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Dispositivo de membrana líquida estabilizada

Investigador sosteniendo SLMD Un dispositivo de membrana líquida estabilizada ( SLMD ) es un tipo de dispositivo de muestreo pasivo que permite la recolección in situ e integral...

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Investigador sosteniendo SLMD

Un dispositivo de membrana líquida estabilizada ( SLMD ) es un tipo de dispositivo de muestreo pasivo que permite la recolección in situ e integral de contaminantes metálicos iónicos lábiles presentes en el agua. [ 1 ] Al capturar y secuestrar iones metálicos en su superficie de forma continua durante un período de días a semanas, un SLMD puede proporcionar una medición integral de los iones metálicos tóxicos biodisponibles presentes en el medio acuático. [ 2 ] Por ello, se han utilizado junto con otros muestreadores pasivos en estudios ecológicos de campo. [ 3 ] [ 4 ]

El sencillo dispositivo se compone de un tubo plano de plástico de baja densidad no poroso, relleno con una mezcla química que contiene un agente quelante (agente de unión a metales) y un ácido orgánico de cadena larga. La mezcla de agente quelante y ácido orgánico, insoluble en agua, se difunde de forma controlada hacia la superficie exterior de la membrana del muestreador y se une a los metales ambientales. En la práctica, el SLMD permite la retención continua de formas biodisponibles de metales traza, como cadmio (Cd), cobalto (Co), cobre (Cu), níquel (Ni), plomo (Pb) y zinc (Zn). El SLMD también puede utilizarse para la preconcentración y especiación en laboratorio de metales traza biodisponibles a partir de muestras de agua puntuales. [ 5 ]

Fondo

Los muestreadores pasivos se desarrollaron por primera vez a principios de la década de 1970 para monitorear las concentraciones de contaminantes transportados por el aire a los que podrían estar expuestos los trabajadores industriales, pero para la década de 1990 los investigadores habían desarrollado y utilizado muestreadores pasivos para monitorear contaminantes en el medio acuático. [ 6 ] El primer tipo de muestreador pasivo hecho para uso en el medio acuático fue el dispositivo de membrana semipermeable (SPMD). [ 6 ] Los SPMD podían usarse para determinar concentraciones promedio ponderadas en el tiempo de contaminantes orgánicos hidrofóbicos , pero hasta principios de la década de 2000 aún no habían surgido dispositivos de muestreo pasivo para contaminantes metálicos. [ 1 ] Los metales en el medio ambiente pueden especiarse en diferentes formas. La mayoría de los metales disueltos en el medio acuático están presentes como cualquiera de varios estados iónicos, de iones complejos y unidos orgánicamente. [ 1 ] Para la mayoría de los metales tóxicos, la biodisponibilidad es mayor para los metales lábiles en su estado iónico libre. [ 1 ] Reconociendo la utilidad potencial de un dispositivo de muestreo pasivo que podría usarse para medir cantidades traza de metales tóxicos biodisponibles, investigadores del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) y de la Universidad de Missouri comenzaron a desarrollar un dispositivo similar a los SPMD que podría usarse para muestrear metales lábiles. [ 2 ]

Estructura y función

La parte exterior de un SLMD consiste en una sección de tubo de polietileno semipermeable, plano y sellado. Dentro de este tubo se encuentra sellada una mezcla 1:1 de un agente complejante de metales hidrofóbico y un ácido orgánico de cadena larga . [ 1 ] El ácido orgánico se difunde a través del tubo hasta la superficie exterior, donde la porción de ácido carboxílico puede formar complejos estables con iones de calcio y magnesio en el agua. [ 2 ] Esto permite que se acumule lentamente una capa cerosa en el exterior del tubo. El agente complejante de metales se moviliza continuamente hacia esta capa cerosa, donde puede secuestrar iones metálicos del agua. [ 1 ] El agente complejante de metales hidrofóbico más comúnmente utilizado en los SLMD es una 8-hidroxiquinolina alquilada . [ 2 ] El ácido oleico se usa comúnmente como la otra mitad de la mezcla de reactivos hidrofóbicos 1:1, ya que forma fácilmente oleatos de calcio en los medios de muestreo acuosos. [ 1 ] Además del dispositivo base, a veces se utilizan fundas de plástico hidrofóbicas para alojar los SLMD en el campo. [ 1 ] [ 2 ] El flujo de agua variable puede alterar las tasas de muestreo de metales por los SLMD, lo que dificulta la determinación de una concentración promedio en el tiempo. [ 2 ] Al permitir que los analitos metálicos susceptibles se difundan a la superficie del SLMD mientras limitan la difusión de sustancias particuladas, coloidales o húmicas, estas fundas hidrofóbicas ayudan a reducir la variabilidad de la absorción del SLMD en aguas de movimiento rápido. [ 2 ]

Tras un periodo de tiempo determinado de despliegue, los SLMD pueden recuperarse del campo para su análisis. El lavado con ácido nítrico al 20 % permite la extracción de los metales acumulados, y mediante técnicas analíticas como la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) o la espectroscopia de absorción atómica (AAS de llama) para medir la concentración de metal en el extracto, se puede determinar la cantidad de metal acumulado por el SLMD. [ 1 ]

Este sencillo dispositivo puede crearse en el laboratorio utilizando un tubo polimérico no poroso, como el polietileno de baja densidad (LDPE). Un medio de secuestro dentro del tubo se difunde lentamente a través de la membrana, uniéndose a metales iónicos y creando especies metálicas no móviles que posteriormente pueden extraerse de la otra membrana. El medio de secuestro generalmente consta de un agente quelante o de unión a metales y un ácido orgánico de cadena larga, comúnmente ácido oleico . [ 7 ]

El tubo SLMD es plano y su membrana tiene un grosor que varía entre 2 y 500 μm, según la aplicación. Su ancho aproximado es de 2,5  cm y su longitud aproximada de 15  cm (estas dimensiones pueden variar según la aplicación). El reactivo del medio de secuestro se compone típicamente de una mezcla equimolar de ácido oleico (ácido cis-9-octadecenoico) y Kelex-100 (etil-metil-octil, 8-quinolinol); sin embargo, se pueden utilizar otros productos químicos para funciones similares.

Tras su despliegue, las especies metálicas inmovilizadas pueden extraerse de la membrana externa. Dichas especies pueden identificarse y analizarse mediante técnicas estándar ampliamente reconocidas (por ejemplo, digestión, espectroscopia de absorción atómica , espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente, etc.). En este sentido, cualquier procedimiento o técnica analítica aplicable a la medición de especies metálicas iónicas o complejas resulta adecuada para determinar las concentraciones de metal secuestradas por el SLMD. [ 7 ]

Aplicaciones

Se sabe que los SLMD acumulan cadmio , cobalto , cobre , níquel , plomo y zinc , [ 1 ] [ 2 ] y se han desplegado en estudios de monitoreo de agua dulce por el Departamento de Ecología del Estado de Washington (Ecology) [ 3 ] y el USGS. [ 8 ] Ecology desplegó SLMD en la parte alta y baja de Indian Creek durante 28 y 27 días respectivamente. [ 3 ] Las concentraciones de metales en los SLMD se utilizaron para estimar la concentración real de metales en el arroyo. La concentración estimada se expresó como un rango basado en la tasa de muestreo de los SLMD, así como en la duración de la exposición. El propósito del muestreo fue investigar las posibles causas de los efectos subletales en las truchas jóvenes y la pérdida de biodiversidad bentónica en el arroyo. [ 3 ]

Toxicología ambiental de metales

Se ha demostrado que la exposición a metales iónicos produce efectos nocivos en los organismos acuáticos [ 9 ] y puede inducir estrés oxidativo , causar daño al ADN [ 10 ] y disminuir la actividad enzimática [ 11 ] . Por el contrario, algunos metales, bajo ciertas condiciones ambientales, tienen efectos moderadores potenciales sobre otros metales más tóxicos ; un ejemplo es el zinc (Zn), que ha demostrado reducir la toxicidad del cobre (Cu) cuando ambos metales están presentes [ 12 ] . Dado que la presencia de ciertos metales acuosos puede tener una amplia gama de efectos en los organismos, los toxicólogos acuáticos han desarrollado diversos métodos para muestrearlos.

El muestreo ambiental pasivo, o in situ, es una herramienta importante que utilizan los toxicólogos para evaluar sustancias tóxicas que pueden existir en concentraciones muy bajas, no fácilmente detectables mediante muestras puntuales. Un muestreador pasivo, el dispositivo de membrana semipermeable (SPMD), se utiliza comúnmente para medir contaminantes orgánicos en ecosistemas acuáticos . El SLMD se desarrolló como un dispositivo equivalente para el muestreo de metales. [ 13 ] El muestreo pasivo de metales traza es más complejo que el de sustancias tóxicas orgánicas, ya que la mayoría de los metales disueltos pueden existir simultáneamente en cualquiera de varios estados iónicos, de iones complejos y unidos orgánicamente. [ 14 ] Los metales también pueden unirse a materia orgánica suspendida o disuelta y existir como coloides ultrafinos , [ 15 ] o complejos lipofílicos. [ 16 ]

Desarrollado inicialmente por Petty, Brumbaugh, Huckins, May y Wiedmeyer, el SLMD se utiliza para monitorear metales iónicos en ambientes acuáticos. Debido a factores antropogénicos como la minería, el refinado de metales y la actividad industrial, las emisiones globales de metales han aumentado significativamente en los últimos 100 años y probablemente continuarán aumentando en el futuro previsible. [ 7 ]

Ventajas y limitaciones

Los metales tóxicos pueden estar presentes en el medio acuático en concentraciones traza o ultratraza, pero aun así ser toxicológicamente significativos y, por lo tanto, causar daño a los humanos o al medio ambiente. [ 2 ] Debido a que estas concentraciones son tan bajas, estarían más allá de los límites de detección de la mayoría de los instrumentos analíticos si el medio se hubiera muestreado utilizando muestras puntuales tradicionales. [ 17 ] El uso de SLMD para recolectar pasivamente metales durante un período de tiempo prolongado permite que los metales traza se acumulen a niveles detectables, lo que puede dar una estimación más precisa de la química acuática y la contaminación. [ 2 ] Los SLMD también tienen la ventaja de poder capturar pulsos de contaminación por metales que de otro modo podrían pasar desapercibidos cuando se utilizan muestras puntuales . [ 3 ] Los SLMD están limitados a la evaluación de metales lábiles y no se pueden utilizar para monitorear contaminantes orgánicos . Además, si bien se ha demostrado repetidamente la capacidad de los SLMD para muestrear cobre, zinc, níquel, plomo y cadmio, [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ] se han realizado pocas investigaciones de laboratorio sobre su capacidad para absorber de manera confiable otros metales tóxicos. Aun así, si bien los estudios de laboratorio sobre la efectividad de los SLMD solo han investigado el cobre, el zinc, el níquel, el plomo y el cadmio, los SLMD se han utilizado con éxito en estudios de campo para evaluar una gama más amplia de metales. [ 3 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Brumbaugh, WG, Petty, JD, Huckins, JN, Manahan, SE 2002. Dispositivo de membrana líquida estabilizada (SLMD) para el muestreo pasivo e integrador de metales lábiles en agua. Water, Air, Soil Pollut. 133, 109–119.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Petty, JD, Brumbaugh, WG, Huckins, TWM, Wiedmeyer, R. 2001. Patente estadounidense n.° US006296760B1. https://patents.google.com/patent/US6296760?oq=ininventor:Petty+ininventor:Brumbaugh+ininventor:Huckins+ininventor:Wiedmeyer
  3. 1 2 3 4 5 6 2012. Causas potenciales del deterioro de las primeras etapas de vida de la trucha arcoíris y la pérdida de biodiversidad bentónica en Indian Creek. Departamento de Ecología del Estado de Washington.
  4. 1 2 Brumbaugh, WG, May, WT, Besser, JM, Allert, AL, Schmitt, CJ 2008. Evaluación de las concentraciones elementales en arroyos del Nuevo Cinturón de Plomo en el sureste de Missouri, 2002-05. Informe de Investigaciones Científicas 2007-5057.
  5. ↑ "Dispositivo de membrana líquida estabilizada (SLMD) para el muestreo pasivo e integrador de metales biodisponibles en agua" . Servicio Geológico de los Estados Unidos . Consultado el 2 de junio de 2017 .Dominio públicoEste artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .
  6. 1 2 Álvarez, D. 2013. Desarrollo de dispositivos de membrana semipermeable (SPMD) y muestreadores integradores orgánicos polares (POCIS) para monitoreo ambiental. Toxicología y química ambiental. 23: 2179–2181.
  7. 1 2 3 Petty, JD; Brumbaugh, WG; Huckins, JN; May, TW; Wiedmeyer, R. "Dispositivo para la eliminación y concentración de especies metálicas iónicas del agua. Patente estadounidense 6,296,760" . Patentes de Google .
  8. ↑ Sociedad Geológica de los Estados Unidos (USGS), Centro de Investigación Ambiental de Columbia. Mayo de 2004. Consultado el 28/05/2018.
  9. ↑ Kabata-Pendias, A. ; Mukherjee, AB (2007). Suelos: Oligoelementos del suelo al ser humano . págs. 9–38 . 
  10. ↑ Henkler, F.; Brinkmann, J.; Luch, A. (2010). "El papel del estrés oxidativo en la carcinogénesis inducida por metales y xenobióticos" . Cancers . 2 ( 2): 376– 396. doi : 10.3390/cancers2020376 . PMC 3835083. PMID 24281075 .  
  11. ↑ Wong, CKC; Wong, MH (2000). "Cambios morfológicos y bioquímicos en las branquias de la tilapia (Oreochromis mossambicus) por exposición ambiental al cadmio". Toxicología acuática . 48 (4): 517– 527. Bibcode : 2000AqTox..48..517W . doi : 10.1016/S0166-445X(99)00060-0 . PMID 10794834 . 
  12. ↑ Herkovits, J.; Alejandra Helguero, L. (1998). "Toxicidad del cobre e interacciones cobre-zinc en embriones de anfibios". Science of the Total Environment . 221 (221): 1– 10. Bibcode : 1998ScTEn.221....1H . doi : 10.1016/S0048-9697(98)00184-3 . PMID 9810731 . 
  13. ↑ Brumbaugh, W.; Petty, JD; Huckins, JN (2002). "Dispositivo de membrana líquida estabilizada (slmd) para el muestreo pasivo e integrador de metales lábiles en agua". Water, Air, and Soil Pollution . 133 (109): 109. Bibcode : 2002WASP..133..109B . doi : 10.1023/A:1012923529742 . S2CID 93497819 . 
  14. ↑ Stumm, JT; Morgan, JJ (1981). "Química acuática: una introducción que enfatiza los equilibrios químicos en aguas naturales": 795.{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  15. ↑ Erickson, RJ; Benoit, DA; Mattson, VR; Nelson, HP; Leonard, E. N (1996). "Los efectos de la química del agua sobre la toxicidad del cobre para los peces cabeza gorda"". Toxicología y Química Ambiental . 15 (2): 181– 193. doi : 10.1002/etc.5620150217 .
  16. ↑ Phinney, JT; Bruland, KW (1994). "Captación de complejos orgánicos lipofílicos de Cu, Cd y Pb en la diatomea costera Thalassiosira weissflogli". Environmental Science & Technology . 28 (11): 1781– 1790. Bibcode : 1994EnST...28.1781P . doi : 10.1021/es00060a006 . PMID 22175916 . 
  17. ↑ Petty, JD, Huckins, JN Alvarez, DA, Brumbaugh, WG, Cranor WL, Gale, RW, Rastall, AC, Jones-Lepp TL, Leiker TJ, Rostad CE, Furlong ET, 2004. Un enfoque de muestreo integrador pasivo holístico para evaluar la presencia y los posibles impactos de los contaminantes ambientales transmitidos por el agua. Chemosphere 54, 695-709.