Методы экологической оценки состояния водных объектов
Мы часто слышим, что водные объекты в Украине загрязнены, не соответствуют установленным нормам. Надеюсь, что для рядовых украинских, которые мало знакомы с экологией, интересно будет прочитать, как именно дается оценка состояния водных объектов.
Согласно Водным кодексом 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 источники для питьевого и технического водоснабжения, наличие в воде вредных для организма загрязнений или соединений, которые способствуют ее коррозионной активности, пиненню, образованию накипи и др.
К химическим показателям относят установление активной реакции воды, окислюваности, 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, смешивание 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 (0С).
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 продуктивных процессов.
Активность зависит от состояния, концентрации каждого компонента раствора, температуры и давления.
Обычно для большинства природных вод величина рН изменяется в пределах 6,5-8,5. На величину рН воды влияет повышенная концентрация гумусного кислот, загрязнение 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 лишь 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 отражается 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. Размер ХПК позволяет судить о загрязненности воды окисленными веществами, но не дает информации о составе загрязнения.
Биохимическое потребление кислорода (БПК). БСК определяется как количество кислорода, необходимое на биохимическое окисление в единице объема воды органических веществ за определенный промежуток времени. Существует БПК за пять суток (БПК5) и 20 суток (БПК20).
Окислюванисть воды. Наличие в природных водах органических и некоторых легко окислюваних неорганических примесей (сероводорода, сульфит, закиснет железа и др.) обусловливает определенную величину окислюваности воды. В связи с тем, что окислюванисть поверхностных вод объясняется главным образом наличием органических веществ, то определение окислюваности, т.е. количества кислорода, необходимого для окисления смесей в данном объеме воды, является одним из косвенных методов определения органических веществ в воде.
Наименьшей величиной окислюваности (2 мгО2/ дм3) характеризуются артезианские воды. Окислюванисть грунтовых вод зависит от глубины их залегания. Грунтовые незагрязненные воды имеют окислюванисть, близкую к окислюваности артезианских вод. Окислюванисть чистых озерных вод в среднем составляет 5-8 мг /дм3 кислорода; в речной воде она колеблется в широких пределах, доходя до 60 мг /дм3 и более. Высокой окислюванистю воды отличаются реки, бассейны которых расположены в болотистых местностях. В болотных водах в некоторых случаях она достигает 400 мг /дм3. Окислюванисть природных, особенно поверхностных вод, является величиной не постоянной. Изменение химической характеристики вещества, которое попадает в воду, изменяет величину ее окислюваности. Повышенная окислюванисть воды свидетельствует о загрязнении источника и требует применения соответствующих мер по его охране при использовании для водоснабжения. Внезапное повышение окислюваности воды служит признаком загрязнения ее бытовыми стоками, поэтому величина окислюваности важная гигиеническая характеристика воды.
Дополнительные сведения о характере органических соединений, содержащихся в воде можно получить, сравнивая отношение цвета и окислюваности. Повышенное значение этого соотношения свидетельствует о преобладании в воде устойчивых веществ гумуса болотного происхождения, сниженное - о веществах гумуса планктонного происхождения. Средние значения характерны для грунтовых веществ гумуса.
Таким образом, определение окислюваности 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+, Mg2 +, Cl-, SO42 -, HCO3-. Главными источниками увеличения минерализации является 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, образующиеся 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 белковым веществ, то такие воды непригодны для питья.
В природной воде ионы аммония неустойчивые 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 небольшое 0,001-0,003 мг /дм3) В артезианских водах содержание нитритов может достигать десятых долей миллиграмма в литре.
По наличию 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 /дм3) в воде, постоянно используемая для питья, приводит к нарушению окислюванои функции крови.
Нефтепродукты. К нефтепродуктов относят топлива, масла, битумы и некоторые другие продукты, представляющие 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, осуществляют токсичное, а в некоторых случаях, наркотическое действие на живые организмы, поражая сердечно-сосудистую и нервную систему.
Пестициды. Во пестицидами понимают большую группу искусственных хлорорганических и фосфорорганических веществ, используемых в борьбе с сорняками, насекомыми и грызунами. Главным источником их поступления являются поверхностный и дренажный сток из сельскохозяйственный территорий. Пестициды имеют токсическое, мутагенное и кумулятивную действие, разрушаются медленно.
Тяжелые металлы. К числу наиболее распространенных тяжелых металлов относят свинец, медь, марганец, цинк, железо. Тяжелые металлы имеют мутагенное 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 окиси железа, образовавшегося в результате гидролиза и окисления двухвалентного железа, малорастворимый и благодаря защитной действия 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, содержащая 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, могут значительно уменьшить сечение водопроводных труб, а иногда и полностью их закупорить.
Химические показатели измеряются в г / м3, мг / дм3 (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
Титрометричний (объемный) метод анализа основывается на определении общей и карбонатной жесткости воды, химического потребления кислорода (ХПК), биохимического потребления кислорода (БПК5), кислотности, щелочности, содержания растворенного кислорода и т.д.
Гравиметрический метод базируется на количественном переводе анализируемого компонента в малорастворимые 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 металлов и т.п.
Физико-химические методы
Эта группа методов основана на химических реакциях, но определяют и физическую характеристику, зависит от содержания анализируемой вещества.
Фотометрический анализ определяет практически все химические элементы, кроме инертных газов; с их помощью определяют как макро-, так и микроколичеств 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.
Ионообменным 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.
Кондуктометрия используют для определения концентрации растворенных солей в питьевых водах и водах для теплообменного оборудования.
Физические методы
Спектральный анализ позволяет установить элементный, нуклидний, молекулярный состав вещества и его строение.
Методом пламенной фотометрии количественно определяют более 70 химических элементов, включая катионы щелочных и тяжелых металлов в природных водах.
Масс-спектрометрией обнаруживают в почве тетрахлордибензодиоксин.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) отображает содержимое различных форм алюминия и других металлов в природных водах.
Радиометрические методы анализа основаны на выявлении и измерении как естественного, так и искусственной радиоактивности.
Активационный анализ основывается на облучении нерадиоактивных элементов нейтронами, протонами и другими высоко энергетическими частицами, вследствие чего они приобретают радиоактивности.
Рентгеноспектральный анализ. Под влиянием рентгеновского излучения возникает вторичное излучение пробы, характер которого зависит от качественного и количественного состава анализируемой вещества.
Люминесцентный анализ основывается 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 используют с целью определения состояния окружающей среды (биоиндикация. Живые организмы часто тест-объектами при изучении воздействия токсичных 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 воздействия и дают возможность 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, которые действуют как ферментные яды; кислотными оксидами т.д.
Наиболее эффективным биохимическим методом оценки возможной опасности тех или иных источников загрязнения для водной флоры и фауны является биотестирование - экспериментальное определение токсичности воды для гидробионтов, основанного на регистрации реакций тест-объектов, с помощью которого можно установить токсичное воздействие загрязненной воды.
При контроле загрязнения воды 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, которые подаются 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 воды токсичными веществами. В ряде стран биотестирования уже стало обязательным элементом системы контроля загрязнения водных объектов токсичными веществами.
Для биотестирования применяется стандартный набор биотестов на острую токсичность 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); Дафни 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 биотестов с использованием плесневых грибов и актиномицетов регистрируются ростовая реакция тест-объектов.
В биотестов на водорослях используются разные 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 биотестов 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 как 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, гистологических и цитологических 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 достаточный размер животного. К токсичных веществ молодежь Дафни более чувствительна, чем взрослые особи, так как тест-объект рекомендуется использовать молодежь Дафни в возрасте менее 24 часов.
Таблица
Перечень методов биотестирования, рекомендуемые для первоочередного применения в контроле качества вод и перспективных для оценки уровня токсического загрязнения природных вод
Название метода основанного на регистрации параметров
Прием или устройство для осуществления метода
Область применения в контроле вод
Выживание и плодовитость рачка Dарhnиа mаgnа
Визуальные наблюдения невооруженным глазом
Сточные и природные воды
Двигательная активность выживания и темп роста инфузорий
Микроскопиювання
Сточные и природные воды
Иммобилизация клеток водоросли дуналиела Салина
Микроскопиювання
Сточные и природные воды
Уровень общей и замедленного флуоресценции водорослей
Флуориметр
Сточные и природные воды
Ростова реакция бактерий
Фотоелектроколориметр
Природные воды
Выживание и регенерация в гидры
Микроскопиювання, визуальные наблюдения
Природные воды
Биотестирования природных вод имеет ряд отличий от простого биотестирования стока или отдельной химического соединения, поскольку надо учесть более экологических факторов и химических соединений. При биотестирования природных вод решаются две задачи:
1) получение систематической информации о возможной токсичности воды (водной толщи и придонных слоев) и донных отложений водоема и ее конкретных участков;
2) получение экспресс-информацию о токсичности отдельных проб или токсичное загрязнение водоема или ее отдельного участка в связи с аварийной ситуацией.
