Изучение динамики рн и других параметров в течение дня на озере.

Студенты проводят измерение рН и других параметров в течение светового дня на выбранном водном объекте. После получения результатов необходимо построить график зависимости рН от времени. Проводится сравнение с параллельными экспериментами по динамике кислорода, перманганатной окисляемости, минерального фосфора, аммония, температуры с целью выявления закономерностей.

 

Изучение закономерности изменения рН и других параметров от глубины.

Проводится измерение рН и других параметров на достаточно глубоком водном объекте (желательно с выраженной стратификацией) на различных горизонтах. Строятся графики зависимости изучаемых параметров от глубины. Ход кривых будет зависеть от стратификации, прозрачности изучаемых водоемов и степени развития фитопланктона на различных горизонтах.

Метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии (ААС).

Принцип метода. Метод основан на поглощении излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра невозбужденными атомами элементов, находящихся в газообразном состоянии.

АА спектрофотометры имеют набор ламп, из которых каждая предназначена для определения одного (или нескольких) элемента. У ламп, которые служат источником электромагнитного излучения, имеются полые катоды из определенных элементов. Длины волн спектральных линий, излучаемые лампой и линии поглощения элемента в пробе соответствуют друг другу. Поглощение световой энергии, или атомную абсорбцию измеряют с помощью фотодетектора. Определяемые элементы переводят в газообразное атомное состояние. Это достигается двумя способами- или атомизацией в пламени, или атомизацией электрическим током в графитовой кювете. При пламенном способе “кюветой” служит пламя. Для получения пламени чаще всего применяют ацетилен, смешиваемый с воздухом. Воздушно-ацетиленовое пламя имеет температуру 2200-2400⁰ С. Длина поглощающего слоя пламени должна быть постоянной. Для этого используются специальные щелевые горелки. Атомное облако просвечивается специальной лампой.

Аппаратура. ААС с набором ламп на интересующие исследователя элементы (железо, марганец, цинк, никель, свинец, кадмий, и т. д).

Реактивы. Стандартные образцы растворов солей элементов (железо, марганец, цинк, никель, свинец, кадмий) для построения калибровочных графиков. Готовятся преподавателем.

Ход определения. Производится отбор и консервирование проб с целью проведения качественного и количественного анализа на присутствие в водоемах следующих элементов: железо, марганец, медь, цинк, никель, свинец. Анализы проб осуществляются на атомно-абсорбционных спектрофотометрах в 2-х лабораториях - лаборатории экспедиционных исследований кафедры экологической безопасности и устойчивого развития регионов и лаборатории кафедры геоэкологии и природопользования (СПбГУ, факультет географии и геоэкологии).

Создают таблицу аналогичную таблице 4 (п. 5.1.1.1)и строят калибровочные графики в координатах

1-T – концентрация элемента (мг/л). Затем создают таблицу 5.

Таблица 5. Рабочая таблица для определения концентрации металлов.

 

Элемент	ПДК в воде водоемов	Лимитиру-ющий показатель вредности	Коорди-наты отбора Пробы	1-T, где Т-величи-на пропус-кания света	Концентра-ция элемента (мг/л) (определяется по калиброво-чному графику)
железо	0,3 мг/л	органолеп-тический
марганец	0,1 мг/л	органолеп-тический
медь	1 мг/л	органолеп-тический
цинк	1 мг/л	общесани-тарный
никель	0,1 мг/л	санитарно-токсиколо-гический
свинец	0,03 мг/л	санитарно-токсиколо-гический
кадмий	0,001 мг/л	санитарно-токсиколо-гический

 

Далее интерпретируют полученные результаты. Атомно-абсорбционный метод позволяет определять только общую концентрацию определяемых химических элементов.

 

Расчет содержания железа в водном гуминовом веществе.

 

В связи с тем, что атомно-абсорбционный метод позволяет определить валовое содержание элементов, то, зная, например, общую концентрацию железа, можно вычесть минералькую составляющую (Fe II и III), определяемую методом фотоколориметрии и тем самым рассчитать содержание железа, присутствующее в воде в органической форме (гуминовые или фульвокислоты).

7. Хроматографические методы определения органических веществ.

В настоящее время при мониторинговых исследованиях окружающей среды наилучшими из инструментальных хроматографических методов определения качественного и количественного состава органических соединений являются гибридные.

Органические вещества, синтезируемые организмами во внешнюю среду, называют внеклеточной продукцией. Эти вещества являются метаболитами с различными функциями. Основной вклад во внеклеточную продукцию вносят фотосинтезирующие организмы. В морях и крупных глубоких озерах первостепенная роль принадлежит планктонным водорослям. Значительно меньше вклад от фитобентоса, перифитона (фитообрастаний) и макрофитов.

В составе внеклеточной продукции могут быть самые разнообразные органические соединения. Качественный состав веществ зависит от разнообразия форм фотосинтезирующих организмов в исследуемой системе, а количественный состав - от того, насколько синтезирующие их организмы продуктивны. Одни формы более продуктивны, другие менее продуктивны.

В состав внеклеточной продукции входят сахара, спирты, жирные кислоты и их эфиры, амины, различные углеводороды, и в том числе углеводороды, содержащие в молекуле атомы галогенов, фенольные группы и многие другие. Функции этих веществ в экосистемах могут быть очень многочисленными. Они служат различными хеморегуляторами и хемомедиаторами, часть из них используется в качестве пищевого ресурса для других организмов.

В связи с тем, что в объектах окружающей среды присутствуют сложные смеси соединений и концентрация каждого из них невелика, становится ясной необходимость применения гибридных методов исследования.

Принцип гибридных методов. Хроматограф позволяет разделить вещества, а спектральный детектор (масс-спектрометр, ИК-Фурье–спектрофотометр) - установить спектр вещества, являющийся его индивидуальной характеристикой. В случае наличия вещества в «библиотеке» данных гибридного прибора возможна расшифровка присутствующего соединения в исследуемой пробе.

 

Определение органических веществ в сложных природных смесях.

 

Аппаратура. Газовые хромато-масс- и хромато-ИК- Фурье спектрометры, делительная воронка, пузырьки на 50мл (можно от аптечной упаковки перекиси водорода) с коническими и завинчивающимися полиэтиленовыми пробками, пенициллиновые склянки, пробирка градуированная на 10 мл, планктонная сеть с диаметром ячеи (для фильтрации пробы), полипропиленовый стакан, делительная воронка, тщательно отмытая от смазки органическими растворителями, глазные ложки.

Реактивы.

Все реактивы должны быть марки о.с.ч., гексан для хроматографии

1. Гексан (С₆Н₁₄)

2. Бура (Na₂B₄O₇*10 H₂O) (для подщелачивания анализируемой воды)

3. Фосфорнокислый калий однозамещенный (KH₂PO₄)

Ход определения. Студенты должны произвести экстракцию в гексан (универсальный органический растворитель) присутствующих в воде низкомолекулярных органических веществ и проанализировать экстракты в Лаборатории экспедиционных исследований на хромато-масс и -ИК-Фурье спектрометрах (далее будут называться хроматографами). Экстракция производится в делительной воронке из 500 мл фильтрованной воды в 5 мл гексана как при подщелачивании (рН=9,1), так и при подкислении (рН=3,5-4) пробы воды. Эти операции необходимы, чтобы максимально перевести из воды интересующие РОВ в экстрагент. Можно произвести экстракцию без подщелачивания и подкисления. Это зависит от поставленной преподавателем задачи.

Сначала в делительную воронку наливают 500 мл воды, отмеренную мерным стаканом, добавляют 7 глазных ложек буры затем 5мл гексана, отмеренного градуированной пробиркой и далее производят перемешивание в течение 3 минут. Подобную операцию делают также при добавлении фосфорнокислого калия с добавлением 3-х глазных ложек. Далее экстракт отделяют от воды с помощью крана делительной воронки, сливая воду. Экстракт с небольшим количеством воды переносят в пенициллиновую склянку и затем в пузырек на 50 мл, стараясь последние капли воды оставить в пенициллиновой склянке.

Переходящие из воды вещества в органический растворитель концентрируются в нем в зависимости от коэффициента распределения между водой и гексаном.

Экстракты (объем пробы 1-2,5 мкл) анализируют на хроматографах на колонке с универсальной фазой. Режим работы подбирает преподаватель. Студенты должны идентифицировать только известные вещества (имеющиеся в «библиотеке» данных), рассчитать их концентрацию, проверить сходимость по масс- и ИК-спектрам.

С хроматографическими методами студенты знакомятся при прочтении курсов лекций «Физико-химические методы контроля окружающей среды» и «Гибридные метода исследования окружающей среды». В этих курсах предусмотрены также практические занятия, на которых они учатся анализировать пробы на хроматографах, расшифровывать хроматограммы и анализировать полученные результаты.

Методы хромато-масс- и хромато –ИК-Фурье -спектрометрии позволяют идентифицировать вещества до формулы при сравнении с «библиотекой» данных.

Наряду с веществами природного происхождения в исследуемых водоемах могут присутствовать вещества антропогенного происхождения. Поскольку в ряде случаев вещества, синтезированные человеком могут совпадать по формуле с веществами, синтезированными биотой, то правильная интерпретация полученных результатов будет зависеть от многофакторного анализа организмов и среды изучаемой экосистемы.

Выбор точек отбора проб на содержание низкомолекулярных соединений с целью сравнения полученных результатов обусловлен не только различием изучаемых гидросистем, но и с пространственными неоднородностями водной поверхности в отдельном выбранном водоеме. При этом могут наблюдаться различия в составе фитопланктона и его метаболитов между зонами поверхностных неоднородностей воды в водоемах, выглядящих как участки с гладкой зеркальной водой и водой покрытой рябью. Концентрации метаболитов фитопланктона с поверхностно активными свойствами будут значительно выше на участке акватории с гладкой поверхностью воды, чем на участке с рябью. В таких случаях студенты по полученным хроматограммам увидят разницу в содержании низкомолекулярных веществ, входящих в состав внеклеточной продукции водорослей в местах, где наблюдается «рябь» или «гладь».