Seasonal occurrence and removal of artificial sweeteners in wastewater from five treatment plants in Tshwane, South Africa
حللت هذه الدراسة الحدوث الموسمي وعدم الإزالة الكاملة لأربعة محليات اصطناعية عبر خمس محطات لمعالجة مياه الصرف الصحي في تشيسان، جنوب أفريقيا، مما كشف عن استمرار وجودها في التدفقات الخارجة وسلط الضوء على الحاجة إلى تعزيز المراقبة وتقنيات المعالجة.
المؤلفون الأصليون:Mothabi E. Makaleng, Nompumelelo R. Sibanyoni, Thabo Nkambule, Dineo E. Moema, Illunga Kamika
تخيل مياه العالم كأنها حوض استحمام عملاق، دوار ومتلاطم. نحن نسكب فيه كل شيء: الصابون، وبقايا الطعام، والأدوية، وحتى بدائل السكر المتناهية الصغر وغير المرئية التي نستخدمها في المشروبات الغازية "الدايت" والوجبات الخفيفة "الخالية من السكر". تُسمى بدائل السكر هذه بالمحليات الاصطناعية. وعلى عكس السكر الحقيقي، الذي يمكن لجسمك (والبكتيريا الموجودة في الماء) تفكيكه واستهلاكه بسهولة، فإن هذه المحليات الاصطناعية تشبه الأشباح الكيميائية؛ فهي مصممة لتكون قوية، ومستقرة، ومقاومة للهضم. ولهذا السبب، عندما نشطفها في المرحاض، غالبًا ما تنجو من رحلتها عبر محطات معالجة المياه، والتي هي في الأساس فلاتر ضخمة مصممة لتنظيف مياهنا المتسخة قبل إعادتها إلى الأنهار والبحيرات. يهتم العلماء بهذا الأمر لأن هذه "الأشباح"، إذا استمرت في التدفق خارج محطات المعالجة، فقد تغير الكيمياء في مجارينا المائية الطبيعية، وتعمل كعلامات دائمة تخبرنا بالضبط أين ذهبت مياه الصرف الصحي الخاصة بنا.
تدور هذه القصة في مدينة تسواني بجنوب أفريقيا، حيث قرر فريق من الباحثين لعب دور المحقق مع هذه الأشباح الكيميائية. لقد ركزوا على أربعة أنواع محددة من المحليات الاصطناعية وهي: أسيسلفام-ك (Acesulfame-K)، وسكرين (Saccharin)، وأسبارتام (Aspartame)، ونيوتام (Neotame). أراد الباحثون معرفة شيئين رئيسيين: كم تبلغ كمية هذه المحليات التي تتدفق إلى داخل محطات المعالجة، وكم منها يتم ترشيحه بنجاح إلى الخارج قبل إطلاق المياه مرة أخرى في البيئة. لم يكتفوا بفحص محطة واحدة، بل زاروا خمس مرافق معالجة مختلفة في جميع أنحاء المدينة وتحققوا منها خلال الصيف الحار والشتاء البارد، لأن الطقس أحيانًا يغير طريقة شرب الناس وطريقة عمل المحطات.
استخدم العلماء تجهيزًا مخبريًا عالي التقنية يعمل مثل منخل شديد الدقة. أولاً، استخدموا طريقة تسمى "الاستخلاص بالطور الصلب" (SPE) لالتقاط المحليات من مياه الصرف المتسخة، تمامًا مثل استخدام مغناطيس لسحب برادة الحديد من كومة من الرمل. بعد ذلك، مرروا العينات المنقاة عبر جهاز يسمى "الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء" (HPLC) المزود بكاشف للأشعة فوق البنفسجية. فكر في هذا الجهاز كأنه مضمار سباق عالي السرعة حيث تتسابق المواد الكيميائية المختلفة بسرعات متفاوتة؛ ويعمل الكاشف ككاميرا عند خط النهاية، تلتقط صورة لكل محلي عند عبوره الخط حتى يتمكن العلماء من عدّ كميتها بدقة.
إليكم ما وجدوه: كانت المحليات الاصطناعية موجودة في كل مكان. لقد ظهرت في المياه المتسخة القادمة إلى جميع محطات المعالجة الخمس، ولعل الأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أنها كانت لا تزال موجودة في المياه النظيفة الخارجة منها. لم تستطع أي من المحطات القضاء عليها تمامًا. وبينما تم الإمساك ببعض المحليات، مثل السكرين والأسبارتام، بواسطة الفلاتر (حيث قامت بعض المحطات بإزالتها تمامًا في أوقات معينة)، كان المحلي المسمى "نيوتام" هو بطل البقاء. لقد كان الأكثر عنادًا، حيث ظهر غالبًا بتركيزات أعلى من غيره ورفض الاختفاء. في الواقع، في محطة تسمى "داسبورت" (Daspoort)، بلغ تركيز النيوتام في الشتاء 53.585 جزء في المليون (ppm) في المياه الداخلة، ووُجدت كمية كبيرة منه (33.45 جزء في المليون) لا تزال موجودة في المياه الخارجة.
كما كشفت الدراسة أن المواسم تفرق في النتائج. ففي بعض الأماكن، تغيرت كمية المحليات بين الصيف والشتاء، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الناس يشربون أشياء مختلفة عندما يكون الجو حارًا مقابل عندما يكون باردًا. ومع ذلك، لم تكن محطات المعالجة تتصرف بنفس الطريقة دائمًا. فأحيانًا، كانت المياه الخارجة من المحطة تحتوي على كمية أكبر من محلي معين مقارنة بالمياه التي دخلت إليها. يبدو هذا غريبًا، وكأنه سحر، لكن الباحثين أوضحوا أن السبب هو على الأرجح لأن المحليات كانت تختبئ في "الحمأة" (الكتلة الصلبة في قاع الخزانات) ثم أُعيد إطلاقها في الماء لاحقًا، أو لأن توقيت أخذ العينات لم يتطابق تمامًا مع المدة التي بقيت فيها المياه داخل المحطة.
في النهاية، تشير الورقة البحثية إلى أنه بينما تقوم محطات المعالجة الحالية في "تسواني" بعمل جيد مع بعض المحليات، إلا أنها ليست حارسة مثالية ضد جميع أنواعها. فالنيوتام، على وجه الخصوص، يبدو وكأنه يتسلل عبر الشقوق، مما يعني أنه لا يزال يُلقى في بيئتنا المحلية. ويخلص الباحثون إلى أننا بحاجة إلى مراقبة هذه المواد الكيميائية عن كثب، وربما ابتكار طرق أفضل لترشيحها، لأننا في الوقت الحالي، لا تزال أنهارنا تتلقى جرعة مستمرة من "السكر" الذي ليس سكرًا في الحقيقة.
ملخص تقني: الظهور الموسمي وإزالة المحليات الاصطناعية في مياه الصرف الصحي من خمس محطات معالجة في تشيسواني، جنوب أفريقيا
بيان المشكلة يتفاقم تدهور جودة المياه في جنوب أفريقيا بسبب التوسع الحضري، والنشاط الصناعي، وتقلبات المناخ، مما يضع ضغطاً على الموارد المائية العذبة المحدودة. وبينما تعمل محطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) كنقاط تحكم حاسمة للملوثات، فإن العمليات التقليدية غالباً ما تفشل في إزالة الملوثات الناشئة (EPs). ومن بين هذه الملوثات، تبرز المحليات الاصطناعية (ASWs) كعنصر مثير للقلق بشكل خاص نظراً لاستهلاكها الواسع، واستقرارها الكيميائي، ومقاومتها للتحلل في أنظمة المعالجة البيولوجية التقليدية. وبخلاف العديد من الملوثات العضوية، تتميز المحليات الاصطناعية بكونها قطبية ومستمرة، مما يسمح لها بالمرور عبر المعالجة والدخول إلى النظم البيئية المائية. وعلى الرغم من إمكاناتها ككواشف لتأثير مياه الصرف الصحي ومؤشرات لعادات الاستهلاك البشري، إلا أن هناك نقصاً كبيراً في البيانات المتعلقة بوجود وتوزيع وكفاءة إزالة المحليات الاصطناعية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي في جنوب أفريقيا، وتحديداً داخل مدينة تشيسواني.
المنهجية قيمت هذه الدراسة ظهور وإزالة أربعة أنواع محددة من المحليات الاصطناعية وهي: أسيسلفام-ك (ACE-K)، والساكرين (SAC)، والأسبرتام (ASP)، والنيوتام (NEO).
منطقة الدراسة: جُمعت العينات من خمس محطات بلدية لمعالجة مياه الصرف الصحي في تشيسواني (رويوال، بافيانس بورت، كليبغات، داسبورت، وسندرلاند ريدج)، والتي تستقبل مياهاً مختلطة من مصادر سكنية، وتجارية، وصناعية، وزراعية.
أخذ العينات: جُمعت عينات من مدخل ومخرج مياه الصرف الصحي في ثلاث مكررات بين منتصف مارس ونهاية أغسطس 2023، لتغطي فصلي الصيف والشتاء. وتم تحليل ما مجموعه 40 عينة مركبة.
الإجراء التحليلي: خضعت العينات لعملية استخلاص بالطور الصلب (SPE) باستخدام خراطيش Oasis HLB لإزالة المواد الجزيئية وتركيز المواد المراد تحليلها. وحُللت المستخلصات باستخدام تقنية الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء المزودة بكاشف الأشعة فوق البنفسجية (HPLC-UV).
التحقق من الصحة: تم التحقق من صحة الطريقة من حيث الانتقائية، والخطية، والحساسية، والدقة. وتم إنشاء منحنيات المعايرة (1–4 جزء في المليون)، وحُسبت حدود الكشف (LOD) وحدود التعيين الكمي (LOQ) بناءً على نسب الإشارة إلى الضوضاء والانحرافات المعيارية لمخططات المعايرة. وتم حساب كفاءة الإزالة من خلال مقارنة تركيزات المدخل والمخرج.
النتائج الرئيسية
الأداء التحليلي: أظهرت طريقة SPE-HPLC-UV انتقائية جيدة مع عدم وجود قمم متداخلة عند أزمنة الاحتجاز الخاصة بالمواد المحللة. وتم تأكيد الخطية بمعاملات ارتباط (R2) أكبر من 0.99 لجميع المركبات الأربعة. وتراوحت نسب الاسترداد عموماً بين 68% و130%، حيث وقع معظمها ضمن نطاق 80-120%، رغم ملاحظة بعض التباين (وصل الانحراف المعياري النسبي RSD إلى 46.7%)، وهو ما عُزي إلى تعقيد مصفوفة مياه الصرف الصحي.
الظهور: تم اكتشاف جميع المحليات الاصطناعية الأربعة في بعض عينات المدخل والمخرج على الأقل عبر جميع المحطات الخمس. وكان النيوتام (NEO) هو الأكثر ظهوراً باستمرار وغالباً ما وجد بتركيزات أعلى، حيث سجل ذروة في مستوى المدخل بلغت 58.995 جزء في المليون في محطة بافيانس بورت خلال فصل الصيف. بينما وُجد الساكرين والأسيسلفام-ك بتركيزات أقل عموماً (غالباً أقل من 4 جزء في المليون)، وتفاوتت مستويات الأسبرتام.
التباين الموسمي: تباينت التركيزات بشكل ملحوظ حسب الموسم والموقع. فعلى سبيل المثال، انخفضت مستويات النيوتام في رويوال من الصيف إلى الشتاء، بينما أظهرت داسبورت تركيزات أعلى في الشتاء. ولم يُلاحظ اتجاه موسمي ثابت للساكرين أو الأسبرتام عبر جميع المرافق، مما يشير إلى أن خصائص الحوض المائي المحلية وعمليات المرافق المحددة تلعب دوراً أكبر من أنماط الاستهلاك الموسمية لهذه المركبات.
كفاءة الإزالة: كانت معدلات الإزالة متفاوتة للغاية اعتماداً على المحطة، والمركب المحدد، والموسم.
الإزالة العالية: أظهر الساكرين والأسبرتام عموماً كفاءة إزالة أعلى، حيث حققت عدة محطات إزالة بنسبة 100% لهذه المركبات خلال فترات أخذ عينات محددة.
الإزالة المنخفضة/المتغيرة: أظهر النيوتام إزالة أقل وغير متسقة. وبينما حققت بافيانس بورت إزالة عالية (أكثر من 79%)، أظهرت محطات أخرى مثل داسبورت وكليبغات انخفاضات طفيفة.
الإزالة السالبة: سجلت عدة مرافق كفاءات إزالة سالبة (حيث تجاوزت تركيزات المخرج تركيزات المدخل)، لا سيما بالنسبة للنيوتام في سندرلاند ريدج. ويعزو المؤلفون ذلك إلى عوامل مثل تحول المركبات السليفة، أو الامتزاز من الحمأة، أو عدم التطابق الزمني بين أخذ عينات المدخل والمخرج بالنسبة لأزمنة الاحتجاز الهيدروليكية.
الأهمية والادعاءات تمثل هذه الدراسة واحدة من أولى التقييمات الشاملة لظهور وإزالة المحليات الاصطناعية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي في جنوب أفريقيا، وهي الأولى التي تقدم بيانات موسمية لعدة محليات اصطناعية عبر عدة محطات بلدية في مدينة تشيسواني.
يدعي المؤلفون أن نتائجهم تثبت ما يلي:
الاستمرارية: عمليات المعالجة التقليدية في تشيسواني لا تحقق باستمرار الإزالة الكاملة للمحليات الاصطناعية. إذ ظلت كميات قابلة للكشف من جميع المركبات الأربعة في عينات المخرج، مما يشير إلى أن محطات معالجة مياه الصرف الصحي تعمل كمصادر مستمرة لهذه الملوثات في المياه المستقبلة.
خصوصية المركب: يبدو النيوتام أكثر مقاومة للمعالجة البيولوجية التقليدية مقارنة بالساكرين والأسبرتام، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى مراقبة خاصة بكل مركب.
الفائدة المنهجية: توفر طريقة SPE-HPLC-UV، رغم كونها أقل حساسية من تقنية LC-MS/MS، بديلاً مناسباً وموثوقاً تحليلياً لمراقبة المحليات الاصطناعية، لا سيما في المناطق التي تفتقر إلى الأجهزة المتقدمة.
الآثار البيئية: إن استمرارية هذه المركبات، وخاصة النيوتام الذي تجاوز الحدود الإرشادية الموصى بها في بعض الحالات، تؤكد الحاجة إلى تعزيز المراقبة والنظر في إمكانية استخدام تقنيات المعالجة المتقدمة (مثل الأوزنة أو الكربون المنشط) لتقليل التصريف البيئي.
تخلص الورقة إلى أنه بينما توفر هذه الدراسة تقييماً أولياً، يجب أن يركز العمل المستقبلي على توسيع التغطية الزمنية، والتحقيق في نواتج التحول، وتقييم المخاطر البيئية لهذه الملوثات المستمرة في البيئات المائية في جنوب أفريقيا.