Фактори та параметри навколишнього середовища

 

Методи флуоресцентної спектроскопії використовують збудження та реєстрацію первинної (завдяки природним флуорофорам) або вторинну (завдяки внесеним флуорофорам) флуоресценцію біоаерозолів. Деякі мікроорганізми здатні демонструвати хемі- або біолюмінесценцію. Перевагою методу є висока чутливість, недоліком - не всі біоаерозолі мають флуорофори (речовини, здатні флуоресціювати).

 

Інфрачервона спектроскопія на основі Фур’є перетворювання є перспективним методом ідентифікації великої кількості компонентів біоаерозолів, що беруть участь у формуванні інфрачервоного спектра. Перевагою методу є висока чутливість і точність вимірювань.

 

Методи спектроскопії комбінаційного розсіювання також застосовують для ідентифікації біоаерозолів. Цей тип розсіювання включає втрату або набуття кванта коливальної енергії молекулою. Йдеться про непружене світлове розсіювання, коли фотон, що падає, має енергію значно більшу, ніж енергія, яку коливальний квант втрачає через збудження молекули; залишок енергії розсіюється як фотон зі зменшеною частотою. Перевагою методу є те, що спектральні комбінаційні зсуви специфічні для кожного біоаерозоля; інтенсивність кожної лінії пропорційна концентрації кожного компонента. Недолік - потреба у потужних лазерах як джерелах випромінювання.

 

Хроматографічні методи базуються на розділенні, знаходженні та визначенні речовин завдяки неоднаковості їх поведінки в системі із двох фаз, які не змішуються, - рухомій і нерухомій. Рухомою фазою може бути рідина (розчин суміші речовин, що аналізуються) або газ (суміш газів), нерухомою - тверда речовина або рідина, адсорбована на твердій речовині, яку називають носієм. Під час руху рухомої фази вздовж нерухомої кожна компонента суміші осідає (сорбується) на нерухомій фазі (сорбенті) відповідно до матеріалу сорбенту, затримується і вповільнює свій рух. Через те, що різні компоненти мають різну спорідненість, відбувається просторове розділення цих компонентів - одні компоненти затримуються на початку шляху, інші просуваються далі тощо.

 

Відповідно до способу хроматографування розрізняють колонкову й площинну хроматографію. В першому варіанті розділення відбувається у колонці, в другому - на папері або в тонкому шарі сорбенту. Найпоширенішим носієм є папір, отже, цей метод називають паперовою хроматографією. Одним з перспективних є метод високоефективної рідинної хроматографії, що ґрунтується на прискоренні процесу хроматографування під впливом тиску. Для цього рідинна фаза вводиться насосом.

 

Газова хроматографія передбачає використання інертного газу як рухомої фази та діатоміту (гідратованого силікагелю) як носія; останній розміщують у спіральних або капілярних колонках.

 

Типова хроматограма біоаерозолів свідчить про складність та специфічність їхнього складу. Перевагою методу є висока роздільна здатність; недоліком - складність обладнання.

 

Mac - спектрометричні методи передбачають  розділення іонізованих молекул  і атомів відповідно до їх  мас завдяки дії магнітних і електричних полів на пучки іонів, що летять у вакуумі. Для аналізу вмісту біоаерозолів поєднують процеси піролізу (нагрівання без доступу повітря, що призводить до розкладання речовини), випаровування та іонізації, які мають місце під час взаємодії біоаерозолю з лазерним випромінюванням: один промінь лазера використовується для піролізу та випаровування, другий промінь лазера - для вимірювання розмірів аерозолів, а третій промінь лазера - для іонізації.

 

1. Компоненти ґрунту. Хімічні та фізичні властивості ґрунту.

 

2. Параметри ґрунтів та методи  їх вимірювання.

 

3. Забруднення ґрунту.

 

 

Едафічні фактори середовища включають структуру та склад ґрунтів, сукупність їх фізичних і хімічних властивостей, що справляють екологічний вплив на живі організми.

 

Гідрографічні фактори (фактори водного середовища) - фізичні та хімічні властивості води як середовища мешкання живих організмів.

 

 

1. Компоненти ґрунту. Хімічні та  фізичні властивості ґрунту

 

 

До складу ґрунту входять такі основні компоненти:

 

Неорганічні мінеральні частинки, що складаються з алюмінію, кремнію та інших мінералів, розміри яких коливаються від маленьких частинок глини (0,002 мм) до більших гранул піску, гальки та гравію. Кількість цих частинок та їх структура визначають водоутримуючу здатність ґрунту, доступність до нього повітря й поживних речовин.

 

Органічні залишки. Рештки рослин і тварин переходять через кілька стадій розкладання в стабільну субстанцію - гумус.

 

Вода є необхідним компонентом для активності мікроорганізмів. Кількість води в ґрунті залежить від опадів, структури ґрунту та населеності мікроорганізмами. Вода міститься в порах ґрунту та поглинається поверхнею частинок сухого ґрунту. Різноманітні поживні речовини розчинюються у воді і стають доступними мікроорганізмам.

 

Гази, основними з яких є кисень і азот, а також двоокис вуглецю, заповнюють пори ґрунту, не зайняті водою. В насиченому ґрунті невелика кількість газів може бути розчинена у воді.

 

Біологічні системи включають коріння рослин, дрібних тварин та мікроорганізми. 1 г ґрунту містить 2,5 млн. бактерій, 500 000 грибів, 50 000 водоростей та 30 000 найпростіших.

 

 

Хімічні властивості ґрунту

 

Гумус. Цей хімічний компонент ґрунту – аморфна темно-кольорова субстанція, що походить із залишків рослин (меншою мірою тварин) і є сумішшю фенольних сполук, карбонових кислот та складних ефірів жирних кислот. До складу гумусу входять гумінові й фулвікові кислоти, а також гуміни - нерозчинні залишки цих кислот. Гумінові кислоти - це група високомолекулярних сполук. Фулвікові кислоти відрізняються від гумінових вищим умістом кисню і меншим - вуглецю та азоту. Склад гумусу істотно залежить від місцевих умов, рівня оксидів та температури.

 

Оксиди заліза. Численні сполуки заліза в ґрунті впливають на колір останнього. Наявність і тип оксидів заліза в ґрунті залежать від багатьох чинників - насамперед від режиму вологості, вмісту кремнієвих мінералів, інтенсивності видужування, характеру гумусу та рівня його накопичення.

 

Карбонати й розчинені солі. На забарвлення ґрунту значною мірою впливають світло забарвлені та білі субстанції, до складу яких входять карбонати, кварц, каолініт і деякі розчинені солі. Крім того, до цієї групи компонентів можна віднести мінерали: польовий шпат, кальцит, кристали гіпсу та світло забарвлені сполуки алюмінію.

 

Фізичні властивості ґрунту

 

Фізичні властивості ґрунту визначаються текстурою, структурою, об’ємною густиною, поруватістю, аерацією, кольором, вологістю та температурою.

 

2. Параметри ґрунтів та методи їх вимірювання

 

 

2.1. Механічні параметри

 

Текстуру ґрунту характеризують відносні пропорції піску, мулу й глини. Залежно від вмісту цих компонентів розрізняють 12 текстурних класів ґрунту. Згідно з класифікацією, запропонованою Міжнародним товариством з вивчення ґрунтів, текстурні компоненти ґрунту класифікують відповідно до розмірів частинок: глина - до 0,002 мм; мул - 0,002...0,02 мм; дрібний пісок - 0,02...0,2 мм; крупний пісок - 0,2...2,0 мм; гравій - більше за 2,0 мм. Частинки, менші за 1 мкм, називають колоїдними. До параметрів, пов’язаних з текстурою, відносять площу поверхні ґрунтової частинки. Дрібні частинки ґрунту мають більшу поверхню на одиницю площі або одиницю об’єму.

 

Структуру ґрунту визначають за розмірами, формою і упаковкою агрегатів та порожнин між ними. Агрегати - первинні ґрунтові частинки, здатні зв’язуватися одна з одною міцніше, ніж з іншими частинками. Системи ідентифікації ґрунтової структури передбачають врахування форми й упаковки (тип), розмірів (клас) та виразності (ранг) частинок ґрунту й пор.

 

Типи структурних одиниць (визначають за чотирма можливими формами частинок і пор між ними): пластинчасті, якщо агрегати формують відносно тонкі горизонтальні пластини, листки або лінзи; призматичні, коли агрегати вишиковуються у вертикально орієнтовані призми або колони; блочні, що характеризуються наявністю блоків розміром 1...10 см, звичайно з шістьма гранями та гострими кутами; сферичні, що утворюються сферичними гранулами або крихітками ґрунту.

 

Класи структурних одиниць передбачають поділ ґрунтових одиниць за розмірами: дуже дрібні, дрібні, помірні, великі, дуже великі.

 

Ранги структурних одиниць продовжують класифікацію частинок за розмірами і підкреслюють, як чітко відрізняються частинки в непорушеному фунті; тут слід розрізняти сильні, помірні та слабкі категорії.

 

Густина твердої речовини - це відношення маси твердої речовини ґрунту Мг до її об’єму Vг:

 

           р =М / V .        (12.1)

 

Для більшості ґрунтів середня об'ємна густина – 2600...2700 кг/м3. На рівень цього параметру впливає відносний вміст таких компонентів як оксиди заліза (2900 кг/м3 ), кварц (2660 кг/м3), глинисті мінерали (2650 кг/м3), органічна речовина (1300 кг/м3), вода (1000 кг/м3) й повітря (1,2 ∙ 10-3 кг/м3).

 

З урахуванням присутніх у ґрунті пор та води розрізняють ще такі параметри:

 

Оскільки близько 50% ґрунту припадає на пори, об’ємна густина сухого ґрунту становить близько 1300...1350 кг/м3.

 

Загальна об’ємна густина ґрунту дорівнює відношенню загальної маси вологого ґрунту до його об’єму.

 

Пористість ґрунту дорівнює відношенню сумарного об’єму всіх пор та проміжків між структурними агрегатами до загального об’єму ґрунту. Цей параметр характеризує той простір Vn між частинками ґрунту, який займають повітря F або вода К, і залежить від розмірів, форми та кількості окремих пор.

 

За розмірами пори ділять на чотири класи: дуже дрібні (<0,5 мм), дрібні (0,5...2 мм), середні (2...5 мм) та великі (>5 мм).

 

Кількість пор, що припадає на одиницю площі (1 см2), класифікують таким чином: мала (< 1); звичайна (1...5) та велика (> 5).

 

Форма пор може бути сферичною, еліптичною або циліндричною.

 

Вертикальна безперервність пор у ґрунті є також важливим параметром пористості. Для оцінки цього параметра використовують середню вертикальну відстань у зволоженому ґрунті, на якій мінімальний діаметр пор перевищує 0,5 мм. Тут розрізняють три класи безперервності: низька (< 1 см), середня (1...5 см) та висока (10 см і вище).

 

 

Перенесення маси

 

Перенесення маси (поживних речовин, нітратів, хлоридів, пестицидів) з однієї точки ґрунту до іншої відбувається за двох фізичних процесів.

 

Молекулярна дифузія - переміщення молекул з області з високою концентрацією в область з низькою концентрацією при відсутності рушійної сили, тобто в результаті хаотичного руху.

 

Процес молекулярної дифузії залежить від природи ґрунтової системи, розчиненої речовини. Чим більша величина концентраційного градієнта, тим більший потік розчинених молекул.

 

Конвекція - перенесення розчиненої речовини, яке визначається швидкістю рідини, що рухається, та концентрацією С розчиненої речовини.

 

Методи вимірювання механічних параметрів ґрунту

 

Седиментація ґрунтових частинок є одним з поширених методів вивчення розподілу ґрунтових частинок за розмірами.

 

Під час вимірювання швидкості седиментації ґрунтових частинок слід враховувати залежність густини та в’язкості рідини від температури.

 

Лазерна дифрактометрія ґрунтових частинок полягає в освітленні частинок лазерним випромінюванням, реєстрації та аналізу дифракційної картини за допомогою багатоелементного кільцеподібного детектора. Характер дифракційної картини значною мірою залежить від розмірів частинок ґрунту.

 

 

 

2.2. Теплофізичні параметри

 

Теплоємність тіла (С) - величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку необхідно дати даному тілу для нагрівання на 1К. Одиниця вимірювання теплоємності – Дж/К.

 

Питома теплоємність речовини с - величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку необхідно надати даній речовині масою 1 кг для нагрівання на 1К. Одиниця вимірювання питомої теплоємності – Дж/кг∙К.

 

Об’ємна питома теплоємність речовини сv - величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку необхідно надати даній речовині об’ємом 1 м3 для нагрівання на 1К. Одиниця вимірювання об'ємної питомої теплоємності – Дж/м3∙К.

 

 

Перенесення теплоти

 

Перенесення теплоти відбувається за різниці температур, що має місце в ґрунті або між окремими фазами ґрунту. Основними процесами, що зумовлюють перенесення теплоти, є теплопровідність, конвекція та теплове випромінювання.

 

Теплопровідність - перенесення тепла від більш нагрітих тіл до менш нагрітих, що приводить до вирівнювання температури.

 

Кількісну оцінку процесу теплопровідності через речовину можна дати за допомогою закону Фур’є: кількість перенесеного шляхом теплопровідності тепла прямо пропорційна градієнтові температури.

 

Фізичний зміст коефіцієнта теплопровідності полягає в тому, що він характеризує теплоізоляційні властивості речовини - чим менший коефіцієнт теплопровідності, тим більша теплоізоляція, що забезпечується речовиною. Величина коефіцієнта теплопровідності ґрунту залежить від фази ґрунту, текстури, об’ємної густини, вмісту води, структури, поверхневого контакту між ґрунтовими частинками, температури.

 

Термодифузія - перенесення компонентів речовини під впливом градієнта температури. Коефіцієнт термодифузії α ґрунту визначається як зміна температури в одиниці об’єму за рахунок теплового потоку, що протікає через цей об’єм за одиницю часу під впливом дії одиниці градієнта температури. Між термодифузією а та теплопровідністю k є такий зв’язок: