מים בסביבה מימית עשויים להכיל תערובת של תרכובות אורגניות טבעיות Natural Organic Matter (NOM) הכוללות רצף של חומר אורגני טבעי בצורה של חלקיקים או בצורה קולואידלית ובאופן בסיסי NOM משמש לאפיון איכות המים. מדידת איכות המים כוללת את סך התכולה האורגנית (Total Organic Content, TOC), סך כל החלקיקים ופחמן אורגני מומס (Dissolved Organic Carbon, DOC), הידוע גם בשם חומרים אורגניים רפרקטוריים.
חומרים אורגניים רפרקטוריים במערכות מימיות מקורם בהתכלות של רקמות של צמחים ובעלי חיים כאשר הסמן הוא ליגנין הזוהר ב-360 ננומטר כאשר הוא מעורר בין
איור 1. תצוגת EEM של מים במורד הנהר.
λexc/λem= 222 nm/292 nm
הצלב הכחול הוא ב-
λexc/λem= 270 nm/296 nm
האדום ב-
.λexc/λem= 254 nm/450 nm
והירוק ב-
240 ננומטר ו-320 ננומטר. התהליכים שפועלים במהלך התכלות הם מורכבים, וכוללים גם אפשרות לפוליקונדנסציה והיווצרות של פוליפנולים. הפלואורסנציה יכולה להיות קשורה להמרת benzoic moieties לקונפיריל אלכוהול שהיא יחידה בסיסית של ליגנין, תהליכים המאושרים בבדיקות פלורוסנטיות הקשורות לאנליזת רכיבים. מצד שני, פלואורסצנציה של רכוזי חלבון, במיוחד אלו שנצפו בים ובריכות מים, הם באותם אורכי גל כמו אלה של חומצות אמיניות מסוג טריפטופן וטירוזין; שלא אמורות להיות קשורות למבנה של DOC. לאחר ביודגרדציה של חומרים אורגניים מתים הפולטים אור באורכי גל ארוכים יותר.
ספקטרום הבליעה והפליטה מורכב מדי מכדי לאפשר קביעה ברורה על סמך פיקים בודדים שמתקבלים מחומר בוחן בלתי תלוי. טכניקות אנליטיות שונות נוסו כדי לאפיין את ה-NOM, ביניהם ספקטרוסקופיה פלואורסצנטית, ספקטרוסקופית פורייה, תהודה מגנטית גרעינית, כרומטוגראפית הפרדה בלחץ גבוה, ספקטרוסקופית מסות ואפילו שילוב של טכניקות אלו וכל זאת כדי לתת אפיון כמותי להרכב המים. במאמר זה נציג איך באמצעות ספקטרוסקופיה פלורוסנטית נתן לקבל אפיון ראשוני וטביעת אצבע של חומרים אורגניים במדידות מים המתקבלות ממערכות מימיות של נהרות.
שיטות וחומרים
מפת עירור ופליטה (Excitation and Emission Maps, EEM) נערכה באמצעות קונפיגורציה סטנדרטית של FS5 Spectrofluorometer מצויד מנורת קסנון רגילה של 150Watt וגלאי PMT (Hamamatsu, R928P). סדרות עקיפה גבוהות סוננו בעזרת מסנן
מסוג Long Pass בספקטרומטר הנ”ל. רוחב פס של עירור ופליטה 4 ננומטר, זמן אינטגרציה 0.1 שניות וצעדים של 2 ננומטר אפשרו רכישת תמונת EEM מלאה ב-60 דקות. נתן היה לקבל תוצאות דומות גם ב 15 דקות עבור אותם פרמטרים אבל זמן אינטגרציה קצר יותר של 1 מילי שניות.
איור EEM .2 של מים במעלה הנהר, הצלבים זהים לאיור 1
דגימות מים נאספו משני מקומות במעלה ובמורד הנהר אלמונד בליווינגסטון, בריטניה. דגימת מים מהברז שימשה כנקודת יחוס. כל שלוש הדגימות סוננו עבור חלקיקים במסנן מזרק של 0.20 מיקרומטר גודל הנקבוביות (Sartorius, Minisart 17597) אשר יצר OD = 0.3 ב 250 ננומטר. הדגימות נמדדו בכלי קיבול (cuvettes) מקוורץ באורך של 10 מ”מ בגיאומטרית זווית ישרה.
תוצאות – דיון
ה-EEM המוצג באיורים 1, 2 ו -3, תואם לדגימה ממורד הנהר, ממעלה הנהר ומדגימת מים מן הברז, בהתאמה. ה-EEM כויל לשיא של ה-DOC כפי שהתקבל מהדגימה במורד הנהר. כל המפות מראות טווח של התפזרות ראמאן פרופורציוני לאורך גל עירור מנורמל ומתוקן עבור הפילטר הפנימי מסוג Long Pass שהותקן בספקטרומטר,על מנת לקבל מפת DOC בלבד.
שיאי EEM תואמים לתוצאות שהתקבלו בספרות לאזורים שמתקימת בהם ביודגרדציה של חומרים אורגניים מתים. אלה מתויגים כ- A עבור nm / 400-460 nm / 260nm =,
וכ- C עבור nm / 420-460 nm 320-360 =.
λexc/λem= 230 nm/290 nm
איור EEM .3 של מי ברז הצלב הכחול
אדמת חומצה פולבית השיכת לקטגוריה אחרת של חומרים אורגניים שמתקימת בהם ביודגרדציה (D ו- E) עם nm / 590 nm 390 =
וגם עם nm / 521 nm 455 =, פיטופלנקטון (N) שהוא סוג של פלנקטון הנמצא בימים ואוקינוסים עם nm / 370 nm 280 =
וכן טריפטופן/דמוי חלבון עם nm / 340 nm 275 = לא נצפו בדוגמאות מים אלו.
ניתן לראות שה- DOC של המים מרוכזים ב- nm/450 nm 250=, ראו צלב ירוק באיורים 1 ו-2.
זה עולה בקנה אחד עם מי נהר זורמים. לעומת זאת בדוגמאות מתעלות וביצות במפת ,EEM האדום מוזז ב- nm/470 nm 250=.
שני שיאים נוספים מצויים בכל הדגימות ב- nm/290 nm 230=וב- nm/300 nm 270=, מסומן ככחול ואדום באיורים בהתאמה. שיא עם nm/290 nm 230= מיוחס לסופרפוזיציה של מעבר אלקטרון ומסלולי מולקולות בנזנאוידים במולקולות (NOM).
שיא הUV הדומה להתכלות של רקמות של צמחים ובעלי חיים ב- nm/300 nm 270=, תואם היטב את יחידות הליגנין. למעשה, מודלים לרכיבי הליגנין מבוססי נגזרות סטירן עם עירור 31847-36496 274-314nm, ופליטה 200±28818-34246 292-347nm. תואמים היטב את השיאים במפות המוצגות
הפיק הרחב ב- nm/440 nm 320= יכול להיות מיוחס גם לליגנין וזה תואם תוצאות שנצפו ע”י חוקרים אחרים שבדקו דיהידרוגנצייה של פולימרים במים כמודל אחר של תרכובת ליגנין בעירור ב 360 nm-465 nm ופלורסנציה ב 360 nm-600 nm.
אספקת המים הביתית או התעשייתית עוברת מספר תהליכי טיפול על מנת להפוך אותם לשמישים או ראויים לשתייה. אף על פי שתהליכי הטיפול של מי ברז אינם ידועים למחברי המאמר, ניתן לראות שהשיאים האופיניים למערכות מימיות שמקורם בהתכלות של רקמות של צמחים ובעלי חיים, נעדרים ממפת ה-EEM של מי ברז, מה שמראה ש, DOC מסוים הוסר. טביעות אצבע פלורצנציות דומות דווחו עבור מים מטופלים ולא מטופלים.
מסקנה
ניתן להסיק ממפות הפליטה והעירור שהתכולה של מערכות מימיות היא תערובת מורכבת של מוצרי התכלות של ליגנין המכילים חומרים ארומטיים, בעיקר יחידות בנזן במוצאן. בנוסף לכך, הוכח כי הרגישות הגבוהה של FS5 Spectrofluorometer מאפשרת הפרדה של הליגנין ושל סך כל החלקיקים ופחמן אורגני מומס רגיש UV מסך כל החלקיקים ופחמן אורגני מומס. הטכניקה גם יכולה לשמש עבור מדידות שגרתיות מהירות של מפוי בעזרת הסריקה המהירה של הספקטרומטר, כמו כן אפשר לנתר את איכות המים במתקני אשפרה.
