Тема. Методи дослідження стану навколишнього середовища

МЕТА: Ознайомитись з основними методами дослідження стану навколишнього середовища.

ЗАВДАННЯ:

1. Ознайомитись з сучасними методами якісного та кількісного аналізу дослідження стану навколишнього середовища. Ознайомитись з основними типами реакцій, які використовуються в якісному аналізі.

2. Ознайомитися із основами біоіндикації, її роллю в екологічних дослідженнях та практичним значенням.

3. Провести порівняльний аналіз різних методів дослідження стану навколишнього середовища.

4. Оформити звіт та здати викладачеві.

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА: 1,2,3,5.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Методи дослідження стану довкілля в екології поділяють на якісні і кількісні. Під час дослідження стану довкілля якісний аналіз часто передує кількісному з метою виявлення того чи іншого хімічного елементу чи сполуки. Реакції, які використовуються при проведенні якісних досліджень, супроводжуються візуальними ефектами, такими як поява чи зникнення осаду, зміна кольору розчину, виділення газів, забарвлення полум’я та ін. Наприклад, наявність свинцю у ґрунті виявляють за допомогою йодиду, хромату або сульфату калію за появою характерного осаду:

Pb(NO₃)₂ + 2KI = PbI₂↓ (яскраво-жовтий) + 2KNO₃;

Pb(NO₃)₂ + K₂CrO₄ = PbCrO₄↓ (жовтий) + 2KNO₃;

Pb(NO₃)₂ + K₂SO₄ = PbSO₄↓ (білий) + 2KNO₃;

Наявність сірководню в повітрі визначають за допомогою папірця, змоченого Pb(NO₃)₂:

Pb(NO₃)₂ + H₂S = PbS↓ (чорний) + 2HNO₃

За характером проведення методи кількісного аналізу поділяються на хімічні, фізико-хімічні, фізичні та біохімічні.

Хімічні методи.

Титрометричний (об’ємний) метод аналізу ґрунтується на вимірювані об’єму розчину реагенту відомої концентрації, витраченого на взаємодію з аналізованою речовиною. Концентрація визначуваного компоненту – 10^-1-10^-3 моль/л. Цим методом визначають загальну і карбонатну твердість води, хімічне споживання кисню (ХСК), біохімічне споживання кисню (БСК), кислотність, лужність, вміст розчиненого кисню, концентрацію катіонів ртуті, феруму (ІІ), аніонів CI^-,SO₄^2-,S^2- тощо.

Гравіметричний метод грунтується на кількісному переведенні аналізованого компонента в малорозчинну сполуку і зважування продукту після виділення, промивання, просушування чи прожарювання. Метод застосовують при концентрації визначуваної речовини в розчині не нижче 10^-2-10^-3 моль/л. Цим методом визначають у природних і стічних водах ферум (ІІІ) та алюміній у вигляді оксидів, хлориди – AgCI, сульфати – BaSO₄ в кислому середовищі.

Фізико-хімічні методи.

Ця група методів ґрунтується, як і хімічні, на хімічних реакціях, однак за допомогою них визначають фізичну характеристику (оптичну густину, електропровідність, окисно-відновний потенціал) досліджуваної речовини.

Фотометричний аналіз охоплює всі методи, які ґрунтуються на поглинанні світла в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоних частинах електромагнітного спектра досліджуваною речовиною чи продуктом її реакції. Ці методи є високочутливими, розроблені для визначення практично всіх хімічних елементів, крім інертних газів, за їх допомогою визначаються як макро-, так і мікрокількості аналізованої речовини.

Методи фотометрії широко застосовують в аналізі природних об’єктів: повітря, поверхневих вод, ґрунту, донних рослин, а також стічних вод, відходів промисловості, газоподібних викидів.

Хроматографічний аналіз – метод розподілу, якісного виявлення та кількісного визначення компонентів рідких та газоподібних сумішей, що ґрунтується на різному їх розподілі між рухомою та нерухомими фазами. Саме завдяки цьому методу вдалося швидко виявити стафілококове та мікозне ураження ліквідаторів аварії на ЧАЕС. Хроматографічні методи поділяються на високоефективну рідинну хроматографію (визначають вміст гормонів, токсинів, алкалоїдів), газорідинну (визначають склад стічних вод нафтопереробних та хіміко-фармацевтичних підприємств), газову (визначають азото- і фосфоровмісні агрохімічні препарати), йонообмінну (визначають загальну твердість води, вміст катіонів важких металів у воді, ґрунті, донних мулах), тонкошарову хроматографію (визначають активність ґрунтової фауни за продукцією амінокислот) та ін.

Електрохімічні методи аналізу поділяються на потенціометрію (застосовуються для визначення рН природних і стічних вод, вмісту нітратів у продуктах і рослинах), вольтамперометрію (застосовують для визначення вмісту важких металів у водному середовищі, токсичних елементів у продуктах харчування, повітрі, для діагностики захворювань), кондуктометрію, або аналіз за електричною провідністю (застосовується для визначення концентрації розчинених солей у питних водах).

Фізичні методи.

Спектральний аналіз – це фізичний метод визначення складу та будови речовини за її спектром – упорядкованим за довжиною хвилі електромагнітним випромінюванням. Для збудження речовини використовують полум’я паяльника, енергію електричної дуги чи іскри. Спектральний аналіз дає змогу встановити елементний, нуклідний і молекулярний склад речовини та її будову. В екології метод застосовується для контролю виробничих викидів, визначення концентрації металів у повітрі, воді, ґрунті.

Радіометричні методи аналізу ґрунтуються на виявленні як природної, так і штучної радіоактивності. Для кількісного визначення радіоактивності використовують поняття абсолютної активності радіоактивних речовин, яку вимірюють у кюрі, та питомої радіоактивності – радіоактивності одиниці маси досліджуваної речовини, тобто міри відносного вмісту радіонуклідів у досліджуваному зразку. Її виражають числом розпадів за хвилину чи секунду і вимірюють у бекерелях.

Люмінесцентний аналіз ґрунтується на здатності речовин випромінювати світло під дією різних збудників: ультрафіолетового випромінювання або видимого світла (фотолюмінесценція), енергії хімічної реакції (хемілюмінесценція). Люмінесцентним методом аналізують природні і стічні води, повітря, грунт, продукти харчування, визначають вміст нафти, фенолів, кадмію у природному середовищі, вміст свинцю та бензпірену у питній воді.

Біологічні методи.

Основу біологічних та біохімічних методів дослідження становлять реакції рослин, тварин і мікроорганізмів на дію певного чинника. Зміни можуть відбуватися на різному рівні: активності ферментів, проникності мембран та зміні інших органел клітини, окремих органів, систем, організму в цілому, популяції, екосистеми. Біологічні методи широко використовують з метою визначення стану довкілля (біоіндикація). Живі організми часто є тест-об’єктами при вивченні дії токсичних речовин (визначення гранично допустимих концентрацій і летальних доз), фармакологічного ефекту лікарських препаратів тощо. Зокрема, антибіотики аналізують за їх здатністю зупиняти ріст мікроорганізмів, серцеві глікозиди – припиняти роботу ізольованого серця жаби, накопичення фенольних сполук в листі рослин – сигнал про стресову реакцію.

Біоіндикація — властивості багатьох організмів реагувати на зміну фізичних, хімічних і екологічних характеристик середовища проживання, які проявляються в особливостях їх росту, розвитку і чисельності.

Найбільш широке застосування індикаційна геоботаніка набула в геології для розвідки корисних копалин. На поверхні Землі існують геохімічні провінції в межах яких концентруються поклади тих або інших елементів. Ряд рослин, які ростуть у межах провінції, нагромаджують у собі ці елементи. За цією ознакою виділяють біогеохімічні провінції, для яких властиве нагромадження у рослинах відповідних елементів. Нині досить широко застосовують біогеохімічні методи пошуку корисних копалин. На території дослідження збирають зразки рослин (листя, кори, гілок, корінців), потім їх спалюють, а далі аналізують на спектрометрах.

Зв'язок між об'єктами живої й неживої природи лежить в основі фітоіндикації.

Фітоіндикаторами називають рослини, рослинні угруповання, що вказують на якість, конкретні умови середовища. Вони можуть бути прямими, тобто такими, що безпосередньо пов'язані з якимись конкретними умовами середовища (наприклад, з вмістом у фунті кальцію (рослини-кальцефіли), або непрямими — супутниками (наприклад, астрагал накопичує селен, який є супутником уранових руд, тому астрагал є непрямим індикатором урану).

Рослини можуть бути індикаторами, тобто вказувати на певні умови чи властивості, зокрема екологічні. Наприклад, лишайники невибагливі до умов зростання, дуже чутливі до забруднення повітря діоксидом сірки, тому поблизу ТЕС, металургійних комбінатів, пожвавлених автомагістралей вони ніколи не ростуть. Такі рослини, як чорниця, кисличник, сфагнум, кладонія, можуть бути індикаторами умов зростання .лісу, тому слугують у лісівництві для визначення типів умов зростання. Кількісні співвідношення різних видів, популяцій і угруповань організмів характеризують ступінь забруднення середовища. За наявністю певних видів рослин і хребетних тварин визначають температурні зони у водному середовищі. Скупчення морських рибоїдних птахів є біоіндикатором місць, де водиться риба; за складом планктону можна передбачити вилов риби. Під час космічних досліджень біоіндикацію використовують для з'ясування впливу чинників космічного простору на живі організми.

За складом флори і фауни у воді, чисельному співвідношенні їх представників можна говорити про ступінь забруднення, придатність води для пиття і господарського використання, про ефективність роботи очисних споруд.

Угруповання рослин і тварин бувають більш надійними індикаторами особливостей середовища, ніж окремі організми. В останні роки виникла нова галузь біогеографії — індикаційна біогеографія.

Дані аналізів наносять на карту, а точки з однаковою концентрацією тих або інших елементів з'єднують ізолініями. Ці лінії називають ізоцинками, ізокобальтами, ізомарганцями тощо. Точки або регіони найбільшої концентрації елементів у попелі рослин є найбільш перспективними для дальшої розвідки там певних корисних копалин. Такими методами знайдені поклади міді, цинку, нікелю, кобальту та ряду інших елементів.

Індикаторами збагачення грунту, а отже, і порід, які під ними залягають, є такі види рослин:

• цинку у грунті - фіалка, талабан, армерія;

• магнію - бурачок, полин;

• селену - астрагал, стенлея;

• кобальту - кроталярія, смілка кобальтова;

• срібла - епігонум.

Геоботанічні індикаційні методи використовуються при вивченні шунтів, рельєфу, особливо зсувів, обвалів, для пошуків води в пустелі.