جزئیات اخبار

تصور کنید یک دریاچه که زمانی شفاف و زلال بود، به یک سرزمین بایر و بی‌جان تبدیل شده است، نه به دلیل آلاینده‌های قابل مشاهده، بلکه به دلیل سطوح نامحسوس نیتروژن آمونیاکی که باعث شکوفایی جلبکی، خفگی حیات آبزی و اختلال در کل اکوسیستم‌ها می‌شود. این یک لفاظی هشداردهنده نیست، بلکه یک چالش جهانی فوری است که آب‌های سراسر جهان با آن مواجه هستند. نیتروژن آمونیاکی، یک آلاینده اولیه از فاضلاب‌های کشاورزی، صنعتی و خانگی، تهدیدات مستقیمی برای موجودات آبزی و خطرات غیرمستقیم برای سلامت انسان از طریق زنجیره غذایی ایجاد می‌کند. در نتیجه، توسعه روش‌های تشخیص دقیق و کارآمد نیتروژن آمونیاکی برای حفاظت از محیط زیست و مدیریت پایدار منابع آب بسیار مهم شده است.

نیتروژن آمونیاکی به غلظت ترکیبی آمونیاک (NH₃) و یون‌های آمونیوم (NH₄⁺) در آب اشاره دارد که نسبت‌های نسبی آن‌ها توسط سطوح pH تعیین می‌شود. هنگامی که pH به زیر 8.75 می‌رسد، NH₄⁺ غالب است. بالای 9.75، NH₃ غالب است. این ترکیبات بسیار محلول در آب، خورنده و بالقوه خطرناک هستند. حتی مقادیر کمی از نیتروژن آمونیاکی (به عنوان مثال، غلظت‌های بالای 0.5 μmol/L) می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر محیط‌های آبی داشته باشد.

در حالی که یون‌های آمونیوم معمولاً در آب‌های طبیعی غالب هستند، آمونیاک بسیار سمی‌تر - حتی در غلظت‌های نانومولار - علت اصلی مسمومیت موجودات آبزی است. سطوح بالای نیتروژن آمونیاکی رشد بیش از حد پلانکتون را تحریک می‌کند و باعث شکوفایی جلبکی، اوتروفیکاسیون و فروپاشی اکوسیستم می‌شود. تجزیه بعدی جلبک‌ها اکسیژن محلول را کاهش می‌دهد و باعث مرگ و میر انبوه ماهی‌ها و موجودات کفزی می‌شود. این چرخه معیوب نه تنها ظرفیت خودپالایی آب را کاهش می‌دهد، بلکه ممکن است گازهای مضر را نیز آزاد کند و شرایط محیطی را بیشتر تخریب کند.

سمیت نیتروژن آمونیاکی به انسان، ماهی‌ها و سخت‌پوستان گسترش می‌یابد و به ویژه بر حیات آبزیان جوان تأثیر می‌گذارد. تجمع آمونیاک خون در ماهی‌ها باعث مرگ و میر می‌شود و منابع شیلاتی و تعادل اکولوژیکی را تهدید می‌کند. نگران‌کننده‌تر اینکه، نیتروژن آمونیاکی می‌تواند تحت شرایط خاصی به نیتریت‌ها و نیترات‌های سمی تبدیل شود و خطرات آلودگی آب را تشدید کند. با درک این خطرات، ملت‌های سراسر جهان استانداردهای سختگیرانه‌ای را برای غلظت نیتروژن آمونیاکی برای آب آشامیدنی و آب دریا تعیین کرده‌اند و فناوری‌های تشخیص سریع و دقیق را برای امنیت آب و حفاظت از اکوسیستم ضروری کرده‌اند.

تشخیص سنتی نیتروژن آمونیاکی در درجه اول به دو روش متکی است:

• روش معرف نصلر: این تکنیک رنگ‌سنجی، تشکیل کمپلکس زرد-قهوه‌ای بین نیتروژن آمونیاکی و محلول تترا یدومرکورات پتاسیم را اندازه‌گیری می‌کند. با این حال، از تداخل کدورت آب، رنگ و سایر مواد رنج می‌برد، در حالی که معرف‌های مبتنی بر جیوه آن خطرات زیست محیطی را به همراه دارند.
• روش آبی ایندوفنول (IPB): این رویکرد حساس‌تر، ترکیبات آبی ایندوفنول را که در اثر واکنش‌های نیتروژن آمونیاکی با هیپوکلریت و معرف‌های فنل تشکیل می‌شوند، اندازه‌گیری می‌کند. در حالی که از روش نصلر بهتر عمل می‌کند، IPB هنوز با محدودیت‌های دقت در ماتریس‌های پیچیده آب مانند آب دریا و سیستم‌های آبزی‌پروری مواجه است.

علیرغم کاربرد تاریخی آن‌ها، این روش‌ها با الزامات زیست محیطی فزاینده و نیازهای تشخیص با غلظت کم دست و پنجه نرم می‌کنند. آماده‌سازی نمونه‌های پر زحمت، روش‌های طولانی و معرف‌های ناسازگار با محیط زیست، ضرورت جایگزین‌های پیشرفته را برجسته می‌کند.

• آنالیز نوری: روش‌های طیف‌سنجی و فلورومتری حساسیت بالایی را ارائه می‌دهند، اما برای از بین بردن تداخل به پیش‌تیمار پیچیده نمونه نیاز دارند که کارایی تحلیلی را کاهش می‌دهد.
• آنالیز الکتروشیمیایی: این روش‌ها که مقرون به صرفه و به راحتی خودکار هستند، واکنش‌های ردوکس نیتروژن آمونیاکی را در سطوح الکترود اندازه‌گیری می‌کنند. الکترودهای اصلاح شده با نانومواد، حساسیت و گزینش‌پذیری را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند.
• فناوری حسگر زیستی: حسگرهای زیستی با استفاده از آنزیم‌ها، آنتی‌بادی‌ها یا میکروارگانیسم‌ها برای واکنش‌های خاص نیتروژن آمونیاکی، تشخیص سریع، حساس و انتخابی را ارائه می‌دهند که برای کاربردهای میدانی ایده‌آل است. ادغام با ریزسیالات و تکنیک‌های انتشار گاز، عملکرد را بیشتر بهبود می‌بخشد.

• فناوری تراشه ریزسیال: ادغام پردازش نمونه، واکنش و تشخیص بر روی تراشه‌های مینیاتوری، تجزیه و تحلیل با توان عملیاتی بالا و خودکار را با حداقل استفاده از معرف امکان‌پذیر می‌کند که برای نظارت آنلاین مناسب است.
• حسگر فیبر نوری: این حسگرهای فشرده و مقاوم در برابر تداخل با بهره‌گیری از تعاملات نور-متوسط در فیبرهای نوری، نظارت از راه دور را در محیط‌های خشن تسهیل می‌کنند.
• تشخیص رنگ‌سنجی pH: این روش ساده و مقرون به صرفه از تغییرات رنگ نشانگرهای pH از شیفت‌های pH ناشی از نیتروژن آمونیاکی برای آزمایش سریع میدانی استفاده می‌کند.

• نانوذرات فلزی: نانوذرات طلا یا پلاتین واکنش‌های ردوکس را کاتالیز می‌کنند، پتانسیل بیش از حد را کاهش می‌دهند و حساسیت را افزایش می‌دهند و در عین حال سطح الکترود را افزایش می‌دهند.
• نانولوله‌های کربنی/گرافن: این مواد چارچوب‌های الکترودی رسانا و از نظر مکانیکی قوی را فراهم می‌کنند که پایداری و طول عمر را بهبود می‌بخشند، به ویژه زمانی که با نانوذرات یا آنزیم‌ها ترکیب شوند.
• نانوذرات اکسید فلزی: آنها پایداری شیمیایی و زیست سازگاری را ارائه می‌دهند، الکترودها را از خوردگی محافظت می‌کنند در حالی که برخی از انواع واکنش‌های ردوکس نیتروژن آمونیاکی را کاتالیز می‌کنند.

• دهیدروژناز گلوتامات (GLDH): مصرف NADH را در طول تبدیل α-کتوگلوتارات به گلوتامات اندازه‌گیری می‌کند که برای تشخیص بسیار حساس و انتخابی است، اگرچه فعالیت آنزیم به دما و pH بستگی دارد.
• اوره آز: اوره را به طور غیرمستقیم از طریق تولید نیتروژن آمونیاکی از هیدرولیز اوره تشخیص می‌دهد که برای تجزیه و تحلیل فاضلاب و ادرار مناسب است.

در حالی که روش‌های آنزیمی حساسیت، گزینش‌پذیری و سرعت بالاتری را ارائه می‌دهند، چالش‌ها شامل پایداری آنزیم، هزینه‌های تولید بالا و از دست دادن فعالیت احتمالی در طول تثبیت است.