Физико-химические (ингредиентные, вещественные) методы
1. Спектрофотометрические основаны на способности веществ поглощать видимую, УФ (ультрафиолетовую), ИК (инфракрасную) части спектра. Визуальная колориметрия - исследуемый раствор сравнивают со стандартной шкалой. Например, определение цветности воды по хромато-кобальтовой шкале со стандартными растворами. Точные количественные определения возможны на приборах спектрофотоколориметрах (ФЭК), спектрофотометрах при помощи предварительно построенной калибровочной зависимости в координатах «оптическая плотность - концентрация».
2. Оптические люминесцентные (люминесцентный, хемилюминесцентный, криолюминесцентный), флуоресцентные, рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) основаны на способности веществ излучать спектр разной длины волны, по его интенсивности судят о концентрации компонентов. Проводят на спектрофлуориметрах.
3. Хроматографический основан на разделении веществ при помощи тонкослойной, колоночной, газовой, жидкостной, газожидкостной, высокоэффективной жидкостной хроматографии с последующей идентификацией выделенного вещества физико-химическими методами. Измерения проводят на специальном оборудовании -хроматографах.
4. Электрохимические (полярографический, потенциометрический, кулоно-метрический) основаны на измерение потенциала ионизации веществ, по величине которого идентифицируют вещества. Полярографы, кулономеры, потенциометры.
5. Атомно-абсорбционный и атомно-адсорбционные - высокочувствительные для определения металлов, основаны на способности веществ излучать или поглощать свет.
6. Хромато-масс-спектрометрический основан на разделении веществ, разрушении их на осколки с последующей идентификацией. Отличается высокой чувствительностью, применяются при определении ПАУ, диоксинов, хлорорганических соединений, включая диоксины, биомолекул.
Биохимические, биологические методы
1. Ферментативные и иммунохимические основаны на проведении биохимических реакций. Например, метод определения фенолов с помощью фермента пероксидазы. Иммунохимические методы основаны на получении антител на загрязнители.
2. Биологические методы заключаются в контроле реакции биосистемы (клетка, гидробионты, растения, животные) на определяемый компонент.
Биоиндикация - метод оценки абиотических и биотических факторов среды обитания при помощи биообъектов и их систем. Организмы, популяции и сообщества, свойства и функции которых связаны с определенными факторами среды и могут применяться для их оценки называются биоиндикаторами. (Сапробность водоемов)
Биотестирование - метод мониторинга среды при помощи тест-объектов в искусственных, лабораторных условиях. Тест-объекты - живые организмы или их сообщества, выделенные в лабораторные культуры, по реакциям которых получают интегральную оценку токсичности объектов окружающей среды. Здесь важны не уровни загрязнения, а вызываемые ими биологические эффекты.
Экотоксикология - новый метод биологического мониторинга, направленный на установление пороговых эффектов токсического воздействия в системах «токсикант - организм», «доза - реакция», «токсикант - экосистема» с целью проведения природоохранных мер и обеспечения экобезопасности. Задача - определение дозы ВВ, способного нанести вред живым системам.
Мониторинг биоразнообразия - система наблюдений за составом организмов с целью определения состояния биоты. Объекты - виды, сообщества, популяции, экосистемы, ландшафт, редкие виды и сообщества. Биоразнообразие определяется на генетическом, видовом, экосистемном уровнях для видов фоновых, индикаторных, редких.
7.2. Методы и средства контроля объектов среды
Повышение эффективности контроля за состоянием ОПС может быть достигнуто за счет 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 показатели – на функциональные (продуктивность, оценка круговорота веществ и др.) и структурные (значения физических, химических и биологических параметров – концентрация ЗВ, коэффициенты загрязнения и др.).
1. Контактные методы контроля
Классифицируют на физические (рентгеноспектральный анализ, масс-спектрометрия, магнитная спектроскопия), физико-химические (спектральные, электрохимические, хроматографические), химические (гравиметрические, титриметрические).Наиболее применяемы спектральные, хроматографические, электрохимические.
Спектральные методы включают атомную и молекулярную спектроскопию. Из них основные – фотометрия, люминесценция, радиоволновая спектроскопия, ИК-, УФ- спектроскопия, рентгеноспектральный, эмиссионный.
Хроматографические методы и средства измерения делятся на две группы – с подвижными фазами газа или жидкости. В качестве детектров используются фотометрия, люминесценция, пламенно-ионизационные детекторы. (Хромато-массспектроскопия).
Электрохимические методы с протеканием и без протекания электродных реакций. Это – потенциометрия, электрохимия, кулонометрия и др.
Эффективность любого метода наблюдений и контроля за состоянием объектов окружающей среды оценивается совокупностью показателей:
• селективностью и точностью определения;
• воспроизводимостью получаемых результатов;
• чувствительностью определения;
• пределами обнаружения элемента (вещества);
• экспрессностью анализа.
2. Дистанционные методы контроля
Основаны на использовании свойств зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитационных) осуществлять взаимодействия с объектом и переносить информацию к датчику. Методы подразделяют на пассивные и активные. В первом случае осуществляется приём зондирующего поля, исходящего от самого объекта, во втором производится приём отражённых, прошедших или переизлученных полей, созданных источником. Основные группы: аэрокосмические и геофизические.
Аэрокосмические: оптическая фотосъёмка, телевизионная, инфракрасная, радиотепловая, радиолокационная, радарная и многозональная съёмка. Одной из причин появления отражённого сигнала являются мелкомасштабные температурные неоднородности, что позволяет контролировать температурные изменения, профили скорости ветра, верхнюю границу тумана.
Принцип лидарного (лазерного) зондирования заключается в том, что лазерный луч рассеивается; поглощается, изменяет свою частоту, форму импульса, в результате чего возникает флюоресценция, которая позволяет судить о давлении, плотности, температуре, влажности, концентрации газов, аэрозолей, параметрах ветра. Преимущество в возможности менять спектр, что позволяет избирательно контролировать отдельные параметры. Главный недостаток – влияние облаков. Основными методами неконтактного контроля природных вод являются радиояркостный, радиолокационный, флюоресцентный. Радиояркостный метод использует диапазон волн от видимого до метрового для контроля волнения, температуры и солёности. Радиолокационный (активный) метод заключается в приёме и обработке сигнала, отражённого от взволнованной поверхности. Для дистанционного контроля параметров нефтяного загрязнения водной среды (площадь покрытия, толщина, примерный химический состав) используется лазерный отражательный, лазерный флюоресцентный методы и фотографирование в поляризованном свете. Основан на поглощении оптических волн нефтью и различии спектров свечения легких и тяжёлых фракций нефти.
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.
3. Биологические методы контроля
Оценка экологической обстановки невозможна без использования методов биодиагностики качества ОПС. Цели:
• 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 решён на уровне анализа состава среды, а требует интегральную оценку ее качества, биологическую оценку.
В сельском хозяйстве широко применяется метод биоиндикации по внешним признакам растений для диагностики питания сельскохозяйственных культур. (Замедление роста стеблей; ветвей и корней; пожелтение; бурение; загибание листьев; «краевые ожоги»; образование гнили; одревеснение стеблей и др.) В водной биоиндикации широко используется система сапробности. Могут применяться популяционные и экосистемные критерии -численность и биомасса видов; соотношение видов, их распределение по обилию и т.п. Также известны патолого-анатомические, гистологические, эмбриональные, генетические, иммунологические методы биоиндикации.
Методы биотестирования. Аргументами в пользу целесообразности использования подходов биотестирования являются их универсальность, экспрессность, простота, доступность и дешевизна. Высокая чувствительность тест-организмов к действию ЗВ привела ряд специалистов даже к идее о возможности полной замены всех гигиенических нормативов единственным критерием качественной оценки окружающей среды на основе биотестирования. Особенно удобен для выявления залповых сбросов ЗВ в водные объекты. Имеет значение как сигнальный показатель экспресс-контроля, позволяющий уже в течение часа получить данные интегральной оценки токсичности воды в то время как органолептические свойства воды могут оставаться без изменения, а на идентификацию веществ, поступивших в воду, химическими методами требуется несколько часов и даже суток. В настоящее время особое внимание уделяется приёмам токсикологического биотестирования, т.е. использования в контролируемых условиях биологических объектов в качестве средства выявления суммарной токсичности воды. Длительность биотестирования зависит от задачи, поставленной исследователем. Существуют следующие виды биотестов:
• острые биотесты, выполняемые на различных тест- объектах по показателям выживаемости, длятся от нескольких минут до 24 – 96 ч;
• краткосрочные тесты, длятся в течение семи суток и заканчиваются, как правило, после получения первого поколения тест-объектов;
• хронические тесты, распространяются на общую плодовитость ракообразных, охватывая три поколения.
Генетически однородные культуры тест-объектов (водных беспозвоночных и водорослей) можно получить в специализированных научных учреждениях, аккредитованных в системе сертификации на проведение анализов с использованием необходимого тест-объекта. В последние годы в России и ряде стран мира внедряются методы биотестирования качества поверхностных вод с использованием инфузорий, дафний и других водных биоценозов. РД 52.18.344–93 Методика выполнения измерений интегрального уровня загрязнения почвы техногенных районов методом биотестирования. ПНД ФТ 14.1:2:3:4.7–02,16.1:3:3:3.4–02 «Токсикологические методы контроля. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадки сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний».
Контрольные вопросы
1. Что такое метод анализа (или определения)?