Geum.ru

Расширенный план лекционного курса по дисциплине «Методы контроля состояния окружающей среды» для бакалавров 4 года обучения. Введение

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
Расширенный план лекционного курса по дисциплине «Методы контроля состояния окружающей среды» для бакалавров 4 года обучения.


Введение.


Лекционный курс по дисциплине методы контроля состояния окружающей среды (МКСОС) включает в себя несколько разделов, преподавание которых осуществляется в течение трех семестров. Рассмотренный ниже раздел – завершающий. Поэтому лекционный курс включает не только биологические методы контроля состояния окружающей среды, составляющие предмет рассмотрения последнего (третьего) раздела курса в соответствии с Программой, но и некоторые инструментальные методы анализа, не рассмотренные в предшествующих разделах. Наиболее важные из них – методы радиоспектроскопии: ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР). В последние годы все более важное место в эндо-экологии занимают изотопные методы, в первую очередь – масс-спектрометрия изотопных отношений (МСИО) 2Н/1Н, 13С/12С и 18О/16О. Они также включены в рассмотрение. Кроме того, в курс включены наиболее распространенные методы измерения молекулярной массы. Наконец, особое внимание уделяется классификации МКСОС, как по основным их принципам, дисциплинарной принадлежности, характеру получаемой информации, степени воздействия на объект исследования.

Практические занятия осуществляются в форме семинаров и включают в себя следующие виды работы: детализация материала лекционного курса в форме докладов студентов по отдельным разделам и объектам биомониторинга, дополнения лектора по отдельным разделам лекционного курса, решение прямых и обратных спектральных задач, выполнение и анализ домашних заданий, выполнение контрольных работ.

Формой контроля освоения учебного материала являются анализ контрольных работ и домашних заданий по отдельным разделам курса, зачет и экзамен. При условии успешного выполнения всех без исключения контрольных рубежных испытаний в течение семестра студент получает «Зачет» без его специальной сдачи и может быть по усмотрению преподавателя освобожден от одного из трех вопросов на экзамене, как правило – задачи.


Лекция 1. Классификация методов контроля окружающей среды.


МКСОС подразделяются на математические (разработка прогнозных параметров состояния конкретного объекта на основе обработки массива доступной информации), физические (измерение отдельных характеристик состояния окружающей среды с помощью инструментальных методов анализа), физико-химические) то же, но с осуществлением необратимого воздействия на вещество), химические (выявление целевых элементов или химических соединений с помощью индикаторных соединений или реакций), биологические (биоиндикация, биотестирование), технологические (индикация нарушений или отклонений условий технологии процесса и/или соответствия продукции предъявляемым требования). По воздействию на объект анализа конкретные методы, независимо от группы принадлежности, подразделяются на деструктивные и недеструктивные. По количеству исследуемого объекта - на микро - и макрометоды. По получаемой информации – на интегральные (метод дает оценку только одного параметра) и дифференциальные (группа характеристик). По уровню в иерархии химической организации вещества – изотопно-элементные (состав), компонентные и структурные.

Для наиболее распространенных инструментальных методов анализа Состояния окружающей среды и объектов эндо-экологии с целью конкретизации перечисленных дескрипторов дается их классификационная таблица, как общий методологический подход.


Лекция 2. Биологический мониторинг. Биоиндикация и биотестирование.


Общие вопросы биоиндикации и биотестирования – сходство и различие задач, подходов и методов. Формы биоиндикации. Биоиндикаторы. «Контроль» и эталоны в биоиндикации.

Биоиндикация на разных уровнях организации живого. Клеточный и субклеточный уровни. Организменный уровень. Примеры биоиндикации на организменном уровне. Примеры биоиндикации на популяционно-видовом уровне. Примеры биоиндикации на биоценотическом уровне. Примеры биоиндикации на экосистемном уровне. Биоиндикация на уровне биосферы.

Биоиндикация в различных средах. Биоиндикация в наземно-воздушной среде с помощью растений. Биоиндикация в водной среде. Биоиндикация в почве.

Биоиндикация отдельных факторов состояния окружающей среды. Биоиндикация отдельных элементов или химических соединений.

Методы биомониторинга для задач различных областей знаний – токсикологии, гидробиологии, агрономии и т.д.

Особенности современного состояния биоиндикации.


Лекция 3. Радиоспектроскопические методы.


Радиоспектроскопия, как часть (область) спектроскопии поглощения (испускания) веществом квантов электромагнитного излучения в области, типичной для радиосвязи, т. е. в диапазоне метровых, дециметровых и сантиметровых длин волн.

Три наиболее востребованных метода радиоспектроскопии в изучении состава, строения и структуры веществ – спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР). Физические основы методов, открытие явлений ЯМР, ЭПР и ЯКР. Основные параметры спектров ЭПР (интенсивность первой производной сигнала, его положение в спектре, тонкая и сверхтонкая структура сигналов) и ЯКР (интенсивность сигнала, его форма и положение в спектре) и их связь с составом, строением и структурой изучаемого объекта. Особенности методов и их универсальность, достоинства и недостатки (с акцентом на ЭПР и ЯКР, т. к. ЯМР будет рассмотрен в последующих лекциях). Перспективы применения, как МКСОС.


Лекция 4. Спектроскопия ЯМР.


История открытия явления ЯМР. Спектроскопия ЯМР высокого разрешения.

Классическое описание условий резонанса. Заселенность спиновых состояний. Вероятности переходов между ними. Спин-решеточная и спин-спиновая релаксация, их природа. Насыщение, как причина искажения истинных интегральных интенсивностей сигналов в спектрах ЯМР уширения линий. Выражение, характеризующее зависимость интегральной интенсивности сигналов в спектрах ЯМР от характеристик ядра, особенностей эксперимента.

Магнитные ядра, их свойства и содержание для наиболее важных органогенных элементов и токсикантов.

Возможности и ограничения спектроскопии ЯМР в исследовании экологических проблем состояния окружающей среды.

Экспериментальные аспекты спектроскопии ЯМР. Приготовление образцов и ампулы. Внутренние и внешние стандарты. Растворители. Способы повышения чувствительности метода. Температурные факторы.

Метод ЯМР, как единственный строго количественный метод анализа и исследования изотопных и компонентных смесей соединений, динамики химических процессов, структуры водных растворов и их изменений при загрязнениях.


Лекция 5. Параметры спектров ЯМР.


Химический сдвиг в спектрах протонного магнитного резонанса органических молекул. Связь с молекулярной структурой. Понятие константы экранирования, вклады в нее локальных диамагнитного и парамагнитного вкладов. Единицы измерения химического сдвига, шкала относительно ТМС, ее независимость от величины магнитной индукции магнита спектрометра.

Зависимость химических сдвигов от структуры молекул для ядер водорода. Факторы, влияющие на экранирование ядер водорода, углерода, кислорода. Номограммы, таблицы, базы данных по химическим сдвигам. Их использование при интерпретации спектров.

Спин-спиновое взаимодействие. Общие замечания. Спиновые системы. Энергия косвенного спин-спинового взаимодействия. Простые правила интерпретации сверхтонкой структуры в спектрах. Представления о магнитной эквивалентности. Классификация спиновых систем. Виды и типы констант спин-спинового взаимодействия.

Зависимость спин-спинового взаимодействия от структуры молекул (числа промежуточных связей, видов взаимодействующих ядер, их относительного пространственного расположения, угловые зависимости Каплуса, Быстрова и др.)

Наиболее важные аспекты использования констант спин-спинового взаимодействия между ядрами водорода и углерода, углерода и углерода при установлении химического строения молекул.


Лекция 6. Методы интерпретации информации из спектров ЯМР.


Специальные приемы и методы для упрощения интерпретации спектров ЯМР индивидуальных соединений в химии.

Специфические особенности изучения методом ЯМР биологических объектов. ЯМР-томография и ЯМР –микроскопия. Спектроскопия парамагнитных веществ (биологические жидкости). ЯМР твердых объектов.

Методологические особенности спектроскопии ЯМР на ядрах дейтерия в установлении сырьевой, географической и технологической природы продуктов питания, напитков, других важнейших для эндо-экологии объектов.

Примеры используемых комплексных алгоритмов и методик для контроля качества напитков (концентрированные и свежевыжатые соки, натуральные минеральные воды и минерализованные воды, натуральные вина и их фальсификаты), меда и иных продуктов с повышенными лечебно-диетическими свойствами (растительные масла, экстракты из других видов растительного сырья, в частности, лекарственного).

Возможности спектроскопии ЯМР в анализе воды питьевого назначения. Влияние различных примесей на время релаксации кислорода-17, как изотопа элемента, структурообразующего водную матрицу.


Лекция 7. Количественная спектроскопия ЯМР сложных органических объектов.


Язык фрагментного анализа, как универсальная форма количественного представления состава сложных органических смесей природного происхождения (гуминовые вещества почв, уголь, нефть, древесина, их компоненты, фракции, продукты модификации и т.д.) Параметры фрагментного состава их спектров ЯМР Н-1 и С-13. Редактирование углеродных спектров.

Информация из фрагментарного состава объектов (реологических, технологических, физиологических)

Уникальные возможности количественного изучения строения и свойств сложных объектов на примере исследований гуминовых кислот из окисленных бурых углей, являющихся ростовыми веществами, детоксикантами территорий, загрязненных пестицидами, тяжелыми металлами, нефтепродуктами. Оценка физиологической активности гуминовых препаратов по их фрагментно-функциональному углеродному составу. Оценка оптимальных физиологических концентраций растворов гуматов в воде по параметрам спектров ЯМР кислорода-17. Достоинства и недостатки ЯМР, алгоритмов и методов при изучении сложных органических объектов.


Лекция 8. Методы измерения молекулярной массы объектов окружающей среды и методы молекулярной масс-спектрометрии.


Классические методы оценки молекулярной массы индивидуальных веществ и многокомпонентных смесей. Криоскопия, эбуллиоскопия, гель-хоматография.

Молекулярно-массовое распределение в масс-спектрометрии. Структурно-групповой анализ, его возможности и ограничения. Влияние изомерии на характер масс-спектров осколочных и перегруппированных ионов на примере тетрахлордибензодиоксинов. Идентификация других токсикантов методами масс-спектрометрии.

Определение элементного состава индивидуальных соединений путем анализа интенсивности сигналов изотопных форм молекулярного иона.

Совместное использование молекулярной масс-спектрометрии и ЯМР-фрагментографии для анализа сложных органических объектов, важных для экологических задач.


Лекция 9. Изотопная масс-спектрометрия в анализе объектов, важных для эндо-экологии.


Принцип метода. Аппаратурное оформление для анализа органических объектов на содержание изотопомеров органогенных элементов: водород, углерод, кислород, азот, сера. Сочетание метода с хроматографией.

Примеры использования метода в официальной практике стран Евросоюза для установления подлинности различных продуктов питания и напитков. Перспектива введения метода в официальные протоколы РФ в связи с принятым Законом «О техническом регулировании».

Обобщение материала лекционных курсов: наиболее перспективные эффективные алгоритмы и методы в анализе отдельных принципиально важных объектов ОС: воздух, воды сточные, воды питьевые, почвы, продукты питания, лекарственные субстанции, парфюмерно-косметические средства. Трудности их использования в условиях РФ в практической деятельности контролирующих организаций (проблемы кадров, оборудования, реактивов, стандартов, баз и банков данных).


Темы семинарских занятий и практических работ.

  1. Методы биоиндикации и биотестирования (проблемы, объекты, методики, информация) - по п.1 каждый студент делает сообщение
  2. Решение формально-логических задач по установлению признаков индивидуального соединения – по п.2 каждый студент решает задачи на занятиях и выполняет контрольную работу.
  3. Интегральные интенсивности сигналов в спектрах ЯМР в совокупности с химическими сдвигами – выход на структурную формулу молекулы – по п.3 каждый студент выполняет домашнее задание
  4. Идентификация молекул по спектрам ЯМР
  5. Анализ сложных систем методами ЯМР
  6. Изотопные соотношения основных органогенных элементов
  7. Определение брутто-формулы индивидуальных соединений по масс-спектру (изотопомеры молекулярного иона)
  8. Фрагментный состав сложных объектов – по п. 8 индивидуальные домашние работы
  9. Совокупное использование методов биомониторинга и спектроскопии – по п. 1-9 проводится решение задач на семинарах и три рубежные аттестации.



Примерный перечень вопросов на экзамене по курсу «МКСОС» (завершающий раздел).

  1. Методы биомониторинга
  2. классификация методов биомониторинга
  3. Различия методов биоиндикации и биотестирования
  4. Биоиндикационные методы с помощью человека как объекта
  5. Лихеноиндикация
  6. Биомониторинг с помощью деревьев
  7. Биомониторинг с помощью водорослей
  8. Биомониторинг с помощью простейших
  9. Биомониторинг с помощью рыб
  10. Биомониторинг с помощью животных
  11. Биомониторинг с помощью птиц
  12. Снег как объект биотестирования
  13. Биотестирование воды с помощью рыб
  14. Биомонитринг водоемов водозабора
  15. Биомониторинг сточных вод
  16. Биомониторинг почв
  17. Биомониторинг воздушной среды
  18. Формы биоиндикации и требования к биоиндикаторам
  19. Стандартные и контрольные образцы в биомониторинге
  20. Примеры биоиндикации на популяциооно-видовом уровне.
  21. Примеры биоиндикации на экосистемном уровне
  22. Принципы экономических расчетов в биоиндикации, особенности современного состояния биоиндикации
  23. Особенности биоиндикации искусственных экосистем
  24. Преимущества и недостатки биоиндикации по сравнению с физико-химическими МКСОС
  25. Алгоритмы и схемы совместного использования биоиндикационных и инструментальных МКСОС
  26. Классификация МКСОС
  27. Инструментальные МКСОС
  28. Оптические МКСОС
  29. Ионизационные МКСОС
  30. Дифракционные МКСОС
  31. Элементный анализ объектов ОС
  32. Изотопный анализ объектов ОС
  33. Компонентный анализ объектов ОС
  34. Фрагментный состав органических соединений
  35. Радиоспектроскопические методы в анализе объектов ОС
  36. Хроматографические МКСОС
  37. Спектроскопия ЯМР – физические основы
  38. Изотопы биогенных элементов в ЯМР
  39. Достоинства и недостатки спектроскопии ЯМР
  40. Параметры, измеряемые из спектров ЯМР
  41. Интенсивности сигналов в спектрах ЯМР
  42. Химические сдвиги в спектрах ЯМР – природа, измерение, использование
  43. Эталоны в спектроскопии ЯМР
  44. КССВ – основные правила интерпретации
  45. КССВ - типы, виды, природа, измерения
  46. Аспекты применения ЯМР в экологии
  47. Спектроскопия ЭПР
  48. Спектроскопия ЯКР
  49. Измерение молекулярной массы молекул
  50. Масс-спектрометрия изотопных отношений
  51. -75. Решение прямой или обратной задачи по спектроскопии.



Рекомендованная литература по разделу 3 курса «Методы контроля состояния окружающей среды»

  1. Мониторинг и методы контроля окружающей среды: Учебное пособие в двух частях: Часть1 Общая и Часть 2 Специальная/ Ю. А. Афанасьев, С. А. Фомин и др. – М.: Изд-во МНЭПУ, 1998 – 208 с и 2001 -337 с.
  2. Юинг г. Инструментальные методы химического анализа. – М.: Мир, 1989.-608 с.
  3. Эмсли Дж. Элементы. М.: Мир, 1993. 256 с.
  4. Калабин Г. А., Каницкая Л. В., Кушнарев В. Ф. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов переработки. – М.: Химия, 2000.-408 с.