PSZCZELNICZE ZESZYTY NAUKOWE Rok XXXVII 1993 ZASTOSOWANIE ANODOWEJ WOLTAMPEROMETRII INWERSYJNEJ DO OZNACZANIA Cd, Pb, Cn W OBNÓŻACH PYŁKOWYCH T e r e s a S z c z e s n a, H e l e n a R y b a k - C h m i e l e w s k a Instytut Sadownictwa i Kwiaciarstwa, Oddział Pszczelnictwa, ul. Kazimierska 2, 24-100 Puławy Henryk Arciuch Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii, Ośrodek Badań Weterynaryjnych, ul. Lubelska 2, 24-100 Puławy Streszczenie Badania nad zastosowaniem anodowej woltamperometrii inwersyjnej z wykorzystaniem urządzenia UPE-2A, do oznaczania Cd, Pb, Cu w obnóżach pyłkowych pozwoliły na opracowanie dokładnej i precyzyjnej metody detekcji w/w metali w materiale badanym. Uzyskane wyniki badań poziomów Cd, Pb, Cu za pomocą opracowanej metody, wskazują na częste przekroczenia dopuszczalnych norm zawartości tych pierwiastków w obnóżach pyłkowych. Slowa kluczowe: produkty pszczele, obnóża pyłkowe, zanieczyszczenidrodowiska, woltamperometria. WPROW ADZENIE Bezpieczeństwo I. dzi stale narażonych na działanie szkodliwych substancji emitowanych do środowiska naturalnego wymaga m.in. doskonalenia metod wykrywania i ilośęiowego oznaczania tych substancji. Rozwój przemysłu, chemizacja rolnictwa, a także gwałtowny rozwój motoryzacji sprawia, że do środowiska naturalnego trafiają duże ilości metali ciężkich. Występowanie tych metali w środowisku stanowi jedno z ~oważniejszych zagrożeń dla człowieka. Szkodliwe składniki skażonego środowiska naturalnego mogą w znacznym stopniu zanieczyszczać produkty pszczele. Istotny jest tu fakt, że pszczoły są w stanie odbywać stosunkowo dalekie kty w poszukiwaniu pożytku. Wynika z tego, że do ula jednej rodziny pszczelej trafia wziątek z obszaru o dużej powierzchni. Zgromadzone z takiego terenu produkty pszczele mogą służyć jako zbiorcza próba zanieczyszczeń przedostająca S\ę do środowiska naturalnego. Najbardziej obiektywną próbą odzwierciedlającą skażenie środowiska jest pyłek kwiatowy zbierany przez pszczoły i pozyskiwany w postaci obnóży. Nie ulega on bowiem, w przeciwieństwie do innych produktów pszczelich, większym zmianom związanym z ich obróbką przez pszczoły. Badaniami metali ciężkich w obnóżach pyłkowych zajmowali się m.in. 171
L o p e r i wsp. (1980), Z a I e w s k i i S z y m a n i u k (1985), L i - P i ń s k a i Z a I e w s k i (1989), M i g u I a i wsp. (1990), K o n o - p a c k a i wsp. (1992). Autorzy ci w swoich badaniach wykorzystywali techniki atomowej spektrofotometrii absorpcyjnej (ASA). Metoda ASA, ze względu na precyzję i dokładność została uznana przez PZH - Instytut Naukowo-Badawczy w Warszawie Ministerstwa Zdrowia i Opieki Społecznej za metodę polecaną do oznaczania w owocach i warzywach takich kontaminamów jak Pb, Cd, Cu, Zn. Metoda ta wymaga jednak bardzo drogiej aparatury, co ogranicza powszechność jej zastosowania. Woltamperometria inwersyjna, dająca zadowalające wyniki w przypadku oznaczania metali dobrze rozpuszczalnych w rtęci (A r i e I i wsp. - 1964, N e w b er r y i wsp. - 1965, W i n c e n t i W i s e - 1965, W Y d r a i wsp. - 1970, A r c i u c h - 1991, A r c i u c h - 1992) nie znalazła dotychczas szerszego zastosowania w kraju, chociaż badania porównawcze wykazują dobrą zgodność wyników z uzyskiwanymi chociażby za pomocą metody atomowej spektrofotometrii absorpcyjnej., Celem naszej pracy były badania nad zastosowaniem anodowej woltamperometrii inwersyjnej do oznaczania Cd, Pb, Cu w obnóżach pyłkowych. MATERIAŁ I METODY BADAŃ Materiał do badań stanowiły próbki obnóży pyłkowych pozyskane w pasiekach Oddziału Pszczelnictwa, wysuszone w temperaturze 40 C do zawartości wody około 8% i przechowywane w temperaturze około -20 C. Podstawowa aparatura i sprzet. Oznaczanie zawartości metali w obn6żach pyłkowych wykonano za pomocą Uniwersalnego Przyrządu Elektrochemicznego UPE-2A, wposażonego w trójelektrodowa celkę pomiarową, z nasyconą elektrodą kalomelową jako elektrodą odniesienia. Jako elektrodę roboczą zastosowano elektrodę grafitową pokrytą elektrochemicznie cienką błonką rtęci (A r c i u c h - 1992). Odczynniki. Wszystkie odczynniki i roztwory zastosowane w metodzie były specjalnej czystości. Pozwoliło to w maksymalnym stopniu zmniejszyć zanieczyszczenia analizowanych próbek, wynikające z użycia tychże odczynników do ich chemicznej obróbki. Oznakowane symbolem UL TRANAL R i rozprowadzane przez Przedsiębiorstwo Chemiczne Cheman Raszyn: - woda redestylowana do analiz śladowych, - standardy Pb, Cu, Cd o stężeniu 1,00 g/i w 0,5 M HN0 3, - kwas azotowy 65% ultraczysty, - kwas nadchlorowy 65 % ultraczysty, - roztwór rtęci (II) ultraczysty o stężeniu 19/1 w 0,5 M HCI, - kwas solny 30% ultraczysty, 172
- chlorek potasowy ultraczysty, - rtęć spektralnie czysta, - chlorek rtęciawy - kalomel, - azot sprężony, czysty (zawartość tlenu 2 ppm). Roztwory robocze standardów Pb, Cd, Cu o stężeniu 100 ppm przygotowano ze standardów o stężeniu 1,00 g/l. Przygotowanie próbki do oznaczeń. Próbkę obnóży pyłkowych w ilości około 19 (naważoną z dokładnością do O,OOOlg) przenoszono do kolby Kjeldahla, dodawano 10 ml (ściśle odmierzoną objętość) mieszaniny mineralizującej (HN0 3 i HCI0 4 zmieszanych w stosunku objętościowym (1: 1) i ogrzewano na maszynce elektrycznej pod wyciągiem. Próbę utrzymywano w stanie równomiernego wrzenia, aż do pełnego odparowania kwasów. Suchą pozostałość, przenoszono ilościowo za pomocą wody redestylowanej do kolby miarowej o pojemności 100 mi i uzupełniano do kreski. Do analiz pobierano 10 mi (ściśle określoną obiętość) uzyskanego roztworu. Równolegle z próbką badaną wykonywano tzw. ślepą odczynnikowa. Sposób postępowania z próbą ślepa był taki sam jak z próbą badaną tzn. mineralizację przeprowadzano w tych samych warunkach, przy użyciu tych samych odczynników i w tych samych ilościach, jak w przypadku próby badanej. Wykon:mie oznaczenia. Do naczynka pomiarowego wprowadzono 10 mi próby badanej (bądź ślepej), 200 JlI 6 N HCI i przeprowadzono pełny cykl pomiarowy zgodnie z następującymi parametrami: - czas odtleniania próby 300 s, - czas elektrolizy 120 s, - potencjał elektrody roboczej w czasie elektrolizy -1100 my, - zakres zmiany potencjału w czasie utleniania 1000 m V, - czas uspakajania próbki 30 s, - końcowy potencjał kontroli utleniania -100 m V, - szybkość zmiany potencjału elektrody roboczej około 100 m V/s, - czułość rejestracji na kanale Y i kanale X rejestratora dobrano doświadczalnie tak, aby uzyskać woltamperogram w postaci ostrych pików o łatwo pomierzalnej wysokości. Pełny cykl pomiarowy wykonano trzykrotnie w celu uzyskania wyniku średniego dla wysokości. Ocenę stężenia oznaczanego metalu dokonywano metodą dodatku standardu. Do obliczeń pierwotnego stężenia badanych metali zarówno w próbie badanej jak i ślepej zastosowano wzór: c~ V~ (~ -l ) v; pr 173
gdzie: c... - stężenie wzorca, Vwz - objętość dozowanego wzorca, hp"- wysokość piku w próbce, h...- wysokość piku po dodaniu wzorca, V pr - objętość pr6bki wziętej do oznaczeń. Stężenie poszczeg61nych metali w pyłku obliczano mnożąc różnicę pomiędzy wynikiem oznaczenia danego metalu w pyłku, a wynikiem oznaczenia tego metalu w pr6bie ślepej, przez wsp6łczynnik przeliczający wynik na naważkę próbki pierwotnej. Badania eksperymentalne objęły następujące zagadnienia: l) zależność wysokości piku utleniania od stężenia oznaczanego metalu w pyłku, 2) zależność wysokości piku utleniania od czasu wstępnej koncentracji oznaczanego metalu na elektrodzie roboczej, 3) ocenę statystyczną precyzji metody, 4) ocenę sposobu mineralizacji pyłku, tzw. odzysk badanych metali w pyłku. WYNIKI Ocenę statystyczną precyzji metody przeprowadzono w odniesieniu do serii badań pr6by ślepej i serii badań obnóży pyłkowych. W odniesieniu do serii badań pr6by ślepej stężenie poszczególnych metali, pochodzących z zastosowanych odczynników miało wartości około 1,07 JLg/kg Cd, przy odchyleniu standardowym 0, l l JLg/kg i współczynniku zmienności 11,3 %, 6,63 ILg/kg Pb, przy odchyleniu standardowym 0,59 ILg/kg i współczynniku zmienności 8,9% i 36,20 ILg/kg Cu przy odchyleniu standardowym 4,29 ILg/kg i wsp6łczynnikuzmienności 1l,8% (Tabela l). Analiza statystyczna wynik6w Tabela Ocena statystyczna precyzji metody w odniesieniu do serii badań w próbie ślepej (n = 9) Statistical estimation of method accuracy in relation to respective blank tests (n = 9) Średnio Odchylenie standar. Współczynnik zmienności Metal Mean Standard deviation Coefficient of variation (pg/kg) (p gik g) (%) Cd 1,07 O,ll 11,3 Pb 6,63 0,59 8,9 Cu 36,20 4,29 11.8 174
9 serii po 8 pomiarów woltamperometrycznych utleniania poszczególnych metali w obnóżach pyłkowych dała następujące rezultaty: dla n = 8, współczynnik zmienności kształtował się w przedziale od 4,08% do 12,10%, przy średniej wartości 10,25 dla Cd, od 6,57% do 8,14%, przy średniej wartości 7,48 dla Pb i od 9,48% do 11,14%, przy średniej wartości 11,25% dla Cu (Tabela 2). Tabela 2 Ocena statystyczna precyzji metody w odniesieniu do serii badań w obnóżach pyłkowych (n = 9) Statistical estimation of method accuracy in relation to tests in pollen loads (n = 9) Metal Współczynnik zmienności (%) Zawartość Coefficient of vańation (%) Concentration (mg/kg) od - do średnio from - to average Cd 0,036-0,076 4,08-12,10 10,25 Pb 0,50-0,98 6,57-8,14 7,48 Cu 8,70-16,10 9,48-11,14 10,25 Wielokrotny dodatek roboczego roztworu standardu Cd, Pb i Cu do przygotowanej jak opisano wyżej próbki obnóży pyłkowych, pozwolił stwierdzić liniowa zależność przyrostu wysokości pików utleniania poszczególnych metali od ich stężeń. Obliczony współczynnik korelacji wyniósł odpowiednio: dla Cd - 0,9411, Pb- 0,9354 i Cu - 0,9276 (Tabela 3). Tabela 3 Ocena statystyczna wsp6lza1einości między wysokością piku utleniania a stężeniem metalu w obnóżach pyłkowych Statistical estimation of the correlation between stripping peak height and concentration of metal in pollen loads Zakres stężeń Współczynnik korelacji Metal Concentration range Correlation coefficient (Jlgll) Cd 0,64-59,97 0,9411 Pb 9,01-68,82 0,9354 Cu 5,21-151,02 0,9276 175
Zmiana czasu nagromadzania oznaczanego pierwiastka co 10 s, w przedziale od 30 s do 240 s, przy zachowaniu pozostałych parametrów pomiaru wottamperometrycznego na niezmienionym poziomie, dawała ściśle skorelowane zmiany wysokości piku utleniania Cd, Pb i Cu. Obliczone współczynniki korelacji dla badanych metali o stałym stężeniu, wynosiły odpowiednio: dla Cd - 0,9984, Pb - 0,9925 i Cu - 0,9864 (Tabela 4). Tabela 4 Ocena statystyczna współzależności między wysokością piku utleniania od czasu nagromadzania metału w czasie elektrolizy Statistical estimation of correlation between stripping peak height and the time of metal build up during electrolysis Stężenie Współczynnik korelacji Metal Concentration Correlation coefficient (mg/kg) Cd 0,051 0,9984 Pb 0,58 0,9925 Cu 4,8 0,9864 Ocenę zatężania jonów Cd, Pb i Cu dokonano metodą dodatku standardu poszczególnych metali do badanych obnóży pyłkowych przed ich mineralizacją. Średni odzysk Cd wynosił 92,65 % przy współczynniku zmienności 5,04%, Pb - 90,81 % przy współczynniku zmienności 6,02% i Cu - 89,40% przy współczynniku zmienności 4,09% (Tabela 5). Ocena statystyczna mineralizacji obnóży pyłkowych Statistical estirnation of minerałization of połłen loads Tabela 5 Odzysk metalu - Recovery of metal (%) Współczynnik zmienności Metal Coefficient of variation od - do średnio from - to average Cd 85,6-95,6 92,7 5,04 Pb 89,6-94,8 90,8 6,02 Cu 85,6-97,4 89,4 4,09 176
Przeprowadzone badania zawartości Cd, Pb i Cu w obnóżach pyłkowych opisaną metodą wykazały duże wahania. Zawartość Cd mieściła się w granicach od 0,032 do 0,154 mg/kg. W 55% prób znaleziono go więcej niż dopuszcza BN-89/9161-06 "Obnóża pyłkowe" dla pyłku stosowanego jakc odżywka, a tylko w 9% prób przyjmując obnóża pyłkowe jako dodatek de żywności. W przypadku ołowiu, jego zawartość w obnóżach pyłkowych oscylowała od wartości 0,45 do 0,98 mg/kg. Jak widać już naj niższe zawartości tego pierwiastka były bliskie wartości 0,5 mg/kg - dopuszczalnej przez normę. Aż w 82 % prób znaleziono go więcej niż stanowi tolerancja w normie. Natomiast zawartość Cu mieściła się w granicach od 2,6 do 16, l mg/kg. W przypadku tego pierwiastka w 41 % prób znaleziono go więcej niż dopuszcza w/w norma (Tabela 6). Zawartość metali w obnóżach pyłkowych Metal contents in pollen loads Tabela 6 Metal Zakres - Range Średnio - Average (mg/kg) (mg/kg) Cd 0,032-0,154 0,063 Pb 0,45-0,98 0,71 Cli 2,60-16,10 11,10 j Uzyskane wyniki badań zawartości w obnóżach pyłkowych Cu, Pb, Cd wskazują, że ilości tych metali często przewyższają dopuszczalne przez BN "Obnóża pyłkowe" wartości. WNIOSKI 1. Metodę woltamperometrycznego oznaczania Cd, Pb i Cu w obnóżach pyłkowych cechuje wysoka precyzja i dokładność. 2. Stwierdzona liniowa zależność wysokości piku Cd, Pb i Cu od stężenia oznaczanego metalu w obnóżach pyłkowych pozwala na oznaczenie tych metali opisaną metodą w dużym zakresie stężeń. 3. Zmiana czasu nagromadzania danego metalu może być stosowana jako dogodny środek doboru optymalnych parametrów pomiaru metodą woltamperometryczną. 4. Mineralizacja na mokro obnóży pyłkowych za pomocą mieszaniny kwasu azotowego oraz kwasu nadchlorowego może być zastosowana do wstępnej obróbki materiału badawczego w metodzie woltamperometrycznego oznaczania Cd, Pb i Cu. 177
5. Uzyskane przekroczenia norm zawartości Cd, Pb i Cu w przebadanych probkach obnóży pyłkowych sygnalizują potrzebę prowadzenia szczegółowych badań ze zwróceniem uwagi na pochodzenie próbek. Literatura A r c i u c h H. (1991): Próba oznaczania olowiu w moczu niemineralizowanym metodą anodowej woltamperometrii inwersyjnej (ASV). Med. Wet. 47(1):41-43. A r c i u c h H. (1992): Zastosowanie anodowej woltamperometrii inwersyjnej w oznaczaniu ołowiu w mleku spożywczym. Med. Wet. 48(2):86-88. A r i e I M., E i s n e r U., G o t t e s f e I d S. (1964): Trace analysis by anodic stripping voltammetry. J. Electroanal. Chem. 7: 307-314. Konopacka Z., Pohorecka K., Zalewśki W.(1992): Zawarteść kadmu i ołowiu oraz azotanów i azotynów w obnóżach pyłkowych zbieranych w okolicach Puław. XXIX Naukowa Konferencja Pszczelarska, Puławy. Streszczenia referatów s. 16. L p ń s k a J., Z a I e w s kiw. (1989): Zawartość w produktach pszczelich mikroelementów oraz pierwiastków szkodliwych dla zdrowia człowieka. Pszczeln.Zesz.Nauk., 33: 113-120. Loper G.M., Standiffer L. N., Thompson M.I., Gilliam M.(1980): Biochemistry and microbiology of bee-collected alrnond, pollen and bee bread. Apidologie, 11:63-73. M i g u I a P. (1990): Wskazania dla hodowli pszczół w warunkach zanieczyszczonego środowiska. Praca zbiorowa. Katowice. N e w b e r ryc. L., G a r y D. Ch. (1965): Anodic-stripping voltammetry of biological sampies. J. Electroanal. Chem. 9:468-472. W i n c e n t H. A., W i s e E. N. (1966): Sensitivity Iimits for the current-step method for zinc and cadmium amalgam stripping. J.Electroanal. Chem. 11 :54-61. W y d r a P., S z t u I i kk., J u ł a k o w a E. (1980): Woltamperometria inwersyjna. Moskwa. Z a l e w s kiw., S z y m a n i u k J. (1985): Pollution with heavy e1ements of the pollen and bee bread collected from several place in Poland. Chemistry for Protection of the Environmental. 5th Int. Conference Leuven, Belgium. APPLlCATION OP ANODIC STRIPPING VOLTAMMETRYTO THE DETERMINATION OP Cd, Pb, Cu IN POLLEN LOADS T e r e s a S z c z ę s n a, H e I e n a R y b a k - C h m i e I e w s k a, Henryk Arciuch Summary The aim of the study was to apply anodic stripping voltammetry to the determination of Cd, Pb, Cu in pollen collected by bees. The experimental investigations included the following problems: l) dependence of stripping peak height upon concentration of metal in pollen loads, 2) dependence of stripping peak height upon the time of concentrating electrolysis of the metal, 178
3) estimation of method precision, 4) estirnation of mineralization of pollen loads. The experirnental results show that anodic stripping voltammetry can be applied to determination of trace amounts of Cd, Pb, Cu in pollen loads following mineralization. Concentration of determined rnetals in pellen loads varied substantially and usually exceeded the level of permissible concentrations of those metals in the standard for pollen collected by bees. Keywords: bee products, pollen loads, environment contamination, voltammetry. 179