Методы экологической оценки состояния водных объектов

Экология и здоровье

Методы экологической оценки состояния водных объектов

Автор: Редактор

Мы часто слышим, что водные объекты в Украине загрязнены, не соответствуют установленным нормам. Надеюсь, что для рядовых украинском, которые мало знакомы с экологией, интересно будет прочитать, как дается оценка состояния водных объектов.

Согласно Водному кодексу Украины, качество воды является характеристикой состава и свойств воды, определяющая ее пригодность для конкретного вида водопользования.

Поскольку не существует единого показателя, который характеризовал бы весь комплекс характеристик воды, оценка качества воды ведется на основе системы показателей. Показатели качества воды делятся на физические, бактериологические, гидробиологические и химические . Другой формой классификации показателей качества воды является их разделение на общие и специфические. К общим относят показатели, характерные для любых водных объектов. Присутствие в воде специфических показателей обусловлено местными природными условиями, а также особенностями антропогенного воздействия на водный объект.

Химический анализ природной воды имеет решающее значение в практике водоснабжения. Результаты анализа позволяют установить пригодность источника для питьевого и технического водоснабжения, наличие в воде вредных для организма загрязнений или соединений, которые способствуют ее коррозионной активности, вспенивание, образование накипи и др..

К химических показателей относят установление активной реакции воды, окисляемости, азотвмистких веществ, растворенных в воде газов, жесткости и щелочности, а также хлоридов, сульфатов, железа, марганца и других элементов.

К основным физических показателей качества воды относят:

Температура воды. В водных объектах температура является результатом одновременного действия солнечной радиации, теплообмена с атмосферой, переноса тепла течениями, смешивания водных масс и поступления нагретых вод из внешних источников. Температура влияет практически на все процессы, от которых зависит состав и свойство воды.Температура воды измеряется в градусах Цельсия ( 0 С ).

Запах. Запах воды создают специфические вещества, которые попадают в воду в результате жизнедеятельности гидробионтов, разложение органических веществ, химического взаимодействия компонентов, содержащихся в воде. Запах воды измеряется в баллах.

Прозрачность. Прозрачность воды зависит от степени рассеивания солнечных лучей в воде веществами органического и минерального происхождения. Прозрачность определяет протекание биохимических процессов, требующих освещения. Прозрачность измеряется в сантиметрах.

Водородный показатель (рН) - это ионы водорода, концентрация которых выражена через показатель рН =-log [H +], определяет кислотно-щелочное равновесие водных растворов, определяется концентрацией водородных ионов, точнее их активностью. От рН зависит развитие водных растений, характер протекания производительных процессов.

Активность зависит от состояния, концентрации каждого компонента раствора, температуры и давления.

Для большинства природных вод величина рН изменяется в пределах 6,5-8,5. На величину рН воды влияет повышенная концентрация гумусовых кислот, загрязнения водоема стоками промышленных предприятий и т.д.

Содержание взвешенных веществ. Источниками взвешенных веществ могут быть процессы эрозии почвы и горных пород, продукты метаболизма и разложения гидробионтов, продукты химических реакций и антропогенные источники.

Бактериологические показатели характеризуют загрязненность воды патогенными микроорганизмами. К ним относят: коли-индекс - количество кишечных палочек в одном литре воды; коли-титр - количество воды, в которой может находиться одна кишечная палочка.

Гидробиологические показатели позволяют оценить качество воды по животному населению и растительности водоема.

Химические показатели могут быть общими и специфическими. К числу общих химических показателей качества воды относят:

Растворенный кислород. Основными потребителями растворенного кислорода являются процессы дыхания гидробионтов и окисления органических веществ. Низкое содержание растворенного кислорода отображается на всем комплексе биохимических и экологических процессов в водном объекте.

Химическое потребление кислорода (ХПК). ХПК определяется как количество кислорода, который необходим для химического окисления в единице объема воды органических и минеральных веществ. Величина ХПК позволяет судить о загрязненности воды окисленными веществами, но не дает информации о составе загрязнения.

Биохимическое потребление кислорода (БПК). БСК определяется как количество кислорода, который необходим на биохимическое окисление в единице объема воды органических веществ за определенный промежуток времени. Существует БПК за пять суток ( БПК 5 ) и двадцать суток ( БПК 20 ).

Окисляемость воды. Наличие в природных водах органических и некоторых легко окисляемых неорганических примесей (сероводорода, сульфитов, закиси железа и др.). приводит определенную величину окисляемости воды. В связи с тем, что окисляемость поверхностных вод объясняется главным образом наличием органических веществ, то определение окисляемости, т.е. количества кислорода, который необходим для окисления смесей в данном объеме воды, является одним из косвенных методов определения органических веществ в воде.

Наименьшей величине окисляемости (2 мг О 2 / дм 3 ) характеризуются артезианские воды. Окисляемость грунтовых вод зависит от глубины их залегания. Грунтовые незагрязненные воды имеют окисляемость, близкую к окисляемости артезианских вод. Окисляемость чистых озерных вод в среднем составляет 5-8 мг / дм 3 кислорода; в речной воде она колеблется в широких пределах, доходя до 60 мг / дм 3 и более. Высокой окисляемостью воды отличаются реки, бассейны которых расположены в болотистых местностях. В болотных водах в некоторых случаях она достигает 400 мг / дм 3 . Окисляемость природных, особенно поверхностных вод, является величиной не постоянной. Изменение химической характеристики вещества, которое попадает в воду, изменяет величину ее окисляемости. Повышенная окисляемость воды свидетельствует о загрязнении источника и требует применения соответствующих мер по его охране при использовании для водоснабжения. Внезапное повышение окисляемости воды служит признаком загрязнения ее бытовыми стоками, поэтому величина окисляемости важная гигиеническая характеристика воды.

Дополнительные сведения о характере органических соединений, содержащихся в воде можно получить, сравнивая отношение цвета и окисляемости. Повышенное значение этого соотношения свидетельствует о преобладании в воде устойчивых веществ гумуса болотного происхождения, пониженное - о веществах гумуса планктонного происхождения. Средние значения характерны для грунтовых веществ гумуса.

Таким образом, определение окисляемости является не только способом установления концентрации органических веществ, но в сочетании с другими показателями, например с цветом, может служить и методом определения их происхождения.

Минеральный состав. Минеральный состав определяется по суммарному состав семи главных ионов: К + , Na + , Ca + , Mg 2 + , Cl - , SO 4 2 - , HCO 3 - . Главными источниками увеличения минерализации являются грунтовые и сточные воды.

Азотсодержащие вещества (ионы аммония, нитритные и нитратные ионы) образуются в воде в результате разложения белковых соединений, попадающих в нее почти всегда со сточными бытовыми водами. Белковые вещества под действием микроорганизмов подвергаются распаду, конечный продукт которого аммиак. Наличие последнего свидетельствует о загрязнении воды сточными водами.

Иногда в воде присутствуют ионы аммония неорганического происхождения, которые образуются в результате восстановления нитрата и нитритов гумусовыми веществами, сероводородом, закиснет железом и т. п. Наличие в воде ионов, образовавшихся таким путем, не опасен в санитарном отношении.

Если появление в воде азотсодержащих соединений происходит вследствие гниения белковых веществ, то такие воды непригодны для питья.

В природной воде ионы аммония неустойчивы и при окислении кислородом воздуха под действием бактерий постепенно превращаются в нитритные и нитратные ионы:

Образование нитратов и нитритов в воде может быть не только результатом описанных выше процессов. Нитрат, например, образуется при растворении нитратных солей грунтовыми водами. Восстанавливаясь, нитрат служит источником обогащения воды нитритами.

В поверхностных водах содержатся, главным образом, нитраты (количество их невелико 0,001-0,003 мг / дм 3 ). В артезианских водах содержание нитритов может достигать десятых долей миллиграмма в литре.

При наличии тех или иных азотсодержащих соединений судят о времени загрязнение воды стоками. Так, наличие в воде ионов аммония, и отсутствие нитритов указывает на недавнее загрязнение воды. Одновременное присутствие их свидетельствует о том, что с момента первичного загрязнения прошел уже какой-то промежуток времени. Отсутствие ионов аммония при наличии нитритов и особенно нитратов, говорит о том, что загрязнение произошло уже давно и вода за это время самоочистилася.

Повышенное содержание нитрата (более 50 мг / дм 3 ) в воде, постоянно используется для питья, приводит к нарушению окисляемого функции крови.

Нефтепродукты. К нефтепродуктам относят топлива, масла, битумы и некоторые другие продукты, которые представляют собой смесь углеводородов разных классов. Источниками поступления нефтепродуктов является их потери при добыче, переработке и транспортировке, а также сточные воды. Углеводороды, входящие в состав нефтепродуктов, осуществляющих токсическое, а в некоторых случаях, наркотическое действие на живые организмы, поражая сердечно-сосудистую и нервную систему.

Пестициды. Под пестицидами понимают большую группу искусственных хлорорганических и фосфорорганических веществ, которые используются в борьбе с сорняками, насекомыми и грызунами. Главным источником их поступления являются поверхностный и дренажный сток из сельскохозяйственный территорий. Пестициды обладают токсическим, мутагенным и кумулятивным действием, разрушаются медленно.

Тяжелые металлы. К числу наиболее распространенных тяжелых металлов относят свинец, медь, марганец, цинк, железо. Тяжелые металлы обладают мутагенным и токсическое действие, быстро снижают интенсивность биохимических процессов в водных объектах.

Железо и марганец. Форма, в которой присутствуют в природных водах железо и марганец, зависит от величины рН и содержания кислорода.

Окисление двухвалентного железа в воде с максимальной скоростью происходит при рН> 7, а двухвалентного марганца при рН> 9.

Гидрат оксида железа, образовавшегося в результате гидролиза и окисления двухвалентного железа, малорастворимых и благодаря защитному действию гумусовых веществ может присутствовать в природных водах в коллоидном состоянии.

Обычно содержание железа и марганца не превышает нескольких десятков миллиграммов в 1 л воды. Хотя вода содержит и более высокие количества этих ионов, абсолютно безвредна для здоровья, все же для питьевых, промышленных и хозяйственных целей она непригодна, поскольку имеет неприятный, чернильный или железистый привкус.

Наличие в воде железа и марганца может приводить к развитию в трубопроводах железистых и марганцевых бактерий. Продукты жизнедеятельности бактерий накапливаются в таких количествах, которые могут значительно уменьшить сечение водопроводных труб, а иногда и полностью их закупорить.

Химические показатели измеряются в г / м 3 , мг / дм 3 (мг / л) .

Методы исследования

В ходе исследования состояния окружающей среды количественному определению часто предшествует качественный анализ на наличие того или иного химического элемента, иона, соединения.

Химические методы

Титриметрический (объемный) метод анализа основан на определении общей и карбонатной жесткости воды, химического потребления кислорода (ХПК), биохимического потребления кислорода ( БПК 5 ), кислотности, щелочности, содержания растворенного кислорода и т.д..

Гравиметрический метод базируется на количественном переводе анализируемого компонента в малорастворимую соединение и взвешивании продукта после выделения, промывания, высушивания или прокаливания. Им определяют в природных и сточных водах железо (III) и алюминий в виде оксидов, хлориды, сульфаты, многие металлы и т.д..

Физико-химические методы

Эта группа методов основывается на химических реакциях, но определяют и физическую характеристику, зависит от содержания анализируемого вещества.

Фотометрический анализ определяет практически все химические элементы, кроме инертных газов; с их помощью определяют как макро-, так и микроколичества анализируемого компонента.

Хроматографический анализ используют для анализа окружающей среды.

Высокоэффективная жидкостная хроматография определяет соединения с малыми ПДК (биогенные амины, полиароматические углеводороды, гормоны, токсины).

Методом газожидкостной хроматографии определяют состав сточных вод предприятий, заводов органического синтеза.

Йонообминна хроматография. Определяют общую жесткость воды, содержание катионов тяжелых металлов в воде, почве, донных отложениях.

Электрохимические методы анализа

Потенциометрия. Используют для определения рН природных и сточных вод.

Вольтамперометрия. Этим методом в природных водах и почвах определяют содержание цинка, кадмия, свинца, меди.

Кондуктометрию используют для определения концентрации растворенных солей в питьевых водах и водах для теплообменного оборудования.

Методы

Спектральный анализ позволяет установить элементный, нуклидный, молекулярный состав вещества и его строение.

Методом пламенной фотометрии количественно определяют более 70 химических элементов, в том числе и катионы щелочных и тяжелых металлов в природных водах.

Масс-спектрометрией обнаруживают в почве тетрахлордибензодиоксин.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) отражает содержание различных форм алюминия и других металлов в природных водах.

Радиометрические методы анализа основаны на выявлении и измерении как естественной, так и искусственной радиоактивности.

Активационный анализ основывается на облучении нерадиоактивных элементов нейтронами, протонами и другими высоко энергетическими частицами, вследствие чего они приобретают радиоактивности.

Рентгеноспектрального анализа . Под влиянием рентгеновского излучения возникает вторичное излучение пробы, характер которого зависит от качественного и количественного состава анализируемого вещества.

Люминесцентный анализ основан на способности веществ излучать свет под действием различных возбудителей.

Сортовой анализ используют для определения различных видов топлива, выявление загрязнений. Этим методом анализируют природные и сточные воды, воздух, почва, продукты, определяют нефтепродукты, фенолы, медь.

Биохимические методы

Основу биологических и биохимических методов исследования составляют реакции растений, животных и микроорганизмов на действие определенного фактора. Изменения могут происходить на разном уровне: активности ферментов, проницаемости мембран и изменении других органелл клетки, отдельных органов, систем, организмов в целом, популяции, экосистемы.

Биологические методы широко используются с целью определения состояния окружающей среды ( биоиндикация ). Живые организмы часто является тест-объектами при изучении действия токсических веществ (определение ПДК и летальных доз), фармакологического эффекта лекарственных препаратов и т.д..

В большинстве случаев определяют активность ферментов, поскольку они имеют высокую чувствительность и избирательность действия и позволяют многочисленным химическим реакциям в живом организме происходить при обычных условиях.

Активность этих биохимических катализаторов зависит от многих факторов, поскольку они имеют белковую природу: рН среды, наличия отдельных катионов металлов, которые могут увеличивать или уменьшать их активность, окислительно-восстановительного потенциала и т.д..

Изучение ферментных реакций имеет огромное значение при исследовании функций и определении концентраций микроэлементов и других биологически активных соединений. Их активность может быть тестом при изучении загрязнения окружающей среды отдельными веществами, в частности тяжелыми металлами, действующих как ферментные яды; кислотными оксидами т.п..

Наиболее эффективным биохимическим методом оценки возможной опасности тех или иных источников загрязнения для водной флоры и фауны является биотестирования - экспериментальное определение токсичности воды для гидробионтов, основанного на регистрации реакций тест-объектов, с помощью которого можно установить токсическое действие загрязненной воды.

При контроле загрязнения водной среды биотестирования может обеспечить решение целого ряда задач:

• проведение токсикологической оценки промышленных и городских сточных вод при установившемся режиме сброса их в водные объекты с целью выявления потенциальных источников высокого и экстремально высокого загрязнения вод;

• контроль в оперативном и непрерывном режимах аварийных и других залповых сбросов высокотоксичных сточных вод;

• проведение оценки степени токсичности сточных вод на разных стадиях формирования для проектирования локальных очистных сооружений;

• контроль токсичности сточных вод, подаваемых на биологические очистные сооружения, с целью предупреждения поступления токсичных для биоценоза активного ила загрязняющих веществ;

• определение уровней безопасного разбавления сточных вод для гидробионтов по суммарной действия веществ, сбрасываемых с целью учета результатов биотестирования при корректировке и установлении предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ, поступающих в водные объекты со сточными водами;

• проведение экологической экспертизы новых технологий и материалов, проектов очистных сооружений, реконструкции и технического перевооружения народнохозяйственных объектов;

• осуществление оценки состояния природных вод и выявление акваторий с импактных уровнем загрязнения.

В последние десятилетия во многих странах биотестирования стало общепризнанным приемом в системе контроля загрязнения водной среды токсичными веществами. В ряде стран биотестирования уже стало обязательным элементом системы контроля загрязнения водных объектов токсичными веществами.

Для биотестирования применяется стандартный набор биотестов острой токсичности с использованием бактерий из рода Pseudomonas (ингибирование размножения на 99% в течение 48 часов); водорослей из рода Scenedesmus (снижение численности на 50% за 5 суток); дафний и рыб (гибель 50% лиц за 24 часа).

На основе изучения особенностей реагирования гидробионтов различных экологических и систематических групп на влияние токсичных компонентов промышленных, городских и сельскохозяйственных сточных вод (фенолов, амино-и нитросоединений, тяжелых металлов, нефтепродуктов, синтетических поверхностно активных веществ (СПАВ) и других) разработано большое количество методов биотестирования и их модификаций. Как тест-объекты использованы: бактерии, грибы и актиномицеты, водоросли, простейшие, беспозвоночные, рыбы.

В методах биотестирования с использованием бактерий регистрируются интенсивность размножения клеток, биолюминисценция, активность окислительных ферментов бактерий активного ила.

В Биотест с использованием плесневых грибов и актиномицетов регистрируются ростовая реакция тест-объектов.

В Биотест на водорослях используются различные реакции: интенсивность размножения клеток, биоэлектрическая реакция, плазмолиз, фотосинтетическая активность клеток, способность клеток к дифференцированной окраски.

В методах с использованием простейших регистрируются интенсивность размножения, двигательная активность и морфологические изменения тела.

В Биотест на дафнии учитываются выживание, плодовитость, интенсивность дыхания и сердцебиения. В методах с использованием других беспозвоночных регистрируются регенерация подошвы гидры, изменения поведения медицинской пиявки, морского гребешка.

У рыб в качестве тест-функции используются выживания, поведенческие реакции, двигательная активность, интенсивность сердцебиения и дыхания, способность к изменению пигментации кожных покровов.

Изменения в состоянии живых организмов, которые указывают на те или иные нарушения, могут быть морфологическими или функциональными. Изменения первого типа обнаруживают визуально, биометрическими измерениями, гистологическими и цитологическими исследованиями, а другого типа - физиологическими, биохимическими и биологическими методами.

В последние годы разработаны многочисленные новые методы для оценки присутствия токсикантов в природных и сточных водах и их биологического действия. Эти тесты связанные с эмбриологических наблюдениями над икрой рыб, лягушек, моллюсков.

Основные методы, рекомендуемые для первоочередного применения в контроле сточных вод и перспективны для оценки уровня загрязнения природных вод приведены в таблице.

Метод биотестирования с использованием рачка Dарhпиа таgпа рекомендован как первоочередной для контроля сточных вод в установившемся режиме и выявления потенциально опасных источников загрязнения водных объектов токсичными веществами.

Дафния, как живой организм, соответствует целому ряду условий, которые предъявляют к тест-объекта: доступность, скорость получения в массовом количестве и простота лабораторного культивирования, небольшой, и в то же время достаточно размер животного. К токсическим веществам молодежь дафний более чувствительна, чем взрослые особи, так как тест-объект рекомендуется использовать молодежь дафний в возрасте менее 24 часов.

 

Оставить комментарий