Стронций - характеристика химического элемента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая характеристика стронция

2. Основные источники поступления стронция в природные среды и живые организмы

3. Гигиенические параметры использования стронция

4. Токсикологическая характеристика стронция

5. Подходы к отбору проб

6. Аналитические методы определения стронция в образцах

7. Выбор вида индикатора. Популяционные характеристики, используемые для оценки состояния популяции под действием стронция

8. Токсикологические методы оценки воздействия присутствующей дозы стронция на компоненты биоты

Выводы

Предложения

Список использованной литературы



Введение

Весьма опасным видом воздействия на биосферу является радиоактивное излучение. Этот вид загрязнения окружающей среды появился лишь в начале XX в., с момента открытия явления радиоактивности и попыток использования радиоактивных элементов в науке и технике. Известные типы радиоактивных превращений сопровождаются различными излучениями. Это а-лучи, состоящие из ядер гелия, в-лучи, представляющие собой поток быстрых электронов, и у-лучи, обладающие высокой проникающей способностью. Осколки деления ядер урана, плутония, цезия, бария, стронция, йода и других радиоактивных элементов оказывают сильное биологическое действие.

Совокупность свойств стронция-90 приводит его наряду с цезием-137 и радиоактивными изотопами иода в разряд самых опасных и страшных радиоактивных загрязнителей. Стабильные изотопы стронция сами по себе малоопасны, но радиоактивные изотопы стронция представляют собой большую опасность для всего живого. Радиоактивный изотоп стронция стронций-90 по праву считается одним из наиболее страшных и опасных антропогенных радиационных загрязнителей. Связано это, прежде всего с тем, что он имеет весьма короткий период полураспада - 29 лет, что обуславливает очень высокий уровень его активности и мощное радиационное излучение, а с другой стороны его способностью эффективно метаболизироваться и включаться в жизнедеятельность организма. Стронций является почти полным химическим аналогом кальция, поэтому проникая в организм, он откладывается во всех содержащих кальций тканях и жидкостях - в костях и зубах, обеспечивая эффективное радиационное поражение тканей организма изнутри.



1. Общая характеристика стронция

Стромнций -- элемент главной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 38. Обозначается символом Sr (лат. Strontium). Простое вещество стронций -- мягкий, ковкий и пластичный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой химической активностью, на воздухе быстро реагирует с влагой и кислородом, покрываясь жёлтой оксидной плёнкой. Свое название стронций получил от минерала стронцианита, найденного в 1787 г. в свинцовом руднике около Стронциана (Шотландия). В 1790 г. английским химиком Адером Кроуфордом (Crawford Ader) (1748-1795) было показано, что стронцианит содержит новую, еще неизвестную "землю". Эту особенность стронцианита установил также и немецкий химик Мартин Генрих Клапрот (Klaproth Martin Heinrich) (1743-1817). Английский химик Т. Хоп (Hope T.) в 1791 г. доказал, что в стронцианите содержится новый элемент. Он четко разграничил соединения бария, стронция и кальция, используя, помимо других методов, характерную окраску пламени: желто-зеленую для бария, ярко-красную для стронция и оранжево-красную для кальция.

Независимо от западных ученых, петербургский академик Тобиаш (Товий Егорович) Ловиц (1757-1804) в 1792 г., исследуя минерал барит, пришел к заключению, что в нем, помимо оксида бария, в качестве примеси находится и "стронцианова земля". Он сумел извлечь из тяжелого шпата более 100 г. новой "земли" и исследовал ее свойства. В свободном виде стронций первым выделил английский химик и физик Гемфри Дэви в 1808 г. Металлический стронций был получен при электролизе его увлажненного гидроксида. Выделявшийся на катоде стронций соединялся с ртутью, образуя амальгаму. Разложив амальгаму нагреванием, Дэви выделил чистый металл.

Стронций -- мягкий серебристо-белый металл, обладает ковкостью и пластичностью, легко режется ножом. Полиморфен -- известны три его модификации. До 215^оС устойчива кубическая гранецентрированная модификация (б-Sr), между 215 и 605^оС -- гексагональная (в-Sr), выше 605^оС -- кубическая объемно-центрированная модификация (г-Sr).Температура плавления -- 768^оС, Температура кипения -- 1390^оС.

Стронций в своих соединениях всегда проявляет валентность +2. По свойствам стронций близок к кальцию и барию, занимая промежуточное положение между ними. В электрохимическом ряду напряжений стронций находится среди наиболее активных металлов (его нормальный электродный потенциал равен ?2,89 В. Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид:

Sr + 2H₂O = Sr(OH)2 + H₂^

Взаимодействует с кислотами, вытесняет тяжёлые металлы из их солей. С концентрированными кислотами (H₂SO₄, HNO₃) реагирует слабо.

Металлический стронций быстро окисляется на воздухе, образуя желтоватую плёнку, в которой помимо оксида SrO всегда присутствуют пероксид SrO₂ и нитрид Sr₃N₂. При нагревании на воздухе загорается, порошкообразный стронций на воздухе склонен к самовоспламенению.

Энергично реагирует с неметаллами -- серой, фосфором, галогенами. Взаимодействует с водородом (выше 200^оС), азотом (выше 400^оС). Практически не реагирует с щелочами.

При высоких температурах реагирует с CO2, образуя карбид:

5Sr + 2CO₂ = SrC₂ + 4SrO

Легкорастворимы соли стронция с анионами Cl?, I?, NO₃?. Соли с анионами F?, SO42?, CO32?, PO43? малорастворимы (Полуэктов, 1978).

стронций радиоактивный заражение



2. Основные источники поступления стронция в природные среды и живые организмы

Стронций - составная часть микроорганизмов, растений и животных. У морских радиолярий скелет состоит из сульфата стронция - целестина. Морские водоросли содержат 26-140 мг стронция на 100 г сухого вещества, наземные растения - около 2,6, морские животные - 2-50, наземные животные - около 1,4, бактерии - 0,27-30. Накопление стронция различными организмами зависит не только от их вида, особенностей, но и от соотношения содержания стронция и других элементов, главным образом кальция и фосфора, в окружающей среде.

Животные получают стронций с водой и пищей. Некоторые вещества, например полисахариды водорослей, препятствуют усвоению стронция. Стронций накапливается в костной ткани, в золе которой содержится около 0,02% стронция (в других тканях - около 0,0005%).

В результате ядерных испытаний и аварий на АЭС в окружающую среду поступило большое количество радиоактивного стронция-90, период полураспада которого составляет 29,12 года. До тех пор, пока не были запрещены испытания атомного и водородного оружия в трех средах, число пострадавших от радиоактивного стронция росло из года в год.

В течение года после завершения атмосферных ядерных взрывов в результате самоочищения атмосферы большая часть радиоактивных продуктов, в том числе стронция-90, выпала из атмосферы на поверхность земли. Загрязнение природной среды за счет выведения из стратосферы радиоактивных продуктов ядерных взрывов, проводившихся на полигонах планеты в 1954-1980, сейчас играет второстепенную роль, вклад этого процесса в загрязнение атмосферного воздуха 90Sr на два порядка меньше, чем от ветрового подъема пыли с почвы, загрязненной при ядерных испытаниях и в результате радиационных аварий.

Стронций-90, наряду с цезием-137, являются основными загрязняющими радионуклидами на территории России. На радиационную обстановку существенно влияет наличие загрязненных зон, появившихся вследствие аварий на Чернобыльской АЭС в 1986 и на ПО "Маяк" в Челябинской области в 1957 ("Кыштымская авария"), а также в окрестностях некоторых предприятий ядерно-топливного цикла.

Сейчас время средней концентрации 90Sr в воздухе за пределами территорий, загрязненных в результате Чернобыльской и Кыштымской аварий, вышли на уровни, наблюдавшиеся до аварии на Чернобыльской АЭС. В гидрологических системах, связанных с зонами, загрязненными при этих авариях, существенно сказывается смыв стронция-90 с поверхности почвы.

Попадая в почву, стронций вместе с растворимыми соединениями кальция поступает в растения. Больше других накапливают 90Sr бобовые растения, корне- и клубнеплоды, меньше - злаки, в том числе зерновые, и лён. В семенах и плодах накапливается значительно меньше 90Sr, чем в других органах (например, в листьях и стеблях пшеницы 90Sr в 10 раз больше, чем в зерне).

Из растений стронций-90 может непосредственно или через животных перейти в организм человека. У мужчин стронций-90 накапливается в большей степени, чем у женщин. В первые месяцы жизни ребенка отложение стронция-90 на порядок выше, чем у взрослого человека, он поступает в организм с молоком и накапливается в быстро растущей костной ткани.

Содержание в земной коре 0,034% по массе. В свободном виде не встречается. Он входит в состав около 40 минералов. Из них наиболее важный -- целестин SrSO4 (51,2% Sr). Добывают также стронцианит SrCO3 (64,4% Sr). Эти два минерала имеют промышленное значение. Чаще всего стронций присутствует как примесь в различных кальциевых минералах.

По уровню физической распространённости в земной коре стронций занимает 23-е место -- его массовая доля составляет 0,014% (в литосфере -- 0,045%). Мольная доля металла в земной коре 0,0029%. Стронций содержится в морской воде (8 мг/л).В природе стронций встречается в виде смеси 4 стабильных изотопов 84Sr (0,56 %), 86Sr (9,86 %), 87Sr (7,02 %), 88Sr (82,56 %) (Орлов, 2002).

3. Гигиенические параметры использования стронция

Стронций плохо абсорбируется в кишечном тракте, и основная часть металла, попадающего в организм, из него выделяется. Оставшийся в организме стронций замещает кальций и в небольших количествах накапливается в костях. При значительном накоплении стронция возникает вероятность подавления процесса кальцинирования растущих костей и остановки роста. Нерадиоактивный стронций представляет опасность для здоровья людей, и его количество в продуктах подлежит согласно требованиям ФАО/ВОЗ контролю (Каплин, 2006).

Радионуклиды, попадая в биосферу, вызывают многочисленные экологические последствия. В результате поверхностного стока радионуклиды могут скапливаться в понижениях, ложбинах и других аккумулятивных элементах рельефа. Нуклиды поступают в растения и энергично мигрируют по пищевым цепям. Почвенные микроорганизмы аккумулируют радиоактивные элементы, что хорошо обнаруживается методом радиоавтографии. На этом принципе разрабатываются методы идентификации микробных популяций для диагностики геохимических провинций с высоким содержанием радионуклидов.

Изучение поведения радионуклидов представляет особое значение в связи с их попаданием в цепь "почва - растение - животное - человек". Видовые различия в содержании нуклидов в растениях обусловлены характером распределения корневых систем.

По масштабам поступления радионуклидов в фитомассу растительные сообщества располагаются в следующий ряд: ковыльная степь > мятликово-овсянииевый луг > разнотравно-злаковый луг. Максимальное накопление радионуклидов наблюдается у растений семейства злаковых, затем следует разнотравье, менее всего нуклидов накапливают бобовые.

Стронций-90 легко адсорбируется почвой благодаря катионному обмену или закрепляется органическим веществом почв с образованием нерастворимых соединений. Орошение и интенсивная обработка почв могут ускорить процесс его вымывания вниз по профилю. Возможен и вынос стронция-90 поверхностными водами с последующей аккумуляцией в депрессиях (понижениях) рельефа.

Как правило, в сельскохозяйственных культурах максимальное накопление стронция-90 наблюдается в корнях, меньше - в листьях и незначительные количества - в плодах и зернах. По трофическим цепям стронций-90 легко передается животным и человеку, имеет свойство накапливаться в костях и приносит большой вред здоровью.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) стронция-90 в воздухе рабочих помещений 0,185 (Бк/л), в воде открытых водоемов 18,5 (Бк/л). Допустимые уровни 90Sr в пищевых продуктах в соответствии с требованиями СанПиН 2.3.2.1078-01 составляют в зерне, сырах, рыбе, крупах, муке, сахаре, соли 100-140 (Бк/кг), мясе, овощах, фруктах, сливочном масле, хлебе, макаронных изделиях - 50-80 (Бк/кг), растительном масле 50-80 (Бк/л), молоке - 25, питьевой воде - 8 (Бк/л) ( Орлов, 2002 ).

4. Токсикологическая характеристика стронция

Соли и соединения стронция относятся к малотоксичным веществам, однако при избытке стронция поражаются костная ткань, печень и мозг. Будучи близок к кальцию по химическим свойствам, стронций резко отличается от него по своему биологическому действию. Избыточное содержание этого элемента в почвах, водах и продуктах питания вызывает "уровскую болезнь" у человека и животных (по названию реки Уров в Восточном Забайкалье) - поражение и деформацию суставов, задержку роста и другие нарушения.

Особенно опасны радиоактивные изотопы стронция. Радиоактивный стронций сосредотачивается в скелете и, таким образом, подвергает организм длительному радиоактивному воздействию. Биологическое действие 90Sr связано с характером его распределения в организме и зависит от дозы b-облучения, создаваемого им и его дочерним радиоизотопом 90Y. При длительном поступлении 90Sr в организм даже в относительно небольших количествах, в результате непрерывного облучения костной ткани, могут развиваться лейкемия и рак костей. Полный распад стронция-90, попавшего в окружающую среду, произойдет лишь через несколько сотен лет.

О токсичности Sr для растений немного сведений, и растения по толерантности к этому элементу сильно различаются. По данным Шаклетта и др., токсичный уровень Sr для растений составляет 30 мг/кг золы (Каплин, 2006; Кабата-Пендиас, 1989).

5. Подходы к отбору проб

Отбор пробы является первой и достаточно простой, но одновременно и ответственной стадией проведения анализа. К отбору проб предъявляются несколько требований:

1. Отбор пробы должен быть асептическим и производиться с помощью стерильного пробоотборника в стерильную емкость, которая должна герметично закрываться для транспортировки образца в лабораторию.

2. Образец должен быть репрезентативным, т.е. иметь достаточный объем, величина которого определяется требованиями к содержанию конкретного микроорганизма, и производиться в месте, обеспечивающем адекватность образца всему объему анализируемого объекта.

3. Отобранная проба должна быть обработана немедленно, в случае невозможности немедленной обработки - храниться в холодильнике.

Для получения воспроизводимых результатов эксперимент требует пристального внимания ко всем деталям. Одним из источников ошибок при определении Sr является гетерогенность образца и непредставительность поверхности. Если измельчение твёрдой пробы (порошки руд, горных пород, продукты обогащения, сырьевые смеси, соли и т.д.) достигает 100 меш и меньше, то такие пробы можно считать вполне гомогенными из-за большой проникающей способности жёсткого излучения. Для уменьшения эффектов поглощения и возбуждения, искривляющих калибровочные графики, анализируемую пробу разбавляют прозрачным для рентгеновских лучей веществом (полистирол, борная кислота, крахмал, гидроксид алюминия, вода и т.д.). Степень разбавления определяется экспериментально. Порошкообразную пробу с равномерно распределённым разбавителем и внутренним стандартом брикетируют или растворяют. Толщина брикета (таблетки) должна быть достаточно большой (около 1-2 мм), чтобы интенсивность излучения образца не зависела от величины навески. Приготовленные брикеты (таблетки) пригодны для многократных измерений. Исследуемое вещество может быть помещено в виде порошка непосредственно в кюветы прибора. Порошок образца может быть помещён в держатель из плексигласа и запрессован под полимерной плёнкой или нанесён на клейкую плёнку (Орлов, 2002; Полуэктов, 1978).

6. Аналитические методы определения стронция в образцах

При определении Sr в природных и промышленных объектах наибольшее применение нашли спектральные методы - эмиссионный спектрографический и пламеннофотометрический. В последнее время широко используется атомно-абсорбционный метод. Фотометрический метод, требующий предварительного отделения стронция от других элементов, используется сравнительно редко. По той же причине, а также в связи с длительностью хода анализа в настоящее время почти не используются гравиметрические и титриметрические методы.

1. Гравиметрические методы

Гравиметрические методы применяются для определения стронция в большинстве случаев после его отделения от других щелочноземельных элементов.

2. Титриметрические методы

Титриметрическое определение стронция может быть произведено после его отделения от всех или большинства мешающих элементов. Наибольшее распространение нашел комплексонометрический метод.

3. Спектрофотометрические методы определения

Данные методы можно разделить на прямые и косвенные. Прямые методы основаны на реакциях образования окрашенных соединений при действии реактивов на ионы стронция. В косвенных методах стронций осаждается в виде труднорастворимого соединения с окрашенным реактивом, присутствующим в избытке, осадок отделяют и по количеству несвязанного реактива определяют концентрацию стронция в пробе.

Примеры прямых методов определения:

Определение стронция нитроортаниловым С (нитрохромазо) или ортаниловым С. Мешают определению барий, свинец (2), давая с реагентом цветную реакцию; цирконий, титан, талий и некоторые другие элементы приводят к резкому занижению результатов. Чувствительность ?0,05 мкг/мл.

Определение стронция с диметилсульфаназо IIIи диметилсульфаназо

Элементы III-VI их групп должны быть удалены. Количество аммонийных солей и щелочных металлов должно быть не более 10 мг. Сульфаты и фосфаты мешают, если их больше 0,03 ммоля. Определению мешают многие металлы, в том числе Са и Mg, если их содержание в пробе ? 0,3 мкмоля, а Cu (II) ?0,25 мкмоля. Также много и других ограничений.

Определение стронция с карбоксинитразой

Реакция стронция с карбоксинитразой является одной из наиболее чувствительных. С помощью этой реакции определяют 0,08-0,6 мкг/мл.

Косвенные методы определения стронция

Ввиду свое малой селективности косвенные методы не находят применение в настоящее время, поэтому будут лишь упомянуты: 8-Оксихинолиновый метод; метод с использованием пикролоновой кислоты; определение стронция с помощью хромата.

4. Электрохимические методы

Полярографический метод

Определению стронция мешают ионы бария (но это можно устранить подбором подходящего фона которым является (C2H5) 4NBr в абсолютном этаноле). В присутствии приблизительно равных концентраций Mg и Ca определение Sr невозможно. Следует предварительно отделять Ba, Ca, Na, K если их концентрации существенно превосходят концентрацию Sr.

Дифференциальный полярографический метод

Даёт возможность определять малые количества стронция в присутствии больших количеств Na и К. Чувствительность - 0,0001 моль Sr /моль соли.

Инверсионная полярография

Позволяет определить стронций в очень малых концентрациях (10-5 - 10-9 М), если его сначала сконцентрировать в капле ртути путём электролиза, а затем подвергнуть её анодному растворению. Используется осциллографическая техника. Средняя ошибка составляет 3-5%.

Кондуктометрический метод

Определения ведётся после предварительного отделения группы элементов Li, K, Na, Ca и Ba, входящих в растворимые соли строительных материалов.

5. Спектральные методы

Спектрографический (искровой и дуговой) метод

Наиболее интенсивные линии Sr лежат в видимой области спектра: 4607,33; 4077,71 и 4215,52 А, причём 2 последние находятся в области циановых полос. Поэтому при использовании для анализа дуги с угольными электродами эти линии менее пригодны. Линия 4607,33 А отличается сильным самопоглощением, поэтому рекомендуется использовать её при определении лишь малых концентраций Sr (ниже 0,1%). При высоких его содержаниях используются линии Sr 4811,88 и 4832,08 ?, а также 3464,46 А. В ультрафиолетовой области спектра используются значительно более слабые линии 3464,46 и 3380,71 А, последняя из них расположена в области спектра, обладающего фоном. Для стабилизации температуры горения дуги, устранения влияния Са, Mg, Na и достижения более высокой точности определения Sr используют буферные смеси. Для устранения полос циана определение Sr проводят в аргоне либо переводят пробы во фтористые соединения. Чувствительность определения Sr в дуге составляет 5*10-5 - 1*10-4%, относительная ошибка определения ±4-15%.Применение импульсного дугового разряда большой силы тока в аргоне позволяет значительно повысить чувствительность определения Sr (3*10-12 г). Чувствительность определения Sr в искре составляет (1-5) *10-4%. Ошибка определения ±4-6%. C целью повышения точности и абсолютной чувствительности анализа, а также устранения влияния мешающих линий посторонних элементов, предложено использовать интерферометр, скрещенный со спектографом.

Эмиссионная фотометрия пламени

Благодаря своей простоте и надёжности пламеннофотометрический метод определения стронция находит широкое применение, особенно при анализе горных пород и минералов, природных и сточных вод, биологических и других материалов. Он пригоден для определения как малых, так и больших содержаний элемента с достаточно высокой точностью (1-2 отн.%) и чувствительностью, причём в большинстве случаев определение стронция может быть выполнено без отделения от других элементов. Наиболее высокая чувствительность достигается при использовании аппаратуры с автоматической записью спектра и высокотемпературных пламён. Самая высокая чувствительность достигается при использовании ВЧ-плазмы 0,00002 мкг Sr/мл.

При импульсном методе испарения абсолютный предел обнаружения Sr составляет 1*10-13-2*10-12 г (пламя смеси ацетилен-закись азота). При достаточно больших количествах пробы (~10 мг) относительный предел определяемого содержания стронция снижается до 1*10-7%, в то время как при введении раствора пробы в пламя с помощью распылителя он равен 3*10-5%.

Атомно-абсорбционная спектрофотометрия

Определение Sr производится путём измерения поглощения света его атомами. Наиболее часто используются линия стронция 460,7 нм, с меньшей чувствительностью стронций может быть определён по линиям 242,8; 256,9; 293,2; 689,3 нм. При использовании высокотемпературных пламён стронций можно определять также по ионной линии 407,8 (ионно-абсорбционная спектроскопия).Различают два вида помех в данном методе анализа. Первый вид помех связан с образованием труднолетучих соединений и проявляется в пламени смеси ацетилена с воздухом. Наиболее часто отмечается влияние катионов Al, Ti, Zr, и других анионов PO4 и SiO3.Другой вид помех - вследствие ионизации атомов стронция, например за счёт влияния Са и Ba, увеличения атомного поглощения от присутствия Na и К и др. Чувствительность обнаружения стронция 1*10-4-4*10-12 г.

6. Активационный метод

Наибольшее распространение нашёл метод определения по активности 87mSr. В большинстве случаев определение производится по измерению активности после радиохимического выделения Sr, которое проводится с использованием методов осаждения, экстракции и ионного обмена.

Применение г-спектрометра с высоким разрешением позволяет повысить точность метода и сократить число операций по отделению, так как возможно определение Srв присутствии ряда посторонних элементов. Чувствительность обнаружения стронция около 6*10-5 г/г.

7. Масс-спектрометрический метод

Масс-спектроскопия используется для определения изотопного состава стронция, знание которого необходимо при вычислении геологического возраста образцов по рубидиево-стронциевому методу и при определении микроколичеств стронция в различных объектах методом изотопного разбавления. Предельная абсолютная чувствительность определения Sr масс-спектральным методом вакуумной искры составляет 9*10-11.

8. Рентгенофлуоресцентный метод

Рентгенофлуоресцентный метод определения стронция в последнее время находит возрастающее применение. Преимуществом его является возможность производить анализ без разрушения образца и быстрота выполнения (анализ продолжается 2--5 мин.). В методе исключается влияние основы, его воспроизводимость ± 2--5%. Чувствительность метода (1-1СГ4 -- 1-10~3% Sr) достаточна для большинства целей.

Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия на исследуемый материал рентгеновским излучением. При облучении атом переходит в возбуждённое состояние, сопровождающееся ионизацией определённого уровня. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной 10-7 сек, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние). При этом электроны с внешних оболочек либо заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек (оже-электрон). При этом каждый атом испускает фотоэлектрон с энергией строго определённого значения. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества (Орлов, 2002; Полуэктов, 1978).



7. Выбор вида индикатора. Популяционные характеристики, используемые для оценки состояния популяции под действием стронция

Биоиндикация (bioindication) - это обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Живые объекты (или системы) - это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

Существует несколько разных форм биоиндикации. Если две одинаковые реакции вызываются различными антропогенными факторами, то это будет неспецифическая биоиндикация. Если же те или иные изменения можно связать с влиянием какого-либо одного фактора, то биоиндикация такого типа называется специфической.

Применение биологических методов для оценки среды подразумевает выделение видов животных или растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия. Организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называются биоиндикаторами.

Типы биоиндикаторов:

1. Чувствительный. Быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы. Например, отклонения в поведении животных, в физиологических реакциях клеток могут быть обнаружены практически сразу после начала действия нарушающего фактора.

2. Аккумулятивный. Накапливает воздействия без проявляющихся нарушений. Например, лес на начальных этапах его загрязнения или вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и пр.). Лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т.д. Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу обнаружит нарушение среды.

Идеальный биологический индикатор должен удовлетворять ряду требований:

- быть характерным для данных условий, иметь высокую численность в данном экотопе;

- обитать в данном месте в течение ряда лет, что дает возможность проследить динамику загрязнения;

- находиться в условиях, удобных для отбора проб;

- характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования;

- обладать высокой толерантностью по отношению к широкому спектру токсичных веществ;

- ответная реакция биоиндикатора на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, то есть, специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов;

- биоиндикатор должен использоваться в естественных условиях его существования;

- биоиндикатор должен иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на последующие поколения.

В целях биоиндикации радиоактивного загрязнения почв наиболее удобны малоподвижные почвенные обитатели с длительным периодом развития (дождевые черви, многоножки, личинки жуков).?

Большое значение в индикации даже сравнительно невысоких уровней загрязнения почв радионуклидами имеет исследование изменений характерных морфологических признаков у видов почвенных членистоногих. Подобные нарушения чаще обусловлены генными мутациями, вызванными радиоактивным облучением. В незагрязненных частях ареала у этих видов такие признаки меняются незначительно. К наиболее заметным отклонениям в загрязненных условиях относятся изменения в распределении щетинок на теле ногохвосток, бессяжковых, двухвосток, щетинохвосток, многоножек.

Хорошим индикатором загрязнений водоемов радионуклидами являются моллюски озерно-прудовые и рачки-дафнии, которые могут быть рекомендованы в качестве тест-объектов этого вида загрязнений. Реакция моллюсков на повышенное содержание радионуклидов в водоеме выразилась в изменении окраски тела и раковины, морфометрических показателей, угнетении генеративного и пластического обменов, нарушении реакции эмбрионов на климатические условия сезона. У дафний в загрязненных водоемах наблюдались гибель части особей в популяции, увеличение плодовитости и размеров тела.

В водных экосистемах надежным биоиндикатором радиационной обстановки являются также водные растения. В частности, элодея канадская или водяная чума, хорошо развивающаяся в пресных и солоноватых водах, интенсивно накапливает радионуклиды 90Sr, 137Cs, которые не выявляются при стандартном радиационном контроле вод. Этот вид можно широко использовать в отстойниках для очистки сточных вод от радионуклидов .

В наземных экосистемах к хорошим индикаторам, накапливающим радионуклиды, в частности 90Sr, относятся сфагновые мхи, хвоя сосны и ели, крапива двудомная, мать-и-мачеха, полынь обыкновенная, клевер розовый, клевер ползучий, тимофеевка луговая, подмаренник, мышиный горошек, звездчатка жестколистная, ландыш майский, гравилат речной, ежа сборная, пырей гребенчатый и др. По мере накопления радионуклидов этими растениями содержание марганца в их золе снижается в 3-10 раз (Туровцев, 2004).



8. Токсикологические методы оценки воздействия присутствующей дозы стронция на компоненты биоты

Биотестирование - это один из приемов исследования в биологическом мониторинге, который используется для определения степени повреждающего действия химических веществ, потенциально опасных для живых организмов в контролируемых экспериментальных лабораторных или полевых условиях путем регистрации изменений биологически значимых показателей (тест-функций) исследуемых тест-объектов, с последующей оценкой их состояния в соответствии с выбранным критерием токсичности.

Цель биотестирования - выявление на гидробионтах степени и характера токсичности воды, загрязненной биологически опасными веществами и оценка возможной опасности этой воды для водных и других организмов.

В качестве объектов для биотестирования применяются разнообразные тест-организмы - подопытные биологические объекты, подвергающиеся воздействию определенных доз или концентраций ядов, вызывающих у них тот или иной токсический эффект, который регистрируется и оценивается в эксперименте. Это могут быть бактерии, водоросли, беспозвоночные, а также позвоночные животные.

Для гарантированного выявления присутствия токсического агента неизвестного химического состава должен использоваться набор объектов, представляющих различные группы сообщества, состояние которых оценивается по параметрам, относящимся к разным уровням интегральности.

Под биотестом понимается оценка (испытание) в строго определенных условиях действия вещества или комплекса веществ на живые организмы путем регистрации изменений того или иного биологического (или физиолого-биохимического) показателя исследуемого объекта по сравнению с контролем. Главное требование к биотестам - чувствительность и быстрота ответа, четкая реакция на внешние воздействия. Различают острые и хронические биотесты. Первые рассчитаны на получение экспресс-информации о токсичности исследуемого вещества для данного тест-организма, вторые - на выявление долговременного эффекта действия токсикантов, в частности малых и ультрамалых концентраций (Туровцев, 2004).

Собственный опыт

Тема: Определение экологического статуса территории на содержание стронция

Цель: выявление неблагоприятных участков исследуемого региона и дифференцированние оценки их загрязнения стронцием

Методика: Способ осуществляется путем биотестирования и включает отбор проб биоиндикаторов, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержания общего стронция, сравнение полученных значений с установленными данными, по выходу за пределы которых определяют экологический статус территории, при этом в качестве биоиндикаторов используют укосы дикорастущих растений лугово-степной растительности или монокультур однолетних и многолетних сельскохозяйственных растений, отбор проб производят во время фенофазы цветения путем полного выкашивания растительности с 1 м² последних в количестве, равном для территории крупного региона 1 проба на 1000-5000 га, а для локального агроценоза в количестве 1 проба на 100 га, при этом выделение стронция из усредненной пробы проводят концентрированной азотной кислотой с последующим определением его в экстракте методом атомной адсорбции, а сравнение полученных значений ведут с фоновым содержанием стронция в воздушно-сухой массе средних укосов дикорастущей растительности. Для сравнения получаемых данных используют значения фонового содержания стронция в воздушно-сухой массе средних укосов дикорастущей растительности в пределах от 20 до 500 мг/кг.

Ход работы: Для биотестирования Варгашинского района Курганской области площадью 10000 га отбираем 10 образцов средних укосов дикорастущих видов лугово-степной растительности. Для этого равномерно по территории района во время фенофазы цветения растительности выбираем 10 мест отбора. На растительность накладываем рамку размером 1Ч1 м и фиксируем площадку в зависимости от густоты травостоя, но таким образом, чтобы объем растительной массы с каждой площадки был не менее 1 кг. Наземную часть травяного покрова в пределах рамки полностью срезаем ножом или иным подходящим для этого инструментом. Высота среза растений не менее 3 см от поверхности почвы. Образцы растений высушиваем до воздушно-сухого состояния в сушильном шкафу в течение 3 часов при температуре 105°С, затем охлаждаем в эксикаторе и взвешиваем. Повторяем высушивание в течение 1 ч и последующее взвешивание до тех пор, пока не достигаем постоянного веса (разница в весе при двух последовательных взвешиваниях должна быть не более 0,1% от исходного веса пробы). Высушенную пробу предварительно измельчаем и методом квартования отбираем среднюю пробу массой не менее 200 г. Выделение стронция проводим следующим образом. Отбираем от высушенной квартованной пробы навеску 1 г и измельчаем в лабораторной мельнице IKA All basic с частотой оборотов 25000 в минуту до размера частиц 0,001-0,1 мм. От измельченной массы на аналитических весах берем навеску 100 мг, которую помещаем в полиэтиленовую коническую пробирку объемом 50 мл (типа Rustech) и заливаем концентрированной азотной кислотой объемом 1 мл. В таком виде анализируемый образец выдерживаем не менее 1 часа. Затем объем дистиллированной водой доводим до 50 мл; осадок отфильтровываем, а экстракт анализируем на содержание валового стронция методом атомной адсорбции на атомном спектрофотометре "ААС Квант Z.ЭТА". При наличии 10 анализируемых проб результаты измерений усредняем.



Выводы

По результатам исследования можно сказать, что основными источниками поступления стронция (в большей степени его окисла) являются промышленные сточные воды различных производств, в сельскохозяйственном производстве - фосфорные и фосфорсодержащие удобрения и мелиоранты. Природным источником является процесс выветривания пород и минералов.

Распространение, поведение и концентрирование токсиканта в природных средах зависит от рельефа (уклона местности в области промышленной зоны, податливости субстрата деградации и др.), климатических условий (температурного режима воздуха и почвы, количества выпадаемых осадков на единицу площади, скорости ветра), физико-химического, биологического и питательного состояния почв (наличие и соотношение микроорганизмов и грибов, окислительно-восстановительные и кислотно-щелочные условия, наличие элементов минерального питания и др.), а также путей поступления (с постоянными и временными водными потоками, с осадками из атмосферы, испарением минерализованных грунтовых вод) и других факторов.

Являясь элементом активного биопоглощения и накопления, а также аналогом кальция, стронций легко поступает в пищевые цепи из почвы в растения и животные организмы, аккумулируясь в определенных органах и тканях. В растениях - в механических тканях вегетативных органов, у животных - в костной ткани, почках и печени. Но в зависимости от биологических особенностей организма и свойств среды элемент накапчивается в различных количествах и выводится с разной скоростью.

Стронций угнетает развитие микроорганизмов, относя большинство из них в зону резистентности, нарушает рост и жизнедеятельность грибов, беспозвоночных и ракообразных. Радионуклид стронция вызывает мутации на генетическом уровне, что впоследствии проявляется в морфологических изменениях.

Токсикант обладает высокой миграционной способностью, особенно в жидкой среде (водоемы, почвенный раствор, проводящие ткани растении, желчь и кровеносная система и человека и животных). Но в определенных почвенно-экологических условиях происходит его осаждение и аккумуляция.

Стронций ингибирует поступление кальция и отчасти фосфора в живые организмы. При этом нарушается структура мембран и опорно-двигательной системы, состава крови, мозговой жидкости и др.

Исследуя аналитические методы определения токсиканта в образцах можно сделать вывод о том, что многие методы способны конкурировать с рентгенофлуорисцентным анализом, и даже превосходят его по чувствительности, но наряду с этим имеют некоторые недостатки. Например: необходимость предварительного отделение, осаждение определяемого элемента, мешающее влияние посторонних элементов, существенное влияние матричного состава, наложение спектральных линий, длительные пробоподготовка и плохая воспроизводимость результатов, высокая стоимость аппаратуры и её эксплуатации.

Также биологические методы тестирования являются группой высокочувствительных методов анализа и выгодно отличаются своей простотой, сравнительной неприхотливостью к лабораторным условиям, дешевизной и универсальностью.



Предложения

В регионах радиоактивного загрязнения меры защиты населения должны быть направлены:

- на снижение содержания радионуклидов в растительных и животных продуктах питания с помощью агромелиоративных и зооветеринарных мер. У животных, получавших сорбенты стронция (сульфат бария, бентонит и на их основе модифицированные препараты), при аварии на ЧАЭС с помощью указанных мер удавалось добиться 3-5 кратного снижения депонирования радионуклидов в костной ткани животных;

- на технологическую переработку загрязненного сырья;

- на кулинарную обработку пищевых продуктов, замену загрязненных пищевых продуктов на чистые.

При работе с радиоактивным стронцием необходимо соблюдать санитарные правила и нормы радиоактивной безопасности с применением специальных мер защиты в соответствии с классом работ.

В профилактике последствий облучения большое внимание следует уделять повышению резистентности организма пострадавших (рациональное питание, здоровый образ жизни, спорт и др.).

Изучение и регулирование поступления и накопления стронция в элементах экосистем представляет собой комплекс сложных трудоемких и энергетически затратных мероприятий лабораторных и полевых исследований. Поэтому лучшим способом предотвращения поступления токсиканта в ландшафты и организмы является мониторинг в области экологически опасных объектов - источников загрязнения.



Список использованной литературы

1. Исидоров В.А., Введение в химическую экотоксикологию: Учебное пособие. - СПб.: Химиздат, 1999. - 144 с.: ил.

2. Каплин В. Г., Основы экотоксикологии: Учебное пособие. - М.: КолосС, 2006. - 232 с.: ил.

3. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 439 с.: ил.

4. Орлов Д.С., Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Учебное пособие для хим., хим.-технол. и биол. спец. вузов/Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, И.Н. Лозановская.- М.: Высш. шк.,- 2002.- 334 с.: ил.

5. Полуэктов Н.С., Мищенко В.Т., Аналитическая химия стронция: Учебное пособие. - М.: Наука, 1978.- 223 c.

6. В.Д. Туровцев В.Д., Краснов В.С., Биоиндикация: Учебное пособие. - Тверь: Твер. гос. ун-т, 2004. - 260 с.

Размещено на Allbest.ru

...