Giám Sát Hệ Sinh Thái Sông Và Hồ Bằng Máy Quang Phổ

GIỚI THIỆU

Hiện nay, nhu cầu về nước, thực phẩm và năng lượng ngày càng tăng đòi hỏi chúng ta phải hiểu sâu hơn về các quá trình của hệ sinh thái nước ngọt và cách quản lý bền vững. Nước ngọt giữ vai trò thiết yếu cho sự sống con người, góp phần vào an ninh nước toàn cầu, sản xuất lương thực và phát triển kinh tế. Các hệ sinh thái này, đặc biệt là ở hồ và sông, không chỉ cung cấp nguồn nước uống, năng lượng, giao thông, giải trí mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo tồn đa dạng sinh học và là mắt xích không thể thiếu trong chu trình sinh thái. Tuy nhiên, áp lực từ các hoạt động của con người, biến đổi khí hậu và sự gia tăng dân số đang đe dọa sự đa dạng sinh học và sức khỏe của các hệ sinh thái, nhất là do hệ thống nước ngọt dễ bị tổn thương bởi những thay đổi môi trường. Mặc dù chiếm diện tích nhỏ trên bề mặt Trái đất, các hệ sinh thái nước ngọt lại chứa đựng một sự đa dạng sinh học phong phú, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng sinh thái toàn cầu. Đáng tiếc là chúng đang phải đối mặt với tỷ lệ suy giảm đa dạng sinh học cao nhất. Với việc nhiều người phụ thuộc vào lợi ích từ các con sông, giám sát hệ sinh thái sông hồ là vô cùng quan trọng để quản lý tài nguyên nước, bảo vệ đa dạng sinh học và đánh giá các biến đổi môi trường. Các nhà khoa học hiện đang tích cực sử dụng các công nghệ như quang phổ với mục đích theo dõi sự ổn định và sức khỏe của các dòng nước và môi trường xung quanh.

PHƯƠNG PHÁP

Phương pháp sử dụng máy quang phổ để theo dõi hệ sinh thái sông và hồ dựa trên việc phát hiện các bước sóng ánh sáng phản xạ hoặc hấp thụ bởi nước. Các đặc điểm khác nhau của nước, chẳng hạn như chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và chất ô nhiễm, tương tác với ánh sáng theo những cách riêng biệt, cho phép máy quang phổ định lượng các thông số này.
Nhiều nghiên cứu đã ghi nhận việc sử dụng các thiết bị quang phổ UV-VIS trên mặt đất để theo dõi chất lượng nước từ xa, lâu dài. Quang phổ UV- Vis sử dụng tia cực tím (200–400 nm) và ánh sáng khả kiến (400–700 nm) để phân tích nước, tia cực tím và ánh sáng khả kiến được truyền qua hoặc phản xạ từ nước , các chất khác nhau hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng cụ thể dựa trên thành phần phân tử và nồng độ của chúng.
Sự hấp thụ các bước sóng ánh sáng cụ thể của các hợp chất khác nhau trong nước cho phép định lượng các thông số hệ sinh thái quan trọng liên quan đến sức khỏe của hệ sinh thái bao gồm nồng độ Nitrat, Photphat, DOM (chất hữu cơ hòa tan), Diệp lục, COD (Nhu cầu oxy hóa học), v.v.

KẾT QUẢ

Hình 3. Nồng độ diệp lục a (mg/L) trong các mẫu nước hồ. Các mẫu nước được thu thập tại ba điểm và sự khác biệt về nồng độ diệp lục a được đo bằng máy quang phổ mô-đun được cấu hình để hấp thụ. OD: mật độ quang. Được cung cấp bởi Yvette Mattley.

Hình 3 minh họa nồng độ diệp lục a trong ba mẫu được thu thập tại ba điểm khác nhau trên bề mặt hồ với phổ hấp thụ, đỉnh 440nm cho biết sự hiện diện của diệp lục a trong các mẫu. Sự khác biệt trong phổ của ba mẫu cho thấy nồng độ khác nhau, bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ nước, diện tích tiếp xúc với ánh sáng mặt trời và nồng độ chất dinh dưỡng trong có trong mẫu. Các thí nghiệm tương tự cũng có thể được thực hiện trong nước sông, nơi nồng độ diệp lục thay đổi tùy theo thời gian lưu trú (khoảng thời gian hóa chất tồn tại trong nước), theo dòng chảy của sông và các yếu tố khác.

Hình 4. Độ hấp thụ tia UV của các mẫu nước mặt được thu thập bằng máy quang phổ UV-VIS cầm tay. Cường độ tín hiệu khác nhau giữa nước hồ, tuyết trên mặt đất và tuyết chảy tràn. Sự hiện diện của chất gây ô nhiễm có thể được chỉ ra bằng độ hấp thụ mạnh trong phạm vi tia UV. Các mẫu được thu thập tại Mt. Spokane, Wash. Được cung cấp bởi Derek Guenther

Một thí nghiệm khác thiết kế để đo các thông số của tuyết với một hệ thống năng lượng mặt trời có thể đo mức độ phản xạ. Mục tiêu là phát hiện sự hiện diện của bụi, cacbon đen và tảo, những yếu tố có thể ảnh hưởng đến tốc độ tan chảy của tuyết, tính chất hóa học của dòng chảy và phú dưỡng (tích tụ chất dinh dưỡng và khoáng chất) của nước sau khi chảy vào các dòng suối và sông trên núi gần đó. Kết quả trong Hình 4 chỉ ra sự hiện diện của các hạt trong các mẫu khác nhau do độ hấp thụ ở đỉnh 210nm, chất gây ô nhiễm trong Nước hồ Florida cao hơn nhiều so với hai mẫu khác.

THIẾT BỊ

Máy quang phổ:
Máy quang phổ đa bước sóng có thể xác định nồng độ của một số yếu tố nước cụ thể (UV254, nitrat) thông qua độ hấp thụ của bước sóng đã chọn. Máy quang phổ hiệu suất cao QEPro là thiết bị phù hợp để đo với dải động lớn (85000) có thể phát hiện cả mức tín hiệu rất thấp và rất cao, giúp linh hoạt trong việc theo dõi các thông số chất lượng nước khác nhau, với dải bước sóng rộng từ 200 nm đến 1100 nm cho phép phát hiện nhiều chỉ số chất lượng nước, từ tia cực tím (UV) đến ánh sáng khả kiến, những yếu tố này rất quan trọng để phân tích các chất như chất dinh dưỡng, chất hữu cơ và chất gây ô nhiễm. Bên cạnh đó, độ phân giải quang học của QEPro khoảng 1,2 nm FWHM đảm bảo phân tích quang phổ một cách chi tiết, giúp phân biệt giữa các đặc điểm hấp thụ gần nhau trong các mẫu nước phức tạp. Các đặc điểm này kết hợp lại khiến QEPro trở thành lựa chọn tuyệt vời để theo dõi chi tiết và chính xác các hệ sinh thái dưới nước, cung cấp thông tin chi tiết quan trọng về chất lượng nước và sức khỏe của hệ sinh thái.

Hình 1. Máy quang phổ hiệu suất cao QEPro

Nguồn sáng cho quang phổ UV-Vis:
Nguồn sáng được lựa chọn dựa trên các yêu cầu chính như phổ phù hợp, Cường độ, Độ ổn định, Tuổi thọ, v.v. Ở đây chúng tôi khuyên dùng nguồn sáng UV-LIS-NIR DH-2000 để chiếu sáng sử dụng đèn xenon, deuterium và halogen vonfram để có thể bao phủ nhiều phân đoạn bước sóng khác nhau từ 200-2500 nm, sử dụng được cho nhiều ứng dụng như hấp thụ, truyền qua, phản xạ, v.v.

Hình 2. Nguồn sáng UV-VIS- NIR

Ngoài ra, INTINS còn cung cấp thêm các mặt hàng và phụ kiện để bổ sung và nâng cao hệ thống đo lường. Bằng cách cung cấp một loạt các công cụ toàn diện, INTINS đảm bảo rằng người dùng có thể tùy chỉnh và điều chỉnh các hệ thống giám sát chất lượng nước để đạt được kết quả chính xác và hiệu quả hơn trong các đánh giá hệ sinh thái theo thời gian thực.

KẾT LUẬN

Giám sát hệ sinh thái sông và hồ bằng máy quang phổ, đặc biệt là quang phổ UV- Vis , là một kỹ thuật mạnh mẽ, không xâm lấn để hiểu và bảo tồn được các nguồn tài nguyên nước. Máy quang phổ có thể phát hiện các chỉ số chất lượng nước thiết yếu theo thời gian thực bằng cách đo cách các hợp chất trong nước hấp thụ các bước sóng ánh sáng cụ thể, chẳng hạn như mức độ dinh dưỡng, chất hữu cơ hòa tan và chất gây ô nhiễm một cách đáng tin cậy. Công nghệ này cung cấp một giải pháp thay thế nhanh chóng, không cần thuốc thử để giám sát hệ sinh thái liên tục trên quy mô lớn, cho phép quản lý hiệu quả hơn các nguồn tài nguyên nước hiệu quả. Trong bối cảnh các hoạt động của con người và biến đổi khí hậu gây ra những mối đe dọa mới đối với các hệ sinh thái dưới nước như hiện nay, phép quang phổ sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc bảo vệ đa dạng sinh học và đảm bảo chất lượng nước lâu dài.