ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Современные методы контроля химических веществ, загрязняющих окружающую среду, - это, по сути, Физико-химические методы. Иногда их объединяют термином “инструментальные методы анализа”. Данная тема огромна, поэтому мы рассмотрим лишь наиболее перспективные из физико-химических методов, оптимально сочетающие в себе целый ряд качеств: высокую точность и воспроизводимость результатов анализа, высокую чувствительность и, несмотря на эти жесткие требования, доступность аппаратуры и возможность быстрого освоения ее.

Газовая хроматография (ГХ). В основу метода газовой хроматографии положен следующий принцип: анализ смеси веществ в результате распределения компонентов между несмывающимися фазами, одна из которых подвижная - инертный газ (азот, гелий и др.), другая-неподвижная (высококипящая жидкость или твердая фаза).

Этот метод имеет два варианта: газоадсорбционная и газожидкостная хроматография.

Разделение компонентов смеси происходит в хроматографической колонке. Хроматографические колонки: набивные (длина -1-3м, диаметр-около 4мм, материал-стекло сталь и др.) и капиллярные (длина - до 50м,материал-стекло,кварц).

Выбор неподвижной фазы (Нф).Эффективность колонки(способность разделять сложные смеси на отдельные компоненты) зависит от размера частиц, на которые нанесена жидкая фаза. Она возрастает при использовании однородных частиц малого размера. Для стандартных набивных колонок оптимальный размер частиц 0,12-0,17 мм. Необхожимо учитывать их близость к анализируемым соединениям. Для анализа полярных компонентов применяют полярные фазы, для анализа неполярных компонентов - менее полярные или полностью неполярные.

Неполярные фазы для газоадсорбционной хроматографии силикагель, оксид алюминия, цеолиты, полимерные сорбенты ( например, полисорб, поропак и др.).

Наиболее употребляемые неподвижные жидкие фазы для газожидкостной хроматографии карбовакс, силиконовые элястомеры, апиезоны, твердый носитель - хроматов и др. Подвижные фазы азот, гелий, аргон, пары воды.

Детекторы. История развития газовой хроматографии - это история появления и развития детекторов для хроматографии. Применятся несколько типов детекторов.

1. Детектор теплопроводности (ДТП) или катарометр. Принцип его действия основан на различии теплопроводностей анализируемого вещества и газа-носителя.

2. В детекторе ионизационо-пламенном (ПИД или ДИП) ипользуется зависимость электропроводности пространства между электродами от числа находящихся в нем ионизированных частиц, которые образуются в водородном пламени под действием термичесих и окислительных процессов при попадании в него молекул анализируемого вещества. Выходным сигналом детектора является значение силы тока, протекающего между электродами под действиеи приложенного к ним напряжения.

3.Электронно-захватный детектор (ЭЗД),или детектор по захвату электронов, как и ДИП ,основан на зависимости электропроводности промежутка между электродами и числим ионов, находящихся в этом промежутке, которое связано с числом молекул, поступающих в детектор. Однако механизм и способ образования ионов принципиально отличаются от такового в случае ДИП - ионы образуются в результате взаимодействия молекул анализируемого вещества и потока электронов в камере детектора в результате бета-распада радиоактивного вещества.

Необходим очень чистый газ-носитель, например азот “ОСЧ”, не содержащий следов кислорода, который снижал бы чувствительность детектора ЭЗД.

Чувствительность определения зависит от наличия галоид-, нитро- и других групп, взаимодействующих с электронами.

Влияние галоидов в молекуле на чувствительность определения

Вещество Чувствиетельность, отн.ед

Хлорбутан 1

Хлорпентан 2 1

Хлоргептан 1,5

Дихлорбутан 15

Дихлорэтан 190

Бромбутан 280

Хлороформ 6 10

Дибромметан 1.1 ё0

4. Детектор термоионный (ДТИ) по принципу действия аналогичен ДИП. Однако дополнительно в водородное пламя непрерывно поступает поток ионов щелочных металлов ( калий, натрий, цезий ) В их присутствии резко возрастает эффективность ионизации соединений, содержащих азот, фосфор, хлор и др. ДТИ применяют для определения ФОС и азотосодержащих соединений.

5. Пламенно-фотометрический детектор (ПФД) селективен и обладает повышенной чувствительностью по отношению к соединениям, содержащих серу.

Качественный анализ состоит в сравнении периодов времениудерживания данного вещества на хроматограмме от момента ввода пробы в испаритель до момента, соответствующего максимальному значению сигнала для данного компонента.

Количественный анализ основан на прямо пропорциональной зависимости содержания вещества в пробе от площади пика данного компонента на хроматограмме. Расчет ведется в основном тремя методами.

1. Метод абсолютной калибровки заключается в построении графиков зависимости высоты или площади пика Х от содержани компонентов в смеси. Расчет ведетс по следующим формулам:

X= 1000 a/V

X = cV/V20,

где

a - содержание вещества, определенное по графику; мг

V - объем пробы вохдуха, вводимого в испаритель хроматографа, мл

с - концентрация вещества, расчитанная по графику, мг/мл

V20 - объем пробы воздуха, произведенный в стандартных условиях.

2. Метод внутреннего стандарта основан на введении в анализируемую смесь известного количества вещества, принимаемого за стандарт. По своим свойствам оно должно быть достаточно близко к анализируемым соединениям, но полностью отличаться от них по хроматограмме.

3.Метод норматизации площадей пиков. При этом сумму площадей всех пиков с учетом поправочных коэффицентов принемают за 100%.Для вычисления концентрации вещества (в объемных процентах) необпходимо его площадь умножить на 100 и разделить на сумму всех площадей. Метод прост, но может быть использован лишь тогда, когда все компоненты известны и полностью разделены.

Хроматографы сотоят из основных блоков: Блок подготовки газов, термостат колонок (в том числе испаритель) ,детектор и регистратор (самописец).

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)- хроматографический метод, позволяющий разделить высококипящие жидкости и (или) твердые вещества, которые затруднительно либо нецелесообразно определять метод газожидкостной хроматографии, например полициклические ароматические углеводороды, аминокислоты, ПАВ, пестициды, лекарственные препараты, углеводы и др.

Хроматограф состоит из:

- колонок из нержавеющей стали, толстостенного стекла, тантала или меди; диаметр-1-6 мм, длина -от 10- 15 см до 7м;

- пористых носителей: силикагель, хромосорб, биосил и др. с

- удельной площадью более 50 м/г и деаметр частиц 0,005-0,05 мм;

- детекторов: рефрактометрической с чувствительностью 10 г/мл, УФ-детектор с чувствительностью 10 и флуориметрический с чувствительностью 10 г/мл, а также электрохимический;

- подвижной фазы:ацетонитрил, метанол и др.

Тонкослойная хроматография (ТСХ). Разделение происходит на специальных пластинках для тонкослойной хроматографии. Неподвижная фаза в ТСХ: силикагель, оксид алюминия, ионообменные смолы с добавками крахмала и гипса.

Анализируемую смесь наносят на стартовую линию микрошприцем или микропипеткой. Пластинку или бумагу с нанесенной пробой помещают в закрытую камеру, содержащую растворитель, которой перемещается по слою сорбента (или по бумаге) под действием капиллярных сил. Компоненты смеси перемещаются вмемте с растворителем с различными скоростями. По окончании разделения пластинку или бумагу вынимают из камеры, испаряют растворитель, обрабатывая струей теплого воздуха. Определяемые вещества появляются на хроматограмме в виде пятен в результате обработки специальным реактивом (например, нингидрин при анализе аминокислот) или методом флюоресценции. Содержание анализируемого компанента пропорционально площади пятен. Количественную оцнку проводят или непосредственно на пластинке с помощью планиметра, или путем снятия окрашенного пятна с хроматограммы экстракции вещества растворителем и определение и определение его содержание фотометрическим методом или с помощью денситометра.

Ионная хроматография (ИХ). Объединяет принцип ионообменной хроматографии, включающей последовательное использование двух колонок, с кондуктометрическим детектированием. В основе этого метода-элюентное ионообменное разделение ионов на первой (разделяющей) колонке с последующим подавлением фонового сигнала элюента на второй (подавляющей) ионообменной колонке. Инообменные колонки заполняют неподвижными фазами, содержащими в своей структуре ионогенные группы, способные к реакции обмена и обладающие высокой проникающей способностью. При анализе катионов колонку для разделения заполняют сульфированными катионитами низкой емкости ,а подавляющую колонку-анионитом высокой емкости. В качестве элюентов используют растворы HCLl HNO3, гидрохлорида пиридина и др. В качестве подвижной фазы-растовра карбоната и гидрокарбоната натрия.

В последние годы развивается ионная хроматография без подавления фонового сигнала элемента и с различными способами детектирования: фотометрический, атомноабсорбционный, ионометрический (ионселективные электроды).

Достоинства метода: низкий предел определения - 1 10 мг/мл, селективность, возможность одновременного определения неорганических и органических ионов экспрессность, широкий диапазон определяемых концентраций.
Применяют отечественный хроматограф “Цвет-300б”, кондуктометрический детектор, микропроцессор. Предел обнаружения по хлориду натрия - 3,10 мг/мл.

Хроматомасс-спектрометрия (ХМС) - это в сущности газовая хроматография с масс-спектрометром в качестве детектора (например, МИ-1201). Даный метод позволяет расшифровывать состав сложных смесей, содержащих сотни неидетифицированных компонентов, и определять их по одной пробе.

Полярография ( и вольтамперометрия). Полярография - одно из элктрохимических методов анализа. Полярограмма - зависимость силы тока от величины приложенного напряжения на электроды.При этом методе не происходит физического разделения смеси на отдельные компоненты.В качестве катода чаще всего применяют ртутный капающий электрод (РКЭ), поверхность которого непрерывна обновляется, что позваляет получать полярограммы и проводить анализ с высокой воспроизводимостью результатов.

Прямое определение возможно лишь при наличие веществ, способных восстанавливаться на РКЭ: ионы металлов, органические соединения, содержащие галоид-, нитро-, нитрозогруппы, карбонильные соединения, пероксиды, эпоксиды, дисульфиды, и т. д.Это несколько ограничевает возможности метода, однако при определение полягрофических активных соединений позволяет достичь высокой слективности определения без предворительнонго разделения сложных смесей на отдельные компоненты.

Основные типы полярографии - постоянно-токовая (классическая) и переменно-токовая.Прследняя имеет различные названия (подразделы): в зависимости от формы амплитуды переменного тока - квадратно-волновая, трапецеидальная и др.; в зависимости от полярности электрода, который используют как индикаторный, - катодная (восстановления) или анодная (окисления). Последнюю иногда называют вольтамперометрия.В анодной полярографии в отличие от катодной используют только твердый электрод (например,графитовый).

Применяют фоноваый или индифферентный электролит (называемый просто - фон), т.е. раствор кислоты, соли, буферный раствор более сложного состава, в котором растворяют анализируемую пробу.

Анализ атмосферного с помощью газоанализаторов (определение SO2,NO,CO и других газов). Газоанолизаторы в отличие от стационарных приборов (хроматографы, полярографы и др.) не позволяют дастигнуть столь же высмокой чувствительности, точности и селективности.Однако при неопходимости оперативного контроля содержания примесей загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и особенно в воздухе рабочей зоны и в промышленных выбросах они могут быть полезны и необходимы.Характеристики наиболее применяемых и даступных отечественных газоанализаторов приведены в табл.1.

  1.3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЯ И КОНТРОЛЯ

                            ЗА СОСТОЯНИЕМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

      Для получения объективной информации о состоянии и об уровне загрязнения различных объектов окру-

жающей среды необходимо располагать надёжными средствами и методами экологического контроля. Повы-

шение эффективности контроля за состоянием природной среды может быть достигнуто повышением произво-

дительности, оперативности и регулярности измерений, увеличением масштабности охвата одновременным

контролем; автоматизацией и оптимизацией технических средств контроля и самого процесса.

      Средства экологического наблюдения и контроля подразделяются на контактные, неконтактные (дистан-

ционные), биологические, а контролируемые показатели – на функциональные (продуктивность, оценка круго-

ворота веществ и др.) и структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических или

биологических параметров – концентрация загрязняющего вещества, коэффициент суммарного загрязнения и

др.).

                    1.3.1. КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

     Контактные методы контроля состояния окружающей среды представлены как классическими методами

химического анализа, так и современными методами инструментального анализа. Классификация контактных

методов контроля приведена на рис. 1.8.

     Наиболее применяемые спектральные, электрохимические и хроматографические методы анализа объек-

тов окружающей среды (представлены на рис. 1.9 – 1.11).
                                                     Контактные методы

                                                          анализа
                                  Химические                                            Физические

                                                     Физико-химические
                    Гравиметри-    Титриметри-

                      ческие         ческие

                                                                              Магнит-     Масс-       Рент-

                                                                                ная        спек-      гено-

                                            Спек-      Электро-    Хромато-    спек-        тро-      спек-

                                          тральные     химиче-     графиче-     тро-      метрия     траль-

                                                         ские        ские     скопия                   ный

                                                                                                     анализ
                              Рис. 1.8. Структура контактных методов наблюдения и

                                    контроля за состоянием окружающей среды
                                                                 Спектральные

                                                                 методы анализа

                           Атомная                                                                      Молекулярная

                        спектроскопия                                                                   спектроскопия
                        Жёсткие             УФ-видимая             Фотометрия         Люминес-           Методы структурного

                       излучения            спектроско-                                центные                анализа

                                                пия                                    методы

                                                                                                      Радиоволновая       ИК-

                   Нейтрон-     Рентге-     Эмисси-       Атомно-        УФ-видимая       Флуо-       спектроскопия     спектро-

                   ноактива-   носпек-       онный         абсорб-       спектроско-     ресцент-                        скопия

                   ционный      траль-        спек-       ционный            пия           ный

                    анализ       ный и     тральный         спек-                         анализ        ЭПР    ЯМР

                                рентге-      анализ       тральный

                               нофлуо-                     анализ

                                                                                 Хемилю-

                               ресцент-

                                                                                  минес-                     ИК-        Спектры

                                  ный

                                                                                 центный                   спектры      комбина-

                                анализ

                                                                                  анализ                   поглоще-     ционного

                                                                                                             ния        рассеива-

                                                                                                                           ния
                     Рис. 1.9. Спектральные методы анализа объектов окружающей среды

                                                  Электрохимические методы анализа
                    Методы без протекания электродной реакции              Методы, основанные на протекании электродной реакции
                         Прямые              Кондуктометри-

                                                                       В отсутствии                            Под действием

                   кондуктометрические           ческое

                                                                           тока                                     тока

                        измерения              титрование
                                                    Потенцио-          Электрохи-       Вольтамперо-     Амперомет-     Кулономет-

                                                   метрические          мические        метрические       рическое       рические

                                                     методы             сенсоры           методы         титрование       методы
                                     Электронно-               Ион-

                                      обменные             селективные

                                      электроды             электроды
                               Рис. 1.10. Электрохимические методы анализа объектов

                                                 окружающей среды
                                                       Хроматографические методы анализа
                     Подвижная фаза – газ (пар)                                                     Подвижная фаза – жидкость
                      Газовая         Газожидкостная                                    Высокоэффективная           Тонкослойная

                   хроматография      хроматография                                        жидкостная               хроматография

                                                                                         

жать.

     Такое разнообразие методов биоиндикации говорит об их несовершенстве. Действительно, биоиндикация

предусматривает контроль уже состоявшегося или происходящего загрязнения компонентов окружающей сре-

ды по функциональным характеристикам их обитателей и экологическим характеристикам организмов.

     Разработка единой системы показателей токсичного загрязнения окружающей среды на сегодняшний день

встречает серьезные трудности. Постепенные изменения видового состава формируются в результате длитель-

ного отравления и становятся явными в случае далеко зашедших изменений. Таким образом, видовой состав не

даёт оценки на момент исследования. В этом плане методы биоиндикации загрязнения окружающей среды

инерционны. В холодное время года системы биологической индикации малоэффективны.

     Однако отличительная простота методов оценки экологической обстановки методами биоиндикации, от-

сутствие потребности в специальном инструментальном обеспечении являются их бесспорным достоинством.

     Умение объединить в комплексную форму биоиндикацию, биотестирование и химико-аналитические ме-

тоды диагностики экологической обстановки позволяет минимизировать затраты на исследования. Именно

комплексное использование методов обеспечивает перспективу биоиндикации.

     Методы биотестирования. Биотестирование как способ интегральной оценки токсичности загрязнений

уже достаточно давно используется в системе мониторинга качества окружающей среды за рубежом и начинает

применяться в нашей стране. Аргументами в пользу целесообразности использования подходов биотестирова-

ния качества окружающей среды являются их универсальность, экспрессность, простота, доступность и деше-

визна. Высокая чувствительность тест-организмов к действию загрязняющих веществ привела ряд специали-

стов даже к идее о возможности полной замены всех гигиенических нормативов единственным критерием ка-

чественной оценки окружающей среды на основе биотестирования. Это определило необходимость изучения

эффективности последнего. В частности, для выявления залповых сбросов загрязняющих веществ в водные

объекты и особенно в целях обнаружения резких изменений качества питьевой воды биотестирование имеет

значение как сигнальный показатель экспресс-контроля, позволяющий уже в течение одного часа получить

данные интегральной оценки токсичности воды и принять необходимые меры для защиты населения, в то вре-

мя как органолептические свойства воды могут оставаться без изменения, а на идентификацию веществ, посту-

пивших в воду, химическими методами требуется несколько часов и даже суток.

     В настоящее время особое внимание уделяется приёмам токсикологического биотестирования, т.е. исполь-

зования в контролируемых условиях биологических объектов в качестве средства выявления суммарной ток-

сичности воды.

     При оценке биологического действия загрязняющих веществ интактные организмы или их сообщества

специально вводятся в испытуемую среду. Таким образом, режим воздействия задаётся заранее. Для исследова-

ния общетоксикологических закономерностей применяются разнообразные методы практически из любой сфе-

ры биологии и смежных научных областей. Обобщающей основой таких исследований оказывается воздейст-

вие загрязняющих веществ, других факторов среды или их совокупности на систему биологического происхо-

ждения. Это может быть биохимическая система – выделенный элемент клеточной структуры организма; раз-

личные показатели функции и структуры организма; интегральные характеристики организма; параметры, ха-

рактеризующие состояние популяций, сообществ, организмов и экосистем.

     В зависимости от поставленных задач предъявляются различные требования к методам и всей системе

биотестирования (постановка опытов и оценка результатов). В качестве объектов биотестирования применяют-

ся разнообразные организмы – бактерии, водоросли, высшие растения, пиявки, моллюски, рыбы и др. Каждый

из организмов имеет свои преимущества, но ни один организм не может служить универсальным объектом.

Растения могут оказаться наиболее чувствительными к присутствию в среде гербицидов, дафнии – к присутст-

вию инсектицидов и т.д. Кроме того, тест-реакция может выявить токсикант по его функции-мишени, напри-

мер, пропанид избирательно поражает фотосинтетический аппарат водорослей. В связи с этим для гарантиро-

ванного выявления присутствия токсического объекта неизвестного химического состава должен использовать-

ся набор различных групп, представителей водного сообщества. С введением каждого дополнительного объек-

та эффективность схемы испытаний повышается, однако нет смысла бесконечно расширять ассортимент обяза-

тельных объектов для использования в такой оценке.

     Оптимальной может быть система, в которую включено три – пять видов, состояние которых оценивается

по параметрам относящихся к разным уровням интегральности (например, по одному виду водных растений,

беспозвоночных и рыб). Для контроля самого тест-объекта необходима периодическая постановка опытов с

некоторым стандартным токсикантом в одной и той же концентрации. Этот контроль позволяет оценить изме-
нение реактивности тест-объекта на стандартное токсическое воздействие. В качестве такого токсиканта часто

применяется дихромат калия (К2Сr2О7).

     Важное условие правильного проведений биотестирования – использование генетически однородных ла-

бораторных культур, так как они проходят поверки чувствительности, содержатся в специальных, оговорённых

стандартами лабораторных условиях, обеспечивающих необходимую сходимость и воспроизводимость резуль-

татов исследований, а также максимальную чувствительность к токсическим веществам.

     Длительность биотестирования зависит от задачи, поставленной исследователем. Существуют следую-

щие виды биотестов:

     • острые биотесты (acute tests), выполняемые на различных тест-объектах по показателям выживаемо-

сти, длятся от нескольких минут до 24 – 96 ч;

     • краткосрочные (short-term chronic tests) хронические тесты, длятся в течение семи суток и заканчива-

ются, как правило, после получения первого поколения тест-объектов;

     • хронические тесты (chronic tests), распространяются на общую плодовитость ракообразных, охватывая

три поколения.

     Генетически однородные культуры тест-объектов (водных беспозвоночных и водорослей) можно получить

в специализированных научных учреждениях, аккредитованных в системе сертификации на проведение анали-

зов с использованием необходимого тест-объекта.

     В последние годы в России и ряде стран мира внедряются методы биотестирования качества поверхност-

ных вод с использованием инфузорий, дафний и других водных биоценозов. В законодательном порядке уста-

новлена необходимость биотестирования водных вытяжек опасных отходов для определения их токсичности.

     В «Правилах охраны поверхностных вод» (Госкомприрода СССР, 1991 г.) биотестирование является обя-

зательным методом при анализе качества природных и сточных вод. Любая комбинация традиционных анали-

тических приборов не в состоянии предусмотреть специфический биологический эффект, выявленный в про-

цессе контроля токсичности в качестве интегрального показателя.

     Основные нормативные документы по биотестированию в России:

     • РД 52.18.344–93 Методика выполнения измерений интегрального уровня загрязнения почвы техноген-

ных районов методом биотестирования.

     • ПНД ФТ 14.1:2:3:4.7–02,16.1:3:3:3.4–02 «Токсикологические методы контроля. Методика определения

токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадки сточных вод, отходов по смертности и изменению плодо-

витости дафний».