ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ.

Контроль за состоянием природной среды - одно из важнейших звеньев в решении многих экологических проблем, в частности охраны водного бассейна, воздуха и т.д. Основной источник информации о состоянии объектов природной среды – анализ, поэтому особое значение приобретает правильность определения большого количества химических ингредиентов, существующих в этих объектах. Многие из них имеют природное происхождение, они всегда присутствуют в природных экосистемах и являются необходимыми для их нормального функционирования. В то же время очень большое количество неорганических и органических соединений входит в окружающую среду вследствие действия антропогенного фактора. Такие соединения в большинстве случаев имеют токсичные особенности, и их необходимо определить на уровне очень низких, предельно допустимых концентраций, часто с применением различных методов концентрирования. К тому же, многокомпонентный химический состав природных экосистем требует тщательного выбора наиболее эффективных методов анализа и высокого мастерства выполнения аналитических исследований. Их результаты являются основой для создания банка данных, без которых невозможно научное обоснование осуществления технических или биологических мероприятий, направленных на сохранение или восстановление нормального экологического состояния.

Для обеспечения надлежащего качества экологического контроля (мониторинга) необходима специальная подготовка по эколого-аналитическому профилю, необходимы глубокие знания не только по аналитической химии, но и знания по особенностям состава природной среды.

Химический состав объектов окружающей среды и наличие в водах, грунте и в воздухе веществ-загрязнителей, токсикантов характеризуется многими особенностями, в частности сменой их содержания во времени и пространстве, которая в свою очередь, зависит от физико-географических, биологических и в значительной степени, антропогенных факторов. Это обуславливает немало трудностей на различных стадиях проведения эколого-аналитического контроля по содержанию разнообразных ингредиентов природного и антропогенного происхождения, включая отбор проб, их консервирование и пробоподготовка, концентрирование микропримесей, удаление веществ, которые мешают анализу и т.д.

Перечень элементов-загрязнителей и веществ в объектах природной среды может быть чрезвычайно разнообразным. К ним относятся как неорганические, так и органические вещества природного и техногенного происхождения. Учитывая это, вопросы эколого-аналитического контроля за состоянием объектов окружающей среды с целью проведения соответствующих (надлежащих) природоохранных мероприятий приобретает в наше время особенное значение и остроту.

Характеристика объектов окружающей среды

Природная экосистема слагается из неживых и живых объектов, которые постоянно взаимодействуют между собой. Живые существа существуют и развиваются в природной окружающей среде, основными составными частями которой являются почвы, воздух и воды. Их химический состав формируется в значительной степени в процессе взаимодействия всех объектов природной экосистемы и поэтому является чрезвычайно разнообразным в качественном и количественном соотношениях и изменяется во времени и пространстве.

Химический состав объектов окружающей среды – это совокупность химических ингредиентов (ионов, молекул и их соединений), которые содержатся в почвах, природных водах и в воздухе в твёрдом, растворённом и газообразном состояниях.

По происхождению эти ингредиенты можно разделить на две основные группы – природные и антропогенные. Например, инертные газы в воздухе, гумусовые вещества в поверхностных водах суши или алюмосиликаты в почвах имеют природное происхождение. Для таких веществ характерным является качественный состав и некоторые интервалы концентраций (содержания), которые свойственны для данного природного объекта. Поэтому аналитик может заранее выбрать наиболее приемлемый и надёжный метод определения определённого ингредиента природного происхождения, зная химическую характеристику объекта исследования и возможности избранного метода анализа.

Химические ингредиенты антропогенного происхождения попадают в природную среду со сточными водами промышленных предприятий, сельскохозяйственных комплексов, с коммунально-бытовыми стоками и с выбросами газов и аэрозолей в воздушный бассейн и т.д. Качественный состав таких загрязнителей можно до некоторой степени предвидеть, исходя из технологий соответствующего предприятия. Степень же их нагромождения в объектах окружающей природной среды требует специальных исследований и поэтому аналитику трудно заранее выбрать оптимальный метод определения таких ингредиентов. К ним относятся, например, сернистый ангидрид, который попадает в воздух с дымовыми выбросами тепловых электростанций, или соединения ртути, кадмия, хрома и других металлов, которые попадают в воздух со стоками электрохимических производств. Особенно опасными являются выбросы радионуклидов атомных электростанций, хлорорганические и фосфорорганические пестициды, нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества, красители и др.

Много ингредиентов, которые необходимо определить в объектах окружающей среды, могут иметь как природное, так и антропогенное происхождение. К ним относятся, например, биометаллы (Na, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, Co, Mo), некоторые анионы (хлорид, сульфат, фосфат, нитрат), а также большое количество органических соединений (белки, аминокислоты, карбоновые и оксикарбоновые кислоты, спирты, альдегиды, кетоны и т.д.). Выбор методов определения таких ингредиентов более сложный, учитывая их большое разнообразие и значительный, часто несколько порядков, интервал смены концентраций.

С точки зрения методологии анализа важным является разделение химических ингредиентов природной среды на консервативные и неконсервативные.

Консервативными являются ингредиенты, концентрация (содержание) которых в отобранной для анализа пробе не изменяется на протяжении длительного времени. К этой группе принадлежат в основном ионы редких и редко-земельных металлов, некоторые неорганические анионы (Cl^-, SO₄^-2, F^-) и малореакционноспособные газы, в частности такие, как N₂, CO, инертные газы.

Неконсервативными являются ингредиенты, концентрация (содержание) которых в объекте анализа может значительно изменяться вследствие протекания физических, химических и биологических процессов. Большинство ингредиентов, особенно природных вод, входят именно в эту группу. Например, растворённый в воде кислород необходимо определять сразу после отбора пробы природной воды, потому что его концентрация зависит от температуры, а также изменяется вследствие протекания окислительно-восстановительных процессов и фотосинтетической деятельности водных организмов (гидробионтов). При хранении проб воды или влажного грунта концентрация нитрит - ионов может изменяться вследствие их химического и биологического окисления до нитратов или восстановления до аммонийного азота. Концентрация ионов тяжелых металлов может изменяться в нефильтрованной воде в результате их сорбции на взвесях или коллоидных частицах, на стекле и т.д.

Для определения неконсервативных ингредиентов, отобранные для анализа пробы необходимо мгновенно анализировать или консервировать.

При анализе природных объектов, особенно вод, часто возникает необходимость определить различные формы одного и того же ингредиента, которые могут иметь различные биологические и химические свойства. Например, в зависимости от рН воды карбонаты могут существовать в различных формах – СО₂,(Н₂СО₃), НСО₃ и СО₃^2‑, фосфаты – в основном как Н₂РО₄ и НРО₄^2-, сульфаты – в виде Н₂S и HS и т.д. Многозарядные ионы металлов могут в условиях природных вод существовать в виде суспендированных частиц, а растворённые формы – в виде свободных (точнее гидратированных или аквакомплексных) ионов, а также образовывать катионные, электронейтральные и особенно анионные комплексы с присутствующими в воде неорганическими и органическими лигандами природного или антропогенного происхождения. В таких случаях определяют общую концентрацию данного ингредиента, потом его содержание в звесях и коллоидах, а концентрацию каждой растворённой формы рассчитывают зная рН воды, её окислительно-восстановительный потенциал E_h, и концентрацию лигандов, или экспериментально определяют в неконсервированной или специально подготовленной пробе.

С экологической точки зрения чрезвычайно важным является то, что химические ингредиенты в природной среде могут быть токсичными или нетоксичными. Токсичными называют такие ингредиенты, которые при превышении некоторой предельно-допустимой концентрации (ПДК) вызывают гибель живых существ или ущемляют их жизнедеятельность. Для большинства токсикантов, какими в основном являются ингредиенты антропогенного происхождения (соединения ртути, кадмия, свинца, нитраты, продукты органического синтеза, нефтепродукты и т.д.), установлены две нормы ПДК – санитарно-гигиенические и рыбохозяйственные для природных вод. Последние являются более низкими, что вызвано большой чувствительностью рыб к токсикантам. Существует также много соединений природного происхождения, особенно органических, так называемых метаболитов жизнедеятельности и разложения представителей флоры и фауны, которые также проявляют токсичные свойства. Однако для таких веществ, часто неизвестного химического состава, нормы ПДК на сегодняшний день не разработаны.

Нетоксичными являются ингредиенты, которые необходимы для развития живых организмов или не влияют на их жизнедеятельность при определённых границах концентраций (содержания), характерных для данного природного объекта. Такими являются, например, ионы K, Na, Ca, Mg, гидрокарбонат – ионы, кислород, СО₂, силикаты в воде и почвах, белки, аминокислоты, карбоновые и оксикарбоновые кислоты и много других. Однако значительное превышение характерных для данного природного объекта концентрационных границ может привести к негативному влиянию нетоксичного ингредиента на развитие живых существ, т.е. на его превращение в токсичный. Например, при очень высокой концентрации СО₂ в воздухе человек задыхается. При увеличении концентрации минеральных солей в орошающих водах, в частности, сульфатов до 1,5 – 2 г/л и более происходит засаливание почв, что ухудшает развитие сельскохозяйственных культур. Значительное увеличение концентрации фосфатов в воде водохранилищ приводит к «цветению» воды и гибели рыбы и т.д.

Таким образом, экологическое состояние природной среды зависит от присутствия различных групп химических ингредиентов - природных и антропогенных, токсичных и нетоксичных, консервативных и неконсервативных, а также различных форм одного и того же ингредиента, которые специалист-аналитик должен уметь определить.

Химический состав, классификация и некоторые особенности природных вод

На планете есть большое количество воды, из которой 97,4 % по массе составляют морские и океанские воды. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой. Однако никогда и нигде вода в природе не бывает чистой из-за того, что она является наилучшим природным растворителем. При контакте с водой растворяются прежде всего твёрдые вещества – породы, минералы, соли. Вода растворяет также газы, что выходят из глубины Земли (СО₂, H₂S, CH₄ и др.), а в контакте с атмосферным воздухом в водах растворяются О₂, СО₂, N₂ и т.д. Большое значение при этом имеет растворённая угольная кислота, которая при взаимодействии с карбонатсодержащими минералами переводит их в хорошо растворимые гидрокарбонаты. Кроме того, в природных водах всегда есть значительное количество органических веществ – продуктов жизнедеятельности и разложения водных организмов (гидробионтов).

Большое разнообразие качественного и количественного химического состава природных вод не дает возможности классифицировать их по какому-либо одному признаку. С точки зрения аналитической химии наиболее приемлемой является классификация по содержанию основных солевых компонентов, которые составляют так называемую матрицу объекта анализа. Химический состав матрицы в большом количестве случаев является одним из важных факторов, который нужно иметь в виду при выборе метода анализа, подготовки пробы к анализу и выполнения аналитических операций.

Количественный состав матрицы природных вод характеризуется суммой солевых компонентов (главных ионов). Она создаёт так называемую минерализацию воды, которая выражается через Σ_i (г/кг). По величине минерализации природные воды подразделяются на 4 группы:

Таблица 1