Программа дисциплины Физико-химические методы анализа объектов окружающей среды (стр. 2 )

Результат обучения	компетенция	Образовательная технология	Вид задания
Работать самостоятельно с научной литературой	ОК-1 ПК - 2 ПК-3 ПК-11 ПК-14 ПК-16	Л1 – Л8 ЛР1-ЛР9	УО, Д1, Д2

Л – лекции, ЛР - лабораторная работа, УО – устный опрос, Д – домашнее задание.

Структура и содержание дисциплины

Содержание разделов

№ раздела	Содержание учебного материала	Лекции	ПЗ (С)	ЛР	СРС
Раздел 1.	Экологический мониторинг Лекция 1. Экологический мониторинг: определение, классификация. Глобальная система мониторинга окружающей среды. «Белые пятна» на карте экологического мониторинга. Лекция 2. «Химическая сущность» экологического мониторинга. Мониторинг биологических переменных.	4			18
Раздел 2.	Методология неразрушающего контроля в экологии Лекция 3. Спектроскопии внутреннего отражения. Лекция 4. Аппаратура для исследования многокомпонентных гетерогенных объектов. Лекция 5. Особенности неразрушающего контроля объектов экологии. Лекция 6. Определение оптических постоянных биологических образцов. Лекция 7. Возможности исследовании биологических образцов в сложных средах. Особенности исследования объектов экологии в водных средах. Лекция 8. Оптоэлектронные датчики параметров экологических образцов.	12		18	20

Виды самостоятельной работы студентов

№ п/п	Вид работы, литературные источники
Д 1	Самостоятельная проработка вопросов темы в виде конспектирования первоисточника, закрепление материала при подготовке к семинарам и лаб. работам. и др. Прикладная экология. М.: Академия. 2008. Гл. 10.
Д 2	Самостоятельная проработка вопросов темы в виде конспектирования первоисточника, закрепление материала при подготовке к семинарам и лаб. работам. . Планетарная экологическая система. М.: Россельхозакадемия. 2002. Гл. 9.

Вопросы для текущего контроля

1.  Количественные методы экологического контроля – прогноз.

2.  Техника спектроскопии комбинационного рассеяния света ( лазерные источники излучения).

3.  Техника спектроскопии комбинационного рассеяния света (проблемы анализа биологических образцов).

4.  Спектроскопия комбинационного рассеяния света (СКР).

5.  Качественный и количественный анализ по ИК спектрам.

6.  Техника ИК спектроскопии.

7.  Молекулярный анализ по ИК спектрам поглощения.

8.  Основы абсорбционной спектрофотометрии.

9.  Понятие «спектральный анализ», классификация его типов.

10.  Концепция экологической толерантности и биотический подход к осуществлению экологического контроля.

11.  О закономерностях, отражающих причинно-следственные связи между уровнями внешних воздействий на биоту и ее откликом.

12.  Внешняя среда и пространственно-временная организация экосистем.

13.  Экологический мониторинг: определение, классификация.

14.  Глобальная система мониторинга окружающей среды.

15.  «Белые пятна» на карте экологического мониторинга.

16.  «Химическая сущность» экологического мониторинга.

17.  Мониторинг биологических переменных.

18.  Вопросы анализа биосистем.

19.  Диагностика экологического состояния природных объектов по биотическим идентификаторам.

20.  Экологическое нормирование на основе биотических идентификаторов.

21.  Экологический прогноз на основе биотических идентификаторов.

22.  Некоторые проблемы экологического контроля.

23.  Количественные методы экологического контроля – диагностика.

Структура дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет - 2 зачетные единицы, 72 часа

.

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры
5
Общая трудоемкость дисциплины	72	72
Аудиторные занятия	34	34
Лекции	17	17
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)	17	17
Самостоятельная работа	38	38
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат (эссе)
Контрольная работа
Самоподготовка (проработка и повторение лекционного материала учебников и учебных пособий, подготовка к практическим занятиям, коллоквиумам, рубежному контролю и т. д.)	38	38
Вид итогового контроля (зачет)	зачет	зачет

Тематический план освоения дисциплины по видам учебной деятельности

Содержание лекционного курса

№ п/п

Содержание лекций

Раздел 1.

Метод наблюдения — способ позна­ния, основанный на длительном целенаправленном и планомер­ном восприятии предметов и явлений окружающей действитель­ности, издавна применяется в научной и практической деятельно­сти человека. Все возрастающая опасность отрицательного воздействия ин­тенсификации промышленного и сельскохозяйственных произ­водств на здоровье людей и на окружающую природную среду в целом привело к необходимости разработки системы предупреж­дения, контроля и прогнозирования состояния наиболее значи­мых природных объектов. Такая информационная система наблю­дения и анализа состояния этих объектов, в первую очередь на­блюдения за уровнем загрязнения и за эффектами, ими вызывае­мыми, получила название мониторинг. В научный обиход термин «мониторинг» вошел в 1970-х гг., обозначая процесс слежения, наблюдения и контроля за экологи­ческим состоянием окружающей среды. В 1973 г. было предложено называть мониторингом систему повторных на­блюдений одного и более элементов окружающей природной сре­ды в пространстве и во времени с определенными целями и в соответствии с заранее подготовленной программой. подразумевал под мониторин­гом прежде всего систему наблюдений, позволяющую выделить изменения состояния (и прежде всего загрязнение) биосферы под влиянием деятельности человека и в итоге предупреждающую не­гативные последствия воздействия человека на природу. В соответствии с общепринятым определением экологический мониторинг — это информационная система наблюдений, оцен­ки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды, со­зданная с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов. Как система наблюдения и контроля над состоянием природ­ных объектов мониторинг состоит из трех ступеней: а) наблюде­ния за факторами воздействия и состоянием среды; б) оценки фактического состояния среды; в) прогноза состояния окружающей природной среды и оценки прогнозируемого состояния. Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать следующую информацию: • состояние окружающей среды; • причины наблюдаемых и вероятных изменений состояния (т. е. источники и факторы воздействия); • изменения и нагрузки на среду в целом; • существующие резервы биосферы. Система мониторинга не включает деятельность по управле­нию качеством природной среды, но служит источником инфор­мации, необходимой для принятия экологически значимых реше­ний. Термин «контроль», нередко употребляющийся для описания аналитического определения тех или иных параметров (например, контроль качества воды водных объектов, контроль состава атмо­сферного воздуха), следует использовать только в отношении дея­тельности, предполагающей принятие активных регулирующих мер. Хотя ряд авторов считают, что эколого-аналитический контроль (ЭАК) как система мероприятий по выявлению и оценке источников и уровня загрязненности природных объектов вредными вещества­ми и другими загрязнителями со стороны разных природопользователей занимает особое место в структуре создаваемой Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ). В настоящее время известны различные подходы к классифика­ции мониторинга (по характеру решаемых задач, по уровню орга­низации, по природным средам, за которыми ведутся наблюде­ния). Не совсем верными представляются воззрения ряда авторов на геоэкологи­ческий (ландщафтно-экологический, геосистемный, геоэкосистемный) мониторинг как си­стему наблюдения, оценки и прогнозирования состояния лишь окружающей природной среды. Слежение должно осуществляться как за объектами, так и за субъектами антропогенных воздействий, контролируя их экологически значимые параметры — характеристики их взаимных воздействии друг на друга и показатели их ус­тойчивости к данным воздействиям. В качестве основных факторов воздействия рассматриваются фи­зические, биологические и химические факторы. Мониторинг со­стояния биосферы включает такие природные среды, как атмо­сферный воздух, океан, поверхностные воды суши, морские и подземные воды (геофизический мониторинг), биоту (биологи­ческий мониторинг). Эко­логический мониторинг включает наблюдения за абиотической составляющей биосферы и ответной реакцией экосистем (ОАВ) на эти изменения. Система мониторинга реализуется на нескольких уровнях, каж­дому из которых соответствует специальная программа: 1)  импактный уровень (изучение сильных воздействий локаль­ного масштаба); 2)  региональный уровень (проявление проблем миграции и трансформации загрязняющих веществ, совместного воздействия различных факторов, характерных для экономики региона); 3)  фоновый уровень (на базе биосферных заповедников, где исключена всякая хозяйственная деятельность). Программа импактного мониторинга может быть направлена, например, на изучение сбросов или выбросов конкретного пред­приятия. Программа регионального мониторинга, как следует из его названия, предусматривает оценку состояния окружающей природной среды в пределах того или иного региона. Фоновый мониторинг, осуществляемый в рамках международной программы «человек и биосфера», фиксирует фоновое состояние окружа­ющей природной среды, что необходимо для дальнейших оценок уровней антропогенного воздействия. Помимо указанных тем в разделе будет рассмотрен мониторинг как система наблюдений и контроля за состоянием окружающей среды в целях рационального использования природных ресурсов, охраны природы и обеспечения стабильного функциониро­вания геосистем различного хозяйственного назначения. Поэтому в разделе рассматривается мониторинг и биоэкологический, или санитарно-гигиенический, и геосистемный или геоэкологический, и биосферный, или глобаль­ный.

№ п/п

Содержание лекций

Раздел 2.

Среди трех основных потоков в органической природе (вещество, энергия, информация) наименее изученными остаются закономерности потока информации. Данные современной литературы позволяют считать, что в информационных взаимодействиях в живых системах большая роль принадлежит временной организации биосистемы. Исследование временной организации механизмов функционирования жизненно важных систем организма, а также их регуляции в различных условиях среды обитания является перспективным и многоплановым направлением современной науки. Изучение цикличности физиологических процессов позволяет подойти к решению ряда теоретических и практических проблем, в частности, прогнозированию адаптационно-приспособительных возможностей организма, выработки научно обоснованных мероприятий, направленных на их оптимизацию в новых условиях среды обитания, ранней диагностики заболеваний, а также поиску эффективных методов, средств профилактики и лечения болезней. Конечной целью возникающих адаптационных перестроек является сохранение высокой физиологической активности значительных функциональных резервов жизненно важных систем организма. Т. к. предметом теоретической экологии являются экосистемы и их элементы, в том числе живые организмы, то ее главный научный метод познания выражается в системном подходе к объекту изучения. Согласно современным представлениям о биологических системах, одной из наиболее важных их черт является организация во времени и пространстве, т. е. единая пространственно-временная организация. Заключение о существовании единой пространственно-временной организации биологических систем основывается на существовании взаимосвязей между пространственными и временными изменениями их показателей. При этом оказалось, что временная организация, обладая широкими рамками лабильности, участвует в процессах изменчивости биологической системы, подвергающейся воздействиям, и тем самым обеспечивает адаптациогенез системы. Пространственная же организация биологической системы выполняет функцию ее структурно-функциональной стабилизации, ее сохранения как таковой даже в условиях действия экстремальных факторов. Одним из проявлений пространственной организации биологической системы является их топографическая и топологическая гетерогенность, выражающаяся, в частности, в форме градиентов. Градиенты могут иметь как линейный, так и нелинейный характер, в том числе колебательно-циклический. Степень выраженности градиентов и их связь с временной динамикой процессов в системе изменяются при воздействиях на нее, но при этом вид градиента не меняется. Пространственно-временные закономерности экосистем изучены недостаточно, но есть основания полагать, что это направление исследований как в теоретической, так и в практической экологии даст новую ценную информацию. Итак, для контроля за состоянием среды обитания перспективно использовать живые организмы (в частности, микроорганизмы), т. к. при любом изменении этой среды имеется "реакция" живой системы. Она может проявить себя либо в количественном варианте (изменение количества - концентрации тех или иных биохимических компонентов в определенном объеме клетки, изменение степени пространственной ориентации этих биохимических образований, изменение градиентов концентраций биохимических компонентов, изменение градиентов степени пространственной организации), либо в качественном варианте (изменение параметров векторов этих изменений). Возможность определения этих параметров в живых системах открывает, с нашей точки зрения, перспективы в решении очень многих вопросов в проблемах экологии. Следует особо подчеркнуть, что речь идет о возможности "послойного" анализа многокомпонентных гетерогенных рассеивающих объектов, независимо от их происхождения. Необходимо создание именно такой методической базы. Для ее реализации необходимы: 1/ разработка простых технических средств для получения информации при исследовании интактных клеток; 2/ разработка методов получения информации при работе с интактными клетками "по слоям", т. е. необходимо получать информацию с различных "срезов" клеток без их разрушения; 3/ разработка методов получения информации о динамике изменения градиентов концентрации биохимических компонентов в различных слоях интактных клеток; 4/ разработка методов получения информации о динамике изменения градиентов степени пространственной организации биополимеров в различных слоях интактных клеток; 5/ выбор и обоснование методологии анализа таких сложных систем как интактные клетки; 6/ необходимо на конкретных примерах показать возможность получения перечисленной информации из многокомпонентных гетерогенных систем и эффективность этой информации при исследовании интактных клеток. Все перечисленное требует исследования большого количества вопросов, объединенных одним - созданием методической базы анализа многокомпонентных гетерогенных систем (в том числе и интактных клеток) - индикаторов изменения среды обитания. Благодаря специфике объектов биологии и своеобразию методов исследования теория биологии, как считают, существенно отличается от теории наук о неживой природе. Представление о единстве и разнообразии жизни выдвигают проблему исследования сочетания разноуровневых процессов и их взаимосвязи в живых системах. Следует подчеркнуть, что в системах, где проявляются качественно новые свойства, характерные для нового уровня структурной организации, изучать эти свойства необходимо, не разрушая этой структуры, т. к. свойства структуры, организованной из отдельных макромолекул, не являются простой суммой свойств этих макромолекул. Получение разнообразной информации непосредственно от интактных клеток является актуальной задачей при постановке исследований. Достаточно, например, сказать об исследованиях, связанных с решением проблем пространственно-временной организации живых систем. Решение большого числа вопросов, относящихся к биологии, так или иначе связано с дальнейшим развитием методических возможностей. Это относится и к использованию ЭВМ не только для обработки информации, но и в качестве инструмента исследования как источника получения принципиально новой информации и для максимального ограничения субъективного фактора. Так, академик писал:" ...машинный метод изучения микроскопических объектов создаст переворот в биологии, ...будем получать информацию о ненаблюдаемых ранее явлениях, связанных со статистикой больших чисел и количественным анализом разных сторон процессов". В последнее время исследователей все больше начинает интересовать т. н. "информационный" подход, когда внимание переносится с элементов исследования отдельно взятой системы на отношения и связи не только между ними, но и окружающими системами вместе взятыми, т. е. основой такого подхода является исследование и изучение конкретного объекта с его взаимоотношениями и взаимосвязями с внешними по отношению к нему объектами и внутренними средами, полями и их следами. При переносе этого положения в исследования на клеточном уровне следует, вероятно, акцентировать внимание на анализе и синтезе не свойств компонентов клеток, а отношений внутри них и их отношений с окружающим миром. Можно полагать, что важным аспектом исследования является изучение скрытых (внутренних) отношений структурированных элементов, их свойств и признаков, а также изучение внутренних отношений (внутренней информации) с внешним миром (внешней информацией). Т. о. мы вынуждены вернуться к проблемам структуры материи. При работе над этим фундаментальное значения приобретают представления о единстве и многообразии жизни - двух неразрывно связанных сторонах одного явления. Для отдельных направлений исследований ключевое значение имеет либо структурно-морфологическое многообразие, либо функционально-физиологическое единство жизненных явлений, что определяет и разные пути применения и разную роль в этих двух случаях количественных методов и количественного выражения итогов исследований. Представления о единстве и многообразии жизни выдвигают проблему установления последовательности, направления, скорости перемещения вещества и энергии на различных уровнях организации живой системы, а также во взаимосвязи живых систем и среды обитания. Т. е. необходимо получение комплексной структурно-динамической и пространственно-временной информации через динамику изменений градиентов перемещения вещества, энергии, состояний, а также через "среду" живых систем различной степени сложности. Структурно-морфологическое же многообразие и функционально-физиологическое единство жизненных явлений, которые имеют ключевое значение для отдельных направлений исследований, определяющие разные пути применения и разную роль в этих двух случаях количественных методов и количественного выражения итогов исследований, определяют примерно и круг тех методов, которые адекватны биологическим исследованиям. Первое требует использования методов дискриптивного исследования с последующим анализом признаков единства, второе - методов, которые составляют экспериментальную основу классической биохимии и молекулярной биологии, с той только разницей, что объектами исследований являются макромолекулы и макромолекулярные системы, выполняющие определенные функции в неразрушенной живой клетке на отдельных ее уровнях с учетом структурно-морфологического многообразия. Такое методическое направление можно считать естественным развитием исследований единства жизненных явлений, предназначенным для решения именно тех вопросов, которые невозможно либо трудно решать методами наук, предусматривающих разрушение живых систем, т. е. для решения вопросов, обеспечивающих связь дискриптивного и экспериментального методов исследования. Задача заключается в их объединении и применении с учетом разной роли в этих двух случаях количественных методов и количественного выражения итогов исследований. Приоритет "морфологическим" или "биохимическим" признакам можно и нужно отдавать только по отношению к отдельным частным задачам, но не к анализу системы в целом. Коснемся одного из возможных вариантов реализации данной задачи. Проблемы исследования структуры материи имеют огромное значение для биологии, ибо структура является основой функционирования любой системы, определяя ее разнообразные свойства. Поэтому необходимо развитие методов исследования таким образом, чтобы они смогли обеспечить получение информации о степени упорядоченности живых структур. Учитывая, что биологическая система отражает глубокую общность и взаимосвязь морфологии, физиологии и биохимии клетки, можно сформулировать основные требования к методам исследования степени упорядоченности. Для этого обратимся к гипотезе «стохастической псевдокристалличности», в соответствии с которой структуры рассматриваются как трехмерные случайные поля, обладающие упорядоченностью, степень которой обусловливает свойства и функциональные возможности исследуемых объектов. Т. е. структура является основой функционирования любой системы, определяя ее физико-химические, механические и другие свойства. Следовательно, материальным носителем жизнедеятельности организма является структурная организация живого объекта. Причем индикатором на изменения состояния живой системы, в том числе и при изменении среды обитания, должны явиться динамические изменения (динамика изменения градиентов, потоков этих изменений, скоростей и направлений) пространственной и временной организации как материального носителя "состояния" организма, учитывающие глубокую общность и взаимосвязь морфологии, физиологии и биохимии клетки. Т. о., если разработаны методы и устройства получения информации о неразрушенном объекте по трем координатам, то возможно иметь количественную информацию о свойствах этого объекта. Для живых систем помимо пространственных координат существует и временная. Это означает, что информация не является параметром состояния системы, и что ее значения не зависят от состояния и пути, приведшего в него, а зависят только от процесса, переведшего ее в это состояние, или от причины, вызвавшей этот процесс. Исследования в таком направлении должны располагать методической базой, которая должна обеспечить выполнение следующих требований: 1) анализ многокомпонентных гетерогенных систем, каковыми и являются клетки, должен проводиться без их разрушения; 2) необходимо обеспечить получение информации об изменении во времени химического состава объектов на разном расстоянии от его поверхности (определение динамики изменения градиента концентрации во времени); 3) необходимо обеспечить получение информации об изменении степени организации полимеров (биополимеров) во времени и в пространстве (определение динамики изменения градиента степени пространственной организации); 4) необходимо использовать статистические методы анализа и синтеза, поскольку реальные объекты, как правило, носят случайный, а не детерминированный характер. Детерминированные же числовые оценки должны быть заменены вероятностными характеристиками функций распределения различных параметров структур. Кроме того, необходимо всегда помнить, что объект исследования находится в едином информационном пространстве и является его частью. Информационное поле можно интерпретировать в виде суммы гармонических составляющих. Применение гармонических функций позволяет использовать преобразование Фурье, что, в свою очередь, дает возможность применять классическую теорию спектрального анализа. На основе спектральных данных можно обеспечить получение информации об определенных изменениях в структурах клетки. И еще. Грядущий век - век междисциплинарных исследований. Методология междисциплинарных исследований это горизонтальная, как говорил Э. Ласло, трансдисциплинарная связь реальности - ассоциативная, с метафорическими переносами, зачастую символьным мотивом, несущим колоссальный эвристический заряд, в отличие от вертикальной причинно-следственной связи дисциплинарной методологии. Дисциплинарный подход решает конкретную задачу, возникшую в историческом контексте развития предмета, подбирая методы из устоявшегося инструментария. Прямо противоположен междисциплинарный подход, когда под данный универсальный метод ищутся задачи, эффективно решаемые им в самых разнообразных областях человеческой деятельности. Это принципиально иной, холистический способ структурирования реальности, где скорее господствует полиморфизм языков и аналогия, нежели каузальное начало. Здесь ход от метода, а не от задачи. Анализ современных методов исследования показывает, что получение информации о таких сложных объектах, как интактные клетки, перспективно осуществлять через регистрацию изменений параметров электромагнитных излучений при его взаимодействии с объектами исследований. Эти объекты, как правило, многокомпонентны, гетерогенны, сильно рассеивают свет. Причем анализ их желательно вести по слоям. Наиболее полно в настоящее время отвечают перечисленным выше требованиям методы спектроскопии внутреннего отражения. Следовательно, необходимо рассмотреть все особенности при исследовании интактных клеток этими методами. К тому же спектральные характеристики, полученные в поляризованном свете, дают информацию и о преимущественной пространственной ориентации определенных химических связей в макромолекулярных компонентах клетки. Это, в свою очередь, может характеризовать in vivo организованность биосистемы и, соответственно, ее функциональное состояние. Необходимо предложить и в этой области решения для ее практического использования при работе с интактными клетками. Любой метод анализа требует знания количества прореагировавшего с электромагнитным излучением образца. Следовательно, одним из самых важных вопросов подобного анализа является разработка методов количественного определения характеристик и параметров этого образца. Поскольку анализируются спектры НПВО образцов, представляющих из себя клетки, распределенные по поверхности измерительного элемента (ИЭ) (т. е. совокупную систему, состоящую из клеток, воздуха, жидкой среды и т. д.), то характерной особенностью при количественном анализе параметров исследуемых объектов является зависимость эффективных оптических свойств среды от объема незаполненного (заполненного) объектами пространства. Ниже рассмотрим решение этой проблемы. Специфика количественного анализа методами НПВО требует в целом ряде случаев учета оптических постоянных объекта - показателя преломления "n" и показателя поглощения "k". При взаимодействии света с интактными клетками могут проявить себя эффекты, которые необходимо учитывать. Например, известен эффект самопроизвольной плоскостной ориентации асимметричных макромолекул некоторых полимеров в поверхностном слое. Или, в случае линейной поляризации свет, испытав полное внутреннее отражение (ПВО) в элементе многократного НПВО (МНПВО), приобретает разность фаз, которая меняется от отражения к отражению. Поэтому в различных точках рабочей поверхности взаимодействие вещества со светом будет осуществляться при различном значении разности фаз. Возникающие при этом эффекты необходимо учитывать при количественных измерениях. Предлагаемые в данном курсе методические разработки для исследования дискретных многокомпонентных гетерогенных сильно рассеивающих систем дают возможность получать разностороннюю информацию при работе практически с любыми объектами самого различного происхождения, находящимися в любых фазах (твердое вещество, жидкость, газ).

Практические занятия (семинары, лабораторные)