روشهای تشخیص آب آلوده

چکیده

فن آوری های نظارت بر آب به طور گسترده ای برای شناسایی آلاینده ها در طیف گسترده ای از برنامه های زیست محیطی آب،
مانند تصفیه خانه و سیستم توزیع آب استفاده می شود.
در طی دهه های گذشته تحقیقات عظیمی برای توسعه تکنیک های قوی و کارآمد برای شناسایی آلاینده ها با حداقل هزینه و انرژی عملیاتی انجام شده است.

تحولات اخیر در تکنیک های طیف سنجی و رویکرد بیوسنسور حساسیت های تشخیصی را از نظر کمی و کیفی بهبود داده است.
در دسترس بودن اندازه گیری های درجا و تجزیه و تحلیل های متعدد ،
برنامه های نظارت بر آب را در تکنیک های مختلف پیشرفته،
از جمله استقرار موفقیت آمیز در دستگاه های سنجش دستی گسترش داده است ،
که قابلیت حمل و نقل را در زمان واقعی برای تشخیص آلاینده ها مانند میکروارگانیسم ها ، سموم دفع آفات ، بهبود می بخشد.

این مقاله قصد دارد تا پیشرفت های فن آوری های نظارت بر کیفیت آب را برای شناسایی آلاینده های بیولوژیکی و شیمیایی،
مطابق با محدودیت های ابزاری بررسی کند.

به طور خاص ، این بررسی بر روی تکنیک های اخیراً توسعه یافته برای کاربردهای تشخیص آلودگی آب تمرکز دارد.
چندین توصیه و دیدگاه احتمالی در مورد تحولات ارزیابی کیفیت آب نیز گنجانده خواهد شد.

مقدمه

تولید زباله از طریق کشاورزی ، فاضلاب صنعتی ، حیوانات و فعالیت های انسانی بر مرزهای بین آب تمیز و فاضلاب تأثیر می گذارد،
و باعث کاهش تأمین آب شیرین برای انسان می شود.

بوم شناسی آب خدماتی مانند تولید غذا ، چرخه مواد مغذی ، تأمین زیستگاه ، تنظیم سیل ،
تصفیه آب و تشکیل خاک را فراهم می کند.

آلاینده های بیولوژیکی و شیمیایی در  آب  آشامیدنی ، تکامل بیماری های مسری را آغاز می کند.
بنابراین ، تکنیک های تشخیص سریع و حساس برای اطمینان از تأمین آب سالم و پاک بسیار مهم هستند.

تأمین آب غیر ایمن بر سلامت انسان تأثیر می گذارد و باعث بیماری های مسری مانند هپاتیت ، آنفلوانزا ، سارس،
ذات الریه ، زخم معده و بیماری ریوی می شود.

آلودگی های غیر بیولوژیکی زیادی در تأمین آب وجود دارد و برخی از این نمونه ها سیلیس ، سدیم ، گوگرد ، آمونیاک و کلر است.
سایر مواد خطرناک فلزات سنگین مانند کادمیوم (Cd) ، سرب (Pb) ، آرسنیک (As) ، جیوه (Hg) و نیکل (Ni)،
نیز در تأمین آب یافت می شوند.

این آلاینده های غیر بیولوژیکی از جمله آلاینده هایی هستند که معمولاً در مناطق شهری شناسایی می شوند،
و مجموعه وسیعی از فعالیت های انسانی را تشکیل می دهند.

بخشنامه حفظ کیفیت آب

حفظ کیفیت آب از زمان ارائه بخشنامه ۹۱/۲۷۱ / EEC تنظیم شده است ،
که به فرآیند تصفیه دقیق برای آلودگی های آلی ،نیتروژن و فسفر نیاز دارد.

علاوه بر این آلاینده ها ، نگرانی دیگر در مورد کیفیت آب شامل وجود آلاینده های میکروبی در  آب  آشامیدنی،
در هنگام مصرف است.
استخراج فعالیت بیماری زا در تأمین آب نه تنها انسان بلکه کل اکوسیستم آب را تهدید می کند.

میکروارگانیسم های بیماریزا را می توان در باکتری ها (به عنوان مثال ، سالمونلا تیفی ، ویبریو وبا و شیگلا) ،
ویروس ها (به عنوان مثال ، پولیو ویروس و پروتوزوآ) دسته بندی کرد.

این نوع میکروارگانیسم ها به طور دوره ای در نمونه های آب رودخانه ، آب زیرزمینی و آب آشامیدنی شناسایی شده اند.
از این رو ، به حداقل رساندن قرار گرفتن در معرض بیماری های کشنده از طریق تشخیص زودهنگام هشدار در مورد وجود عوامل بیماری زا مهم است.

طبق سازمان بهداشت جهانی (WHO) ، بیشترین میکروارگانیسم های موجود در منابع آب آشامیدنی،
Cryptosporidium ، Legionella ، Pseudomonas ، Giardiaهستند.

روش های نظارتی برآب

اخیراً ، فناوری های تحلیلی در پایش آب جهت های مختلفی را اتخاذ کرده اند.
چندین روش نظارت بر آب وجود دارد ، از جمله:

• تجزیه و تحلیل ابزاری معمولی (تجزیه و تحلیل مبتنی بر آزمایشگاه)
• رویکرد قرار دادن سنسور
• تشخیص رویداد مبتنی بر مدل
• دستگاه های میکروسیالی
• روش طیف سنجی و حسگرهای زیستی
  انتخاب روش (های) تشخیص مناسب به شدت به هدف تجزیه و تحلیل تشخیص در نظر گرفته شده بستگی دارد ،
  خواه به اندازه گیری کمی ، کیفی یا ترکیبی نیاز دارد.حسگرهای بیولوژیکی و شیمیایی برای استفاده در فناوری نظارت بر آب تقاضای زیادی داشته اند،
  و به نظر می رسد برای ادغام دستگاه و تجاری سازی امکان پذیر است.

شناسایی آب آلوده

پیش از این ، شناسایی آلاینده های آب اغلب به صورت دستی در تأسیسات آزمایشگاه آب انجام می گرفت.
در سطح آزمایشگاهی ، تجزیه و تحلیل ها معمولاً توسط پرسنل ماهر و با استفاده از فن آوری های پیشرفته و پیشرفته انجام می شود.

به طور معمول ، روش لوله تخمیر چندگانه ،روش فیلتراسیون ، تقویت ، تکنیک های هیبریداسیون درجا (FISH) فلورسانس،
الکتروفورز مویرگی ، تقسیم جریان میدان ، کروماتوگرافی،و طیف سنجی جرمی ابزارهایی هستند،
که معمولاً برای شناسایی آلاینده ها در نمونه های آب استفاده می شوند.

مزایای بالقوه روشهای تحلیلی مبتنی بر آزمایشگاه برای مدت طولانی شناخته شده است ،
اما مطالعات نشان داده است که آنها برای برنامه های نظارت بر محل بسیار کارآمد نیستند.

با پیشرفت تکنولوژی در شیمی تحلیلی ، تکنیک های جدیدی از طریق معرفی طیف سنجی پیشرفته ،
تشخیص رویداد مبتنی بر مدل  ، سنسورهای کیفیت آب ، میکروسیالات  و حسگرهای زیستی .
اخیراً ، شبکه حسگر بی سیم در تکنیک های مختلف تشخیص برای قابلیت حمل و نقل سازگار شده است.

تشخیص آلودگی توسطEPA

یک روش جایگزین برای تشخیص آلودگی نیز توسط EPA برای تعیین بی نظمی پارامترهای کیفیت آب به دست آمده از مکانیزم سنجش برای هشدار زودرس وجود احتمالی آلاینده ها پیشنهاد شده است.

دستیابی به سیستم تشخیص زودهنگام با استفاده از ایستگاه داده های حسگر چندگانه در محل ،
در مقایسه با داده های یک سایت منفعت بیشتری دارد .

بیشتر پارامترهای کیفیت آب به عنوان شاخص های اصلی برای حوادث آلودگی در WDS استفاده می شود،
که از یک پایگاه داده آنلاین مانند پایگاه داده بدست می آیند.

هدف اصلی روش تشخیص رویداد این است که
(۱) شناسایی احتمال وقوع رویداد
(۲) مشخص کردن رویداد به زیر گروه (به عنوان مثال ، منطقه فضایی ، مدت زمان و سطح شدت)
(۳) تشخیص آلودگی به طور دقیق و در اسرع وقت دستیابی به پاسخ های بهینه برای علائم اولیه آلودگی های احتمالی در WDS برتر است.
برای به حداقل رساندن شیوع شیوع ، تشخیص سریع و حساس پاتوژن ها مهم است.

از آنجا که انواع مختلفی از آلاینده ها می توانند در WDS وجود داشته باشند ،
رویکرد مورد به مورد برای تجزیه و تحلیل کمی و کیفی دقیق لازم است.

برای حل این مشکلات ، دستگاه های دستی مانند سنسورهای میکروسیال ،
حسگرهای زیستی کوچک شده و همچنین طیف سنجی قابل حمل به طور گسترده ای در نظر گرفته شده اند.

امروزه سیستم عامل های آزمایشگاهی روی تراشه که به مایکروسکوپی مایعات (۱۰-۹-۱۰-۱۰۱۸ لیتر) نیاز دارند ،
برای نمونه برداری ، فیلتراسیون ، غلظت قبل ، جداسازی و تشخیص مولکول های زیستی یا آنالیت ها قابل دستیابی است.
میکروسیال کانالهایی با ابعاد تا صدها میکرومتر (μm) را تشکیل می دهد.
ادغام سنسورهای میکروسیال یک قضیه چند رشته ای را برای سنجش تشکیل می دهد .

این نوع حسگرها به طور گسترده ای در مطالعات زیست پزشکی ، علوم ، ژنومیک ، پزشکی قانونی و زیست محیطی،
و کاربردهای ایمونولوژی یا بیوشیمی مورد استفاده قرار می گیرد.

دستگاه های طیف سنجی ارتعاشی که بیشترین استفاده را در فناوری پایش آب دارند ،
طیف سنج های مادون قرمز (IR) و رامان هستند.

طیف سنجی ارتعاشی براساس تطابق جذب تابش به یک سطح انرژی گسسته است،
که از کشش یا خمش ارتعاشات مولکول اتم در فرکانس های ۱۰۱۲-۱۰۱۴ هرتز تولید می شود.

در سال های اخیر ، ادغام تکنیک های سنسور زیستی و طیف سنجی با دستگاه های میکروسیال دیجیتال (DMF)،
به طور گسترده ای برای استفاده در تشخیص آلاینده ها مورد بررسی قرار گرفته است.

با این حال ، دو نگرانی عمده در مورد دستگاه DMF حذف کامل آنالیت ها از سطح سنجش DMF ،
و جدا کردن آنالیت های هدف از گیرنده های حسگر برای هر چرخه سنجش است.