При проведении мониторинговых исследований важен охват всех основных природных сред: атмосферы, гидросферы, литосферы (главным образом почвенного покрова - педосферы), а также биоты. Для анализа миграций ЗВ, определения мест их локализации и аккумуляции и определения лимитирующей среды необходимо проведение измерений в объектах основных природных сред.
Особенно важно определить лимитирующую среду, то есть среду, загрязнение которой определяет загрязнение всех других сред и природных объектов. Также весьма важно определить пути миграции ЗВ и возможности и коэффициенты перехода (транслокации) ЗВ из одной среды (или объекта) в другую. Этим занимается наука геофизика.
Основные среды (объекты), которые должны быть охвачены при проведении комплексного исследования: воздух, почва (как часть литосферы), поверхностные воды и биота. Загрязнение каждой из этих сред характеризуется по результатам анализов ЗВ в различных объектах в пределах этих сред, выбор которых имеет важное значение для получаемых результатов и выводов. Чтобы получить сведения о загрязнении определенного объекта требуется отобрать пробу для анализа. Основные принципы, которыми необходимо руководствоваться при выборе объекта и отборе проб охарактеризованы ниже.
Атмосфера.
Основным объектом, по которому характеризуется загрязнение атмосферы является приземный слой воздуха. Пробы воздуха для анализа отбираются на уровне 1,5 - 2 м от поверхности земли. Отбор пробы воздуха заключается, обычно в его прокачивании через фильтры, сорбент (связующее вещество) или измерительное устройство. Особые требования предъявляются к площадке отбора. Во-первых, площадка должна быть открытой и удаленной более чем на 100 м от леса. Измерения под пологом леса дают, как правило, заниженный результат и более характеризуют плотность крон, чем уровень загрязнения воздуха. Опосредованно о качестве воздуха можно судить по загрязнению атмосферных осадков (главным образом - снега и дождя). Осадки отбирают, используя большие воронки, специальные осадкосборники или просто тазы, лишь в момент их выпадения и в точке отбора проб воздуха. Иногда для характеристики загрязнения воздуха используют пробы сухих выпадений, т.е. твердых частиц пыли, постоянно осаждающихся на подстилающую поверхность. Методически это довольно сложная задача, которая, однако, достаточно просто решается методом снегомерной съемки.
Мониторинг состояния атмосферного воздуха подразделяется на две системы: наблюдения и контроля. Первая обеспечивает наблюдение за качеством атмосферного воздуха в городах, населенных пунктах и территориях, расположенных вне зоны влияния конкретных источников загрязнения, вторая - контроль источников загрязнения и регулирования выбросов вредных веществ в атмосферу.
Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха проводят в районах интенсивного техногенного воздействия (городах, промагломерациях) и в районах, удаленных от источников загрязнения (фоновых районах).
Сеть фоновых станций, расположенная на территории РФ, включена в ЕГСЭМ. Информация, получаемая с фоновых станций, позволяет оценивать состояние и тенденции глобальных изменений загрязнения атмосферного воздуха. На станциях фонового мониторинга наблюдения за качеством атмосферного воздуха проводят по физическим, химическим и биологическим показателям.
Необходимость организации контроля загрязнения атмосферного воздуха в зоне интенсивного антропогенного воздействия определяется предварительными экспериментальными и теоретическими исследованиями с использованием методов математического и физического моделирования.
Для получения репрезентативной информации о пространственно-временнóй изменчивости загрязнения воздуха проводится рекогносцировка – предварительное обследование состояния атмосферного воздуха на определенной территории с помощью передвижных средств (передвижной лаборатории, производящей отбор и анализ проб воздуха). Такой метод позволяет выявить границы промышленных комплексов, зоны их влияния. В результате обработки полученной информации устанавливаются границы, спектр и контрастность загрязнения атмосферного воздуха, разрабатывается схема размещения стационарных постов наблюдения. Пост наблюдений может давать информацию об общем состоянии воздушного бассейна и осуществлять контроль за источниками выбросов.
На постах наблюдений в обязательном порядке измеряются основные, наиболее часто встречающиеся загрязняющие воздух вещества: пыль, SO2, CO, NO x. Выбор других веществ, требующих контроля, определяется спецификой производства и выбросов в данной местности и частотой превышений ПДК.
Отбор проб - один из важнейших элементов анализа качества атмосферного воздуха. Если отбор проб выполнен неправильно, то результаты самого тщательного анализа теряют всякий смысл. Возможны два способа отбора проб атмосферного воздуха: аспирационный (пропусканием воздуха через поглотительный прибор с определенной скоростью) и заполнением сосудов ограниченной емкости.
Для исследования газообразных примесей пригодны оба способа, для анализа примесей в виде аэрозолей (пыли) только первый. При аспирационном способе анализируемое вещество концентрируется в поглотительной среде. Для достоверного определения расход воздуха через прибор должен быть достаточно большим: десятки и сотни литров в минуту.
Пробы подразделяются на разовые и среднесуточные. Обычно для получения средних суточных концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе пробы воздуха отбирают в 1, 7, 13 и 19 ч по местному декретному времени. Наилучшим способом получения среднесуточных концентраций является непрерывный отбор проб воздуха в течение 24 ч.
Поверхностные воды.
Основными объектами исследования являются малые (местные) реки и озера.
Особое внимание при отборе проб требуется обратить на то, что отбор воды должен проводится на 15 - 30 см ниже зеркала воды. Это связано с тем, что поверхностная пленка представляет собой граничную среду между воздухом и водой и концентрации большинства ЗВ в ней в 10-100 и более раз выше, чем в самой толще воды. О загрязнении непроточных водоемов можно судить по донным отложениям. При отборе проб важно учитывать сезон, в который происходит отбор. Различают 4 основных сезонных периода: зимняя и летняя межени (минимальный уровень) и весенний и осенний паводки (максимальный уровень). В межени уровни воды в водоемах минимальны, т.к. нет поступления воды с осадками или количество осадков меньше, чем испарение. В эти периоды роль подземных и грунтовых вод в питании наиболее велико. В периоды паводков уровень воды в водоемах и водотоках повышается, особенно весной, в период половодья. В эти сроки дождевое питание и питание за счет снеготаяния составляют максимальную долю. При этом происходит поверхностный смыв частиц грунта и с ними ЗВ в реки и озера. Для мелких рек и ручьев выделяют также дождевые паводки, характеризующиеся повышением уровня воды в течении нескольких часов или дней после дождя, что играет заметную роль в смыве ЗВ с окружающих территорий. Состояние уровня воды в водоемах важно учитывать в связи с тем, что по тому, в какой период концентрация ЗВ в воде выше, можно судить об его источнике. Если концентрация в межень выше, чем в паводок или практически не изменяется, значит ЗВ в водоток поступают с грунтовыми и подземными водами, если же наоборот - с выпадениями из атмосферы и смывом с подстилающей поверхности.
Наблюдения за химическим составом природных вод в нашей стране стали выполняться в системе гидрометслужбы СССР с 1936 г., а, начиная с 1964 г., сеть приступила к наблюдениям за состоянием качества поверхностных вод. С созданием единой государственной службы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) наблюдения за качеством поверхностных вод вступили в следующий, качественно новый этап – этап систематического контроля за загрязнением вод по физическим, химическим и гидробиологическим показателям.
Основные задачи выполняемых в рамках ЕГСЭМ наблюдений качества поверхностных вод следующие:
- систематическое получение как отдельных, так и обобщенных во времени и пространстве данных о качестве воды;
- обеспечение заинтересованных организаций систематической информацией о качестве воды водоемов и водотоков и экстренной информацией о резких изменениях загрязненности воды.
Основным принципом организации наблюдений является их комплексность, которая предусматривает согласованную программу работ по гидрохимии, гидрологии и гидробиологии, т.е. наблюдения за качеством воды по физическим, химическим, гидробиологическим показателям и проведение сопутствующих микробиологических работ. Необходимым условием является также синхронность всех систем наблюдений, систематичность и согласованность сроков проведения наблюдений.
Литосфера (педосфера).
Основным объектом, характеризующим загрязнение подстилающей поверхности является почва, особенно ее верхние 5 сантиметров. В связи с этим, в большинстве исследований для характеристики загрязнения почвы отбирается только этот верхний слой.
При отборе почвенных проб важно выделение автохтонных, то есть коренных, экосистем, сформированных на возвышенных участках коренного берега (плакора). Загрязнение почв в этих участках свидетельствует о типичном состоянии загрязнения. Как правило, это водораздельные коренные леса и верховые болота. Также необходимо проведение исследований почв в аккумулятивных ландшафтах, расположенных в понижениях и вбирающих в себя загрязнение с обширных территорий.
Влияние химических веществ антропогенного происхождения на почвенный покров, особенно вблизи источников загрязнения (вокруг городов, промышленных и сельскохозяйственных комплексов, автомагистралей и т.д.), постоянно возрастает. В составе атмосферных выбросов, загрязняющих почву, рассматриваются макро- и микроэлементы, газы и гидрозоли, сложные органические соединения (пиридин, фенол, бензол и др.).
Негативные последствия антропогенного загрязнения почв проявляются на региональном и даже на глобальном уровне. Поэтому в настоящее время актуальна разработка программ наблюдения за химическим загрязнением почв. Цель таких программ - адекватная оценка современного состояния почв и прогноз изменений этого состояния. Такую информацию может дать система наблюдений за уровнем химического загрязнения почв, испытывающих антропогенное воздействие.
Содержание и характер наблюдений за уровнем загрязнения почв и их картографирование в сельских и городских условиях имеют свою специфику. наблюдения должны обеспечивать решение следующего круга задач:
- регистрация современного уровня химического загрязнения почв, выявление географических закономерностей и динамики временных изменений загрязнения почв в зависимости от расположения и технологических параметров источника загрязнения;
- прогноз тенденций изменения химического состава почв в ближайшем будущем и оценка возможных последствий загрязнения почв;
- обоснование состава и характера мероприятий по регулированию возможных отрицательных последствий в результате загрязнения почв и мероприятий, направленных на коренное улучшение уже загрязненных почв;
- предоставление информации об уровне загрязнения почв заинтересованным организациям.
Исходя из вышеперечисленных задач, можно выделить следующие виды наблюдений:
- режимные (систематические) за уровнем содержания химических веществ в почвах в течение определенного промежутка времени;
- комплексные, включающие исследование процессов миграции загрязняющих веществ в системе атмосферный воздух - почва, почва - растение, почва - вода и почва - донные отложения;
- изучение вертикальной миграции загрязняющих веществ в почвах по профилю;
- наблюдения за уровнем загрязнения почв в определенных пунктах, намеченных в соответствии с запросами тех или иных организаций.
При наблюдениях за уровнем загрязнения почв необходимо получить представление не только о степени химического загрязнения почв в настоящее время, но и путях развития процессов, в частности, в период, когда будут внедряться мероприятия, направленные на уменьшение химического загрязнения почв, существенно изменяющие водный, тепловой, солевой, биологический и другие режимы почвы.
Состояние и прогноз загрязнения почв не может базироваться только на анализах проб почв. Почва - элемент ландшафта, поэтому её исследование неотделимо от изучения всех компонентов природного и антропогенного комплекса, всех путей накопления загрязняющих веществ в природных, сельских и городских условиях.
Биота.
В понятие биота включаются объекты растительного и животного мира, обитающие на исследуемой территории.
На примере этих объектов контролируется содержание загрязнителей, имеющих склонность к накоплению в растениях и животных, то есть веществ, содержание которых в биологических объектах выше, чем в абиотических средах. Это явление называется биоаккумуляцией.
Первопричина биоаккумуляции в том, что поступление загрязнителя в живой объект происходит значительно легче, чем его выведение или разложение. Например, радиоактивный металл стронций (Sr 90) накапливается в костной ткани животных, так как его свойства весьма близки к кальцию, который является основой минеральной составляющей костей. Организм путает эти соединения и включает стронций в состав костей.
Другой пример - хлорорганические пестициды, например ДДТ. Эти вещества хорошо растворяются в жирах и плохо растворимы в воде (это свойство в химии называется липофильностью). В результате, из кишечника вещества попадают не в кровь, а в лимфу. С кровью, токсические вещества были бы доставлены к печени и почкам - органам, ответственным за разложение и выведение токсичных веществ из организма. Попав в лимфу, эти вещества распределяются по всему организму и растворяются в жирах. Таким образом, создается запас токсичных веществ в жирах.
В животных и растениях накапливаются также тяжелые металлы, радионуклиды, токсичные органические соединения (пестициды, полихлориро-ванные бифенилы). Эти соединения присутствуют в животных и растениях в ультрамалых концентрациях (менее 10 мг/кг), для определения которых необходимо использовать сложное аналитическое оборудование.
Изучение всей биоты природных экосистем обычно является непосильной задачей даже для большого коллектива биологов. Даже если биоразнообразие экосистемы сравнительно невелико, биоту все же составляют представители очень многих систематических групп. Для многих из них видовая диагностика требует исключительно высокой квалификации и часто доступна лишь немногим специалистам-систематикам. Поэтому уже установление полного видового состава биоты потребовало бы одновременного привлечения ведущих специалистов по всем систематическим группам. Более реалистичной задачей является изучение не всей биоты, а конкретных сообществ. Сообщество, или ценоз (от греч. χοινος – совместно, сообща) – совокупность живых организмов определенной категории, одновременно населяющих определенную область пространства. Категории учитываемых организмов и размер изучаемой области пространства могут выбираться исследователем произвольно, в соответствии с целью проводимого им исследования. Если какое-либо сообщество достаточно чувствительно к изучаемому воздействию и позволяет судить о реакции на него всей биоты, оно может успешно использоваться в качестве биоиндикатора.
Биоиндикация – это оценка качества среды по состоянию тех или иных представителей биоты, осуществляемая путем наблюдения за ними, без активного (экспериментального) вмешательства в природные процессы. Объектами таких наблюдений (биоиндикаторами) могут служить биосистемы любого уровня организации. Оценка качества среды производится по биоиндикаторнымпризнакам, тем характеристикам наблюдаемых биосистем, которые наиболее полно и точно отражают степень их благополучности.
При изучении экосистем или отдельных сообществ с целью биоиндикации решаются следующие задачи:
- определение пространственных границ экосистемы (или сообщества);
- выявление и описание зависимости ценотических характеристик, значимых для биоиндикации, от факторов среды, лимитирующих биоту или конкретное сообщество.
В России наиболее чувствительны к загрязнению воздуха хвойные леса. Сосна обыкновенная считается важнейшим биоиндикатором антропогенного влияния. Наиболее информативны следующие показатели техногенного загрязнения:
─ статические морфологические и анатомические показатели сосен;
─ динамические показатели (величины годового прироста);
─ характеристики хвои (продолжительность жизни, масса, характерные повреждения – пигментации, хлорозы, некрозы, усыхания);
─ состояние генеративных органов – женских шишек (их размеры, количество, обилие семян);
─ обилие и разнообразие фауны беспозвоночных – вредителей деревьев.
Оценка качества среды при активном вмешательстве в природные процессы, путем постановки эксперимента в природных или лабораторных условиях – это биотестирование. Суть биотестирования сводится к определению последствий взаимодействия подопытных организмов (тест-объектов) с испытываемой средой. О степени вредного воздействия среды судят, сопоставляя изменения характеристик тест-объектов при различной продолжительности опыта в изучаемых средах. Например, для водной среды в качестве стандартных тест-объектов принято использовать бактерии Esherichia coli, инфузории родов Paramecium и Tetrachimena, веслоногих рачков Daphnia magna, икру и личинки лососевых рыб и др. Негативное влияние испытываемой среды оценивается по выживаемости, плодовитости, заболеваемости, скорости роста и индивидуального развития, особенностям поведения, морфологическим изменениям тест-объектов.
Заключение
Стремительное развитие всех отраслей промышленности, энергетики, транспорта, увеличение численности населения, урбанизация и химизация всех сред деятельности человека приводят к нарушению и загрязнению биосферы, ее отдельных компонентов. Экологическая ситуация, сложившаяся в ряде промышленных центров, в районах добычи и переработки минерального сырья, строительства и эксплуатации промышленных объектов, часто близка к критической.
Осознание глобальной экологической катастрофы заставляет мировое сообщество искать пути выхода из кризисной ситуации. Вывод о необходимости перехода цивилизации к экологически сбалансированному развитию имеет непосредственное отношение к опасности, угрожающей человеческой цивилизации. Идея глобального мониторинга окружающей человека природной среды была выдвинута в 1972 г. на Стокгольмской конференции и нашла отклик в документах Конференции ООН в Рио-де-Жанейро (1992).
Основной задачей экологического мониторинга является изучение изменений природной среды, возникающих в результате воздействия на нее человека, получение как качественных, так и количественных характеристик изменений в природной среде.
