Επιτόπιες και Εργαστηριακές τεχνικές και μέθοδοι περιβαλλοντικής έρευνας

Transcript

1 Επιτόπιες και Εργαστηριακές τεχνικές και μέθοδοι περιβαλλοντικής έρευνας

2 ΤΟ ΠΜΣ ΣΥΓΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΘΗΚΕ ΑΠΟ ΤΟ ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ στο πλαίσιο του Μέτρου 2.2: Αναμόρφωση Προγραμμάτων Σπουδών Διεύρυνση Τριτοβάθμιας Εκπαίδευσης, της Ενέργειας 2.2.3: Μεταπτυχιακά Έρευνα Υποτροφίες και της Κατηγορίας Πράξεων α: Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (συγχρηματοδότηση από την Ευρωπαϊκή Ένωση και από Εθνικούς πόρους)

3

4

5

6 Η χημεία ως συνδετικός κρίκος μεταξύ Γεωλογίας και Βιολογίας Πολλά είδη βακτηρίων όταν βρεθούν σε συνθήκες αναερόβιες (έλλειψη οξυγόνου) στρέφονται στα μέταλλα και αναπτύσσεται ένας μηχανισμός μεταφοράς ηλεκτρονίων οπότε αποθηκεύεται ενέργεια μέσω οργανικών φωσφορικών ενώσεων για να χρησιμοποιηθεί αργότερα για τις ανάγκες της επιβίωσης. Ως παράδειγμα αναφέται η οξειδοαναγωγή στο σύστηαμα Fe(II)/ (II)/Fe(III).

7 ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ: Εργαστηριακές και επιτόπιες τεχνικές και μέθοδοι περιβαλλοντικής έρευνας Χρήση νέων τεχνολογιών στην θαλάσσια περιβαλλοντική έρευνα Περιβαλλοντική Γεωφυσική ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ

8 Περιβαλλοντικό πρόβλημα Είδος προβλήματος πού, πώς και πότε δημιουργήθηκε το πρόβλημα, μηχανισμός εξέλιξης και ένταση του φαινομένου, Ποιες φυσικές διεργασίες ή ανθρωπογενείς δραστηριότητες έχουν δημιουργήσει κάποιο περιβαλλοντικό πρόβλημα, Ποια είναι η συχνότητα εμφάνισης και η ένταση διαφόρων περιβαλλοντικών προβλημάτων σε μια περιοχή.

9 Διαχείριση περιβαλλοντικών προβλημάτων Ποιες μετρήσεις απαιτούνται για την μείωση και πρόληψη του προβλήματος? Ποια είναι τα επιτρεπτά επίπεδα ρύπανσης? Ποιες μεθοδολογίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση ενός προβλήματος? Πώς πρέπει να κατευθύνεται η έρευνα από τις κυβερνήσεις και την τοπική αυτοδιοίκηση ώστε να προστατεύεται η υγεία των πολιτών και να μη δημιουργούνται κοινωνικά και οικονομικά προβλήματα.

10 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΉΣ ΕΡΕΥΝΑΣ Συνδυασμός μεθόδων -Φάσεις Μεθοδολογίας Συγκέντρωση και αξιολόγηση βιβλιογραφικών δεδομένων Εφαρμογή επιτόπιων και Εργαστηριακών μεθόδων περιβαλλοντικής έρευνας Στατιστική ανάλυση περιβαλλοντικών δεδομένων (ποσοτικά χαρακτηριστικά) Προτάσεις αντιμετώπισης του προβλήματος αποκατάστασης.

11 Αναλυτικές μέθοδοι Με την εξέλιξη της τεχνολογίας δίνεται η δυνατότητα στους επιστήμονες να προσδιορίζουν πάρα πολύ μικρές ποσότητες στοιχείων στο νερό, το έδαφος, τον αέρα και κάθε είδους υλικό. Πολλές από τις αναλυτικές μεθόδους στηρίζονται στην απορρόφηση ή εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, χαρακτηριστικής κάθε στοιχείου, και αποτελούν αντικείμενο πρακτικής άσκησης προπτυχιακών φοιτητών. Στο πλαίσιο του ΠΜΣ γίνεται αναφορά μόνο σε προσδιορισμούς, η γνώση των οποίων θεωρείται απαραίτητη για την αντιμετώπιση περιβαλλοντικών θεμάτων.

12

13 Μετρήσεις πεδίου-μετρήσεις υπαίθρου Ασταθή συστατικά που αναλύονται επί τόπου Χαρακτηριστικά τα οποία μπορούν ή πρέπει να προσδιορίζονται στην ύπαιθρο. -Θερμοκρασία (θερμόμετρο), -ph : Με δείκτες-χαρτάκια. Πεχάμετρο, -Αγωγιμότητα, -Αλατότητα, -Διαλυμένο οξυγόνο --εξασθενές χρώμιο.

14 Διαλυμένο οξυγόνο Το οξυγόνο υπάρχει σε σημαντική περιεκτικότητα σε επιφανειακά δείγματα, ώστε να είναι μετρήσιμο, σε υπόγεια νερά η περιεκτικότητα είναι πολύ μικρή. Η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό ποικίλει ανάλογα με τα φυσικο-χημικά και βιοχημικά χαρακτηριστικά του νερού.

15 Οι μετρήσεις του διαλυμένου οξυγόνου δεν πρέπει να καθυστερούν, διότι νερά που δεν είναι κορεσμένα (υπόγεια νερά, πηγές, μεταλλείων) οξυγονώνονται γρήγορα. Ο προσδιορισμός γίνεται: -χρωματομετρικά, χρησιμοποιώντας αμπούλες (δεν έχει εφαρμογή σε έγχρωμα νερά. -Φασματοφωτόμετρο με ειδικές αμπούλες.

16 Προσδιορισμός εξασθενούς χρωμίου Για τον προσδιορισμό του εξασθενούς χρωμίου σχηματίζεται έγχρωμο συμπλόκο με DPC-διφαινυλο καρβαζίδιο και προσδιορίζεται η συγκέντρωση χρησιμοποιώντας ένα φορητό φασματοφωτόμετρο τύπου HACH.

17 BOD (Biochemical Oxygen Demand) Μέτρηση της ποσότητας του οξυγόνου που καταναλώνεται από βακτήρια σε δείγμα νερού. Αρχή μεθόδου: Από την οξείδωση του οργανικού υλικού παράγεται διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο απομακρύνεται από το σύστημα (δεσμεύεται με υδροξείδιο του λιθίου) και μετράμε την διαφορά της πίεσης, η οποία είναι ανάλογη της ποσότητας του οξυγόνου που χρησιμοποιήθηκε.

18 Πρακτικό μέρος Το δείγμα νερού τοποθετείται σε δοχεία. Καθώς χρησιμοποιούν τα βακτήρια το οξυγόνο για την οξείδωση του οργανικού υλικού ελαττώνεται το ελαττώνεται το οξυγόνο που περιέχεται στον αέρα της φιάλης επάνω από το δείγμα. Το συνεχές ανακάτεμα (με μαγνήτη) βοηθάει στην μεταφορά οξυγόνου από τον αέρα στο δείγμα και στην προσομοίωση με τις φυσικές συνθήκες.

19

20 Εφαρμογές -Έλεγχος καθαρότητας νερού από εγκαταστάσεις καθαρισμού - Έλεγχος της καλύτερης μεθοδολογίας καθαρισμού

21 Eh Δεδομένου ότι πολλά στοιχεία βρίσκονται σε διαφορετικές καταστάσεις σθένους το Eh επηρεάζει τις ιδιότητές του, όπως είναι: η διαλυτότητά, η ευκινησία τους και συνεπώς την βιοδιαθεσιμότητά τους - Cr.

22

23 Άνθρακας Ολικός άνθρακας Τ.O.C (total organic carbon) σε δείγματα εδάφους Διαλυτός οργανικός άνθρακας- D.O.C (Dissolved Organic Carbon) με σωματίδια μεγέθους μικρότερο από 1 μm. Σωματιδιακή μορφή - P.O.M. (Paticulate Organic Matter), με σωματίδια μεγέθους μεγαλύτερο από 1 μm.

24 Προσδιορισμός οργανικού άνθρακα Ογκομετρικής προσδιορισμός Αρχή μεθόδου: οξείδωση των οργανικών ουσιών με διχρωμικό κάλιο και πυκνό θειικό οξύ. Η ποσότητα του διχρωμικού καλίου, που καταναλώνεται προσδιορίζεται, με οπισθογκομέτρηση της περίσσειας του, με διάλυμα δισθενούς σιδήρου. Ως δείκτης για το τέλος της ογκομέτρησης χρησιμοποιείται διφαινυλαμίνη ή φερροΐνη.

25 Υπολογισμός οργανικού άνθρακα % ΑΝΘΡΑΚΑ = V * [1-(T/Ts)] * 0.003* Nx * (100/W), V: o όγκος του διχρωμικού καλίου, που προστέθηκε Ν: η κανονικότητα του διχρωμικού καλίου Τ: ο όγκος του δισθενούς σιδήρου, που καταναλώθηκε κατά την ογκομέτρηση, S: ο όγκος του δισθενούς σιδήρου, που καταναλώθηκε κατά την ογκομέτρηση του τυφλού δείγματος W: το βάρος του ιζήματος σε gr 0,003 = 12/4.000: το ισοδύναμο βάρος του άνθρακα σε meq. Συνήθως χρησιμοποιούνται 0.5 gr δείγματος.

26 Προσδιορισμός δισθενούς σιδήρου Με δεδομένη την όξινη απορροή των μεταλλείων είναι πολύ σημαντική η μέτρηση του σιδήρου Fe(ΙΙ) /Fe(ΙΙΙ). Όξινη απορροή με ph < 4.5 περιέχει Fe(ΙΙ) και Fe(ΙΙΙ). Σε ph > 4.5 o Fe(ΙΙ) οξειδώνεται ταχύτατα σε Fe(ΙΙΙ) με αποτέλεσμα την καθίζηση υδροξειδίων, και συνεπώς την μικρή συγκέντρωση του Fe(ΙΙΙ). Ο προσδιορισμός του Fe(ΙΙ) είναι ογκομετρικός.

27 AΠOKATAΣΤΑΣΗ Στόχος: εξουδετέρωση των επικίνδυνων ουσιών, περιορισμός των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε άλλα συστήματα. Συμβατικές μέθοδοι αποκατάστασης: Απομάκρυνση του μολυσμένου εδάφους ή υδατικού συστήματος, επεξεργασία ή διάθεσή για υγειονομική ταφή, κάλυψή ήαπομόνωση, σταθεροποίηση για περιορισμό της περαιτέρω διασποράς

28 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ Τα μειονεκτήματα των συμβατικών μεθόδων αποκατάστασης παρότρυναν την ανάπτυξη νέων μεθόδων, που στηρίζονται στην φυσική βιολογική δράση.

29 Πλεονεκτήματα Χαμηλό κόστος, αποδεκτές από τον γειτνιάζοντα πληθυσμό επιτόπια εφαρμογή.

30 Αρχή Βιοαποκατάστασης Αρχή μεθόδου: Χρησιμοποιούνται ζώντες οργανισμοί, βακτήρια, μύκητες ή φυτά για να αποικοδομήσουν τους ρύπους, να τους μετατρέψουν σε μη βλαβερές ουσίες, να μειώσουν τις συγκεντρώσεις τους σε τιμές κάτω των επιστημονικά τεκμηριωμένων και θεσμικά κατοχυρωμένων τιμών, που δεν δημιουργούν κίνδυνο.

31 Διερευνάται Είναι μία νέα τεχνολογία που διερευνάται με μεγάλο ενδιαφέρον κατά την διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, σε εργαστηριακό επίπεδο και σε επιτόπιες δοκιμές Υπάρχει έντονο ενδιαφέρον ευρείας εμπορευματοποίησης της μεθόδου.

32 Ρόλος βακτηρίων Μείωση της απαιτούμενης ενέργειας για την πραγματοποίηση χημικών αντιδράσεων = ενέργεια ενεργοποίησης Και αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης, διότι οι πρωτεΐνες της κυτταρικής μεμβράνης των βακτηρίων δρουν ως ένζυμα.

33 E act χωρίς ένζυμο G E act με ένζυμο Ενέργεια αντιδρώντων Μεταβολή ελεύθερης ενέργειας (ΔG) Ενέργεια προϊόντων

34 Ρόλος βακτηρίων Ο μεταβολισμός των βακτηρίων περιλαμβάνει αντιδράσεις οξειδο-αναγωγής με θείο, άνθρακα ή μέταλλα (μεταφορά ηλεκτρονίων). Με τον τρόπο αυτό παίρνουν τροφή και ενέργεια για την ανάπτυξή τους και διευκολύνουν την διαλυτοποίηση ή τον σχηματισμό ορυκτών. Δηλαδή ο ρόλος του είναι καταλυτικός, αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης.

35 Φυτοσταθεροποίηση: ακινητοποίηση του ρύπου: δέσμευση σε κατάλληλα υποστρώματα, δημιουργία κατάλληλων συνθηκών που δεν επιτρέπουν την κινητοποίηση ρύπων (ρύθμιση ph) Αυτό συμβαίνει: στη ριζική περιοχή, όπου οι εκκρίσεις του φυτού, πρωτεΐνες, ένζυμα, αμινοξέα, ή άλλα οργανικά οξέα, δημιουργούν περιβάλλον, π.χ. αλκαλικό ph, που οδηγούν σε σταθερές μορφές μεταλλικών ιόντων ρύπων και μείωση του βιοδιαθέσιμου κλάσματος.

36 Ριζο αποδόμηση Ριζοαποδόμηση: Χαρακτηρίζεται η διαδικασία της διάσπασης των ρύπων στην ριζόσφαιρα λόγω των εκκρίσεων των φυτών, ή της βιολογικής δραστηριότητας μικροργανισμών της ριζόσφαιρας είτε συνδυασμού αυτών. Οι οργανικοί ρύποι αποικοδομούνται σε προϊόντα, θρεπτικά συστατικά για το φυτό ή τους μικροοργανισμούς ή χουμικά συστατικά εδάφους.

37 Φυτοσυσσώρευση Είναι η αποθήκευση στο ριζικό σύστημα ή στουςβλαστούςκαισταφύλλα, μετάλλων και αλάτων. Μετά την συγκομιδή, τα φυτά διατίθενται προς ταφή.

38 Φυτοαποικοδόμηση-Φυτοεξάτμιση Ορύπος, κυρίως οργανικές ουσίες, αφού απορροφηθεί από το ριζικό σύστημα μεταφέρεται μέσω των χυμών, στα φύλλα/ βλαστούς, όπου αποικοδομείται, π.χ. το Se.

39 Η φυτοαποκατάσταση ενδείκνυται σε θέσεις: μεγάλης έκτασης, για την ανάπτυξη των φυτών, με μέτριες έως χαμηλές συγκεντρώσεις ρύπων (αποφεύγεται το υψηλό κόστος άλλων εφαρμογών).

40 Φυτοαποκατάσταση ρυπασμένου εδάφους από μέταλλα. Μέθοδος απομάκρυσνης μετάλλων, χρησιμοποιώντας υπερσυσσωρευτικά φυτά. Τα Me που εφαρμόζεται η μέθοδος είναι: As, Cd, Ni, Zn, Cu, Pb. Σε εδάφη με μακρόχρονη βιομηχανική δραστηριότητα που εγκαταλείφτηκε και αλλάζει χρήση (εγκαταλελειμμένα ορυχεία και μεταλλεία).

41 Προϋποθέσεις - περιορισμοί Τα φυτά πρέπει να παρουσιάζουν συγκεντρώσεις φορές μεγαλύτερες από εκείνες που παρουσιάζουν φυτά που αναπτύσσονται σε μη ρυπασμένα περιβάλλοντα. Αύξηση βιοδιαθέσιμου ποσοστού, Ερευνες βιογενετικής, για την παραγωγή μεταλλαγμένων ειδών που θα συνδυάζουν την ιδιότητα του υπερσυσσωρευτή με μεγάλη παραγωγή βιομάζας, ή την διέγερση της παραγωγής πρωτεϊνών ή πεπτιδίων που συμπλοκοποιούν τα Μe και αυξάνουν την απορροφητικότητα, τη μεταφορά τους και αποθήκευσή τους στους ιστούς. Οι προσπάθειες αυτές ελέγχονται τόσο από την έλλειψη κοινωνικής αποδοχής των μεταλλαγμένων προϊόντων όσο και από την πρακτική εφαρμογή τους και τα αποτελέσματα σε επίπεδο εδάφους.