medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2022-101-5-578-582medlit-2280Research ArticleМЕТОДЫ ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙMETHODS OF HYGIENIC AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONSМониторинг загрязнения природной воды методом флуоресцентной спектроскопииMonitoring of natural water pollution by fluorescence spectroscopyhttps://orcid.org/0000-0002-1269-3161НекрасоваЛариса ПетровнаNekrasovaLarisa P.

Канд. хим. наук, вед. науч. сотр. отд. физико-химических исследований и экотоксикологии ФГБУ «ЦСП» ФМБА России, 119121, Москва.

e-mail: LNekrasova@cspmz.ru

For correspondence: Larisa P. Nekrasova, MD, PhD, DSci., Leading Researcher of the Department of Physical and Chemical Research and Ecotoxicology, Centre for Strategic Planning and Management of Biomedical Health Risks of the Federal Medical and Biological Agency, Moscow, 119121, Russian Federation. E-mail: LNekrasova@cspmz.ru

lnekrasova@cspmz.ruФГБУ «Центр стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью» Федерального медико-биологического агентстваРоссияCentre for Strategic Planning and Management of Biomedical Health Risks of the Federal Medical and Biological AgencyRussian Federation2022070620221015578582Copyright © Некрасова Л.П., 20222022Некрасова Л.П.Nekrasova L.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/2280Введение

Введение. Экологический мониторинг состояния водоёмов является важной составляющей природоохранной деятельности. Перспективным направлением оценки качества водных объектов является определение их обобщённых показателей. Флуоресцентная спектроскопия может служить источником важной информации о состоянии водных объектов и источниках их загрязнения.

Цель исследования — методом флуоресцентной спектроскопии оценить загрязнённость воды Москвы-реки и её притоков. Выявить влияние нефтепродуктов на спектры флуоресценции речной воды.

Материалы и методы

Материалы и методы. Объектом исследования являлась вода из Москвы-реки и её притоков: Пахры, Котловки, Сетуни. Пробы воды из Москвы-реки отобраны в черте города на разных участках, для которых характерна различная степень загрязнённости. Спектры флуоресценции воды измеряли на спектрофлуориметре СМ 2203 (ЗАО «Солар», Беларусь), общий органический и неорганический углерод — на анализаторе общего углерода TOC-VCHP (Shimadzu, Япония).

Результаты

Результаты. Характер спектров флуоресценции Москвы-реки и её притоков в отсутствие значимых антропогенных загрязнений характеризуется относительным постоянством. Бактериальное загрязнение и загрязнение ароматическими соединениями антропогенного происхождения, в том числе нефтепродуктами, приводят к увеличению интенсивности флуоресценции в коротковолновой части спектра. Коэффициент корреляции между оптической плотностью при длине волны 254 нм и содержанием растворённого органического углерода (РОУ) для исследованных проб составил 0,66, а между интенсивностью флуоресценции при длине волны 400 нм и РОУ — 0,74.

Ограничение исследования

Ограничение исследования. Метод не может быть использован для количественного определения индивидуальных веществ, предназначен для полуколичественной оценки загрязнённости воды.

Заключение

Заключение. Измерение спектров флуоресценции и содержания общего органического углерода позволяет дать общую оценку загрязнённости водного объекта (что особенно актуально для пробы неизвестного состава) и выбрать оптимальную схему его целевого анализа. Высокие значения РОУ и интенсивности флуоресценции при 320 нм с высокой вероятностью свидетельствуют о химическом загрязнении воды, а значения РОУ, характерные для водного объекта, и высокие интенсивности флуоресценции при 320 нм — о бактериальном.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование

Финансирование. Исследование поддержано государственным контрактом «Проведение аналитического обзора для определения приоритетных химических поллютантов в сточных водах мегаполиса и водных объектах, ими загрязнённых».

Поступила

Поступила: 16.03.2022 / Принята к печати: 21.04.2022 / Опубликована: 31.05.2022

Introduction

Introduction. Environmental monitoring of the state of water bodies is an important component of environmental protection. A promising direction for assessing the quality of water bodies is to determine their generalized indicators. Fluorescence spectroscopy can serve as a source of important information about the state of water bodies and sources of their pollution.

Purpose of the study — to assess the water pollution of the Moskva River and its tributaries using the fluorescence spectroscopy method. To reveal the influence of oil products on the fluorescence spectra of river water.

Materials and methods

Materials and methods. The object of the study was water from the Moskva River and its tributaries: Pakhra, Kotlovka, Setun. Water samples from the Moskva River were taken in different parts of the city, which are characterized by varying degrees of pollution. Water fluorescence spectra were measured with SM2203 spectrofluorimeter (ZAO Solar, Belarus), total organic and inorganic carbon, on a TOC-VCHP total carbon analyzer (Shimadzu, Japan).

Results

Results. The nature of the fluorescence spectra of the Moskva River and its tributaries in the absence of significant anthropogenic pollution are characterized by relative constancy. Bacterial pollution and pollution with aromatic compounds of anthropogenic origin, including oil products, leads to an increase in the fluorescence intensity in the short-wavelength part of the spectrum. The correlation coefficient between the optical density at a wavelength of 254 nm and the content of dissolved organic carbon (DOC) for the studied samples was 0.66, and between the fluorescence intensity at a wavelength of 400 nm and DOC was 0.74.

Limitations

Limitations. The method cannot be used for the quantitative determination of individual substances; it is intended for a semi-quantitative assessment of water pollution.

Conclusion

Conclusion. Measurement of fluorescence spectra and total organic carbon makes it possible to give a general assessment of the contamination of a water body (which is especially important for a sample of unknown composition) and to choose the optimal scheme for its targeted analysis. High dissolved organic carbon (DOC) values and high fluorescence intensity at 320 nm are highly likely to indicate chemical contamination of water, while DOC values characteristic of a water body and high fluorescence intensity at 320 nm indicate bacterial contamination.

Conflict of interest

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Acknowledgement

Acknowledgement. The study was supported by the state contract “Conducting an analytical review to identify priority chemical pollutants in the wastewater of the metropolis and water bodies polluted by them.”

Received

Received: March 16, 2022 / Accepted: April 21, 2022 / Published: May 31, 2022

спектры флуоресценциирастворённый органический углеродприродная воданефтепродуктыfluorescence spectradissolved organic carbonnatural wateroil productsReferencesГосударственный доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2015 году». М.: НИА-Природа; 2016.State report «On the state and use of water resources of the Russian Federation in 2015». Moscow: NIA-Priroda; 2016. (in Russian)Золотов Ю.А. Новая парадигма аналитического контроля. Экология и промышленность России. 2006; (3): 38-40.Zolotov Yu.A. A new paradigm of analytical checkup: from componentwise analysis to estimation of integrated parameters. Ekologiya i promyshlennost’ Rossii. 2006; (3): 38–40. (in Russian)Золотов Ю.А. Определение интегральных показателей как задача аналитической химии. Журнал аналитической химии. 2004; 59(7): 677.Zolotov Yu.A. Determination of integral indicators as a task of analytical chemistry. Zhurnal analiticheskoy khimii. 2004; 59(7): 677. (in Russian)Романовская Г.И. Проблемы аналитической химии. Люминесцентный анализ. М.: Наука; 2015.Romanovskaya G.I. Problems of Analytical Chemistry. Luminescent Analysis [Problemy analiticheskoy khimii. Lyuminestsentnyy analiz]. Moscow: Nauka; 2015. (in Russian)Некрасов В.В. Проблемы мониторинга безопасности стстем централизованного водоснабжения и перспективы их решения. Российский химический журнал. 2005; 49(4): 92-101.Nekrasov V.V. Problems of monitoring the safety of centralized water supply systems and prospects for their solution. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal. 2005; 49(4): 92–101. (in Russian)Khan M.F.S., Akbar M., Wu J., Xu Z. A review on fluorescence spectroscopic analysis of water and wastewater. Methods Appl. Fluoresc. 2021; 10(1). https://doi.org/10.1088/2050-6120/ac3d79Khan M.F.S., Akbar M., Wu J., Xu Z. A review on fluorescence spectroscopic analysis of water and wastewater. Methods Appl. Fluoresc. 2021; 10(1). https://doi.org/10.1088/2050-6120/ac3d79Кузнецова А.В., Винокуров И.Ю. Применение флуориметрического метода для биоиндикации качества вод. Вода: химия и экология. 2011; (3): 58-65.Kuznetsova A.V., Vinokurov I.Yu. Application of the fluorimetric method for bioindication of water quality. Voda: khimiya i ekologiya. 2011; (3): 58–65. (in Russian)Мошарова И.В., Ильинский В.В., Маторин Д.Н., Мошаров С.А., Акулова А.Ю., Протопопов Ф.Ф. Мониторинг вод реки Москва с помощью микробиологических параметров и флуоресценции хлорофилла А. Микробиология. 2015; 84(6): 712-24. https://doi.org/10.7868/S0026365615060075Mosharova I.V., Il’inskiy V.V., Matorin D.N., Mosharov S.A., Akulova A.Yu., Protopopov F.F. Monitoring of the Moskva river water using microbiological parameters and chlorophyll A fluorescence. Mikrobiologiya. 2015; 84(6): 712–24. https://doi.org/10.7868/S0026365615060075 (in Russian)Салюк П.А., Дорошенков И.М., Букин О.А., Соколова Е.Б., Бауло Е.Н. Изменения свойств флуоресценции морской воды при ее перемешивании с нефтью. Оптика атмосферы и океана. 2014; 27(5): 443-8.Salyuk P.A., Doroshenkov I.M., Bukin O.A., Sokolova E.B., Baulo E.N. Change of seawater fluorescence properties when mixing with crude oil. Optika atmosfery i okeana. 2014; 27(5): 443–8. (in Russian)Дроздова А.Н., Пацаева С.В., Хунджиа Д.А. Флуоресценция растворенного органического вещества как маркер распространения пресных вод в Карском море и заливах архипелага Новая земля. Океанология. 2017; 57(1): 49-56. https://doi.org/10.7868/S0030157417010038Drozdova A.N., Patsaeva S.V., Khundzhia D.A. Fluorescence of dissolved organic matter as a marker for distribution of desalinated waters in the Kara sea and bays of Novaya Zemlya archipelago. Okeanologiya. 2017; 57(1): 49–56. https://doi.org/10.7868/S0030157417010038 (in Russian)Hidayah E.N., Pramitasari Y.N., Hsien Y.H., Cahyonugroho O.H. Fluorescence organic carbon components and its correlation with bulk organic parameters in water treatment processes. J. Appl. Sci. Eng. 2020; 23(3): 391-6. https://doi.org/10.6180/jase.202009_23(3).0002Hidayah E.N., Pramitasari Y.N., Hsien Y.H., Cahyonugroho O.H. Fluorescence organic carbon components and its correlation with bulk organic parameters in water treatment processes. J. Appl. Sci. Eng. 2020; 23(3): 391–6. https://doi.org/10.6180/jase.202009_23(3).0002Некрасова Л.П., Кочеткова М.Г., Рыжова И.Н., Михайлова Р.И. Применение абсорбционной и флуоресцентной спектроскопии для решения задач контроля качества воды. Системные технологии. 2020; (4): 53-60Nekrasova L.P., Kochetkova M.G., Ryzhova I.N., Mikhaylova R.I. Application of absorption and fluorescence spectroscopy for solving problems of water quality control. Sistemnye tekhnologii. 2020; (4): 53–60. (in Russian)Ghervase L., Carstea E.M., Savastru D., Pavelescu G. Fluorescence evaluation of drinking water organic contamination. Environ. Eng. Manag. J. 2010; 9(11): 1497-501. https://doi.org/10.30638/eemj.2010.202Ghervase L., Carstea E.M., Savastru D., Pavelescu G. Fluorescence evaluation of drinking water organic contamination. Environ. Eng. Manag. J. 2010; 9(11): 1497–501. https://doi.org/10.30638/eemj.2010.202Nekrasova L.P., Kochetkov P.P. Transformation of phenol, resorcinol, pyrocatechol and hydroqunone in water under exposure to low doses of UV-radiation. J. Appl. Spectrosc. 2021; 88(4): 807-15. https://doi.org/10.1007/s10812-021-01244-xNekrasova L.P., Kochetkov P.P. Transformation of phenol, resorcinol, pyrocatechol and hydroqunone in water under exposure to low doses of UV-radiation. J. Appl. Spectrosc. 2021; 88(4): 807–15. https://doi.org/10.1007/s10812-021-01244-xНекрасова Л.П., Малышева А.Г., Абрамов Е.Г. Трансформация фенола и двухатомных фенолов в поверхностной воде под действием природных физико-химических факторов. Гигиена и санитария. 2019; 98(11): 1206-11. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-11-1206-1211Nekrasova L.P., Malysheva A.G., Abramov E.G. Transformation of phenol and diatomic phenols in surface water under the impact of natural physical and chemical factors. Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal). 2019; 98(11): 1206–11. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-11-1206-1211 (in Russian)Sorensen J.P.R., Lapworth D.J., Marchant B.P., Nkhuwa D.C.W., Pedley S., Stuart M.E., et al. In-situ tryptophan-like fluorescence: A real-time indicator of faecal contamination in drinking water supplies. Water Res. 2015; 81: 38-46. https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.05.035Sorensen J.P.R., Lapworth D.J., Marchant B.P., Nkhuwa D.C.W., Pedley S., Stuart M.E., et al. In-situ tryptophan-like fluorescence: A real-time indicator of faecal contamination in drinking water supplies. Water Res. 2015; 81: 38–46. https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.05.035Bulycheva E.V., Korotkova E.I., Voronova O.A., Kustova A.A., Petrova E.V. Procedia Chem. 2014; 10: 179-83. https://doi.org/10.1016/j.proche.2014.10.031Bulycheva E.V., Korotkova E.I., Voronova O.A., Kustova A.A., Petrova E.V. Procedia Chem. 2014; 10: 179–83. https://doi.org/10.1016/j.proche.2014.10.031Huang M.F., Song Q.J., Xing X.F., Jian W.J., Liu Y., Zhao Z.L. Analysis of fluorescence spectrum of petroleum-polluted water. Guang Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi. 2014; 34(9): 2466-71. (in Chinese)Huang M.F., Song Q.J., Xing X.F., Jian W.J., Liu Y., Zhao Z.L. Analysis of fluorescence spectrum of petroleum-polluted water. Guang Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi. 2014; 34(9): 2466–71. (in Chinese)Дедков Ю.М. Современные проблемы аналитической химии сточных вод. Российский химический журнал. 2002; 46(4): 11-7.Dedkov Yu.M. Modern problems of analytical chemistry of waste waters. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal. 2002; 46(4): 11–7. (in Russian)Горшкова О.М., Пацаева С.В., Федосеева Е.В. Шубина Д.М., Южаков В.И. Флуоресценция растворенного органического вещества природной воды. Вода: химия и экология. 2009; (11): 31-9.Gorshkova O.M., Patsaeva S.V., Fedoseeva E.V. Shubina D.M., Yuzhakov V.I. Fluorescence of organic matter dissolved in natural water. Voda: khimiya i ekologiya. 2009; (11): 31–9. (in Russian)Новиков М.А., Харламова М.Н. Исследование спектральных характеристик флуоресценции природных вод Кольского полуострова. Труды ВНИРО. 2016; 161: 181-93.Novikov M.A., Kharlamova M.N. Investigation of the spectral characteristics of the fluorescence of the Kola Peninsula natural waters. Trudy VNIRO. 2016; 161: 181–93. (in Russian)Синельников В.Е., Хмылев А.Н. Определение содержания органических веществ в природных водах с помощью спектров флуоресценции в видимой и ультрафиолетовой областях. Гидрохимические материалы. 1987; 98: 125-40.Sinelnikov V.E., Khmylev A.N. Determination of the content of organic substances in natural waters using fluorescence spectra in the visible and ultraviolet regions. Gidrokhimicheskie materialy. 1987; 98: 125–40. (in Russian)Харламова М.Н., Новиков М.А. Спектральный анализ происхождения флуоресцирующей части растворенного органического вещества природных вод. В кн.: Поморье в Баренц-регионе на рубеже веков: экология, экономика, культура. Материалы международной конференции. Архангельск; 2000: 245-6.Kharlamova M.N., Novikov M.A. Spectral analysis of the origin of the fluorescent part of the dissolved organic matter of natural waters. In: Pomerania in the Barents Region at the Turn of the Century: Ecology, Economy, Culture. Materials of the International Conference [Pomor’e v Barents-regione na rubezhe vekov: ekologiya, ekonomika, kul’tura. Materialy mezhdunarodnoy konferentsii]. Arhangel’sk; 2000: 245–6. (in Russian)Худжуа Д.А., Пацаева С.В., Трубецкой О.А., Трубецкая О.Е. Анализ растворенного вещества пресноводных озер Карелии обратно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографией с одновременной регистрацией оптической плотности и флуоресценции. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2017; (1): 66-73.Khudzhua D.A., Patsaeva S.V., Trubetskoy O.A., Trubetskaya O.E. An analysis of dissolved organic matter from freshwater Karelian lakes using reversed-phase high-performance liquid chromatography with online absorbance and fluorescence analysis. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 3. Fizika. Astronomiya. 2017; (1): 66–73. (in Russian)Zhu G.C., Bian Y.N., Hursthouse A.S., Wan P., Szymanska K., Ma J.Y., et al. Application of 3-D fluorescence: characterization of natural organic matter in natural water and water purification systems. J. Fluoresc. 2017; 27(6): 2069-94. https://doi.org/10.1007/с10895-017-2146-7Zhu G.C., Bian Y.N., Hursthouse A.S., Wan P., Szymanska K., Ma J.Y., et al. Application of 3-D fluorescence: characterization of natural organic matter in natural water and water purification systems. J. Fluoresc. 2017; 27(6): 2069–94. https://doi.org/10.1007/с10895-017-2146-

The authors declare that there are no conflicts of interest present.