Экологическая грамотность подразумевает знание основных закономерностей формирования природных экосистем, умение оценивать их состояние с целью предотвращения негативного влияния на окружающую среду. Настоящая статья посвящена актуальной проблеме формирования экологического сознания учащихся школ на примере изучения бесценной, жизненно необходимой и незаменимой природной воды.

В рамках сотрудничества НИЯУ МИФИ с лицеями и школами естественнонаучного направления осуществлен профильно-ориентированный проект по экологическому мониторингу социально-значимых водных объектов города Москвы. Работа проводилась с целью приобретения навыков постановки и реализации исследовательского эксперимента, навыков безопасной и эффективной работы с приборами, материалами и химическими веществами. Экспериментальная часть по определению качества воды, учащиеся выполняли в своих школьных лабораториях и в химических лабораториях университета под руководством преподавателей МИФИ и учителей школ.

Материалы и методы исследования

Для грамотного проведение экологического мониторинга водных объектов школьникам и учителям были подготовлены методические рекомендации, адаптированные под уровень школьной образовательной программы химии [1]. Разработанные методические материалы включали правила отбор проб и их исследования для обнаружения опасных для здоровья компонентов на уровне предельно допустимой концентрации вещества (ПДК), методики оценки соответствия качества воды санитарным правилам и нормам.

С химической точки зрения природная вода является раствором, содержащим большое количество растворенных веществ. Состав природной воды в качественном и количественном отношении зависит от среды, в которой происходит его формирование, т.е. от состава и растворимости веществ, с которыми соприкасается вода, и от условий, в которых происходит это взаимодействие. Химические вещества могут находиться в воде в виде ионов, недиссоциированных молекул (в том числе газов) и коллоидов. Основную группу элементов составляют так называемые макрокомпоненты. К ним относятся: Ca2+, Mg2+, Na+, K+ и анионы Сl-, SO42- , HCO3- , и CO32- . Большое значение имеют микроэлементы, включающие все металлы, кроме вышеперечисленных катионов. Их концентрация измеряется микрограммами в 1 л (мкг/л), а часто имеет и более малые значения. Но, несмотря на это, их роль в жизненных процессах достаточно важна. Микроэлементы необходимы для нормальной жизнедеятельности растений, животных и человека. Однако при повышенной концентрации многие микроэлементы вредны и даже ядовиты для живых организмов. Поэтому часто они становятся загрязняющими веществами и концентрация их контролируется.

Результаты исследования и их обсуждение

Подготовительная часть мониторинга заключалась в теоретических семинарах и мастер-классах.

Этап 1. Проведение обучающих семинаров в школах.

1. Презентация об уникальных физических и химических свойствах воды, влияющих на сохранение биологического разнообразия и обеспечение экологической безопасности живых систем и человека.

2. Постановка задач перед участниками мониторинга с целью получения наиболее достоверной информации о качестве питьевой и поверхностной воды водоемов в своем регионе. Методические рекомендации по отбору проб и пробоподготовке, адаптированных к уровню подготовки школьников и оснащению школьных лабораторий (правила отбора, хранения проб, кодирование проб воды, заполнение актов отбора проб).

3. Ознакомление с нормативными документами, регламентирующими качество питьевой воды, природной воды в черте населенных пунктов, воды для хозяйственных нужд и воды для водоемов рыбохозяйственного назначения (СанПиН, ПДК, приказы ФА) [2–4].

4. Основные показатели качества воды: рН, электропроводность, щелочность, гидрокарбонаты, цветность, мутность, жесткость, кальций, магний, остаточный активный хлор, содержание металлов (в т.ч. тяжелых), анионов (в т.ч. нитратов), аммония, нефтепродуктов. Влияние их содержания на свойства воды, организм человека и водные экосистемы. Ниже представлены фрагменты нормативных документов, регламентирующих качество питьевой воды и воды водоемов рыбохозяйственного назначения (табл. 1, 2).

ПДК является основой для оценки качества воды и безопасного использования ее для различных целей. Особое внимание школьников было обращено на тот факт, что значения ПДК для разных объектов (человека и обитателей водных систем) могут различаться на порядки. Например, ПДК меди в питьевой воде и воде прудов и рек различаются в 1000 раз.

Этап 2. Мастер-классы по проведению экспериментальных исследований в школьных лабораториях (рис. 1).

1. Обучение технике безопасности и правилам работы с химической посудой (пипетками, бюреткой, мерными колбами, цилиндрами) и реактивами.

2. Рассмотрение и демонстрация объемного титриметрического анализа для определения следующих показателей качества: щелочности, перманганатной окисляемости, гидрокарбонатов, жесткости, кальция, магния, остаточного активного хлора.

3. Рассмотрение и демонстрация работы на рН-метре и кондуктометре с целью определения интегральных показателей качества воды: рН, электропроводность, общее солесодержание электролитов.

Этап 3. Проведение семинаров на кафедре химии МИФИ по современным физико-химическим методам аналитической химии воды (рис. 2).

1. Спектральные методы (атомно-эмиссионнаная спектрометрия, спектрофотометрия, флюориметрия).

2. Хроматографические методы – высокоэффективная жидкостная хроматография.

Этап 4. Мастер-классы по работе на аналитическом оборудовании кафедры химии МИФИ.

1. Обучение навыкам, необходимым для подготовки проб к исследованию (экстракция, микрофильтрация, вакуумная фильтрация, концентрирование, разбавление, работа с микрошприцем и инжектором.).

2. Спектральные приборы: ICP-спектрометр, спектрофотометр «Spekol 1300», «Флюорат-02-2М». Ознакомление с принципом работы и элементами управления: включение, запуск анализа, обработка результатов, выключение.

3. Высокоэффективная ионная хроматография: основные понятия и принципы метода. Ионный хроматограф «Стайер», основные блоки и принцип их работы (рис. 3).

Рис. 3. Самостоятельная работа на ионном хроматографе в лаборатории МИФИ

После обучения теоретическим основам и навыкам эксперимента школьники под руководством учителей и контролем экспертов-наставников кафедры провели исследование различных водных объектов (питьевой воды централизованного водоснабжения и из кулеров в своих школах, бутилированной воды, природной воды рек, прудов и родников). Следует отметить, что все показатели качества определялись по методикам действующих ГОСТов [5–7].

Результаты испытания образцов воды оформлялись в виде таблиц с указанием норм ПДК и методик испытаний (рис. 4).

Заключение

Школьники прошли обучение основам и практическим навыкам лабораторного химического анализа в рамках развития системы профильного обучения в условиях интеграции общего и дополнительного образования, повысили свой уровень экологической грамотности, получили результаты по качеству водных объектов, которые сами исследовали, и оценили соответствие качества воды нормативным документам. В таблицах зафиксированные превышения ПДК выделялись жирным шрифтом. В завершении работы участники мониторинга представляли отчеты о результатах испытания исследованных объектов с анализом возможных причин поступления загрязняющих веществ в образцы поверхностных вод.

Рис. 5. Фрагмент экологической карты

Результаты мониторинга использованы школьниками в проектных работах, для участия в различных конкурсах. По экспериментальным данным была создана интерактивная экологическая карта ряда регионов г. Москвы, которая показывала качество питьевой воды в школах, в которых они учатся, в домах, в которых живут они и их близкие, воды в ближайших водоемах прудах, реках и ручьях. Карта имеет раскрывающиеся краткие комментарии по качеству воды и по ним можно перейти на подробную таблицу с результатами. Скриншот карты представлен на рис. 5.

Результаты, имеющие важное для понимания школьниками соответствия качества исследованных водных образцов благополучию экологического состояния водных объектов получены при тесном сотрудничестве школ с хорошо оснащенной вузовской лабораторией.

В табл. 3 представлены обобщенные данные более 180 участников мониторинга среди которых следует отменить активную работу не менее 160 заинтересованных школьников из 14 школ города.