Биоиндикационные методы:

Биоиндикация – метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов – биоиндикаторов.

Биоиндикаторы – организмы, присутствие, количество или особенности развития, которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания.

Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации.

Объектами биоиндикации могут быть:

1. Определенные типы природных объектов (почва, вода, воздух).

2. Различные свойства этих объектов (механический, химический состав и др.).

3. Определенные процессы, протекающие в окружающей среде (эрозия, дефляция, заболачивание и т.п.), в том числе, происходящие под влиянием человека.

Биоиндикационные исследования подразделяются на два уровня:

1. Видовой уровень – включает в себя констатацию присутствия организма, учет частоты его встречаемости, изучение его анатомо-морфологических, физиолого-биохимических свойств.

2. Биоценотический уровень – учитывает различные показатели разнообразия видов, продуктивность данного сообщества.

Методы биоиндикации подразделяются на два вида:

1. Регистрирующая биоиндикация – позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции.

2. Биоиндикация по аккумуляции – использует свойства растений и животных накапливать те или иные химические вещества.

В соответствии с этими методами различают:

1. Регистрирующие индикаторы – 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.

2. 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.

В качестве примера могут служить хитиновые панцири ракообразных и личинок насекомых, обитающих в воде, почве, мозг, почки, печень млекопитающих, раковины моллюсков и т.д.

Мониторинг атмосферы контроль загрязнения атмосферы

Регулярные наблюдения за загрязнением воздуха проводят на постах, которые подразделяются согласно ГОСТу 17.2.3.01-86 «Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов» на 3 категории:

1. Стационарные посты.

2. Передвижные посты.

3. Маршрутные посты.

Стационарные посты – это специальные павильоны, оснащенные оборудованием и приборами для отбора и анализа проб воздуха и определения метеорологических параметров, служащие для систематических наблюдений

Минимальное число стационарных постов наблюдений устанавливается в зависимости от численности населения:

До 50 тыс. чел. – 1; от 100 тыс. чел. – 2; от 100 - 200 тыс. чел. – 2 - 3;

от 200 - 500 чел. – 3 - 5; от 0,5 - 1 млн. чел. – 5-10; от 1- 2 млн. чел. – 10 - 15;

более 2 млн. чел. – 15-20.

Сеть стационарных постов наблюдения должна охватывать различные участки города из расчета 1 стационарный пункт на 3-5 кв. км.

Выбранные пункты должны быть расположены на площадках с непылящим или мало пылящим покрытием, на проветриваемых местах.

Целесообразно организовать за пределами города 1 стационарный пост на расстоянии 1- 3 км с наветренной стороны по преобладающему ветру и на расстоянии 2 - 5 км с подветренной стороны.

Размещение стационарных постов наблюдений выбирается совместно с гидрометеорологической и санитарно-эпидемиологической службами, и согласовываются с главным архитектором города.

Передвижные посты служат для разовых наблюдений над дымовыми и газовыми факелами (в зависимости от направления ветра) и оценки пространственной изменчивости загрязнения на прилегающих территориях.

Основное назначение передвижных лабораторий – выявление зон с чрезмерным уровнем загрязнения компонентов биоты, отбор проб для тщательного анализа, а также для осуществления контрольных функций.

Маршрутные посты представляют собой автолаборатории для постоянных наблюдений за состоянием атмосферного воздуха на территориях, примыкающих к автомобильным магистралям с интенсивным движением

Контроль загрязнения атмосферы и метеонаблюдения проводятся строго в соответствии с международными стандартами – по полной, неполной и сокращенной программам.

По полной программе сроки отбора проб воздуха производятся в строго фиксированное время суток, через равномерные промежутки (в 1, 4, 7, 10, 13, 16, 19, 21 ч. местного дискретного времени) для того, чтобы охватить возможные изменения концентраций примесей, в связи с суточными колебаниями метеорологических факторов и выбросов вредных веществ.

По неполной программе (в 7, 13, 19. ч.) измеряются концентрации только основных и специфических загрязнителей.

По сокращенной программе (в 7, 13. ч.) измеряются концентрации основных загрязнителей и 1- 2 наиболее распространенных специфичных загрязнителя.

Измерения метеопараметров для сравнимости во всём мире проводятся одновременно (синхронно) по Гринвичскому времени (времени нулевого, Гринвичского, меридиана). Это так называемые синопти­ческие сроки.

Результаты измерений немедленно передаются в службу погоды по компьютерной связи, телефону, телеграфу или радио. Там составляются синоптические карты и разрабатывают­ся метеопрогнозы.

Для определения концентраций вредных примесей в атмосферном воздухе в близи автомагистралей и в отработавших газах двигателей используют анализаторы непрерывного действия, основанные на использовании следующих методов табл. 2.3.

Таблица 2.3

Определяемое вещество.	Применяемый метод.
СО, О3	абсорбционный метод спектрального анализа.
СnHm , органические вещества	пламенно-ионизационный метод.
NО, NО2, О3	хемилюминесцентный метод.
SO2, Н2S	флуоресцентный, пламенно-фотометрический метод.
пыль	радиометрический метод, гравиметрический метод.
СО, SО2 ,Н2S	электрохимический метод

1. Абсорбционный* метод спектрального анализа, основан на свойстве веществ, избирательно поглощать часть проходящего через них электромагнитного излучения.

*Абсорбция (лат. поглощаю) – объемное поглощение газов или паров жидкостью (абсорбентом) с образованием раствора.

Специфичность спектра поглощения позволяет качественно определять состав газовых смесей, а его интенсивность связана с количеством поглощающего энергию вещества. Каждому газу присуща своя область длин волн поглощения и соответственно свой цвет.

2. Пламенно-ионизационный* метод, основан на ионизации углеводородов в водородном пламени.

*Ионизация (греч. идущий) – превращение атомов и молекул в ионы.

Ионы – электрически заряженные частицы, образующиеся в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов к атомам или химически связанным атомным группам, (катионы (+) или анионы (-)).

В чистом водородном пламени содержание ионов незначительно. При введении углеводородов в пламя, количество образующихся ионов значительно возрастает и под действием приложенного электрического поля между коллектором и горелкой возникает ионизационный ток, пропорциональный содержанию углеводородов.

3. Хемилюминесцентный* метод, основан на реакции оксидов азота и озона, попадающих одновременно в реакционную камеру, которая имеет вид:

NO + O₃ → NО₂(NO₂*) +О₂

Возбужденная молекула NO₂* (образует 5-10% от общего количества молекул NO₂) отдает избыток энергии в виде излучения.

NО₂* → hv+NО₂

Интенсивность излучения, измеряемого фотоумножителем, пропорциональна концентрации оксидов азота.

*Люминесценция (лат. свет) – свечение веществ, избыточное над их тепловым излучением при данной температуре и возбужденное какими-либо источниками энергии.

Хемо – часть сложных слов, указывающая на отношение к химии или к химическим процессам.

Для определения концентрации озона применяется газ-реагент этилен (Н₂С = СН₂) высокой очистки (99,95%). Под действием ультрафиолетового излучения между озоном и этиленом протекает реакция, сопровождающаяся люминесцентным излучением.

4. Метод ультрафиолетовой флуоресценции* основан на облучении пробы газа, содержащего диоксид серы и (или) сероводород, ультрафиолетовым светом.

*Явление флуоресценции – свойство вещества излучать свет под воздействием источника возбуждения.

В коротко волновой области спектра (200-500 нм) молекулы SО₂ и Н₂S из возбужденного состояния переходят в нормальное состояние, разряжаясь через флуоресценцию. Интенсивность разряжения пропорциональна содержанию диоксида серы и сероводорода.

5. Пламенно-фотометрический метод основан на внесении молекул диоксида серы в пламя смеси водород /воздух.

При этом диоксид серы восстанавливается до атомарной серы, из которой вновь образуется молекулы серы (S₂), часть из которых возбуждена.

Возвращаясь в исходное состояние, возбужденные молекулы испускают характерные для серы излучения.

6. Гравиметрический метод – традиционный метод определения концентрации твердых частиц в газовых смесях, связанный с отбором пробы, пропусканием ее через фильтр, взвешиванием фильтра или определением его степени черноты по эталону.

7. Радиоизотопный метод применяется для определения концентрации твердых частиц, которая вычисляется по результатам измерений на фильтре (лента из стекловолокна) до и после нанесения пробы.

8. Электрохимический метод основан на использовании химических сенсорных датчиков, состоящих из двух чувствительных элементов и определенного химического покрытия, на котором происходит адсорбция анализируемого вещества.

9. Хроматографический* метод основан на использовании свойства разделения сложных смесей на хроматографической колонке, заполненной сорбентом.

*Хроматография (греч. – цвет) – метод разделения и анализа смесей, основанный на различном распределении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной.

Проба газа вводится в поток соответствующего газа-носителя простейшей форсункой и вместе с ним пропускается через колонки с твердыми адсорбирующими поверхностями (адсорбентная газовая хроматография), или с нанесенными на твердые поверхности нелетучими жидкостями (газожидкостная хроматография). Отдельные компоненты смеси с различными скоростями перемещаются в колонке, выходят из нее раздельными фракциями и регистрируются. Количественная оценка осуществляется по интенсивности сигнала детектора.

10. Лазерно-локационный* метод (лидарная система контроля) основан на комбинационном рассеивании и дифференциальном поглощении загрязняющих веществ с использованием источника лазерного излучения и предназначен для дистанционного зонирования качества атмосферы.

*Лазер – прибор, испускающий световой луч очень острой направленности, т.е. с очень малой расходимостью лучей. Все излучение лазера собирается в пятнышко площадью ~ 10-⁶ см², в котором создается огромная плотность мощности (до 10 т Вт/см²). Лазерный луч при своем распространении – рассеивается молекулами, частицами, неоднородностями воздуха, поглощается и изменяет свои физические параметры (частоту, форму импульса и др.), при этом появляется свечение (флюоресценция), что позволяет качественно и количественно судить о тех или иных параметрах среды.

Лидар кругового обзора, устанавливается в промышленных зонах, вблизи автомагистралей на доминирующих строениях и предназначен для непрерывного контроля выбросов аэрозолей SО₂, СО на территориях радиусом от 7 до 15 км.

МЕТОДИКИ МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

Основными веществами, загрязняющими атмосферу, явля­ются – окислы азота, серы, и углерода, фенолы, аммиак, хлор, ра­диоактивная пыль и суперэкотоксиканты.

На уровень загрязнения атмосферы влияют следующие условия погоды*:

1. Инверсия (особенно приподнятая инверсия) возника­ет, когда массы теплого воздуха распространяются над регионом и препятствуют выносу загрязнителей в атмосферу. При этом температура почвы ниже температуры воздуха.

2. Ураганы, при которых скорость ветра превышает 30 метров в секунду. Они возникают в определенных местах Мирового океана при резком повышении температуры морской воды; при движении ураганы разрушают все на своем пути.

3. Туман (промышленный и фотохимический смог) отрицательно воздействующий на окружающую среду (в частности, приводит к выпадению кислотных дождей) и создает неблагоприятные условия для жизни человека.

4. Штиль. При отсутствии ветра (V_в = 0 – 0,5 м/с) над поверх­ностью земли создаются условия для застоя воздуха. Запирающий слой кислых газов и пыли при этом снижается над местностью. От высоких источников загрязнения (высоких дымовых труб) дым не поднимается столбом вверх. С низкими источниками за­грязнения (выхлопные трубы автотранспорта) дело обстоит ещё хуже отходящим газам некуда деться, и это усугубляется плохим качеством сжигаемого в автомобилях бензина и дизельного топлива.

5. Осадки. При определенной метеорологической обстановке создаются условия для образования кислотных дождей, что отрицательно сказывается на здоровье человека, снижает урожай­ность сельскохозяйственных культур и является причиной кор­розии металлов.

6. Видимость в атмосфере. На состояние этого метеорологи­ческого фактора влияет наличие в воздухе взвешенных жидких и твердых частиц (капли воды, пыль).

7. Излучения. Электромагнитные излучения, в том числе инсоляция, магнитные и радиационные излучения, в той или иной мере зависят от метеоусловий. Солнечная радиация инициирует магнитные бури; электромагнитные явления в атмосфере вызывают грозы; радиационные явления ионизирующего ха­рактера зависят от наличия в атмосфере частиц пыли с высоким уровнем радиации.

Знание законов метеорологии позволяет оценить такие экологические явления, как рассеяние загрязняющих веществ, обра­зование смогов (ядовитых туманов), инверсия (способность на­гретого загрязненного воздуха опускаться к охлажденной земле), образование шлейфа дыма от труб промышленных предприятий, проветриваемость жилых массивов.

НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ВЫХЛОПНЫМИ ГАЗАМИ АВТОМОБИЛЕЙ.

Для оценки загрязнения атмосферы на постах при дорожном мониторинге чаще всего используют отечественные контрольно-измерительные комплексы «Пост-1» «Воздух-1», АСКЗА, «Атмосфера-2», где наряду с эколо­гическими параметрами измеряются и метеорологические харак­теристики, что позволяет прогнозировать природную ситуацию.

Место для размещения приборов выбирается на тротуаре и на середине разделительной полосы, при ее наличии. При отсутствии тротуара приборы размещают на расстоянии от проезжей части равном половине ширины проезжей части одностороннего движения.

Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха на автомагистралях и в прилегающей жилой застройке дается на основе натурных наблюдений и включает в себя:

1. Определение в воздухе основных компонентов выхлопных газов.

2. Определения уровня транспортного шума.

3. Определение метеорологических параметров.

Наличие этих данных наблюдений позволяют изучить:

1. Влияние транспортного потока на уровень загрязнения атмосферного воздуха.

2. Отработать методику осуществления экологического мониторинга автомобильных, дорог и транспортных потоков.

3. Управление потоками в режиме реального времени.

Контроль содержания токсичных выбросов в отработавших газах (ОГ) автомобилей проводится в два этапа:

На первом (визуальном) этапе проводится осмотр дороги:

1. Дорога разбивается на участки. Из них выбирают наиболее загруженные и характерные.

Характерные участки автомобильной дороги можно представить по типам:

1 тип - перегонные участки, где движение транспорта происходит с постоянной скоростью. Удельные выбросы токсичных компонентов ОГ наименьшие.

2 тип - перекрестки, где происходит снижение скорости, торможение, разгон, возможны остановки (светофор), работа двигателя на холостом ходу.

3 тип - места остановок транспорта, площадки и стоянки отдыха.

На стоянках автомобильный двигатель значительное время работает на холостом ходу, а при отъезде часто используется режим разгона. Эти режимы работы двигателя характеризуются повышенными объемами выбросов угарного газа, углеводородов, оксидов азота и т.д.

На втором этапе на выбранных участках дороги производится инструментальная оценка уровня загрязнения в соответствии с действующими методиками.

Предварительно перед вторым этапом определяется интенсивность движения на характерных участках дороги:

1. В течение 2-3 недель ежедневно, в период с 5 - 6 ч утра до 21- 23 ч вечера, а на транзитных автомагистралях в течение суток, подсчитывают количество проходящих в прямом и обратном направлениях транспортных средств по пяти основным категориям: легковые, грузовые, автобусы, автомобили и автобусы с дизельными двигателями, мотоциклы.

2. Подсчет количества проходящих транспортных единиц производится в течение 20 минут каждого часа, а в 2-3 часовые периоды наибольшей интенсивности движения через каждые 20 минут.

3. На основании результатов натурных исследовании вычисляют средние значения интенсивности движения автотранспорта в течение суток в каждой из точек измерений.

Во время проведения замеров определяются:

1. Средние за 20 минут величины концентраций углеводородов (С_n Н _m), озона (О₃), окислов азота (NО_Х), соединений серы (Н₂S, S0₂).

2. Средние за час концентрации оксида углерода (СО).

3. Средние трехчасовые концентрации пыли.

4. 30 минутные данные о метеорологических величинах.

На основании полученных данных определяют:

1. Максимальные значения концентраций основных примесей, выбрасываемых автотранспортом в районах автомагистралей.

2. Периоды их наступления при различных метеорологических условиях и интенсивности движения автотранспорта.

3. Определяют границы зон и характер распространения примесей

с удалением от отдельной автомагистрали или группы автомобилей, расположенных параллельно на некотором расстоянии друг от друга.

4. Выявляют особенности распространения примесей в жилых кварталах различного типа застройки и в зеленных зонах, примыкающих к автомагистралям.

5. После чего строят блок-схему алгоритма инвентаризации источников выбросов рис. 2.1.

Расчёт по составу и количеству вредных веществ

Источник поступления вредных веществ.

Прямые измерения и контроль состава и качества.

Номенклатура поступающих в атмосферу вредных веществ: состав, концентрация, удельный выход, суммарный годовой выход.

По сочетанию вредных веществ.

Учет воздействия климатических факторов: ветер, температура, влажность, осадки и т.д.

По каждому веществу.

Расчет суммарных концентраций вредных веществ.

Запрещение функционирования

Сопоставление с действующими нормативами ПДК

Ограничение функционирования, природоохранные мероприятия.

Разрешение на функционирование.

Рис. 2.1. Блок-схема алгоритма инвентаризации источников выбросов.

Согласно данной схеме, на основании расчетов и прямых измерений:

На первом этапе определяется номенклатура вредных веществ, поступающих в окружающую среду в нормальном (проектном) режиме функционирования.

Далее проводится расчет концентрации вредных веществ, при различных воздействиях климатических факторов.

Полученные значения концентраций вредных веществ сопоставляют с фоновыми концентрациями для зоны влияния.

Суммарные значения концентраций сопоставляют с действующими ПДК и по результатам сравнения принимают соответствующие решения о дальнейшем функционировании источников.

ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОИНДИКАЦИОННЫХ МЕТОДОВ

Наиболее информативными являются различные виды лишайников (Lесаnога, Usnога, Аlесtоriа, Сеtrаriа.).

Даже незначительное наличие антропогенных загрязнений (диоксид серы, оксиды азота, углеводороды и т.д.) в воздухе ими очень хорошо диагностируются: сначала исчезают кустистые, потом листоватые и, наконец, накипные формы.

Из высших растений повышенную чувствительность к антропогенным загрязнениям имеют хвойные породы – кедр, ель, сосна.

БИОИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ПО СОСТОЯНИЮ СОСНЫ.

Считается, что для условий лесной полосы России наиболее чувствительны к загрязнению воздуха сосновые леса. Это обуславливает выбор сосны как важнейшего индикатора антропогенного влияния, принимаемого в настоящее время за «эталон биодиагностики». Информативными по техногенному загрязнению являются морфологические и анатомические изменения, а также продолжительность жизни хвои. Так как при хроническом техногенном загрязнении лесов наблюдается повреждение и преждевременное опадение хвои сосны, отмечается снижение массы хвои на 30-60% в сравнении с контрольными участками.

Методика определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы

1. В придорожной полосе, обследуемого соснового леса, закладывают пробную площадь, имеющую форму вытянутого прямоугольника, с размерами 10 × 50 м., расположенную параллельно автомобильной дороге.

2. На контрольной площади выбирают от 5 до 10 деревьев сосны 15 – 20-летнего возраста (ключевой участок).

3. С боковых побегов в средней части кроны этих деревьев отбирают 200 – 300 пар хвоинок второго и третьего года жизни.

4. Анализ хвои проводят в лаборатории.

Вся хвоя делится на три части: неповрежденная хвоя, хвоя с пятнами, и хвоя с признаками усыхания.

5. Подсчитывают количество хвоинок в каждой группе.

6. Данные заносятся в рабочую таблицу (табл. 2.4.) с указанием даты отбора проб на каждом ключевом участке.

7. Полученные результаты сравнивают с результатами прошлых лет по данным экологического паспорта.

8. По результатам сравнения делается вывод об изменении загрязнения атмосферы.

Таблица 2.4.

Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы.

Повреждение и усыхание хвоинок	Номера ключевых участков.
	1	2	…	9	…
общее число обследованных хвоинок
количество хвоинок с пятнами.
процент хвоинок с пятнами.
количество хвоинок с усыханием.
процент хвоинок с усыханием.
дата отбора проб.

Методика определения запыленности атмосферы по состоянию прироста деревьев

Биоиндикаторами загрязненности атмосферы может служить ежегодный прирост деревьев по высоте. (На загрязненных участках прирост может быть на 20 – 60% ниже, чем на контрольных участках).

1. На заложенной пробной площади в сентябре визуально осматривают сосновый древостой 10 – 15-летнего возраста.

2. Количество обследуемых деревьев должно составлять не менее 100 единиц.

3. На каждом дереве измеряют длину центрального побега между двумя верхними мутовками (т.е. прирост последнего года).

4. Определяют среднюю величину прироста.

5. Полученные данные сравнивают со средней величиной прироста сосновых деревьев, расположенных на контрольной площади (250 метров от автомобильной дороги).

Методика определения загрязненности атмосферы по продолжительности жизни хвои

Наиболее информативным по техногенному загрязнению является продолжительность жизни хвои сосны (от 1 до 5 и более лет).

1. На 10 ключевых участках пробной площади осматривают от 100 до 200 деревьев.

2. Для удобства проведения визуального осмотра выбираются невысокие деревья (в возрасте 10-15 лет).

3. Результаты осмотра заносят в таблицу 2.5.

Таблица 2.5.

Определение по продолжительности жизни хвои как оценки загрязненности атмосферы (измеряемый показатель-количество деревьев).

Количество осмотренных деревьев с данной продолжительностью жизни хвои, Т лет		Номера ключевых участков.
		1	2	..	9	10
Возраст хвои 4 года и более.	В1
Возраст хвои 3 года.	В2
Возраст хвои 2 года.	В 3
Хвоя только текущего года.	В4

4. По данным таблицы рассчитывают индекс продолжительности жизни хвои Q сосны по формуле:

3B₁ + 2B₂ + 1B₃

Q = ----------------------

B₁ + B₂ + B₃

где: B₁, B₂, B₃ - количество осмотренных деревьев с данной продолжительностью жизни. (Чем выше индекс Q, тем больше продолжительность жизни хвои сосны, а значит - и чище воздух)

5. Проводят расчет средней продолжительности жизни хвои сосны для каждого ключевого участка.

6. Данные заносят в экологический паспорт.