Глава 4. МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

В экологическом мониторинге используют различные методы иссле­дования. Среди них можно выделить дистанционные (аэрокосмические) и наземные методы. К наземным методам относятся биологические (биоин­дикационные) и физико-химические методы. Простейшие варианты на­земных методов экологических исследований доступны в школьной прак­тике по изучению природной среды своей местности [7].

Биоиндикационные методы

Краткая история биоиндикационных исследований

О возможности использования живых организмов в качестве показате­лей определенных природных условий писали еще ученые Древнего Рима и Греции. В России в рукописях XV и XVI вв. уже упоминались такие понятия, как «лес пашенный» и «лес непашенный», т. е. участки леса, при­годные для его сведения под пашню и непригодные.

В трудах М. В. Ломоносова и А. Н. Радищева есть упоминания о расте­ниях указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод.

В XIX в. с развитием экологии растений была показана связь растений с факторами окружающей среды. О возможности растительной биоинди­кации писал геолог А. М. Карпинский. Другой геолог - П. А. Ососков -использовал характер распределения растительных сообществ для со­ставления геологических карт, а почвовед С. К. Чаянов - почвенных карт. Большой вклад в развитие биоиндикации внес русский ученый-почвовед В. В. Докучаев.

В начале XX в., в период, когда началось освоение окраин нашей страны, биоиндикационные исследования стали развиваться особенно интенсивно. Под биоиндикацией в эти годы в основном понимали реги­страцию наличия или отсутствия того или иного явления (природного или антропогенного фактора среды), отмечая в терминах «есть» - «нет». К концу XX века биоиндикационные закономерности претерпели качествен­ный скачок. В настоящее время для целого класса индикаторных видов растений и животных целесообразно говорить не только о наличии или отсутствии фактора, но и о степени его влияния на природный комплекс. Разные степени влияния на окружающую природную среду, регистрируе­мые с помощью этих видов, позволяют ввести шкалу воздействий (напри­мер, нет воздействия - слабое - среднее - сильное). Наличие шкалы эко­логического фактора позволяет намного более верно оценивать исследуемую территорию. В таком случае следует говорить не о биоиндикации, а о биодиагностике территорий - методе количественной оценки степени воздействия экологического фактора на окружающую природную среду.

Виды и методы биоиндикации

По современным представлениям биоиндикаторы - организмы, при­сутствие, количество или особенности развития которых служат показа­телями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. (Биоиндикация - метод, который позволяет судить о со­стоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов.

Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объ­ектами биоиндикации. Ими могут быть как определенные типы природ­ных объектов (почва, вода, воздух), так и различные свойства этих объек­тов (механический, химический состав и др.) и определенные процессы, протекающие в окружающей среде (эрозия, дефляция, заболачивание и т. п.), в том числе происходящие под влиянием человека. При выборе биоиндикаторов один из крупнейших американских экологов Ю. Одум предлагает учитывать следующие соображения. 1. Стенотопные виды (то есть виды, приспособленные к существова­нию в строго определенных условиях), более редкие в сообществах, как правило, являются лучшими индикаторами, нежели эвритопные (широко распространенные, обладающие широким диапазоном экологической вы­носливости).

2. Более крупные виды являются обычно лучшими индикаторами, чем мелкие, так как скорость оборота последних в биоценозах выше и они могут не попасть в пробу в момент исследований (при наблюдениях с дли­тельной периодичностью).

3. При выделении вида (или группы видов), используемого в качестве индикатора воздействия того или иного фактора, необходимо иметь поле­вые и экспериментальные сведения о лимитирующих значениях данного фактора с учетом возможных компенсаторных реакций организма и толе­рантности вида (группы видов),

4. Численное соотношение разных видов (популяций или сообществ) более показательно и является более надежным индикатором, нежели чис­ленность одного вида («...целое лучше, чем часть отражает общую сум­му условий»).

Биоиндикационные исследования подразделяются на два уровня: ви­довой и биоценотический. Видовой уровень включает в себя констатацию присутствия организма, учет частоты его встречаемости, изучение его анатомо-морфологических, физиолого-биохимических свойств. При биоценотическом мониторинге учитываются различные показатели разнооб­разия видов, продуктивность данного сообщества.

Существуют различные виды биоиндикации. Если одна и та же реакция вызывается различными факторами, то говорят о неспецифической био­индикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации. Например, лишайники и хвойные деревья могут характеризовать чистоту воздуха и наличие промышленных загрязнений в местах их произраста­ния. Видовой состав животных и низших растений, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения этих группировок и численности видов в них могут сви­детельствовать о загрязнении почв химическими веществами или изме­нении структуры почв под влиянием хозяйственной деятельности.

Методы биоиндикации подразделяются на два вида: регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции. Регистрирующая биоин­дикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свой­ство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пище­вой цепочки, может достигать 100-300 ПДК). В соответствии с этими ме­тодами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.

Регистрирующие биоиндикаторы реагируют на изменения состояния окружающей среды изменением численности, фенооблика, повреждени­ем тканей, соматическими проявлениями (в том числе уродливостью), изменением скорости роста и другими хорошо заметными признаками. В качестве примера регистрирующих биоиндикаторов можно назвать лишай­ники, хвою деревьев (хлороз, некроз) и их суховершинность. Однако с по­мощью регистрирующих биоиндикаторов не всегда возможно установить причины изменений, то есть факторы, определившие численность, распро­странение, конечный облик или форму биоиндикатора. Это один из основ­ных недостатков биоиндикации, поскольку наблюдаемый эффект может порождаться разными причинами или их комплексом.

Накапливающие индикаторы концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определенных органах и частях тела, которые в последую­щем используются для выяснения степени загрязнения окружающей сре­ды при помощи химического анализа. Примером подобных индикаторов могут служить хитиновые панцири ракообразных и личинок насекомых, обитающих в воде, мозг, почки, селезенка, печень млекопитающих, рако­вины моллюсков, мхи.

Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может срав­ниться со сложно устроенным «живым прибором». Правда, у живых прибо­ров есть серьезный недостаток - они не могут установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ. В то же время физические и химические методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии. С помощью биоиндикато­ров можно получить информацию о биологических последствиях и сделать только косвенные выводы об особенностях самого фактора.

Мониторинг с применением накапливающих биоиндикаторов зачастую требует применения сложных и дорогостоящих приборов, оборудования, трудоемких методик, что под силу только специальным лабораториям. Но в основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат труда, сложного и дорогостоящего оборудования, а поэтому могут широко использоваться в школьном экомониторинге.

Наиболее конструктивно использовать биоиндикаторы одновременно с инструментальным контролем за состоянием окружающей природной среды, применяемым при локальном мониторинге источников или объек­тов загрязнения.

Методы биоиндикации, позволяющие изучать влияние техногенных загрязнителей на растительные и животные организмы, на неживую при­роду, являются наиболее доступными для школьников. В главах 5-7 дан­ной книги описаны некоторые методики исследований, включенных в про­грамму школьного экологического мониторинга, с использованием биоин­дикаторов состояния окружающей среды.

Физико-химические методы

Наиболее доступным в школьных условиях является качественный анализ. Он всегда предшествует количественному, так как выбор метода количественного определения зависит от данных качественного анализа [8].

Качественные реакции на катионы

Li⁺ - пламя (красное)

Na⁺- пламя (желтое)

К⁺ - пламя (фиолетовое)

Са²⁺- пламя (кирпично-красное)

карбонат-ионы (белый осадок)

оксалат-ионы (белый осадок)

Ва²⁺- пламя (желто-зеленое)

сульфат-ионы (белый осадок)

хромат-ионы (желтый осадок)

Сu²⁺-пламя (зеленое)

в водном растворе гидратированные ионы [Cu(H₂O)₄]²⁺ имеют голубую окраску

водный раствор аммиака (сине-фиолетовая окраска)

Рb²⁺-сульфид-ионы (черный осадок)

йодид-ионы (желтый осадок)

хромат-ионы (желтый осадок)

Ag⁺ - хлорид-ионы (белый осадок)

хромат-ионы (кирпично-красный осадок)

Fe²⁺ - красная кровяная соль (синий осадок)

Fe³⁺ - желтая кровяная соль (синий осадок)

роданид-ионы (красное окрашивание)

Cd²⁺ - сульфид-ионы (желтый осадок)

Zn²⁺ - сульфид-ионы (белый осадок)

NH₄⁺- раствор щелочи (запах аммиака)

[Hg]²⁺- раствор щелочи (черный осадок)

хромат-ионы (красный осадок)

Hg²⁺- сульфид-ионы (черный осадок)

йодид-ионы (красный осадок)

Sn²⁺ - сероводород (темно-коричневый осадок)

Sn⁴⁺ - сероводород (желтый осадок)

 

Качественные реакции на анионы

- соли бария (белый осадок)

- соляная или серная кислоты (выделяется углекислый газ)

известковое молоко (белый осадок)

- магнезиальная смесь: MgCI₂+ NH₄OH + NH₄Cl (белый осадок)

нитрат серебра (желтый осадок)

- разбавленные растворы кислот (студенистый осадок)

соли аммония (то же)

- пламя (зеленое окрашивание)

и - нитрат серебра (желтый осадок)

- соли свинца (желтый осадок)

хлорная вода + крахмал (синее окрашивание)

Cl ^– - нитрат серебра (белый осадок)

Вr^– - нитрат серебра (желтоватый осадок)

- металлическая медь в концентрированной серной кислоте (газ бурого цвета)

металлический алюминий в сильнощелочной среде (запах аммиака)

смесь H₂SO₄ + FeSO₄ (окраска от фиолетовой до коричневой)

- сульфаниловая кислота + α -нафтиламин (красное окрашивание)

- соли бария (желтый осадок)

и - соли свинца (черный осадок)

S^2– - соли кадмия (желтый осадок)

Из количественных методов в школьной практике могут быть реко­мендованы гравиметрический, титриметрический (объемный) и метод визуальной колориметрии.

Гравиметрический метод

Суть метода - определение массы и процентного содержания какого-либо элемента, иона или химического соединения, находящегося в испы­туемой пробе. Искомую часть выделяют либо в чистом виде, либо в виде соединения известного состава. Гравиметрическим методом определя­ют содержание ряда тяжелых металлов, анионов, сухого вещества в пло­дах и овощах, клетчатки, «сырой» золы в растительном материале. Кро­ме того, этим методом определяют кристаллизационную воду в солях, общую и гигроскопическую влажность почвы и т.д.

Гравиметрический анализ проводят по следующим стадиям:

- отбор средней пробы и подготовка ее к анализу;

- взятие навески;

- растворение навески;

- выбор осадителя и осаждение определяемого элемента (с пробой на полноту осаждения);

- фильтрование;

- промывание осадка (с пробой на полноту промывания);

- высушивание и прокаливание осадка;

- взвешивание;

- вычисление результатов анализа.

Аналитической практикой установлено, что при проведении гравимет­рического анализа наиболее удобны навески от 0, 5 до 2, 0 г. Навеску веще­ства следует брать из расчета, чтобы после прокаливания получить гра­виметрическую форму массой около 0, 1-0, 3 г для аморфного осадка и массой около 0, 5 г - для кристаллического.

Титриметрический (объемный) метод

Этот метод имеет ряд преимуществ перед гравиметрическим (быст­рота анализа, относительная простота операций, достаточная точность), в связи с чем он довольно широко применяется в лабораторной практике. В этом виде анализа взвешивание заменяется измерением объемов как оп­ределяемого вещества, так и реагента, используемого при данном опре­делении. Если требуется провести объемным методом анализ сухого ве­щества, то берут его точную навеску массой 0, 1-0, 2 г, растворяют в мер­ной колбе, перемешивают, пипеткой отбирают известный объем получен­ного раствора, при необходимости добавляют буферную смесь, индика­тор и пр. и проводят титрование.

Методы титриметрического анализа разделяют на 4 группы.

Методы кислотно-основного титрования . В основу этих методов положены реакции нейтрализации. Точка эквивалентности фиксируется при помощи индикаторов, которые меняют свою окраску в зависимости от реакции среды (величины рН). Этими методами определяют концентра­ции кислот, щелочей и солей, нейтрализующихся в водных растворах. В качестве рабочих растворов используют титрованные растворы кислот и сильных оснований.

Методы осаждения . Методом осадительного титрования определя­ют элемент, который, взаимодействуя с титрованным раствором, может осаждаться в виде малорастворимого соединения; при этом изменяются свойства среды, что позволяет установить точку эквивалентности.

Методы окисления-восстановления . Эти методы основаны на окис­лительно-восстановительных реакциях, которые протекают между иско­мым веществом и веществом рабочего раствора (перманганатометрия, йодометрия, хроматометрия и др.). Их используют для обнаружения раз­личных восстановителей (Fe²⁺, и др.) или окислителей ( , , , Fe³⁺ и т.д.). Точка эквивалентности определяется по изменению окраски либо самого раствора, либо редокс-индикатора.

Методы комплексообразования. Эти методы дают возможность оп­ределять целый ряд катионов (Mg²⁺, Са²⁺, Zn²⁺, Hg²⁺, Al³⁺ и др.) и анионов (CN^–, F^–, C1^–), которые обладают способностью образовывать малодиссоциированные комплексные ионы. Особый интерес представляет комп­лексон III (трилон Б), широко используемый в количественном анализе. Точку эквивалентности чаще всего устанавливают по исчезновению ана­лизируемого катиона в растворе с помощью так называемых металл-ин­дикаторов. В качестве индикаторов для определения суммарного содер­жания кальция и магния могут быть взяты эриохром черный Т и хромо­вый темно-синий, для обнаружения кальция - мурексид, железа - рода­нид аммония в сульфаниловой кислоте и т.д.

Колориметрические методы

Колориметрия - один из наиболее простых методов абсорбционного анализа. В школьной практике можно рекомендовать использование ме­тода визуальной колориметрии, в частности, метод стандартных серий: исследуемый раствор сравнивают с набором стандартных растворов, ко­торые должны быть свежеприготовленными и отличаться друг от друга не менее чем на 10-15%.

Например, колориметрическое определение рН по Алямовскому осно­вано на свойстве индикаторов изменять свою окраску в зависимости от концентрации ионов водорода, присутствующих в растворе.

Шкала прибора Алямовского представляет из себя ряд запаянных про­бирок, заполненных окрашенным раствором. Этот устойчивый к действию света раствор имитирует окраску универсального индикатора при опреде­ленном значении рН. Испытуемый раствор сравнивают со шкалой и нахо­дят в ней пробирку, наиболее совпадающую с ним по цвету. Если окраска жидкости не соответствует цвету растворов шкалы, то берут среднее значение между двумя приближающимися по цвету пробирками. Иногда мо­жет встретиться набор Алямовского, в котором стандартная цветная шкала представлена не ампулами с растворами, а стеклянными пластинками с цветными пленками.

Для удобства сравнения к прибору прилагается компаратор, но техни­ка сравнения растворов со шкалой в этом случае другая. Пробирку с ок­рашенным испытуемым раствором нужно поместить в левое гнездо ком­паратора. В пробирку из правого гнезда компаратора наливают 5 мл дис­тиллированной воды. В пазы компаратора вставляют стандартную цвет­ную шкалу, при этом ее окрашенная часть должна находиться против про­бирки с дистиллированной водой, а бесцветная - против испытуемого раствора. Компаратор берут левой рукой и поднимают до уровня глаз, держа шкалой от себя и повернув ее к свету. Передвигая стандартную шкалу вверх и вниз, находят ту ее часть, которая по окраске совпадает с испыту­емым раствором. Повернув компаратор шкалой к себе, отсчитывают зна­чение рН и записывают результат анализа.

Для более точного определения анализируемого элемента применяют специальные приборы - фотоэлектроколориметры (ФЭК). При работе на ФЭК чаще всего используют метод градуировочной кривой, основанный на построении калибровочного графика в осях «оптическая плотность - концентрация» (для стандартных растворов). Измерив оптическую плот­ность анализируемого раствора, по графику находят его концентрацию.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: