МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверской государственный университет»

Биологический факультет

Кафедра ботаники

УТВЕРЖДАЮ

Руководитель ООП проф. А.Н. Панкрушина «»2012 г.

Учебно-методический комплекс по дисциплине

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Для студентов II курса Направление подготовки 020400.68 БИОЛОГИЯ Программа специализированной подготовки магистров «Экология»

Квалификация (степень) Магистр Форма обучения Очная Обсуждено на заседании кафедры Составитель:

К.б.н., доцент кафедры ботаники «» 2012 г. Мейсурова А.Ф.

Протокол № Зав. кафедрой Дементьева С.М.

Тверь 1. Пояснительная записка В настоящее время неуклонно растут объемы поступления загрязняющих веществ в атмосферу, водные объекты, в том числе и в источники питьевого водоснабжения, почву. В этой связи актуальным становится разработка методик позволяющих объективно оценивать качество воздуха, воды и почвы, определение отдельных характеристик. Образование современного студента по магистерской программе Экология направления 020200.68 Биология предполагает знание этих методик, поэтому в рамках курса по выбору «Методы исследования окружающей среды» проводится цикл практических работ посвященных ознакомлению и освоению основных химико-аналитических, физико-химических и биоиндикационных способов оценки качества воздуха, воды и почвы.

Цель курса: знакомство с основными методиками и направлениями организации работ по экологической оценке воздуха, воды и почвы.

Задачи курса:

1) получить основные представления о разнообразии физико-химических методов оценки качества воздуха, воды и почвы;

2) освоить методики проведения химико-аналитических, физикохимических и биоиндикационных способов оценки качества воздуха, воды и почвы;

3) развить у студентов умения и навыки осуществлять экспериментальные работы.

4) развить умения поисково-исследовательской работы.

Место дисциплины в структуре подготовки магистра по направлению 020400.68 Биология:

При изучении курса «Методы исследования окружающей среды»

нужны знания и умения, приобретенные в процессе освоения курсов химии, экологии, основы природопользования, экологический мониторинг, глобальные экологические проблемы.

Настоящий курс является курсом по выбору магистерской программы Экология по направлению Биология, предполагает сознательную заинтересованность избравших его студентов, и, как следствие, большой объем самостоятельной работы. Курс читается в течение первого семестра курса и заканчивается экзаменом.

Общая трудоемкость дисциплины: 3 ЗЕТ, 180 часов, из них 48 часов аудиторная нагрузка, 69 часов самостоятельная работа студента.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

знать методы экологического мониторинга – биоиндикационные, физико-химические оценки состояния отдельных природных сред; методы их установления; загрязнители отдельных природных сред.

уметь работать со справочными материалами; активизировать теоретические знания применительно к практическим ситуациям; применять новейшие физико-химические методы при оценке качества отдельных природных сред;

владеть методикой решения аналитических задач и навыками формулировки логических заключений по результатам проведенного анализа.

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля):

способен к инновационной деятельности (ОК-2);

способен самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-6).

самостоятельно анализирует имеющуюся информацию, выявляет фундаментальные проблемы, ставит задачу и выполняет полевые, лабораторные биологические исследования при решении конкретных задач по специализации с использованием современной аппаратуры и вычислительных средств, демонстрирует ответственность за качество работ и научную достоверность результатов (ПК-3);

профессионально оформляет, представляет и докладывает результаты научно-исследовательских и производственно-технологических работ по утвержденным формам (ПК-9);

применяет методические основы проектирования и выполнения полевых и лабораторных биологических и экологических исследований с использованием современной аппаратуры и вычислительных комплексов (в соответствии с целями магистерской программы), генерирует новые идеи и методические решения (ПК-12);

планирует и проводит мероприятия по оценке состояния и охране природной среды в соответствии со специализацией (ПК-14);

использует знание нормативных документов, регламентирующих организацию и методику проведения научно-исследовательских и производственно-технологических биологических работ (в соответствии с целями ООП магистратуры), способен руководить рабочим коллективом, обеспечивать меры производственной безопасности (ПК-15);

Формы контроля.

Входной контроль - тестирование Текущий контроль: экспресс-опрос на знание понятийного аппарата, коллоквиумы, конференции, рефераты, доклады.

Рубежный контроль проводится между модулями - тестирование, обобщающие индивидуальные работы Итоговый контроль – экзамен.

2. Учебная программа 1. Введение. Современные представления о мониторинге состояния окружающей природной среды. Методы экологического мониторинга:

биоиндикационные, физико-химические. Загрязнители отдельных природных сред и методы их установления. Правила лабораторной техники.

2. Физико-химические методы оценки состояния экологических сред. Параметры оценки экологического состояния вод. Воды питьевая, природные (водоемов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйтвенного назначения), сточные (нормативно-очищенные, стоки неизвестного происхождения, ливневые). Методика взятия пробы: отбор проб водопроводной воды, отбор проб из рек и ручьев, отбор проб из прудов, озер, водохранилищ, отбор проб из родников, колодцев. Хранение проб.

Оценка органолептических свойств воды - обязательная начальная процедура санитарно-химического контроля воды. Показатели, характеризующие органолептические свойства воды: цветность, запах, мутность, прозрачность, или светопропускание, вкус и привкус, пенистость.

Показатели, характеризующие химический состав воды: водородный показатель (pH), сухой остаток, щелочность и кислотность, общая жесткость воды, содержание кальция и магния, карбонатов и гидрокарбонатов, хлоридов, «активного хлора», сульфатов, железа (Fe2+, Fe3+), свинца.

2 группы показателей, характеризующие эпидемическую безопасность воды: санитарно-микробиологические, санитарно-химические. Показатели, характеризующие эпидемическую безопасность воды: содержание нитритов, нитратов, аммония, значение пермангонатной окисляемости, растворенного кислорода, биохимическое потребление кислорода.

Расчет интегральной оценки качества воды.

3. Физико-химические методы оценки состояния экологических сред. Параметры оценки экологического состояния почвы. Общие свойства почвы. Показатели естественного состояния (кислотность, содержание солей, гумуса). Нарушение почв. Характеристика загрязнения почвы. Методика взятия и подготовки почвенных проб, их анализ.

Загрязнение атмосферы и оценка ее качества физикохимическими и биоиндикационными методами. Определение общей массы растворимых и нерастворимых твердых веществ в атмосферных осадках.

Определение массы нерастворимых и растворимых веществ в атмосферных осадках. Определение загруженности улиц автотранспортом. Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами автотранспорта на участке магистральной улицы (по концентрации СО).

Расчет выбросов оксида углерода, углеводородов, оксидов азота и серы, сажи в атмосферу автотранспортными средствами.

3. Рабочая учебная программа биоиндикационные, физико-химические. ЗЕТ методы их установления.

состояния вод. Воды питьевая, природные, сточные. Методика взятия пробы, хранение проб.

состав воды эпидемическую безопасность воды состояния почвы, общие свойства почвы, показатели естественного состояния и нарушения.

проб, их анализ.

качества физико-химическими и биоиндикационными методами растворимых веществ в атмосферных осадках.

автотранспортом.

автотранспорта на участке магистральной улицы (по концентрации СО).

углеводородов, оксидов азота и серы, сажи в атмосферу автотранспортными средствами.

4. Планы и методические указания По теме «Физико-химические методы оценки состояния экологических сред. Параметры оценки состояния воды» разработано методическое пособие для выполнения лабораторных работ. Практическое пособие включает теоретический материал и рекомендации посвящены вопросам практической оценки качества питьевой воды, а также сточных и поверхностных вод химико-аналитическими и физико-химическими методами.

В предлагаемом методическом пособии все практические работы для удобства сгруппированы в четыре раздела. В первом разделе оцениваются показатели, характеризующие органолептические свойства; во втором показатели, характеризующие химический состав воды; в третьем показатели, характеризующие эпидемическую безопасность, а в четвертом – приводится расчет интегральной оценки качества воды. Завершают каждый раздел курса примерные перечни контрольных вопросов для закрепления и активизации знаний, полученных в ходе выполнения заданий. В приложении приводятся способы консервации, особенности отбора и хранения проб, приготовления реактивов и растворов для анализов, также дан перечень приборов, материалов и реактивов, используемых в работе по данному курсу.

По теме «Физико-химические методы оценки состояния экологических сред. Параметры оценки состояния почвы» ход работы приведен ниже.

Тема: Определение физических свойств почв.

Цель: знакомство с методом определения биологической активности почвы.

Оборудование и материалы: чашка Петри, 0,1 н. раствор КОН, 0,05 н.

раствор HCl фенолфталеин, сосуд.

Ход работы:

Биологическая активность почвы выражается суммарным проявлением активности биохимических процессов и характеризует размеры и направление прекращения веществ и энергии в почве, происходящего под действием живых организмов.

Показатели биологической активности почвы могут быть использованы при тестировании состояния почв. При загрязнении почв небольшими количествами органических соединений может наблюдаться возрастание некоторых показателем биологической активности, так как более интенсивно развиваются группы микроорганизмов, участвующих в переработке дополнительных субстратов (фенолов, углеводородов). При загрязнениях тяжелыми металлами, оксидами серы, большими количествами различных органических веществ, преобладает токсический эффект, вследствие чего биологическая активность подавляется.

В качестве показателей активности, характеризующих экологическое состояние почвы, в литературе чаще всего рекомендуются следующие:

выделение почвами диоксида углерода (дыхание почвы), активность ферментов, токсичность почв по отношению к тестовым организмам, различные аппликационные методы.

Интегральной характеристикой напряженности микробиологических процессов является скорость выделения углекислого газа. В большинстве случаев, чем она выше, тем лучше экологическое состояние почвы. В оптимальных условиях скорость выделения углекислого газа может достигать нескольких кг/га в час.

Определение дыхания почвы этим методом заключается в том, что поверхность почвы изолируют от окружающего воздуха сосудом, под которым помещают чашку с 2 мл 0,1 н. раствора КОН для поглощения углекислого газа. Через определенное время (0,5-1 час) сосуд-изолятор снимают, щелочь оттитровывают 0,05 н. раствором HCl по фенолфталеину до обесцвечивания. Одновременно делают контрольные измерения (изолятор и щелочь ставят не на почву, а в какой-либо плоскодонный сосуд и также изолируют от воздуха). По разнице титрования определяют количество выделившегося из почвы углекислого газа. Расчет проводят по формуле:

где F - скорость выделения углекислого газа из почвы, кг/га в час;

а - объем 0,05 н. HCI, пошедший на титрование щелочи при определении содержания углекислого газа в воздухе контрольного сосуда, мл;

б - объем 0,05 и. НСl, пошедший на титрование щелочи при определении содержания углекислого газа в воздухе сосуда-изолятора па почве, мл;

1,1 - масса углекислого газа, эквивалентная 1 мл 0,05 н. раствора кислоты, мг;

100 - пересчетный коэффициент (1 мг/см2 = 100 кг/га);

S - площадь почвы под сосудом-изолятором, см2;

t - время экспозиции, час.

Тема: Параметры оценки экологического состояния почвы.

Цель: провести качественное определение легко- и среднерастворимых форм химических элементов в почвах городских улиц.

Оборудование и материалы: весы с разновесами; колбы на 200 и мл; воронки; стеклянные палочки; фильтры; пробирки; 10% и 37%-ная соляная кислота; конц. азотная кислота; азотокислое серебро - AgNO3; 20%ный раствор хлористого бария - ВаС12, раствор дифениламина в серной кислоте; 4%-ный раствор щавелевокислого аммония - (NH4)2C2O4.

Ход работы Приготовление почвенной вытяжки Образец ранее приготовленной почвы (растертой и просеянной) взвешивают (25 г), переносят в коническую колбочку на 100 мл, заливают 50 мл дистиллированной воды без СО2, взбалтывают 15 мин, отстаивают 5 мин, фильтруют через воронку со складчатым фильтром, сливая раствор по стеклянной палочке, наливая каждый раз немного более чем до половины фильтра.

Определение хлор-иона Берут в пробирку 5 мл водной вытяжки, подкисляют азотной кислотой (1-2 капли) для разрушения бикарбонатов, прибавляют несколько капель азотнокислого серебра, перемешивают. По характеру осадка AgC1 судят о содержании хлор-иона.

Большой хлопьевидный Определение сульфат-иона Фильтрат водной вытяжки в количестве 2 см3 отливают в пробирку, добавляют несколько капель концентрированной соляной кислоты и 1-2 см раствора хлористого бария. Раствор в пробирке нагревают до кипения. При наличии сульфатов происходит реакция:

Сульфат бария выпадает в виде белого мелкокристаллического осадка.

Большой, выпадающий Муть, выделяющаяся при перемешивании Определение кальция Фильтрат водной вытяжки в количестве 3 см3 наливают в пробирку, подкисляют 1-2 каплями 10%-ной соляной кислоты и добавляют 1,5-2 см 4%-ного раствора щавелевокислого аммония (оксалата аммония).

При наличии кальция протекает реакция:

Большой, быстро оседающий на дно Медленно появляющаяся слабая муть Определение нитратов В пробирку переносят 2 см3 фильтрата водной вытяжки и по каплям добавляют раствор дифениламина в серной кислоте. При наличии нитратов раствор окрашивается в синий цвет.

Задание:

Анализируя рисунок, ответьте на следующие вопросы:

1. Внесите в рисунок недостающие компоненты.

2. Как отразится на биоценозе водоема воздействие кислотных, дождей (образовавшихся с участием SO2), выпавших в почву?

По теме «Загрязнение атмосферы и оценка ее качества физикохимическими и биоиндикационными методами» ход работы приведен ниже.

Тема: Определение общей массы растворимых и нерастворимых твердых веществ в атмосферных осадках Оборудование: стеклянная или пластиковая посуда с площадью отверстия не менее 50 см2; химический стакан; мерный цилиндр; сушильный шкаф;

аналитические весы.

Ход работы Правила сбора осадков. Для сбора атмосферных осадков (дождя и снег) используют чистую стеклянную или пластиковую посуду с площадью отверстия не менее 50 см2. Для быстрого сбора осадков желательно применять посуду большего диаметра (например, стеклянный кристаллизатор). Посуду ставят на высоте не менее 2 м под открытым небом на срок 2—4 недели. По истечении этого срока пробы осадков собирают и по возможности в тот же день исследуют в лаборатории.

Для определения твердых веществ используют метод выпаривания собранного количества осадков с последующим взвешиванием полученного сухого остатка. Для этого возьмите чистый сухой стакан и взвешайте его на аналитических весах с точностью до десятитысячных долей грамма. Поместите в него 100 мл исследуемой пробы атмосферных осадков, которые далее выпарьте в сушильном шкафу при температуре 100— 110 °С. По разности масс стакана с полученным сухим остатком и пустого стакана вычислите массу твердых веществ в анализируемой пробе:

Затем вычислите массу твердых веществ, выпадающих на 1 м2 поверхности Земли за месяц.

Тема: Определение массы нерастворимых веществ в атмосферных осадках Оборудование: фильтры; воронка; коническая колба; мерный цилиндр;

сушильный шкаф; аналитические весы; дистиллированная вода.

Ход работы 100 мл атмосферных осадков отфильтруйте через предварительно взвешенный чистый сухой фильтр. Фильтр с полученным твердим осадком высушите в сушильном шкафу при температуре 40—50°С до постоянной массы. По разности масс фильтра с сухим осадком и чистого фильтра вычислите массу нерастворимых твердых веществ в исследуемой пробе:

Для получения достоверных результатов выполните параллельно холостой опыт. Для этого через предварительно взвешенный сухой чистый фильтр отфильтруйте 100 мл дистиллированной воды. Затем высушите фильтр в сушильном шкафу при температуре 40—50 °С и взвешайте его.

Операцию высушивания и взвешивания повторите до постоянной массы, как и с атмосферными осадками. Теоретически масса фильтра не должна измениться (дистиллированная вода не содержит твердых веществ). Если разность масс, тем не менее, фиксируется, то эту погрешность учтите при определении массы нерастворимых веществ в исследуемых осадках.

Тема: Определение загруженности улиц автотранспортом Оборудование: калькулятор; ручка; блокноты; секундомер; линейка.

Ход работы Студенты разделяются на группы по 3-4 человека (один считает, другой записывает, остальные дают общую оценку обстановки). Группы по 3-4 человека распределяются на определенных участках разных улиц с односторонним движением. В случае двустороннего движения каждая группа располагается на своей стороне. Сбор материала по загруженности улиц автотранспортом может проводиться как путем разового практического занятия, так и более углубленно (для курсовых, дипломных работ) с замерами в 8,13 и 18 часов, в ночные часы. Из ряда замеров вычисляют среднее.

Интенсивность движения автотранспорта определяется методом подсчета автомобилей разных типов 3 раза по 20 мин в каждом из сроков.

Учет ведется способом точкования. Автомобили разделяют на три категории: с карбюраторным двигателем, дизельные, автобусы «Икарус», Данная практическая работа дает возможность оценить загруженность участка улицы разными видами автотранспорта, сравнить в этом отношении разные улицы и изучить окружающую обстановку. Собранные параметры необходимы для расчетов уровня загрязнения воздушной среды, предлагаемого в следующей работе.

согласно данным, представленным в таблице 3. Запись данных оформляется согласно таблице 1.

По итогам подсчетов производят оценку движения транспорта по отдельным улицам. Строят графики для каждого типа автотранспортных средств: по оси ординат откладывают время суток (часы), а по оси абсцисс — число автомобилей (в шт.).

На каждой точке наблюдений производится оценка улицы.

1.Тип улицы: городские улицы с односторонней застройкой (набережные, эстакады, виадуки, высокие насыпи), жилые улицы с двусторонней застройкой, дороги в выемке, магистральные улицы и дороги с многоэтажной застройкой с двух сторон, транспортные тоннели и др.

2.Уклон. Определите глазомерно или эклиметром 3.Скорость ветра. Определите анемометром.

4.Относительная влажность воздуха. Определите психрометром.

5.Наличие защитной полосы из деревьев и др.

Итогом работы является суммарная оценка загруженности улиц автотранспортом согласно ГОСТ-17.2.03-77: низкая интенсивность движения - 2,7-3,6 тыс. автомобилей в сутки, средняя - 8-17 тыс. и высокая тыс.

Произведите сравнение суммарной загруженности различных улиц города в зависимости от типа автомобилей, дайте объяснение различий.

Тема: Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами автотранспорта на участке магистральной улицы (по концентрации СО) Оборудование: калькулятор; блокноты, секундомер, ручка.

Ход работы Формула оценки концентрации окиси углерода (КСО):

где:

0,5 - фоновое загрязнение атмосферного воздуха нетранспортного происхождения, мг/м3, N - суммарная интенсивность движения автомобилей на городской дороге, KT - коэффициент токсичности автомобилей по выбросам в атмосферный воздух окиси углерода, КА - коэффициент, учитывающий аэрацию местности, КУ - коэффициент, учитывающий изменение загрязнения атмосферного воздуха окисью углерода в зависимости от величины продольного уклона, КС - коэффициент, учитывающий изменения концентрации окиси углерода в зависимости от скорости ветра, КВ - то же в зависимости от относительной влажности воздуха, КN - коэффициент увеличения загрязнения атмосферного воздуха окисью углерода у пересечений.

Коэффициент токсичности автомобилей определяется как средневзвешенный для потока автомобилей по формуле:

Pi, - состав автотранспорта в долях единицы, КTi - определяется по табл. 2.

Подставив значения согласно заданию (или собственные данные) получаем:

Значение коэффициента КА, учитывающего аэрацию местности, определяется по табл. 3.

Магистральные улицы и дороги с многоэтажной застройкой с 1, двух сторон Жилые улицы с одноэтажной застройкой, улицы и дороги в 0, выемке Городские улицы и дороги с односторонней застройкой, 0, набережные, эстакады, виадуки, высокие насыпи Для магистральной улицы с многоэтажной застройкой КА = 1.

Значение коэффициента КУ, учитывающего изменение загрязнения воздуха окисью углерода в зависимости от величины продольного уклона, определяем по табл. 4.

Коэффициент изменения концентрации окиси углерода в зависимости от скорости ветра Кс определяется по табл. 5.

Значение коэффициента КВ, определяющего изменение концентрации окиси углерода в зависимости от относительной влажности воздуха, приведено в табл. 6.

Коэффициент увеличения загрязнения воздуха окисью углерода у пересечений приведен в табл. 7.

Регулируемое пересечение:

Нерегулируемое:

Подставьте значения коэффициентов, оцените уровень загрязнения атмосферного воздуха окисью углерода по формуле (1). ПДК выбросов автотранспорта по окиси углерода равно 5 мг/м3.

Ответьте на вопрос.

За счет, каких мероприятий возможно снижение уровня выбросов? (не менее 4 условий) Тема: Расчет выбросов оксида углерода, углеводородов, оксидов азота и серы, сажи в атмосферу автотранспортными средствами Оборудование: ручка, линейка, блокноты, секундомер, калькулятор.

Ход работы 1. Легковые автомобили Массовый выброс загрязняющих веществ легковыми (грузопассажирскими) автомобилями с определенным объемом двигателя при движении по территории населенных пунктов Мij рассчитывается по формуле:

где:

Мij - массовый выброс i загрязняющего вещества легковым автомобилем с двигателем j-ro рабочего объема;

mij - пробеговый выброс i-ro загрязняющего вещества легковым автомобилем с двигателем j-ro рабочего объема, г/км (таб. 8);

LJ - суммарный пробег легковых автомобилей с двигателями j-ro рабочего объема по территории населенных пунктов, км; Lj = NjL, где Nj-число автомобилей каждого типа за 1 ч; L - длина участка, км;

Кri - коэффициент, учитывающий изменение выбросов загрязняющих веществ при движении по территории населенных пунктов (табл. 9).

Таблица 8. Пробеговые выбросы загрязняющих веществ легковыми автомобилями по территории населенных пунктов (mij, г/км) менее 1,3 л Примечание: СО - оксид углерода; СН - углеводороды; NO, - оксиды азота; С - твердые частицы (сажа); SO, - сернистый газ.

Таблица 9. Значение Кri в зависимости от типа населенных пунктов млн. чел.

тыс. чел. до 1 млн. чел.

100 тыс. чел.

2. Грузовые автомобили Массовый выброс загрязняющих веществ, выбрасываемых грузовыми автомобилями на территории населенных пунктов, рассчитывается по формуле:

где:

Мiks - массовый выброс i загрязняющих веществ выбрасываемых грузовыми автомобилями с k-ой грузоподъемности с двигателями s-ro типа;

miks - пробеговый выброс i-ro загрязняющего вещества грузовыми автомобилями к-ой грузоподъемности с двигателями s-ro типа, г/км (табл. 10);

Lks - суммарный пробег по территории населенных пунктов грузовых автомобилей k-ой грузоподъемности с двигателями s-ro типа, км, где Lks = Nks L, где Nks - число автомобилей каждого типа за 1 ч; L - длина участка, км;

Кris - коэффициент, учитывающий изменение выбросов загрязняющих веществ при движении по территории населенных пунктов (табл. 11);

Кnis - коэффициент, учитывающий изменение пробегового выброса от уровня использования грузоподъемности и пробега (табл. 12, 13).

Таблица 10. Пробеговые выбросы загрязняющих веществ при движении грузовых автомобилей по территории населенных пунктов (miks, г/км) Таблица 11. Значения Krh в зависимости от типа населенных пунктов млн. чел тыс.- млн. чел.

Прочие населенные пункты Примечание: * - Б - бензиновый, Д - дизельный, Г - газовый (сжатый газ).

Таблица 12. Значения Кris для грузовых автомобилей с бензиновыми и Загрязня- Коэффициент Значение Кris в зависимости от коэффициента