A cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for water environmental monitoring

● A cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for in-field detection. ● A universal colorimetric detection platform in the absorbance range of 400–700 nm. ● Six-fold improvement of sensitivity by introducing a transmission grating. ● Quantifying multiple water quality indexes simultaneously with high stability. The development of colorimetric analysis technologies for the commercial cellphone platform has attracted great attention in environmental monitoring due to the low cost, high versatility, easy miniaturization, and widespread ownership of cellphones. This work demonstrates a cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for quantifying multiple environmental contaminants simultaneously with high sensitivity and stability. To improve the sensitivity of the sensor, a delicate optical path system was created by using a diffraction grating to split six white beams transmitting through the multiple colored samples, which allows the cellphone CMOS camera to capture the diffracted light for image analysis. The proposed sensor is a universal colorimetric detection platform for a variety of environmental contaminants with the colorimetry assay in the range of 400–700 nm. By introducing the diffraction grating for splitting light, the sensitivity was improved by over six folds compared with a system that directly photographed transmitted light. As a successful proof-of-concept, the sensor was used to detect turbidity, orthophosphate, ammonia nitrogen and three heavy metals simultaneously with high sensitivity (turbidity: detection limit of 1.3 NTU, linear range of 5–400 NTU; ammonia nitrogen: 0.014 mg/L, 0.05–5 mg/L; orthophosphate: 0.028 mg/L, 0.1–10 mg/L; Cr (VI): 0.0069 mg/L, 0.01–0.5 mg/L; Fe: 0.025 mg/L, 0.1–2 mg/L; Zn: 0.032 mg/L, 0.05–2 mg/L) and reliability (relative standard deviations of six parallel measurements of 0.37%–1.60% and recoveries of 95.5%–106.0% in surface water). The miniature sensor demonstrated in-field sensing ability in environmental monitoring, which can be extended to point-of-care diagnosis and food safety control.     

锰矿区雨水径流中重金属含量及污染水平的空间结构特征

运用地统计学方法对湘潭市锰矿红旗矿区雨水径流中重金属含量及污染水平的空间结构特征进行了分析研究.结果表明,锰矿区雨水径流中Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb含量的最大值与最小值之间差异较大,Ni、Cu、Cd、Pb的变异系数在0.7~1.0之间,表现出中等变异性,Mn和Zn的变异系数大于1.0,表现出强变异性.空间结构分析表明,除Cd外,Mn、Ni、Cu、Zn、Pb的拟合效果均比较理想,6种元素的拟合模型的决定系数R2介于0.540~0.895之间,块金值与基台值的比值C0/(C0+C)均小于0.4,具有较强的空间相关性.空间分布图表明,元素Mn、Ni、Cd、Pb的分布较相似,元素Cu和Zn的分布很相似且以某块区域为中心向四周逐步递减.污染指数及其空间分析表明,矿区内大部分区域的雨水径流中存在中度重金属污染,东部沿线区域的存在着严重的重金属污染,仅少量地方不存在重金属污染,重金属污染从低到高的顺序为Zn、Ni、Cu、Pb、Mn、Cd.从环境风险和人体健康的角度来看,应将Cd元素作为需要优先治理和控制的重金属.     

拜耳法赤泥的物化特性及污染防控措施研究

为较为全面掌握不同温度条件下拜耳法赤泥的基本物化特性,进而提出相应的污染防控措施。通过XRD、高温煅烧、微观结构扫描等试验手段,得到了该种赤泥在不同温度条件下的矿物组成、微观结构、水分赋存形式以及相应的矿物质演变规律。通过试验结果可知,拜耳法赤泥是一种高含水量、强持水性、低胀缩性的特殊土体,所含矿物质在高温条件下会产生明显的结晶现象。干燥拜耳法赤泥本身的污染性较小,可评价为II类一般固体废物。赤泥内所含水分与硅酸盐水泥水化产物中C-S-H凝胶中水分的存在状态大致相同,长期堆放过程中所产生的渗滤液是一种危害较大的污染物,可评价为危险性废弃物。针对这些研究结果,提出了初步的污染防控措施。     

我国18种不同理化性质的土壤对硒酸盐的吸附解吸作用研究

硒在土壤中的环境化学行为及其生物有效性在很大程度受到吸附解吸作用的影响,土壤对硒的吸附解吸因为土壤理化性质的不同差异很大.本文采用批量吸附实验,选择土壤性质差异较大的我国18种农田土壤,探讨了土壤p H、无定形铁铝氧化物、有机质和机械组成等对SeO_4~(2-)吸附的影响.结果表明,18种土壤对SeO_4~(2-)的吸附均是一个先快后慢的过程,在24 h达到吸附平衡;二级动力学方程为描述SeO_4~(2-)吸附的最佳模型(R20.976),18种土壤对SeO_4~(2-)吸附大多符合Freundlich模型(R20.842);土壤对SeO_4~(2-)吸附量与p H值(P0.01)、碳酸盐含量(P0.05)呈显著负相关,而与无定型铁、铝含量(P0.01)及有机质含量(P0.05)呈正相关;18种土壤对SeO_4~(2-)吸附的固液分配系数(Kd值)均很低(0.99~18.18 L·kg~(-1));土壤SeO_4~(2-)解吸率均大于80%,表明吸附是可逆的;土壤吸附SeO_4~(2-)的低Kd值和高解吸率反映了硒酸盐易迁移淋溶的特性,这应当在区域环境硒的评价和调控中受到关注.     

辽宁省14个城市空气质量现状及污染原因分析

对2006—2011年辽宁省14个地级城市的主要空气污染物（可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮和一氧化碳）的现状监测值进行分析,结果表明：2006—2010年辽宁省14个城市空气质量可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮和一氧化碳4项污染物浓度总体呈下降趋势,2011年比2010年小幅增加。2011年大气污染最严重的季节是冬季,污染最轻的季节是夏季;辽宁省14个城市沿海城市空气质量4项污染物浓度均低于内陆城市。辽宁省的特殊气象、城市化和能源利用不合理等造成近地面污染严重,从而影响全省城市环境空气质量。     

盐城滨海湿地春季温室气体通量及影响因素

通过在盐城滨海湿地进行植被调查、气体以及表层沉积物样品的采集与分析,探讨温室气体通量与植被状况、表层沉积物理化性质之间的关系。结果表明:不同植被覆盖下的滨海湿地,温室气体通量表现各异,其中CO2在滨海湿地5月份表现为碳源,且有植被覆盖的互花米草滩和芦苇滩的CO2排放通量明显大于无植被覆盖的光滩,盐蒿滩植被的盖度和密度较低,故排放也较低,光滩、互花米草滩、盐蒿滩以及芦苇滩CO2通量分别为26.99、865.2、100.87和1 942.03 mg(/m2.h);CH4在光滩,互花米草滩,盐蒿滩上则为弱汇,在芦苇滩为弱源,通量值分别为-0.13、-0.14、-0.02和0.55 mg(/m2.h);光滩和芦苇滩是N2O吸收汇,为-12.29,-56.83μg(/m2.h),互花米草滩和盐蒿滩为源,为18.56,25.64μg(/m2.h)。表层沉积物理化性质存在显著的空间差异:其中粒径与容重均是光滩最大,互花米草滩最小,盐蒿滩、芦苇滩居中;TN、TOC、微生物生物量C、微生物生物量N均是光滩最小,互花米草滩最大,盐蒿和芦苇居中;C/N为互花米草滩和芦苇滩较大,而光滩和盐蒿滩则较小。全盐分布表现为互花米草滩>盐蒿滩>光滩>芦苇滩。pH表现为:芦苇>光滩>盐蒿滩>互花米草滩。通过相关分析,回归分析以及主成分分析,得出CO2和CH4通量与箱温、10²0 cm沉积物温度以及pH呈显著相关,而N2O则主要与pH、全盐、容重、微生物生物量N的相关性较大。     

活性污泥胞外聚合物(EPS)的分层组分及其理化性质的变化特征研究

针对活性污泥的胞外聚合物(EPS),采用阳离子交换树脂(CER)法和离心/超声波法对总EPS和分层EPS(由外至内依次为slime,LB-EPS,TB-EPS)分别进行提取,测定EPS中多糖(PS)、蛋白质(PN)和DNA的含量,并对各EPS溶液的理化特性随溶液条件的变化特征进行了探讨.结果表明,EPS的化学组分(PS、PN和DNA)在TB-EPS层中含量最高,其亲水性组分的含量高于疏水性组分,但PN的疏水比高于PS.各层EPS中PS/PN的值对其Zeta电位和等电点有重要的影响.其中,PS/PN越高,各层EPS的Zeta电位越小,分层EPS的等电点越高.各种EPS溶液pH的增加导致其Zeta电位基本呈下降趋势,对应的等电点分别为pH总EPS=2.9、pHslime=2.2、pHLB-EPS=2.3、pHTB-EPS=1.3.离子强度的增加可以导致EPS溶液的电导率呈直线上升,对应的Zeta电位却迅速增加然后趋于稳定,但并未出现电位逆转现象.此外,升高温度(<40℃)可以降低各种EPS溶液的表观黏度,并在40～60℃之间时逐渐趋于稳定.     

艾比湖流域地表水水质指标与水体指数关系研究

传统的水域水质监测手段不仅成本高,而且空间信息有限,难以对相关水域进行全面的监测与评价.利用遥感技术进行水域水质监测可克服这些局限.本文以新疆艾比湖流域为研究对象,结合2015年5月实测水质数据和从准同步Landsat OLI数据上提取的水体指数值,利用空间分析和多元统计方法进行分析.结果发现,水体指数EWI、AWEIsh、Vegetation index(VI)、NDWI、NWI、NEW与水质指标之间的相关性显著(0.55≤r≤0.88).因此,选用以上6种水体指数与水质指标进行回归分析并建立数学关系估算模型,发现模型均方根误差均较低.利用同期实测数据对估算模型进行精度验证,发现验证判定系数高,验证点的相对平均误差偏低,均方根误差偏小.与此同时,利用2015年10月的40个采样点对模型进行二次验证,发现验证的判定系数满足0.22R20.81,模型的均方根误差较低.在估算模型中,总磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)、悬浮物(SS)、pH、色度和浊度两期数据的验证判定系数R2在0.5以上,均方根误差较小.因此,利用艾比湖流域水体指数建立的TP、BOD5、SS、pH、色度和浊度估算模型具有较好的普适性.该研究不仅可以为干旱区湖泊的遥感识别奠定基础,而且可为遥感技术应用于地表水水质指标值的提取提供一定的科学依据.     

东太湖渔业养殖对沉积物营养盐的影响

湖泊渔业是我国淡水渔业的重要组成部分.传统的渔业养殖模式对湖泊生态系统产生了严重的负面影响.近年来,东太湖的围网养殖模式进行了优化调整.本文通过对比东太湖不同区域(养殖网围内、养殖网围外,蟹草养殖区、混养养殖区、恢复区与对照区),不同时间(1、3、4、8与11月),以及沉积物不同深度(0~1 cm与9~10 cm)的理化指标数据,来分析湖泊水产养殖对沉积物理化性质的影响.结果表明,养殖网围内沉积物中总氮、总磷含量略高于网围外;与蟹草养殖区相比,混养养殖区沉积物中总氮、总磷含量更低,造成的污染更小;恢复区生长和分布大量水生植物,对已污染湖泊的生态恢复有一定的帮助;在水生植物生长的旺季,沉积物中总氮、总磷含量最低,说明水生植物能有效控制沉积物中的氮磷.     

污灌区土壤中多环芳烃的垂直分布及可能来源

用气相色谱-质谱联用(GC/MS)的方法分析太原市小店污灌区9个土壤剖面中16种多环芳烃(PAHs)含量及垂直分布特征.结果表明,小店污灌区表层土(0～10 cm)中PAHs平均含量变化趋势为背景区<沼泽区<清灌区<污灌区;大部分剖面土中PAHs含量随土层深度增加呈减少趋势,PAHs含量变化幅度较大的位置集中在地表以下0～40 cm范围内;高环(4～6环)PAHs大量富集在距地表0～50 cm土壤内,清灌区土壤对4～6环PAHs的富集能力强于污灌区;不同环数PAHs与TOC和砂粒呈正相关关系(rmax=0.791,P=0;rmax=0.882,P=0),与pH呈负相关关系(rmin=-0.1,P=0.702);距地表0～40cm范围内的土壤中PAHs的主要污染来源为小店区煤的燃烧;燃烧产生PAHs的污染途径一是直接沉降至土壤中,二是沉降至水体中,吸附在固体颗粒表面,随着灌溉污水流动而在土壤中大量富集.