Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современного состояния вопроса исследования 8
1.1. Естественный тритий 9
1.2. Искусственный тритий . 12
1.3. Тритий в гидросфере . 14
1.4. Тритий в растениях, почве . 18
1.5. Влияние на живой организм 21
1.6. Методы определения 24
Глава 2. Регион исследования . 32
2.1. Физико-географическая характеристика бассейна Финского залива . 32
2.1.1. Геологическое строение и рельеф 35
2.1.2. Почвы и растительный покров . 38
2.1.3. Климатические условия . 44
2.1.4 Характеристика гидрологической сети 47
2.2. Источники радиоактивного загрязнения территории бассейна Финского залива 54
Глава 3. Методы и фактические материалы исследования 58
3.1. Методы отбора и обработки образцов 59
3.1.1. Отбор, обработка и подготовка образцов природных вод и снежного покрова . 59
3.1.2. Отбор и обработка образцов биологических объектов (травяной покров, насекомые,листва деревьев) . 67
3.1.3. Отбор и обработка образов почвенного покрова 71
3.1.4. Отбор и обработка образцов древесины 72
3.1.5. Подготовка образцов биологических объектов, почвенного покрова и древесины с помощью установки для окисления проб SampleOxidizerPerkinElmer 75
3.2. Измерение содержания трития с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика Quantulus-1220 77
Глава 4. Анализ распределения трития в объектах экосистемы бассейна Финского залива . 82
4.1. Распределение трития в природных водах и снежном покрове 82
4.2. Распределение трития в системе почва-трава-насекомые . 102
4.3. Распределение трития в листве деревьев 108
4.4. Распределение трития в годичных кольцах деревьев 112
Глава 5. Разработка базы данных содержания трития в объектах экосистемы региона 119
5.1. Теоретические предпосылки по созданию баз данных содержания изотопов в окружающей среде 119
5.2. Теоретические и экспериментальные основы для разработки базы данных содержания радионуклидов в объектах экосистемы региона 125
Заключение . 129
Список литературы . 131
Приложение 1 . 141
Приложение 2 . 155
- Влияние на живой организм
- Характеристика гидрологической сети
- Отбор и обработка образцов биологических объектов (травяной покров, насекомые,листва деревьев)
- Теоретические предпосылки по созданию баз данных содержания изотопов в окружающей среде
Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время перед мировым сообществом стоит проблема по контролю содержания радионуклидов в окружающей среде. Одним из важных радиационно-экологически значимых радионуклидов является тритий.
Тритий (Н3, Т) - радиоактивный изотоп водорода, распадается с испусканием (3-частиц. Поступает в биосферу из естественных и антропогенных источников. Естественный тритий образуется в атмосфере при взаимодействии космического излучения с атмосферными газами. В результате антропогенной деятельности уровень содержания трития в природной среде изменился. Резкое увеличение его содержания в биосфере произошло в результате использования атомной энергетики в мирных и военных целях. В настоящее время основным источником искусственного трития являются объекты ядерного топливного цикла. Для экосистем, которые находятся в зоне влияния таких объектов необходим контроль за содержанием трития.
Высокие концентрации трития (более 124 TU) влияют на жизнедеятельность организмов, приводят к серьезным нарушениям в их развитии. В организм человека радионуклид попадает с пищей, воздухом и водой. Радиологическая опасность трития обусловлена его способностью легко включаться в органические молекулы. Тритий, являясь изотопом водорода, проникает в цитоплазму любой клетки. Испускаемое при распаде (3-излучение повреждает генетический аппарат организмов. Биологическое действие трития усиливается образованием при распаде инертного газа гелия, что приводит к разрыву водородных связей молекул ДНК живых клеток, нарушению процесса синтеза органических структур и изменениям организмов на генетическом уровне.
Для региона бассейна Финского залива, где размещается один из потенциально радиационно-опасных объектов Северо-Запада России -Ленинградская АЭС, последние исследования содержания трития проводились в 1972 году, данные были представлены только для вод Финского залива. Полностью отсутствуют данные о содержании трития в почве и биологических объектах региона. В то время как систематическое наблюдение и контроль за радионуклидами необходим для обеспечения радиоэкологической безопасности региона.
В связи с этим, актуальность исследования заключается в изучении состояния окружающей среды через контроль содержания и поведения одного из важнейших биологически значимых радионуклидов - трития в объектах (природные воды, снежный покров, почвенный покров, биологические объекты) экосистем бассейна Финского залива.
Объекты исследования: элементы экосистем бассейна Финского залива: природные воды, снежный покров, почвенный покров, биологические объекты (травяной покров, деревья, листва, насекомые).
Предмет исследования: содержание и распределение трития в объектах экосистем бассейна Финского залива.
Цель работы - выявить основные факторы, влияющие на поведение трития и сформулировать их влияние на различные компоненты экосистем бассейна Финского залива.
Для достижения заявленной цели были поставлены следующие задачи:
- охарактеризовать особенности трития, установить наиболее
эффективные способы его определения;
- обосновать выбор региона исследования;
- установить содержание трития в природных водах, снежном покрове,
почве и биологических объектах региона;
- охарактеризовать пути поступления трития в экосистемы региона.
Защищаемые положения:
1. Содержание трития в природных водах и снежном покрове региона
находится на уровне естественных значений, не превышает предельно
допустимую концентрацию трития в воде и зависит от физико-географических
условий, определяющих климат региона. Повышенные фоновые значения
трития наблюдаются рядом с потенциально опасными радиационными
объектами.
2. Распределение трития в системе почва-трава-насекомые в местах,
удаленных от потенциально опасных радиационных объектов, находится на
одном уровне, связано с естественным фоном трития.
3. Разработана методика мониторинга поведения трития в окружающей
среде.
4. Созданная база данных является основой для организации мониторинга
за содержанием и поведением трития в компонентах экосистем, что
обеспечивает разработку сценариев развития экологической ситуации в регионе
на ближайшую и отдаленную перспективу.
Научная новизна. Впервые для региона бассейна Финского залива
проведено комплексное исследование распределения и поведения
радиоактивного изотопа водорода – трития в различных компонентах экосистем (природные воды, снежный покров, почвенный покров, биологические объекты).
До настоящего времени исследования, проводимые в разных регионах России и за рубежом, устанавливали содержание трития в природных водах. Комплексные исследования распределения и поведения этого радиоизотопа еще только начинают проводиться.
Важным и новым в проведенном исследовании является определение содержания и поведения трития на уровне фоновых значений. Это, с одной стороны, вносит вклад в знания о геохимии региона, и с другой - позволяет отслеживать изменения содержания данного радионуклида в связи с деятельностью объектов ядерного топливного цикла, что является важным вкладом в развитие радиоэкологической безопасности региона.
Теоретической основой диссертации являются результаты исследований ведущих отечественных и зарубежных специалистов в области изучения радиоактивных изотопов и, в частности, свойств и особенностей поведения трития в объектах окружающей среды: Б. В. Айвазов, Л. Ф. Беловодский, М. В. Иваницкая, И. Ю. Картрич, Л. А. Ленский, М. Б. Нейман, Ю. А. Сапожников, В.
А. Сыроватко, Г. Фор, Р. Хефс, М. С. Хозяинов, Э. Эванс, В.С. Юфин, C.Varlam, O. Daillant, C.-K.Kim, N.Momoshima, A.Turner, R.D.Fallon, M.Hadzsehovich, Y.Yamada.
Фактический материал и методы исследования. В основу
диссертационной работы легли результаты исследований отдельных
компонентов экосистемы бассейна Финского залива, проводимые с 2009 по 2012 годы. Было отобрано и проанализировано 225 образцов различных природных объектов. Отбор и подготовка проб к анализу проводились в соответствии с официально утвержденными и разработанными методиками (ГОСТ 23255-78; ГОСТ 23077-78; ГОСТ 17.4.4.02-84; ГОСТ 30-318-2002; ISO5667-2:2003). Определение активности трития проводилось жидкостно-сцинтилляционным методом в лаборатории Геохимии окружающей среды им. А. Е. Ферсмана.
Обоснованность и достоверность результатов исследования
базируется на верифицированных методиках сбора и обработки материалов, разработанных по результатам анализа работ отечественных и зарубежных исследователей; на необходимом и достаточном количестве исходных материалов; применении высокочувствительных систем для подготовки и измерений образцов, ГИС технологий, обработки аналитических материалов и представления результатов.
Теоретическая значимость диссертационного исследования
заключается в развитии теории геоэкологии территорий, находящихся в зоне
влияния потенциально радиационно-опасных объектов и выявлении
закономерностей радиоактивного загрязнения окружающей среды.
Практическая значимость. В ходе диссертационного исследования получены данные, позволяющие прогнозировать динамику радиоактивного загрязнения экосистем бассейна Финского залива. Созданные в результате исследования ГИС-карты и база данных являются основой мониторинга концентраций трития и могут применяться при проведении экологического контроля радиационной обстановки в регионе. Диссертационное исследование проводилось в рамках государственного контракта FCP № 14.В 37.21.1897 «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013».
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации изложены в 13 печатных работах, из них 3 в рецензируемых изданиях. Результаты исследований доложены на VI Международной конференции «Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» (РГПУ им. А. И. Герцена 2009 г.), X, XI Международных семинарах «Геология, геоэкология, эволюционная география» (РГПУ им. А. И. Герцена 2010, 2011 г.), Международной молодежной конференции «Науки о Земле и Цивилизация» в рамках фестиваля науки (РГПУ им. А. И. Герцена 2012 г.), 3-й Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов памяти академика А. П. Карпинского (ВСЕГЕИ им. А. И. Карпинского, 2013 г.).
Влияние на живой организм
Наиболее подходящим источником информации для оценки воздействия трития на живой организм являются эпидемиологические исследования. Значительное количество таких исследований проводилось с работниками ядерной промышленности и их детьми. Как отмечают французские авторы [54], существует мало данных о вреде здоровью, вызванным облучением тритием, в связи с чем, его радиологические эффекты изучались на клетках живых организмов и непосредственно на животных. Так, по их мнению, нет убедительных данных о каких-либо патогенных изменениях при воздействии трития на растения. Так же не наблюдалось изменения производства биомассы при длительном воздействии трития на разные виды овощей в исследованиях китайских ученых [57]. Однако, предполагается, что мутации ДНК и гибель клеток как растений так и животных происходят при очень высоком уровне трития.
Результаты экспериментов на животных не могут непосредственно экстраполироваться на человека. Однако, биологическая эффективность слабых излучателей для различных условий облучения должна учитываться при оценке радиотоксичности трития для человека. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) трития – это соотношение между поглощенной дозой -излучения трития, и дозой, поглощенной при стандартном облучении (х- или ), которая оказывает такой же биологический эффект. ОБЭ используется совместно с биофизическими данными, в качестве основы для определения дополнительных факторов радиационной нагрузки. Проводились исследования действия -излучения трития на геном человека. При сравнении результатов цитогенетического обследования групп профессионалов-атомщиков, подвергшихся в процессе профессиональной деятельности воздействию -излучения трития и -нейтронному воздействию в сопоставимых дозах, подтверждена более высокая (примерно в 3 раза) биологическая эффективность -излучения трития [26].
Тритий присутствует в организме человека и поступает в него с пищей, водой, с вдыхаемым воздухом и через кожу (12%). Газообразный тритий в 500 раз менее токсичен, чем сверхтяжелая (тритиевая) вода. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, затем быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать ему значительную дозу радиации. Независимо от путей поступления в организм через 2-3 часа наблюдается равномерное распределение НТО в жидкой фазе организма (кровь, моча, выдыхаемые пары воды).
Максимальный пробег -частиц трития в воздухе составляет 5,8 мм при температуре 20С, в биологической ткани 6,5 мкм. Поэтому -частицы трития полностью поглощаются роговыми слоями кожи, и внешнее облучение организма тритием и его соединениями не представляет опасности.
Тритий представляет радиологическую опасность, только если попадает в организм (с пищей, воздухом, водой) и включается в органические молекулы [54].
Обладая наименьшей из всех радиоизотопов энергией -частиц, тритий создает значительную плотность ионизации тканей (число пар ионов, образуемых заряженной частицей на единице ее пути).
Пробег -частицы трития значительно меньше геометрических размеров клеток, поэтому поражение тритием локализуется возле самого изотопа, и общее поражение зависит от геометрии его распределения в тканях организма и микрогеометрии распределения в клетке.
Биологическое действие трития обуславливается тем, что при его распаде образуется инертный газ гелий, поэтому рвутся водородные связи в живых клетках, а это сказывается как на нарушении процесса синтеза органических структур при жизни индивида, так и на наследственности [17].
Глобальное среднее значение эффективной эквивалентной дозы (ЭЭД), получаемой человеком от естественных источников, составляет около 2,4 мЗв/год.
Рекомендации Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ) не делают различия между естественными и искусственными радионуклидами. Рекомендуемый уровень ЭЭД составляет 0,1 мЗв за 1 год потребления питьевой воды [39].
Реально ЭЭД зависит не только от поступления радионуклида как такового, но и от метаболических и дозиметрических параметров. Поступление радионуклидов от 2 л питьевой воды в день в течение одного года рассчитывается с учетом закономерностей метаболизма взрослого человека. При конкретных оценках должны учитываться коэффициенты конверсии (Зв/Бк).
Концентрация трития в питьевой воде, соответствующая эффективной эквивалентной дозе 0,1 мЗв при потреблении в течение одного года (при коэффициенте конверсии дозы 1,810–11) составляет 7600 Бк/л [39].
Стоит отметить, что для трития данное значение наибольшее, среди других радионуклидов от С14 (245 Бк/л) до Pu239 (0,2 Бк/л). То есть, чтобы соответствовать рекомендуемому уровню эффективной эквивалентной дозы, концентрация трития должна составлять 7600 Бк/л, а например, Pu239 только 0,2 Бк/л. Это говорит о меньшей опасности, которую представляет тритий для здоровья людей по сравнению с другими радионуклидами.
В работе о поведении трития в водах Уральского региона приводятся данные о содержании трития питьевой воде из скважин (11 Бк/л) и воде водопроводной сети (18 Бк/л) [29].
Характеристика гидрологической сети
Территория бассейна Финского залива приурочена к двум гидрогеологическим структурам, ее северная часть (Карельский и Онего-Ладожский перешейки) относится к Балтийскому гидрогеологическому массиву, а вся остальная территория - к Ленинградскому артезианскому бассейну [6, 10, 18].
Финский залив вытянут с запада на восток на 420 км; его площадь около 29,5 тыс. км. У западных границ Ленинградской области ширина залива достигает 130 км, а в Невской губе 12-15 км. Южный берег залива большей частью песчаный, низменный и лишь в местах подступа глинта – обрывистый. Берег слабо изрезан, образует три небольших залива: Нарвский залив, Лужскую губу, Копорский залив. Северный берег залива сложен кристаллическими породами; он сильно изрезан и имеет многочисленный заливы и разделенные узкими проливами гранитные скалистые острова – шхеры. Самый значительный из заливов на севере – Выборгский.
Финский залив не глубокий, особенно мелководна восточная часть. Глубина Невской губы – 2,5 – 6 м, в береговой полосе до 1 м. Соленость вод Финского залива – около 6 %о, то есть ниже, чем в малосоленом Балтийском море, что объясняется большим притоком пресной воды из рек, особенно из Невы.
Территория бассейна покрыта густой сетью водотоков, многочисленными озерами и обширными болотами. На территории Ленинградской области протяженность всех рек составляет 50 тыс. км (0,6 км на 1 км территории) – это больше, чем в других областях России.
Реки региона исследования принадлежат к типу равнинных, для которых характерно смешанное питание с преобладанием снегового. Помимо талых вод, в питании рек участвуют дождевые и подземные воды. В годовом ходе уровня воды выделяются весеннее половодье, летняя межень, осенний паводок и зимняя межень [33].
Во время половодья стекает около трети годового стока. В летнюю и зимнюю межень наблюдается наименьший сток в реках. Все реки зимой покрываются льдом, не замерзают лишь небольшие участки. Ледоход наблюдается обычно на крупных реках, а на малых – лед тает на месте [30].
Весеннее половодье начинается в последней декаде марта. Средняя высота половодья над меженным уровнем составляет от 1-2 м на малых и зарегулированных озерами и карстом реках и до 5-6 м. Средняя продолжительность подъема весеннего половодья для средних рек 10-12 дней. Спад половодья происходит замедленно и заканчивается обычно в конце мая. Летняя межень обычно устанавливается в начале – середине июня и заканчивается в октябре. Наиболее низкие уровни наблюдаются в июле – августе. Почти ежегодно межень нарушается 2–3 дождевыми паводками.
В октябре-ноябре на реках обычно проходит осенний, сильно растянутый по времени дождевой паводок, высота его от 0,5 до 1,2-2 м.
Зимняя межень устанавливается в конце ноября – середине декабря и заканчивается с началом весеннего половодья, в среднем в конце марта - начале апреля. Наиболее маловодный период наблюдается в феврале – марте. В маловодные годы некоторые реки на отдельных участках перемерзают [30].
Речная сеть густая и разветвленная. Среди многочисленных рек самые крупные – Нева, Волхов, Луга, Вуокса, Нарва, Оять, Паша, Сясь. Большинство водотоков имеют небольшие уклоны (до 20-40 см/км) и спокойное течение. Лишь при пересечении кристаллических пород, моренных возвышенностей и гряд на перекатах и порогах скорость течения может резко возрастать, как например, на Неве - Ивановские пороги.
Краткая характеристика наиболее крупных рек региона
Река Нева, протяженностью 74 км, берет начало в Ладожском озере, впадает в Финский залив. Площадь собственного бассейна Невы 5180 км2. Протекает по равнинной Приневской низине, имеет невысокие берега (5-10 м), общее падение всего 4 м. Скорость течения в верховьях достигает 7-12 км/ч, в низовьях 3-4 км/ч. Наибольшая глубина 18 м в Санкт-Петербурге у Литейного моста. Наибольшая ширина реки 1200 м (у истоков), наименьшая 240 м (у порогов). Нева очень многоводна, годовой расход воды 77 м. [12].В Неву впадает 26 небольших рек и речек, наиболее крупными из которых являются реки: Мга, Тосна, Ижора, Охта и Славянка, являющиеся притоками 1-го порядка. Большинство водотоков приходится на территорию Кировского, Тосненского, Всеволожского и Гатчинского районов Ленинградской области и г. Санкт-Петербург. Густота речной сети на водосборе варьирует от 0,7 до 1,6 км/км2.
Все водотоки в границах частного водосбора реки Нева, расположенные в границах Санкт-Петербурга, делятся на категории: - протоки в дельте реки Нева, режим которых полностью определяется колебаниями уровня воды в Неве, такие как реки Фонтанка, Пряжка, Мойка,
Ждановка, Карповка и др.;
- реки частного водосбора, сток которых либо не зарегулирован, либо слабо зарегулирован озерами и болотами, расположенными на их водосборах, такие как реки Черная, Черная Речка (левый приток Невы), Мга, Тосна, Оккервиль, и др.;
- реки, сток которых на территории города зарегулирован плотинами, возведенными в их руслах, такие как реки Охта, Ижора, Кузьминка, Пулковка и др.;
- реки, сток которых на территории города формируется в основном за счет сточных и дренажных вод, такие как р. Мурзинка;
- малые реки и ручьи, площадь бассейна которых значительно сократилась под влиянием жилой застройки и хозяйственного освоения территории, такие как, малые водотоки (ручьи) Пушкинского и Колпинского районов, Черная Речка (правый приток Невы) и др.
Река Свирь, протяженностью 224 км, берет начало в Онежском озере, впадает в Ладожское озеро. Средняя ширина реки 180-200 м, средняя скорость течения 1,3-1,5 м/с, среднегодовой расход воды - 790 м3/с. В пределах территории Ленинградской области площадь водосбора реки составляет 17910 км2 (без учета Онежского озера). Густота речной сети - 0,52 км/ км2. Наиболее крупными притоками являются Паша (Тихвинский и Волховский районы), Оять (Подпорожский и Лодейнопольский районы). В долине реки много низин и болот.
Река Оять берет начало в северо-восточных отрогах Валдайской возвышенности на территории Вологодской области и протекает по территории Подпорожского и Лодейнопольского районов Ленинградской области. Впадает в р.Свирь с левого берега в 15 км от ее устья. Длина реки - 266 км, площадь водосбора составляет 5220 км2. В пределах Ленинградской области длина реки -250 км, а площадь водосборного бассейна - 4960 км2. Река в верховьях маловодна, в среднем течении - порожистая, извилистая и течет в глубокой и широкой долине. Река Паша, наиболее крупный левый приток реки Свирь, полностью расположена в границах Ленинградской области. Паша берет начало на западном склоне Вепсовской возвышенности (на высоте 115 м), вытекает из оз. Паш-озеро, впадает в р. Свирь в 8 км от ее устья и имеет разветвленную сеть притоков. Длина реки Паша - 242 км, средний уклон - 0,44 м/км, а площадь водосбора реки составляет 6650 км2. Русло большей частью песчаное, местами каменистое, на порогах галька с валунами или плиты известняка, берега в основном высокие, покрытые хвойными и смешанными лесами.
Отбор и обработка образцов биологических объектов (травяной покров, насекомые,листва деревьев)
Образцы травяного покрова были отобраны в июне-июле 2010 года на территории Пушкинского, Центрального и Красногвардейского районов Санкт-Петербурга (29 образцов) и в 2011 году на территории Тихвинского района Ленинградской области (11 образцов). Для координатной привязки точек отбора использовался GPS навигатор. (Приложение, таблицы 3, 7).
Для отбора образцов использовались рекомендации, представленные в материалах ГОСТ 27262-87 (Корма растительного происхождения. Методы отбора проб) [24]. При отборе использовалась специальная деревянная рамка размером 1м1м. Наземную часть травяного покрова срезали ножницами. Высота среза была не менее 3 см от поверхности почвы. Образцы отбирали в полиэтиленовые пакетики. При отборе образцов составлялся сопроводительный документ, в котором указывались: координаты точки пробоотбора, описание места пробоотбора, дата пробоотбора.
В лабораторных условиях трава была высушена в сушильном шкафу при температуре 105С. Затем образцы измельчали и тщательно перемешивали. Таким образом, каждой точке соответствовал один образец, полученный смешиванием травяного покрова, отобранного в пределах деревянной рамки размером 1м1м, произрастающий в этой точке пробоотбора. Каждый образец был взвешен по 0,4 г и спрессован в таблетку с помощью лабораторного пресса.
Насекомые
Для исследования были выбраны черные садовые муравьи рода Lasius семейства Formicidae (Formicidae, Lasius niger) и их личинки, которые широко распространены в парковых зонах города и за городом и можно провести сравнение в пределах одного вида. Большинство муравьёв являются универсальными хищниками, падальщиками и косвенными потребителями листвы. Основу питания почти всех муравьёв составляют два компонента: белковый и углеводный. При этом углеводный в основном потребляется взрослыми особями, а белковый - личинками. В качестве источника белковой пищи используются различные беспозвоночные, главным образом насекомые. Основным источником углеводной пищи служит для муравьёв медвяная роса или падь – сладкое выделение тлей и других хоботных насекомых (червецов, щитовок, некоторых цикадок). Помимо пади и насекомых, муравьи могут питаться соком растений, нектаром, грибами, семенами. Поэтому, это хороший объект для определения содержания радионуклидов и оценки их поведения и накопления в цепочке растительность-насекомые.
Образцы насекомых были отобраны в Тихвинском районе Ленинградской области в 2011 году, в тех же точках, где были отобраны образцы почвы и травяного покрова. При отборе учитывались следующие рекомендации. Отлов муравьев и отбор личинок производится на почвенных участках. При однородной экологической характеристике участков почвенные ямы закладывают по диагонали или в случайном порядке. При разнообразном рельефе или неравномерном распределении растительности, неодинаковой задерненности почв ямы располагают группами по 3-4 шт. в отдельных экологических разностях. Количество почвенных ям на обследуемой площади зависит от численности муравьев и их личинок и заданной точности определения. Для установления нужного размера и количества ям на выбранном участке закладывают произвольное количество ям (Ni) и определяют (по данным раскопок) среднюю численность муравьев (Nср) и ее дисперсию (S2) (Nср =Ni/i) S2=(Nср-Ni)2/i-1) Нужное количество ям для данного участка (N) находится по следующей формуле: N= S2/ Nср22 где - ошибка выборки в долях единицы. При низкой численности муравьев (средняя заселенность почвы менее 1 экз./см2), когда очень трудно добиться необходимой точности учета, ограничиваются минимальной выборкой: при размере ям 10 х 10 см - 20 шт., при размере ям 5 х 5 см - 40 шт. [27]. Образцы были отобраны по 6 точкам. Для координатной привязки точек отбора использовался GPS навигатор (приложение, таблица 8). Образцы муравьев и их личинок в необходимом количестве отбирались в полиэтиленовые пакетики. При отборе образцов составлялся сопроводительный документ, в котором указывались: координаты точки пробоотбора, описание места пробоотбора, дата пробоотбора. В лабораторных условиях муравьи и их личинки из каждой точки были высушены в сушильном шкафу при температуре 105оС. Каждый образец был взвешен по 0,4 г и спрессован в таблетку с помощью лабораторного пресса. Листва деревьев Листва деревьев была выбрана для исследования потому, что состояние питания деревьев часто является индикатором процессов, идущих на экосистемном уровне. Непосредственной причиной ухудшения состояния дерева может быть недостаток минеральных питательных веществ, который также усугубляет вредное влияние загрязнения атмосферы. Высокая концентрация отдельных элементов в тканях листвы или хвои может быть признаком интоксикации или высоких уровней загрязнений воздуха. Неблагоприятные химические условия в корнеобитаемой зоне почвы может привести к дисбалансу в потреблении питательных веществ и к последующему нарушению питания растений. У листопадных видов (включая лиственницу) образцы листвы следует собирать во второй половине вегетационного периода в то время, когда новые листья полностью развились, и перед самым началом осеннего пожелтения и постарения [68]. Поэтому отбор образцов проходил в июне – начале июля 2011 года, когда листья деревьев полностью сформировались. Всего был отобран 21 образец на территории Пушкинского и Василеостровского районов Санкт 70 Петербурга. Для координатной привязки точек отбора использовался GPS навигатор. (Приложение, таблица 6). При отборе проб листвы учитывалось, что для участка пробоотбора должны были быть выполнены следующие критерии: деревья должны быть распределены по всей площади участка или вокруг него, если насаждение можно на достаточно большой территории считать однородным; деревья должны относиться к предоминантным или доминантным классам (в насаждения с сомкнутым пологом) или к деревьям с высотой, отклоняющейся не более чем на 20 % от средней высоты (в насаждениях с разреженным пологом); состояние учетных деревьев должно отражать средний уровень дефолиации на пробе (± 5% дефолиации) на момент отбора в городских условиях. Необходимым условием также являлось то, чтобы собранные листья развивались в условиях полного освещения. Для оценки уровня концентрации питательных и вредных веществ наиболее пригодны листья текущего года. [4, 24].
Теоретические предпосылки по созданию баз данных содержания изотопов в окружающей среде
С развитием МАГАТЭ (IAEA), были разработаны базы данных Глобальной Сети изотопов в осадках (GNIP),стало возможным использование информации по содержанию изотопов в гидрологических, экологических, плаеоклиматических исследованиях для многих районов мира [50]. Это является важным, поскольку многие радионуклиды представляют собой экологические индикаторы, которые широко используются для изучения процесса циклического перемещения воды в земной биосфере. С их помощью можно лучше понять происхождение, динамику и взаимосвязь различных элементов гидрологического цикла [49]. Распределение изотопов в парах воды, дождевой воде, речной воде, подземных водах позволяет проследить многие процессы, такие как атмосферная циркуляция, образование дождя и снега, формирование области разгрузки грунтовых вод, вопросы экологии и палеоклиматологии. В последнее время проводится большая работа по разработке баз данных по содержанию изотопов. Многие базы данных доступны на сайте «Изотопной гидрологии», информационной системы (ISOHIS; www.ISOHIS.IAEA.org) [70]. До сих пор эти данные использовались достаточно ограниченно, в основном для решения отдельных, локальных гидрологических задач. С развитием геостатических методов обработки данных, в основе которых лежат Географические Информационные Системы (ГИС), можно сопоставить пространственную изменчивость изотопного состава воды для отдельных регионов мира [53]. Это дает возможность в такой сложной системе проследить, происхождение и пути распространения различных водных масс на основе разработанных карт временного и пространственного распределений изотопов. Такие работы по созданию баз данных, сопряженных с ГИС, которые представляют визуализацию полученных данных в виде пространственно-временных карт по распределению изотопов в подземных водах, были недавно проведены [50].
Создание базы данных является многоступенчатым процессом, для реализации которого необходимо правильно структурировать имеющийся комплекс данных и правильно обосновать выбранную модель базы данных.
Модель данных (концептуальная модель) является основным компонентом системы базы данных [28]. Она может быть охарактеризована как совокупность категорий типов данных. Типы данных, соответствующие этим категориям, используются для представления атрибутов, типов объектов и связей реального мира. Категория определяется посредством других, базовых для нее категорий типов данных. Кроме того, в моделировании данных акцент делается на определении таких категорий типов данных, которые могли бы использоваться во многих ситуациях общего характера. Концепция типов данных полезна в моделировании данных с точки зрения получения абстракций и установления соотношений и связей между данными. Системы баз данных классифицируются в соответствии с выбранной моделью данных. Выбор модели данных зависит от объема информации, сложности решаемых задач и имеющегося технического и программного обеспечения.
В конце 60-х годов появились работы, в которых обсуждались возможности применения различных табличных даталогических моделей данных, т.е. возможности использования привычных и естественных способов представления данных. Наиболее значительной из них была статья сотрудника фирмы IBM Э.Кодда [58], где впервые был применен термин «реляционная модель данных». Он показал, что любое представление данных сводится к совокупности двумерных таблиц особого вида, известного в математике как отношение – relation (англ.). Предметная область или часть реального мира, подлежащая изучению с целью организации управления и последующей автоматизации определена, если известны существующие в ней объекты, их свойства и связи между ними (объектные отношения) [20]. Каждый объект характеризуется определенным состоянием, которое описывается с помощью ограниченного набора свойств и связей (отношений) с другими объектами. Свойства объекта могут не зависеть от его связей с другими объектами, т.е. являются локальными.
Если свойства объекта зависят от связей с другими объектами, то они называются реляционными. Связь между объектами в зависимости от числа входящих в нее объектов характеризуется степенью: n= 2,3,...,k. Таким образом, база данных (БД) это совокупность данных конкретной предметной области, причем данные организованы по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования, и не зависят от программ обработки. В базе данных обеспечивается интеграция логически связанных данных при минимальном дублировании хранимых данных [15; 28]. Данные предметной области удобно хранить в интегрированной базе данных по следующей основной причине: такая организация обеспечивает централизованное управление данными. В связи с этим появляются преимущества, которые делают более удобным использование большого массива данных. Сокращается избыточность в хранимых данных ввиду отсутствия дублирования данных в различных объектах модели, что обеспечивает однократный ввод данных и простоту их корректировки. Устраняются возможности возникновения противоречивости хранимых данных. Хранимые данные могут использоваться совместно. Совместное использование предполагает не только то, что все данные существующих приложений интегрированы, но также и то, что новые приложения могут быть построены на той же самой базе данных. Централизованное управление обеспечивает соблюдение стандартов в представлении данных, принятых в данной предметной области. Могут быть выполнены условия безопасности данных. Обеспечивается целостность данных. Благодаря централизованному управлению, могут быть определены процедуры проверки, выполняющиеся при операциях запоминания. Обеспечивается независимость данных. В системе баз данных приложения (программы обработки) не зависят от данных. Это является удобным для дальнейшего развития и коррекции баз данных.
Основным типом структуризации данных (объектом) реляционной модели является таблица (table). Структура таблицы определяется совокупностью столбцов. В каждой строке таблицы содержится по одному значению в соответствующем столбце. Такая таблица называется нормализованной. В таблице не может быть двух одинаковых строк. Общее число строк не ограничено. В моделировании данных вводится понятие домена(однородного множества). Домены можно рассматривать как множества, из которых черпаются значения семантически значимых объектов и их свойств. Именованные домены, представляющие семантически значимые объекты, называются атрибутами. Атрибуты, определенные на общем домене, обладают одним и тем же свойством.
Реляционная модель данных описывается реляционной схемой, состоящей из одной или нескольких схем отношений. Схема отношения задается именем отношения и именем соответствующих атрибутов. Основным свойством реляционной модели данных является то, что связи между кортежами таблиц представлены значениями данных в столбцах.
Реляционная база данных описанной предметной области будет определяться таблицами соответствующих отношений и связями между ними.
Для манипулирования компьютерными данными были созданы языки, позволяющие реализовать все операции реляционной алгебры и практически любые их сочетания. Среди них наиболее распространены SQL (Structured Query Language – структуризованный язык запросов) и QBE (Quere-By-Example – запросы по образцу) [20]. Оба относятся к языкам очень высокого уровня, с помощью которых пользователь указывает, какие данные необходимо получить, не уточняя процедуру их получения.
С помощью единственного запроса на любом из этих языков можно соединить несколько таблиц во временную таблицу и вырезать из нее требуемые строки и столбцы (селекция и проекция).
Базы данных находятся под управлением «Системы управления базами данных» (СУБД). СУБД – это наличие процедур для ввода и хранения не только самих данных, но и описаний их структуры. СУБД поддерживает общий интерфейс между всеми пользователями и интегрированной базой данных. СУБД способствует обеспечению секретности и целостности данных, а также позволяет осуществлять контроль данных. Интерфейс СУБД с различными классами пользователей обычно обеспечивается широким диапазоном языков.
