1. Цель и задачи экологических исследований

Как мы уже отмечали, экология изучает как отдельные особи (аутэкология), так и их популяции (демэкология) и сообщества (синэкология). Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие путей и способов изучения экологических явлений.

Первостепенное значение для эколога имеют полевые исследования, т. е. изучение популяций видов и их сообществ в естественной обстановке, непосредственно в природе. Полевые методы позволяют установить результат влияния на организм или популяцию определенного комплекса экологических факторов, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях.

Однако наблюдения в естественной обстановке не могут дать точного ответа на некоторые вопросы, например, какой конкретно фактор среды определяет характер жизнедеятельности особи, популяции, сообщества, как он влияет на их функционирование. На эти вопросы можно ответить с помощью эксперимента, задачей которого является выяснение причин наблюдаемых в природе явлений, взаимосвязей и взаимоотношений. В связи с этим экологический эксперимент, как правило, носит аналитический характер. Следует иметь  в виду, что выводы, полученные в ходе лабораторного эксперимента, обязательно должны быть проверены в природе.

Эксперимент отличается от наблюдения тем, что в эксперименте организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строго фиксировать и дозировать тот или иной экологический фактор. Вообще в экологическом эксперименте очень трудно воспроизвести весь комплекс природных условий, но изучить влияние отдельных факторов на организм, популяцию или сообщество возможно.

Полевые экологические исследования обычно подразделяются на маршрутные, стационарные, описательные и экспериментальные.

• Маршрутные методы используются для выяснения присутствия тех или иных жизненных форм организмов, экологических групп, фитоценозов и т. п., их разнообразия и встречаемости на исследуемой территории. Основными приемами являются: прямое наблюдение, оценки состояния, измерение, описание, составление схем и карт.

• К стационарным методам относятся приемы длительного (сезонного, круглогодичного или многолетнего) наблюдения за одними и теми же объектами, требующие неоднократных описаний, замеров, измерений наблюдаемых объектов. Стационарные методы включают полевые и лабораторные методики. Характерным примером стационарного метода является мониторинг (наблюдение, оценка, прогноз) состояния окружающей среды.

• Описательные методы являются одними из основных в экологическом мониторинге. Прямое, непосредственное наблюдение за изучаемыми объектами, фиксирование динамики их состояния во времени и оценка регистрируемых изменений позволяют прогнозировать возможные процессы в природной среде.

• Экспериментальные методы объединяют различные приемы прямого вмешательства в обычное, естественное состояние исследуемых объектов. Производимые в эксперименте наблюдения, описания и измерения свойств объекта обязательно сопоставляются с его же свойствами в условиях, не задействованных в эксперименте (фоновый эксперимент).

Для современных экологических исследований характерно то, что они основываются на количественной оценке изучаемых объектов и явлений.

Например, при изучении растительных сообществ проводятся описания пробных площадей и учетных площадок, оценка хозяйственной роли сообществ, оценка площади выявления (т. е. минимальной площади, на которой выявляются все наиболее существенные особенности изучаемого сообщества), геоботаническое картирование и т. д. При экологическом изучении животных анализируются закономерности миграций и размещения популяций, а также многие другие показатели: частота встречаемости, обилие, доминирование, биомасса, продукция, удельная продукция.

В последнее время широкое распространение получил метод моделирования экологических явлений, т. е. имитация в искусственных условиях различных процессов, свойственных живой природе. Так, в "модельных условиях" были осуществлены многие химические реакции, протекающие в растении при фотосинтезе. В некоторых областях биологии и экологии широко применяются так называемые "живые модели". Несмотря на то, что различные организмы отличаются друг от друга, многие физиологические процессы в них протекают практически одинаково. Поэтому изучать их удобно на более простых существах. Они-то и становятся живыми моделями. Например, в качестве модели для изучения обмена веществ может служить зоохлорелла - одноклеточные микроскопические водоросли, которые быстро размножаются в искусственных условиях, а для исследования внутриклеточных процессов используются гигантские растительные и животные клетки и т. д.

В настоящее время все шире используется компьютерное моделирование экологических ситуаций.

2.Методы и средства наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды

Геолого-экологические исследования включают геоэкологи-

ческое картирование и геоэкологический мониторинг за конкрет-

ными природными и техногенными объектами.

Геолого-экологические исследования выполняются как в

процессе геологоразведочных работ, так и самостоятельно.

Специализированные исследования проводят в местах рас-

положения разведываемых месторождений полезных ископае-

мых, горнодобывающих и нефтеперерабатывающих комплексов,

предприятий химической и металлургической промышленности,

АЭС и т.д.

На месторождениях изучают природные геохимические

аномалии, связанные с конкретными полезными ископаемыми,

оценивают степень нарушенности компонентов окружающей

среды, уровень загрязнения и его влияние на растительность, жи-

вотный мир и здоровье человека. На поисковой стадии учитыва-

ется характер и устойчивость природной среды, возможные из-

менения геологической среды; на стадии разведки изучают каче-

ственные и количественные характеристики изменения геологи-

ческой среды.

Геолого-экологические исследования включают аэрокосми-

ческие, геологические, геофизические, геохимические, гидрогео-

логические, инженерно-геологические и другие виды исследова-

ний с соответствующими им методами.

Так, аэрокосмические исследования состоят из аэрокосми-

ческих наблюдений и дешифрирования снимков, причем наибо-

лее эффективным является ландшафтно-индикационный метод

дешифрирования.

При геологических исследованиях выполняют наземные

маршруты с описанием ситуации и с отбором проб, сетевое опро-

бование горных пород, опробование по створам и трансектам.

6

Геофизические – включают, прежде всего, гамма-съемку,

гамма-спектрометрическую съемку, гамма-каротаж и другие ме-

тоды.

При геохимических исследованиях применяют методы ли-

тогеохимического, атмогеохимического, гидрохимического, био-

геохимического и геохимического опробования.

Гидрогеологические – используют методы маршрутных на-

блюдений с описанием естественных выходов подземных вод,

методы опробования подземных вод, опытно-инфильтрационный

и другие.

При инженерно-геологических и геокриологических иссле-

дованиях применяют некоторые из вышеперечисленных методов.

3.Нейтронно-активационный анализ

Нейтронно-активационный метод состоит из инструмен-

тального и радиохимического анализов. Предел обнаружения

элементов от 10-3 до 10-6%. Данным методом можно анализиро-

вать пробы с повышенным содержанием органики.

54

Инструментальный нейтронно-активационный анализ ис-

пользуется для определения элементов в почвах и растениях. Ра-

диохимический – для определения элементов-загрязнителей в

воздухе, воде, снеге, удобрениях, донных осадках, растительно-

сти, продуктах [13].

Для математической обработки результатов анализов суще-

ствуют разнообразные программы (одна из них ''ГЕОСКАН-200''

разработана в ИМГРЭ), которые позволяют выделить геохимиче-

ский фон с учетом ландшафтного районирования и гидрогеоло-

гического разреза.

По данным анализов рассчитывается степень экологической

опасности, строятся геоэкологические карты и т.д.

4. Рентгенофлуоресцентный анализ

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) - один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, т.е. его элементного анализа. Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия на исследуемый материал рентгеновским излучением. Рентгенофлуоресцентный анализ обладает рядом несомненных достоинств:  - является неразрушающим методом контроля, не разрушает и не деформирует пробу;  - предъявляет минимальные требования к пробоподготовке, чаще всего - не требует никакой;  - делает ненужной измерение количества пробы - взвешивание, измерение объема и т.п.  - Использующие этот метод приборы - спектрометры серии "Спектроскан Макс" позволяют проводить количественный анализ содержания тяжёлых металлов и других элементов.

Наиболее часто встречающиеся аналитические задачи определения содержания тяжёлых металлов в различных средах:  - анализ природных минеральных и питьевых, промышленных и коммунальных сточных вод на содержание тяжелых металлов;  - определение содержания тяжелых металлов в почвах, промышленных выбросах, воздухе рабочей зоны;  - анализ различных растворов на содержание тяжёлых металлов;  - определение содержания тяжёлых металлов в нефти, попутных водах (рассолах) и нефтепродуктах;  - анализ различных сплавов на содержание цветных металлов;   - анализ углеродистых сталей на содержание легирующих добавок;  - анализ ювелирных изделий на содержание драгоценных металлов;  - анализ моторных масел на содержание тяжёлых металлов с целью определения износа двигателей;  - анализ катализаторов на содержание палладия и платины и др. Применение  Экология и охрана окружающей среды: определение тяжёлых металлов в почвах, осадках, воде, аэрозолях и др.

5.Атомно-абсорбционный анализ

АТОМНО-АБСОРБЦИОННЫЙ АНАЛИЗ вещества (а. atomic-absorption material analysis; н. atomare Absorptionsanalyse der Stoffe; ф. analyse de la matiere par absorption atomique; и. anбlisis del material del рог absorcion atomica) — метод количественного определения элементного состава исследуемого вещества по атомным спектрам поглощения, основанный на способности атомов избирательно поглощать электромагнитное излучение в различных участках спектра. Атомно-абсорбционный анализ проводят на специальных приборах — абсорбционных спектрофотометрах. Пробу анализируемого материала растворяют (обычно с образованием солей); раствор в виде аэрозоля подают в пламя горелки. Под действием пламени (3000°С) молекулы солей диссоциируют на атомы, которые могут поглощать свет. Затем через пламя горелки пропускают пучок света, в спектре которого есть соответствующие тому или иному элементу спектральные линии. Из общего излучения исследуемые спектральные линии выделяют монохроматором, а их интенсивность фиксируют блоком регистрации.

Атомно-абсорбционный анализ характеризуется высокой избирательностью, низкими пределами обнаружения (10^-1 и 10^-4 мкг/мл для пламенного и беспламенного вариантов соответственно), хорошей воспроизводимостью (относительно стандартное отклонение 0,005-0,02), экспрессностью (до 300 измерений в час) и высокой степенью автоматизации.

Атомно-абсорбционный анализ применяют для определения как следовых (10-6%), так и макроколичеств примерно 70 элементов в различных горных породах, рудах и минералах, в продуктах нефтехимии и металлургии, в биологических объектах и т.д. Пригеохимических поисках в условиях полевых лабораторий используют беспламенный метод для определения микропримесей (10^-7-10^-1%) ртути.

6.Хемилюминесцентный анализ

Хемилюминесцентный метод газового анализа для контроля окислов азота. Метод основан на реакции окиси азота и озона, которые подают одновременно в реакционную камеру, и является в настоящее время основным методом контроля окислов азота в атмосферном воздухе. Интенсивность хемилюминесцентного свечения (химической люминесценции) в области волн от 600 до 2400 нм с максимумом в районе 1200 нм, пропорциональная концентрации окиси азота, регистрируется фотоумножителем, используемым в качестве детектора.

7.Флуоресцентный анализ

Возможные области применения анализа: Благодаря тому что мельчайшие количества некоторых веществ могут быть обнаружены по их флуоресценции может показаться, что флуоресцентный анализ является одной из наиболее обещающих областей практического применения люминесценции. Некоторые из работ, упоминаемых в библиографии, касаются почти исключительно этой стороны проблемы.  Флуоресцентный "анализ может быть применен для различных целей; однако его возможности были вероятно несколько переоценены. Он никогда не сравняется по своему значению с более старым спектральным анализом по спектрам пламени, дуги или искры вследствие двух взаимно связанных обстоятельств: 1) флуоресценция обычно недостаточно специфична и 2) она слишком подвержена влиянию внешних условий. Линии спектра искры какого-нибудь металла всегда имеют в точности одни и те же длины волн, которые могут быть измерены с точностью до 1/100 А. По наличию или отсутствию нескольких таких линий на спектрограмме можно с несомненностью доказать присутствие или отсутствие данного металла. То же самое справедливо в отношении линий комбинационных спектров сложных молекул; однако эти спектры относительно слабы, так что их получение связано с определенными трудностями.  Как спектр электрического разряда, так и комбинационный спектр аддитивны. Наличие других металлов или соединений не влияет на длины волн линий излучения, а также, как правило, и на их относительные интенсивности. Все составные части смеси могут быть определены по наложению их спектральных линий. Напротив, относительно немногие спектры люминесценции жидких или твердых тел настолько характерны, что Гих с уверенностью можно было приписать данному веществу.  Излучение такого вещества может быть изменено или полностью потушено небольшими количествами другого вещества. Эти недостатки люминесцентного анализа очень вредны для качественного анализа, менее вредны при испытании на чистоту и в некоторых особых случаях количественного анализа, и их влияние почти пренебрежимо при определении разницы между различными естественными или искусственными продуктами или при пользовании флуоресцирующими индикаторами рН.  Основное достоинство флуоресцентного анализа по сравнению с другими видами спектрального анализа следующее: анализу могут быть подвергнуты относительно нестойкие соединения, которые разрушались бы при электрическом разряде или нагревании в пламени, интенсивность излучения значительно выше, чем у комбинационных спектров, требуются значительно меньшие количества (концентрации) вещества, чем для абсорбционной спектроскопии, и наконец, исследуемые вещества могут быть непрозрачными. 

До известной степени флуоресценция является более характерным свойством, чем поглощение света у того же самого вещества. Однако спектры поглощения значительно менее подвержены влиянию примесей, и поэтому даже анализ с помощью спектров поглощения имеет значительно более широкое поле применения, чем флуоресцентный анализ. Качественный анализ в неорганической химии: Выше уже упоминалось историческое значение спектров катодолюминесценции в открытии и идентификации редкоземельных металлов. Нужно добавить, однако, что эти достижения пришли не сразу, в связи с тем, что некоторые спектры приписывались элементу, который .предполагался чистым или, во всяком случае, составляющим основную массу наблюдаемого вещества, а они в действительности принадлежали в то время не известному еще редкоземельному металлу, находившемуся в веществе в виде незначительной примеси.  Однако, после того как все спектры редких земель были установлены, стало возможным легко идентифицировать редкоземельные металлы Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Pr, Nd, Er по их фотолюминесценции или катодолюминесценции, растворяя их в различны: бесцветных твердых веществах3).  Соли этих редких земель, люминесцирующие в водных растворах, могут быть обнаружены в этих растворах (вплоть до 3). Томашек определял спектры флуоресценции Sm в следующих твердых растворителях: окислах Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Ce, Th, Ga, Sc; сульфидах Mg, Ca, Sr, Ba, Zn; фторидах Ca, Sr, Ba, Mg и сульфатах Be, Ca, Sr, Ba, Na, K, Mg, Pb, Zn, Cd, Al, La, Gd. Если соли получены путем осаждения из водного раствора, то для того чтобы получить достаточно сильную люминесценцию, их необходимо нагреть до 600-800° С. 

Спектры Sm в различных растворителях существенно отличаются друг от друга, но принадлежат к одному типу. Все линии флуоресценции Nd расположены в инфракрасной области, а линии флуоресценции Gd - в ультрафиолетовой области спектра. Спектрографическими методами можно обнаружить еще меньшие количества. Присутствие Sm в окиси лантана или гадолиния в пропорции 1 : 250 000 дает флуоресценцию, достаточно сильную для идентифицирования Sm.  Очень незначительные количества Sin, Eu, Dy и Gd являются источником хорошо известной и очень характерной линейчатой флуоресценции некоторых разновидностей плавикового шпата. Под действием рентгеновских лучей или лучей радия трехвалентные ионы Sm, Eu, Yb и ТЬ, растворенные в CaF2, CaS04 или других солях, превращаются в двух валентные ионы, которые дают спектры флуоресценции иного типа, состоящие из более широких полос.  Красная флуоресценция многих флуоритов, кальцитов, апатитов и цирконов вызвана Sm + +, в то время как другая красная и зеленая полосы испускания, появляющиеся только при низких температурах в тех же кристаллах, вызываются, соответственно, ТЬ+ и Dy +. Естественные минералы, имеющие эту флуоресценцию, по-видимому, подвергались в продолжение очень долгого времени действию слабого излучения каких-нибудь радиоактивных продуктов в том месторождении, где они были найдены. 

Если такие кристаллы нагреть до температуры выше 500° С, то они часто обнаруживают сильную термолюминесценцию и теряют способность к фотолюминесценции; последняя, однако, может быть восстановлена путем облучения радием. Почти все твердые и, в меньшей степени, жидкие растворы, содержащие уран в форме ионов UOf+ обнаруживают типичную ураниловую флуоресценцию. Полосы флуоресценции, возбуждаемые фиолетовым светом или катодными лучами, изменяются в своих деталях в зависимости от компонент соли.  Точным измерением длин волн отдельных полос спектра флуоресценции можно определить природу исследуемой ураниловой соли, на -примеру уранил-натрий сульфата, уранил нитрата, уранил-рубидий ацетата и т. д. Однако уже общего рассмотрения пяти-семи ярких зеленых и желтых полос испускания достаточно для того, чтобы определить наличке уранового соединения, например, в таких минералах, как содалит, саполит или гиалит. В этих случаях содержание урана не является характерным для минерала как такового и встречается только в некоторых образцах Существуют другие минералы, как например, отенит-уранил-кальций фосфат или шрекингерит - водный уранил-калъций карбонат, в которых уран является одной из важных составных частей и которые при возбуждений дают спектр ураниловой флуоресценции.

8.Гидрогеологические исследования

Гидрогеологические исследования

Гидрогеологическая съемка – это маршрутные наблюдения с

документацией естественных выходов подземных вод, буровые и

горнопроходческие работы, опытно-инфильтрационные исследо-

вания, наблюдения за режимом подземных вод и лабораторные

исследования.

Во время маршрутных наблюдений выявляются гидрогеоло-

гические объекты, изучается степень и характер водоносности

горных пород, распространение, питание и разгрузка подземных

вод, их режим и взаимосвязь с поверхностными водами; оцени-

ваются физические свойства, химический состав и качество вод,

их влияние на развитие геологических процессов, на горные по-

роды и т. д. Объектами визуальных наблюдений служат родники,

источники, участки просачивания, поверхностные водотоки, ко-

лодцы, скважины, горные выработки, водовмещающие и водо-

упорные породы и их свойства.

В процессе съемки происходит обследование и опробование

водопунктов.

В полевом дневнике записывается номер источника, его ме-

стоположение, формы и размеры выхода, прозрачность, цвет, за-

пах, вкус, температура, наличие газов и минеральных образова-

ний, радиоактивность, его приуроченность к определенному во-

доносному горизонту, геолого-литологическая характеристика

горизонта, режим и использование вод источника. В районах раз-

вития мерзлых пород оценивается связь источников с таликами.

Наблюдения за режимом подземных вод позволяет устано-

вить во времени общие закономерности изменения режима

31

(уровня, температуры, дебита, химического состава и др.) в ре-

зультате хозяйственной деятельности человека.

В процессе самостоятельных геоэкологических исследова-

ний изучаются изменения свойств и состояния подземных вод,

происходящие в результате техногенного загрязнения.

Они включают:

 определение участков и источников загрязнения;

 оценку защищенности подземных вод от загрязнения;

 изучение влияния техногенных нарушений подземной гидросферы

на поверхностный сток, растительность, деградацию мерзлоты, эк-

зогенные геологические процессы и т. д.;

 выявление истощения подземных вод.

Определенным геохимическим типам подземных вод соот-

ветствует определенный набор элементов, концентрация которых

может превысить ПДК (Табл.5).

Среди показателей подземных вод изучению, прежде всего,

подлежат температура, Cl, SO4, HCO3, CO2, CO, Na (Na+K), сухой

остаток, сумма металлов (Zn+Cu+Pb), pH, NO3, NO2, NН4, раство-

ренный кислород, сероводород, органическое вещество и показа-

тели, характерные для конкретного источника загрязнения, на-

пример, хлориды, карбонаты, нитраты, Mg, Ca, Fe, Cu и т.д.

Для оценки загрязнения подземные воды исследуются на

нефтепродукты, пестициды, органический углерод, фенолы, по-

верхностные активные вещества, бензопирен, окисляемость, Cr,

Ni, Fe, Hg, Cd и т.д.

Так как каждый тип источника характеризуется определён-

ным набором загрязняющих веществ, то при его исследовании

изучаются свойственные этому типу показатели.

Виды и объекты гидрогеологических исследова- ний	Методы исследований
Определение фильтрационных свойств пород	Геофизические Опытно-фильтрационные
Определение миграционных свойств	Опытно-миграционные
Сорбционные свойства пород	Лабораторные
Выявление характера загрязнения	Гидрогеологическое опробование Гидрохимическое опробова- ние
Выявление участков загрязнения	Геофизическое
Выявление участков радиоактив- ного загрязнения	Радиометрические
Изучение водозаборов	Режимные наблюдения Гидрогеологическое опробование
Влияние изменений подземной гидросферы на геологическую среду	Гидрогеологическое опробование Аэрокосмические исследова- ния Маршрутные исследования