Мониторинг на почви

Замърсяването на почвите с органични и неорганични замърсители е съществен проблем в индустриалните райони. Освен промишленото замърсяване, редица естествено срещащи се замърсители от радиологични източници също оказват влияние върху почвата и седиментите.
Почвите могат да бъдат замърсени с широк спектър от замърсители от различни източници, включително от депонирането на отпадъци. Замърсяващите вещества могат да бъдат прилагани директно върху почвата, какъвто е случаят с пестицидите, а други могат да се утаят върху земните или водните повърхности посредством мокро или сухо отлагане от въздуха. Пример за това е замърсяването на водните седименти в резултат от отлагането на хидрофобни химикали, отделяни от инсинераторите за опасни отпадъци. Тези замърсители попадат от въздуха върху водните повърхности и се акумулират във водните седименти, в които могат да се задържат в продължение на много години.

Химичните замърсители в почвите се различават по характеристиките си – силно свързани с почвата хидрофобни органични замърсители, по-водоразтворими органични замърсители, които се транспортират на дълги разстояния, неорганични вещества, които освен химични свойства на метали, са и радиоактивни и др. Тъй като почвените замърсители варират от метали до сложни органометални съединения и органични замърсители с голяма и малка молекулна маса, мониторингът на почвите крие много предизвикателства и налага използването на разнообразни техники.

Предизвикателства
Прилагането на различните техники за мониторинг на почвите зависи не само от химичните свойства на замърсителите, но и от причината, поради която се извършва мониторингът. Понякога следенето на показателите на почвата е необходимо за установяване на относителните концентрации на замърсители или групи замърсители. В други случаи мониторингът се изисква съгласно местни или национални нормативни разпоредби, като изследванията следва да се провеждат в сертифицирани аналитични лаборатории.

Друг вид мониторинг се осъществява за проследяване степента на естествено замърсяване или самопречистване на замърсени почви в резултат на химични, биологични и физични процеси в околната среда. Всеки от тези видове мониторинг изисква различно ниво на аналитична точност по отношение на нивото на определяне, разделяне и идентифициране на специфични химични замърсители в почвите. В допълнение, важни фактори при определяне на използваните методи са и разходите, надеждността на измерването и леснотата на извършване на анализа.

Основната трудност при мониторинга на почви е свързана с характера на почвената матрица. Концентрацията на водните и атмосферните замърсители обикновено се измерва по-лесно в сравнение с тези, свързани с почвата. Това се дължи до голяма степен на взаимодействието на замърсителите със самите почвени частици под влиянието на силни химични и физични сили. По този начин, ако техниката за мониторинг изисква химикалите да бъдат извлечени или отстранени от почвата преди анализа, ефективността на процеса на екстракция придобива решаващо значение за цялостния успех на изследването.

Друг проблем е достъпът до замърсените почви. Почвените замърсители мигрират с течение на времето и стават по-малко достъпни. Освен това, замърсителите могат да постъпват директно в по-дълбоки хоризонти, при което с увеличаване на дълбочината на замърсените почви се изменят и техниките за мониторинга им.

Методи
Най-добрите техники за мониторинг са тези, които не нарушават целостта на почвата, евтини са и относително лесни за извършване с използване на инструменти за вземане на проби на терен. Обикновено обаче надеждността на информацията и трудността на анализа могат да бъдат свързани, т. е. колкото по-надежден и сложен е анализът, толкова е по-труден, времеемък и скъп. Голямо предизвикателство в областта на мониторинга на почвите е да се осигурят сравнително надеждни методи за наблюдение на почвите, изискващи използването на относително евтина измервателна техника и минимално обучение на персонал.

Някои техники за наблюдение на почвите се използват вече в продължение няколко десетилетия. Те често представляват разширени техники от аналитичната химия, които са адаптирани за анализиране на почви или са предназначени специално за мониторинг на почвата на мястото на замърсяване. Традиционно следенето на замърсяването на почвата включва набирането на почвената проба и изпращането й в лаборатория за определяне на неорганичните и органичните замърсители. За целта е необходимо извличането на замърсителите от почвата. След екстракцията се прилагат аналитични методи като газова хроматография, масспектрометрия, атомно-абсорбционна спектроскопия, флуоресцентна спектроскопия и инфрачервена ядрено-магнитна резонансна (ЯМР) спектроскопия. Мониторингът на почвата на терен без лабораторни анализи може да бъде по-евтин, но и по-неточен по отношение на идентифицирането на конкретни химикали. Полевият мониторинг на почвата се извършва с помощта на специално разработени инструменти за пробовземане, които невинаги налагат отстраняването на почвата преди анализа.

В други случаи лабораторната апаратура е модифицирана и преносима, позволявайки извършване на анализа непосредствено след пробонабирането. Комплектите за тестване на място и полевите инструменти обикновено са по-малки, лесно преносими и по-устойчиви на износване, транспортиране и други форми на физическо натоварване, отколкото лабораторните уреди. Техниките за мониторинг на почвата на място могат да се използват например за: химични анализи с преносим газов хроматограф или комплекти, включващи всички необходими реактиви и преносим спектрометър за колориметрични анализи; физични анализи на замърсените участъци чрез изследване на електрическата проводимост; биологични анализи, които включват оценка на силно чувствителни видове като показатели за замърсяване (биомаркери).

Химични техники
През последните няколко десетилетия основните лабораторни и полеви химични методи за мониторинг на органични и неорганични замърсители стават все по-усъвършенствани. За определяне на почвените замърсители са налице няколко добре познати химични аналитични техники, които често се прилагат след екстракция на замърсяващите вещества от почвените частици. Газовата хроматография, самостоятелно и в комбинация с масспектрометрия, се използва за летливи съединения, високоефективната течна хроматография – за нелетливи, а флуоресцентната детекция и атомно-абсорбционната спектроскопия намират приложение за анализ на метали. Разработени са различни допълнителни инструменти към газовите хроматографи и масспектрометрите, които увеличават чувствителността на анализа чрез подобряване на въвеждането на замърсителите в системата, например посредством пулверизацията на течни проби.

Химичната екстракция на много от органичните замърсители в почвата се подобрява при използването на висока температура и/или налягане, ултразвук, извличане в твърда фаза, микроекстракция в твърда фаза или екстракция тип течност-течност с органичен разтворител. Това увеличава и селективността на детекторите.

Геофизични техники
Геофизичните техники за мониторинг се основават на физичните свойства на замърсителите и почвата, и обикновено с тяхна помощ се определят измененията в тези свойства в зависимост от наличието на химични замърсители. Много от тези техники са разработени за мониторинг на място като алтернатива на химичните анализи, които са трудоемки и скъпи. Една от ползите от геофизичния мониторинг на замърсяването на почвите е, че с относително малко разходи в сравнение с химичните методи могат да бъдат изследвани големи географски райони. Химичният мониторинг обаче предлага ниво на точност, което все още не е постижимо при прилагането на физично наблюдение на почвите.

Биологични техники
В много случаи основната причина за мониторинг на почвите е определяне на токсикологичните проблеми, които могат да окажат въздействие върху околната среда и здравето на хората. Техниките за мониторинг на почвите, базирани на биологични системи, използват някои индиректни показатели, например: количествено определяне на измененията в гъстотата на популацията на конкретни организми при замърсени условия; следене на нарастването на концентрацията на замърсители в биологичните тъкани; и наблюдение на дъщерните или крайните продукти от биологичното разграждане на замърсителите и съотношението на тези продукти към остатъка от основното съединение.

Биомаркерите включват биохимични и физиологични променливи в индивидите или отделяните от тях продукти, които се изменят в резултат на експозиция или увреждане от замърсители в околната среда. Освен това се използват и разработват производни на биологичните техники, например биорепортерни системи и биосензори, с чиято помощ се откриват определени химични замърсители. В повечето случаи биорепортерът представлява генетично модифицирана клетка, преобразуваща конкретен химикал в химичен комплекс, който излъчва светлина при контакт на клетката с дадения химикал. Биосензорът или биосондата е устройство, което засича електрическия сигнал от биологичен катализатор, например ензим или антитяло.