8 Обзор методов анализа окружающей среды



Экологический мониторинг и методы анализа объектов окружающей среды

Для наблюдения за окружающей средой широко используют химические, физические и физико-химические методы анализа, в том числе радиометрию, рентгеновский и спектральный анализ, хроматографию.

Физико-химический анализ– метод исследования термодинамически равновесных систем на основании анализа графической зависимости какого-либо физического свойства системы от ее состава. Позволяет установить наличие и состав химических соединений без выделения их из системы. Применяют для исследований многокомпонентных многофазных систем (металлических сплавов, минералов, растворов солей и др.).

Основными методами радиометрии являются гамма-съемка (ГС), предназначенная для изучения интенсивности гамма-излучения, и эманационная съемка (ЭС), при которой по естественному альфа-излучению почвенного воздуха определяют концентрацию в нем радиоактивного газа – радона.

Гамма-методы(ГМ) служат для поисков и разведки не только радиоактивных руд урана, радия, тория и других элементов, но и парагенетически или пространственно связанных с ними нерадиоактивных полезных ископаемых (редкоземельных, металлических, фосфатных и др.). С их помощью можно определять абсолютный возраст горных пород. Гамма- и эманационную съемки используют также для литологического и тектонического картирования и решения других задач.

Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его спектрам. Различают атомный и молекулярный спектральный анализ, эмиссионный (по спектрам испускания) и абсорбционный (по спектрам поглощения). В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений; в количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос в спектрах. Применяется в промышленности, сельском хозяйстве, геологии и др.

На основе общей теории анализа разработано несколько частных методов. При отсутствии в пробе мешающих элементов можно применять простейший из них — метод внешнего стандарта: измерив интенсивность аналитической линии пробы, по аналитическому графику образца известного состава (стандарта) находят концентрацию исследуемого элемента. Для многокомпонентных проб иногда применяют метод внутреннего стандарта, в котором ординатой аналитического графика служит отношение интенсивностей линий определяемого элемента и внутреннего стандарта — добавленного в пробу в известном количестве элемента, соседнего (в периодической системе элементов) с определяемым.

Во многих случаях успешно применяют метод добавок в пробу в известном количестве определяемого элемента или наполнителя. По изменению интенсивности аналитической линии можно найти первоначальную концентрацию определяемого элемента.

В промышленности применяют метод стандарта-фона, в котором ординатой аналитического графика является отношение интенсивности аналитической линии флуоресцентного излучения образца и близкой к ней линии первичного рентгеновского излучения, рассеянного пробой. Это отношение во многих случаях мало зависит от состава наполнителя. Для анализа сложных многокомпонентных проб полную систему уравнений связи расшифровывают на ЭВМ по методу последовательных (обычно трёх-четырёх) приближений.

Масс-спектрометрияс ионизацией в индуктивно-связанной плазме – это эффективный метод элементного анализа (табл. 9.2.1).

Области применения масс-спектрометрии

Анализ загрязнения в природных водах, промышленных стоках, питьевой воде. Анализ загрязнения почв, грунтов, донных осадков.

Количественное определение микроэлементов и проведение анализа с использованием одного внутреннего стандарта.

Анализ редкоземельных элементов без предварительного разделения и концентрирования.

Входной контроль сырья и контроль качества готовой продукции. Контроль состава катализаторов. Определение микроэлементов в органических материалах.

Определение примесей в металлах высокой частоты. Контроль содержания легирующих элементов в сталях и сплавах.

Определение микроэлементов в биологических тканях и жидкостях. Анализ следовых элементов в лекарственных препаратах и пищевых продуктах.

Проба в виде мелкодисперсного аэрозоля вводится в центральный канал плазменного факела, где происходит ее атомизация и ионизация. Образующиеся в плазме ионы экстрагируются из плазмы через отверстие пробоотборника в вакуумную камеру, где расположен квадрупольный масс-анализатор. Ионый ток с выхода масс-анализатора детектируется вторичным электронным умножителем. Полученные данные затем обрабатываются высокопроизводительным компьютером.

Рентгеновский микроанализ (локальный анализ) участков пробы

1—3 мкм 2 (т.е. меньше размеров зерна сплава) выполняют с помощью электронно-зондового микроанализатора по рентгеновскому спектру исследуемого участка. Он требует точного введения поправок на атомный номер определяемого элемента, поглощение его излучения в пробе и его флуоресценцию, возбуждаемую тормозной компонентой излучения и характеристическим излучением др. элементов пробы.

Хроматография используется для разделения и анализа как органических, так и неорганических объектов; в последнем случае широко применяются комплексные соединения металлов с различными органическими лигандами. Например, методики определения тяжелых металлов основаны на образовании ими хелатов с органическими производными фосфорной и фосфатной кислот.

Все вышеперечисленные методы являются информационной основой для проведения экологического мониторинга окружающей среды.

Экологический мониторинг– это комплексная система наблюдения за элементами окружающей среды, контроля и прогноза ее состояния, предполагающая оценку изменений в экосистемах, в том числе связанных с накоплением загрязняющих веществ вследствие деятельности человека (рис. 9.2.1).

Рис. 9.2.2. Роль наблюдений в системе оценки окружающей среды

Экологический мониторинг включает звенья разного уровня:

· национальный, осуществляемый в пределах государства;

· региональный (геосистемный) — в пределах отдельных крупных районов;

· локальный, действующий в пределах населенных пунктов, промышленных центров, предприятий.

Глобальный мониторинг осуществляется на основе международного сотрудничества. Это система наблюдений за общепланетарными изменениями атмосферы, гидросферы, растительного и почвенного покрова, животного мира. Характеризуемые показатели — радиационный баланс, тепловой перегрев, глобальные балансы СО2 и О2 загрязнение атмосферы, больших рек и водоемов, глобальное распространение загрязнения почв.

Источник

блог для студентов колледжа 3 курса РИПК

Контактные методы контроля состояния окружающей среды представлены как классическими методами химического анализа, так и современными методами инструментального анализа. Суть этих методов заключается в непосредственном изучении пробы исследуемой среды (воды, воздуха или почвы). Классификация контактных методов контроля приведена на рисунке 1.

Общая схема контроля включает этапы:

2)обработка пробы с целью консервации измеряемого параметра и её транспортировка;

3) хранение и подготовка пробы к анализу;

4) измерение контролируемого параметра;

5) обработка и хранение результатов.

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. 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. Конечно, любая такая процедура может влиять на результат анализа, поэтому «внутренний стандарт» необходим.

Эффективность любого метода наблюдений и контроля за состоянием объектов окружающей среды оценивается следующей совокупностью показателей:

– селективностью и точностью определения;

– воспроизводимостью получаемых результатов;

– пределами обнаружения элемента (вещества);

Основным требованием к выбранному методу является его применимость в широком интервале концентраций элементов (веществ), включающих как следовые количества, в незагрязнённых объектах фоновых районов, так и высокие значения концентраций в районах технического воздействия.

Химические методы являются классическими методами экологического мониторинга. Основным недостатком методов – невысокий предел обнаружения 10 в минус третьей степени %. Однако погрешность у химических методов ниже, чем у физико-химических.

Среди химических методов выделяют следующие:

гравиметрический–метод количественного анализа, основанный на точном измерении массы определяемого вещества или его составных частей, выделенных в виде соединений точно известного постоянного состава.

Метод гравиметрического анализа разделяют на три группы:

1) метод выделения (определяемую составную часть выделяют в свободном состоянии и взвешивают);

2) метод осаждения (выделяемую часть осаждают в виде малорастворимого соединения определенного состава добавлением к раствору определенного реагента, осадок промывают, высушивают и взвешивают);

3) метод отгонки (определяемую составную часть превращают в летучее соединение и отгоняют при нагревании);

титриметрический метод заключается в измерении стандартного раствора реагента (титранта), израсходованного на реакцию с анализируемым веществом. Определение проводят способом титрования – приливания титранта небольшими порциями к анализируемой пробе. Титрование прекращается в тот момент, когда анализируемая проба и титрант взаимодействуют в точке эквивалентности. Ее определяют с помощью индикаторов, которые в точке эквивалентности меняют окраску или по изменению физико-химических характеристик титруемого раствора.

Физико-химические методы анализа объектов окружающей среды чаще всего применяются в мониторинге. Методы основаны на проведении аналитических реакций, конец которых определяется с помощью приборов, поэтому данные методы называют интструментальными. По сравнению с химическими, данные методы имеют ряд преимуществ: позволяют определять малое содержание компонентов в анализируемых объектах (предел обнаружения составляет 10-5 –10-10 %), позволяют проводить анализ достаточно быстро, сам процесс анализа автоматизирован.

спектральные методы – физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его спектрам. Различают

атомный и молекулярный спектральный анализ, эмиссионный (по спектрам испускания) и абсорбционный (по спектрам поглощения). В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений; в количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос в спектрах. Применяется в промышленности, сельском хозяйстве, геологии и др.

Читайте также:  Упражнения для слогового анализа и синтеза

электрохимические методы анализа основаны на существовании зависимости между составом вещества и его электрохимическими свойствами.

Электрохимические методы делятся на группы (рис. 2). Наиболее часто используются кондуктометрический, потенциометрический, электрогравиметрический, кулонометрический и полярографический методы.

Рисунок 2. Электрохимические методы анализа окружающей среды

хроматографические методы на сегодняшний день являются одними из самых распространенных методов анализа проб воздуха и воды.

Данные методы позволяют анализировать сложные смеси компонентов путем их разделения. Выделяют газовую, жидкостную, газово-жидкостную хроматографию.

Хроматография – это метод разделения и анализа газовой или жидкой смеси (например, пробы загрязненного воздуха или воды), основанный на распределении разных компонентов смеси при пропускании ее через твердый сорбент. При данном методе анализ проводится на специальном приборе – хроматографе, в который помещается пробирка с исследуемой пробой. На выходе из хроматографа получается хроматографическая кривая, высота и площадь пиков на которой отображают концентрацию различных загрязняющих веществ.

Физические методы:

магнитная резонансная спектроскопия связана с наблюдением взаимодействия между осциллирующим магнитным полем и веществом. Такое взаимодействие приводит к переходу между энергетическими уровнями магнитных диполей, а вырожденность этих уровней обычно снимается путем наложения внешнего стационарного магнитного поля.

масс-спектрометрия заключается в переводе молекул образца в ионизированую форму с последующим разделением регистрацией образующихся при этом положительных или отрицательных ионов. Идея метода проста и заключается в проведении следующих действий: превращение нейтральных частиц – атомов или молекул – в частицы заряженные – ионы; разделении образовавшихся ионов в пространстве в соответствии с их массой посредством электрического или магнитного поля; измеряя электрический ток, образуемый направленно движущимися ионами, получают данные об изотопном, атомарном и молекулярном составе анализируемого вещества, как на качественном, так и на количественном уровне.

рентгеноспектральный анализ основан на использовании зависимости частоты излучения линий характеристического спектра элемента от их атомного номера и связи между интенсивностью этих линий и числом атомов, принимающих участие в излучении. Рентгеновское возбуждение атомов вещества может возникать в результате бомбардировки образца электронами больших энергий или при его облучении рентгеновскими лучами. Первый процесс называется прямым возбуждением, последний –вторичным или флуоресцентным. В обоих случаях энергия электрона или кванта первичной рентгеновской радиации, бомбардирующих излучающий атом, должна быть больше энергии, необходимой для вырывания электрона из определённой внутренней оболочки атома. Электронная бомбардировка исследуемого вещества приводит к появлению не только характеристического спектра элемента, но и, как правило, достаточно интенсивного непрерывного излучения. Флуоресцентное излучение содержит только линейчатый спектр.

Источник

8. Обзор методов анализа окружающей среды.

Атмосфера загрязнена неорганическими газами (CO, NO, NO2, NH3, SO2 и др.), парами органических веществ, а также аэрозолями (пыль, туман, дым). Фотохимические реакции, протекающие под действием света, приводят к образованию дополнительных токсичных веществ. Контроль состава воздуха осуществляется с помощью автоматических газоанализаторов, определяющих содержание отдельных компонентов. Лазерные дистанционные анализаторы (лидары) могут определить концентрацию озона в верхних слоях атмосферы.

Для отбора проб воздуха используют жидкие поглотительные растворы или зерненые сорбенты: кремнезем, активированный уголь, полимерные сорбенты. Аэрозоли собирают на бумажных, мембранных или стеклянных фильтрах. Жидкие поглотители имеют различный состав: вода, кислоты, органические растворители, смешанные растворители.

Если концентрация исследуемого вещества мала, прокачивают большие объемы воздуха через трубку, заполненную сорбентом (уголь, кремнезем, цеолиты, полимерные сорбенты, а также K2CO3, CuSO4, CaCl2 и др.). Твердые сорбенты селективно поглощают отдельные вещества; например, цеолиты избирательно улавливают различные углеводороды. Для анализа нестабильных соединений применяют замораживание (криогенное концентрирование ) жидким азотом или другими охладителями.

Пыль отделяют электростатическим осаждением. Сконцентрированные на твердом сорбенте вещества далее разделяют с помощью экстракции и других методов. Для анализа применяют хроматографию, атомно-эмиссионную и атомно-абсорбционную спектроскопию, масс-спектрометрию.

8.2. Природные и сточные воды.

Содержат большое число неорганических и органических веществ, как в виде раствора, так и в виде коллоидных растворов, суспензий и эмульсий. Вредные примеси — соли тяжелых металлов, пестициды, фенолы, нефтепродукты и др. Тяжелые металлы определяют методом атомно-абсорбционной спектрометрии и фотометрии. Анионы определяют методами ионометрии и ионной хроматографии (будут рассмотрены позднее). Микроэлементы предварительно концентрируют и разделяют методами экстракции, сорбции, соосаждения, реже применяют электрохимические методы, осаждение и флотацию.

Органические вещества определяют хроматографическими методами с последующей идентификацией масс-спектроскопическим методом, ИК-спектроскопией и др. Это наиболее сложная проблема. Даже питьевая вода содержит до 100 различных органических веществ. Родственные группы органических веществ извлекаются экстракцией, сорбцией, перегонкой. Их идентификация осуществляется с помощью хроматографии, фотометрии, люминесцентного анализа.

8.3. Почвы

Макроэлементы — Si и O — составляют 80 — 90% массы почвы. Другие макроэлементы — Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C — содержатся в сравнительно больших количествах (проценты).

Промежуточная группа — Ti, Mg, N, P, S, H — содержатся в долях %.

Микро- и ультрамикроэлементы составляют менее тысячных долей %: B, Cu, I, Mn, Mo, Zn, Cl, Cr, Ni, V и др.

Вредные загрязнители почвы — избыточные количества As, Cd, Hg, Pb, F и др.

Для анализа образцы почв предварительно обрабатывают кислотами или щелочами, а далее анализируют химическими и инструментальными методами. Для определения микроэлементов их предварительно концентрируют и разделяют, используя сорбцию, экстракцию, соосаждение и электрохимические методы.

Для определения органических веществ последовательно обрабатывают образцы почвы различными растворителями — кислотами, щелочами, спиртом, бензолом. Анализ проводится методами молекулярной спектроскопии, масс-спектрометрии, ЯМР.

Почвенный раствор — жидкая фаза почвы в природных условиях. Определение концентрации (активности)_ ионов проводят с помощью ион-селективных электродов. Щелочные и щелочноземельные элементы определяют методом пламенной фотометрии. Другие элементы определяют методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

Источник

Лекция 1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Вопросы к зачету по разделу курса «Экоаналитическая химия».

Вопросы и ответы к зачёту по качественному анализу……………………. 141

Контрольные задания по дисциплине «Экоаналитическая химия»

Теоретические вопросы………………………………………………………………146

Расчетные задачи по различным типам равновесия и методам анализа………….149

Задания по теме «Концентрация растворов»……………..………………………..152

Задачи и тесты для контроля усвоения темы. ………………..…………………….154

Вопросы для тестового самоконтроля…………………………………………….…156

Варианты контрольных работ……………………………………… ………………157

Варианты заданий для самостоятельной работы…………………………………………..163

Курс предназначен для студентов специальности ИЗОС как раздел общего курса «ХИМИЯ».

Часть 1. Основы эколого-химического анализа и применяемые в контроле окружающей среды аналитические реакции

В первой части курса затрагиваются как классические вопросы качественного химического анализа, так и важнейшие химические аспекты и особенности применяемых в практике контроля загрязнения окружающей среды аналитических реакций. При этом в отличие от обычно читаемых в химических вузах курсах качественного анализа здесь:

o значительно усилено внимание к функциональному анализу органических веществ;

o среди качественных реакций наиболее подробно рассматриваются реакции, имеющие количественное окончание;

o большинство рассмотренных реакций характеризуются прикладными, практически значимыми показателями (чувствительность, селективность, время анализа и др.);

o отдельно рассматриваются вопросы, касающиеся форм выражения количеств вещества и концентраций, пересчетов в другие формы и приготовления концентраций.

В курсе (особенно в его первой части) широко используется термин «экоаналитическая химия», все чаще употребляемый химиками-аналитиками, занимающимися анализом загрязнения окружающей среды (например [1]), и даже вынесенный в заглавие всего курса.

Тема 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Термины «экологическая аналитическая химия» или «эколого-аналитическая химия» («экоаналитика») появились не так давно – в конце предыдущего века [2], но постепенно все чаще начинают употребляться как в научной, так и учебной литературе наряду с ранее веденными терминами «экоаналитический мониторинг» (в частности, [3]или [4]) и «экоаналитический контроль» (например, [5]и [6]).

Появление указанных новых терминов свидетельствует о том, что на пересечении классической аналитики и экологического мониторинга (контроля окружающей среды) формируется самостоятельная область науки и практики, имеющая предметом своего изучения – химические реакции и основанные на них методы анализа наиболее часто встречающихся в окружающей среде (ОС) или наиболее опасных (вредных, токсичных) загрязняющих веществ (ЗВ).

Система образования в свою очередь реагирует на данные новации в науке формированием обновленных учебных курсов. Так родился данный курс.

Он вобрал в себя помимо особенностей химических реакций еще и принципы основанных на них методов анализа, т.е. один из крупнейших и довольно трудных разделов современной аналитики, также имеющий в основном практическое значение – «физико-химические методы анализа» (ФХМА) объектов ОС.

Остановимся на нескольких ключевых понятиях курса, перешедших в него из своих «прародителей». Так как в целом, аналитическая химия (или по-другому, химический анализ) занимается разработкой и применением методов обнаружения, концентрирования, разделения и определения веществ во всевозможных объектах, то экоаналитика включает в их число только объекты окружающей среды (ОС): воздух и атмосферные осадки, воды и донные отложения водных объектов, загрязненную почву и подземные объекты, а также некоторые другие объекты эколого-химического анализа – биологические ткани растительного и животного происхождения, продукты питания и иную продукцию, произведенную из природного сырья, а также всевозможные отходы производства и потребления и т.д.

Читайте также:  Виды цели и этапы деловой карьеры

Химический анализ, понимаемый здесь как анализ химических веществ различными методами (а не как анализ чего-то только химическими методами) включает в себя и эколого-химический анализ (ЭХА), являющийся сегодня основой контроля загрязнения окружающей среды, т.е. содержания в ней загрязняющих веществ (ЗВ) – в рамках мониторинга объектов ОС. Он позволяет обнаружить и количественно определять вредные химические вещества, а его аналог эколого-физический анализ также физические факторы (поля и излучения, которые веществом не являются, хотя и вполне материальны), присутствующие в среде в виде примеси. Кроме того он позволяет устанавливать их характер («идентифицировать»), оценить количество или содержание и в некоторых случаях выявить источник антропогенного,а также естественного (природного)загрязнения. То есть здесь термин «эколого-химический анализ» понимается нами максимально широко и не сводится только к «анализу химическим методами» или «анализу химических веществ». Приставка «ЭКО» значительно расширяет его как и все остальное, с чем она связывается.

Эколого-химический анализ дает возможность устанавливать факт наличия и определять содержание природных компонентов (ПК) окружающей среды, информация о динамике изменения концентраций которых, также как и содержания антропогенных ЗВ служит диагностике «экологических» заболеваний. В задачи ЭХА часто входит и идентификация форм существования природных (фоновых) и загрязняющих веществ, а также и их «метаболитов» – продуктов превращений в среде, что необходимо для решения вопросов о миграции и трансформации этих веществ в окружающей среде.

Курс знакомит студентов с теоретическими основами и некоторыми особенностям практического применения классических химических и современных инструментальных методов анализа загрязняющих веществ. Впоследствии назовем и кратко охарактеризуем самые распространенные из них, опираясь на классические представления, изложенные в известном практическом руководстве [7], а также на более современные [8, 9, 10, 11 и др.].

Важно, что существует универсальный принцип аналитики — принцип определения химического состава, относящийся ко всем аналитическим методам: состав вещества определяется по его свойствам. Этот принцип, несколько видоизмененный и дополненный, работает и в экоаналитике: поведение ЗВ в ОС определяется свойствами вещества, а также свойствами самой среды.

Каждое вещество, отличающееся от других веществ своим составом и строением, обладает некоторым индивидуальным набором только ему одному присущих свойств. Растворимость, спектр поглощения или электрохимические характеристики, форма кристаллов и другие аналитические свойства изменяются при изменении состава вещества. Таким образом, определив свойства неизвестного вещества, можно отождествить его с одним из известных веществ, т.е. опознать («идентифицировать») это ранее неизвестное вещество. Для такого качественного анализа достаточно исследовать несколько характерных аналитических свойств данного вещества или продуктов некоторых его реакций.

Определяя зависимость величин, характеризующих свойства раствора, от концентрации растворенного вещества, можно проводить количественный анализ. Например, по величине оптической плотности раствора определяют концентрацию растворенного вещества.

При этом большинством химиков справедливо считается что изучение соотношений между составом и свойствами систем (как правило равновесных), состоящих из нескольких веществ, и является предметом физико-химического анализа, давно уже представляющего собой самостоятельную область химии. Результаты физико-химического анализа обычно выражают диаграммами «состав – свойство».

В экоаналитике свойства окружающей среды не менее важны, чем свойства самого вещества. Так, одно и то же соединение (например, двуокись серы) может существовать в воздухе – в форме газа, а в воде – кислоты, а в почве, скорее, всего – соли какого-нибудь щелочного металла. При этом используемые аналитические методы могут меняться (например, в воздухе – ИК, в воде – УФ, в почве – ЭХ).

Позже мы рассмотрим классификацию этих методов, а пока остановимся на главных терминах и определениях экоаналитики.

Источник

Методы экологического мониторинга

Понятие и основные методы экологического мониторинга. Характеристика физико-химических (спектрофотометрия, зондирование, полярография) и биологических методов. Методы статистической и математической обработки данных. Географические информационные системы.

Рубрика Экология и охрана природы
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 27.11.2014
Размер файла 22,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Методы экологического мониторинга

1.1 Физико-химические методы

1.2 Биологические методы

1.3 Методы статистической и математической обработки данных

1.4 Географические информационные системы

1. Методы экологического мониторинга

Охрана окружающей среды и рациональное использование ее ресурсов в условиях бурного роста промышленного производства стала одной из актуальнейших проблем современности. Результаты воздействия человека на природу необходимо рассматривать не только в свете развития технического прогресса и роста населения, но и в зависимости от социальных условий, в которых они проявляются. Отношение к природной среде является мерой социальных и технических достижений человеческого общества, характеристикой уровня цивилизации. Сотрудничество между странами в области охраны природы осуществляется через такие организации как Европейский экономический союз (ЕЭС), Организация объединенных наций (ООН) в рамках «Программы ООН по окружающей среде» (ЮНЕП). К главным направлениям деятельности ЮНЕП относятся экологические проблемы населенных пунктов, а также проблемы здоровья и благосостояния человека, охрана наземных экосистем и борьба с распространением пустынь, деятельность, связанная с экологическим образованием и информацией, торговые, экономические и технологические аспекты по защите природы, защита Мирового океана от загрязнения, охрана растительности и диких животных, экологические вопросы энергетики. Экономическая проблема охраны окружающей среды заключается в оценке ущерба, нанесенного загрязнением атмосферы, водных ресурсов, разработкой и использованием недр. Экономический ущерб представляет собой затраты, возникающие вследствие повышенного (сверх того уровня, при котором не возникает негативных последствий) загрязнения воздушной среды, водных ресурсов, земной поверхности. Загрязненная природная среда может отрицательно воздействовать на «реципиентов» (людей, промышленные , транспортные и жилищно-коммунальные объекты, сельскохозяйственные угодья, леса, водоемы и т. п. ). Эти отрицательные воздействия проявляются в основном в повышении заболеваемости людей и ухудшения их жизненных условий, в снижении продуктивности биологических природных ресурсов, ускорения износа зданий, сооружений и оборудования. В связи с вышеизложенным можно выделить следующие группы затрат:

· затраты, направленные на предотвращение вредного воздействия загрязненной окружающей среды на реципиентов, и

· затраты, вызываемые этим воздействием.

К первой группе относятся затраты на перемещение реципиентов за пределы зон локальных загрязнений окружающей среды, на озеленение санитарно-защитных зон, на сооружение и эксплуатацию систем очистки воздуха, поступающего в жилые помещения. Затраты, отнесенные ко второй группе, включают расходы на медицинское обслуживание заболевших от загрязненного воздуха, оплату бюллетеней, компенсацию потерь продукции из-за повышения заболеваемости, на компенсацию снижения продуктивности биологических земельных и водных ресурсов. Мониторингом окружающей среды называется регулярные, выполняемые по заданной программе наблюдения природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности. Под экологическим мониторингом следует понимать организованный мониторинг окружающей среды, при котором, во-первых, обеспечивается постоянная оценка экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов и т. д. ), а также оценка состояния и функциональной ценности экосистемы, во-вторых, создаются условия для определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются.

В систему мониторинга должны входить следующие основные процедуры:

· выделение (определение) объекта наблюдения;

· обследование выделенного объекта наблюдения;

· составление информационной модели для объекта наблюдения;

· оценка состояния объекта наблюдения и идентификация его информационной модели;

· прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;

· представление информации в удобной для использования форме и доведения ее до потребителя.

1.1 Физико-химические методы

экологический мониторинг полярография зондирование

Современные методы контроля химических веществ, загрязняющих окружающую среду, — это по сути физико-химические методы. Иногда их объединяют термином «инструментальные методы анализа». Исключительно мощное средство контроля загрязнения различных объектов окружающей среды — хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов. Наибольшее значение приобрели тонкослойная, газожидкостная и высокоэффективная жидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография хороша при определении пестицидов и других органических соединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна при анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ. Применение различных детекторов, например малоизбирательного детектора по теплопроводности — катарометра и избирательных — пламенно-ионизационного, электронного захвата, атомно-эмиссионного, позволяет достигать высокой чувствительности при определении высокотоксичных соединений. Высокоэффективную жидкостную хроматографию применяют при анализе смесей многих загрязняющих веществ, прежде всего нелетучих. Используя высокочувствительные детекторы: спектрофотометрические, флуориметрические, электрохимические, можно определять очень малые количества веществ. При анализе смесей сложного состава особенно эффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно с масс-спектрометрией. В последнем случае роль детектора играет подключенный к хроматографу масс-спектрометр. Обычно приборы такого типа оснащены мощным компьютером. Так определяют пестициды, полихлорированные бифенилы, диоксины, нитрозоамины и другие токсичные вещества. Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного составов вод. Один из физико-химических методов мониторинга — ИК-спектрофотометрия. Инфракрасные спектры поглощения, отражения или рассеяния несут чрезвычайно богатую информацию о составе и свойствах пробы. Сопоставляя ИК спектр образца со спектрами известных веществ, можно идентифицировать неизвестное вещество, определить основной состав пищевых продуктов, полимеров, обнаружить примеси в атмосферном воздухе и газах, провести фракционный или структурно-групповой анализ. Методом корреляционного анализа по ИК спектру пробы также можно определить его физико-химические или биологические характеристики, например всхожесть семян, калорийность пищевых продуктов, размер гранул, плотность и т. д. Люминесцентный методы характеризуются высокой экспрессностью и чувствительностью, что позволяет их использовать для систематического контроля за состоянием биосферы и гидросферы и для определения микроэлементов, а также суммарного содержания загрязняющих органических веществ и индивидуальных органических соединений.

Читайте также:  Авс анализа с дефектами

Люминесцентный метод относят к числу наиболее чувствительных эмиссионных методов определения следовых количеств органических и неорганических примесей в воздухе. Люминесцентный анализ применяют при определении в воздухе полиароматических углеводородов и их производных. Если определяемое соединение не обнаруживается люминесцентным методом анализа, возможен перевод его в производное, обладающее эмиссией флуоресценции. Для количественного анализа используют также явление тушения люминесценции.

Полярография — одно из электрохимических методов анализа. Полярограмма — зависимость силы тока от величины приложенного напряжения на электроды. При этом методе не происходит физического разделения смеси на отдельные компоненты. В качестве катода чаще всего применяют ртутный капающий электрод (РКЭ), поверхность которого непрерывно обновляется, что позволяет получать полярограммы и проводить анализ с высокой воспроизводимостью результатов. Прямое определение возможно лишь при наличии веществ, способных восстанавливаться на РКЭ: ионы металлов, органические соединения, содержащие галоид -, нитро -, нитрозогруппы, карбонильные соединения, пероксиды, эпоксиды и др. это несколько ограничивает возможности метода. Однако при определении полягрофических активных соединений позволяет достичь высокой селективности определения без предварительного разделения сложных смесей на отдельные компоненты. Одним из важнейших этапов реализации экологического мониторинга является дистанционный мониторинг. Как способ получения информации дистанционный мониторинг условно может быть разделен на космический, авиационный, наземный, подземный и подводный. Дистанционный мониторинг, в частности аэрокосмический, применяется для контроля состояния природно-техногенных объектов нефтегазовой отрасли. Основными задачами дистанционного мониторинга являются: техническое состояние магистральных нефте и газопроводов: определение нефтяных загрязнений окружающей среды в местах добычи, переработки и транспортировки углеводородов; оценка масштабов загрязнений при аварийных ситуациях; определение нефтяных загрязнений водной поверхности; контроль ландшафтных изменений в районе расположения техногенных объектов; обнаружение мест и объемов утечек нефтяных углеводородов из наземных и подземных магистральных трубопроводов. Аэрокосмический мониторинг особенно важен для труднодоступных объектов, где проведение непосредственных измерений затруднено или невозможно.

Для решения задач промышленно-экологического мониторинга (ПЭМ) наибольшее распространение получили следующие методы:

— методы мониторинга средствами активного зондирования, к которым относятся лидары, работающие по методу комбинационного рассеяния, на резонансных эффектах и по принципу дифференциального поглощения. Наиболее пригодными для дистанционного контроля нефтяных загрязнений являются системы активного ИК- и УФ-зондирования, а также флуоресцентный лазер, позволяющий определять наличие нефти на поверхности: воды, почвы, снега, льда. Примером типичного лазерного флуориметра может служить лидар MK-III КЦДЗ (канадского центра дистанционного зондирования). Лидар предназначен для обнаружения, идентификации, картирования, слежения за перемещением нефтяных пленок на поверхности воды. Основные параметры лидара излучатель — N-лазер, длина волны — 0,37 мкм, диапазон спектрометра — 0,386-0,690 мкм. Следует отметить, что с помощью лидаров, в принципе, возможно, определять концентрации загрязняющих веществ. Так, например, перестраиваемый лидар в ИК-диапазоне (от 2,7 до 3,7 мкм), используемый на вертолете МИ-8Т в составе комплекса «Эфир-АК», позволяет измерять концентрации углеводородных газов (метан, этан), а также сероводород и другие газы с пределом обнаружения до 2 ppm;

— методы мониторинга средствами пассивного зондирования, к которым относятся тепловизионные системы, много-спектральные сканеры, средства телевизионной и аэрофотосъемки, трассовые радиометры, видеоспектрометры. Многоспектральные сканеры являются наиболее универсальными системами пассивного дистанционного зондирования, так как они могут объединять функции телевизионных, тепловизионных и спектрометрических систем. В НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов ВНЦ “ГОИ им С. И. Вавилова” разработан многоспектральный сканер «Везувий ЭК», предназначенный для получения изображения в видимом, инфракрасном и тепловом диапазонах. Методы теплового контроля являются косвенными и основаны на регистрации теплофизических свойств загрязненной поверхности. Таким образом, тепловизоры, ИК-сканеры могут зафиксировать, как правило, факт наличия загрязнения, а не определять концентрацию;

— радиотехнические методы мониторинга-радиотепловые измерения в СВЧ-диапазоне и активное радиолокационное зондирование. Особенно эффективно применение СВЧ-радиометрии (миллиметровый диапазон) для обнаружения и контроля нефтяных загрязнений водной поверхности, а также измерения толщины пленки. Например, двухканальный СВЧ-радиометр, работающий в диапазоне 10,7 — 3,5 ГГц, способен измерять толщину пленки в пределах от 0,1 до 7,0 мм при полосе захвата 1600 м с высоты 800 м и скорости полета 200 км/ч.

1.2 Биологические методы мониторинга

Состояние биологической системы (организм, популяция, биоценоз) в той или иной степени характеризует воздействие на нее природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для их оценки. Биоиндикаторы (от био и лат. indico — указываю, определяю) — организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выхолит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причем амплитуда колебаний физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы — условиями питания, возрастом,генетически контролируемой устойчивостью. В качестве объектов для биоиндикации применяются разнообразные организмы — бактерии, водоросли, высшие растения, беспозвоночные животные, млекопитающие. Для гарантированного выявления присутствия в природных средах токсического агента неизвестного химического состава, как правило, используется набор объектов, представляющих различные группы сообщества. С введением каждого дополнительного объекта эффективность схемы испытаний повышается, однако нет смысла бесконечно расширять ассортимент обязательных объектов для использования в такой оценке.

Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальными скоростью отклика и выраженностью параметров. Например, в водных экосистемах наиболее чувствительными являются планктонные сообщества, которые быстро реагируют на изменение среды благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, более консервативны: перестройки происходят в них при длительном хроническом загрязнении, приводящем к необратимости процессов.

К методам биоиндикации, которые можно применять при исследовании экосистемы, относится выявление в изучаемой зоне редких и исчезающих видов. Список таких организмов, по сути, является набором индикаторных видов, наиболее чувствительных к антропогенному воздействию.

Предлагаемая система биомониторинга представляет собой комплекс различных подходов для оценки состояния разных организмов, находящихся под воздействием комплекса как естественных, так и антропогенных факторов. Фундаментальным показателем их состояния является эффективность физиологических процессов, обеспечивающих нормальное развитие организма. В оптимальных условиях организм реагирует на воздействие среды посредством сложной физиологической системы буферных гомеостатических механизмов. Эти механизмы поддерживают оптимальное протекание процессов развития. Под воздействием неблагоприятных условий механизмы поддержания гомеостаза могут быть нарушены, что приводит к состоянию стресса. Такие нарушения могут происходить до появления изменений обычно используемых параметров жизнеспособности. Таким образом, методология биотестирования, основанная на исследовании эффективности гомеостатических механизмов, позволяет уловить присутствие стрессирующего воздействия раньше, чем многие обычно используемые методы.

1.3 Методы статистической и математической обработки данных

Для обработки экомониторинговых данных используются методы вычислительной и математической биологии (в том числе и математическое моделирование), а также широкий спектр информационных технологий.

1.4 Географические информационные системы

ГИС является отражением общей тенденции привязки экологических данных к пространственным объектам. Как считают некоторые специалисты, дальнейшая интеграция ГИС и экологического мониторинга приведёт к созданию мощных ЭИС (экологических информационных систем) с плотной пространственной привязкой.

Заключение

Человек всегда использовал окружающую среду как источник ресурсов, однако до последнего времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в ХХ веке изменения природы под влиянием хозяйственной деятельности человечества обратили на себя внимание ученых. Мониторинг за окружающей средой становится нормой жизни. Великая роль в становлении этого процесса отводится созданию автоматизированных систем контроля и оповещения состояния окружающей среды.

Мониторинг биосферы методами инструментального контроля поможет не только созданию более полного представления о характеристиках окружающей среды, но и глубже осознать свою меру ответственности за её состоянием. Осознание этой ответственности — одна из составляющих качеств экологически культурного человека.

Источник

Adblock
detector