CC BY
1260
ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Х.Г. Омарова, доцент, к.б.н., доцент, Н.Б. Бутаева, доцент, к.б.н., доцент, Дагестанский государственный университет, г. Махачкала,
Республика Дагестан
Проблема экологической безопасности - одна из острейших и актуальных проблем всего человечества. Интенсивными темпами идет истощение природных ресурсов: сокращаются запасы нефти и природного газа, вырубаются леса, исчезают многие виды растений и животных. Массовое применение удобрений и ядохимикатов при выращивании пищевых культур, выбросы токсичных элементов от промышленных предприятий и автотранспорта, повреждения нефтепроводов, загрязнение радионуклидами -все эти факторы способствуют ухудшению экологического состояния окружающей среды, в частности почвенного покрова и водоемов. Это в свою очередь, может оказать негативное воздействие на здоровье человека (растет число заболеваний, вызванных неблагоприятной экологической обстановкой), отрицательно отразиться на качестве и количестве получаемого урожая.
Целью статьи является раскрытие понятия химического контроля за состоянием окружающей среды.
Для реализации этой цели в статье решаются следующие задачи:
1. рассмотреть понятие мониторинга окружающей среды;
2. изучить методы химического контроля состояния окружающей среды.
В ХХ-ХХ1 вв. давление на природу со стороны человеческого общества
резко возросло. Так, за последние 30 лет в мире было использовано столько природных ресурсов, сколько за всю предшествующую историю человечества. В связи с этим возникла угроза истощения и даже исчерпания некоторых видов ресурсов. Это, прежде всего, относится к минерально-сырьевым, водным и другим видам ресурсов. Одновременно возросли масштабы возвращения в природу отходов, что вызвало угрозу загрязнения окружающей среды. По данным ученых, на сегодняшний день на каждого жителя планеты приходится (условно) 200 кг отходов. В наши дни антропогенные ландшафты уже занимают 60 % земной суши.
Одним из наиболее распространенных и опасных загрязнителей окружающей среды является кадмий, который убивает половые клетки человеческих эмбрионов. Кадмий распространился в окружающей среде настолько, что он присутствует практически во всем, что мы едим и пьем.
7 миллиардов килограммов мусора, в основном пластика, выбрасывается в мировой океан ежегодно.
Во всем мире каждый год умирает около 15 миллионов детей из-за болезней, которыми они заражаются после употребления питьевой воды.
Основными видами загрязнения являются:
- химическое (попадание в окружающую среду химических веществ и соединений);
- радиоактивное (заражение окружающей среды радиоактивными элементами);
- тепловое (выброс тепла);
- шумовое (повышенный уровень шума);
- биологическое (попадание в окружающую среду болезнетворных микроорганизмов).
Загрязнение почвенного покрова может происходить в результате безграмотного ведения сельского хозяйства, нарушения земель, в процессе строительства и горных выработок, попадания в неё ядохимикатов и соединений тяжелых металлов. В результате возникают малопродуктивные и не продуктивные земли, так называемые «бедленд» (дурные земли).
Загрязнение гидросферы происходит, прежде всего, в результате сброса в
-5
реки и моря сточных вод. Их общий объем достигает 1 тыс. км в год.
Наиболее загрязнены такие реки как: Рейн, Сена, Дунай, Тибр, Миссисипи, Волга, Днепр, Нил, Ганг. Растет загрязнение Мирового океана, в который попадает до 100 млн. тонн отходов, особенно страдает океан от нефтяного загрязнения. По некоторым подсчетам ежегодно в океан попадает от 4 до 16 млн. тонн нефти. Наиболее загрязнены Средиземное, Северное, Балтийское, Черное, Японское и Карибское моря [1].
Атмосфера загрязняется, прежде всего, в результате сгорания минерального топлива. Главные загрязнители атмосферы - окислы углерода, серы, азота. С выбросами сернистого газа в атмосферу связанно образование кислотных дождей, которые наносят большой вред растительному и животному миру, разрушают сооружения, отрицательно сказываются на здоровье людей.
В настоящее время загрязнение окружающей среды достигло такого размера, что необходимо принимать срочные меры. Необходимо строительство очистных сооружений, применение малосернистого топлива, переработка мусора, рекультивация земель, применение «чистых» технологий и оборотных систем водоснабжения.
Для предотвращения экологической катастрофы необходимы жесткие меры контроля хозяйственной деятельности человека. Этим целям служит экологическая экспертиза любых проектов, способных нанести вред природе, и постоянный мониторинг объектов окружающей среды.
Понятие мониторинга окружающей среды впервые было введено профессором Р. Манном на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972 году и в настоящее время получило международное распространение и признание.
В России разработка и выполнение программ экологического мониторинга природной среды возложены на Единую государственную систему экологического мониторинга (ЕГСЭМ), созданную в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации в 1993 году. В ЕГСЭМ применяется территориально-ведомственный принцип построения системы,
предусматривается максимальное использование возможностей уже существующих государственных и ведомственных систем мониторинга биосферы, антропогенных воздействий, состояния био- и экосистем. В марте 2004 года постановлением Правительства Российской Федерации утверждено положение «Об организации и осуществлении государственного мониторинга окружающей среды (государственного экологического мониторинга)» (от 31 марта 2003 г. № 177). Согласно этому положению под государственным экологическим мониторингом понимается комплексная система наблюдения за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.
С января по сентябрь 2015 года службами мониторинга природной среды Росгидромета зафиксировано 22 случая экстремально высокого и высокого загрязнения атмосферного воздуха (10 ПДК и более). Кроме того, зафиксировано 9 случаев аварийного загрязнения.
Контроль за состоянием окружающей среды требует анализа воды, почвы, грунта и т.д. на содержание в них тяжелых металлов и токсичных элементов. Анализ почвы и воды позволяет оценить общее экологическое состояние и безопасность обследуемой территории, узнать химический состав, качество и пригодность территории для осуществления сельскохозяйственной деятельности или строительства жилого комплекса. Ряд тяжелых металлов и токсичных элементов, таких как ртуть, свинец, мышьяк, кадмий, обладают высокой кумулятивной способностью в организме животных и человека. Поэтому в результате загрязнения этими металлами воды, почвы и растений, наибольшей опасности подвергаются именно конечные звенья пищевой цепи, в том числе человек.
Прогресс химического материаловедения и химической технологии невозможен без надежной химической диагностики и аналитики. Это бурно развивающееся направление (включающее химическую сенсорику и химию запаха) с огромными техническими выходами во все области от систем техногенного контроля до медицины и экологии.
Целью аналитической химии становится определение концентрации загрязняющих веществ в различных природных объектах. Ими являются природные и сточные воды различного состава, донные отложения, атмосферные осадки, воздух, почвы, биологические объекты [3].
Многокомпонентность объектов окружающей среды предопределяет большие сложности в качественном обнаружении и количественном определении загрязняющих веществ. При определении основных компонентов атмосферного воздуха - кислорода, диоксида углерода, озона - требуется высокая точность. Ключевая роль принадлежит химическим, физическим и физико-химическим методам аналитической химии. В связи с чрезвычайно большим количеством выполняемых анализов все большее значение приобретают автоматические и дистанционные методы анализа.
Примером является аналитическая химия природных и сточных вод.
Глубоким содержанием наполнен перечень обобщенных показателей при мониторинге вод, характеризующих их общую загрязненность. Ими являются химическое потребление кислорода (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК), общий органический углерод, растворенный органический углерод, общий азот, адсорбирующиеся органические галогениды, экстрагирующиеся органические галогениды [4].
Для определения содержания химических элементов в объектах окружающей среды используются различные методы анализа. Атомно-абсорбционный с электротермической атомизацией обладает высокой чувствительностью, однако требует достаточно много времени при анализе большого количества элементов. Атомно-эмиссионный с индуктивно-связанной плазмой гораздо менее времязатратный, однако уступает в чувствительности атомно абсорбционному с электротермической атомизацией. Универсальным, быстрым и высокочувствительным является масс-спектрометрический метод с индуктивно-связанной плазмой. Появление на рынке относительно недорогих квадрупольных масс-спектрометров оснащенных колизийно-реакционными ячейками сделало данный метод анализа наиболее популярным в последнее время [5].
Специфика объектов окружающей среды как объектов химического анализа заставляет подчеркнуть их изменяющийся состав, многокомпонентность и многофазность. Известным примером может быть ключевая роль оксидов азота в образовании фотохимического смога, усиливающегося под влиянием озона и углеводородов [6]. Множество протекающих в природной среде химических, биохимических и биогеохимических процессов предопределяет чрезвычайную сложность химико-аналитических исследований. Это необходимо учитывать при анализе жидких сред: растворов (они могут быть истинными, коллоидными, насыщенными), суспензий, эмульсий, летучих и нелетучих твердых веществ, газов; при определении различных неорганических и органических веществ, исследовании живого вещества. Принципиально важны пробоотбор, сохранение и консервация проб и пробоподготовка, необходимая для переведения всех компонентов пробы в форму, удобную для проведения анализа. Для этого используют все способы, применяемые в химическом анализе: измельчение твердых образцов, растворение, обработку различными химическими реактивами, нагревание, один из наиболее современных приемов - микроволновое и ультразвуковое облучение - все для полного извлечения определяемых компонентов.
Сложность почв как объекта анализа определяется их гетерогенным и многофазным характером. Минеральная основа, органические и биологические компоненты: гумусовые веществ, почвенные раствор и воздух - вот объекты анализа в этом случае. К ним следует прибавить еще и оказывающие наиболее сильный загрязняющий эффект минеральные удобрения, пестициды и продукты их превращений [7].
При определении следов веществ чувствительности применяемых инструментальных аналитических методов иногда бывает недостаточно. В этом случае применяют различные способы аналитического концентрирования: экстракцию органическими растворителями, не смешивающимися с водой, сорбционное концентрирование, дистилляцию, соосаждение, использование криогенных ловушек. Например, органические загрязнители, как правило, присутствуют в питьевой воде в очень малых количествах. Для выполнения определений их необходимо сконцентрировать. Летучие органические вещества извлекают из вод потоком инертного газа и улавливают твердыми адсорбентами. Далее нагреванием осуществляют их термическую десорбцию и переносят сконцентрированные компоненты из ловушки в газовый хроматограф. Нелетучие органические вещества экстрагируют органическими растворителями. Экстракты анализируют методами высокоэффективной жидкостной хроматографии. Экстракцию веществами, находящимися в сверхкритическом состоянии (например, диоксидом углерода), упрощающую приготовление концентрата, используют при извлечении полициклических ароматических и гетероциклических углеводородов, пестицидов, полихлорированных бифенилов, диоксинов из твердых образцов, например почв.
Для решения задачи определения загрязняющих веществ используют инструментальные методы современной аналитической химии, основанные на измерении различных физических свойств определяемых веществ или продуктов их химических превращений (аналитических реакций) с помощью физических и физико-химических приборов. Результат измерения, несущий химико-аналитическую информацию, часто называют аналитическим сигналом.
Спектроскопические методы анализа основаны на использовании взаимодействия атомов или молекул определяемых веществ с электромагнитным излучением широкого диапазона энергий. Это могут быть (в порядке уменьшения энергии) гамма-кванты, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое и видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволновое излучение. Сигналом может быть испускание или поглощение излучения. Важнейшими для экологического мониторинга, по-видимому, являются нейтронно-активационный, рентгеноспектральный, атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный анализ, спектрофотометрический и флуориметрический методы, инфракрасная спектрометрия.
Ценную информацию в анализе вод предоставляют электрохимические методы анализа: потенциометрия, полярографические и кулонометрические методы.
Исключительно мощное средство контроля загрязнения различных объектов окружающей среды - хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов.
Наибольшее значение приобрели тонкослойная, газожидкостная и высокоэффективная жидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография хороша при определении
пестицидов и других органических соединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна при анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ. Применение различных детекторов, например малоизбирательного детектора по теплопроводности - катарометра и избирательных - пламенно-ионизационного, электронного захвата, атомно-эмиссионного, позволяет достигать высокой чувствительности при определении высокотоксичных соединений.
Высокоэффективную жидкостную хроматографию применяют при анализе смесей многих загрязняющих веществ, прежде всего нелетучих. Используя высокочувствительные детекторы: спектрофотометрические, флуориметрические, электрохимические, можно определять очень малые количества веществ. При анализе смесей сложного состава особенно эффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно с масс-спектрометрией. В последнем случае роль детектора играет подключенный к хроматографу масс-спектрометр. Обычно приборы такого типа оснащены мощным компьютером. Так определяют пестициды, полихлорированные бифенилы, диоксины, нитрозоамины и другие токсичные вещества. Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного составов вод.
Химическая информация о качестве окружающей среды очень важна. Однако даже все аналитические методы не в состоянии охватить функциональное разнообразие загрязняющих веществ. Эта грандиозная и одна из серьезнейших проблем предопределяет высокую требовательность к правильности результатов химико-аналитического исследования природной среды.
Список использованной литературы
1. Федеральная служба государственной статистики [Эл. ресурс]: Окружающая среда URL:http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rosstat /ru/statistics/environment/#
2. География [Эл. ресурс]: Рациональное и нерациональное природопользование. Причины и последствия загрязнения окружающей среды. URL: http://geographyofmssia.com/racionalnoe-i-neracionalnoe-prirodopolzovanie-prichiny-i-posledstviya-zagryazneniya-okruzhayushhej-sredy/
3. Фито инженерия. Исследовательский центр [Эл. ресурс]: Анализ объектов окружающей среды URL: http://www.phytoengineering.ru/studies/ element-analysis/environment-analysis/
4. Богдановский Г.А. Химическая экология. М.: Изд-во МГУ, 1994. -
237 с.
5. Золотов Ю.А. Окружающая среда - вызов аналитической химии // Вестник РАН. 1997. - Т. 67. - 11. - С. 1040-1041.
6. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.
7. Кузнецов В.В. Химические основы экологического мониторинга // Соросовский образовательный журнал, 1999. - № 1. - С. 35-40.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Д.А. Припутнев, студент, И.Н. Мальцев, студент,
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж
В.И. Лукьяненко, доцент, к.т.н., доцент, А.М. Чуйков, начальник кафедры, к.т.н., доцент, Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж
Охрана окружающей среды и рациональное использование ее ресурсов в условиях бурного роста промышленного производства стала одной из актуальнейших проблем современности. Результаты воздействия человека на природу необходимо рассматривать не только в свете развития технического прогресса и роста населения, но и в зависимости от социальных условий, в которых они проявляются. На современном этапе развития общества окружающая среда очень сильно пострадала от деятельности человека. В данной статье мы рассмотрим физико-химические методы контроля над состоянием окружающей среды.
Экологический контроль - это проверка соблюдения предприятиями, организациями, т.е. всеми хозяйствующими субъектами и гражданами экологических требований по охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности общества.
В настоящее время сложились три формы экологического контроля: предупредительная, карательная, информационная.
Предупредительная форма экологического контроля включает в себя разработку и введение в действие нормативов качества окружающей среды и рационального использования природных ресурсов, выдачу разрешений на различные виды природопользования, установление лимитов сбросов и выбросов загрязняющих веществ, лимитов хранения твердых отходов.
Карательная форма экологического контроля применяется в тех случаях, когда последствия правонарушений не позволяют ограничиться только предупреждением. Данная форма выражается в наступлении различных видов юридической ответственности (материальной, административной, уголовной). В качестве карательной формы экологического контроля может применяться пресечение экологически вредных действий.
Объектами экологического контроля являются: состояние окружающей среды, ее отдельных объектов, степень их изменения под влиянием хозяйственного воздействия; выполнение обязательных мер по охране окружающей среды и ее объектов; соблюдение природоохранного законодательства.
