«Экологический мониторинг»

1. Понятие об экологическом мониторинге 

 

Известно, что искусственные спутники Земли ведут успешные наблюдения за состоянием биосферы Земли и предоставляют такую информацию, которую трудно или невозможно добыть в результате наземных наблюдений. 

Задачами мониторинга могут быть, например, наблюдение или слежение за динамикой популяций вредных организмов, в частности насекомых, на больших площадях, учет движения популяций охраняемых видов животных и др. Мониторинг позволяет прогнозировать возможный ущерб лесам и полям от вредителей и болезней, а также сроки нанесения этого ущерба. 

Согласно Н.Ф. Реймерсу «Мониторинг – слежение, за какими-то объектами или явлениями в приложении к среде жизни. Мониторинг окружающей среды – слежение за состоянием окружающей человека природной среды и предупреждение о создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей и других живых организмов».

Потребность в общем мониторинге человеческой деятельности непрерывно возрастает. Например, за последние 10 лет синтезировано более 4 млн. новых химических соединений, ежегодно производится около 30 тыс. видов химических веществ в количестве более 1 т в год каждое. Мониторинг за каждым из веществ нереален. Он может вестись лишь обобщенно за интегральным воздействием человека на условия собственного существования и на природу.

Термин «мониторинг» вошел в научный оборот из англоязычной литературы и происходит от англ. слова monitoring – контрольное наблюдение.

Понятие «мониторинг» подразумевает постоянное контролирование чего-либо, проведение постоянного наблюдения за чем-либо. Это понятие было впервые введено Р. Менном в 1972 г. на Стокгольмской конференции ООН по охране ОС и с тех пор постоянно развивается и обсуждается на различных международных конгрессах.

У нас в стране одним из первых теорию мониторинга стал разрабатывать Ю.А. Израэль. Уточняя определение мониторинга окружающей среды, он сделал акцент не только на наблюдении, но и на прогнозе, введя в определение термина «мониторинг» антропогенный фактор как основную причину этих изменений. Мониторингом окружающей среды он называет систему наблюдений, оценки и прогноза антропогенных изменений состояния окружающей природной среды. Объектами мониторинга являются: атмосфера, гидросфера, литосфера, почва, земельные, лесные, рыбные, сельскохозяйственные и другие ресурсы и их использование, биота, природные комплексы и экосистемы.

Мониторинг включает в себя следующие основные элементы:

наблюдение за факторами, воздействующими на окружающую природную среду, и за состоянием среды;

оценка фактического состояния природной

прогноз состояния окружающей природной среды.

Главные задачи мониторинга:

организация широких наблюдений за изменением состояния биосферы, особенно за изменениями, обусловленными деятельностью человека;

обнаружение источников воздействия, а также причин возникших изменений;

оценка наблюдаемых изменений, выявление антропогенных эффектов;

прогноз и определение тенденций в изменении состояния биосферы.

Целями мониторинга являются:

наблюдение за происходящими в окружающей природной среде физическими, химическими, биологическими процессами, за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, почв, водных объектов, последствиями его влияния на растительный и животный мир;

обеспечение заинтересованных организаций и населения текущей и экстренной информацией об изменениях в окружающей природной среде, а также предупреждение и прогнозирование ее состояния.

В 1972 г. Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде одобрила основные принципы построения глобальной системы мониторинга и рекомендовала организацию станций наблюдения за загрязнением биосферы, а также поставила перед органами ООН (ВОЗ, ФАО, ВМО, ЮНЕСКО и др.) задачи по созданию международной системы мониторинга окружающей среды.

В рамках программы ЮНЕП (Программа ООН по проблемам окружающей среды) в 1973–1974 гг. были разработаны основные положения создания Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС), основная цель которой – предоставление информации, необходимой для обеспечения настоящей и будущей защиты здоровья, благополучия, безопасности и свободы людей и управления окружающей средой и ее ресурсами.

Всемирная морская организация (ВМО) обеспечивает глобальный мониторинг Мирового океана.

В 1990 г. Международный центр научной культуры – Всемирная лаборатория предложил проект «Глобальный экологический мониторинг» с использованием военных спутниковых технологий. С 1992г. в названном проекте участвует Российская Федерация, США, Украина. Казахстан, Литва и Китай в качестве наблюдателя.

В июне 1992 г. Конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро, в которой участвовали главы большинства государств и правительств мира, призвала мировое сообщество перейти на рельсы устойчивого развития, при котором потребности сегодняшнего населения планеты будут удовлетворяться не в ущерб будущим поколениям, а экономический рост будет сочетаться с решением социальных проблем и сохранением окружающей среды.

 

2. Организация и классификация системы мониторинга окружающей среды

 

Мониторинг есть система наблюдений, оценки и прогноза изменения состояния окружающей среды под влиянием естественной и антропогенной нагрузки. Исходя из данного определения мониторинга можно сформулировать и основные задачи при организации системы мониторинга:

количественная и качественная оценка состояния воздуха, поверхностных вод, почвенного покрова, флоры и фауны, а также постоянный контроль стоков и выбросов на промышленных предприятиях;

составление прогноза о состоянии окружающей среды и возможных изменениях этого состояния;

информирование организаций и граждан об изменениях в окружающей среде.

Мониторинг часто ведут областные комитеты по гидрометеослужбе через сеть специальных станций, проводящих наблюдения: наземные метеорологические, гидрологические, морские и иные. В настоящее время в мире насчитывается 344 станции по мониторингу воды, находящиеся в 59 странах, которые образуют глобальную систему мониторинга окружающей среды; названная система находится в ведении ЮНЕП при ООН.

Мониторинг ОС в городе Москве включает постоянный контроль за содержанием оксида углерода, углеводородов, сернистого ангидрида, оксидов азота, озона и пыли; наблюдения атмосферы города проводятся на 30 стационарных установках, работающих в автоматическом режиме. Из центра обработки информации данные о превышении ПДК поступают в Московский комитет по охране окружающей природной среды и одновременно в правительство столицы. Автоматически контролируются и промышленные выбросы крупных предприятий, а также уровень загрязнения воды Москвы-реки.

По данным мониторинга определяют основные источники загрязнения. По масштабам обобщения информации различают: глобальный, национальный, региональный и импактный мониторинг.

Глобальный мониторинг – слежение за мировыми процессами и явлениями в биосфере с помощью космической, авиационной техники и ПЭВМ и составление прогноза возможных изменений на планете Земля.

Национальный мониторинг – аналогичные мероприятия, осуществляемые аналогичными средствами только на территории данной страны.

Региональный мониторинг – охватывает отдельные регионы, в которых наблюдаются процессы и явления, отличающиеся от естественных по природному характеру или из-за антропогенных воздействий.

Импактный мониторинг – проводится в особо опасных зонах, непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ, например в зоне промышленного предприятия.

По объектам наблюдения выделяются:

мониторинг отдельных компонентов окружающей среды (воздуха, воды, почвы);

мониторинг биологический (флоры и фауны);

мониторинг базовый (фоновый) – особый вид мониторинга, представляющий собой слежение за состоянием природных систем, на которые практически не накладываются региональные антропогенные воздействия, например биосферные заповедники. Цель такого мониторинга – получение данных, с которыми сравнивают результаты других видов мониторинга.

Мониторинг биологический – это 1) слежение за биологическими объектами (за наличием видов, их состоянием, появлением случайных интродуцентов и т.д.); 2) мониторинг с помощью биоиндикаторов (обычно на базе биосферных заповедников).

Мониторинг дистанционный – совокупность авиа- и космического мониторинга. Иногда в это понятие включают слежение за средой с помощью приборов, установленных в труднодоступных местах Земли (в горах, на Крайнем Севере), показания которых передаются в центры наблюдения с помощью методов дальней передачи информации (по радио, проводам, через спутники и т.д.).

По методам проведения различают биологический (с помощью биоиндикаторов), дистанционный ( авиационный и космический), аналитический (физический, химический и физико-химический анализ) мониторинг. Когда состав загрязняющих веществ определяют методами физико-химического анализа (в воде, воздухе, почве), то степень устойчивости природной экосистемы определяют методом биоиндикации.

Биоиндикация – это обнаружение и определение антропогенных нагрузок по реакциям на них живых организмов и их сообществ. Так, радиоактивное загрязнение можно определить по состоянию хвойных пород деревьев, промышленные загрязнения часто определяют по многим представителям почвенной фауны, а загрязнения воздуха очень чутко воспринимаются мхами и лишайниками. Так, если в лесу на стволах деревьев исчезают лишайники, значит, в воздухе присутствует сернистый газ. По цвету лишайников (этот метод назван лихеноиндикацией) судят также о наличии в почве некоторых тяжелых металлов, например, меди и т.д.

Биоиндикация позволяет вовремя выявить еще не опасный уровень загрязнения и принять меры по восстановлению экологического равновесия окружающей среды.

Прекрасным биоиндикатором загрязнения воды служат бактерии типа кишечной палочки – Echerihia coli. Сама кишечная палочка не является токсикантом, но увеличение ее количества в воде свидетельствует о возможном появлении бактерий-токсикантов. Поэтому в подмосковных садоводческих хозяйствах постоянно проводят тестирование воды из летних водопроводов с применением кишечной палочки в качестве биоиндикатора с целью выяснения ее пригодности для полива.

Роль биоиндикаторов могут выполнять и отдельные органы. Например, детоксикационная функция печени осуществляется так называемой монооксигеназной системой, в центре которой находится цитохром Р₄₅₀. Данное соединение, разрушающее поступающие в организм поллютанты, является адаптивным. Это значит, что в ответ на поступление в организм поллютанта усиливается синтез цитохрома Р₄₅₀. Таким образом, зная фоновое содержание названного соединения, при обнаружении его роста над фоном можно с уверенностью судить о встрече организма с загрязняющими факторами, что позволяет на первых этапах контроля избежать определения в среде сотен и тысяч поллютантов.

В последние 5–10 лет много внимания уделяется блоку биологических измерений, т.е. тому, как организмы, живущие в объектах природы (озерах, реках, лесах), реагируют на эту среду.

Здесь выделяются три подсистемы: 1) биоаккумуляция; 2) биоиндикация; 3) биотестирование.

Некоторые живые организмы и отдельные органы человека могут концентрировать вредные вещества. Так, накопление ртути в районе реки Огана привело к заболеваниям «болезнью Миномата» в Японии; известно и накопление мышьяка в человеческих волосах. Биотестирование с помощью растений применяется в Голландии, где такие полезные для человека растения, как гладиолусы, тюльпаны (тестобъекты на накопление фторидов), итальянская ржаная трава (тестобъекты на накопление ионов тяжелых металлов), используются для анализа на больших площадях страны. Методы биотестирования в искусственных условиях с помощью таких живых организмов, как рачки дафнии, пиявки, черви, инфузории (простейшие) и т.д., находят в настоящее время широкое применение во многих странах.

Имеют свои специфические загрязнители и различные отрасли народного хозяйства (например, тяжелые металлы – в промышленных стоках; толуол, оксиды азота – в вентвыбросах), поэтому на предприятиях основным является импактный мониторинг. Особенностью импактных зон мониторинга – большие перепады между минимальными и максимальными концентрациями загрязнителей, а также чрезвычайно низкие регламентированные концентрации, т.е. очень высокие требования. Например, полихлорированные бифенилы – яды, которые находят в основном в жирах. Окисляясь, они превращаются в яды – диоксины.

Летальная доза диоксинов в организме для свиней, которые являются тестобъектами, – 10 мкг/кг веса; указанную дозу можно набрать и постепенно. Вот почему оказалось вредным хлорирование воды и во многих странах (в частности, в США и России) перешли к обработке воды озонированием.

Дистанционные методы используются в основном для ведения глобального мониторинга. Так, аэрофотосъемку часто используют как эффективный метод для определения масштаба и степени загрязнения при разливе нефти в море или на суше, т.е. при аварии танкеров или при разрыве трубопроводов. Другие методы в этих случаях не могут дать столь исчерпывающей информации.

Опытное конструкторское бюро им. Илюшина и самолетостроители Луховицкого завода сконструировали и построили «ИЛ-103» – уникальный самолет для выполнения практически любых задач государственного экологического и земельного мониторинга. Самолет оборудован контрольно-измерительной и телеметрической аппаратурой, спутниковой навигационной системой (GPS), системой спутниковой связи, интерактивным бортовым и наземным измерительно-регистрирующим комплексом. Он может летать на высотах от 100 до 3000м, находиться в воздухе до 5 ч, расходуя всего 10–15 л топлива на 100 км, и берет на борт помимо пилота двух специалистов. Такие самолеты специального экологического назначения выполняют дистанционный мониторинг для экологов, авиалесоохраны, служб МЧС и нефтегазопроводного транспорта.

Физико-химические методы используются для мониторинга отдельных компонентов окружающей природной среды: почвы, воды, воздуха; они основаны на анализе отдельных проб.

Почвенный мониторинг предусматривает определение кислотности, засоления почв и потери гумуса. Кислотность почв определяют по значению водородного показателя рН в водных растворах почвы с помощью рН-метра (потенциометра). Содержание гумуса определяют по окисляемости органического вещества. Количество окислителя в почве оценивают титриметрическим или спектрометрическим методами. Засоление почв, т.е. содержание в них солей, определяют по значению электрической проводимости, поскольку растворы солей являются электролитами.

Загрязнение вод определяется по: перманганатному индексу, химическому (ХПК) или биохимическому (ВПК) потреблению кислорода, расходуемого на окисление органических и неорганических веществ, содержащихся в загрязненной воде (см. раздел «Охрана ОС, Защита гидросферы»).

Атмосферные загрязнения анализируются газоанализаторами, позволяющими получить информацию о концентрации в воздухе газообразных поллютантов. При этом применяют многокомпонентные методы анализа, которые дают непрерывные по времени характеристики загрязнения воздуха.

 

3. Эколого-аналитический мониторинг окружающей среды

 

Состояние биосферы изменяется под влиянием естественных и антропогенных воздействий. Однако если после прекращения воздействия естественных факторов биосфера быстро возвращается в первоначальное состояние и эволюционные изменения протекают медленно в течение длительного времени, измеряемого иногда эпохами, то под влиянием антропогенных факторов необратимые изменения биосферы могут происходить весьма быстро. Этим обусловливается необходимость выделения антропогенных изменений на фоне естественных; осуществление специальных наблюдений за изменением состояния биосферы под влиянием человеческой деятельности.

Прежде всего это относится к интенсивному загрязнению биосферы химическими веществами, многие из которых не свойственны природе (ксенобиотики). Выбросы указанных веществ достигли величин, соизмеримых с природными потоками. Так, только в атмосферу ежегодно поступает 50 млн. т различных углеводородов, около 0,5 млн. т токсичных металлов, 5 тыс. бенз(а)пи-рена (3, 4-бензпирена). Антропогенный поток свинца более чем в 10 раз превышает его природное поступление. В почве рассеяно от 1 до 3 млн. т ДДТ.

Очевидно, что систематические наблюдения за источниками и уровнем загрязнений природных объектов вредными веществами с применением методов аналитической химии – эколого-аналитический мониторинг – позволяет обнаружить нежелательное поступление загрязняющих веществ в окружающую среду, выделить влияние антропогенных факторов и оптимизировать взаимодействие человека с природой.

Загрязнение окружающей среды в настоящее время стало обыденным понятием и в сознании людей связано с отравлением воды, воздуха и земли. Однако на самом деле загрязнению невозможно дать простое определение, поскольку оно может включать в себя сотни факторов, обусловленных самыми различными причинами, одни из которых оказывают непосредственное влияние на здоровье и самочувствие людей, другие опасны косвенными эффектами. Например, выбросы углекислого газа сказываются на климате, что отражается на производстве продуктов питания. Под загрязнением понимают неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом деятельности человека, прямо или косвенно меняет распределение поступающей энергии, уровни радиации, физико-химические свойства природной среды и условия существования живых организмов.

Наиболее значительными последствиями загрязнения окружающей среды являются:

неблагоприятное влияние на водные экосистемы смытых в процессе эрозии почвы твердых частиц;

повышение концентрации биогенов из-за канализационных сбросов и стока с полей удобрений, вызывающее бурное развитие водорослей и нарушение экосистем;

загрязнение болезнетворными микроорганизмами из канализационных стоков водоемов, служащих источниками питьевой воды и местами отдыха, снижение в них содержания растворенного кислорода и гибель обитающих там организмов;

отравление воды ядовитыми химическими веществами из отходов производства и пестицидами;

воздействие на воздух, воду и почву продуктов сжигания топлива, вызывающих кислотные дожди;

загрязнение воды, воздуха и почвы радиоактивными отходами и материалами, используемыми при производстве ядерного оружия и в атомной энергетике;

снижение содержания озона в атмосфере под влиянием выбросов углекислого газа и других веществ (оксидов азота и хлор-фторуглеродов).

Система химического мониторинга загрязнений – часть существующей службы наблюдений и контроля за состоянием природной среды. Она охватывает:

научно-техническое обеспечение системы наблюдений и прогнозов;

наблюдение за известными источниками поступления загрязняющих веществ в природную среду и уровнем ее загрязнения;

выявление источников и факторов загрязнения, а также степени их воздействия;

оценку фактического загрязнения природной среды;

прогноз загрязнения природной среды и пути улучшения ситуации.

Такая система должна базироваться на данных отраслевого и регионального характера, включать элементы этих подсистем; она может охватывать как локальные районы в рамках одного государства (национальный мониторинг), так и земной шар в целом (глобальный мониторинг). При этом национальный мониторинг отличается от глобального не только масштабами но и тем, что основная его задача – получение информации и оценка загрязнения окружающей среды в национальных интересах. Так, повышение концентрации загрязняющих веществ в отдельных городах или регионах может не иметь существенного значения для состояния биосферы в глобальном масштабе, но заметно влияет на загрязнение природной среды в данном районе.

Термин трансграничный мониторинг употребляют для систем мониторинга, используемых для наблюдений за переносом загрязнений в интересах нескольких регионов или стран.

Поскольку оценка фактического и прогнозируемого состояний природной среды является составной частью мониторинга, некоторые исследователи относят к нему и элементы управления состоянием окружающей среды. В связи с программой эколого-аналитического мониторинга загрязнений природной среды прежде всего следует указать на трудности в составлении перечня приоритетных веществ. Из многих тысяч химических соединений, выбрасываемых в окружающую среду, необходимо выбрать те, которые представляют наибольшую опасность для человека, для чего используются такие критерии, как концентрация, распространенность, устойчивость и способность к трансформации в более опасные соединения, токсичность, воздействие на природные системы, способность к миграции и накоплению в организмах.