Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие
.pdf
Методы экологического мониторинга
цифической биоиндикации. Например, лишайники и
хвойные деревья могут характеризовать чистоту воз
духа и наличие промышленных загрязнений в местах
их произрастания. Видовой состав животных и низших
растений, обитающих в почвах, является специфичес
ким для различных почвенных комплексов, поэтому
изменения этих группировок и численности видов в
них могут свидетельствовать о загрязнении почв хи
мическими веществами или изменении структуры почв
под влиянием хозяйственной деятельности.
Методы биоиндикации подразделяются на два вида:
регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по
аккумуляции. Регистрирующая биоиндикация позволя
ет судить о воздействии факторов среды по состоянию
особей вида или популяции, а биоиндикация по акку
муляции использует свойство растений и животных
накапливать те или иные химические вещества (напри
мер, содержание свинца в печени рыб, находящихся
на конце пищевой цепочки, может достигать 100 — 300
ПДК). В соответствии с этими методами различают
регистрирующие и накапливающие индикаторы.
Регистрирующие биоиндикаторы реагируют на
изменения состояния окружающей среды изменением
численности, фенооблика, повреждением тканей, сома
тическими проявлениями (в том числе уродливостью),
изменением скорости роста и другими хорошо замет
ными признаками. В качестве примера регистрирую
щих биоиндикаторов можно назвать лишайники, хвою
деревьев (хлороз, некроз) и их суховершинность. Од
нако с помощью регистрирующих биоиндикаторов не
всегда возможно установить причины изменений, то
есть факторы, определившие численность, распрост
ранение, конечный облик или форму биоиндикатора.
Это один из основных недостатков биоиндикации, по
скольку наблюдаемый эффект может порождаться
разными причинами или их комплексом.
Накапливающие индикаторы концентрируют заг
рязняющие вещества в своих тканях, определенных
органах и частях тела, которые в последующем исполь
зуются для выяснения степени загрязнения окружаю
щей среды при помощи химического анализа. Приме
ром подобных индикаторов могут служить хитиновые
панцири ракообразных и личинок насекомых, обитаю
51
Глава 4
щих в воде, мозг, почки, селезенка, печень млекопита
ющих, раковины моллюсков, мхи.
Какой бы современной ни была аппаратура для
контроля загрязнения и определения вредных приме
сей в окружающей среде, она не может сравниться со
сложно устроенным «живым прибором». Правда, у
живых приборов есть серьезный недостаток — они не
могут установить концентрацию какоголибо вещества
в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь
комплекс веществ. В то же время физические и хими
ческие методы дают количественные и качественные
характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно
судить о его биологическом действии. С помощью био
индикаторов можно получить информацию о биологи
ческих последствиях и сделать только косвенные вы
воды об особенностях самого фактора.
Мониторинг с применением накапливающих био
индикаторов зачастую требует применения сложных
и дорогостоящих приборов, оборудования, трудоем
ких методик, что под силу только специальным лабо
раториям. Но в основном методы биоиндикации не
требуют значительных затрат труда, сложного и до
рогостоящего оборудования, а поэтому могут широ
ко использоваться в школьном экомониторинге.
Наиболее конструктивно использовать биоиндика
торы одновременно с инструментальным контролем за
состоянием окружающей природной среды, применя
емым при локальном мониторинге источников или
объектов загрязнения.
Методы биоиндикации, позволяющие изучать вли
яние техногенных загрязнителей на растительные и
животные организмы, на неживую природу, являются
наиболее доступными для школьников. В главах 5–7
данной книги описаны некоторые методики исследо
ваний, включенных в программу школьного экологи
ческого мониторинга, с использованием биоиндикато
ров состояния окружающей среды.
4.2. Физико-химические методы
52
Наиболее доступным в школьных условиях явля
ется качественный анализ. Он всегда предшествует
Методы экологического мониторинга
количественному, так как выбор метода количествен
ного определения зависит от данных качественного
анализа [8].
Качественные реакции на катионы
+
Li
Na
+
K
Ca
2+
Ba
Cu
2+
Pb
Ag
2+
Fe
3+
Fe
Cd
Zn
NH
[Hg]
Hg
2+
Sn
4+
Sn
+
2+
2+
+
2+
2+
4
2+
2+
– пламя (красное)
– пламя (желтое)
– пламя (фиолетовое)
– пламя (кирпичнокрасное)
карбонатионы (белый осадок)
оксалатионы (белый осадок)
– пламя (желтозеленое)
сульфатионы (белый осадок)
хроматионы (желтый осадок)
– пламя (зеленое)
в водном растворе гидратированные
ионы [Cu(H2O)4]2+ имеют голубую
окраску
водный раствор аммиака
(синефиолетовая окраска)
– сульфидионы (черный осадок)
иодидионы (желтый осадок)
хроматионы (желтый осадок)
– хлоридионы (белый осадок)
хроматионы
(кирпичнокрасный осадок)
– красная кровяная соль (синий осадок)
– желтая кровяная соль (синий осадок)
роданидионы (красное окрашивание)
– сульфидионы (желтый осадок)
– сульфидионы (белый осадок)
– раствор щелочи (запах аммиака)
– раствор щелочи (черный осадок)
хроматионы (красный осадок)
– сульфидионы (черный осадок)
иодидионы (красный осадок)
– сероводород
(темнокоричневый осадок)
– сероводород (желтый осадок)
SO
CO
Качественные реакции на анионы
2–
4
2–
3
– соли бария (белый осадок)
– соляная или серная кислоты
(выделяется углекислый газ)
известковое молоко (белый осадок)
53
3–
PO
4
SiO
B
O
4
и BO
J
–
Cl
–
Br
–
NO
3
–
NO
2
CrO
и Cr
2–
S
Глава 4
– магнезиальная смесь:
MgCl
+ NH4OH + NH4CL
2
(белый осадок)
2–
3
2–
7
–
2
нитрат серебра (желтый осадок)
– разбавленные растворы кислот
(студенистый осадок)
соли аммония (то же)
– пламя (зеленое окрашивание)
– нитрат серебра (желтый осадок)
соли свинца (желтый осадок)
–хлорная вода +
крахмал (синее окрашивание)
– нитрат серебра (белый осадок)
– нитрат серебра (желтоватый осадок)
– металлическая медь
в концентрированной серной кислоте
(газ бурого цвета)
металлический алюминий
в сильнощелочной среде
(запах аммиака)
смесь H
2SO4
+ FeSO
4
(окраска от фиолетовой до коричневой)
– сульфаниловая кислота +
2–
4
2–
O
2
7
aнафтиламин (красное окрашивание)
– соли бария (желтый осадок)
– соли кадмия (желтый осадок)
соли серебра (черный осадок)
Из количественных методов в школьной практике
могут быть рекомендованы гравиметрический, титримет
рический (объемный) и метод визуальной колориметрии.
Гравиметрический метод
Суть метода — определение массы и процентного
содержания какоголибо элемента, иона или химичес
кого соединения, находящегося в испытуемой пробе.
Искомую часть выделяют либо в чистом виде, либо в
виде соединения известного состава. Гравиметричес
ким методом определяют содержание ряда тяжелых
металлов, анионов, сухого вещества в плодах и овощах,
клетчатки, «сырой» золы в растительном материале.
Кроме того, этим методом определяют кристаллизаци
онную воду в солях, общую и гигроскопическую влаж
54
ность почвы и т. д.
Методы экологического мониторинга
Гравиметрический анализ проводят по следующим
стадиям:
n отбор средней пробы и подготовка ее к анализу;
n взятие навески;
n растворение навески;
n выбор осадителя и осаждение определяемого эле
мента (с пробой на полноту осаждения);
n фильтрование;
n промывание осадка (с пробой на полноту промы
вания);
n высушивание и прокаливание осадка;
n взвешивание;
n вычисление результатов анализа.
Аналитической практикой установлено, что при
проведении гравиметрического анализа наиболее удоб
ны навески от 0,5 до 2,0 г. Навеску вещества следует
брать из расчета, чтобы после прокаливания получить
гравиметрическую форму массой около 0,1–0,3 г для
аморфного осадка и массой около 0,5 г — для кристал
лического.
Титриметрический (объемный) метод
Этот метод имеет ряд преимуществ перед грави
метрическим (быстрота анализа, относительная просто
та операций, достаточная точность), в связи с чем он
довольно широко применяется в лабораторной прак
тике. В этом виде анализа взвешивание заменяется
измерением объемов как определяемого вещества, так
и реагента, используемого при данном определении.
Если требуется провести объемным методом анализ
сухого вещества, то берут его точную навеску массой
0,1–0,2 г, растворяют его в мерной колбе, перемеши
вают, пипеткой отбирают известный объем полученно
го раствора, при необходимости добавляют буферную
смесь, индикатор и пр. и проводят титрование.
Методы титриметрического анализа разделяют на
4 группы.
Методы кислотно"основного титрования. В ос
нову этих методов положены реакции нейтрализации.
Точка эквивалентности фиксируется при помощи ин
дикаторов, которые меняют свою окраску в зависимо
сти от реакции среды (величины рН). Этими методами
определяют концентрации кислот, щелочей и солей,
55
Глава 4
гидрализующихся в водных растворах. В качестве ра
бочих растворов используют титрованные растворы
кислот и сильных оснований.
Методы осаждения. Методом осадительного титро
вания определяют элемент, который, взаимодействуя с
титрованным раствором, может осаждаться в виде мало
растворимого соединения; при этом изменяются свойства
среды, что позволяет установить точку эквивалентности.
Методы окисления"восстановления. Эти методы
основаны на окислительновосстановительных реак
циях, которые протекают между искомым веществом
и веществом рабочего раствора (перманганатомет
рия, иодометрия, хроматометрия и др.). Их использу
ют для обнаружения различных восстановителей
2+
(Fe
–
MnO
4
, C2O
, ClO
2–
4
–
3
, NO
–
и др.) или окислителей (Cr2O
2
2–
7
, Fe3+ и т. д.). Точка эквивалентности оп
ределяется по изменению окраски либо самого ра
створа, либо редоксиндикатора.
Методы комплексообразования. Эти методы дают
возможность определять целый ряд катионов (Mg
2+
Ca2+, Zn2+, Hg2+, Al3+ и др.) и анионов (CN–, F–,
–
Cl
), которые обладают способностью образовывать
малодиссоциированные комплексные ионы. Особый
интерес представляет комплексон III (трилон Б), широ
ко используемый в количественном анализе. Точку
эквивалентности чаще всего устанавливают по исчез
новению анализируемого катиона в растворе с помо
щью так называемых металлиндикаторов. В качестве
индикаторов для определения суммарного содержания
кальция и магния могут быть взяты эриохром черный
Т и хромовый темносиний, для обнаружения каль
ция — мурексид, железа — роданид аммония в суль
фаниловой кислоте и т. д.
,
,
Колориметрические методы
Колориметрия — один из наиболее простых мето
дов абсорбционного анализа. В школьной практике
можно рекомендовать использование метода визуаль
ной колориметрии, в частности, метод стандартных
серий: исследуемый раствор сравнивают с набором
стандартных растворов, которые должны быть свеже
приготовленными и отличаться друг от друга не менее,
56
чем на 10–15%.
Методы экологического мониторинга
8
8
8
8
8
8
0
0
0
0
0
0
0
Например, колориметрическое определение рН по
Алямовскому основано на свойстве индикаторов изме
нять свою окраску в зависимости от концентрации
ионов водорода, присутствующих в растворе.
Шкала прибора Алямовского представляет из себя
ряд запаянных пробирок, заполненных окрашенным
раствором. Этот устойчивый к действию света раствор
имитирует окраску универсального индикатора при
определенном значении рН. Испытуемый раствор
сравнивают со шкалой и находят в ней пробирку, наи
более совпадающую с ним по цвету. Если окраска
жидкости не соответствует цвету растворов шкалы, то
берут среднее значение между двумя приближающи
мися по цвету пробирками. Иногда может встретить
ся набор Алямовского, в котором стандартная цвет
ная шкала представлена не ампулами с растворами, а
стеклянными пластинками с цветными пленками.
Для удобства сравнения к прибору прилагается
компаратор, но техника сравнения растворов со шка
лой в этом случае другая. Пробирку с окрашенным
испытуемым раствором нужно поместить в левое гнез
до компаратора. В пробирку из правого гнезда компа
ратора наливают 5 мл дистиллированной воды. В пазы
компаратора вставляют стандартную цветную шкалу,
при этом ее окрашенная часть должна находиться
против пробирки с дистиллированной водой, а бесцвет
ная — против испытуемого раствора. Компаратор бе
рут левой рукой и поднимают до уровня глаз, держа
шкалой от себя и повернув ее к свету. Передвигая
стандартную шкалу вверх и вниз, находят ту ее часть,
которая по окраске совпадает с испытуемым раство
ром. Повернув компаратор шкалой к себе, отсчитыва
ют значение рН и записывают результат анализа.
Для более точного определения анализируемого
элемента применяют специальные приборы — фото
электроколориметры (ФЭК). При работе на ФЭК чаще
всего используют метод градуировочной кривой, осно
ванный на построении калибровочного графика в осях
«оптическая плотность — концентрация» (для стандар
тных растворов). Измерив оптическую плотность ана
лизируемого раствора, по графику находят его концен
234567
234567
трацию.
234567
234567
234567
234567
23456789
23456789
23456789
23456789
23456789
57
23456789
23456789
Глава 5
МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА БИОЛОГИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТОВ (БИОТЫ)
5.1. Мониторинг биоты
Биотой называется совокупность всех живых орга
низмов (растений, животных и микроорганизмов), на
селяющих какуюлибо территорию.
При организации мониторинга биоты необходимо
выбрать постоянные участки с доминантными видами
растительности. Наблюдения над хорошо знакомыми
птицами, растениями, насекомыми, животными долж
ны быть регулярными.
Оценка состояния биоты проводится по следую
щим показателям:
– обилие (число особей на единицу площади);
– частота (отношение числа особей одного вида к об
щей численности особей, выраженное в процентах);
– доминантные виды с наибольшей продуктивностью.
При проведении мониторинговых исследований
растений особое внимание уделяется морфологическим
признакам листьев, хвои, особенностям пигментации
на стволе, листьях, цветах, выявлению разного рода
аномалий вегетативных и генеративных органов (от
мирают ли почки, изменяется ли ветвление побегов).
Внешние признаки довольно просто регистрируются с
помощью специальных приборов или без них: это из
менение уровня фотосинтеза, содержания хлорофил
ла, пигментации, тургора, а также отмечаются морфо
логические изменения.
58
Методы мониторинга биологических объектов (биоты)
У животных фиксируются изменения:
– численности популяций;
– соотношения видового состава;
– частоты появления форм с отклонениями.
Определяют численность видов и амплитуду коле
баний этой численности в течение сезона. В различные
годы численность отдельного вида может подвергать
ся существенным изменениям, которые могут быть
связаны с процессами вымирания или процветания
популяции или иметь циклический характер.
5.1.1. Мониторинг лесного фитоценоза [10, 11]
В описание лесного фитоценоза следует включить
характеристики древостоя, подлеска, травянистокустар
ничкового покрова, яруса мхов, напочвенных лишайни
ков, грибов. Для каждого яруса определяется свой набор
характеристик (видовой состав, число особей каждого
вида, высота, диаметр ствола, сомкнутость, обилие, про
ективное покрытие, жизненность, а также следы деятель
ности человека и жизнедеятельности животных).
Описание растений на ключевом участке в лесу
Ключевой участок в лесу не должен выходить за
пределы взятого сообщества, чтобы главный, домини
рующий вид был всюду в пределах участка. Рекоменду
ется взять участок площадью 400–600 м
внутри которого заложить пробную площадку 100 м2 для
подсчета количества подроста и кустарников и 3–5
площадок по 1 м2 для оценки травяного и кустарничко
вого покрова.
В начале данных исследований проводят описание
ярусов, которые можно обозначать так:
I — древостой;
II — кустарниковый ярус;
III — травянокустраничковый ярус;
IV — ярус мхов и напочвенных лишайников.
Описание ярусов выполняется в следующем по
рядке:
1. Определить, сколько ярусов есть в лесу. Составить
список доминирующих видов по каждому ярусу
изучаемого растительного сообщества, сделать не
обходимые замеры.
2. Составить схему ярусов, выдерживая масштаб
(лучше на миллиметровой бумаге).
2
(20 ×30 м),
59
Описание видового состава растений на ключевом
участке начинают с какогонибудь угла площадки.
Вначале переписывают растения, которые находятся в
поле зрения. Затем дополняют список теми видами,
которые становятся заметными лишь при более вни
мательном анализе травостоя.
Далее необходимо обойти участок по периметру,
потом по диагонали, останавливаясь время от времени
и отмечая вновь попадающиеся растения. Незнакомые
виды растений описать и попытаться определить по
определителю. Данные внести в табл. 4–8 экопаспорта.
Составление формулы древостоя
Для каждого ключевого участка составляется фор
мула древостоя. Формула древостоя — это относитель
ное число деревьев разных пород. При этом буквами
обозначают породы (виды) деревьев, например Е — ель,
С — сосна, Б — береза, Ос — осина, Д — дуб и т. д., а
индексами — относительную численность их на едини
це площади, если общее число стволов на этой площади
принято за 10. Например, формула Е5, Б3, Ос2 будет
обозначать, что в данном фитоценозе преобладает ель
(около 50%), а береза и осина составляют 30% и 20% де
ревьев. Если в древостое отчетливо выражены ярусы,
например ель в первом, а осина и береза во втором,
формула может быть составлена так: I яр. Е10; II яр. Б7Ос3.
Определение жизненности растений
Жизненность видов охватывает реакции видов
растений на среду обитания в растительном сообще
стве (фитоценозе). Для оценки жизненности применя
ется трехбалльная шкала.
I — жизненность хорошая (полная) — растение в
фитоценозе нормально цветет и плодоносит (есть осо
би всех возрастных групп), взрослые особи достигают
нормальных для данного вида размеров.
II — жизненность удовлетворительная (угнетена) —
растение угнетено, что выражается в меньших разме
рах взрослых особей, семенное размножение при этом
невозможно.
III — жизненность неудовлетворительная (сильно
угнетена) — растение угнетено так сильно, что наблю
дается резкое отклонение в морфологическом облике
60
взрослых растений (ветвлении, форме листьев и т. д.);
Глава 5
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]