Современные аналитические методы в экологическом мониторинге

Современные аналитические методы в экологическом мониторинге

 

Все виды наблюдений за окружающей средой подразделяют на прямые и косвенные.  
      Прямые виды осуществляются путём отбора проб объекта окружающей среды с последующим анализом в лабораторных условиях.      

 Косвенные виды – это скорее наблюдение за воздействием на окружающую среду. Косвенные виды в свою очередь делятся на дистанционные, расчётные и прогнозные. 

В последнее время с развитием космической техники широко стал использоваться космический экологический мониторинг. Этот косвенный вид наблюдений за окружающей средой, тем не менее, очень информативен в таких случаях, когда необходимо знать масштаб загрязнений или прогнозировать перенос загрязнений в тех или иных атмосферных перемещениях в пространственно-временном отрезке.  
     С помощью спутников наблюдают тепловые аномалии (ТЭЦ, пруды-охладители, крупные производства, лесные пожары и т.п.), следят за дымовыми шлейфами и факелами, выявляют площади с различной степенью загрязнения почвенного и снежного покровов, а на реках, морях и океанах – площади разлива нефти (мониторинг катастроф).  
       Данные мониторинга полученные со спутника незаменимы в составлении карт риска возникновения смога в промышленных центрах и загрязнении почв атмосферными осадками, а так же определении зон экотоксикологической опасности из-за атмосферных загрязнений.  
      Прямые виды наблюдений за окружающей средой включают в себя посты наблюдений и непосредственно аналитические лаборатории. Лаборатории могут быть мобильными (передвижными) и стационарными. Оснащение лабораторий приборами и оборудованием экологического контроля зависит от поставленных задач. Задачи, в свою очередь, ставятся в зависимости от приоритетных загрязнителей окружающей среды. Достоверность результатов количественного химического анализа, помимо методик определения загрязняющих веществ, обеспечивается за счёт современного парка приборов и высококлассных специалистов. В современном экологическом мониторинге без этого никак не обойтись, ведь перечень загрязняющих веществ достаточно широк как по номенклатуре, так и по составу загрязняющих примесей. Но, тем не менее, на данный момент, мы имеем такой факт, что количество загрязнителей среды с отсутствующими гигиеническими нормативами значительно выше числа веществ, включённых в перечень химических соединений с известными нормативами. Отсюда, как следствие, возникает необходимость разработки  новых  методик анализа загрязняющих веществ  и усовершенствования аналитических приборов.       

 Рассмотрим, какие же современные методы и аналитические приборы применяются сегодня для целей экологического мониторинга?

Электрохимический метод помимо использования лабораторных и портативных рН-метров предлагает комплекс вольтамперометрический, который анализирует пробы различных объектов на содержание электрических элементов и веществ, таких как металлы и неметаллы, органические соединения. Универсальный полярограф пригодится для измерений микроколичеств (до 10-10 моль/л) тяжелых металлов, йода, селена и мышьяка, а так же токсических органических и неорганических компонентов в различных объектах.  
     Спектрофотометричекий метод анализа веществ основан на измерении спектров поглощения в оптической области электромагнитного излучения. Этот метод применяется в одноимённом  приборе спектрофотометре, который, на данный момент,  широко используется в аналитических лабораториях для анализа объектов окружающей среды.  
       Хроматографический метод основан на разделении смеси веществ в колонке, заполненной определённой фазой. Газовые хроматографы это те, в которых разделение смеси веществ происходит в потоке газа, а в жидкостных хроматографах  разделение  веществ идёт в потоке жидкости. Широкий выбор детекторов (обнаружителей) в современных хроматографах даёт возможность анализировать достаточно большой спектр загрязняющих веществ окружающей среды. Хроматограф сегодня это максимально автоматизированный аппаратный комплекс с программным обеспечением, позволяющий решать задачи в области экологического исследования (для научных целей) и выполнять рутинные анализы.      

 Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) используется для количественного определения  элементов по селективному поглощению излучения резонансных спектральных линий атомным паром элемента. Атомно-абсорбционные спектрометры анализируют широкий спектр элементов, в основном это металлы.      

 Всё это разнообразие методов  контроля загрязнения окружающей  среды даёт достаточно широкий  спектр выбора аналитического  оборудования природоохранным организациям  для оснащения своих лабораторий.    

 Центр по мониторингу загрязнения  окружающей среды ФГБУ «Приволжское  УГМС» осуществляет контроль  водных объектов, атмосферного воздуха и почвы на территории Приволжского федерального округа. В соответствии с поставленными задачами, аналитические лаборатории Центра по мониторингу загрязнения окружающей среды периодически  пополняются новыми современными аналитическими приборами, такими как спектрофотометры, хроматографы, атомно-абсорбционные спектрометры.  
     Всего в  лабораториях  Приволжского УГМС в 2013 году проводились наблюдения за качеством атмосферного воздуха по 33 примесям (органическим и неорганическим), воды по 55 примесям (органическим и неорганическим), почвы по 28 показателям.  В каждом городе свои приоритетные загрязняющие вещества, но картина общего загрязнения территории складывается из обобщения всех полученных данных. Достоверность этих данных как раз и обеспечивают идентичные методы анализа и  аналитического оборудования.  
      В лабораториях  ФГБУ «Приволжское УГМС» Центра по мониторингу загрязнения окружающей среды г. Самары для анализа атмосферного воздуха используются спектрофотометры нового поколения. Всего в лаборатории мониторинга загрязнения атмосферы определяют 18 вредных примесей, но только 5 из них являются обязательными, остальные – это специфичные загрязнители нашего города.    
      Для количественного определения загрязняющих веществ поверхностных вод (реки, водохранилища), в лаборатории мониторинга загрязнения воды кроме спектрофотометров и концентратомеров, используются такие высокоточные аналитические приборы как атомно-абсорбционный спектрометр МГА с программным управлением для определения тяжелых металлов в воде. Всего в поверхностных водах Самарской области определяют 46 ингредиентов.     

 В лаборатории физико-химических методов анализа определяют 23 наименования вредных примесей, используя аналитические приборы, основанные на протекании физико-химических процессах во время анализа проб. Это газовые хроматографы последнего поколения с программным обеспечением для анализа специфических органических примесей в воде (хлорорганические пестициды и легколетучие ароматические углеводороды) и воздухе (ароматические углеводороды и сумма предельных и непредельных углеводородов), атомно-абсорбционные спектрометры для определения тяжелых металлов в почве. Ртутно-гидридная приставка  к  ААС для определения ртути  позволяет определять содержание ртути в почве методом холодного пара.  
      Центр по мониторингу загрязнений окружающей среды ФГБУ «Приволжское УГМС» старается шагать в ногу с научно-техническим прогрессом и пополнять свой приборный парк современным оборудованием, обеспечивая тем самым высокое качество экологической информации и расширение возможностей при определении загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды.

 

Методы экологического мониторинга

 

В зависимости от точности результатов, которые необходимо получить при проведении мониторинга по тому или иному компоненту, явлению, процессу, от среды, в которой проходят исследования, доступных финансовых и других средств, используют различные методы мониторинга.

 

Дистанционные методы

 

Как известно, первые автоматические системы слежения за параметрами внешней среды были созданы в военных и космических программах. В 1950-е гг. в системе ПВО США уже использовали семь эшелонов плавающих в Тихом океане автоматических буев, но самая впечатляющая автоматическая система по контролю качества окружающей среды была, несомненно, реализована в «Луноходе». Одним из основных источников данных для экологического мониторинга являются материалы дистанционного зондирования (ДЗ). Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей:

космические (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования, автономные спутниковые съемочные системы и т. п.);

авиационного базирования (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты) и составляют значительную часть дистанционных данных (remotely sensed data) как антонима контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектом съемки;

к неконтактным (дистанционным) методам съемки, помимо аэрокосмических, относятся разнообразные методы морского (наводного) и наземного базирования, включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо, электромагниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на регистрации собственного или отраженного сигнала волновой природы.

 

Аэрокосмические

 

Аэрокосмические (дистанционные) методы экологического мониторинга включают систему наблюдения при помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем, а также систему обработки данных дистанционного зондирования.

Для космического экологического мониторинга целесообразно ориентироваться прежде всего на полярно-орбитальные метеорологические спутники, как на отечественные аппараты (спутники типа «Метеор», «Океан» и «Ресурс»), так и на американские спутники серий NOAA, Landsat и SPOT. Остановимся на кратких характеристиках указанных спутников.

Американские метеорологические спутники серии NOAA снабжены многозональной оптической и ИК аппаратурой, а именно радиометром высокого разрешения AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Космические аппараты NOAA запускаются на полярные орбиты высотой порядка 700 км над поверхностью Земли с наклонением 98,89 градусов. Радиометр высокого разрешения ведет съемки поверхности Земли в пяти спектральных диапазонах. Космические съемки проводятся с пространственным разрешением 1100 м и обеспечивают полосу обзора шириной 2700 км.

Российские спутники серии «Ресурс» принадлежат Федеральной службе России по гидрометеорологии и мониторингу природной среды (Росгидромет). Они обеспечивают получение многозональной космической информации высокого и среднего разрешения с помощью двух сканеров видимого и ближнего инфракрасного диапазонов.

Космическая гидрометеорологическая система «Метеор», также принадлежащая Росгидромету, обеспечивает глобальный экологический мониторинг территории России. Параметры орбиты спутника «Метеор»: приполярная круговая орбита высотой около 1200 км. Комплекс научной аппаратуры позволяет оперативно 2 раза в сутки получать изображения облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах, данные о температуре и влажности воздуха, температуре морской поверхности и облаков. Осуществляются также мониторинг озоносферы и геофизический мониторинг. В состав бортового комплекса спутника входят несколько сканирующих ИК-радиометров и сканирующая ТВ-аппаратура с системой запоминания данных на борту для глобального обзора и передачи данных на АППИ. Российская космическая система «Океан» обеспечивает получение радиолокационных, микроволновых и оптических изображений земной поверхности в интересах морского судоходства, рыболовства и освоения шельфовых зон Мирового океана. Одной из основных задач спутника является освещение ледовой обстановки в Арктике и Антарктике, обеспечение проводки судов в сложных ледовых условиях. Параметры орбиты спутника: приполярная круговая орбита высотой 600—650 км. Поток информации в условиях облачности и в любое время суток обеспечивается радиолокатором РЛС БО и системой сбора информации от автономных морских и ледовых станций «Кондор». В состав комплекса бортовой аппаратуры спутника «Океан-01» входят СВЧ-радиометры Р-600 и Р-255, сканирующий СВЧ-радиометр Дельта-2, трассовый поляризационный спектрорадиометр «Трассер», а также комплекс оптической сканирующей аппаратуры.

Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать следующие задачи контроля состояния окружающей среды:

Определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности и т. д.);

Контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;

Определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности;

Обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий;

Контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;

Обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах;

Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах;

Регистрация дымных шлейфов от труб;

Мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;

Обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;

Контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышленных предприятий.

Основной полезный груз спутника — панхроматическая оптико-электронная система, позволяющая получать изображения с пространственным разрешением 1 м. Спутник может производить высокодетальную съемку одного и того же участка местности каждые три дня, получать несколько снимков одного и того же сюжета на одном витке. Приведём ряд распределения спектральных каналов и области применения этих каналов:

1 канал (голубой):

наиболее чувствителен к атмосферным газам, и, следовательно, изображение может быть малоконтрастным;

имеет наибольшую водопроницаемость (длинные волны больше поглощаются), то есть оптимален для выявления подводной растительности, факелов выбросов, мутности воды и водных осадков;

полезен для выявления дымовых факелов (так как короткие волны легче рассеиваются маленькими частицами);

хорошо отличает облака от снега и горных пород, а также голые почвы от участков с растительностью.

2 канал (зеленый):

чувствителен к различиям в мутности воды, осадочным шлейфам и факелам выбросов;

охватывает пик отражательной способности поверхностей листьев, может быть полезен для различения обширных классов растительности;

также полезен для выявления подводной растительности.

3 канал (красный):

чувствителен в зоне сильного поглощения хлорофилла, то есть хорошо распознает почвы и растительность;