Békás tó vizének elemzése (Ca, K, Mg, Na, Fe, Mn, Zn, Ba és Sr). verőköltő bodobács → csapdázó és tartósító szerek hatása az elemösszetételre (Ca, Cu, K, Mg, Mn, Na, Sr és Zn), illetve etilén-glikol és ethanol elemanalitikai vizsgálata.
Urbanizáció hatásának vizsgálata A városiasodott területek aránya évről évre
nő. Az urbanizáció az abiotikus környezetre is
nagy hatással van: Megváltoznak a hőmérsékleti viszonyok Felgyorsul a nehézfémek felhalmozódása Növekszik a légszennyezés A talajok szén és nitrogéntartalma jelentősen megváltozik
10
2012.11.21.
GLOBNET projekt Elemanalitikai vizsgálatok: • Urbanizáció hatásának vizsgálata falevél és falevélen kiülepedett por elemösszetételére. • Futóbogarak és ászkarákok elemanalitikai vizsgálata
Légszennyezés becslés falevelek által A falevél 2 legfontosabb része a szennyezőanyagok megkötésében: 1. Levélfelszín
Debreceni GLOBNET projekt
Bécsi GLOBNET projekt Vizsgált területek: Acer campestre
• urban/városi
2. Gázcsere nyílás
• subruban/városszéli • rural/városon kívüli
Vizsgált területek: • urban/városi • subruban/városszéli • rural/városon kívüli
Acer negundo
Acer pseudoplatanus
Populus alba
Celtis occidentalis
Padus serotina
Quercus robur
11
2012.11.21.
Fluktuáló aszimmetria
Merisztikus jelleg
A különböző környezeti faktorok fejlődési zavarokat
okozhatnak az egyedek egyedfejlődése során. A fejlődési zavar hatással lehet a jobb és baloldali
bilaterális jellegekre fluktuáló aszimmetriát okozva. A tapasztalt morfológiai változások alkalmasak
lehetnek a környezeti terhelés vizsgálatára az urbanizációs gradiens mentén. Metrikus és egy merisztikus jelleget vizsgálhatunk.
Bal szárnyfedő belső oldala
Jobb szárnyfedő belső oldala
Carabus violaceus
Metrikus jellegek 1.
Metrikus jellegek 2.
csápok, palpus maxillaris, palpus labialis, femur, tarsus, tibia, fedőszárnyak, röpképes fajok esetében a hártyás szárny erezete
Pterostichus oblongopunctatus
12
2012.11.21.
Metrikus jellegek 3.
Felhasznált irodalom Láng István (főszerk.): Akadémiai Lexikon Környezetvédelem (a-k). Akadémiai Kiadó 2007. Kőmives József (szerk): Környezeti analitika. Műegyetemi Kiadó 1997. Papp Lajos: Mintavételi és mintaelőkészítési módszerek szervetlen komponensek műszeres kémiai analíziséhez. KLTE Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék 1993. w3.atomki.hu/PhD/these/Ber%E9nyi%20Zolt%E1n/.../2 _1_2.pdf phd.okm.gov.hu/disszertaciok/ertekezesek/2006/de_33 80.pdf
Tenebrio molitor
Ellenőrző kérdések 1. ICP-OES módszer jellemzői 2. Az ökológia és a környezeti analitika
kapcsolata: növényi és állati mintákra vonatkozóan 3. Urbanizáció hatásai 4. Bécsi és debreceni GLOBNET projekt levélmintákkal 5. Fluktuáló aszimmetria, metrikus és merisztikus jellegek példái
Köszönöm a figyelmet!
13
