Применение метода высокоэффективного капиллярного электрофореза для мониторинга анионного состава пресноводных экосистем на примере реки Енисея Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 543.545

Применение метода высокоэффективного капиллярного электрофореза для мониторинга анионного состава пресноводных экосистем на примере реки Енисея

А.Г. Сургутсковаа*, Г.В. Бурмакинаа, В.В. Сурсяковааб, А.И. Рубайлоа,в

а Институт химии и химической технологии СО РАН, Россия 660049, Красноярск, ул. К. Маркса 42, бИнститут физики СО РАН, Россия 660036, Красноярск, Академгородок, 50/38, в Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный 79 1

Received 3.08.2009, received in revised form 7.09.2009, accepted 14.09.2009

Методом высокоэффективного капиллярного электрофореза (ВЭКЭ) изучена динамика анионного состава вод реки Енисея и его притоков - рек Большая Тель, Плоский в зависимости от места и времени отбора проб за период 2007-2008 гг. Показано, что увеличение концентрации хлорид-, сульфат-, нитрат-ионов в пробах поверхностных вод реки Енисея и ее притоков наблюдается весной и осенью, причем повышенное содержание этих ионов обнаружено в притоках Енисея, находящихся вблизи промышленных предприятий. Полученные результаты свидетельствуют об антропогенном источнике загрязнения речной воды. Показано, что метод ВЭКЭ может успешно использоваться в мониторинге анионного состава природных вод.

Ключевые слова: высокоэффективный капиллярный электрофорез, неорганические анионы, мониторинг, речная вода.

Введение

В настоящее время проблема загрязнения окружающей среды, особенно природных вод, стоит очень остро. Вода является одним из самых уникальных ресурсов на Земле и непременным условием жизни. Качество воды, особенно пресной, - важнейший фактор, влияющий на здоровье населения. При этом на Земле практически не осталось поверхностных пресных вод, ко-

торые в той или иной степени не были бы загрязнены человеком.

Енисей - река Красноярского края, входит в число экосистем, находящихся в зоне интенсивного влияния промышленных предприятий. Ежедневно в Енисей сбрасывается огромное количество промышленных и бытовых сточных вод, что приводит к нарушению природного состава енисейской воды и к снижению ее каче-

* Corresponding author E-mail address: surgutskova@gmail.com

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

ства. Поэтому изучение ионного состава воды и изменение его в реке Енисее в зависимости от места и времени отбора проб

- необходимо для определения природной или антропогенной составляющей загрязнения речной воды и оценки уровня этого загрязнения.

В экологическом мониторинге широко используются современные аналитические методы, такие как высокоэффективная жидкостная хроматография и масс-спектрометрия, позволяющие осуществлять высокочувствительный анализ сложных смесей, обнаруживать ультрамалые количества опасных веществ и их метаболитов. В последнее время все большее внимание привлекает новый метод разделения и анализа ионного состава многокомпонентных водных растворов - высокоэффективный капиллярный электрофорез (ВЭКЭ) [1-6]. Метод ВЭКЭ не только дополняет наиболее близкий к нему по аналитическим возможностям метод ионной хроматографии, но и превосходит его по эффективности, быстроте разделения, простоте аппаратурного оформления, требует очень малых количеств образца и расходных материалов [7]. К отличительным особенностям метода ВЭКЭ можно отнести возможность концентрирования пробы непосредственно в капилляре, использование напряжения и давления для улучшения эффективности разделения анионов с близкой электрофоретической подвижностью и уменьшение времени анализа.

Целью работы являлось изучение особенностей применения метода ВЭКЭ для мониторинга пресноводных экосистем на примере изменения анионного состава вод реки Енисея, его притоков - рек Большая Тель, Плоский в зависимости от места и времени отбора проб за 2007-2008 гг.

Экспериментальная часть

Измерения проводили на приборе КРЦКП СО РАН - системе капиллярного электрофореза с диодноматричным детектором Agilent 3DCE G1600A (Agilent Technologies, USA). Использовали немодифицированный кварцевый капилляр с внутренним диаметром 50 мкм общей длиной 48,5 см (эффективной длиной 40 см). Капилляр термостатировали при температуре 25 0С. Детектирование проводили в УФ-области при 375 нм с опорной длиной волны 450 нм. Сигнал детектора обрабатывали при помощи встроенного программного обеспечения HP ChemStation Rev.A.10.02. Ввод пробы - гидродинамический при давлении 50 мБар в течение 4-20 с. В качестве фонового электролита применяли хроматный буферный раствор с концентрацией от 3 до 10 мМ и рН 6-8.

Использовали реактивы не ниже ч.д.а. Все растворы готовили с применением деионизованной воды, полученной при помощи системы очистки воды Direct-Q 3 (Millipore, France) с электропроводностью менее 0,Н0-6 Ом-1см-1. Перед использованием растворы отфильтровывали через мембранный фильтр с диаметром пор 0,2 мкм и дегазировали под вакуумом 104 Па в течение 2 мин.

Перед работой капилляр последовательно промывали 0,1 М раствором NaOH в течение 10 мин, затем дважды по 10 мин деионизованной водой, 10 мин - раствором фонового электролита, между анализами - раствором фонового электролита в течение 10 мин.

Обсуждение полученных результатов

Оптимизация метода капиллярного электрофореза на модельных растворах ионов для анализа природных вод

В методе ВЭКЭ разделение растворенных веществ в воде проводится в капиллярах с малым внутренним диаметром, запол-

няемых обычно только фоновым буферным электролитом. На электрофоретическое перемещение ионов при капиллярном электрофорезе всегда накладывается электроосмо-тический поток (ЭОП), и абсолютное время миграции ионов определяется не только их электрофоретической подвижностью, но и существующим в капилляре электроосмоти-ческим потоком. На величину ЭОП в кварцевом капилляре влияет диссоциация поверхностных силанольных групп, и поэтому ЭОП в таком капилляре имеет направление, противоположное электромиграции анионов. Следовательно, анионы с низкой подвижностью могут не достигать детектора. Скорость ЭОП зависит от многих факторов, с помощью которых можно им управлять. Для уменьшения или обращения ЭОП используют различные способы модификации поверхности капилляров, чаще всего за счет введения в состав фонового электролита различных ПАВ, например, солей четвертичных аммонийных оснований. Однако такие растворы неустойчивы. Применение модификаторов ЭОП при анализе природных вод, содержащих также поверхностно-активные вещества, приводит к нестабильности времени электрофоретической миграции ионов, поэтому для их контроля в качестве метки ЭОП используют нейтральные вещества [8].

Для повышения надежности идентификации ионов и точности измерения их концентраций методом ВЭКЭ с косвенным спектрофотометрическим детектировани-

ем предложено вместо модификаторов ЭОП использовать постоянное гидродинамическое давление между концами капилляра [9]. Применение давления позволяет управлять общим потоком электролита в капилляре, в частности, уменьшать ЭОП при определении анионов с низкой электрофоретической подвижностью или ускорять ЭОП для оптимиза-

ции разделения анионов с высокой электрофоретической подвижностью.

Идентификацию пиков анионов проводили по рассчитываемой с учетом метки ЭОП и гидродинамического давления эффективной электрофоретической подвижности анионов

(Цэл) [9]:

=^„ +Мэоп-м, = Ц-(^ , (1)

V ^'мет )

где сумм, I - суммарная подвижность

иона, цЭОП и цр - вклад в подвижность электроосмотического и гидродинамического потоков соответственно, I и 1эфф - общая и эффективная длина капилляра (расстояние от входного конца капилляра до детектора), и

- напряжение, ^ - время миграции иона, ^ет -время миграции нейтрального соединения.

С учетом описанного выше подхода оптимизировали условия разделения и определения ряда неорганических анионов, характерных для природных вод, на модельных растворах бромид-, хлорид-, сульфат-, нитрат-, роданид- и ацетат-ионов.

Несмотря на то, что ВЭКЭ является одним из лучших методов разделения, необходимо подбирать условия для определения компонентов с близкими значениями электрофоретических подвижностей. На рис. 1 приведена электрофореграмма модельной смеси анионов, полученная в условиях, указанных в литературе [2], но вместо модификатора ЭОП использовали постоянное гидродинамическое давление. Как видно из рисунка, в этих условиях не достигается полного разделения сульфат- и нитрат- анионов.

Процесс разделения ионов и ЭОП зависит от рН и концентрации фонового электролита, поэтому было изучено влияние данных факторов на разделение перечисленных выше ионов. В ходе оптимизации условий варьировали значения рН от 6 до 8 и концентрацию

Рис. 1. Электрофореграмма модельной смеси ионов: 1 - Вг, 2-С1-, 3^042- , 4- N03% 5- SCN-, 6- СН3С00‘ (Сион = 2,5 • 10-4 М; фоновый электролит 10 мМ хроматный буфер с pH 7,25; ввод: 50 мБар в течение 4 с; напряжение -30 кВ, давление 30 мБар, X = 375 нм отн. 450 нм)

Рис. 2. Электрофореграмма модельной смеси ионов: 1 - метка ЭОП, 2- Вг, 3-С1-, 4- S042-, 5-Ы03-, 6- SCN' ,7- СН3С00- (Сион = 2,5 • 10-4 М; фоновый электролит 5 мМ хроматный буфер с pH 7,25; ввод: 50 мБар в течение 4 с; напряжение -12 кВ, давление 50 мБар, X = 375 нм отн. 450 нм)

фонового электролита от 3 до 10 мМ. Установлено, что для анализа хлорид-, сульфат-, нитрат-ионов оптимально использование в качестве фонового электролита 5 мМ хромат-ного буфера с рН = 7,25.

Широко используемым в литературе способом повышения эффективности разделения ионов в ВЭКЭ с применением модификаторов является увеличение прикладываемого напряжения [10]. Вместо модификаторов в работе использовали способ гидродинамического

подавления ЭОП. Для того чтобы подавление ЭОП было эффективным, необходимо подбирать оптимальное соотношение напряжения и давления. Найдено, что оптимальными значениями напряжения и давления для капилляра общей длиной 48,5 см являются -12 кВ и 50 мБар соответственно.

На рис. 2 приведена электрофореграмма модельной смеси шести ионов, полученная в перечисленных выше оптимальных условиях. Видно, что в этих условиях про-

исходит полное разделение определяемых анионов.

Относительное стандартное отклонение эффективной электрофоретической подвижности для модельной смеси составило 0,3 %.

Таким образом, на примере анализа модельных растворов показано, что применение ВЭКЭ с косвенным спектрофотометрическим детектированием и гидродинамическим подавлением ЭОП позволяет успешно разделять и определять бромид-, хлорид-, сульфат-, нитрат-, роданид- и ацетат-ионы в водных растворах.

Мониторинг анионного состава вод реки Енисея и его притоков - рек Большая Тель, Плоский

С использованием предложенной методики проведен анализ анионного состава

проб вод реки Енисея и его притоков, вблизи которых расположен Горно-химический комбинат Росатома (г. Железногорск) (рис. 3). Пробы воды отбирались с мая по сентябрь в 2007-2008 гг. Точки отбора проб воды по реке Енисею: фарватер, устье реки Плоский, остров Атамановский, коса острова Атамановский, а в реке Большая Телль - устье, залив, 300 м, 500 м и 1000 м выше устья.

На рис. 4 приведен пример электрофоре-граммы анализа пробы воды реки Енисея.

Результаты определения содержания неорганических анионов в пробах вод реки Енисей и его притоков за 2007 г. представлены в табл. 1, за 2008 г. - в табл. 2. Относительное стандартное отклонение концентраций анионов в диапазоне концентраций от 0,20 до 1,0 мг/дм3 составляет 20 %, от 1,0 до 10 мг/дм3 -10-15 %, от 10 до 40 мг/дм3 - 5-7 %.

Рис. 3. Карта участка реки Енисей

Рис. 4. Электрофореграмма пробы воды реки Енисей: 1 - метка ЭОП, 2- С1-, 3 - S042-, 4 - N03' (фоновый электролит 5 мМ хроматный буфер с pH 7,25; ввод: 50 мБар в течение 20 с; напряжение -12 кВ, давление 50 мБар, X = 375 нм отн. 450 нм)

Относительное стандартное отклонение может быть уменьшено до 2-3 % для концентрационного диапазона 1-40 мг/дм3, если использовать метод внутреннего стандарта с пересчетом площадей электрофоретических пиков [11]. В качестве внутреннего стандарта удобно использовать роданид-ион, так как его пик не перекрывается с наиболее часто обнаруживаемыми ионами в воде (рис. 2).

Как видно из табл. 1 и 2, концентрации хлорид-, сульфат- и нитрат-ионов в пробах вод реки Енисея и его притоков не превышают нормированных для поверхностных вод значений предельно допустимых концентраций (350 мг/дм3, 500 мг/дм3, 45 мг/дм3 соответственно) для этих ионов.

Сравнение приведенных в табл. 1 и 2 данных позволило проследить определенную динамику анионного состава воды в зависимости от времени и места отбора проб в 20072008 гг.

В 2007 г. концентрация хлорид-ионов во всех пробах максимальная в июне (1,9 - 26,7 мг/дм3), минимальная (0,97 - 6,4 мг/дм3) - в июле, увеличивается по сравнению с июлем в сентябре (1,3 - 8,7 мг/дм3). Наибольшее содер-

жание хлорид- (26,7 мг/дм3), сульфат- (26,9 мг/ дм3) ионов наблюдается в устье реки Плоский. Концентрация сульфат-ионов максимальная в сентябре (13,1 - 26,9 мг/дм3) и июне (11,6 - 17,6 мг/дм3), минимальная (10,2 - 15,8 мг/дм3) - в июле. Наименьшее содержание хлорид- (1,0 мг/дм3), сульфат- (10,2 мг/дм3) ионов в фарватере реки Енисей.

В 2008 г. концентрация хлорид-, сульфат- и нитрат-ионов во всех пробах поверхностных вод максимальная в мае (38,7; 22,2; 8,6 мг/дм3 соответственно), минимальная (0,23; 3,8; 0,20 мг/дм3 соответственно) - в июле, увеличивается по сравнению с июлем в августе. Наибольшее содержание хлориди сульфат-ионов (38,7; 22,2 мг/дм3 соответственно) наблюдается в устье реки Плоский, нитрат-ионов - у острова Атамановский (7,4 мг/дм3) и 1000 м выше устья реки Большая Тель (8,6 мг/дм3), наименьшее содержание хлорид-, сульфат- и нитрат-ионов - в фарватере реки Енисей (0,86; 5,4; 0,58 мг/дм3 соответственно) и в устье реки Большая Тель (0,23; 4,0; 0,24 мг/дм3 соответственно).

Содержание хлорид-, сульфат- и нитрат-ионов в пробах поверхностных вод реки Ени-

Таблица 1. Содержание неорганических анионов в пробах вод реки Енисей и ее притоков - рек Большая Тель, Шумиха, Плоский в 2007 г.

Место отбора проб Анионы, мг/дм3

С1- О ш3-

Дата отбора проб Дата отбора проб Дата отбора проб

1.06 1.07 1.09 20.09 1.06 1.07 1.09 20.09 1.06 1.07 1.09 20.09

река Енисей

Фарватер 1,9 0,97 1,0 1,3 11,6 10,2 12,7 13,1 < 1,1 2,0 1,4

о.Атамановский - - - 1,3 - - - 13,6 - - - 1,3

Коса о. Атамановский 6,5 1,3 1,2 1,1 17,2 10,8 11,3 13,9 < 1,5 1,2 1,3

д. Б. Бальчук - - 2,0 - - - 7,0 - - - 1,4 -

река Шумиха

Устье 6,5 2,3 6,7 - 10,7 14,0 13,9 - < < < -

река Плоский

Устье 26,7 6,4 10,4 8,7 17,7 15,8 23,5 26,9 < < 1,1 0,9

река Большая Тель

300 м выше устья < < - - 7,9 < - - < < - -

1000 м выше устья < < - - 10,2 9,3 - - < < - -

Примечание: «<»- ниже предела обнаружения

Таблица 2. Содержание неорганических анионов в пробах вод реки Енисея и ее притоков - рек Большая Тель, Плоский в 2008 г.

Место отбора проб Анионы, мг/дм3

С1- 80/- 1Ч0з-

Дата отбора проб Дата отбора проб Дата отбора проб

11.05 18.07 18.08 11.05 18.07 18.08 11.05 18.07 18.08

река Енисей

Фарватер - 0,9 1,0 - 5,4 6,2 - 0,58 0,85

о.Атамановский 5,6 0,9 1,1 9,8 6,4 7,0 7,4 0,55 0,87

Коса о.Атамановский 18,2 1,2 1,1 9,3 6,9 7,3 7,0 0,78 0,86

река Плоский

Устье 38,7 3,7 13,4 22,2 10,1 16,0 < 0,62 <

река Большая Тель

Устье 1,5 0,23 0,33 10,4 4,0 7,2 4,7 0,24 0,46

Залив 11,6 0,42 0,48 10,9 4,2 6,7 3,3 < <

300 м выше устья - 0,25 0,37 - 3,9 5,7 - 0,26 0,20

500 м выше устья 17,4 0,42 0,47 9,2 4,0 5,7 7,6 0,27 0,21

1000 м выше устья 5,0 0,23 0,32 9,8 3,8 5,7 8,6 0,34 <

Примечание: «<»- ниже предела обнаружения

сей и реки Большая Тель независимо от места жет свидетельствовать об антропогенном ис-

отбора, как в 2007, так и 2008 г., максималь- точнике загрязнения речной воды.

ное в мае и сентябре, минимальное в июле. Таким образом, в данной работе опти-

Полученные результаты можно объяснить мизирована и апробирована на реальных

таянием снега весной, выпадением осадков объектах (пробах воды реки Енисея и его

осенью, когда смываются с поверхности зем- притоков) методика определения анионно-

ли вещества, дополнительно увеличивая кон- го состава природных вод, которая может

центрацию анионов в речной воде. При этом быть использована для анализа анионного

наибольшее содержание хлорид-, сульфат- состава природных, сточных, промышлен-

ионов в пробах поверхностных вод наблюда- ных и питьевых вод. Изучение изменения

ется в устье реки Плоский, нитрат-ионов - у содержания хлорид-, сульфат- и нитрат-

острова Атамановский и 1000 м выше устья ионов в пробах поверхностных вод реки

реки Большая Тель, наименьшее содержание Енисея и его притоков в зависимости от

всех ионов - в фарватере реки Енисея и в устье места и времени отбора проб показало, что

реки Большая Тель. Увеличение концентра- увеличение концентрации этих ионов обу-

ции анионов в пробах поверхностных вод словлено антропогенным воздействием.

притоков реки Енисея, находящихся вблизи Метод ВЭКЭ может быть успешно приме -

промышленных предприятий, по сравнению нен в мониторинге анионного состава при-

с содержанием анионов в воде фарватера, мо- родных вод.

Благодарим сотрудников лаборатории радиоэкологии Института Биофизики СО РАН за помощь в отборе проб.

Список литературы

1. Беленький Б.Г., Белов Ю. В., Касалайнен Г. Е. Высокоэффективный капиллярный электрофорез в экологическом мониторинге // Журн. аналит. химии. - 1996. -Т.51. № 8. -С.817-834.

2. Kaniansky D., Masar M., Marak J., Bodor R. Capillary electrophoresis of inorganic anions // J. Chromatogr. A, 1999. V. 834. P. 133-178.

3. Timerbaev A.R., Dabek Zlotorzynska E., Var den Hoop M. Inorganic environmental analysis by capillary electrophoresis// Analyst, 1999. V. 124. P. 811-826.

4. Timerbaev A.R., Buchberger W. Prospects for detection and sensitivity enhancement of inorganic ions in capillary electrophoresis// J. Chromatogr. A, 1999. V. 834. P. 117-132.

5. Wei-Ping Yang, Brian O’Flaherty, and Ashok L. Cholli. Fast analysis of water samples for

detection of anions by capillary zone electrophoresis// J. Enniron.SCI.Health, 2001. V. A36, № 7, P.1271-1285.

6. Andrei R. Timerbaev. Recent trends in CE of inorganic ions: From individual to multiple elemental species analysis! Electrophoresis. 2007. V. 28. P 3420-3435.

7. Paul R. Haddat. Comparison of ion chromatography and capillary electrophoresis for the determination of inorganic ions// J. Chromatogr. A, 1997. V. 770. P. 281-290.

8. Руководство по капиллярному электрофорезу / под ред. А.М. Волощука; Научный совет

РАН по хроматографии. М., 1996. - 111 с.

9. Калякин С.Н., Сурсякова В.В., Бурмакина Г.В., Рубайло А.И. Гидродинамическое подавление электроосмотического потока в капиллярном электрофорезе с косвенным фотометрическим детектированием // Журн. аналит. химии. - 2009. - Т.64. № 4. - С. 415- 420.

10. Christopher Т., Culbertson J., Jorgenson W. Increasing the resolution power of capillary electrophoresis through electroosmotic flow control using radial fields// J. Microcolumn. Separation, 1999.V.11. P.167-174.

11. Сурсякова В.В., Калякин С.Н., Бурмакина Г.В., Рубайло А.И. Использование внутреннего стандарта при определении анионов методом капиллярного электрофореза с косвенным фотометрическим детектированием // Журн. Сиб. фед. ун-та. Химия. - 2009. - Т.2. №1.

- С. 42- 47.

The Using of High-Performance Capillary Electrophoresis Technique for Monitoring of Freshwater Ecosystems by Example River Yenisei

Alexandra G. Surgutskovaa, Galina V. Burmakina3, Victoriya V. Sursyakovaa,b and Anatoliy I. Rubayloa,c

а Institute of Chemistry and Chemical Technology, SB RAS, 42. К. Marx st., Krasnoyarsk, 660049 Russia b Institute of Physic, SB RAS, 50/38 Academgorodok, Krasnoyarsk, 660036 Russia

c Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia

The dynamic of the anion composition in the water of the Yenisei River and its feeders - rivers Bolshaya Tel River, Ploskiy River- for 2007-2008 years was studied by Capillary Electrophoresis technique. The increase of the concentrations of chloride-, nitrate- and sulfate-ions in the river water during spring and autumn was observed. The increased content of these anions in the feeders at industrial factories was found. This fact denotes that additional anthropogenic pollution source of river water is existing. The finding results show that the CE technique may be successfully used in the monitoring of the anion composition of freshwater ecosystems.

Key words: High-Performance capillary electrophoresis, inorganic anions, monitoring, river water.