Основные среды (объекты), которые должны быть охвачены при проведении комплексного исследования: воздух, почва (как часть литосферы), поверхностные воды и биота. Загрязнение каждой из этих сред характеризуется по результатам анализов ЗВ в различных объектах в пределах этих сред, выбор которых имеет важное значение для получаемых результатов и выводов. Чтобы получить сведения о загрязнении определенного объекта требуется отобрать пробу для анализа. Основные принципы, которыми необходимо руководствоваться при выборе объекта и отборе проб охарактеризованы ниже.
Атмосфера.
Основным объектом, по которому характеризуется загрязнение атмосферы является приземный слой воздуха. Пробы воздуха для анализа отбираются на уровне 1,5 - 2 м от поверхности земли. Отбор пробы воздуха заключается, обычно в его прокачивании через фильтры, сорбент (связующее вещество) или измерительное устройство. Особые требования предъявляются к площадке отбора. Во-первых, площадка должна быть открытой и удаленной более чем на 100 м от леса. Измерения под пологом леса дают, как правило, заниженный результат и более характеризуют плотность крон, чем уровень загрязнения воздуха. Опосредованно о качестве воздуха можно судить по загрязнению атмосферных осадков (главным образом - снега и дождя). Осадки отбирают, используя большие воронки, специальные осадкосборники или просто тазы, лишь в момент их выпадения и в точке отбора проб воздуха. Иногда для характеристики загрязнения воздуха используют пробы сухих выпадений, т.е. твердых частиц пыли, постоянно осаждающихся на подстилающую поверхность. Методически это довольно сложная задача, которая, однако, достаточно просто решается методом снегомерной съемки.
Поверхностные воды.
Основными объектами исследования являются малые (местные) реки и озера.
Особое внимание при отборе проб требуется обратить на то, что отбор воды должен проводится на 15 - 30 см ниже зеркала воды. Это связано с тем, что поверхностная пленка представляет собой граничную среду между воздухом и водой и концентрации большинства ЗВ в ней в 10-100 и более раз выше, чем в самой толще воды. О загрязнении непроточных водоемов можно судить по донным отложениям. При отборе проб важно учитывать сезон, в который происходит отбор. Различают 4 основных сезонных периода: зимняя и летняя межени (минимальный уровень) и весенний и осенний паводки (максимальный уровень). В межени уровни воды в водоемах минимальны, т.к. нет поступления воды с осадками или количество осадков меньше, чем испарение. В эти периоды роль подземных и грунтовых вод в питании наиболее велико. В периоды паводков уровень воды в водоемах и водотоках повышается, особенно весной, в период половодья. В эти сроки дождевое питание и питание за счет снеготаяния составляют максимальную долю. При этом происходит поверхностный смыв частиц грунта и с ними ЗВ в реки и озера. Для мелких рек и ручьев выделяют также дождевые паводки, харак¬теризующиеся повышением уровня воды в течении нескольких часов или дней после дождя, что играет заметную роль в смыве ЗВ с окружающих территорий. Состояние уровня воды в водоемах важно учитывать в связи с тем, что по тому, в какой период концентрация ЗВ в воде выше, можно судить об его источнике. Если концентрация в межень выше, чем в паводок или практически не изменяется, значит ЗВ в водоток поступают с грунтовыми и подземными водами, если же наоборот - с выпадениями из атмосферы и смывом с подсти¬лающей поверхности.
Литосфера (педосфера).
Основным объектом, характеризующим загрязнение подстилающей поверхности является почва, особенно ее верхние 5 сантиметров. В связи с этим, в большинстве исследований для характеристики загрязнения почвы отбирается только этот верхний слой.
При отборе почвенных проб важно выделение автохтонных, то есть коренных, экосистем, сформированных на возвышенных участках коренного берега (плакора). Загрязнение почв в этих участках свидетельствует о типичном состоянии загрязнения. Как правило, это водораздельные коренные леса и верховые болота. Также необходимо проведение исследований почв в аккумулятивных ландшафтах, расположенных в понижениях и вбирающих в себя загрязнение с обширных территорий.
Биота.
В понятие биота включаются объекты растительного и животного мира, обитающие на исследуемой территории.
На примере этих объектов контролируется содержание загрязнителей, имеющих склонность к накоплению в растениях и животных, то есть веществ, содержание которых в биологических объектах выше, чем в абиотических средах. Это явление называется биоаккумуляцией.
Первопричина биоаккумуляции в том, что поступление загрязнителя в живой объект происходит значительно легче, чем его выведение или разложение. Например, радиоактивный металл стронций (Sr 90) накапливается в костной ткани животных, так как его свойства весьма близки к кальцию, который является основой минеральной составляющей костей. Организм путает эти соединения и включает стронций в состав костей. Другой пример - хлорорганические пестициды, например ДДТ. Эти вещества хорошо растворяются в жирах и плохо растворимы в воде (это свойство в химии называется липофильностью). В результате, из кишечника вещества попадают не в кровь, а в лимфу. С кровью, токсические вещества были бы доставлены к печени и почкам - органам, ответственным за разложение и выведение токсичных веществ из организма. Попав в лимфу, эти вещества распределяются по всему организму и растворяются в жирах. Таким образом, создается запас токсичных веществ в жирах. В животных и растениях накапливаются также тяжелые металлы, радио¬нуклиды, токсичные органические соединения (пестициды, полихлориро-ванные бифенилы). Эти соединения присутствуют в животных и растениях в ультрамалых концентрациях (менее 10 мг/кг), для определения которых необходимо использовать сложное аналитическое оборудование.
Системность
Частично мы уже говорили о необходимости учитывать взаимосвязи сред и объектов при отборе проб.
Идеальная система исследований должна быть в состоянии проследить путь ЗВ от источника до стока, и от выходной точки до мишени (объекта воздействия). Система мониторинга должна работать таким образом, чтобы, изучая взаимодействия между средами, описывать пути биохимического кру¬говорота веществ. Для этого и используется системный подход, позволяющий создавать модели переноса.
На суше основным путем распространения и переноса ЗВ является атмосфера. Поступление веществ связано с концентрацией их в воздухе и выпадениями из атмосферы с осадками и сухими выпадениями. Вынос происходит реками, ручьями и поверхностным смывом в период снеготаяния и дождя. Выноса за пределы территории может и не быть, а вещества аккумулируются в так называемых аккумулятивных ландшафтах - низинных болотах, понижениях, оврагах и озерах. Чтобы связать все обследованные компоненты в единую систему необходим сбор параметров основных абиотических и биотических показателей объектов и экосистем в целом.
Основными абиотическими показателями являются:
Климатические:
1) Температура воздуха и давление - для приведения объема прокаченного воздуха при отборе проб к нормальным условиям, а также для моделирования процесса переноса ЗВ.
2) Скорость и направление ветра - пути переноса ЗВ от источника, идентификация источника, моделирование процесса переноса, наблюдения за выбросом от предприятия (источника).
3) Количество осадков - вычисление выпадений ЗВ из атмосферы. Гидрологические: уровень воды, скорость течения и объем стока -
необходимы для определения времени отбора проб и расчета объема выноса ЗВ и определения источника (пути поступления).
Почвенные: объемный вес почвы, тип и генетические горизонты, механический состав. Все это необходимо исследовать для определения плотности загрязнения и биологической емкости почв. Важно также учитывать аэрированность, дренированность и обводненность почв. Эти показатели характеризуют интенсивность обеззараживания загрязнителей. Например, в анаэробных условиях (без доступа кислорода в почве преобладают восстановительные реакции) и в условиях повышенного увлажнения (признаком чего являются следы оглеения на почвенном профиле) большинство пестицидов и других сложных углеводородов (например полихлорированные бифенилы) довольно быстро разлагаются или пожираются анаэробными микроорганизмами. Биотические параметры: ключевые параметры экосистем собираются для обнаружения эффекта загрязнения и для расчета биогеохимических циклов и транслокаций ЗВ в экосистемах. Основными параметрами являются: продуктивность, опад, суммарная биомасса и фитомасса. Важной характеристикой, которую используют при организации долговременного мониторинга состояния природных экосистем является скорость разложения опада. Разработаны специальные тесты, позволяющие контролировать скорость разложения. При высоком уровне загрязнения скорость разложения опада снижается.
Многокомпонентность
Современная индустрия и сельское хозяйство использют огромное количество токсичных соединений и элементов и, соответственно, являются мощными источниками загрязнения окружающей среды. Многие из них являются ксенобиотиками, т.е. синтетическими веществами, не свойственными живой природе. Причиной ухудшения экологической обстановки и угнетения биоты может быть любое из веществ. Контроль по всему спектру загрязнителей до недавнего времени был практически невозможен. Тенденции развития аналитических методов и приборов привели к тому, что сейчас вполне реально получить информацию об ультрамалых концентрациях практически всех веществ. Однако, эти приборы слишком дороги для широкого внедрения в практику, да в этом и нет необходимости. Достаточно выделить наиболее опасные или наиболее информативные вещества, и по ним проводить тщательный контроль. При этом, естественно, приходится мирится с имеющи¬мися в распоряжении инструментальными методами анализа.