МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Экологический мониторинг (мониторинг окружающей среды) — это комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. Уровни экологического мониторинга: Глобальный Государственный Региональный Локальный
наблюдение за источниками антропогенного воздействия; наблюдение за факторами антропогенного воздействия; наблюдение за состоянием природной среды и происходящими в ней процессами под влиянием факторов антропогенного воздействия; оценка фактического состояния природной среды; прогноз изменения состояния природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды.
Это систематическое наблюдение за загрязнением природных объектов и выявление источников загрязнения. В основе мониторинга, таким образом, лежит система определения концентраций загрязняющих веществ в объектах окружающей среды – система эколого-аналитического контроля. Экоаналитический контроль – это основа химического мониторинга. Для его обеспечения необходимы средства контроля окружающей среды (ОС) и технология контроля ОС.
В сферу эколого-аналитического контроля входят следующие контролируемые объекты: воды – пресные, поверхностные, морские, подземные, атмосферные осадки, талые, сточные; воздух – атмосферный, природных заповедников (фон), городов и промышленных зон, рабочей зоны; почвы (в аспекте загрязнения); донные отложения (в аспекте загрязнения); растения, пища и корма, животные ткани (в в аспекте загрязнения). В сферу объектов ЭАК при необходимости могут быть включены и другие объекты, представляющие по той или иной причине опасность для окружающей среды, в частности, полупродукты и готовая продукция нефтехимической, химической, фармацевтической и микробиологической промышленности.
Список приоритетных загрязнителей, принятый Европейским сообществом (ЕС) в 1982г., насчитывает 129 веществ. Столько же веществ входит в аналогичный перечень, принятый Агентством по охране окружающей среды США. Позднее к списку ЕС были добавлены еще три вещества. В обоих "черных списках" можно выделить следующие основные группы веществ: неорганические соединения; летучие органические соединения; органические соединения средней летучести; полициклические ароматические углеводороды; пестициды, гербициды и бифенилы; фенолы; анилины и нитроароматические соединения; бензидины; оловоорганические соединения; другие соединения.
Выявление контролируемого объекта (уточнение источника загрязнения). Первичное обследование объекта (рекогносцировка) с уточнением показателей загрязнения. Формирование информационной модели контролируемого объекта. Систематические наблюдения за объектом контроля. Прогнозирование изменения состояния объекта контроля. Обработка и представление полученной информации в удобной и понятной форме. Доведение информации до потребителя.
Поиск источника (выбор места контроля) загрязнения или вредного воздействия. Его первичная оценка на месте и/или отбор проб. Подготовка проб к их транспортировке и хранению, доставка пробы к месту анализа. Подготовка проб к анализу непосредственно в лаборатории. Количественный анализ проб в лабораторных условиях. Обработка и представление результатов анализа с оценкой показателей правильности и достоверности полученных результатов. Планирование следующего цикла контроля.
Для получения объективной информации о состоянии и об уровне загрязнения различных объектов окружающей среды необходимо располагать надёжными средствами и методами экологического контроля. Повышение эффективности контроля за состоянием природной среды может быть достигнуто повышением производительности, оперативности и регулярности измерений, увеличением масштабности охвата одновременным контролем; автоматизацией и оптимизацией технических средств контроля и самого процесса. Средства экологического наблюдения и контроля подразделяются на контактные, неконтактные (дистанционные), биологические, а контролируемые показатели – на функциональные (продуктивность, оценка круговорота веществ и др.) и структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических или биологических параметров – концентрация загрязняющего вещества, коэффициент суммарного загрязнения и др.).
Контактные методы контроля состояния окружающей среды представлены как классическими методами химического анализа, так и современными методами инструментального анализа. Классификация контактных методов контроля приведена на рис. 1.8. Наиболее применяемые спектральные, электрохимические и хроматографические методы анализа объектов окружающей среды (представлены на рис. 1.9 – 1.11).
АЭС ААС КФК ИК РФА
Иономеры рН-метры Кулонометры Кондуктометры ИВА
Хроматографы Хромато-масс-спектрометр
Общая схема контроля включает этапы: 1) отбор пробы ; 2) первичная пробоподготовка – обработка пробы с целью консервации измеряемого параметра, её транспортировка и хранение ; 3) вторичная пробоподготовка – подготовка пробы к анализу; 4) анализ пробы – измерение контролируемого параметра; 5) обработка и хранение результатов.
Общая характеристика
Пробоотбор зачастую предопределяет результаты анализа, так как возможно загрязнение пробы в процессе её отбора, особенно когда речь идёт об измерении ничтожно малых количеств загрязняющего вещества. Здесь важен и выбор места и средства отбора, и чистота пробоотборников и тары для хранения пробы. В изолированной от природной среды пробе, начиная с момента её взятия, осуществляются процессы «релаксации» по параметрам экосистемы, значения которых определяются кинетическими факторами. Одни из параметров меняются быстро, другие сохраняются достаточно долго. Поэтому необходимо иметь представление о кинетике изменения измеряемого параметра в данной пробе. Очевидно, чем меньше время от момента взятия пробы до её консервации (или анализа), тем лучше.
Проба природного объекта должна отражать условия и место взятия. Отбор пробы, хранение, транспортировка и работа с ней должны проводиться так, чтобы не произошло изменений в содержании определяемых компонентов и в свойствах самого анализируемого объекта. Количество (масса, объем) пробы должны быть достаточными для анализа и соответствовать применяемой методике.
Выбор места для отбора проб зависит от целей анализа. Виды отбора проб бывают: Разовый пробоотбор; Серийный пробоотбор: зональный и временной. Виды проб бывают: Простые; Смешанные.
Классификация проб ПРОБА – это представительная часть исследуемого объекта
Генеральная проба – первичная грубая проба, взятая из природного объекта путем объединения необходимого числа точечных проб.
Лабораторная проба – конечная промежуточная проба, полученная при сокращении генеральной пробы и поступившая в лабораторию для анализа (25-1000 г). В лаборатории ее делят на три части: проба для предварительных испытаний; проба для арбитражных анализов; анализируемая проба. Анализируемая проба – часть лабораторной пробы (1-25 г), применяемая для выполнения аналитических определений всех контролируемых компонентов (согласно заказу). Из нее берутся отдельные навески (10-1000 мг) (для твердых веществ) или аликвоты (для жидкостей и газов).
Первичная пробоподготовка
Применение максимально инертной посуды. «Захолаживание» пробы. Затемнение пробы. Продувка пробы инертными газами. «Тренировка» поверхностей. Консервация пробы. Для отдельных видов проб применяется высушивание.
Используемые для консервации реагенты-стабилизаторы должны быть высочайшей чистоты (ОСЧ, ХЧ,ЧДА). Материалы, из которых изготовлены сосуды, устройства и инструменты для пробоотбора должны быть устойчивы к действию образца и реагента. Посуду нужно готовить непосредственно перед отбором проб. Хорошо знать свойства используемых консервантов. Время хранения законсервированных проб должно быть минимальным.
Должна быть : быстрой; в соответствующей таре, гарантирующей сохранность пробы. Для транспортировки проб часто используются специальные герметичные металлические защитные контейнеры, сконструированные по принципу «матрешки».
Вторичная пробоподготовка
Подготовка пробы к анализу может включать в себя либо концентрирование измеряемого ингредиента, либо его химическую модификацию с целью проявления аналитически наиболее выгодных свойств. Концентрирование достигается двумя путями: методом сорбции анализируемого компонента (на твёрдом сорбенте или при экстракции растворителем), методами уменьшения объёма пробы, содержащей компонент, например путём вымораживания, соосаждения или выпаривания.
Гомогенизация (достижение однородности пробы). Высушивание пробы (удаление воды). Вскрытие (разложение пробы) и перевод ее в раствор. Обогащение пробы (ее концентрирование). Устранение влияния мешающих примесей (удаление или маскирование примесей).
ДРОБЛЕНИЕ ПРОСЕИВАНИЕ ГОМОГЕНИЗАЦИЯ
ДРОБЛЕНИЕ Измельчители (мельницы, блендер) Фарфоровая ступка Механическая ступка
Процесс гомогенизации ПРОСЕИВАНИЕ Сито Просеивающая машина
ПЕРЕМЕШИВАНИЕ СОКРАЩЕНИЕ
Перемешивание Способы перемешивания: Механически в емкостях. Перекатыванием из угла в угол на различных плоскостях. Метод конуса и кольца. Перемешивание при растирании в шаровых мельницах (для малых объемов пробы). Метод конуса и кольца
Квартование Механический делитель Шахматный способ
Перемешанная куча Расплющивание кучи Расплющенная куча Куча, разделенная на секторы
Разделение пробы на квадраты Отбор проб из квадратов совком
Сушильный шкаф Эксикатор : 1 – кран; 2 – пришлифованная крышка; 3 – керамический вкладыш; 4 – тигли; 5 – водоотнимающее вещество.
«Сухие» методы разложения (требуют дальнейшего растворения полученного остатка) – это термическое разложение (пиролиз и сухая минерализация), спекание и сплавление. «Мокрые» методы разложения (сразу происходит разложение и растворение пробы) – это разложение концентрированными кислотами и их смесями, парами азотной кислоты и другими реагентами.
Это разложение пробы при нагревании, сопровождающееся образованием одного или нескольких компонентов газообразной фазы : Пиролиз – термическое разложение в отсутствие веществ, реагирующих с разлагаемым соединением. Проводится в атмосфере инертного газа (азот, гелий) или в вакууме. Сухая минерализация (озоление) – термическое разложение в присутствии веществ, реагирующих с разлагаемым соединением. Бывает с окислением (сожжение в кислороде или на воздухе) и с восстановлением (сожжение в токе водорода или аммиака).
Сплавление – измельченную пробу смешивают с 8 –10-кратным избытком реагента (плавня) и нагревают (300 -1000 0 С) до получения прозрачного плава. Спекание – измельченную пробу смешивают с 2 – 4-кратным избытком подходящего твердого реагента и нагревают (500 - 800 0 С). При этом смесь не расплавляется, а только спекается.
Плавни : Щелочные (карбонаты, гидроксиды, бораты щелочных металлов и их смеси). Кислые (пиросульфат и гидросульфат калия, В 2 О 3 ). Окислительные (щелочные плавни с добавкой окисляющих веществ – KNO 3, NaNO 3, KClO 3 и др.). Реагенты для спекания : Пероксид натрия – Na 2 O 2. Карбонаты щелочных металлов. Оксиды металлов (магния, цинка, кальция). Смеси карбонатов с оксидами магния, цинка, кальция.
Муфельная печь Микроволновая печь Нагревательная камера
Концентрированные минеральные кислоты ( HCl, HNO 3, H 2 SO 4, HF, HClO 4, H 3 PO 4 и др.). Органические кислоты (уксусная, щавелевая, винная, лимонная, муравьиная и др.). Смеси, содержащие кислоты : HCl ( HNO 3, H 2 SO 4 ) + Н 2 О 2 ; HCl + H 2 SO 4 + HClO 4 ; HNO 3 + H 2 SO 4 ; HCl + HNO 3 (3:1) – царская водка и др.
Автоклав для разложения проб кислотами Микроволновая установка для мокрой минерализации проб Камера фотолизного окисления пробы под действием УФ –излучения
Основные растворители: Вода. Органические растворители. Водные смеси (с кислотами; органическими растворителями). Водные растворы кислот, щелочей. Буферные растворы. Концентрированные кислоты и их смеси (см. «мокрые» методы разложения). Другие растворители.
Разделение – это операция, в результате которой компоненты, составляющие исходную смесь, отделяются один от другого. Концентрирование – это операция, в результате которой повышается отношение концентрации или количества микрокомпонентов к концентрации или количеству макрокомпонента.
Жидкие пробы: Упаривание. Вымораживание. Экстракционное концентрирование. Ионообменное концентрирование. Твердые пробы: Сублимация (возгонка). Флотация. Другие методы.
Методы испарения основаны на переводе вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное. Они основаны на разной летучести веществ. Классификация методов: Дистилляция – это перевод вещества из жидкого состояния в газообразное, с последующей его конденсацией. Отгонка – это выпаривание при котором удаляются летучие вещества. Разновидности отгонки – лиофильная сушка, сухая и мокрая минерализация. Сублимация (возгонка) – это перевод вещества из твердого состояния в газообразное и последующее осаждение его в твердой форме (минуя жидкое состояние).
Сублимация Дистилляция Отгонка
Экстракция – это метод выделения, разделения и концентрирования, основанный на распределении растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами (обычно между водой и органическим растворителем). При экстракции протекают процессы : Образование экстрагируемых соединений; Распределение экстрагируемых соединений между двумя фазами; Реакции в органической фазе.
а – делительные воронки; б, в – приборы для непрерывной экстракции : 1 – холодильник; 2 – экстрагируемая жидкость; 3 – трубка возврата экстрагента; 4 – резервуар для экстрагента; 5 – воронка для диспергирования растворителя; 6 – пористый стеклянный диск
Сорбция – это процесс поглощения газов, паров и растворенных веществ твердыми или жидкими поглотителями (сорбентами). Виды сорбции : Физическая; Химическая (хемосорбция); Абсорбция; Адсорбция. Способы сорбции: Статический; Динамический; Хроматографический.
Стакан Цилиндр Хроматографическая колонка Хроматограф
Флотация – метод концентрирования и разделения смеси твердых частиц, основанный на различии в смачиваемости. Газовая экстракция – разделение летучих соединений пробы продувкой через нее инертного газа. Парофазный анализ – метод разделения и концентрирования за счет экстракции летучих компонентов смеси газом (воздухом, азотом, гелием) в статических или динамических условиях. Разделение с помощью мембран. Микроволновое излучение.
Криогенное концентрирование – основано на вымораживании токсичных примесей. Твердофазная экстракция – разделение веществ в результате сорбционных или ионообменных взаимодействий. Сверхкритическая флюидная экстракция – выделение токсичных примесей сверхкритическими жидкостями-флюидами. Экстракция субкритической водой – извлечение примесей горячей водой под высоким давлением. Дериватизация – получение химических производных токсичных примесей.
Может быть осуществлено : Разделением. Селективной экстракцией. Маскированием. Хроматографией. Другими методами.
Это устранение влияния мешающих ионов путем связывания их в устойчивые комплексные соединения. Маскирующие реагенты: Неорганические: Полифосфаты; Галагенид-ионы; Цианид-ионы; Тиосульфат-ионы; Аммиак. Органические: Оксикислоты (винная, лимонная, салициловая); Комплексоны; Глицерин; Мочевина и тиомочевина.
Контактные методы наблюдений и контроля за состоянием природной среды дополняются неконтактными (дистанционными), основанными на использовании двух свойств зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитационных): осуществлять взаимодействия с контролируемым объектом и переносить полученную информацию к датчику. Неконтактные методы наблюдения и контроля представлены двумя основными группами методов: аэрокосмическими и геофизическими.
Основными видами аэрокосмических методов исследования являются оптическая фотосъёмка, телевизионная, инфракрасная, радиотепловая, радиолокационная, радарная и многозональная съёмка. Геофизические методы исследований применяются для изучения состава, строения и состояния массивов горных пород, в пределах которых могут развиваться те или иные опасные геологические процессы. К ним относятся: магниторазведка, электроразведка, терморазведка, визуальная съёмка (фото-, теле-), ядерная геофизика, сейсмические и геоакустические и другие методы.
Условные обозначения: - ИЗА; - точка максимальной приземной концентрации ЗВ Расчетный прямоугольник рассеивания концентраций бензина (в перерасчете на углерод), (2704) В качестве источников загрязнения (ИЗА) были заданы 16 участков улиц центральной части города.
Содержание валовых форм свинца в почвах г. Архангельска в сравнении с ПДК (мг/кг) Содержание подвижных форм свинца в почвах г. Архангельска (мг/кг)
Загрязненность цинком разнотравья г. Архангельска Условноеобозначение Содержание цинка, мг/кг < 70 71 – 150 151 – 250 251 – 350 > 350
Совершенно очевидно, что оценка экологической обстановки невозможна без использования методов биодиагностики качества окружающей среды. Оценивать качество окружающей среды, степень её благоприятности для человечества необходимо в целях: определения состояния природных ресурсов; разработки стратегии рационального использования региона; определения предельно допустимых нагрузок для любого региона; решение судьбы районов интенсивного промышленного и сельскохозяйственного использования, загрязненных территорий и т.д.; решения вопроса о строительстве, пуске или остановке определённого предприятия; оценки эффективности природоохранных мероприятий, введения очистных сооружений, модернизации производства и т.д.; введения новых химикатов и оборудования; создания рекреационных и заповедных территорий.
Ни один из этих вопросов не может быть объективно решён лишь на уровне рассмотрения формальных показателей, а требует проведения специальной разносторонней оценки качества среды обитания, т.е. необходима интегральная характеристика её состояния, биологическая оценка. Прямые (интегральные) методы оценки экологической обстановки в свою очередь тоже можно разделить на две группы – биоиндикации и биотестирования (последние называют также токсикологическими методами ). Объектом исследования первых являются организмы или сообщества организмов-биоиндикаторов, наблюдаемые в естественных условиях обитания. Вторая группа методов изучает реакции тест-объектов – организмов, помещаемых в исследуемую среду. Они подразумевают оценку токсических свойств загрязняющих веществ с использованием модельных живых систем (тест-объектов). Оценка токсичности производится, как правило, в лабораторных условиях.
Биоиндикаторами называются растительные и животные организмы, наличие, количество и состояние которых служат показателями изменения качества среды их обитания. Глубина биоиндикации может быть различной от простой визуальной диагностики растений до изучения иммунных и генетических изменений в организме индикаторов. Методы биоиндикации основаны на наблюдениях отдельных организмов, популяции или сообществ организмов в естественной среде обитания с целью определения по их реакциям (изменениям) качества окружающей среды.
В сельском хозяйстве широко применяется метод биоиндикации для диагностики питания сельскохозяйственных культур. Данный метод визуальной биоиндикации основан на изучении внешних признаков фито- и биоценозов, которые отражают качественные изменения среды обитания. В качестве признаков визуальной биоиндикации используется внешний вид растений. Таких признаков, связанных с нарушением питания растений, множество, в частности: замедление роста стеблей; ветвей и корней; пожелтение; бурение; загибание листьев; «краевые ожоги»; образование гнили; одревеснение стеблей и др.
Ряска Лишайники Грибы
Моллюски Рыбы Млекопитающие
Двухстворчатые моллюски – перловицы, беззубки
Рыбы Хищные рыбы – щука, окунь. Иногда используют придонных рыб – карп, лещ.
Хищные млекопитающие – волк, лисица, песец, соболь. Используют и охотничьи виды – заяц, олень, кабан Млекопитающие
Для целей биоиндикации качества окружающей среды могут применяться популяционные и экосистемные критерии, которые характеризуются показателями: численности и биомассы отдельных видов; соотношением в сообществах различных видов, их распределение по обилию и т.п. Методы биотестирования. Биотестирование как способ интегральной оценки токсичности загрязнений уже достаточно давно используется в системе мониторинга качества окружающей среды за рубежом и начинает применяться в нашей стране. Аргументами в пользу целесообразности использования подходов биотестирования качества окружающей среды являются их универсальность, экспрессность, простота, доступность и дешевизна.
В зависимости от поставленных задач предъявляются различные требования к методам и всей системе биотестирования (постановка опытов и оценка результатов). В качестве объектов биотестирования применяются разнообразные организмы – бактерии, водоросли, высшие растения, пиявки, моллюски, рыбы и др. Каждый из организмов имеет свои преимущества, но ни один организм не может служить универсальным объектом. Растения могут оказаться наиболее чувствительными к присутствию в среде гербицидов, дафнии – к присутствию инсектицидов и т.д.
Исследование фитотоксичности НП Постановка модельных опытов
