Celem badań było opracowanie uniwersalnej metody służącej do kompleksowego i równoczesnego oznaczania wybranych mikrozanieczyszczeń organicznych zawartych w wodzie przygotowywanej do spożycia takich jak: wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), polichlorowane bifenyle (PCB). Priorytetem jest skrócenie czasu potrzebnego na wykonanie oznaczenia stężeń oraz zmniejszenie ilości zużywanych odczynników i innych materiałów oraz zminimalizowanie kosztów przygotowania próbki do analizy. Roztwory wzorcowe 16 WWA i 9 PCB dodano do wody destylowanej w określonej ilości. Ekstrakcja odbywała się metodą do fazy stałej z wykorzystaniem kolumienek ekstrakcyjnych Octadecyl C18 firmy Bakerbond.
Do kondycjonowania kolumienek używano izopropanolu oraz metanolu. WWA i PCB wymywano z sorbentu kolumienek przy użyciu dichlorometanu. Ekstrakty zatężono do objętości 2 cm3. Próbki analizowano metodą chromatografii gazowej (GC-MS) [1, 2, 3]. W celu oceny efektywności ekstrakcji, obliczono procentowy odzysk dla każdego związku z grupy WWA i PCB. Uzyskano odzysk na poziomie od 7,5 do 125 % w przypadku WWA i od 13,8 do 65,5 % w przypadku PCB.
Wprowadzenie
Mikrozanieczyszczenia organiczne stanowią aktualny problem w państwach Unii Europejskiej, gdyż mogą występować w wodzie na każdym etapie przygotowywania do spożycia. Wiele z nich charakteryzuje wysoka toksyczność względem żywych organizmów przy jednoczesnej oporności na biodegradację. Zalicza się do nich między innymi policykliczne węglowodory takie jak WWA czy pochodne bifenylu takie jak PCB [4, 5].
WWA to związki chemiczne należące do tzw. trwałych zanieczyszczeń organicznych. Najczęściej oznaczana jest grupa 16 WWA, które znajdują się na liście opublikowanej przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA) ze wskazaniem konieczności ich monitorowania w środowisku przez wzgląd na ich wysoką toksyczność [6-10]. PCB to trwałe związki organiczne zbudowane z pierścieni fenylowych, w których atomy chloru podstawione są w miejsce atomów wodoru. Wiele z nich charakteryzuje się wysoką zdolnością bioakumulacji, toksycznością i potencjalnie kancerogennością, żaden jednak nie występuje jako naturalny związek w środowisku.
Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) zaleca oznaczanie tzw. kongenerów wskaźnikowych, czyli PCB o numerach: 28, 52, 101, 118, 138, 153 i 180 [4, 5, 11, 12]. Aby ocenić zawartość tych związków w wodach powierzchniowych, które następnie przygotowywane są do spożycia przez ludzi i zapewnić odpowiednią jakość wody pitnej, konieczne jest opracowywanie efektywnych metod analitycznych oznaczania zawartości mikrozanieczyszczeń organicznych w wodzie.
Jedną z najczęściej stosowanych metod analizy stężeń tych związków jest chromatografia poprzedzona ekstrakcją do fazy stałej. Jednak aby zmniejszyć czas potrzebny do ich oznaczenia oraz koszty przygotowania próbek niezbędne wydaje się opracowanie metody jednoczesnego oznaczania mikrozanieczyszczeń organicznych takich jak WWA i PCB w wodzie przygotowywanej do spożycia [3]. Celem pracy była próba uproszczenia przygotowywania próbek i umożliwienia jednoczesnego ekstrahowania i oznaczania związków z grupy WWA i PCB, wraz ze skróceniem czasu oznaczenia oraz zmniejszeniem ilości zużywanych materiałów i reagentów.
Materiał badawczy i metodyka badań
Do badań wykorzystano wodę destylowaną zaszczepioną ustalonymi stężeniami wybranych mikrozanieczyszczeń organicznych tj. 0,04 ng/dm3 WWA i 4 ng/dm3 PCB oraz 40 ng/dm3 WWA i 80 ng/dm3 PCB . W tym celu wykorzystano roztwory wzorcowe 16 WWA oraz 9 PCB. Do oznaczenia stężeń WWA i PCB zastosowano metodę ekstrakcji do fazy stałej (SPE – Solid Phase Extraction) z wykorzystaniem aparatu SPE oraz kolumienek ekstrakcyjnych 500 mg Octadecyl C18 6 ml firmy Bakerbond. W tym celu pobrano po 500 cm3 wody destylowanej i za pomocą mikrostrzykawki zaszczepiono ją określonymi stężeniami WWA i PCB.
Tak przygotowane próbki zmieszano z 60 cm3 izopropanolu i powoli przepuszczono przez kondycjonowane wcześniej dwoma porcjami metanolu oraz dwoma porcjami mieszaniny wody destylowanej z izopropanolem (po 6 cm3) kolumienki, nie dopuszczając do ich wysuszenia.
Po przepuszczeniu próbek, wypełnienie kolumienki przemywano dwoma porcjami mieszaniny wody destylowanej z izopropanolem (po 1,5 cm3), następnie kolumienki suszono w próżni przez 30 minut. Elucji zaadsorbowanych na wypełnieniu kolumienek ekstrakcyjnych WWA i PCB dokonano z zastosowaniem dichlorometanu (2 x 2 cm3). Zatężony do objętości 2 cm3 ekstrakt poddano analizie chromatograficznej za pomocą chromatografu gazowego sprzężonego ze spektrofotometrem mas (GC-MS) [1, 2, 3].
Zastosowano dozownik bezpośrednio na kolumnę (on-column). Objętość nastrzyku wynosiła 2 µl. Rozdzielanie prowadzono na kolumnie DB-5 o długości 30 m, średnicy 0,32 mm i grubości filmu 1 µm. Na etapie detekcji i identyfikacji wykorzystano spektrometr MS 800, zawierający źródło jonów typu EI o energii jonizacji 70eV. Zastosowano selektywne monitorowanie jonów (SIM) m/z [4, 5].
Wyniki badań
W celu oceny efektywności metody ekstrakcji obliczono procentowy odzysk początkowego stężenia dla każdego związku z grupy WWA i PCB.
Uzyskane odzyski związków z grupy WWA w analizowanych próbkach umieszczono w tabeli 1. Na potrzeby omówienia uzyskanych rezultatów WWA podzielono na następujące grupy:
WWA normowane przez Dyrektywę Rady 98/83/WE z dnia 3 listopada 1998 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi oraz Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 7 grudnia 2017 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, tj.: benzo(a)piren oraz suma benzo(b)fluorantenu, benzo(k)fluorantenu, benzo(g,h,i)perylenu i indeno(1,2,3,-cd)pirenu [13, 14],
- 2-pierścieniowe WWA, tj.: naftalen,
- 3-pierścieniowe WWA, tj.: acenaftylen, acenaften, fluoren, fenantren i antracen,
- 4-pierścieniowe WWA, tj.: fluoranten, piren, benzo(a)antracen i chryzen,
- 6-pierścieniowe WWA, tj.: dibenzo(a,h)antracen.

W analizowanej próbce o stężeniu WWA wynoszącym 0,04 ng/dm3 uzyskano odzysk benzo(a)pirenu na poziomie 25 %. W przypadku pozostałych związków z grupy WWA, które są normowane w Dyrektywie Rady oraz Rozporządzeniu Ministra Zdrowia uzyskano 25 % odzysku dla benzo(b)fluorantenu i benzo(k)fluorantenu, nie oznaczono natomiast benzo(g,h,i)perylenu oraz indeno(1,2,3,-cd)pirenu.
Biorąc pod uwagę odzyski wyżej wymienionych związków w próbce o stężeniu 40 ng/dm3, uzyskano lepsze rezultaty dla wszystkich WWA z tej grupy. Odzysk benzo(a)pirenu wynosił 45 %, w przypadku benzo(b)fluorantenu i benzo(k)fluorantenu było to 42,5 %, dla benzo(g,h,i)perylenu uzyskano 15 % oraz 25 % dla indeno(1,2,3,-cd)pirenu. W przypadku 2-pierścieniowego naftalenu uzyskano 100 % odzysku przy niższym stężeniu założonym i 52,5 % przy wyższym stężeniu.
W grupie 3-pierścieniowych WWA odzyski uzyskane przy stężeniu 0,04 ng/dm3 wynosiły odpowiednio 25 % dla acenaftylenu, acenaftenu i fluorenu, 125 % dla fenantrenu oraz 50 % dla antracenu. Przy wyższym stężeniu odzyski wynosiły odpowiednio 20 % dla acenaftylenu, 47,5 % dla acenaftenu, 55 % fluorenu, 90 % dla fenantrenu oraz 120 % dla antracenu. Odzyski w grupie 4-pierścieniowych WWA przy założonym stężeniu 0,04 ng/dm3 wynosiły: 25 % dla fluorantenu, 10 % dla pirenu, 50 % dla benzo(a)antracenu i 7,5 % dla chryzenu. Przy stężeniu 40 ng/dm3 odzyski dla wyżej wymienionych związków wynosiły: 72,5 % dla fluorantenu, 52,5 % dla pirenu, 37,5 % dla benzo(a)antracenu i chryzenu. Odzysk przedstawiciela grupy 6-pierścieniowych WWA tj. dibenzo(a,h)antracenu kształtował się na poziomie 10 % przy wyższym założonym stężeniu.
Nie wykryto obecności tego związku przy stężeniu niższym. Dla większości związków z grupy WWA uzyskano lepsze rezultaty przy wyższym założonym stężeniu. Wraz ze wzrostem stężenia odzyski spadły jedynie w przypadku naftalenu, acenaftylenu i benzo(a)antracenu.
W przypadku fenantrenu również odnotowano spadek procentowego odzysku wraz ze zwiększeniem stężenia, jednak uzyskany przy stężeniu niższym odzysk na poziomie 125 % może być spowodowany błędem analitycznym, podobnie jak pozostałe uzyskane odzyski powyżej 100 %. Przy stężeniu 0,04 ng/dm3 nie odnotowano obecności w próbce związków takich jak indeno(1,2,3,-cd)piren, dibenzo(a,h)antracen, benzo(g,h,i)perylen, jednak uzyskano ich niewielkie odzyski przy zwiększeniu stężenia.
Uzyskane odzyski związków z grupy PCB w analizowanych próbkach umieszczono w tabeli 2.

W analizowanej próbce o stężeniu PCB na poziomie 4 ng/dm3 uzyskano odzysk dla PCB 28 w wysokości 54 %, przy stężeniu 80 ng/dm3 było to 31,3 %. W przypadku PCB 52 uzyskano odzysk na poziomie 51,5 % przy niższym stężeniu i 28,8 % przy wyższym stężeniu. Odzysk PCB 101 wynosił 51,3 % dla stężenia 4 ng/dm3 oraz 28,8 % dla stężenia 80 ng/dm3. Odzyski uzyskane w przypadku PCB 105 to odpowiednio 52,5 % i 18,8 %.
Dla PCB 118, 138, 153 i 156 odzysk przy stężeniu 4 ng/dm3 wynosił odpowiednio 57,8 %, 65,5 %, 68,3 % oraz 92%. W przypadku stężenia 80 ng/dm3 dla wyżej wymienionych związków uzyskano odzyski na poziomie 17,5 % dla PCB 118 oraz 13,8 % dla trzech pozostałych związków. PCB 180 jest jedynym związkiem z grupy PCB, którego obecności nie wykryto przy założonym stężeniu 4 ng/dm3, natomiast przy stężeniu 80 ng/dm3 uzyskano odzysk na poziomie 10 %.
W przypadku wszystkich analizowanych w próbce związków z grupy PCB uzyskano wyższe odzyski przy stężeniu 4 ng/dm3. Wszystkie te wartości znacznie spadły przy zwiększeniu stężenia do 80 ng/dm3.
Podsumowanie
Przeprowadzone badania miały na celu uproszczenie procedury przygotowywania próbek i umożliwienie równoczesnego oznaczania stężeń wybranych mikrozanieczyszczeń organicznych tj. WWA oraz PCB w wodzie.
Przy zastosowanej metodzie ekstrakcji odzysk związków z grupy WWA wzrósł wraz ze zwiększeniem założonego stężenia tych związków w próbce wody. Odzyski uzyskane przy niższym stężeniu nie są zadowalające, jednak uległy znacznej poprawie przy zwiększeniu stężenia.
W przypadku PCB odzyski uzyskane przy niższym stężeniu są na zadowalającym poziomie powyżej 50 % [3], jednak znacznie maleją przy większym stężeniu.
Metodyka jest prosta, pochłania mniej czasu i materiałów, niż osobne ekstrahowanie i analizowanie badanych mikrozanieczyszczeń, wymaga jednak dalszych badań w celu poprawy uzyskiwanych odzysków przy różnych stężeniach tych związków.
Literatura
[1] Hamdi H., Manusadzianas L., Aoyama I., Jedidi N., Effects of anthracene, pyrene and benzo[a]pyrene spiking and sewage sludge compost amendment on soil ecotoxicity during a bioremediation process, Chemosphere 2006, 65, 1153–1162.
[2] Rosińska A., Dąbrowska L., Enhancement of coagulation process with powdered activated carbon in PCB and heavy metal ions removal from drinking water, Desalin. Water Treat. 2016, 57, 26336-26344.
[3] Zhang S., Zhang Q., Darisaw S., Ehie O., Wang G., Simultaneous quantification of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs), and pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in Mississippi river water, in New Orleans, Louisiana, USA, Chemosphere 2007, 66, 6, 1057-1069.
[4] Rosińska A., Influence of selected coagulants of indicator and dioxin-like PCB removal from drinking water, Ecological Chemistry and Engineering 2017, 24, 1, 41-51.
[5] Pohl A., Czupioł J., Michalski R., Wpływ metod ekstrahowania polichlorowanych bifenyli z próbek środowiskowych na miarodajność uzyskiwanych wyników analitycznych, Chemistry, Environment, Biotechnology 2016, 19, 73-77.
[6] Nawrocki J., Uzdatnianie wody, Procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne, Część 1, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
[7] Skupińska K., Misiewicz I., Kasprzycka-Guttman T., Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: Physicochemical properties, environmental appearance and impact
on living organisms, Acta Poloniae Pharmaceutica – Drug Research 2004, 61, 3, 233-240.
[8] Włodarczyk-Makuła M., Zakresy analiz WWA w elementach środowiska, LAB Laboratoria, Aparatura, Badania 2014, 19, 1, 38-42.
[9] Włodarczyk-Makuła M., Kalaga K., Kipigroch M., Smol M., Oznaczanie WWA
w ściekach koksowniczych, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2011, 14, 3, 267-274.
[10] Włodarczyk-Makuła M., Influence of Chromium Ions on Effectiveness Degradation
of Low-molecule PAHs in Sewage Sludges, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2016, 19, 4, 455-467.
[11] Ficek A., Czupioł J. PCB – szkodliwe ksenobiotyki w środowisku, LAB Laboratoria, Aparatura, Badania 2013, 18, 5, 28-31.
[12] Starek A., Polichlorowane bifenyle – toksykologia – ryzyko zdrowotne, Rocznik PZH 2001, 52, 3, 187-201.
[13] Council Directive 98/83/EC of 3 November 1998 on the quality of water intended for human consumption.
[14] Regulation of the Minister of Health of 7 December 2017 on the quality of water intended for human consumption.
mgr inż. Patrycja Sobczak – Wydział Infrastruktury i Środowiska, Politechnika Częstochowska,
dr hab., prof. PCz, Agata Rosińska – Wydział Infrastruktury i Środowiska, Politechnika Częstochowska,
Źródło: Technologia Wody 6/2019