Химические методы исследования природных объектов
Обоснована актуальность экологического мониторинга и использования в экологических исследованиях химических методов. Представлена методология аналитической химии в экологическом мониторинге биосферы, основанная на традиционных методах (качественный и количественный химический анализ). Отмечены преимущества объемного анализа по сравнению с весовым и его классификация по типу химической реакции, лежащей в основе метода. Описаны основные физико-химические методы контроля загрязняющих веществ: спектральные, электрохимические и хроматографические. Дана общая классификация каждой группы методов и сравнительная характеристика по длительности определения и количеству определяемого загрязнителя. Показаны преимущества тест-методов, осуществляемых в полевых условиях с использованием портативной аппаратуры и хемосенсоров. Представлена общая характеристика биохимических, основанных на применении биосенсоров, и биологических методов (генетический мониторинг) на основе иммуносенсоров и обоснована их высокая селективность. Таким образом, обширная методология современной аналитической химии позволяет оперативно и достоверно осуществлять экологический мониторинг окружающей среды.
1. Биологический контроль окружающей среды: генетический мониторинг: учеб. пособие для студ. высш. проф. образования / С.А. Гераськин, Е.И. Сарапульцева, Л.В. Цаценко / под ред. Гераськина С.А., Сарапульцевой Е.И. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 208 с.
2. Другов Ю.С, Муравьев А.Г., Родин А.А. Экспресс-анализ экологических проб: практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 424 с
3. Другов Ю.С., Родин А.А. Экологическая аналитическая химия: уч. пособие для вузов. – СПб.: Анатолия, 2002. – С. 464.
6. Леенсон И.А. Химия в технологиях индустриального общества: учебное пособие. – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. – 280 с.
7. Основы аналитической химии: практическое руководство / под ред. Ю.А. Золотова. – М.: Высшая школа, 2001. – 463 с.
9. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: учеб. пособие для вузов / А.В. Бабков, В.А. Попков, С.А. Пузаков / под ред. В.А. Попкова, А.В. Бабкова. – М.: Высш. шк., 2006. – 239 с.
В системе современного экологического мониторинга (ЭМ) основным направлением является изучение тех воздействий, которые оказывают вещества антропогенного происхождения (загрязнители) на живые организмы и, соответственно, на биосферу в целом. Так как данные воздействия и ответные реакции биологических систем происходят на молекулярном (химическом) уровне, то и методы, позволяющие достоверно отслеживать информацию об этих процессах, должны быть химическими и биохимическими.
Таким образом, анализ состава загрязнителей и их негативного воздействия на биоту невозможен без методов аналитической химии, которая располагает обширным спектром средств и способов идентификации химических элементов и их соединений.
Методология
Методы качественного химического анализа позволяют определить, какое вещество находится в исследуемой пробе по специфическим аналитическим реакциям и специальным методикам. Существуют «сухие» методы качественного анализа и «мокрые», происходящие в растворе [2, 3, 8, 9].
Сущность традиционных количественных методов химического анализа, например гравиметрии (весового анализа), состоит в определении массы или содержания (концентрации) какого-либо элемента, либо иона, либо химического соединения, находящегося в исследуемом образце.
Широко используется в количественном анализе титриметрический (объемный) метод. В этом виде анализа взвешивание заменяется измерением объемов растворов, как определяемого вещества, так и реагента, используемого при данном определении, что приводит к заметному сокращению продолжительности определений в титриметрии. По типу химической реакции, лежащей в основе, методы титрования делят на 4 группы: кислотно-основные, методы осаждения, окисления-восстановления и комплексообразования. Титриметрия успешно сочетается с различными физико-химическими методами по техническому способу проведения анализа и индикации точки эквивалентности (например, потенциометрия) [2, 3, 7, 8, 9, 10].
Наряду с классическими химическими методами в ЭМ широко используются специфические «гибридные» методы, сочетающие в едином процессе количественное определение с одновременной идентификацией. Возникновение таких методов было стимулировано необходимостью получения информации о химическом составе (обычно на уровне микропримесей) для решения химико-экологических задач [4, 8].
Важнейшими такими физико-химическими методами количественного анализа являются спектроскопические, основанные на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением. Среди них основными являются атомная спектроскопия (атомно-абсорбционная и атомно-эмиссионная), спектроскопия ядерно-магнитного резонанса, масс-спектрометрия и методы анализа, основанные на явлении радиоактивности (активационный анализ, радиохимические и радиоспектроскопические) [2, 8, 10].
Успешно используются электрохимические методы: потенциометрия, кондуктометрия, вольтамперометрия? полярография, кулонометрия, электрогравиметрия.
Весомое значение имеют хроматографические и родственные им методы: газовая и жидкостная хроматография, сверхкритическая флюидная хроматография и электрофорез, сочетание хроматографии и спектроскопии [2, 3, 8, 10].
Помимо доступности и чувствительности (минимального количества) определения, важнейшей характеристикой современных аналитических методов является продолжительность анализа. Поэтому особенно популярными стали экспресс-методы. К ним относят инструментальные (физико-химические) методы, позволяющие определить загрязнения за короткий период времени [2, 8].
Необходимо подчеркнуть, что современный уровень приборостроения позволяет проводить аналитические определения не только в лаборатории, но и непосредственно на объекте исследования, т.е. в полевых условиях с использованием портативного оборудования. Эти «полевые» методы широко применяются для определения радиационного фона и непрерывного экспресс-контроля за химическими загрязнителями на природных объектах и на производстве [2, 6, 8].
Современные экспресс-методы по сути являются сенсорными. В общем случае конструкция сенсора включает собственно чувствительный элемент и преобразователь, позволяющие отслеживать многие параметры окружающей среды в реальном времени.
Химический сенсор (хемосенсор) – это устройство, избирательно реагирующее на конкретный химический объект путем химической реакции и которое можно использовать для качественного и количественного определения загрязнителя. В хемосенсоре есть индикационный блок, где происходит собственно химическая реакция, и преобразователь. Результатом химической реакции является сигнал – изменение цвета, флуоресценция, изменение поверхностного электрического потенциала, появление потока электронов, выделение тепла и др. признаки. Преобразователь откликается на этот сигнал и преобразует величину сигнала в данные о количестве загрязняющей примеси [5, 8].
По типу преобразователя все химические сенсоры можно разделить на следующие группы: электрохимические, оптические, гравиметрические (масс-чувствительные), тепло-чувствительные [2, 5, 8].
Таким образом, использование хемосенсоров, благодаря малой продолжительности ответной реакции, позволяет широко применять экспресс-методы для проведения экологических исследований.
Биохимические и биологические методы
Биоиндикация – комплекс специфических реакций живого организма (или какого-либо биологического элемента – группы клеток, ткани органа) на воздействие определенного вещества, причем эти реакции можно регистрировать и по ним давать оценку присутствия загрязнителя и его концентрации.
Для индикации различных поллютантов в окружающей среде можно использовать специальные тест-организмы: тест-животных и тест-растения.
Одной из самых распространенных систем контроля над загрязнителями, где используются живые организмы является метод определения биохимической потребности кислорода (БПК), в котором фиксируется метаболическая активность микроорганизмов. Именно для быстрого определения БПК были разработаны одни из первых биосенсоров [2, 3, 4, 8].
Биосенсор – это анализирующее устройство, главной частью которого может служить, например, чувствительный электрод, содержащий между полупроницаемыми перегородками-мембранами ферменты или микроорганизмы. Такая «живая прослойка» узнает только «комплементарный» ей химический агент, то есть является индикационным блоком аналогично устройству хемосенсора, а электрод преобразует эту реакцию-ответ в электрический сигнал, который преобразуется и фиксируется.
В качестве мембран для сенсоров используются материалы, которые специфически взаимодействуют с определяемым веществом. Мембранные сенсоры могут содержать между мембранами чувствительные молекулы (ткани, клетки микроорганизмов, органеллы, клеточные рецепторы, биологически активные вещества, ферменты, иммобилизованные антигены, хромофоры и т.п.) [1, 2, 8].
В некоторых случаях био- и хемосенсоры можно рассматривать как единое эффективное анализирующее устройство для регистрации изменений, которые происходят с объектами биоиндикации под воздействием поллютантов.
На данном этапе биологического контроля живых организмов особенно важным становится генетический мониторинг. Значение генетического контроля факторов окружающей среды и человека тем более велико, что генные мутации являются одним из показателей опасных последствий повышения концентрации биологически активных веществ в биосфере [1].
В настоящее время в генетическом мониторинге наиболее интенсивно развиваются ДНК-технологии, направленные на разработку методов изучения и целенаправленного изменения ДНК. Все эти сложные процессы можно осуществлять методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), который широко используется в современной мировой практике для обнаружения генетически модифицированной ДНК (анализ на генетически модифицированные источники ГМИ). В генетическом мониторинге широко применяются визуальные методы посредством оптической техники (например, микроскопия), ряд современных физико-химических (инструментальных) методов, а также биохимические методы [1, 2, 8].
Основным достоинством биохимических методов является высокая селективность, обусловленная специфичностью ферментативных и иммунных процессов, благодаря использованию биосенсоров и иммуносенсоров по принципу «антиген-антитело». Электрохимические сенсоры являются наиболее широко представленным классом иммуносенсоров [2, 8].
Таким образом, используя весь богатейший арсенал методов аналитической химии, система экологического мониторинга позволяет непрерывно получать информацию для принятия экологически значимых решений.
В последние годы все более популярными становятся полевые методы, сочетающие простоту определения тест-методов и минимальное время анализа экспресс-методов.
Наиболее достоверные данные в режиме реального времени получают, как правило, при сочетании или при сопоставлении результатов, полученных разными методами.
Потапов В.В., д.т.н., профессор, заведующий лабораторией химии кремнезема в гидротермальных современных процессах НИГТЦ ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский;
Кузякина Т.И., д.б.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории биогеохимии и экологии НИГТЦ ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский.
Работа поступила в редакцию 21.03.2014.
Источник