Chrom ma dwa różne oblicza, jeśli chodzi o zdrowie człowieka. Ten na III stopniu utlenienia stanowi ważny mikroelement, a jego niedobór negatywnie wpływa na ludzki organizm. Ten na VI stopniu utlenienia ma natomiast działanie toksyczne, rakotwórcze oraz mutagenne. Obie te odmiany chromu występują w środowisku wodnym, dlatego bardzo ważne jest monitorowanie, czy stężenie niebezpiecznych substancji nie wykracza poza normy. Tego typu badania prowadzą właśnie naukowcy z AGH, którzy analizują specjacje chromu w wodach pitnych różnego rodzaju. Przy okazji zespół pod kierownictwem prof. dr hab. Ewy Kmiecik z WGGiOŚ sprawdza także, jak skuteczne są popularne filtry dzbankowe.
Występowanie w badanym obiekcie tego samego pierwiastka w odmiennych postaciach, różniących się właściwościami fizykochemicznymi lub działaniem fizjologicznym nazywa się specjacją. Chrom w wodach powierzchniowych czy wodach podziemnych przyjmuje przede wszystkim dwie wartościowości: III oraz VI. Owe specjacje (Cr(III) oraz Cr(VI)) różnią się zarówno właściwościami fizykochemicznymi, jak i działaniem na organizm człowieka. Cr(III) jest na przykład słabo rozpuszczalny w środowisku wodnym i zwykle gromadzi się w osadach, z kolei Cr(VI) jest dość dobrze rozpuszczalny w wodzie i wykazuje większą mobilność. Pierwszy stanowi przy tym istotny element diety człowieka, wspierający między innymi utrzymanie prawidłowego współczynnika tolerancji glukozy. Drugi natomiast ma udowodnione działanie mutagenne, rakotwórcze i toksyczne dla wewnętrznych i zewnętrznych narządów organizmów żywych.
Obie te odmiany występują w środowisku wodnym. Źródła pochodzenia chromu mogą być różne — zarówno naturalne (gleba), jak i związane z ludzką działalnością. Toksyczny Cr(VI) występuje w związkach służących do wytwarzania pigmentów, które znajdują zastosowanie w przemyśle ceramicznym, włókienniczym bądź garbarskim. Jako odpad fabryczny niestety przedostają się one do rzek, zanieczyszczając środowisko. Niektóre substancje zawierające chrom wykorzystywane są również w procesach galwanicznych, w celach dekoracyjnych lub ochronnych, ponieważ dodanie ich do stali hamuje korozję. Mając na uwadze negatywny wpływ Cr(VI) na zdrowie człowieka, konieczne było więc wyznaczenie norm określających maksymalne dopuszczalne stężenia tego pierwiastka w wodzie przeznaczonej do spożycia.
Ambitny projekt badawczy
Celem naukowców z Katedry Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, skupionych w Water Research Group, jest m.in. analiza specjacji chromu występujących w wodach pitnych różnego typu oraz weryfikacja, czy nie przekraczają one dopuszczalnych wartości. W ramach projektu finansowanego z grantu uczelnianego zespół przebadał już ponad 70 wód butelkowanych, które — jak się okazało — spełniają odpowiednie normy. W następnym etapie planowane są analizy chromu w uzdatnionych wodach z kranu, wodach podziemnych i wodach powierzchniowych, co będzie wymagać także badań terenowych. Jeżeli natomiast chodzi o same badania laboratoryjne, to metoda pomiarów w przypadku każdego rodzaju wody będzie wyglądać identycznie. Po starannym przygotowaniu próbek trafią one do analizy za pomocą chromatografu jonowego, sprzężonego ze spektrometrem mas, który pozwoli określić precyzyjne stężenia substancji w danym roztworze.
— Może się zdarzyć, że zawartość specjacji chromu będzie tak mała, że trudno będzie je wykryć, rozdzielić i oznaczyć wprost za pomocą chromatografii jonowej sprzężonej ze spektrometrem mas. W takich przypadkach potrzebny jest etap przygotowania próbki do analizy, polegający na ekstrakcji do fazy stałej oraz zatężeniu roztworu. W praktyce 5 L próbki przepuszczamy przez kolumny ekstrakcyjne ze złożem, na którym osadzają się formy kationowe – Cr(III) – lub anionowe – Cr(VI). Po przepuszczeniu próbki przez kolumny, rozdzielone formy Cr(III) oraz Cr(VI) wymywamy do roztworów o małej objętości. Czyli z 5 L próbki wyjściowej otrzymujemy 5 mL próbki zatężonej tysiąc razy. Dzięki temu interesująca nas substancja będzie o wiele łatwiejsza do oznaczenia na spektrometrze mas, który pozwala nam określić stężenie chromu nawet na niskim poziomie w badanych przez nas wodach pitnych różnego typu. Omawiana procedura uwzględnia już rozdział specjacji chromu na kolumnach ekstrakcyjnych, dlatego analiza stężeń Cr(III) i Cr(VI) będzie w tym przypadku przeprowadzona tylko z wykorzystaniem spektrometru mas.
Testom zostanie również poddana procedura jednoczesnego osadzania specjacji chromu na kolumnach ekstrakcyjnych, po przeprowadzeniu Cr(III) do formy anionowej. Tak przygotowane próbki będą mogły być analizowane na chromatografie jonowym, który rozdzieli te formy od siebie – Cr(III) od Cr(VI) – a następnie ich stężenie zostanie oznaczone na spektrometrze mas. Ta procedura pozwoli ujednolicić sposób przygotowania próbek oraz ich analizę bez względu na wysokość stężenia chromu w badanych wodach — mówi mgr inż. Piotr Rusiniak, jeden z głównych wykonawców projektu.
Opisana wyżej tzw. analiza instrumentalna to jednak nie wszystko. Zebrane w laboratorium dane zostaną wykorzystane do modelowania hydrogeochemicznego przy użyciu programu Geochemist’s Workbench (GWB). Na podstawie parametrów fizykochemicznych wszystkich roztworów przeprowadzone zostanie modelowanie specjacji chromu w warstwie wodonośnej i modelowanie diagramów fazowych przedstawiających najbardziej trwałe specjacje Cr w wodzie. Mało tego, badacze planują wykonać również ocenę ryzyka dla zdrowia człowieka, związaną zarówno z całkowitą zawartością chromu, jak i form Cr(III) i Cr(VI) w badanych wodach.
Testy filtrów dzbankowych
Przy okazji projektu naukowcy postanowili też poddać testom popularne filtry dzbankowe. Doświadczenia potwierdziły ich wysoką skuteczność — zgodnie z informacjami podawanymi przez producentów faktycznie obniżają one zawartość toksycznych metali w wodzie. Eksperyment rozpoczynał się od analizy stężeń metali w surowej wodzie wodociągowej, będącej tłem dla dalszych pomiarów. Przez ponad miesiąc naukowcy codziennie przepuszczali przez filtry określoną objętość wody, sprawdzając nie tylko ich skuteczność, lecz także żywotność. Uczeni chcieli się bowiem dowiedzieć, w którym momencie eksploatacji filtrów redukcja stężenia metali nie będzie już zachodziła tak dobrze jak na początku. W prezentacji wyników badań z projektu w trakcie grudniowej konferencji naukowej na AGH można było dostrzec zdjęcie eksperymentu z porozcinanymi filtrami, co zaciekawiło niektórych uczestników.
— Skąd się wzięły rozcięte filtry dzbankowe? Mamy pomysłową studentkę, która uczestniczyła w realizacji eksperymentów dzbankowych pod opieką dr Katarzyny Wątor i doszła do wniosku, że być może warto sprawdzić, co znajduje się we wnętrzu filtrów oraz czym tak naprawdę one się od siebie różnią. Studentka podjęła się więc rozbrojenia filtrów i stwierdziła, że są one wypełnione głównie węglem aktywnym bądź opatentowanym przez firmę materiałem — odpowiada Piotr Rusiniak.
Źródło: AGH