Контроль экологических загрязнений

Контрольная работа Контроль экологических загрязнений

1. Химическое загрязнение природных сред. Экологически опасные факторы химической природы (ЭОФ)

2. Эколого-аналитический контроль (ЭАК) как основа химического мониторинга

3. Классификация методов экологических исследований Литература

1. Химическое загрязнение природных сред. Экологически опасные факторы химической природы (ЭОФ) В условиях возрастающего антропогенного воздействия на природу увеличиваются техногенные потоки различных загрязняющих веществ, усиливается их давление на все компоненты биосферы и слагающие ее наземные и водные экосистемы. Однако, несмотря на повсеместно проявляемое беспокойство по поводу загрязнения окружающей среды, по-прежнему ежегодно многие миллионы тонн различных экологически вредных веществ выбрасываются в атмосферу, в океан, заносятся во внешние слои литосферы. Известно, что менее 10% добываемого сырья превращается в готовую продукцию; остальное — отходы, загрязняющие природную среду. Уже сегодня в банке данных Chemical Abstract Services (США) имеются сведения о почти 8 млн. различных химических соединений, причем несколько десятков тысяч из этого количества находят широкое применение в многообразных сферах жизни и постоянно используются людьми.

Экологически Опасные Факторы (ЭОФ) представляют собой такие воздействия окружающей среды, которые способствуют и/или приводят к качественным и количественным нарушениям в экосистемах (от любого сообщества живых существ и среды их обитания, вплоть до биосферы в целом), к тем изменениям, которые оказывают влияние на жизнеспособность и адаптацию популяций, размножение, рост. поведение и выживание отдельных особей (В.В. Худолей, И.В. Мизгирев).

ЭОФ химической природы — это химические вещества, которые в определенных концентрациях приводят к качественным и количественным нарушениям в экосистемах. К ЭОФ химической природы относятся, в первую очередь, следующие группы веществ:

— тяжелые металлы,

— диоксины и диоксиноподобные соединения,

— ДДТ и другие пестициды,

— нитриты, нитраты и нитрозосоединения,

— полициклические ароматические углеводороды.

Рис. 1. Место аналитической химии в решении экологических проблем.

Тяжелые металлы. К группе тяжелых металлов относят свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, сурьму, висмут, ртуть, олово, ванадий, а также хром, серебро, золото, платину, железо, марганец. Многие из этих агентов способны вызывать заболевания у людей и широко распространены в окружающей среде Ртуть — рассеянный элемент, концентрирующийся в сульфидных рудах, лишь небольшое ее количество находится в самородном виде. Ее среднее содержание в атмосфере обычно ниже 50 нг/м³, в земной коре — около 0,08 мг/кг. Основными источниками загрязнения окружающей среды этим элементом являются: пирометаллургические процессы получения металла, сжигание органических видов топлива, сточные воды, производство цветных металлов, красок, фунгицидов и т. д. Выбросы ртути в окружающую среду в результате деятельности человека весьма значительны. Общая (природная и антропогенная) эмиссия ртути в атмосферу составляет свыше 6000 тонн ежегодно, причем менее половины — 2500 т составляют поступления от естественных источников. Наиболее опасным ее соединением является метилртуть. Соединения ртути, в т. ч. метилртуть в больших объемах попадают в водную среду. Ртуть активно аккумулируется планктонными организмами, представляющими пищу для ракообразных, а последние поедаются рыбами. Щуки, выловленные в Балтийском море у шведского побережья, содержали до 5,7 мг/кг метилртути и если этой рыбой кормили кошек, то они умирали от ртутного отравления через 2—3 месяца. Содержание же метилртути у берегов Нидерландов еще выше — 10 мг/кг. Принято считать, что уровень ртути в 20 мг/кг является для рыб летальным. В печени птиц из тех же районов обнаруживают еще большие концентрации ртути: у ястреба — до 25, пустельги — до 41 и кряквы — до 80 мг/кг. О том, что экологическая опасность ртути, несмотря на достаточную изученность последствий ее действия, представляет собой серьезную проблему и сегодня, свидетельствует известный токсиколог В. Эйхлер, занимающийся пищевыми ядами. Ирак закупил у Мексики протравленное метилртутью зерно в качестве посевного материала, однако местное население использовало это зерно для выпечки хлеба. В результате 6530 человек отравились и 495 погибло от ртутного отравления.

Свинец. Выбросы свинца в окружающую среду в результате деятельности человека весьма значительны. Основными источниками загрязнения биосферы этим элементом являются: выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (с ними поступает ежегодно до 260 тысяч тонн; в США более 90% антропогенного загрязнения свинцом приходится именно на этот источник), высокотемпературные технологические процессы (сжигание каменного угля поставляет в окружающую среду 27,5 — 35 тысяч тонн, а нефти и бензина почти 50% антропогенного выброса этого металла), добыча и переработка металла (в результате работы металлургических предприятий на поверхность Земли поступает около 90 тысяч тонн). Концентрация свинца в природных водах обычно не превышает 10 мкг/л, что обусловлено его осаждением и комплексообразованием с органическими и неорганическими лигандами; интенсивность этих процессов во многом зависит от рН. Уровень общего содержания свинца в атмосферных осадках обычно колеблется от 1 до 50 мкг/л, но в районах интенсивной промышленности может достигать до 1000 мкг/л, приводя к серьезному загрязнению снежного покрова и почв. Перенос свинца в окружающей среде и его распространение в объектах окружающей среды происходит главным образом через атмосферу. Некоторые виды планктона обладают способностью концентрировать свинец в 12 000 раз. Интенсивно аккумулируют свинец хвойные деревья и мох. Аккумуляция свинца, изученная при анализе ледникового льда и снежного покрова в Гренландии, показала, что, наиболее свежие отложения льда, подвергшиеся исследованию, имели концентрацию свинца в 400 раз большую, чем естественный фон. Техногенная свинцовая нагрузка привела к тому, что резко повысилось содержание этого металла в объектах окружающей среды. Концентрация свинца в костях современного человека в 700—1200 раз превышает его содержание в скелетах людей живших 1600 лет назад. Свинец характеризуется широким спектром вызываемых им токсических эффектов на различных представителей биоты. Механизм его действия обусловлен ингибированием ферментов детоксикации ксенобиотиков и таким образом воздействие свинца приводит к биохимическим сдвигам. Повышенное содержание свинца в почве ведет к уменьшению числа основных представителей почвенного микробиоценоза. Вместе с тем, следует отметить, что поскольку неорганические соединения свинца в почве образуют нерастворимые соли и комплексы с различными анионами, то они обычно через корневую систему в наземные растения не попадают. Наиболее токсичными являются органические соединения — тетраэтили тетраметилсвинец. Несмотря на то, что все соединения свинца действуют в общем сходно, их располагают по убывающей токсичности следующим образом: нитрат > хлорид > оксид > карбонат > ортофосфат. Эксперименты на крысах и мышах дали убедительные доказательства канцерогенности свинца и его соединений.

Кадмий относится к рассеянным элементам и содержится в виде примеси во многих минералах. Его средняя концентрация в морской воде — около 0,1 мкг/л, а в земной коре — 0,1 мг/кг и обычно он сопутствует цинку. Антропогенная эмиссия кадмия в биосферу превышает природную в несколько раз. Например, в воздушную среду ежегодно поступает около 9000 тонн кадмия, причем 7700 тонн (т.е. более 85%) — в результате деятельности человека. Только в Балтийское море каждый год попадает 200 тонн кадмия. Кадмий легко аккумулируется многими организмами. В организме кадмий может легко взаимодействовать с другими металлами, особенно с кальцием и цинком, что влияет на выраженность его воздействий. Кадмий способен замещать кальций, нарушая тем самым физиологические процессы регуляции поглощения кальция. Даже незначительная недостаточность железа резко усиливает аккумуляцию кадмия. Токсические эффекты кадмия широко варьируют в зависимости от вида, экспонированного к его действию, концентрации, ряда условий (температура среды) и наличия ионов других металлов. Эпидемиологические данные указывают на чрезвычайную опасность кадмия для человека. В связи с тем, что этот элемент весьма медленно выводится из человеческого организма (0,1% в сутки), отравление кадмием может принимать хроническую форму. Ее симптомы — поражение почек, нервной системы, легких, нарушение функций половых органов, боли в костях скелета. Весьма демонстративен пример с болезнью «итай-итай». Это заболевание было впервые отмечено в Японии в 1940;х годах и характеризовалось сильными болями, деформацией скелета, переломами костей, повреждением почек. Следует упомянуть и о том, что в одной сигарете содержится около 2 нг кадмия, а это значит, что у курильщика, выкуривающего пачку сигарет в день, в два раза по сравнению с некурящим, увеличен уровень кадмия в печени и почках. Согласно данным Института продуктов питания Австрии не ртуть и не свинец, а именно кадмий является самым опасным металлом.

Хром относится к элементам, с повсеместным распространением. Поступление хрома в окружающую среду происходит как из естественных источников (всасывание растениями из почвы, эрозия горных пород и почв, а также в весьма небольших масштабах с вулканическими выбросами), так и, главным образом, в результате антропогенной деятельности (использование хрома, сжигание угля, и, в меньшей степени, добыча руды и производство металла). Основными областями применения хрома являются производства феррохромовых сплавов и легированной стали для нужд химической промышленности, нагревательных элементов электрических цепей, огнеупорных кирпичей, хромовой кислоты и хроматов, применяемых для синтеза красителей в текстильной промышленности, дубильных веществ в кожевенном производстве и т. д. Большие количества хрома могут содержаться в поверхностных и подземных водах в результате сбросов химических заводов и особенно предприятий по обработке металлов. В растительных и животных организмах хром всегда присутствует (он входит в состав ДНК), хотя вопрос, является ли этот элемент незаменимым питательным элементом для биологических объектов до сих пор не изучен. Некоторые, в частности лекарственные растения, способны его накапливать в значительных количествах (например, листья наперстянки). Токсичность этого элемента проявляется в подавлении роста и торможении метаболических процессов. В опытах на крысах получены убедительные доказательства канцерогенности хромата кальция и ряда относительно нерастворимых соединений шестивалентного хрома (они вызывают, в основном, опухоли легких). Многочисленными эпидемиологическими исследованиями установлено, что у людей, профессионально контактирующих с хроматами чрезвычайно высока частота бронхогенного рака. Это позволило экспертам МАИР (Международное агентство изучения рака, Лион, Франция) отнести хром и его соединения к группе 1 канцерогенного риска для человека.

Диоксины и диоксиноподобные соединения. Если о последствиях действия ряда веществ, достаточно много уже известно, то в отношении экологической опасности диоксинов мы узнали лишь в последние годы. В большую группу диоксинов и диоксиноподобных соединений входят как сами полихлорированные дибензордиоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ), так и полихлорированные бифенилы (ПХБ), поливинилхлорид (ПВХ) и ряд других органических веществ, содержащих в своей молекуле атомы хлора. Это чужеродные живым организмам соединения, попадающие в окружающую среду с продукцией или отходами многих технологий. Они непрерывно и во все возрастающих масштабах генерируются индустриальным обществом. Важно отметить, что этот процесс не знает ни пределов насыщения, ни национальных границ. Диоксины не производятся промышленно, но они возникают при производстве других химических веществ в виде примесей. К другим источникам диоксинов относятся: термическое разложение технических продуктов, сжигание осадков сточных вод, муниципальных, медицинских и опасных отходов (например, ПХБ и изделий из ПВХ). Источником поступления диоксинов в окружающую среду служат металлообрабатывающая и металлургическая промышленность, регенерация проволочных материалов, выхлопные газы автомобилей, целлюлозно-бумажная промышленность, возгорание и поломка электрического оборудования. Эти вещества — супертоксиканты. Диоксины найдены везде — в воздухе, почве, донных отложениях, рыбе, молоке (в том числе и грудном) овощах и т. д. Отличительная черта представителей этой группы — чрезвычайно высокая устойчивость к химическому и биологическому разложению, они способны сохраняться в окружающей среде в течение десятков лет и переносятся по пищевым цепям. Отсюда ясно, что опасность долговременного заражения диоксинами биосферы несравненно более серьезна, чем загрязнение среды другими агентами. Многочисленные и хорошо документированные исследования диоксиноподобных соединений позволили специалистам прийти к заключению, что, безусловно, канцерогенным для человека соединением является винилхлорид (группа 1), а ПХБ отнесены к группе 2А — агентам с весьма высокой вероятностью вызывать рак у людей. Накопленное к сегодняшнему дню количество диоксинов представляет собой серьезную угрозу для окружающей среды и для здоровья людей. Проведенные анализы показывают, что если немедленно прекратить полностью выброс в среду например ПХБ, то пройдет несколько сотен лет, прежде чем их содержание достигнет безопасного уровня.

ДДТ и другие пестициды. По подсчетам специалистов ежегодно от трети до половины мировых запасов продовольствия пожирают или повреждают насекомые, плесневые грибки, грызуны, птицы и другие вредители, которые уничтожают урожай и в поле, и при его сборе, погрузке, транспортировке и хранении. В случае успешной борьбы с насекомыми и болезнями, которые поражают зерновые культуры, ежегодная прибавка урожая составила бы около 200 млн. тонн зерна, что хватило бы для пропитания 1 млрд. человек. Швейцарский химик Пауль Мюллер, руководитель лаборатории фирмы Тейги" в 1938 году обнаружил замечательные инсектицидные свойства у дихлортрифенилтрихлорэтана (ставшего известным позднее под названием ДДТ) и спустя 10 лет за это открытие был удостоен Нобелевской премии в области биологии и медицины. Действительно, уже первые результаты применения этого «чудо-оружия» были просто ошеломляющими — рост урожайности, внедрение экономичных способов ведения сельского хозяйства, новые эффективные средства борьбы с насекомыми, переносящими инфекции. Использование ДДТ против комаров — переносчиков малярии резко снизили смертность от этого заболевания. Если еще в 1948 г. только в Индии погибло от малярии более трех миллионов человек, то в 1965 г. в этой стране не было зарегистрировано ни одного случая смерти от малярии. Именно благодаря ДДТ таким образом удалось спасти миллионы жизней и именно за это Мюллер по праву получил Нобелевскую премию. Однако, спустя два-три десятилетия выявились и негативные экологические последствия необдуманного использования ДДТ и многих других пестицидов. ДДТ — агент, применение которого привело к глобальному загрязнению окружающей среды. Установлено, что влияние ДДТ на среду географически существенно шире, чем территория его непосредственного применения в результате переходов из почвы в воду и воздух, из воздуха в воду и т. д., переноса биотой, воздушными массами и океаническими течениями. Таким образом, сегодня загрязнение природной среды этим инсектицидом приняло повсеместный характер, ДДТ обнаружен даже в Антарктиде. Пестициды относятся к весьма стабильным соединениям. Это означает, что они очень медленно разрушаются (или даже совсем не разрушаются) под действием солнца или бактерий. Об устойчивости пестицида в окружающей среде судят по времени, в течение которого он сохраняется в почве после обработки: быстро разрушающийся — менее 15 недель, умеренно разрушающийся — 15—45 недель, медленно разрушающийся — 45—75 недель и устойчивый — более 75 недель. Период полураспада у ДДТ составляет примерно 20 лет. Подавляющее большинство наиболее известных пестицидов имеют тенденцию накапливаться в живых организмах, причем не только в количествах больших, чем в окружающей среде, но и в концентрациях, возрастающих по мере продвижения по пищевым цепям. Это называется эффектом биологического усиления. Несмотря на то, что сведения о влиянии пестицидов на сообщества организмов и функционирование экосистем ограничены и не систематизированы, отмечено, что ввиду высокой способности к биоаккумуляции и низкой степени разложения, они могут оказывать неблагоприятное влияние на организмы всех трофических уровней, особенно на обладающих высокой чувствительностью первичных продуцентов. Известно, что водоросль кладофора за три дня извлекает из воды столько ДДТ, что его концентрация увеличивается при этом в 3000 раз.

Некоторые ученые, пытаясь найти выход из положения, возлагают большие надежды на т.н. нестойкие пестициды. Но этот путь тупиковый и, с экологической точки зрения, подобные надежды безосновательны. Дело в том, что эти нестойкие пестициды нередко более токсичны, требуют более частого их применения. Кроме того, подобные пестициды также обладают отдаленными нежелательными эффектами, так что наивно считать их «экологически безопасными». Показателен пример с попыткой уничтожения гусениц елового листовертки-почкоеда в одном из регионов Канады. Для борьбы с вредителями применили фосфорорганический пестицид из группы «нестойких» и считавшийся экологически безвредным. Но в результате его использования погибло 12 млн. птиц; они погибали и от прямого отравления и от недостатка корма (гусениц), так как должны съедать в день почти столько же, сколько весят сами. Если в результате воздействия таких пестицидов погибают насекомые, питающиеся фитопланктоном, то происходит взрывообразное увеличение популяции последнего. Кроме того, некоторые полезные насекомые, например пчелы, могут оказаться более чувствительными к нестойким пестицидам чем их вредители. И, наконец, нет никаких оснований надеяться на то, что в результате воздействия этих соединений не будет возникать к ним устойчивость у вредителей, или не будут наблюдаться вторичные вспышки численности именно тех организмов, против которых направлено их действие.

Пестициды — одна из причин вымирания видов. Являясь фактором отбора, они обладают способностью повреждать генетический аппарат клетки и вызывать мутации. Даже небольшие эволюционные сдвиги приводят в конце концов к изменению в генетической системе организма, а затем и к изменению поведения, которые могут повлиять на дальнейший ход эволюции.

Особо опасно и явно недостаточно изучено воздействие ДДТ на людей. Однако отмечено, что лишь за одно десятилетие, с 1970 по 1980 гг., частота отравлений пестицидами в мире возросла на 250%. У человека, также как и у многих других видов, ДДТ концентрируется преимущественно в жировой ткани, но способен выделяться с грудным молоком и даже проходить через плацентарный барьер. Согласно подсчетам, сделанным в Германии, каждый грудной ребенок с молоком матери получает в два раза больше ДДТ, чем это допускается. В грудном молоке кормящих американских матерей в 4 раза превышен уровень ДДТ, чем разрешено санитарными нормами для коровьего молока. Как заметил один из исследователей Национального института здоровья США: «Если бы материнское молоко находилось в другой упаковке, его вообще не разрешили бы пускать в продажу» .

При экспозиции к ДДТ у людей могут наблюдаться гормональные изменения, поражения почек, центральной и периферической нервной системы, цирроз печени и хронический гепатит. ДДТ — агент, обладающий высоким уровнем опасности для окружающей среды и здоровья человека. Эта опасность ДДТ, как и других пестицидов сохраняет свою актуальность и по сей день, несмотря на то, что уже в начале 1970;х годов был наложен запрет на выпуск и применение некоторых пестицидов. Первой страной, где был запрещен ДДТ, была Новая Зеландия. СССР был второй страной, но это запрещение имело две оговорки: применение разрешалось в Узбекистане, где еще встречались случаи малярии, и в таежных районах, где при вырубке леса для временных поселений образовывались прогалины, в которых размножались мыши, а вслед за ними иксодовые клещи, создавая очаг клещевого энцефалита, с которым можно эффективно бороться именно ДДТ. Когда в США концентрация ДДТ в молоке кормящих матерей в результате передачи этого вещества через пищевые цепи достигла уровня в четыре раза превышающего предельно допустимые, то применение ДДТ было запрещено. (В США запрещено использование, по крайней мере, 10 пестицидов — алдрина, стробана, ДДТ, 2,4 -Д, токсафена, гептахлора, линдана, кепона, 2,4,5 — Т и эндрина, но ряд из них продолжают выпускать на экспорт в развивающиеся страны). Следует отметить, что США поставляют около 30% пестицидов, используемых в мире. Вместе с тем запрет на ДДТ не повсеметен. В Австралии и Китае его применяют и по сей день для опрыскивания фруктовых садов и плантаций, а Индия его продолжает производить.

Нитриты, нитраты и нитрозосоединения. Круговорот азота является необходимой составляющей жизни на Земле. Азот, содержащийся в атмосфере, принимает участие в биосферном круговороте только после его превращения в органические или неорганические соединения. Такое превращение происходит как физико-химическими, так и, главным образом, биологическими путями. Естественный круговорот азота в биосфере существенно меняется вследствие загрязнения среды окислами азота — продуктами деятельности промышленных предприятий и транспорта (при сжигании горючих ископаемых — нефти, сланцев, торфа, угля, и, кроме того, мазута и бензина), а также применения азотных удобрений образуется большое количество окислов азота, вовлекаемых в круговорот. В результате наблюдаются такие экологические нарушения, как накопление нитратов в пищевых продуктах, кормах для животных, вымывание удобрений из почвы, разрушение трофических цепей и т. д.

Совместное воздействие нитритов и нитратов предотвращает рост микроорганизмов, вызывающих пищевые отравления (например, ботулизм). В норме нитраты и нитриты абсорбируются в желудочно-кишечном тракте, при этом нитраты быстро выделяются из организма; нитриты же, реагируя с гемоглобином крови превращают последний в метгемоглобин, который в отличие от гемоглобина не способен служить переносчиком кислорода, что определяет многие биологические эффекты нитритов/нитратов. Нитраты менее токсичны по сравнению с нитритами (они не окисляют гемоглобин и не образуют метгемоглобина). В организме нитраты могут образовываться из аммония, под влиянием бактерий нитраты превращаются в нитриты. Токсические воздействия нитратов/нитритов достаточно полно изучены на различных видах животных, включая гидробионтов, и на человеке. Смертельная доза нитратов для людей составляет 8—15 г, а нитритов существенно ниже — 0,18 г для детей и стариков, и 2,5 г — для взрослых.

Особо следует сказать о нитрозаминах. Низшие нитрозамины — диэтили диметилнитрозамины (НДЭА и НДМА) впервые были синтезированы во второй половине XIX в. Нитрозосоединения широко применяются в промышленности в качестве компонента ракетного топлива, антиоксидантов, являются промежуточными продуктами синтеза красителей, лекарственных препаратов и т. д. Нитрозосоединения входят также в состав противокоррозийных препаратов, применяются как пестициды и противоопухолевые агенты. Исключительно важной особенностью нитрозаминов является возможность их образования из химических предшественников в объектах окружающей среды, в продуктах питания и даже в организме. Подобными предшественниками образования нитрозаминов служат первичные алифатические монои полиамины, вторичные и третичные амины, четвертичные аммониевые соли и другие азотсодержащие органические вещества, которые взаимодействуют с оксидами азота, азотной кислотой, нитратами и нитритами. Нитрозосоединения обнаружены в воздухе рабочей зоны тех предприятий, где они применяются, в водоемах, загрязненных стоками подобных производств, а также в воздушной среде заводов минеральных удобрений (до 40 мкг/куб.м), дубильных цехах кожевенных фабрик (40—50 мкг/куб.м), литейных производств, предприятий резиновой промышленности, животноводческих комплексов и рыбокомбинатов (до 10 и более мкг/куб.м). Нитрозамины также обнаруживаются в органических растворителях, синтетических поверхностно-активных веществах (СПАВ), готовых резиновых изделиях; их находят в разнообразных пищевых продуктах. Например (данные по СССР), в яблоках НДМА обнаруживается в количестве 0,8 мкг/кг, в свекле — 1,5 мкг/кг; содержание НДМА в вареных колбасах — 1,9—13 мкг/кг, копченых колбасах— 2,9—5,4 мкг/кг, мясных консервах— 0,6—2,7 мкг/кг, рыбных консервах — 2,0—17 мкг/кг. Нитрозамины также найдены в табачном дыму. О токсичности нитрозаминов для человека известно еще с 1937 года. Эти агенты обладают широким спектром биологических эффектов, однако главным и, очевидно, наиболее опасным их свойством, является способность вызывать опухоли.

Полициклические ароматические углеводороды. Известно огромное количество полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Соединения этой группы встречаются практически во всех сферах окружающей человека среды. Индикаторное значение для всех ПАУ имеет бензо (а)-пирен (БП). БП всегда находят там, где присутствуют другие ПАУ; по сравнению с другими ПАУ именно БП обладает наибольшей относительной стабильностью в объектах окружающей среды. БП отличается наиболее выраженной биологической, в частности, канцерогенной активностью; существующие физико-химические методы индикации БП в различных средах являются наиболее чувствительными среди методов определения ПАУ.

БП идентифицирован в табачном дыму (20—40 м кг/сигарету), дыму марихуаны (29 нг/сигарету), городском воздухе (0,05—74 нг/куб.м), выхлопных газах бензиновых двигателей (50—81 мкг/л топлива), выхлопах дизельных двигателей (2—170 мкг/кг экстракта), отработанных машинных маслах (5,2—35,1 мг/кг), загрязнениях водоемов (0,2—13 000 нг/л), чае (3,9—21,3 мкг/кг), кулинарных продуктах и т. п. БП и другие ПАУ включаются в биосферный круговорот веществ, они переходят из одной среды в другую (например, из воздуха в почву, из почвы в растения, из последних в корма для животных и, наконец, попадают в пищу человека), подвергаются различным превращениям, в том числе и деструкции (например, под влиянием фотоокислителей или почвенных микроорганизмов). Эти процессы транслокации и трансформации происходят и в атмосфере, и в гидросфере, и в литосфере. Во всех этих средах ПАУ практически не существуют в молекулярно-дисперсном состоянии, они, как правило, связаны с другими загрязнителями (в воздухе с твердыми частицами атмосферной пыли, в воде с различными поверхностными компонентами). В воздушной среде (а здесь наибольший интерес представляют приземные слои атмосферы, содержащие большую часть загрязнений) распространение ПАУ определяется дисперсностью частиц, на которых они сорбированы, удаленностью источника выброса от поверхности земли и такими климатическими факторами, как ветер, влажность, температура, атмосферные осадки. Мелкодисперсная пыль остается в верхних слоях атмосферы, в то время как частицы средней дисперсности (1—10 мкм) длительно существуют в зоне дыхания человека, животных и растительных организмов. Более крупные частицы, размерами свыше 10 мкм, вследствие седиментации и с осадками выпадают из воздуха и переходят в почву, растения, воду. БП может синтезироваться растениями, поступать в подземные органы из почвы и в надземные части растений из атмосферы. Отмечено, что в индустриальных районах содержание в растениях БП существенно выше, чем у тех же видов, собранных в «чистых» районах и превышает фоновый уровень. Более того, установлено, что лекарственные растения, произрастающие в непосредственной близости от оживленных автомагистралей, содержат повышенное количество БП. Загрязнение пищевых растений БП в большей степени зависит от техногенных факторов (промышленных выбросов) и от степени удаления от источника выбросов. Биологические эффекты БП широко исследовались на различных организмах. Установлено, что ПАУ обладают способностью усиливать рост и размножение ряда растений. По оценке экспертов МАИР прямые эпидемиологические доказательства о канцерогенности ПАУ для человека отсутствуют и индикаторное вещество этого класса соединений — БП отнесено к группе 2А, т. е. к категории потенциально опасных. Вместе с тем отечественные специалисты относят БП к группе 1 — безусловным канцерогенам для людей. В настоящий момент, очевидно, следует постулировать, что опухоли у человека вызывают лишь воздействия комплекса ПАУ. Это — каменноугольные пеки и каменноугольные смолы, сланцевые и минеральные масла, а также сажи. Кроме этих факторов в разряд канцерогенов группы 1 включены также производственные процессы и отрасли промышленности, где определенные группы рабочих подвергаются экспозиции к ПАУ, происходящих из продуктов переработки угля или нефти (производство кокса, чугуна и стали, алюминия, газификация угля). К настоящему времени в атмосферном воздухе идентифицировано более 130 ПАУ, способных в эксперименте на животных вызвать опухоли. ПАУ следует относить к наиболее значимым экологически опасным факторам.

2. Эколого-аналитический контроль (ЭАК) как основа химического мониторинга Первым шагом в предотвращении загрязнения окружающей среды, обеспечении безопасности жизнедеятельности человека является контроль содержания загрязняющих веществ (загрязнителей) в объектах окружающей среды — в воздухе, почве, воде, продуктах питания. Одна из особенностей ситуации на сегодняшний день заключается в том, что изменения в окружающей среде, возникающие при химическом загрязнении, опережают темпы развития методов контроля и прогнозирования ее состояния. Необходим качественно новый подход к описанию состояния окружающей среды как динамической химико-биологической системы. Необходимы данные о том, как ведут себя, какие испытывают превращения, к каким последствиям приводят те или иные химические вещества, попадающие в биосферу. При этом традиционные методы химического и биологического анализов служат основой для количественной оценки состояния и динамических характеристик природных экосистем.

Кроме того, необходимо иметь в виду, что в основе процессов жизнедеятельности, как и в основе изменения химического состава окружающей среды, лежат химические взаимодействия (реакции), представляющий собой превращение исходных веществ в продукты трансформации. Любой химико-биологический процесс представляет собой совокупность химических актов, определяющих механизмы процессов. Соответственно для описания и управления динамически равновесным состоянием экосистем в условиях возрастающих масштабов человеческой деятельности необходимо знание химических механизмов взаимодействия между человеком, средой обитания и отдельными экологическими подсистемами.

Химическая экология — наука о химических взаимодействиях между живыми организмами или между живой и неживой природой (Барбье). Экологическая химия — наука о качественном и количественном составе химических загрязнений и их превращениях в окружающей среде.

Состояние биосферы, меняющееся под влиянием естественных причин, как правило, вскоре возвращается к исходному. Перепады температуры и давления, сезонное изменение биомассы растений и животных — это естественные вариации в состоянии биосферы, тогда как средние ее характеристики (климат, круговорот воды и других веществ, глобальная продуктивность живой природы и т. д.) могут заметно измениться лишь за тысячи и миллионы лет. В противоположность этому перемены в биосфере, вызываемые деятельностью человека (антропогенные изменения), идут чрезвычайно быстро.

Изменения в природе контролируют и изучают многочисленные службы: гидрометеорологическая, сейсмическая, ионосферная, магнитометрическая и др. Но они не ставят своей основной целью выделение антропогенных сдвигов в природе на фоне естественных изменений. Поэтому и появилась потребность в специальных наблюдениях за изменениями в окружающей среде, вызванных деятельностью человека.

Мониторинг — наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды в связи с хозяйственной деятельностью человека. В системе мониторинга различают три уровня: санитарно-токсикологический, экологический и биосферный мониторинг. В настоящее время более или менее развита система санитарно-токсикологического мониторинга.

Санитарно-токсикологический (химический) мониторинг — наблюдение за состоянием окружающей среды, степенью загрязнения природных объектов вредными веществами, за влиянием этих загрязнений на человека, животный и растительный мир, за наличием в окружающей среде аллергенов, патогенных микроорганизмов, пыли т.д., за содержанием в атмосфере оксидов азота и серы, СО, тяжелых металлов, за качеством водных объектов, степенью их загрязнения органическими веществами, нефтепродуктами и минеральными солями.

Экологический мониторинг — наблюдение за изменениями в экологических системах (биогеоценозы), природных комплексах, за их продуктивностью, а также динамикой запасов полезных ископаемых, водных, земельных и растительных ресурсов. Задача экологического мониторинга — обнаружение в экосистемах изменений антропогенного характера (на фоне естественных флуктуаций).

Биосферный мониторинг — наблюдения за глобально-фоновыми изменениями в природе: степенью радиации; наличием в атмосфере СО2, О3; ее запыленностью; циркуляцией тепла; газовым обменом между океаном и воздушной оболочкой земли; мировой миграцией птиц, животных, растений и насекомых; погодно-климатическими изменениями на планете.

В основе мониторинга лежит система определения концентраций загрязняющих веществ в объектах окружающей среды — система эколого-аналитического контроля (ЭАК).

Индустриализация и урбанизация, особенно технологический прогресс и развитие агрохимического комплекса, и, как следствие, объективный процесс «химизации» среды обитания человека инициировали повышение значимости эколого-аналитического контроля. Расширились не только номенклатуры объектов и круг определяемых в них компонентов. Резко увеличилось число микрои макрокомпонентов, одновременно присутствующих в анализируемых пробах. В такой ситуации узкопрофильные методы и приборы, предназначенные для качественного и количественного анализа только отдельных конкретных веществ, часто не обеспечивают требуемое качество результатов химического анализа вследствие их неселективности. Поэтому на передний план стали выходить многоцелевые методы и аналитические комплексы, позволяющие достоверно определять контролируемые вещества в многокомпонентных пробах. Современным аналитическим задачам присуща ярко выраженная тенденция к снижению требуемых пределов обнаружения. Такая тенденция проявляется в эколого-аналитическом контроле содержания супертоксикантов, таких как 2,3−7,8-диоксин, 3,4-бензпирен, нитрозоамина, некоторых видов пестицидов и др. В качестве обязательного элемента эколого-аналитического комплекса, помимо пробоотборных устройств и развитой системы пробоподготовки, выступает система предварительного концентрирования определяемых компонентов, позволяющая выделять микрокомпоненты из образцов разнообразного состава.

3. Классификация методов экологических исследований Главный объект исследований в экологии — биосфера, на втором месте — исследование хим. соединений в окружающей среде.

В проведении экологических исследований следует учитывать категории: пространства, времени, химическую организацию вещества, методов научных исследований.

1. Пространство — локальный уровень — 1 м, 100 км;

региональный — 100;

глобальный — континент.

Большинство исследований поведения химических элементов и их соединений приурочено к конкретным территориям, их площади, объему, т. е. речь может идти о качественной оценке пространственной миграции их.

2. Время — химические элементы и их соединения перемещаются под воздействием разных причин и с разной скоростью.

3. Методы научных исследований: проведение серии или нескольких серий приближений, каждый из которых дает полную картину окружающего мира по сравнению с предыдущим.

Методы экологических исследований включают:

а) сбор информации, где могут быть количественные данные, полуколичественные данные, экспериментальные данные и оценочные данные.

б) полевые практические исследования имеют 4 уровня:

описательный — сбор информации без статистики;

статистический — сбор информации на статической основе;

системный информация с использованием системного анализа;

системного моделирования — сбор информации с применением имитационных моделей.

4. Химическая организация вещества:

Уровни:

а) изотопный;

б) атомный;

в) уровень простых ионов;

г) сложных комплексных ионов;

д) органические вещества;

ж) устойчивые химические соединения;

з) парциального содержания.

Особую значимость при выполнении природоохранных мер приобретает контроль объектов окружающей среды.

Методы экологического анализа включают в себя биологические, биохимические и химические методы.

Состав вещества и материалов имеют качественную и количественную характеристику.

Качественный состав указывает на наличие в веществе определенных элементов, функциональных групп, а также индивидуальных химических соединений в смеси. Количественный состав определяет количество отдельный частей в веществе или отдельных веществ в каком либо материале.

Структурой называют порядок расположения атомов и их химической связи в молекуле вещества. Химическая система учитывает наличие химической связи между молекулами и ионами веществ.

Например: вода состоит из водорода и кислорода (качественный состав) в количествах 11,1 и 89,9% соответственно (количественный состав), молекулы воды имеют строение и связаны между собой в кластерные группы водородной связью (системная характеристика) химический загрязнение природный мониторинг Определение количественного и качественного состава веществ, их структуры и системной взаимосвязи проводит методами химического анализа.

Для проведения химического анализа необходимо, чтобы вещество или его составные части обладали химическими или физическими свойствами, называемыми аналитическими свойствами, позволяющими обнаружить, измерить количество и установить структуру и системные взаимоотношения веществ.

Аналитическими свойствами веществ могут быть: цвет, запах, способность образовывать цветные соединения, осадки, газы при взаимодействии с определенными химическими реагентами.

Химический анализ в зависимости от решаемых аналитических задач разделяют на качественный, количественный, структурный и системный.

Качественный анализ предназначен для качественного обнаружения веществ, элементов (ионов), функциональных групп, а также включает задачи идентификации веществ — установление их аналогии с определенным эталоном (стандартом).

Количественным анализом устанавливают количество элемента.

Структурный анализ предназначен для исследования структуры веществ.

Системный анализ используется при изучении сложных химических систем и включает исследование взаимодействий молекул и атомов различных веществ. Например, структура льда была установлена специальными физическими методами анализа — инфракрасной и ядерной магнитно-резонансной спектроскопией.

Вещества анализируют с помощью различных методов. Применяют химические, инструментальные и биологические методы анализа.

Химические методы — основаны на использовании химических реакций, эффект наблюдается визуально.

В инструментальных методах применяют аналитические приборы и аппараты, регистрирующие физические свойства веществ или изменение свойств.

Инструментальные методы делятся на две группы. Физические и физико-химические. Физическими методами измеряют физические свойства вещества — вращение плоскости поляризации, преломление светового луча в растворе, оптические спектры веществ.

При использовании физических методов химическая реакция не проводится.

В физико-химических методах анализа наблюдаю изменение свойств, происходящие в ходе химической реакции. чаще всего физико-химические методы анализа применяют для фиксирования окончания аналитической химической реакции, которое определяют по изменениям оптических, электрохимических или других свойств среды.

Биологические методы применяют в анализе биологически-активных веществ.

Существует классификация методов анализа по величине навески анализируемого вещества. Например, грамм-метод анализирует навески более 1 ч и объем растворов более 100 см³, санти-грамм-методом-навески 1−0,01 г и объемы растворов 1−10 см³, милиграмм-методом-навески 0,01−0,001 г и объемы растворов 0,01−1 см³.

Если в грамм методе применяют обычные химические пробирки, стаканы и колбы, то например при проведении, анализа микрограмм-методом реакции проводят под микроскопом.

По типу химических реакций, используемых в анализе, различают кислотно-основные, комплексообразовательные, окислительно-восстановитель-ные и осадительные методы анализа.

Химические реактивы

Химическими реактивами называют вещества, которые используют для проведения химических реакций и применяют для анализа и синтеза веществ. Они должны отвечать ряду требований. Главными из них являются чистота, чувствительность и специфичность.

Химические реактивы классифицируют по степени чистоты на технические (Т), чистые (Ч) — до 2% примесей, чистые для анализа (ч.д.а.) — до 1% примесей, высоко-эталонно-чистые (в.э.ч.) и особо чистые (о.с.ч.). Последние две группы реактивов характеризуются высо4укой чистотой — 0,01−0,0001% примесей (10−2 — 10−5%).

Обычно в практике химического анализа используют реактивы, отвечающие классификации ч.д.а. и х.ч.

По области применения реактивы разделяют на индикаторы (инд), красители для микроскопии (кдм), для хроматографии (дхр), для фотографии (фото) и т. д. Характер примесей необходимо учитывать при проведении анализа, т.к. отдельные из них могут повлиять ан его результаты.

Большинство реактивов названо по химической номенклатуре, но некоторые из них называют по имени авторов — реактив Чугуева, Неслера и т. д.

Принцип аналитических определений [2]

Все количественные аналитические определения основаны на функциональной зависимости аналитических свойств определенных веществ, от их структуры и концентрации, а также на эквивалентности взаимодействии веществ в химической реакции.

Можно выделить три основных принципа количественных определений.

Измерение физических свойств веществ, или продуктов их химических реакций. Из физических свойств используют плотность, цвет, электрическую проводимость растворов веществ и др. Интенсивность физического свойства (например, интенсивность окраски раствора) пропорциональна количеству (концентрации) вещества. Измеряя интенсивность свойства можно провести количественное определение вещества.

Измерение продукта химической реакции вещества с каким-либо реагентом (по массе осадка, объему газа). Используя закон эквивалентов, по количеству продуктов реакции можно рассчитывать количество (концентрацию или массу) определяемого вещества.

Измерение объема реагентов (газа или раствора реактива) израсходованного на химическое взаимодействие с определенным веществом.

При этом, например, реагент — раствор реактива — добавляют небольшими порциями и устанавливают точку эквивалентности химической реакции. Зная концентрацию и объем реагента, по закону эквивалентов рассчитывают количество (концентрацию или массу) определяемого вещества.

Методы количественного анализа Основные понятия Различают химические и инструментальные методы количественного анализа.

В химических методах проводят химическую реакцию и измеряют либо массу полученного продукта — гравиметрические методы, либо объем реагента, израсходованный на взаимодействие с веществом, — волюмометрические методы.

Гравиметрические методы по способу получения продукта реакции делят на: химиогравиметрические — измерение массы продукта химической реакции; электрогравиметрические — измерение массы продукта электрохимической реакции и термогрвиметрические — измерение массы образца при термическом воздействии.

Основная операция гравиметрического анализа — взвешивание на аналитических весах.

Волюмометрические методы в зависимости от характера вещества делят на газоволюмометрическиеизмерения объема газа или ликвидоволюмометрические или титриметические — измерение объема жидкого реагента израсходованного на взаимодействие с веществом. Термин «титриметические» получил название от слова титр, обозначающий концентрацию вещества в граммах в 1 см³ раствора. Растворы реактивов (жидкие реактивы) с точной концентрацией, используемые в титрометрическом анализе, называют титрантами. (вторичными стандартами или рабочими растворами). Определение точки эквивалетности в титрометрическом анализе проводят титрованием — постепенным добавление титранта к раствору определяемого вещества. При этом точку эквивалентности фиксируют с помощью индикаторов химического или инструментального типа. Химические индикаторы изменяют свой цвет в зависимости от рН, окислительно-восстановительного потенциала, при появлении в растворе избытка реагента или исчезновении определяемого вещества. Это служит сигналом о наступлении эквивалентности реакции и окончании титрования.

В качестве инструментальных индикаторов используют приборы, фиксирующие рН, окислительно-восстановительный потенциал, электрическую проводимость раствора или другие свойства среды. Методы, в которых используют инструментальные индикаторы, называют инструментальным или физико-химическим титрованием и относят к группе инструментальных методов анализа.

Методы титрометрического анализа основаны на реакции кислотно-основного осаждения, окисления-восстановления комплексообразования. В соответствии с применяемой реакцией их называют кислотно-основным, осадительным, окслительно-восстановительным и комплекссиметрическим титрование. В свою очередь их подразделяют по применяемым реагентам на ацидиметрические, перманганаметрические, иодометрическое титрование и т. д. Титрование можно выполнять различным путем. Различают прямое, обратное и заместительное титрование.

При прямом титровании к раствору определяемого вещества добавляют небольшими порциями титрант (рабочий раствор). Иногда используют реверсивное титрование — титрование раствором определяемого вещества точного объема титранта.

При обратном титровании используют два титранта. Сначала к анализируемому раствору добавляют избыток титранта I. непрореагировавший титрант I оттитровывают другим титрантом II. Количество израсходованного на взаимодействие с веществом титранта I определяют по разнице между добавленными и оттитрованным его объемом.

Например, NaC? в растворе можно определить прямым титрованием раствором AgNO3. NaC? также можно определить обратным титрованием, добавив к его раствору избыток титранта I — раствора AgNO3 и оттитровав непрореагировавшую часть AgNO3 титрантом II — раствором NH4SСN. Количество израсходованного на взаимодействие с NaC? раствора нитрата серебра V определяют по разнице между добавленным его объемом V1 и объемом V2 оттитрованным раствором NH4SСN: V = V1 — V2.

Заместительное титрование применяют в тех случаях, когда прямое или обратное титрование вещества невозможно или вызывает затруднение.

К веществу добавляют, какой-либо реагент, при взаимодействии с которым количественно выделяется продукт реакции. Его титруют подходящим титром. Например, К2Сr2О7 определяют путем добавлением KJ и Н2SO4, выделившийся в результате реакции окисления-восстановления J2 титруют раствором Na2S2O3.

Инструментальные методы количественного анализа делят на физические — определения веществ по их физическим свойствам и физико-химические — проведение химической реакции с веществами и их определение либо по физическим свойствам продукта реакции, либо с помощью физической индикации точки эквивалентности реакции.

1. Акимова Т. В. Экология. Человек-Экономика-Биота-Среда: Учебник для студентов вузов / Т. А. Акимова, В. В. Хаскин; 2-е изд., перераб. и дополн. — М.: ЮНИТИ, 2009. — 556 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

2. Акимова Т. В. Экология. Природа-Человек-Техника: Учебник для студентов техн. направл. и специал. Вузов / Т. А. Акимова, А. П. Кузьмин, В. В. Хаскин.- Под общ. ред. А. П. Кузьмина; Лауреат Всеросс. конкурса по созд. новых учебников по общим естественнонауч. дисципл. для студ. вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. — 343 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

3. Бродский А. К. Общая экология: Учебник для студентов вузов. М.: Изд. Центр «Академия», 2006. — 256 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для бакалавров, магистров и студентов вузов.

4. Воронков Н. А. Экология: общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов вузов. М.: Агар, 2006. — 424 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

5. Коробкин В. И. Экология: Учебник для студентов вузов/ В. И. Коробкин, Л. В. Передельский. -6-е изд., доп. И перераб. — Ростон н/Д: Феникс, 2007. 575 с. Лауреат Всеросс. конкурса по созд. новых учебников по общим естественнонауч. дисципл. для студ. вузов. Рекомендовано Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

6. Николайкин Н. И., Николайкина Н. Е., Мелехова О. П. Экорлогия. 2-е изд. Учебник для вузов. М.: Дрофа, 2008. — 624 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов технич. вузов.

7. Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология: Уч. пособие для стут. химико-технол. и техн. сп. вузов./ Под ред. В. А. Соловьева, Ю. А. Кротова.- 4-е изд., испр. — СПб.: Химия, 2007. -238с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

8. Одум Ю. Экология т.т. 1, 2. Мир, 2006.

9. Чернова Н. М. Общая экология: Учебник для студентов педагогических вузов / Н. М. Чернова, А. М. Былова. — М.: Дрофа, 2008. — 416 с. Допущено Минобр. РФ в качестве учебника для студентов высших педагогических учебных заведений.

10. Экология: Учебник для студентов высш. и сред. учеб. заведений, обуч. по техн. спец. и направлениям / Л. И. Цветкова, М. И. Алексеев, Ф. В. Карамзинов и др.; под общ. ред. Л. И. Цветковой. М.: АСБВ; СПб.: Химиздат, 2007. — 550с.

11. Экология. Под ред. проф. В. В. Денисова. Ростов-н/Д.: ИКЦ «МарТ», 2006. — 768 с.