Инструктивная карточка для проведения эксперимента "Экологический мониторинг воды"

Тема: ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВОДЫ Займемся   анализом   окружающей   среды,   попробуем   решить   некоторые проблемы экологического мониторинга.  Вокруг   нас   воздух   (атмосфера),   вода   (гидросфера),   земная   твердь (литосфера). А нельзя ли их поисследовать?  Вполне возможно, что кое­какие компоненты окружающей среды удастся определить   на уроке  химии. Сразу   отметим, что  анализ  проб   воздуха,  по­ видимому, не имеет перспективы из­за сложностей с забором проб и слишком низкими   концентрациями   анализируемых   соединений.   А   вот   с   водой (питьевой, водопроводной, речной и др.) можно поработать. В   силу   своих   свойств   вода   ближе   всего   подпадает   под   понятие, предложенное средневековыми алхимиками, универсального растворителя.  Действительно, в природе идеально чистой воды нет. Вокруг нас более или менее   разбавленные   водные   растворы,   хотя   мы   и   называем   эти   растворы «водой». Ясно, что в открытой воде растворены атмосферные газы (кислород, азот, оксиды углерода, серы, азота и др.).  Как известно, в наше время существует проблема «кислотных дождей». Практически неограниченно растворяется в воде аммиак, а можно сказать, что и реагирует с водой с образованием гидроксида аммония.  В   воде   присутствуют   также   катионы   тяжелых   металлов   ртути,   свинца, кадмия   и   др.   Правда,   следует   оговориться,   что   соли   тяжелых   металлов зачастую очень плохо растворимы в воде и в естественных условиях уходят в придонные отложения.  В   связи   с   этим   интересная   ситуация   с   солями   ртути.   Известны   две солянокислых соли ртути: каломель и сулема, из них последняя – сильный яд, тогда как каломель ранее даже использовалась как лекарство (слабительное средство).  Разгадку находим в справочнике по растворимости солей. Каломель очень плохо растворяется в воде (0,0007 %) и поэтому не всасывается в кишечнике и не попадает в кровь. А вот сулема растворяется прекрасно (до 8 %). Потому и сильно ядовита. Так что нельзя безапелляционно утверждать о вредности того или иного химического элемента, как это часто делает безграмотная и агрессивная   реклама,   требуются   уточнения,   а   именно:   в   какой   форме поступает элемент в организм и т. п.  Странно   слышать,   как   на   всю   Россию   предлагают   пожилым   женщинам глотать   кальций.   Представляю,   что   будет   твориться   в   желудке   бедных женщин после приема этого активного щелочно­земельного металла.Нам   кажется,   что   тексты   рекламы   медицинских   средств   должны   быть более корректными и выверенными. Однако   вернемся   к   нашей   воде.   На   схеме   предложен   вариант классификации веществ, загрязняющих природные и искусственные водоемы.  На наш (может быть, предвзятый) взгляд, самое интересное в природной воде   –   это   поллютанты   биогенного   происхождения.   Ведь   техногенные загрязнители   попадают   в   воду   в   результате   хозяйственной,   вернее бесхозяйственной,   деятельности   человека.   Они   оказываются   в   природных водах эпизодически и территориально привязаны к какому­либо химическому производству. Определение техногенных поллютантов – это дело солидных экологических   лабораторий,   и   школе   такое   предприятие,   естественно, окажется не под силу. Мы займемся более распространенными и, в принципе, малотоксичными биогенными   поллютантами.   что   человек   считает   их загрязнителями   гидросферы,   а   вот   для   обитателей   водоемов,   для   водной микрофлоры – это отнюдь не поллютанты, а скорее, даже нутриенты, пищевые субстраты.   Интересно, Прежде   всего   проведем   общую   интегральную   оценку   биоорганического загрязнения воды. На этот случай нам удалось разработать простой и быстрый тест, основанный на реакции с нитратом серебра.  Приводим его ниже. Вещества, загрязняющие природные водыО п ы т. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММЫ БИООРГАНИЧЕСКИХ ПОЛЛЮТАНТОВ В ОБРАЗЦАХ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ ФОТОХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ С НИТРАТОМ СЕРЕБРА К 2–3 мл воды просто добавить 3–4 капли 0,2 %­ного раствора нитрата серебра. Пробу перемешать и выставить на яркий солнечный свет. Если в воде присутствуют органические вещества, происходит восстановление катионов серебра до металлического: Ag+ + e–          Agо Атомы   металлического   серебра   формируют   окрашенные   мицеллы коллоидного раствора с разными оттенками цвета в зависимости от степени дисперсности. Экспонируемая на солнце проба воды темнеет на глазах, тогда как такая же проба, поставленная в темный ящик, остается бесцветной. Если в пробу   воды   добавить   несколько   капель   биологической   жидкости,   скажем, чайной заварки, смыва с кожи и др., окраска коллоидного раствора серебра приобретает   коричневый   цвет   и   становится   более   устойчивой.   Если повозиться   с   этой   реакцией,   можно   получить   устойчивые   цветные   золи   с разными оттенками – от сине­фиолетового до желто­коричневого. Дистиллированная   и   пропущенная   через   качественный   бытовой   фильтр вода, естественно, не даёт данную фотохимическую реакцию. Таким образом можно проверить эффективность бытового фильтра – очень наглядный опыт. Можно выполнить этот анализ с образцами минеральной и родниковой воды. В   этих   случаях   цветное   окрашивание   не   развивается,   хотя   возникает помутнение (хлориды, сульфаты).  Описанную пробу, в принципе, можно провести в полевых условиях, на кухне и т. п. Нетрудно рассчитать, что на один анализ требуется не более 0,1–0,2 мг нитрата серебра. О п ы т. ОБНАРУЖЕНИЕ МОЧЕВИНЫ В ВОДЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ  И ИСКУССТВЕННЫХ ВОДОЕМОВ К   1   мл   образца   воды   добавляем   растворы   диметилглиоксима   и тиосемикарбазида, проба кипятится в водяной бане до 15 минут. Результат может   быть  двояким:  если   вода  достаточно  чистая  (содержание   мочевины ниже 2–3 мг на 1 л), проба после кипячения остается бесцветной. При наличии в воде более высокой концентрации мочевины развивается окрашивание от бледно­розового до пурпурного в зависимости от уровня мочевины. Если в образце воды мочевина не определяется, следует сконцентрировать пробу.   Для   этого   100–200   мл   воды   упариваем   в   фарфоровой   чашке   на электроплитке   до   5–10   мл   и   мочевину   определяем   в   таком   упаренном образце. Мочевина при кипячении не разрушается. После такой процедуры мочевина в образце определяется практически всегда.Откуда мочевина в кожных смывах, мы выяснили раньше. Как появляется мочевина   в   воде   интенсивно   эксплуатируемых   плавательных   бассейнов, нетрудно догадаться. Если у вас есть школьный плавательный бассейн, просто напрашивается   такая   лабораторная   работа   по   экологической   химии:   из бассейна   в   разное   время   дня   производится   забор   проб   воды,   и   в   них определяется   мочевина.   При   положительной   реакции   можно   говорить   о недостаточной чистоте воды, недостаточном водообмене и, в конечном счете, об антропогенном загрязнении воды. Естественно, что сама мочевина совсем не   опасна,   но   ее   присутствие   говорит   о   сопутствующем   бактериальном загрязнении,   в   том   числе,   возможно,   и   патогенными   бактериями.   Таким образом,   мочевина   выступает   здесь   как   вещество­индикатор   биогенного загрязнения. Ну   а   почему   обнаруживается   мочевина,   правда,   в   более   низких концентрациях, в природных водах, речных, озерных, морских? Ответ на этот вопрос можно найти в интересной работе японского исследователя Иошиаки. Он   выяснил,   что   основной   источник   гидросферной   мочевины   – ферментативный   гидролиз   белковой   аминокислоты   аргинина.   Иошиаки оценивает мировую продукцию мочевины в воде из протеинового аргинина ни много ни мало в 100 млн тонн в месяц. Другие источники мочевины – умершие и разлагающиеся рыбы (до 100 тыс. тонн), примерно столько же в результате деятельности человека. Некоторое количество мочевины выделяют морские животные   (около   10   тыс.   тонн   в   месяц).   Таким   образом,   естественная биотическая   продукция   этого  азотистого  поллютанта   достаточно   высока   и заметно превышает техногенные стоки. Здесь   хотелось   бы   привести   еще   некоторые   расчеты,   связанные   с глобальным образованием мочевины популяцией людей. Ежедневно человек выделяет в окружающую среду до 30 г этого азотистого шлака. Умножим эту цифру на 6 млрд обитателей Земли и получим 180 000 тонн мочевины. Вот сколько ее выделяет человечество ежедневно! А посчитаем, сколько за год. Можно   прочувствовать   проблему   утилизации   биогенной   мочевины.   Но оказывается,   эту   проблему   легко   решают   почвенные   и   водные микроорганизмы. Многие виды этих микробов вырабатывают фермент уреазу, который   активно   гидролизует   мочевину.   Эффективность   этого   фермента очень высока. Уреаза ускоряет гидролиз мочевины примерно в миллиард раз. Это   значит,   что   то   количество   мочевины,   которое   уреаза   разлагает   за   1 секунду, без фермента будет гидролизоваться почти 32 года!  Реакция гидролиза мочевины: СО(NH2)2 + H2O    CO2 + 2NH3 Как   видно   из   уравнения   реакции,   в   результате   образуются   летучие продукты: диоксид углерода и две молекулы аммиака. Ну а это пища для растений, которые используют продукты гидролиза мочевины для биосинтезасобственных белков. Последние поедаются животными (и человеком). Часть растительного   протеина   в   организме   животного   через   аминокислоты используется   для   синтеза   белков,   другая   часть   катаболизируется   и   через орнитиновый   цикл   превращается   в   мочевину,   которая   выделяется   в окружающую среду. Круг замкнулся. На планете Земля можно говорить о глобальном цикле «протеин – аминокислоты – мочевина – аммиак – протеин». Обращает   на   себя   внимание   важная   роль   в   этом   круговороте бактериального   фермента   уреазы,   которая,   по   сути   дела,   осуществляет минерализацию   органического   (карбамидного)   азота   с   образованием   двух молекул аммиака. Впрочем, аммиак в окружающей среде может быть и иного происхождения. Он образуется при биогенном распаде белков и аминокислот (дезаминирование),   при   восстановлении   окисленных   форм   азота   (нитраты). Наконец, он попадает в воду с удобрениями, бытовыми и промышленными стоками. Очевидно, что уровень аммиака – это еще один важный показатель чистоты   воды.   Говоря   «аммиак»,   мы   не   совсем   корректны,   поскольку   в нейтральной   водной   среде   (рН   6–8)   аммиак   на   99 %   существует   в протонированной форме, т. е. в виде ионов аммония. 1. Распад белков животных. 2. Гидролиз аргинина и образование мочевины. 3. Гидролиз мочевины бактериями почвы, воды. 4. Окисление аммиака бактериями. 5. Утилизация NH3 и CO2 в растениях – синтез растительных белков.  6. Реакции дезаминирования аминокислот.Глобальный цикл «Протеины – мочевина – аммиак – протеины» Примечание.  В   двойных   рамках   –   процессы   в   организме   животных;   в овальных   –   бактериальные   процессы;   жирные   стрелки   –   биосинтетические реакции в растениях. О п р е д е л е н и е  а м м и а к а  ( а м м о н и я )   в   в о д е В   обычной   природной   воде   концентрация   аммиака   довольно   низка, поэтому   для   наглядности   стоит   выполнить   две   параллельных   пробы:   со свежей   дистиллированной   водой   и  с  1  ммолярным   раствором   аммонийной соли, например хлоридом аммония. Результаты этих проб очевидны. Было бы замечательно, если бы удалось добыть образцы сточных вод. По содержанию аммония водоемы подразделяются: на чистые – концентрация аммония 0,05–0,1 мг на 1 л; загрязненные – 0,2–1,0; грязные – 1,1–3,0; очень грязные – более 3,0 мг на 1 л. Попутно отметим, что по нормам Российской Федерации в питьевой воде не должно быть больше 2 мг на 1 л аммиака. Чувствительность   (открываемый   минимум   аналита)   реакции   Бертло составляет 0,2–0,3 мг на 1 л. Таким образом, данной цветной реакцией можно обнаружить   аммиак   в   воде   типичных   загрязненных   водоемов.   Простой качественный   тест:   если   вода   не   дает   заметного   голубого   окрашивания   с фенолом и гипохлоритом – эта вода из чистого водоема. Анализы   мочевины   и   аммиака   можно   рекомендовать   для   исследования воды   аквариумов,   домашних   или   школьных,   если   таковые   имеются.   В рыбоводстве   разработаны   нормативы:   содержание   мочевины   не   должно превышать 70 мкмоль на 1 л, что же касается аммиака, то его содержание свыше 5 мг на 1 л уже вызывает симптомы отравления у рыб. Определение   аммонийных   солей   в   воде   с   помощью   реактива   Несслера затруднено   в   связи   с   тем,   что   этот   ртутный   реагент   очень   часто   дает   с пробами помутнение, и к тому же чувствительность этой реакции ниже, чем фенол­гипохлоритной реакции Бертло. О п р е д е л е н и е  с у м м ы  а м и н о к и с л о т  в   о б р а з ц а х   п р и р о д н о й    в о д ы  Очевидно,   что   в   гидросфере   должны   присутствовать   и   более   сложные формы   биоорганического   азота,   а   именно   белки,   аминокислоты   и   т.   д. Повышенные количества этих веществ следует ожидать в теплое время года (цветение   воды).  Однако   в   любой   сезон   можно   с  помощью   нингидриновой реакции обнаружить в воде аминокислоты (аминоазот). Средняя концентрацияаминокислот в воде достаточно низка, от 30 до 70 мкг на 1 л морской воды. В заливах Балтийского моря получены более высокие цифры (до 500 мкг на 1 л). В любом случае для получения надежного результата пробу воды надо значительно   сконцентрировать.   В   школьных   условиях   можно   добиться концентрирования проб воды упариванием, но не менее чем в 500 раз. С таким водным концентратом выполняется нингидриновая реакция, как это описано в опыте. Столь мудреная процедура анализа с длительным упариванием делает ее не очень подходящей для школьных условий. Однако есть смысл обсудить проблему   аминокислот   в   природных   водах.   С   точки   зрения   человека­ потребителя эти соединения являются неток­сическими поллютантами, а вот для обитателей водной стихии – это не что иное как нутриенты. Можно такую ситуацию назвать принципом экологической дополнительности. Конкретно в воде   найдены   следующие   аминокислоты:   аланин,   аспарагиновая   кислота, глицин, валин, глутаминовая кислота, метионин, серин. В балтийской воде нашли до 16 индивидуальных аминокислот. О п р е д е л е н и е   ф о с ф а т о в  в  п р и р о д н ы х  в о д а х В поверхностных загрязненных водах уровень неорганических фосфатов достигает 0,6–0,8 мг на 1 л. Происхождение фосфатов воды – разложение биоорганики, а также сброс малоочищенных сточных вод, достаточно много полифосфатов   и   фосфата   натрия   содержится   в   синтетических   моющих средствах. Следует поставить параллельную пробу с дистиллированной водой и сравнить опытную пробу с исследуемой водой и эту контрольную пробу. Что   касается   общеизвестных   методов   определения   жесткости   воды,   то описание их можно найти в любом практикуме по неорганической химии. Подводя итог блоку анализов природных вод, следует указать, что здесь речь  идет, как правило, об очень низких концентрациях анализируемых веществ и  это, естественно, создает проблемы для исследователя и значительно  ограничивает перечень аналитов, доступных определению в условиях  школьного урока химии.