传感器用于检测农药和重金属的相似性

文摘

水是生命必不可少的每一个生活在地球上。然而,我们正面临着更加严重的水污染自工业革命等情况。幸运的是,许多努力来缓解/恢复水质的相似性。众多传感器已经发展为生态监测水质的动态变化,早期预警和保护的原因。在目前的审查中,我们简要介绍了两种主要污染物的污染现状,即。、农药和重金属,全世界的相似性。然后,我们收集的数据的传感器用于检测两类污染物的相似性。特别被关注传感器的灵敏度的检测极限(LOD),传感器类型和应用水体。我们的研究结果显示,大多数的传感器可以应用流和河水。平均LOD ng / ml ( )对所有农药,显著高于重金属( ng / ml, )。然而,相当一部分的钟表杀虫剂和重金属传感器高于标准最大浓度为水生生物或极限最大污染物浓度为饮用水。对农药传感器,平均的钟表没有杀虫剂之间的差异( ng / ml, ),除草剂( ng / ml, ),和杀真菌剂( ng / ml, )。传感器中钟表是不同类型的生物传感器灵敏度最高,而电化学光学和biooptical传感器显示灵敏度最低。重金属传感器的敏感性不同重金属和传感器类型之一。大多数的传感器是针对铅、镉、汞、铜使用电化学方法。这些结果暗示未来发展农药和重金属传感器应(1)加强对符合要求的水生生态系统和人类健康保护和(2)覆盖更多不同的杀虫剂和重金属尤其是有毒污染物,被广泛使用,经常被发现的相似性(如草甘膦、杀真菌剂、锌、铬、砷)。

1。介绍

百分之七十一的地球被水覆盖,这是一个至关重要的必要的生物生活在地球上。尽管淡水仅占不到3%的地球上所有的水,我们的日常生活比咸水与淡水。然而,许多淡水生态系统已经被人为污染的活动包括三个最主要贡献者:人类定居点,工业和农业(1- - - - - -3]。例如,超过100000种化学物质(如农药)注册现在,大部分都与我们的日常生活中;这些化学物质可以不可避免地进入淡水河4]。此外,超过一半的总生产的化学物质是对环境有害5]。在拉丁美洲、非洲和亚洲,1/3,1/7和1/10的小溪和河流已经受到病原体(如粪便大肠杆菌)、有机(例如,生化需氧量(BOD)),和盐度(例如,总溶解固体(TDS))污染(6]。在全国范围内调查,水质~我们1/3的小溪和河流是由环境保护署(EPA)评估,结果显示,55%的河流被归类为受损。细菌、泥沙和养分被确定为河流污染的三个最重要的原因在这个调查7]。的相似性在像中国这样的发展中国家面临更严重的污染情况。据估计,中国~ 60%的地下水分为差或很差,数量甚至更高(~ 80%)在17个北部省份8]。受损的水质负面影响水生生物和水体产生重大威胁,以极大的影响水生生态系统水平从个人到分水岭(9- - - - - -13]。更重要的是,人类健康风险也如果无法访问(清洁的饮用水4]。据估计,世界上82%的淡水资源的人口是高水平的威胁下,情况更严重的发展中国家比在发达国家14]。因此,世界上超过三分之一的人口缺乏安全饮用水(4]。的相似性(如小溪,河流,湖泊和池塘)获得大量的各种污染物包括杀虫剂(15),重金属(16),和营养(17]。据估计,80%的城市污水未经处理流入水体,和数百万吨水体重金属和其他污染物被倾倒进每一年(18]。在中国,人类活动介绍 大型吨氮的相似性预测每年的2.7倍安全阈值(19]。多余的氮、磷等营养物质的相似性通常导致富营养化,水质恶化的最常见原因之一(20.,21]。许多努力来改善水质的相似性通过直接或间接方式(22,23]。监测水质的相似性仍然是许多生态研究的首要任务,水质控制和修复项目(24,25]。

水质监测尤为重要的提供清洁的饮用水和水生生态系统的保护26,27]。经过几十年的发展,众多类型的传感器,包括化学传感器、生物传感器、和电子传感器,开发了检测水质(28,29日]。传感器是一种设备,能够提供选择性定量或半定量的分析信息通过生物/化学/电子识别元素;它通常由一个传感器和一个处理器30.]。一般来说,水质的要求传感器是局限于许多因素如要监视的水体、水质参数进行测试和监测系统的对象(31日]。未来传感器的投影目标更高的灵敏度,快捷方便检测,尺寸小,inexpensiveness,通用性,易于操纵,耐用性长时间,适合多种环境。例如,在一个新发布的评论,Parra et al。29日)总结了几个物理传感器精度要求水产养殖:低维护、成本低、电池电量过低消费、非金属、健壮、防水、耐生物淤积,没有对水生生物的影响。之前审查论文关注一种类型/类别的传感器(32)或一个分析物(或一组分析物)(33]。本综述论文将集中在传感器应用于测试两种最常见的污染物的相似性,即。、农药和重金属。这些参数的总体污染状况的相似性和一个简单的分析的传感器进行了讨论。传感器的灵敏度(检测极限(LOD))和传感器类型尤其讨论。目前的审查论文不同于以往的审查论文在以下方面:(1)我们统一LOD的单位可能的比较研究和可视化;(2)只使用收集的数据来自淡水河;和(3)不仅传感器类型,而且检测分析物类别进行了讨论。

2。材料和方法

2.1。数据库编译

我们构建科学的数据库农药传感器通过搜索Web使用以下主题:“传感器”和“杀虫剂或除草剂和杀菌剂杀虫剂”和“淡水或河流或溪流、湖泊或水库或池塘”。大部分收集论文发表在过去5年中,由近一半的出版物(2015 - 2019)。在2015年之前收集的数据主要是根据以往的审查文件(34- - - - - -36]。对于每一个出版物,我们提取以下信息:检测分析物,传感器类型(例如,生物传感器和电子传感器),钟表和适用的水体。光学传感器,我们包括荧光传感器、发光传感器和比色传感器。测试分析物被分成三类农药(即。、除草剂、杀虫剂和杀菌剂)。所有的钟表的单位都是统一为ng / ml。相同的方法被用来构建数据库的重金属传感器取代“杀虫剂或除草剂、杀菌剂或杀虫剂”与“重金属”。对于重金属的传感器,我们只收集的数据在2017年- 2019年(更新至10月)由~ 1/3的出版物。

2.2。数据分析

变异的单向方差分析(分析)进行测试的差异的钟表中农药组/重金属和传感器类型。所有数据进行方差分析测试前检查正常,对数转换,以满足正常和同质性假设37]。一个案例( )被删除的农药传感器数据集时由于异常值进行方差分析。如果方差分析中出现的显著影响,那么图基的多重比较事后分析传感器类型或分析物组之间的显著差异(38]。所有使用SPSS 24.0进行了统计分析。

3所示。结果与讨论

3.1。农药的传感器

3.1.1。农药的相似性

农药通常分为三大类:除草剂,杀虫剂,杀菌剂/杀菌剂。农药的应用程序是用来控制杂草,害虫爆发,全球粮食供应的安全[真菌的侵扰15,39,40]。全球农药支出从488亿年的2008美元增加到559亿年的2012美元(41]。在应用程序中,这些农药可以通过很多方式,比如废水污水进入淡水河和地表径流15]。在国家农药(美国)监测网络的小溪和河流在1992 - 2011年期间,一个或多个农药的浓度超过了水生生物基准61% -69%,45%,和53% - -90%的流在农业,mixed-land-use,分别和城市地区42]。在欧洲,阿特拉津(除草剂)是最经常检测化学物质在地下水5]。由于他们的高频率的检测到的相似性和毒性对水生生物的影响,杀虫剂是最常见的一种监控水质参数(43- - - - - -45]。在过去的几十年里,许多传感器开发了检测农药的相似性(46,47]。

大多数的传感器收集的数据可以应用于河流和小溪,对应于大多数研究集中在这些水体,表示需要监测杀虫剂在小溪和河流。最常检测农药百草枯,其次是莠去津和西维因(表1)。这个结果是按照最常见的农药污染的相似性(5]。然而,只有三个研究发现草甘膦(48- - - - - -50),在世界范围内使用最广泛的除草剂(51,52]。因此,更多的研究应该对草甘膦的发展目标传感器来获得一个清晰的理解草甘膦污染的相似性。虽然生产的除草剂是全世界最高的53比除草剂),更多的研究集中在杀虫剂传感器传感器(表1),可能是因为有机磷杀虫剂,最常检测分析物,都是剧毒生物(54]。因此,首要任务是给那些有相对较高的毒性而不是使用在大量监测水质。

3.1.2。农药传感器灵敏度

农药的平均LOD传感器包括综述 ng / ml ( , )。不是所有的传感器检测农药的相似性足够敏感的生态和监视的要求。提议的最大污染物水平,即。,the maximum permissible level (MCL) of a contaminant in water that is delivered to any user of a public waterbody, for many pesticides (e.g., atrazine and aldicarb) is at the level of ng/ml or even less than 1 ng/ml [170年]。例如,标准最大浓度(CMC)的西维因、毒死蜱、二嗪农、对硫磷和水生生物的相似性的美国是2.1,0.083,0.17,和0.065 ng / ml,分别(表2)。此外,超过5%的最高29一般的制程管制饮用水中杀虫剂超过计算上阈值对人类健康风险的不确定性171年),这意味着饮用水中杀虫剂应该严格的制程和更高的需要敏感的传感器。然而,我们的研究结果表明,32.8%的传感器的钟表是高于10 ng / ml,和< 50%的传感器可以达到3 ng / ml的水平。因此,许多传感器可能不够敏感的检测农药的相似性有关的要求保护水生生物和人类健康。此外,全球有超过1000的农药使用,确保食品安全。然而,这篇综述只包括97种农药/活性成分覆盖不到10%的杀虫剂。因此,未来的研究应该集中在很大程度上忽略了农药,因为许多农药对水生生物的毒性(172年和人类健康173年,174年]。例如,许多传感器开发分析有机磷农药(如毒死蜱和西维因),而更少的传感器针对有机氯农药如滴滴涕(DDT)。DDT被广泛用于控制害虫和真菌在上个世纪。尽管DDT在许多国家已经禁止了几十年,它仍然可以发现在8 - 100%的三个南美国家[小流采样175年]。因此,DDT仍然是一个全球关注由于毒性,不容易被降解,倾向积累在生物176年]。的LOD biooptical传感器用于检测DDT的河水可以低至0.015 ng / ml (177年]。

钟表在这个研究显示成千上万的订单不同分析物和传感器。在所有的传感器被检查,最敏感的传感器是由Kumar et al。131年),通过一个enzyme-based马拉松的间接检测荧光方法应用。这个系统可以实现一个超灵敏的LOD一样低 ng / ml,可以上升为湖水和农业径流水(131年]。相比之下,一些传感器相对“麻木不仁”的钟表在100 ng / ml的层面上50,122年,141年]。虽然,除草剂的平均LOD传感器高于杀虫剂和杀真菌剂,没有显著差异的三类农药( , ,图1)。灵敏度的传感器收集摘要类似于先前的审查文件(34,178年]。只有22例(12.22%)与杀菌剂传感器。这种极低的百分比显示改善的紧迫性的监测杀菌剂的相似性,因为杀菌剂广泛发生的相似性,都是剧毒,许多水生生物(15,179年]。传感器类型,我们找到了一个类似的模式(表1)一些先前的审查论文,电化学180年),光(33,35),和生物(181年)传感器是应用最广泛的传感器的检测农药的相似性。关于不同类型的传感器的灵敏度,生物传感器显示最高的灵敏度与其他传感器相比,虽然biooptical和电化学光学传感器显示最低的敏感性( , ,图2)。生物传感器已被广泛应用于环境监测(5),生物传感器在检测农药和其他污染物的优势与传统方法:高稳定性(举例来说,他们可以在高温下操作),inexpensiveness,可能性实时监控、高选择性、和通用性,就其中一些(181年- - - - - -183年]。生物传感器可以是一个有前途的方向农药检测的相似性。例如,硅藻,流行的评估水质(184年生物传感器),可能是一个合适的工具。

3.2。重金属的传感器

3.2.1之上。重金属的相似性

重金属指金属元素,具有较高的相对分子质量和密度的至少5倍的水(185年]。水生生态系统可以通过多种方式受重金属污染,如采矿、风化的土壤和岩石,工业废水和地表径流186年- - - - - -188年]。自然的铅和镉浓度小于0.003 ng / ml在流189年]。然而,重金属浓度可能是两个或三个订单自然甚至更高浓度的水体污染(190年,191年]。最常见的重金属污染物在水生生态系统一样,Cd,铬、铜、镍、铅、汞、锌(192年]。例如,铜、铁、锌、锰、Cr和关注的五大重金属在渤海地区的相似性,中国,而Hg显示最低的风险193年]。许多重金属的浓度在恒河水和泥沙浓度超过了可接受的和威胁人类健康和水生生物(194年]。三个国家,即。,the United States, Germany, and Russia, consume 3/4 of the world’s most widely used metals. Human health and aquatic ecosystems can be threatened by heavy metals especially by Pb, Cd, Hg, and As [195年,196年]。例如,地下水污染,威胁到数以百万计的人们的饮用水安全在发展中国家,如印度、柬埔寨和越南(4]。水生生物仍然遭受重金属的毒性作用即使上游采矿活动停止了几十年(197年]。由于高毒性和他们常见的相似性(198年,199年),重金属是最重要的指标,监测水质(45,200年]。

3.2.2。重金属的敏感传感器

总共61的出版物被选定在2017年- 2019年(数据更新,直到2019年10月),与9个类型的传感器用于检测重金属的相似性(表133)。所有传感器的平均LOD ng / ml ( , )。传感器的灵敏度不同重金属检测( , ,图3)。传感器针对Ag)敏感性最高,而传感器用于检测铁、铬显示灵敏度最低。许多传感器的灵敏度能满足饮用水和野生动物保护的要求。一些传感器仍高于cmc的钟表或制程。尤其是对汞传感器,收集传感器未能满足的30% CMC或制程需求。它提醒我们应该开发高灵敏度传感器保护人类健康和水生生物。此外,CMC /制程可能改变了由于国家规定(201年,202年)这意味着可能需要高灵敏度传感器来检测低浓度的重金属。正如上面提到的,作为、铬、镍、锌等重金属的浓度最高的相似性(192年]。然而,有限的传感器是检测这些重金属。因此,应该开发更多不同的传感器来分析这些重金属。

关于传感器类型,超过一半的重金属传感器是基于电化学方法,而很少有研究应用生物方法(表3)。传感器用于重金属检测的敏感性不同的传感器类型( , ,图4)。实验传感器灵敏度最高,而bioelectronical传感器显示灵敏度最低。最敏感的传感器实验是一个由Zhang et al。251年)的检测银在水龙头和湖水,和LOD一样低 ng / ml。相反,开发的一种颜料型全细胞生物传感器分析铜在池塘和自来水显示最高的LOD (5547.6 ng / ml) (262年]。基于电化学重金属的平均LOD方法 ng / ml ( , )。电化学传感器的LOD综述高于电化学传感器的钟表在以前的审查文件(210年,263年,264年]。这可能是由于四个电化学传感器高于50的钟表ng / ml增加平均LOD。电化学传感器的优点,如易于操作,便宜,适合现场监测,便携式,这使得它非常适合于重金属检测(263年]。然而,光学传感器综述没有显示灵敏度高于电化学传感器所的一项研究[263年]。这是由于两个研究使用比色和荧光检测;这两项研究的钟表30 - 300 ng / ml [209年,255年]。

4所示。结论

本文介绍了一般信息的传感器检测农药和重金属的相似性。研究了传感器覆盖不到10%的所有注册的杀虫剂/原料。大部分的选择传感器用于分析农药杀虫剂和除草剂而有限的研究关注的是杀菌剂。~ 30%的农药传感器的钟表未能满足水生生物的最大容许浓度和饮用水。生物传感器显示最高的灵敏度和似乎是一种很有前途的技术在未来发展的检测农药的相似性。的平均LOD传感器检测的重金属是65.36 ng / ml在过去三年。钟表的一小部分传感器如汞传感器高于上部阈值浓度野生动物保护和饮用水安全。大多数重金属传感器被设计用来检测汞、镉、铅和铜基于电化学方法。这些结果暗示我们,高灵敏度传感器在未来应该发展。此外,未来传感器应该涵盖更多的杀虫剂和重金属(如草甘膦和锌),通常发现在水体和剧毒水生生物和人类健康。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号41501566和41501566),中央大学基础研究基金(批准号2412018 jc002),计划引进人才的学科大学(批准号B16011),吉林省基础教育部门(批准号2014 B050),和基础研究基金中国黑龙江大学本科(批准号2019 - kyywf - 0598)。

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