Производственный экологический контроль. Лабораторный практикум

Официальным показателем загрязнения приземной наиболее опасной для здоровья человека зоны является ИЗА5 (индекс загрязнения атмосферы), суммирующий вклад в воздушную среду пяти наиболее значимых для территории загрязнителей. Для Красноярска ими являются бенз(а)пирен, формальдегид, диоксид и оксид азота и взвешенные вещества, содержание которых определяется в обязательном порядке. Их количественная оценка осуществляется физико-хими- ческими методами и надежно обеспечивается квалифицированной работой специалистов экологических служб и передвижных лабораторий с использованием современного оборудования. В некоторых случаях этими методами определяется концентрация в воздухе специфических веществ, таких как хлорированные бензолы, тяжелые металлы и пр., подавляющие иммунитет, способствующие развитию злокачественных опухолей и ведущих к другим опасным заболеваниями.

Используя подход, основанный на оценке качества среды обитания по данным физико-химического контроля, необходимо определять содержание многочисленных компонентов загрязняющих веществ в разных природных средах, затем сравнить их концентрации с предельно допустимыми и на этой основе делать вывод об «опасности» или «безопасности» для биоты и человека комплексного воздействия всей их суммы. На каждом из указанных этапов существуют проблемы и трудности, непреодолимые с позиций химико-аналити- ческого контроля. Первая проблема состоит в том, что химический анализ позволяет установить концентрации относительно небольшого числа потенциально опасных и уже известных мутагенных и токсических веществ. Нет гарантии, что именно тот компонент, концентрация которого не определена, не оказывает серьезного негативного влияния на биологические системы. Стоимость самой процедуры химического анализа, для осуществления которой, как минимум, требуется развитая приборная база и наличие квалифицированных специалистов, достаточно велика.

Помимо прямых методов измерения загрязнителей воздуха существуют косвенные по замеру загрязнителей в сопредельных средах (дождевые осадки и снежный покров). Оценку состояния окружающей среды проводят различными методами. Снег служит одним из индикаторов загрязнения окружающей среды. Вредные вещества накапливаются в снегу и с талыми водами поступают в открытые и подземные водоемы, загрязняя их. Снег можно исследовать так же, как и воду. Для этого пробу снега сначала растапливают, а затем про-

11

водят исследование по всем показателям. Если брать пробы снега

вразных местах, то можно составить достаточно подробную картину о степени его загрязнения, а также выявить его причину и источник.

Методы исследования снежного покрова заключаются в определении внешнего вида, запаха, цвета и наличия осадка (после таяния пробы), рН среды. Качественная оценка цветности воды проводится путем сравнения ее с дистиллированной водой на фоне листа белой бумаги (бесцветный, светло-серый, буро-зелёный, зеленоватый).

Для определения запаха в чистую широкогорлую колбу наливается исследуемая вода на 2/3 объема, прикрывается стеклом, осторожно взбалтывается. Затем, сдвинув с колбы стеклышко, определяется запах воды. Интенсивность запаха оценивается по пятибалльной системе: 0 – нет запаха; 1 – очень слабый; 2 – слабый; 3 – заметный; 4 – отчётливый; 5 – очень сильный.

Наличие осадка – это содержание взвешенных частиц в жидкости. Его определяют при помощи фильтрования. Объём воды пропускают через бумажный фильтр с помощью воронки Бюхнера и визуально оценивают количество примесей, осевших на нём. Затем фильтр высушивают. Разница в массе фильтра до фильтрования и после показывает величину примесей в воде в мг/л. рН-состояние измеряется на pH-метре. Принцип действия такого прибора потенциометрический, т. е. измеряемой величиной является напряжение между двумя электродами, опущенными в раствор. Обычно напряжение между такими электродами изменяется на десятки и сотни милливольт.

1.3.ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Впоследние годы всё более широкое применение получают инструментальные методы анализа, обладающие многими достоинствами: быстротой анализа, высокой чувствительностью, возможностью одновременного определения нескольких компонентов, сочетанием нескольких методов, автоматизации и использования компьютеров для обработки результатов анализа. Как правило, в инструментальных методах анализа применяются сенсоры (датчики), прежде всего химические сенсоры, предоставляющие информацию о составе среды,

вкоторой они находятся.

Хроматографический анализ. Анализ основан на хроматографии, позволяющей разделять двух- и многокомпонентные смеси газов, жидкостей и растворённых веществ методами сорбции в динамических условиях. Анализ производится с помощью специальных

12

приборов – хроматографов. Разработано несколько методов анализа, которые классифицируются по механизму процесса и природе частиц (молекулярная, ионообменная, осадительная, распределительная хроматография). Молекулярная хроматография основана на различной адсорбируемости молекул на адсорбентах, ионообменная хроматография – на различной способности к обмену ионов раствора. В осадительной хроматографии используется различная растворимость осадков, образуемых компонентами анализируемой смеси при взаимодействии с реактивами, нанесёнными на носитель. Распределительная хроматография базируется на различном распределении веществ между двумя несмешивающимися жидкостями. Молекулярная (жидкостная адсорбционная), ионообменная и осадительная хроматографии обычно проводятся в хроматографических колонках соответственно с адсорбентом, ионообменным материалом или инертным носителем с реагентом. Распределительная хроматография, как правило, выполняется на бумаге или тонком слое абсорбента. К достоинствам хроматографического метода анализа относится быстрота

инадёжность, возможность определения нескольких компонентов смеси или раствора.

Оптические методы анализа. Эти методы основаны на изме-

рении оптических свойств вещества и изучений, взаимодействия электромагнитного излучения с атомами или молекулами анализируемого вещества, вызывающего излучение, поглощение или отражение лучей. Они включают в себя эмиссионные, люминесцентные

иабсорбционные спектральные методы.

Методы, основанные на изучении спектров излучения, получили название эмиссионных спектральных методов анализа. В методе эмиссионной спектроскопии проба вещества нагревается до очень высоких температур (2 000–15 000 ºС). Вещество, испаряясь, диссоциирует на атомы или ионы, которые дают излучение. Проходя через спектрограф, излучение разлагается на компоненты в виде спектра цветных линий. Сравнение этого спектра со справочными данными о спектрах элементов позволяет определить вид элемента, а по интенсивности спектральных линий – количество вещества. Метод даёт возможности определять микро- и ультрамикроколичества вещества, анализировать несколько элементов, причём за короткое время.

Разновидностью эмиссионного анализа является эмиссионная пламенная фотометрия, в которой исследуемый раствор вводят в бесцветное пламя горелки. По изменению цвета пламени судят о виде вещества, а по интенсивности окрашивания пламени – о концентра-

13

ции вещества. Анализ выполняют с помощью прибора – пламенного фотометра. Метод в основном используется для анализа щелочных, щелочно-земельных металлов и магния.

Методы, основанные на свечении анализируемого вещества под воздействием ультрафиолетовых (фотолюминесценция), рентгеновских (рентгенолюминесценция), и радиоактивных (радиолюминесценция) лучей называют люминесцентным. Некоторые вещества обладают люминесцентными свойствами, другие могут люминесцировать после обработки специальными реактивами. Люминесцентный метод анализа характеризуется очень высокой чувствительностью (до 10–10–10–13 г люминесцирующих примесей).

Методы, основанные на излучении, называются абсорбционноспектральными. При прохождении света через раствор, свет или его компоненты поглощаются или отражаются. По величине поглощения или отражения лучей судят о природе и концентрации вещества.

Закон Бугера–Ламберта–Бера выражается формулой

где I0 – интенсивность входящего пучка; kλ – коэффициент поглощения (не путать с безразмерным показателем поглощения κ, который связан с kλ формулой kλ = 4πκ / λ, где λ – длина волны); l – толщина слоя вещества, через которое проходит свет,

Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества. Измерив изменение интенсивности потока света, можно определить концентрацию анализируемого вещества с помощью спектрофотометров и фотоколориметров.

В спектрофотометрах используют монохроматическое излучение, в фотоколориметрах – видимый свет. Сравнивают полученные при измерении данные с градуированными графиками, построенными на стандартных растворах.

Оценка состояния и качества окружающей среды предполагает сравнение её состояния с определенными нормами. В качестве критериев могут выступать показатели естественного ненарушенного состояния природных комплексов или фоновые параметры среды. Разрабатываются нормативные показатели, характеризующие меру возможного воздействия человека на природу. Такими нормативными показателями считаются нормы предельно допустимых концентраций вредных веществ. В практике мониторинговых наблюдений исполь-

14

зуются две группы нормативных показателей: санитарно-гигиени- ческие и экологические.

Санитарно-гигиенические показатели устанавливаются исходя из требований экологической безопасности населения. К ним в первую очередь относятся ПДК загрязняющих веществ в воздухе, воде, почвах и продуктах питания, а также нормы предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в воздух и водоемы.

Экологические критерии рассматриваются как мера антропогенного воздействия на экосистемы и ландшафты, при которой их основные функционально-структурные характеристики (продуктивность, интенсивность биотического круговорота, видовое разнообразие, устойчивость и др.) не выходят за пределы естественных изменений.

Сложное аналитическое оборудование не всегда точно может оценить истинную опасность тех или иных загрязнителей на среду обитания, прогнозировать последствия их воздействия на живые организмы, так как в окружающей среде они претерпевают различные изменения, усиливая свое токсическое действие. Поэтому огромную роль в интегральной оценке качества среды играют биологические тесты, оценивающие в целом состояние биологического «здоровья». Совмещение методов физико-химического анализа и биологического тестирования позволяет установить, что определенный эффект (токсический, генотоксический, тератогенный) может быть обусловлен разными факторами и его величина зависит, в первую очередь, от химических свойств и биологической значимости действующих агентов, и в меньшей мере от концентрации отдельных компонентов. Таким образом, теряется смысл выявления единственного «действующего фактора» и выдвигается на первый план необходимость поиска чувствительных тест-объектов и тест-систем, которые адекватно отражают уровень техногенного воздействия. При этом требуется разрабатывать новые и совершенствовать старые подходы к оценке

ипрогнозированию состояния окружающей среды, в том числе и на основе данных биоиндикации. Химические и физико-химические методы анализа не в состоянии охватить все многообразие загрязняющих веществ, которые претерпевают в окружающей среде сложные трансформации, образуя подчас еще более токсические соединения. Количественный анализ какой-либо примеси сам по себе не дает ответа на вопрос о ее биологической опасности, поэтому необходимы методы интегральной оценки качества среды, такие как биоиндикация

ибиотестирование.

15

2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 1

ОЦЕНИВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

(4 часа)

Цель: ознакомиться с алгоритмом оценки атмосферного воздуха. Задача: рассчитать интегральный показатель индекса загрязне-

ния атмосферы (ИЗА).

Теоретические сведения

Оценивание уровня загрязнения атмосферы проводят путем сравнения средних и максимальных концентраций загрязняющего вещества с критериями качества атмосферного воздуха, к которым относятся химические (фоновые) и гигиенические (предельно допустимые концентрации – ПДКсс, ПДКмр.) показатели.

ПДКсс – предельно допустимая среднесуточная концентрация загрязняющего вещества в воздухе населенных мест (мг/м3) в пробе, отобранной в течение суток, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного влияния при неограниченно продолжительном воздействии.

ПДКмр – предельно допустимая максимально-разовая концентрация загрязняющего вещества в воздухе населенных мест (мг/м3) в пробе, отобранной в течение 20–30 минут, которая при вдыхании воздуха не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.

Выделяют 4 класса опасности вредных веществ: 1-й – чрезвычайно опасные; 2-й – высокоопасные; 3-й – умеренно опасные; 4-й – малоопасные, которые характеризуются показателем рi (табл. 3).

Таблица 3

Значение показателя рi в зависимости от класса опасности вещества

16

Для сравнительной оценки загрязненности атмосферы вредными примесями используют интегральный (суммарный, обобщенный, комплексный) санитарно-гигиенический показатель – индекс загрязненности атмосферы (ИЗА) – показатель, который применяется для сравнительных оценок загрязнения атмосферы с установлением приоритетных загрязнителей и их источников. Индекс представляет собой относительный показатель, величина которого зависит от средней годовой концентрации вещества в атмосфере, ПДКсс вещества и его класса опасности и показателя рi (табл. 4).

Показатель рассчитывается по формуле

где Сi – фактическая среднегодовая концентрация i-го вещества в атмосферном воздухе и его ПДКсс i; n– число определяемых веществ.

Таблица 4

Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ в атмосфере городов, мг/м3, их класс опасности и ПДКсс

Для сравнительных оценок обычно используют пять приоритетных загрязнителей атмосферы n = 5 (ИЗА5).

Порядок выполнения работы

Рассчитывают интегральные индексы загрязненности атмосферы для городов Красноярского края (табл. 4). Проводят сравнитель-

17

ную оценку степени загрязненности атмосферы с учетом шкалы оценки загрязненности по пяти приоритетным загрязняющим веществам (ИЗА5) (табл. 5). Выделяют приоритетные загрязняющие атмосферу городов вещества, определяют возможные источники выделения веществ и мероприятия по снижению их выбросов. Делают вывод.

Таблица 5

Шкала оценки степени загрязнения атмосферы по индексам загрязненности для пяти приоритетных загрязнителей (с наибольшими индексами загрязненности)

Обеспечивающие средства: калькулятор, тетрадь, линейка, пробы воздуха, отобранные в разных городах Красноярского края (данные по Ежегодному докладу о состоянии окружающей среды территории Красноярского края).

Вопросы и задания для самоконтроля

1.В чем выражается допустимая среднесуточная концентрация загрязняющего вещества в воздухе населенных мест?

2.Дайте определение предельно допустимой максимальноразовой концентрации загрязняющего вещества в воздухе населенных мест.

3.Дайте определение индекса загрязненности атмосферы

(ИЗА).

4.Назовите классы опасности вредных веществ для сравнительной оценки загрязненности атмосферы.

5.Выделите приоритетные загрязняющие атмосферу городов вещества из общего списка загрязнителей (см. табл. 2).

6.Назовите мероприятия по снижению выбросов в атмосферу.

7.Приведите формулу для расчета ИЗА.

18

Лабораторная работа 2

ОЦЕНИВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ

(4 часа)

Цель: ознакомиться с алгоритмом оценки загрязнения почв на примере расчета интегральных геохимических и гигиенических показателей загрязнения почвы.

Задача: рассчитать интегральный геохимический и гигиенический показатели загрязнения почвы.

Теоретические сведения

Загрязнение почв количественно оценивают по суммарным показателям двух видов.

Первый вид – показатели, характеризующие геохимический уровень загрязнения, которые рассчитывают по следующим формулам:

где Kc – коэффициент концентрации i-го химического элемента; n – число, равное количеству элементов, входящих в геохимическую ассоциацию; Ci – фактическое содержание элемента; Сфр – геохимический фон.

Второй вид показателя – НСПДК* , характеризующий гигиенический уровень загрязнения и рассчитываемый по формуле

ПДК.

Порядок выполнения работы

Рассчитать суммарные показатели загрязненности почв (Zc, индекс загрязненности почв (ИЗП) и гигиенический индекс) для разных районов и техноземов, провести сравнительную оценку показателей и степени (уровней) загрязнения объектов. Результаты определения

19

средних концентраций различных загрязняющих веществ и их фоновые концентрации, ПДК приведены в табл. 6.

Таблица 6

Фоновые и реальные концентрации, мг/кг, бенз(а)пирена, водорастворимого фтора, мышьяка и тяжелых металлов в поверхностном слое почв агроэкосистем и техноземов Сибири,

Примечание: * среднее арифметическое ± стандартное отклонение.

Обеспечивающие средства: калькулятор, тетрадь, линейка, пробы почвы, отобранные в разных городах Красноярского края (данные по Ежегодному докладу о состоянии окружающей среды территории Красноярского края).

Вопросы и задания для самоконтроля

1.Что понимают под загрязнением почв?

2.Охарактеризуйте гигиенический показатель уровня загрязнения почв.

3.Охарактеризуйте геохимический показатель уровня загрязнения почв.

4.На примере табл. 6 рассмотрите фоновые и реальные концентрации мышьяка и тяжелых металлов в поверхностном слое почв

агроэкосистем и техноземов Сибири. Сравните с ПДКгигиеническим.

20