Главная Обратная связь

Дисциплины:






Мета та завдання курсу



2 Сучасні екологічні дослідження

3 Екологічні експерименти

4 Геоінформаційні системи

Сучасні екологічні дослідження мають комплексний характер, охоплюючи дослідження гірських порід (геологія), вивчення хімічного складу повітря, вод ґрунтів, рослинного й тваринного світів (хімія), спостереження за живими організмами, їх функціонуванням на різних рівнях організації: молекулярно – генетичному, органному, організмовому, популяційному, екосистемному (біологія). На межі наук спостерігаються найцікавіші явища, створюються нові науки. Отже, екологічні дослідження об'єднують зусилля спеціалістів багатьох наук. Дедалі більшого значення набувають математичні методи планування експерименту, створення моделі окремого процесу, обробка результатів дослідження, складання прогнозів.

Математичне моделювання допомагає створити цілісну картину того чи іншого явища, передбачити коротко- чи довготермінові наслідки певного порушення функціонування екосистеми в локальному чи глобальному масштабі. Комп’ютерне моделювання досить просте і дає змогу легко модифікувати модель.

Екологічні дослідження включають спостереження в природі (за окремими видами живих організмів, відносинами між популяціями в екосистемі, впливом абіотичного чинника на функціонування угрупувань рослин чи тварин тощо), лабораторні дослідження (аналіз повітря, вивчення активності ферментів, спостереження за діяльністю мікроорганізмів), аналіз отриманої інформації та її математичну обробку, створення на цій підставі теорії чи передбачення наслідків.

Особливістю і складністю екологічних експериментів є те, що світ надзвичайно складний, багатогранний і його компоненти пов'язані в єдине ціле численними зв'язками, тому лабораторні дослідження чи спостереження в природі дуже важко об'єднати, результати одних експериментів перенести на інший рівень. Часто проведення досліджень стану довкілля має глобальний характер, зокрема при веденні моніторингу (від лат. «монітор» - той, що наглядає, нагадує, попереджає), вивченні стану озонової оболонки Землі, виявленні впливу на природне середовище кислотних дощів, вивченні зон особливого забруднення Світового океану.

Встановлення хімічного складу й фізичних властивостей елементів довкілля – повітря, води, ґрунтів – досить важке завдання і вимагає певних навичок. Особливістю повітря є його надзвичайна рухливість, тому забрудник в атмосфері може дуже швидко розсіятися, змінити своє місцеперебування, вступити в хімічну взаємодію з компонентами атмосферного повітря. Це саме стосується й води, хоча вона менш рухливе середовище, ніж повітря. Особливістю ґрунтів є їх мозаїчність – на незначній території хімічний склад різних ділянок може значно відрізнятися за вмістом вологи, концентрацією біофільних елементів, забрудників, кислотністю тощо, що зумовлює і відмінності в рослинному і тваринному світі, які, в свою чергу, прямо чи опосередковано впливають на свій екотоп.



Склад повітря, поверхневих вод та ґрунтів взаємно впливають одне на одне. Його формують і живі організми, починаючи від найпростіших – мікроорганізмів - до вищих тварин. Однак, найбільший коригувальний вплив чинить господарська діяльність людини. Саме людина змінює довкілля до невпізнанності, будуючи житло, господарські об'єкти, транспортні артерії, видобуваючи корисні копалини та викидаючи й складаючи відходи виробництва.

Хімічний склад компонентів довкілля змінюється в часі та при зміні умов середовища: температури, вологості, тиску, наявності певних речовин. Він залежить також від характеру рельєфу та його геологічної будови, особливостей та обсягів техногенного тиску, динаміки фізико-географічних умов. Тому відбір проб (місце точок відбору, відстань між ними, обсяги зразків і особливості їх зберігання тощо) має велике значення для правильності встановлення складу природних об'єктів, прогнозування забруднення та його поширення, визначення можливості й швидкості процесів самоочищення повітря чи поверхневих природних вод, загрози фотохімічного смогу під час розв'язання екологічних і народногосподарських завдань.

Від фізико-географічних умов довкілля, особливостей і обсягів його забруднення, пов'язаних з різними типами людської діяльності, залежить вибір методів екологічної оцінки території, об'єкта чи акваторії, час виконання, тривалість і детальність досліджень.

Впродовж останніх років в екологічних дослідженнях все ширше застосовуються геоінформаційні системи (ГІС) – сучасні комп'ютерні технології для картографування та аналізу об'єктів реального світу. ГІС базуються на автоматизації інформаційних процесів, базах картографічних і аерокосмічних даних і дають змогу швидко та комплексно інтерпретувати зібрану інформацію, поновлювати, оперувати нею, поєднуючи з прийняттям управлінських рішень на різних рівнях. В Україні розроблені карти масштабом 1:200000 і 1:50000, які можна використовувати в природоохоронних, науково-дослідних, рекреаційних цілях з метою ведення моніторингу.

 

Контрольні запитання

 

1 Що вивчає дана дисципліна?

2 Які Вам відомі сучасні екологічні дослідження?

3 Що Ви можете сказати про екологічні експерименти?

4 Як людина впливає на довкілля?

5 Як Ви розумієте поняття геоінформаційної системи?


1.1 Методологічні особливості

сучасної екології

(лекція)

Мета:ознайомитися з групами методів дослідження стану довкілля, вивчити поняття біоіндикації та відомості про форми біоіндикаторів; типи чутливості біоіндикаторів відповідно до часу розвитку біоіндикаційних процесів, вивчити поняття пасивного та активного моніторингу.

 

План

1. Характеристика груп, в які поєднані методи дослідження стану довкілля.

2. Біоіндикація як наука. Біоіндикатори.

3. Форми біоіндикаторів.

4. Типи чутливості біоіндикаторів відповідно до часу розвитку біоіндикаційних процесів.

5. Пасивний та активний моніторинг.

6. Біохімічні та фізіологічні реакції.

 

Методологічною засадою сучасної екології є комплексне використання натурних спостережень, вимірювань, експериментальних лабораторних досліджень, екологічного картування і моделювання. Більшості екологічних досліджень притаманний системний підхід. У сучасних екологічних дослідженнях широко використовуються методи інших наук – хімії, фізики, геології, біології, математики. Ці методи можна об’єднати в кілька груп:

1 Методи реєстрації та оцінки якості довкілля, насамперед різні типи екологічного моніторингу, зокрема біомоніторинг і біоіндикація, дистанційний аерокосмічний моніторинг.

2 Методи кількісного обліку організмів і методи оцінки біомаси та продуктивності рослин і тварин.

3 Вивчення особливостей впливу різних екологічних чинників на життєдіяльність організмів (як складні й тривалі спостереження в природі, так і, частіше, експерименти в лабораторних умовах – токсикологічні, біохімічні, біофізичні, фізіологічні та ін.).

4 Методи вивчення взаємозв’язків між організмами в багатовидових угрупуваннях.

5 Методи математичного моделювання екологічних явищ та процесів, а також екосистем (останнє – набагато складніше), імітаційне моделювання; моделювання від локальних до регіональних і глобальних екологічних процесів і ситуацій.

6 Створення геоінформацйійних систем і технологій для розв’язання екологічних питань різних масштабів і в різних сферах діяльності.

7 Комплексний еколого – економічний аналіз стану різних об’єктів, територій, галузей виробництва.

8 Геоекологічні методи дослідження, геоекологічний моніторинг.

9 Технологічні методи екологізації різних виробництв з метою зменшення їх негативного впливу на довкілля.

10 Медико-екологічні методи вивчення впливу різних чинників на здоров’я людей.

11 Методи екологічного контролю стану довкілля: екологічна експертиза, екологічний аудит, екологічна паспортизація.

Метод біоіндикації специфічний, висвітлений менш широко, тому йому приділено дещо більшу увагу.

Біоіндикація

Біоіндикація (лат. індікаре – вказувати, виявляти) – метод оцінки абіотичних і біотичних чинників середовища за допомогою біологічних систем.

Організм або їх угрупування, життєві функції яких тісно корелюють з певними чинниками середовища і можуть використовуватися для їх оцінки, називають біоіндикаторами. Ними можуть бути рослини, тварини, мікроорганізми, гриби.

 

 

Форми біоіндикаторів:

· неспецифічна – якщо різні чинники зумовлюють однакову реакцію;

· специфічна – зміна, пов’язана лише з одним чинником;

· чутлива – коли біологічний об’єкт реагує значним відхиленням проявів від норм;

· акумулятивна – біоіндикатор накопичує дію чинника, тривалий час її не виявляючи;

· пряма – чинник діє безпосередньо на біологічний об’єкт;

· непряма – біоіндикація виявляється лише після зміни стану під впливом інших безпосередньо заторкнених елементів;

· рання – коли реакція організму помітна при низьких дозах і короткочасній дії чинника та відбувається в місці впливу чинника на елементарні молекулярні чи біологічні процеси.

Історія біоіндикації сягає сивої давнини. Перші записи про рослини-індикатори є в працях Теофраста (IV-III ст.. до н. е.). за видом рослин та їх зовнішнім виглядом люди навчилися визначати родючість ґрунтів, відшукувати воду, руди, діставати інформацію про клімат минулих часів.

Залежно від мети фітоіндикація має такі напрямки: агроіндикація, біогеохімічна індикація (індикація корисних копалин), галоіндикація, гідро індикація, біоіндикація, фітоіндикація кліматичних параметрів, природоохоронна (созоекологічна) індикація.

Стресорами, які викликають зміни у стані живих організмів, можуть бути температура (холод і спека), вода (посуха і затоплення), тиск, шум, магнетизм, електричний струм, хімічні речовини (солі, озон, оксиди нітрогену та сульфуру тощо).

Існує кілька типів чутливості біоіндикаторів відповідно до часу розвитку біоіндикаційних процесів:

І – біоіндикатор діє через деякий час, упродовж якого він не реагував на вплив (одноразова реакція), і одразу втрачає чутливість;

ІІ – реакція миттєва, але триває певний час, а потім зникає;

ІІІ – біоіндикатор реагує з моменту появи порушу вального впливу з однаковою інтенсивністю тривалий час;

IV – після швидкої й сильної реакції відбувається її поступове згасання;

V – при появі стресора починається реакція, яка посилюється, досягаючи максимуму, а потім згасає;

– реакція має синусоїдний характер і багаторазово повторюється (рис. 1). Для біоіндикації можна використовувати організми з типами чутливості І, ІІ, V.

Біоіндикатори використовують при веденні двох типів моніторингу:

пасивний моніторинг – дослідження видимих і непомітних пошкоджень чи відхилень від норми – ознак стресового впливу в організмах, що вільно живуть у природі;

активний моніторинг - виявлення впливу біотичних і абіотичних чинників на тест-організми, які перебувають у стандартизованих умовах та на досліджуваній території.

Залежно від змін, що відбуваються з живими організмами, їх угрупуваннями, біогеоценозами, ландшафтами під впливом різних чинників, говорять про рівні біоіндикації.

Біохімічні та фізіологічні реакції – зміни в організмі, що відбуваються під впливом певного чинника довкілля на рівні мембран (наприклад, при збільшенні в повітрі концентрації оксиду сульфуру (IV) він дифундує в міжклітинний простір, розчиняється в міжфібриляторній воді клітинної стінки, утворюючи йони SO32- i HSO3-, які руйнують зовнішню мембрану клітини, збільшують її проникність внаслідок розриву дисульфідних містків білкового шару, зміни рН і окисно-відновного потенціалу), ферментів, гормонів, компонентів клітин, пігментів, інтенсивності фотосинтезу.

 

 

Ч – чутливість біоіндикатора ,

Ст – стресор довкілля

 

Рис. 1.1 Типи чутливості біоіндикаторів залежно від часу розвитку біоіндикаційних процесів

 

 

Контрольні питання

1. Що є методологічною засадою сучасної екології?

2. У які групи об’єднують методи вивчення стану навколишнього середовища?

3. Які Вам відомі методи екологічного контролю стану довкілля?

4. Що вивчає біоіндикація?

5. Що називають біоіндикаторами?

6.Охарактеризуйте значення біоіндикації як науки для оцінки стану довкілля.

7.Які Вам відомі форми біоіндикаторів? Надайте визначення.

8.Які Вам відомі типи чутливості біоіндикаторів відповідно до часу розвитку біоіндикаційних процесів?

9.Організми яких типів чутливості використовують в біоіндикації?

10. Що називають пасивним моніторингом?

11. Що називають активним моніторингом?

12. Охарактеризуйте біохімічні та фізіологічні реакції, їх наслідки для живих організмів.

 


1.1 Методологічні особливості

сучасної екології

(самостійне вивчення)

Мета:- розвинути у студента навики самостійної роботи зі спеціальною літературою, вміння вибирати головне, узагальнити і систематизувати знання;

- надати студентам загальні уявлення про морфологічні, біоритмічні та поведінкові відхилення від норми в організмі під впливом антропогенних чинників.

 

Завдання: прочитати текст в підручнику Г.О. Білявський, Л.І. Бутченко «Основи екології: теорія та практикум» стр.31-33. Скласти конспект згідно питань, приведених нижче. Відповісти на питання для самоконтролю.

 

Морфологічні індикатори використовують для складання екологічних карт (антропогенного забруднення території), для ведення пошуку родовищ корисних копалин за допомогою дистанційних методів, виявлення засолення ґрунтів тощо. Які впливає на морфологічну та анатомо-морфологічну структуру організмів антропогенна діяльність? Як діє на біоритм та які популяційно-динамічні зміни викликає людська діяльність? Відповісти на ці питання за наступним планом:

1. Вплив на морфологічну структуру.

2. Вплив на анатомо-морфологічні структури тварин.

3. Дія на біоритм.

4. Хорологічні та популяційно-динамічні зміни.

 

Склавши конспект, закрийте зошит та відповідайте на запитання.

 

Запитання для самоконтролю

1. Що називають макроскопічними та мікроскопічними змінами?

2. Для чого використовують морфологічні індикатори?

3. Як впливає на динаміку популяцій антропогенна діяльність?

4. Чи використовують біоіндикаційні методи для розвідки родовищ корисних копалин?

5. Наведіть приклади, коли за певними змінами зовнішнього вигляду рослин і тварин можна оцінити якість навколишнього середовища?

 


Модуль2

СУЧАСНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ ДОВКІЛЛЯ

 

2.1 Загальні відомості

(лекція)

Мета: ознайомити студентів з сучасними методами дослідження стану довкілля, ознайомити з якісним та кількісним аналізами.

 

План

1 Якісний аналіз

2 Реакції, що використовуються в якісному аналізі

3 Кількісні методи аналізу

4 Хімічні, фізико-хімічні, фізичні та біологічні методи кількісного аналізу

 

Під час дослідження стану довкілля кількісному визначенню часто передує якісний аналіз на наявність того чи іншого хімічного елемента, йона, сполуки.

Реакції, які використовуються в якісному аналізі, мають супроводжуватися візуальним ефектом:

& Появою чи зникненням осаду;

& Появою, зникненням чи зміною кольору розчину;

& Виділенням газів;

& Утворення кристалів характерного кольору і форми;

& Появою забарвлених перлів;

& Забарвленням полум'я;

& Появою світіння;

& Виникненням характерного забарвлення при розтиранні речовини.

Зокрема, наявність плюмбуму в ґрунті виявляють за допомогою йодиду, хромату чи сульфату калію за появою характерного осаду:

Pb (NO3)2 + 2KI = PbI2 ¯ (яскраво-жовтий) + 2KNO3

Pb (NO3)2 + 2KCrO4 = PbCrO4 ¯ (жовтий) + 2KNO3

Pb (NO3)2 + K2SO4 = PbSO4 ¯ (білий) + 2KNO3

Нітрат- і нітрит-іони у фруктах і овочах визначають дифеніламіном, який окиснюється за їх наявності до бензидинової сині. У ХIX ст. патер Ф. Денца визначав озон в атмосферному повітрі впродовж 26 років, розвішуючи на подвір'ї папірці, змочені розчином йодиду калію; за ступенем їх побуріння внаслідок виділення йоду діставав інформацію про приблизний вміст озону.

Газовидільні реакції проводять у мікрогазових камерах або пробірках, вносячи туди краплину реагенту чи реактивний папір (фільтрувальний папір, оброблений відповідним реагентом), змочений водою. Газ, що виділяється, вступає в хімічні реакції, що супроводжуються появою характерного кольору сполуки.

H2S визначають за допомогою папірця, змоченого Pb(NO3)2:

Pb (NO3)2 + H2S = PbS ¯ (чорний) + 2НNO3

Cl2 викликає почервоніння папірця, змоченого КВr і флюоресцеїном:

Cl2 + 2Вr = 2 Clˉ + Вr2

NH3 – за появою бурої плями на папірці, обробленому реактивом Несслера.

При сплавлянні кристалічних солейз бурою Na­2B4O7 • 10H2O чи фосфатом натрію на платиновій петлі в полум'ї газового пальника утворюються прозорі забарвлені «перли» характерного кольору: купруму і хрому – зелені; кобальту – блакитні; феруму і нікелю – жовті; мангану – фіолетові; стибію – безбарвні.

Попередній висновок про наявність певного хімічного елемента можна зробити і на підставі забарвлення ним полум'я пальника (пробу сухої речовини чи розчин наносять на ніхромовий дротик у формі кільця, змочений попередньо розчином хлоридної кислоти і прожарений у полум'ї).

Літій, кальцій і стронцій забарвлюють полум'я у коричнево-червоний колір, натрій – у жовтий; калій – у фіолетовий; купрум, вісмут, бор, барій – в зелений; стибій – у блакитний.

При розтиранні аналізованої проби з сухим реагентомна фарфоровій пластинці чи папері (іноді в присутності гідросульфату калію KHSO4) відбуваються характерні реакції, що супроводжуються зміною забарвлення. Ці реакції часто використовуються при встановленні типу мінералу:

FeCl3 + 3NH4SCN = Fe (SCN)3 (червоний) + 3NH4Cl;

CdSO4 + Na2S = CdS (жовтий) + Na2SO4;

Hg (NO3)2 + 2KІ = HgS2 (оранжевий) + 2KNO3

Для якісного виявлення використовують і люмінесцентні реакції (для збудження люмінесценції необхідна ртутна лампа чи лампа накалювання). Це чутливий метод. Зокрема, при взаємодії з 8-оксихіноміном Li+ дає блакитну люмінесценцію, Ag+ і K+ – жовто-зелену; Al3+ – зелену; Mg2+ з люмомагнезом – рожеву; Pb2+ з піридином і йодидом калію – жовто-коричневу, Cd2+ – блакитну.

Якісний аналіз дає змогу діагностувати заселення ґрунтів.

На практиці частіше користуються кількісними методами аналізу. На основі вимірювальних параметрів методи кількісного аналізу поділяють на хімічні, фізико-хімічні, фізичні та біологічні.

Вибір методу дослідження для визначення того чи іншого компонента залежить від потрібної точності аналізу, доступності методу для виконання, вмісту аналізованої речовини, хімічного складу досліджуваного об'єкта тощо (таблиця 2.1).

 

Контрольні питання

 

1 Які Ви знаєте методи аналізу дослідження стану довкілля?

2 Чим супроводжуються реакції, які використовуються в якісному аналізі?

3 Які Ви знаєте реакції?

4 Для чого використовують кількісний аналіз?

5 Від чого залежить вибір методу дослідження для визначення того чи іншого компоненту?

 


Таблиця 2.1. Методи визначення хімічних інгредієнтів у об’єктах природного середовища

 


2.2 Хімічні методи дослідження стану довкілля

(самостійне вивчення)

Мета:- розвинути у студента навики самостійної роботи зі спеціальною літературою, вміння вибирати головне, узагальнити і систематизувати знання;

- надати студентам загальні уявлення про титриметричний та гравіметричний методи аналізу стану довкілля.

 

Завдання: прочитати текст в підручнику Г.О. Білявський, Л.І. Бутченко «Основи екології: теорія та практикум» стр.183-185. Скласти конспект. Відповісти на питання для самоконтролю.

 

Титрометричний (об`ємний) метод аналізу ґрунтується на вимірюванні об’єму розчину реагенту відомої концентрації, витраченого на взаємодію з аналізованою речовиною за умови, що речовини вступають у реакцію в стехіометричних кількостях. Концентрація визначуваного компонента 10-1- 10-3 моль/л.

Цим методом визначають загальну і карбонатну твердість води, хімічне споживання кисню (ХСК), біохімічне споживання кисню (БСК5), кислотність, лужність, вміст розчиненого кисню, концентрацію катіонів меркурію, феруму (II), аніонів Cl-, SO42-, S2- тощо.

Гравіметричний метод базується на кількісному переведенні аналізованого компонента в малорозчинному сполуку і зважування продукту після виділення, промивання, висушування чи прожарювання.

Метод застосовують при концентрації визначуваної речовини в розчині не нижче 10-2-10-3моль/л. Гравіметричним методом визначають у природних, стічних водах ферум (Ш) та алюміній у вигляді оксидів, хлориди - AgCl, сульфати – BaSO4 в кислому середовищі, багато металів – у вигляді малорозчинних сполук з органічними реагентами – оксихінолінатів, дитизонатів тощо.

 

Склавши конспект, закрийте зошит та відповідайте на запитання.

 

Запитання для самоконтролю

1. Назвіть основні хімічні методи аналізу, які широко використовуються у визначенні якості природного середовища.

2. На чому ґрунтується титриметричний (об’ємний) метод аналізу?

3. Як працює гравіметричний метод?

 


2. 3 Фізико-хімічні методи аналізу стану довкілля

(лекція)

 

Мета: надати студентам загальні відомості про фізико-хімічні методи аналізу стану довкілля, ознайомитися з фотометричними, хроматографічними та електрохімічними методами.

 

План

1 Загальні відомості про фізико-хімічні методи аналізу стану довкілля

2 Фотометричний аналіз, його методи.

3 Хроматографічний аналіз, його методи.

4 Електрохімічні методи аналізу.

 

Ця група методів ґрунтується, як і хімічні, на хімічних реакціях, однак визначають фізичну характеристику (оптичну густину, електропровідність, окисно – відповідний потенціал), що залежить від аналізованої речовини.

Фотометричний аналіз охоплює всі методи, які ґрунтуються на поглинанні світла в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній частинах електромагнітного спектра визначуваною речовиною чи продуктом реакції.

Фотометричні методи високочутливі, розроблені для визначення практично всіх хімічних елементів, крім інертних газів; з їх допомогою визначають як макро-, так і мікрокількість (до 10–8 %) аналізованого компонента.

Методи фотометрії широко застосовують в аналізі природних об`єктів: повітря, поверхневих вод, ґрунту, донних мулів, рослин, а також стічних вод, газоподібних викидів, відходів промисловості. Наприклад, катіони купруму визначають у вигляді діетилдитіокарбамату купруму жовтого кольору, чи аміачного комплексу [Cu (NH3)4]SO4 волошково – синього кольору; ферум (ІІІ) – у вигляді роданідного комплексу Fe (SCN)3 криваво – червоного кольору чи сульфосаліцилату (зележно від pH середовища окремо можна визначити вміст Fe (II) і Fe (III); Al3+ утворює рожеві комплекси з алюміноном в ацетатному буфері.

Хроматографічний аналіз – метод розподілу, концентрування, якісного виявлення та кількісного визначення компонентів рідких і газоподібних сумішей, що ґрунтується на різному їх розподілі між рухомою та нерухомою фазами.

Метод все частіше використовують для аналізу стану довкілля. Саме завдяки йому вдалося швидко виявити стафілококове та мікозне ушкодження ліквідаторів аварії на ЧАЕС.

Високоефективна рідинна хроматографія – найбільш вживаний метод аналізу складних органічних проб. В установках рідинної хроматографії (як і в газових) використовують різноманітні детектори: ультрафіолетовий, електрохімічний, детектор з діодною матрицею, флуорометричний. Застосування електрохімічного детектора дає змогу визначати сполуки при їх вмісті 10–12 г в 1мл проби. Найбільшу чутливість при визначенні сполук з малими ГДК (біогенні аміни, поліароматичні вуглеводні, гормони, токсини) має флуорометричний детектор. До речі, хроматографічними методами криміналістика виявляє в організмі алкалоїди, що спричинили отруєння.

Методом газорідинної хроматографії визначають склад стічних вод нафтопереробних та хіміко–фармацевтичних підприємств, заводів органічного синтезу.

Газова хроматографія характеризується високою розподільною здатністю, гнучкістю завдяки застосуванню різних детекторів. Найуживанішим є полуменово-іонізаційний; для визначення галогеновуглеводнів застосовують детектор електронного захоплення; азото- і фосфоровмісні агрохімічні препарати виявляють за допомогою спеціального N/P – детектора.

Кількісною характеристикою газової та рідинної адсорбційної хроматографії є висота або площа хроматографічного піка, які пропорційні вмісту компонента в досліджуваній суміші.

Під час розділення сумішей методом тонкошарової хроматографії(її різновид - паперова хроматографія) отримують забарвлені плями окремих компонентів; у разі безбарвних сполук їх проявляють фізичним (УФ-опромінення, нагрівання) або хімічним (обробка реагентом, який утворює забарвлені сполуки з речовинами, наприклад, амінокислоти набувають блакитного кольору після обробки їх розчином нінгідрину) способом. Це якісне виявлення компонентів суміші; кількісний склад визначають за площею плями або розчиняють вміст у відповідному розчиннику і аналізують одним із методів.

Методом тонкошарової хронографії розділяють амінокислоти і барвники рослин, визначають активність ґрунтової фауни за продукцією амінокислот.

Іонообмінну хроматографіювикористовують для розділення елементів із подібними хімічними властивостями. Так, елююванням розчином NCl з концентрацією 1моль/л можна розділити катіони натрію і калію. Йонообмінна хроматографія дає змогу після попереднього розділення і послідовного вилучення компонентів суміші з колонки визначити їх вміст фотометричним, титриметричним та іншим способом.

Цим методом визначають загальну твердість води, вміст катіонів важких металів у воді, ґрунті, донних мулах.

Методом йонної хроматографіївизначають понад 70 аніонів неорганічних і органічних кислот, катіони лужних і лужноземельних металів у воді, продуктах, лікарських препаратах тощо.

Молекулярно-ситова хроматографія дає змогу розділяти речовини на основі різних розмірів їх молекул. Так можна розділити, наприклад, мономерні й полімерні гідрокомплекси алюмінію, які мають різну токсичність і механізм дії на гідробіонтів в у разі їх надлишку в природних водах.

Електрохімічні методи аналізу.

Потенціометрія. Методом абсолютної потенціометрії вимірюють потенціал Е і за рівнянням Нернста обчислюють концентрацію йона в речовині. Метод використовується для визначення рН природних і стічних вод за допомогою скляного електрода; йоноселективні електроди дають змогу встановити вміст нітратів у рослинах та продуктах, концентрацію катіонів натрію, калію, кальцію, магнію, купруму, аніонів CI¯,Br¯, J¯, CN¯ та ін.

Методом потенціометричного титрування визначають численні сполуки; порівняно зі звичайним титриметричним методом він дає змогу аналізувати забарвлені і каламутні середовища. Потенціометричні біодатчики використовують для визначення концентрації пестицидів у складних багатокомпонентних системах.

Вольтамперометрію поділяють на два типи: полярографічний аналіз, що базується на процесі електролізу і вивченні залежності сили струму від прикладеної напруги (цим методом у природних водах і ґрунтах визначають вміст цинку, кадмію, плюмбуму, купруму; з попереднім екстракційним відділенням токсичних елементів – залишкову кількість плюмбуму у виноградному соці з чутливістю 0,002 мг/л; токсичні елементи в продуктах, повітрі, стічних водах; користуються методом і для визначення концентрації вітамінів, ферментів, гормонів в організмі людини, для діагностики захворювань), і амперометричне титрування (дає змогу визначати аніони, для яких немає точних і швидких титриметричних методів: C2O4, SO4, CO3, PO4, MoO4, а також багато органічних сполук).

Методами абсорбційної інверсійної вольтамперометрії визначають понад 40 катіонів металів, числені аніони, органічні сполуки (білки, ферменти, лікарські препарати, пестициди, стимулятори росту тварин, комплексони) в різних екологічних об’єктах.

Кондуктометрію (аналіз за електричною провідністю) використовують для визначення концентрації розчинених солей у питних водах і водах для теплообмінного обладнання (пряма кондуктометрія). Кондуктометричним титруванням визначають суміші кислот у водному та водно-органічному середовищах, численні катіони й аніони; титруванням розчином BaCl2 визначають сульфати, хромати, оксалати, карбонати, цитрати; трилоном Б за різних значень рН аналізують суміші катіонів металів без попереднього їх розділення.

 

Контрольні питання

 

1 На чому ґрунтуються фізико-хімічні методи аналізу стану довкілля?

2 Що Ви знаєте про фотометричний аналіз?

3 Де застосовують методи фотометрії?

4 Що Ви знаєте про хроматографічний аналіз?

5 Які Ви знаєте методи хроматографічного аналізу?

6 Що Вам відомо про потенціометрію?

7 Як проводять вольтамперометричний та кондуктометричний аналізи?


2. 4 Фізичні методи дослідження стану навколишнього середовища

(лекція)

Мета: надати студентам інформацію про фізичні методи аналізу: спектральний аналіз, мас-спектрометрія, метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР), радіометричний, рентгеноспектральний та люмінесцентний методи аналізу.

План

1 Спектральний аналіз

2 Мас-спектрометрія

3 Метод ядерного магнітного резонансу

4 Радіометричний метод аналізу

5 Рентгеноспектральний аналіз

6 Люмінесцентний аналіз

 

Спектральний аналіз – це фізичний метод визначення складу і будови речовини за її спектром – упорядкованим за довжиною хвилі електромагнітним випромінюванням. Для збудження атомів використовують полум`я пальника, енергію електричної дуги чи іскри.

Спектральний аналіз дає змогу встановити елементний, нуклідний і молекулярний склад речовини та її будову (атомно-емісійний спектральний аналіз).

Методом полуменевої фотометрії кількісно визначають понад 70 хімічних елементів, зокрема й катіони лужних і важких металів у природних водах.

Атомно-абсорбційний спектральний аналіз ґрунтується на визначенні концентрації речовини за поглинанням шаром атомної пари елемента монохроматичного резонансного випромінювання.

Атомно-абсорбційний аналізатор МГА-915 – спектрометр із земанівською корекцією застосовують для елементарного аналізу природних, питних і стічних вод, ґрунтів, біологічних проб повітря (при об’ємі проби 40 мкл межі визначення окремих елементів становлять: Zn-0,004; Cd і Cr-0,03; Cu-0,07; Pb-0,12 мкг/л).

Переносний аналізатор ртуті РА-915 дає змогу проводити безперервний моніторинг вмісту цього токсичного металу в повітрі робочого приміщення, в атмосферному повітрі з автомобіля, судна, гелікоптера; методом холодної пори – у водах, методом піролізу – в харчових продуктах, нафті, крові, волоссі.

Портативний рентгенофлуоресцентний спектрометр Спектроскан – S дає можливість визначати вміст 73 хімічних елементів. В екології його застосовують для контролю виробничих викидів, визначення концентрації металів у повітрі, воді, ґрунті, в пошуку руд, для контролю збагачення.

Мас-спектрометрія базується на розділенні газоподібних іонів у магнітному полі залежно від відношення величини маси йона (m) до його заряду (Z), яке впливає на інтенсивність сигналу. Метод застосовують переважно для визначення відносних ізотопних мас та ізотопного вмісту елементів, а також відносних молекулярних мас і структури органічних речовин. Мас-спектрометрією виявляють у ґрунті надзвичайно небезпечну забруднювальну речовину – тетрахлордибензодіоксин у концентрації 10-6 мг/кг.

Метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР) відображає взаємодію магнітного моменту ядра молекули речовини із зовнішнім магнітним полем. Метод дає змогу працювати в широкому діапазоні концентрацій, визначати, зокрема, вміст різних форм алюмінію та інших металів у природних водах.

Радіометричні методи аналізу ґрунтуються на виявленні й вимірюванні як природної, так і штучної радіоактивності.

Для кількісного визначення радіоактивності використовують поняття абсолютної активності радіоактивних речовин, яку вимірюють у кюрі, та питомої активності – радіоактивності одиниці маси даної речовини, тобто міри відносного вмісту радіонуклідів у досліджуваному зразку. Її виражають числом розпадів за хвилину (чи секунду) і вимірюють у беккерелях.

Використовуючи природну радіоактивність, кількісно визначають понад 20 хімічних елементів, зокрема уран, торій, радій, актиній. Калій можна визначити у воді в концентрації 0,05 моль/л. Природна радіоактивність лежить у основі пошуку уранових руд за допомогою авіації та супутників.

Радіонукліди застосовують для виявлення пошкоджень у газопроводах, визначення місць витікання води з магістральних колекторів стічних і каналізаційних вод.

Активаційний аналіз ґрунтується на опроміненні нерадіоактивних елементів нейтронами, протонами та іншими високоенергетичними часточками, внаслідок чого вони набувають радіоактивності.

На практиці використовують відносний метод аналізу, коли за однакових умов опромінюють досліджуваний зразок і еталон з відомим вмістом визначуваного елементу. Часто зразок після опромінення розчиняють, здійснюють концентрування методами осадження, співосадження, екстракції, хроматографії і визначають активність продуктів розділення.

Метод ізотопного розбавляння полягає у введенні ізотопа визначуваного елемента в аналізований розчин, що набуває активності, потім цей елемент переводять в осад (екстрагують, хроматографують) і визначають активність розчину після його видалення. За різницею визначають активність осаду (екстракту, елюату) і обчислюють вміст компонента в зразку.

Рентгеноспектральний аналіз базується на послабленні інтенсивності рентгенівського випромінювання під час проходження крізь пробу. В рентгенофлуоресцентному аналізі на пробу діє первинне рентгенівське випромінювання, під впливом якого виникає вторинне рентгенівське випромінювання проби, характер якого залежить від якісного та кількісного складу аналізованої речовини.

Люмінесцентний аналізґрунтується на здатності речовин випромінювати світло під дією різних збудників: ультрафіолетового випромінювання або видимого світла (фотолюмінесценція), розламування (тріболюмінесценція), енергії хімічної реакції (хемілюмінесценція), яка дуже поширена в живій природі: світяться окремі види молюсків, ракоподібних, глибоководних риб, червів внаслідок взаємодії кисню з люциферином; ця реакція каталізується ферментом люциферазою, а явище називають біолюмінесценцією.

Деякі мінерали, наприклад флюорит CaF2 , світяться при дії на них ультрафіолетового випромінювання, що використовують для безконтактного пошуку корисних копалин, зокрема нафти, виявлення плям нафти і нафтопродуктів на поверхні ґрунту чи водної гладі Світового океану.

Сортовий аналіз використовують для визначення якості зерна (свіже і зерно, що псується, світяться по-різному в УФ-променях), різних видів палива, виявлення забруднень, сурогатів, підробок.

Тривалий час у більшості екологічних, технологічних, біохімічних лабораторій домінували фотометричні методи. Однак зниження ГДК і необхідність визначення забруднювальних і токсичних речовин у надзвичайно малих концентраціях зумовили широке впровадження люмінесценції, яка має високу селективність, дає змогу працювати з малими об’ємами, що зумовлює її переваги перед фотометричними методами.

Люмінесцентним методом аналізують природні й стічні води, повітря, ґрунт, продукти, визначають нафтопродукти – до 0,005 мг/л, феноли – 0,0005, купрум – 0,05, у питній воді – плюмбум до концентрацій 0,005 мг/л, бензпірен – 0,00002 мг/л (ГДК цього забруднювача у повітрі населених пунктів – 0,0000001 мг/м 3).

У хемілюмінесцентному аналізі використовують суміш: люмінал + пероксид гідрогену (при рН >8,5), люцегенін + пероксид гідрогену (рН > 9 – виникає блакитна люмінесценція), силоксен + окисник (рН < 5,0, рожева люмінесценція); каналізують ці реакції деякі важки метали. Інтенсивність люмінесценції прямо пропорційна концентрації каталізатора (швидкості хімічної реакції), тому хемілюмінесценцію використовують у кінетичних методах аналізу. Метод дає змогу визначати метали в надзвичайно малих кількостях (до 10 – 8 %).

Кількісний хемілюмінесцентний аналіз базується на вимірюванні інтенсивності або кількості виділеного в хімічній реакції світла фотографічним методом та за допомогою хемілюмінесцентних фотометрів. Хемілюмінесцентним методом визначають наявність мастил, каучуків, вітамінів, бітумів. Це один з найчутливіших методів, який даї змогу виявляти 10 – 10 – 4 мкг/мл речовини.

Чутливість (найменша кількість речовини, яку можна виявити певним методом) інструментальних (фізичних та фізико-хімічних) методів аналізу наведена в таблиці 2.2.

 

Таблиця 2.2

Чутливість інструментальних методів аналізу

Метод Межа виявлення, г
Фотометрія Полярографія Атомно – абсорбційний спектральний аналіз Емісійний спектральний аналіз Кулонометрія Флуорометрія Газова хроматографія Кінетичний аналіз Мас – спектрометрія Радіоізотопний аналіз 1*10 – 6 1*10 – 8 1*10 – 10 1*10 – 10 1*10 – 10 1*10 – 10 1*10 – 11 1*10 – 11 1*10 – 12 1*10 – 15  

 

Контрольні запитання

 

1 На чому ґрунтується ця група методів?

2 Що таке спектральний аналіз?

3 Що визначають методами спектрального аналізу?

4 На чому базується мас-спектрометрія? Для чого цей метод застосовується?

5 Що відображає ЯМР?

6 Який метод аналізу ґрунтується на виявленні як природної, так штучної радіоактивності? Що Ви знаєте про цей метод аналізу?

7 Охарактеризуйте рентгеноспектральний метод.

8 Чим займається люмінесцентний аналіз?

9 Коли використовують сортовий аналіз?

10 Проаналізуйте переваги хемілюмінесцентного методу аналізу.


2.5 Біохімічні методи дослідження

(самостійне вивчення)

 

Мета:- розвинути у студента навики самостійної роботи зі спеціальною літературою, вміння вибирати головне, узагальнити і систематизувати знання;

- надати студентам інформацію про біологічні і біохімічні методи дослідження стану довкілля.

 

Завдання: прочитати текст в підручнику Г.О. Білявський, Л.І. Бутченко «Основи екології: теорія та практикум» стр.189. Скласти конспект. Відповісти на питання для самоконтролю.

 

Основу біологічних та біохімічних методів дослідження становлять реакції рослин, тварин і мікроорганізмів на дію певного чинника. Зміни можуть відчуватися на різному рівні активності ферментів, проникності мембран та зміні інших органах клітини, окремих органів, систем, організмів в цілому, популяції, екосистеми.

Біологічні методи широко використовують з метою визначення стану довкілля (біоіндикація).Живі організми часто є тест-об`єктами при вивченні дії токсичних речовин (визначення ТДК летальних доз), фармакологічного ефекту лікарських препаратів тощо. Біологічні методи використовують в аналізі біологічно активних речовин (антибіотики аналізують за їх здатністю зупиняти ріст мікроорганізмів; накопичення фенольних сполук в листі рослин-сигнал про стресову ситуацію).

У більшості випадків визначають активність ферментів, оскільки вони мають високу чутливість і вибірковість дії та дають змогу численним хімічним реакціям у живому організмі відбуватися за звичайних умов.

Активність цих біохімічних каталізаторів залежить від багатьох чинників, оскільки вони мають білкову природу: pH середовища, наявності окремих катіонів металів, що можуть збільшувати чи зменшувати їх активність, окисно відновного потенціалу тощо.

Вивчення ферментних реакцій має величезне значення при дослідженні функцій і визначенні концентрацій мікроелементів та інших біологічно активних сполук.

Їх активність може бути тестом при вивченні забруднення довкілля окремими речовинами, зокрема важкими металами, що діють як ферментні отрути, кислотними оксидами тощо.

З метою контролю стану поверхневих природних вод використовують численні методи біотестування :

- зміну статичного стану п’явки медичної на динамічний;

- виживання та плодючість дафнії магна;

- біолюмінесценцію окремих видів бактерій тощо.

 

Склавши конспект, закрийте зошит та відповідайте на запитання.

 

Запитання для самоконтролю

 

1 Які методи дослідження відносять до біологічних?

2 Що або хто становить основу біологічних та біохімічних методів дослідження?

3 Які методи біотестування Вам відомі?

 

 


Модуль 3

ВИЗНАЧЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОГО СТАНУ ПОВІТРЯНОГО СЕРЕДОВИЩА

3.1 Загальні відомості

(лекція)

Мета: ознайомити студентів з загальними положеннями екологічного стану повітря, а також ознайомити з контролем стану атмосфери, методами контролю та індексом забруднення атмосфери.

План





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...