1. Экологический мониторинг

В настоящее время человечество вступило в такой этап своего существования, когда мощь создаваемых им химических, биологических и физических средств воздействия на среду обитания становится соизмеримой с силами природы. Это подтверждает гениальное предвидение В.И. Вернадского (русский учёный, основатель геохимии, биогеохимии, радиологии, 1869 – 1945) о том, что хозяйственная деятельность человека становится силой, способной изменить мир, поставив его на грань экологической катастрофы. Изменения природной среды связаны прежде всего с процессами загрязнений твёрдой, жидкой и газообразной составляю-щей биосферы. Источниками загрязнения являются организованные и неорганизованные промышленные выбросы, отходы агропромышленного производства, процессы добычи полезных ископаемых, транспортные средства и др.

Наибольшее загрязнение атмосферы приходится на долю оксидов углерода, соединений азота и серы, углеводородов и промышленной пыли. За год в атмосферу Земли выбрасывается примерно 200 млн. т оксида углерода, около 20 млрд. т диоксида углерода, 150 млн. т диоксида серы, 250 млн. т пыли, по 50 млн. т оксидов азота и различных углеводородов.

Биосфера (от греч. βιοσ – жизнь и- шар) быстро насыщается тяжёлыми металлами, в частности, рассеивание ртути и свинца превышает 80 % их годового производства. При сжигании угля с золой и отходящими газами в окружающую среду поступает больше, чем добывается из недр: молибдена – в 3 раза, мышьяка – в 7, алюминия и кобальта – 15, ртути – в 50 раз.

Ежегодно в мировой океан поступает до нескольких миллионов тонн нефти и нефтепродуктов. Водный кризис затронул практически все страны мира.

Существенной трансформации подвергается лито-сфера (от греч.- камень и …сфера), особенно её верхний горизонт в пределах суши. В ХХ веке на поверхность земли осело около 20 млрд. т шлаков, 3 млрд. т золы; более миллиона тонн мышьяка, кобальта и никеля; около миллиона тонн цинка. Увеличивающаяся интенсификация сельского хозяйства, широкое использование синтезированных удобрений и средств защиты растений ведут к загрязнению культивируемых земель, засолению и эрозии (от лат.erosio- разъедание) почвы.

Указанные процессы в полной мере характерны и для Российской Федерации, 15 % её территории (около 2,5 млн. км²) относится к зонам экологического бедствия; в их числе и московский регион. Москва, например, занимает 70-е место среди крупнейших городов мира по продолжительности жизни населения.

Анализ рассматриваемых проблем привёл к необ-ходимости создания концепции экологической безо-пасности и управления природоохранной деятельностью в РФ, в рамках которой первостепенное значение имеет мониторинг антропогенного (от греч. – человек и греч.– род, происхождение) воздействия, фактического состояния биосферы, прогноз её будущего развития. Согласно этой концепции, под экологическим мониторингом понимают систему регламентированных наблюдений с запрограммированным пространственным, временным и компонентным разрешениями, а также оценки прогноза состояния природной среды и природных ресурсов, включая биотическую составляю-щую, и систем источников антропогенного воздействия. Таким образом, основными задачами экологического мониторинга являются измерение, оценка и прогноз интенсивности экологических факторов воздействия и реакций биоты. При этом экологический фактор – это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм, или любой параметр среды, на который организм отвечает соответствующими реакциями.

Целью экологического мониторинга является ин-формационное обеспечение управления природоох-ранной деятельностью и экологической безопасности. Для достижения этой цели в настоящее время активно формируют Единую государственную систему экологи-ческого мониторинга (ЕГСЭМ) РФ, основными задачами которой являются:

- организация наблюдений за экологическими факторами и проведение измерений их показателей;

- сбор и обработка данных наблюдений;

- организация и ведение банков данных, характеризую-щих экологическую обстановку и состояние природных ресурсов в РФ или отдельных регионах;

- информационное обеспечение долгосрочного и оперативного управления состоянием природной среды, в том числе при возникновении чрезвычайных ситуаций.

В структурном отношении ЕГСЭМ включает в себя подсистемы: мониторинга атмосферного воздуха, поверхностных вод суши, морских вод, почв. ЕГСЭМ построена по иерархическому принципу и является открытой информационно-измерительной системой, допускающей подключение новых объектов и систем.

Основной системообразующий элемент ЕГСЭМ – локальный уровень. Локальные системы мониторинга осуществляют наблюдение за экологическими факторами и вырабатывают информацию о состоянии объектов окружающей среды в реальном либо квазиреальном масштабе времени в целях оперативного принятия управляющих решений, формируют информацию для банков данных верхнего уровня иерархии (регионального, федерального). В настоящее время локальный уровень ЕГСЭМ реализуют обычно в виде автоматизированных систем контроля (АСК) или автоматизированных информационно-измерительных систем (АИИС), включающих автоматические анализаторы для контроля заданного числа экологических параметров в непрерывно-циклическом режиме; системы отбора и подготовки проб для анализа; передвижные аналити-ческие лаборатории, осуществляющие мониторинг по заданной программе; стационарные лаборатории для анализа проб, которые нецелесообразно контролировать в полевых условиях; компьютерные центры обработки и формирования экологической информации, которые обычно решают задачи управления процессом функционирования АСК.

Управление качеством природной среды требует установления допустимых экологических и гигиенических нагрузок, определяющих приемлемые для человека и экосистемы в целом уровни загрязнения природных сред. Эти уровни нормированы действующим в РФ законодательством в виде предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочных безопасных уровнях воздействия (ОБУВ) и установлены более чем для 6000 веществ в воздухе, воде и почве, причём этот перечень непрерывно пополняется и не исчерпывает всего многообразия экоаналитических задач, поскольку не учитывает совместного присутствия в окружающей среде нескольких загрязняющих веществ, обладающих полным или неполным суммированием действий.

На основании действующих в РФ нормативных документов (ГОСТ) сформированы требования к аппаратуре и методикам выполнения измерения (МВИ) или методикам количественного химического анализа (МКХА) загрязняющих веществ в окружающей среде. Каждую МВИ, а их в сфере контроля параметров окружающей среды разработано более 700, оформляют в виде Государственного стандарта РФ и она содержит: сведения об определяемых компонентах и диапазонах их измерения в объекте; выбор метода и средства измерения (в том числе стандартных образцов, аттестованных смесей), вспомогательных и других технических средств; установление последовательности и содержания операций при подготовке и выполнении измерений, обработке результатов; определение приписанных характеристик погрешности измерений. В аттестованных методиках контроля параметров окружающей среды используют весь арсенал освоенных физических и физико-химических методов анализа. Таким образом, МВИ – совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результата измерения с известной погрешностью. Актуальность и сложность задач разработки и внедрения эффективных метрологически аттестованных методик контроля качест-ва воздуха, воды и почвы обусловлены непрерывным расширением состава контролируемых параметров и ужесточением требований к чувствительности и точности реализуемых процедур контроля.

Исключительное значение для эффективности экологического мониторинга имеет обеспечение достоверности получаемой информации. Достоверность измерений интенсивностей экологических факторов в свою очередь строится на основе национальной и международной систем единства измерений. Националь-ная система РФ базируется на комплексе государственных эталонов (фр. etalon), исходных средств и стандартных образцов, обеспечивающих воспроизведе-ние и передачу размеров единиц основных величин, характеризующих химические и биологические факторы, в соответствии с государственными поверочными схемами. Например, государственная поверочная схема для средств содержания компонентов в газовых смесях включает в себя: первичный эталон единиц молярных и массовых концентраций компонентов в газах, эталоны сравнения (чистые газы и смеси в баллонах под давлением), газоаналитические и газосмесительные установки высокой точности, стандартные образцы состава чистых газов и газовых смесей и др.

Основу метрологического обеспечения контроля параметров окружающей среды составляют:

для воздуха – государственные стандартные образцы (ГСО) состава газовых смесей в баллонах под давлением, термодиффузионные генераторы и источники микропотоков газов и паров, генераторы-разбавители газов и газовых смесей, генераторы нулевого воздуха, электрохимические генераторы и др.;

для воды – ГСО состава водных растворов, катионов, анионов, органических веществ, сухих остатков природных вод, ГСО свойств веществ (удельная электрическая проводимость, оптическая плотность и т.п.);

для почв – ГСО состава почв и донных отложений.

Перечисленные средства метрологического обеспечения совместно с МВИ обеспечивают достоверность и требуемую точность контроля большого числа практически значимых экологических факторов.

Несмотря на важность перечисленных факторов, центральное место в системах экологического мониторинга занимают всё же аналитические средства измерений и вспомогательная аппаратура для контроля собственно состояния окружающей среды, промышлен-ных и транспортных выбросов.

Аналитическую аппаратуру для контроля химических загрязнений окружающей среды производят во всех развитых странах. Номенклатура выпускаемых аналитических приборов и комплексов достаточно широка, только Госреестр РФ содержит более 200 типов отечественных и импортных приборов и систем для контроля загрязнений воздушной и водной среды (включая контроль промышленных и транспортных выбросов). С помощью этой аппаратуры в непрерывном или непрерывно-циклическом режиме удаётся обеспечить контроль с требуемой точностью нескольких десятков приоритетных загрязнителей окружающей среды, что составляет, однако, всего несколько процентов от перечня потенциальных загрязнителей.

Значительно более широкие возможности имеет аналитическая аппаратура универсального назначения, включающая атомно-абсорбционные и эмиссионные спектрометры, спектрометры УФ, ИК и видимой части спектра, масс-спектрометры, хроматографы газовые и жидкостные, хромато-масс-спектрометры и др. С помощью указанных средств возможен количественный анализ практически всех потенциальных загрязнителей, однако стоимость получаемой при этом экологической информации чрезвычайно высока из-за сложности используемой аппаратуры и высоких требований к квалификации обслуживаемого персонала. С учётом этого перспективным является использование для экологи-ческого мониторинга компьютизированных аналитичес-ких комплексов (хроматографического, ионно-хромати-ческого, рентгенофлюоресцентного, спектрофотометри-ческого), удачно сочетающих свойства универсальности, высокой степени автоматизации (в том числе пробоотбор-ных и пробоподготовительных операций) и приемлемой стоимости экологического анализа.

Перечисленные элементы ЕГСЭМ, обеспечивающие оперативный контроль за содержанием и динамикой природных и антропогенных экосистем, интенсивностью экологических факторов являются нижним звеном иерархии систем экологического мониторинга. На более высоких ступенях иерархии системы на основе полученной оперативной информации об экологических нарушениях решают комплекс задач оценки, прогноза экологической ситуации и выработки мер по защите среды от выявленных экологических нарушений.

К числу приоритетных задач этого уровня относят:

- выбор оптимального расположения и программ работы аппаратуры системы экологического мониторинга для формирования оперативной экологической карты соответствующего региона (решают на стадиях проектирования и адаптации системы);

- выявление по оперативным данным экологических нарушений источников загрязняющих выбросов, мест их расположения (с учётом имеющейся априорной информа-ции) и темпов генерации выбросов;

- прогнозирование во времени и пространстве распростра-нения концентраций обнаруженного загрязнения среды с учётом темпов генерации загрязняющих выбросов и метеорологических условий среды (в водной среде – скорости течения);

- выработка рекомендаций по обеспечению экологи-ческой защиты и безопасности соответствующего региона для органов власти и управления, в том числе с использованием экспертных систем реального времени, выдающих рекомендации по управлению экологической ситуацией в зависимости от текущей обстановки.

Из сказанного следует, что экологический мониторинг является одним из основных элементов создаваемой системы экологической безопасности, без которой проблематично дальнейшее развитие человечества.