ТЕМА: Почвы, как объект анализа
8.1 ОСНОВНЫЕ ЗАГЯЗНИТЕЛИ ПОЧВЫ
В почве протекают различные физические, химические биологические процессы, которые в результате загрязнений нарушаются.
Загрязнение почв связано с загрязнением атмосферы и вод. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы.
Основными загрязняющими почву веществами являются металлы и ихсоединения, радиоактивные вещества, пестициды, удобрения и нефтепродукты.
Самоочищение почв практически не происходит (или идет очень медленно). Токсичные вещества накапливаются, что способствует изменению химического состава почв. Из почв токсичные вещества могут попасть в организмы животных, людей и вызвать отрицательные последствия.
В почвах накапливаются металлы (Fe, Hg, Pb, Cu и др.). Повышение содержания Cu и Zn приводит к замедлению роста растений и снижению урожайности.
Радиоактивные элементы попадают в почву при удалении жидких и твердых отходов, а также с осадками после взрывов.
Большое количество отходов образуется при добыче и обогащении полезных ископаемых, калийного удобрения, эксплуатации теплоэлектростанций. Постоянно возрастает количество бытовых отходов. Как не вспомнить здесь слова Нильса Бора о том, что «человечество погибнет на в атомной катастрофе, оно захлебнется в собственных отходах».
8.2 МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ И НЕФТЕПРОДУКТЫ В ПОЧВЕ
МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ оказывают прямое и косвенное действие на сельскохозяйственные культуры, почвенную биоту и развитие биологических процессов в природных водах.
Минеральные удобрения интенсифицируют микробиологические процессыв почвах, однако чрезмерное их применение ухудшает физико-химические и биологические свойства почв.
Применение минеральных удобрений увеличивает численность бактерий и грибов в почвах.
Устойчивость микробной системы определяется типом почвы, степенью окультуривания и видом удобрения. Важным фактором предотвращения негативных последствий высоких доз минеральных удобрений является внесение органических удобрений и извести.
Высокие дозы азотных, калийных и фосфорных удобрений увеличивают количество токсикообразующих микроорганизмов и ведут к микробному токсикозу почвы.
Избыток минеральных удобрений поверхностным стоком сносится в реки и озера, что вызывает эвтрофикацию водоемов.
НАЛИЧИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ в почве в районах нефтедобычи и нефтепереработки приводит к интенсивной трансформации морфологических и физико-химических свойств почв.
При этом общее содержание углерода в почве может увеличиваться до 10 раз, а углеводородов до 100 раз.
В незначительных количествах нефть и нефтепродукты стимулируют почвенную биоту, вызывая рост некоторых почвенных грибов (Scolecobasidium), которые могут использоваться, как биоиндикаторы на нефтяные загрязнения.
Длительное воздействие нефти на почву приводит к изменению её микробиологических свойств.
В БИОГЕОЦЕНОЗАХ осуществляются процессы самоочищения от нефти, скорость которых зависит от биоклиматической обстановки. Так, в солонцеватых почвах, вусловиях недостаточного увлажнения, содержание нефти за год уменьшается на 65 %.
Зная естественные механизмы и скорость самоочищения почв, можно разрабатывать методы очистки почв от загрязнения нефтью и нефтепродуктами.
8.3 ОТБОР ПРОБ ПОЧВЫ НА АНАЛИЗ
Каких-либо единых, общепринятых, стандартных норм для санитарной оценки почвы пока не существует; отсутствуют и стандартные методы исследования почвы. Глубина исследований зависит от поставленной задачи.
Отбор проб рекомендуется проводить в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для анализа». Стандарт предназначен для контроля общего и локального загрязнения почвы в районах воздействия промышленных, сельскохозяйственных, хозяйственно-бытовых, транспортных источников загрязнения.
Наибольшее внимание уделяют определению степени загрязнения почвы органическими веществами животного происхождения и способности почвы к самоочищению. В качестве санитарных показателей определяют: рН, растворимость, концентрацию контролируемого соединения.
Отбор проб проводят с участка площадью 25 м 2 в 3-5 точках по диагонали с глубины 0,25 м (при необходимости с 0,75-2 м). Взятые с каждого горизонта пробы перемешивают и в количестве 1 кг направляют на анализ. Для бактериологического анализа достаточно 200-300 г.
При контроле за обезвреживанием хозяйственно-бытовых отходов пробы отбирают с глубины 0,5; 1,0; 1,5 м. Пробы отбирают в банки с ватными пробками.
При определении в почве поверхностно-распределяющихся веществ (нефть, нефтепродукты, тяжелые металлы) точечные пробы массой 200 г. отбирают на глубине 0,5; 5 и 20 см.
При анализе загрязнения почвы легколетучими или химически нестойкими веществами точечные пробы отбирают по всей глубине почвенного профиля и помещают в герметически закрываемые стеклянные емкости.
Пробы анализируют в день отбора. При длительном хранение к пробе добавляются консерванты.
8.4 РАСЧЕТ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА ПРОБ ПОЧВЫ
При определении вредных примесей в почве возникает необходимость определения влажности почвы. Навеска почвы помещается в химический стакан в количестве 15-50 г и проводится сушка до постоянства веса при 105 ± 2 о С в течении 3 ч (песчаные почвы) и при 80 ± 2оС в течении 8 ч (загипсованные почвы).
Влажность определяется в % по формуле: w= (m1-mo)*100 / (mo— m),
Где m1-масса влажной почвы со стаканом, г;
mo— масса высушенной почвы со стаканом, г;
m- масса стакана, г.
Концентрацию исследуемого вещества в почве «С» [мкг/кг почвы] вычисляют по формуле: С= а / в,
Где а- количество исследуемого вещества, найденное в пробе, мкг;
в- масса исследуемой почвы, г.
При пересчете на абсолютно сухую почву вводят коэффициент
При концентрировании веществ экстракцией или отгонкой жидкости концентрацию вещества С, (мг / кг) вычисляют по формуле:
Где а- содержание вещества в исследуемом объеме раствора, мкг;
V1 – общий объем раствора пробы, мл;
V- объем раствора пробы, взятый для анализа, мл;
Источник
Тема лекции № 9. Почва как объект анализа
План лекции:1. Специфические требования к почву
2. Особенности почв как объекта химического анализа
3. Минеральная основа донных отложений речек, озер, водоемов
Цель лекции:Ознакомить с химическим составом почвы и отбором серии проб для анализа
Конспект лекции:
Из материала курса «Аналитической химии» известно, что пробы различаются:
Однако при отборе проб объектов окружающей среды необходимо учитывать специфические требования:
1. Проба или серия проб, отобранных для анализа, должна быть представительной, т.е. характерной для данного природного объекта в месте их отбора.
2. Отбор проб, их транспортирование, сохранение и дальнейшая обработка не должны изменять содержание определяемых компонентов.
3. Объем или масса пробы должны полностью обеспечивать возможность выполнения всех запланированных аналитических определений.
Виды проб при анализе объектов окружающей среды:
1. Простые или смешанные пробы.
Простые пробы получают в результате одноразового отбора; они несут информацию о химическом составе воды, воздуха в определенном месте и в определенное время. Смешанные пробы – смесь простых проб, отобранных одновременно в разных местах или в одном месте за определенный промежуток времени. Эти пробы характеризуют средний химический состав воды или воздуха за определенный период.
Смешанные пробы могут быть составлены непропорционально. Если установлено, что концентрация исследуемого компонента в средней части течения реки вдвое меньше, чем возле правого берега и в три раза меньше, чем возле левого берега, то смешанную пробу готовят сливанием объемов взятых в разных местах проб в соотношении 1 (середина):0,5 (возле правого берега): 0,33 (возле левого берега). Смешанную пробу не рекомендуется отбирать за период больше одних суток. Ее нельзя отбирать для определения быстро изменяющихся показателей – растворенных газов, мутности, редокспотенциала.
2. Одноразовые (нерегулярные) или средние (регулярные) пробы.
Одноразовый отбор используют при анализе глубинных подземных вод, химический состав которых постоянный, либо при контроле качества воды природного объекта, для которого ранее были изучены закономерности изменения концентрации анализируемого компонента. Серийный отбор может производиться:
– зональные пробы(пробы отбирают по схеме с разных глубин, в разных местах водного объекта);
– через определенный промежуток времени (сезоны, декады, сутки, часы). Таким образом проверяют, как меняется качество воды со временем;
– согласованные пробы. Они отбираются в разных местах по течению с учетом времени прохождения воды от одного пункта к другому. Такие пробы используют для оценки физических, физико-химических и биологических процессов, которые приводят к изменению химического состава воды вследствие самоочищения или самозагрязнения.
Особенности почв как объекта химического анализа:
– большой набор элементов;
– высокое содержание углерода и кремния;
– большой диапазон концентраций, охватывающий 4-5 или даже 9-10 порядков;
– профилированная дифференциация химического состава почв.
Почва состоит из минеральной и органической частей. К органической части относят лигнин, флавоноиды и дубильные вещества, гумусовые кислоты, пигменты, липиды, углеводы, азотсодержащие соединения. Между двумя частями осуществляется постоянное
органоминеральное взаимодействие. Химический состав почв зависит от их типа: тундровые, торфяные, подзолистые, серые лесные, пергнойно-карбонатные, черноземы, каштановые, бурые пустынно-степные песчаные, коричневые, бурые лесные, красноземы, сероземы. Средний элементный состав метрового слоя почвы по данным учебника Орлова Д.С., Садовниковой Л.К., Сухановой Н.И. (Химия почв. – М.: Высш. шк., 2005. –С. 45) составляет в %:
O – 49; H – 0,1; C гумуса – 1,4; С карбонатов – 0,24; N
0,1; P – 0,06; S– 0,09;
Si – 33; Al – 6,6; Fe – 3,2; Ti – 0,38; Mn – 0,16; Ca – 1,8; Mg – 0,9; K –1,7; Na – 1.
Традиционный способ выражения химического состава почв – в виде массовой доли высших оксидов элементов, входящих в состав почвы. Например, минеральный макросостав дерново-подзолистой почвы в пересчете на абсолютно сухую навеску может быть представлен следующим образом (в %): SiO2 – 73; Al2O3 – 8,7; Fe2O3 – 2,6; CaO – 1; MgO – 0,7; K2O – 2,2; Na2O – 1,1. Недостающее до 100% количество приходится на MnO, P2O5, SO3 и на органические вещества.
С точки зрения особенностей и путей миграции элементов в ландшафтах А.И. Перельман разделил все элементы на две большие группы: воздушные мигранты и водные мигранты. Воздушные мигранты представлены пассивными элементами (инертные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) и активными, т.е. способными к образованию химических элементов в условиях биосферы (О, Н, С, N, I). К подвижным и очень подвижным водным мигрантам относятся Cl, Br, S, Ca, Na, Mg, Sr, Ra, F, B. Слабоподвижные катионы и анионы образуют K, Ba, Rb, Li, Be, Cs, Ti, Si, P, Ge, Sn, Sb, As. Малоподвижны в большинстве природных сред Al, Cr, Bi, W, лантаноиды.
Органическая часть почвы состоит из живой органики (эдафон) и отмершей органики (гумус). К эдафону относят отмершие части живых организмов, не утративших своего анатомического строения. Гумификация эдафона ведет к образованию гумуса.
Гумус – совокупность всех органических соединений, находящихся в почве, но не входящих в живые организмы или образования. Гумус состоит из специфических гуминовых веществ (темноокрашенные азотсодержащие высокомолекулярные соединения кислотной природы) и неспецифических соединений и промежуточных продуктов распада и гумификации. К последним относятся лигнин, целлюлоза, протеины, аминокислоты, аминосахариды, воска, жирные кислоты. Они присутствуют в почве в свободном состоянии или связаны с минеральными компонентами почвы.
Гумусовые кислоты – главный и специфический продукты гумификации органических остатков в почвах. Это азотсодержащие высокомолекулярные оксикарбоновые кислоты с интенсивной темно-бурой или красновато-бурой окраской. Гумусовые кислоты (смесь) экстрагируют из почвы растворами щелочей, а затем по растворимости разделяют на гуминовые кислоты, гиматомелановые кислоты и фульвокислоты. Гуминовые кислоты – это группа веществ, извлекаемых из почвы щелочами в виде темно-окрашенного раствора (гуматов натрия, аммония, калия) и осаждаемых минеральными кислотами в виде аморфного осадка – геля при рН=1-2. В кислой среде гуминовые и гематомелановые кислоты выпадают в осадок, в растворе остаются фульвокислоты. Состав гуминовых кислот (в %): С – 46-62; N – 3-6; H – 3-5; O – 32-38. Молекулярная масса в среднем составляет от 20 до 80 тысяч. До настоящего времени формулы гуминовых кислот установлены лишь гипотетически.
Светлоокрашенные гумусовые вещества, остающиеся в растворе после подкисления щелочной вытяжки и отделения гуминовых кислот, называют фульвокислоты. Их состав (в %): С – 36-44; N – 3-4,5; H – 3-5; O – 45-50. Молекулярная масса может составлять 4-6 тысяч либо 10-15 тысяч. Фульвокислоты по сравнению с гуминовыми имеют более высокую растворимость и меньшую молекулярную массу. В составе молекул гуминовых и фульвокислот присутствуют различные функциональные группы: пептидные, амидные, альдегидные, карбоксильные, карбонильные, метоксигруппы, фенольные, хинонные.
Минеральная основа донных отложений речек, озер, водоемованалогична почвам – это силикаты и алюмосиликаты. Более 90% донных отложений составляют материалы разрушения и эрозии горных пород на склонах водоемов и в руслах. Донные отложения вследствие их высокой сорбционной способности служат показателями антропогенного загрязнения водных экосистем и подлежат обязательному экологическому контролю. Для примера в табл. 1.2 представлены данные о содержании металлов в донных отложениях некоторых водохранилищ.
Большая часть донных отложений сформирована за счет почв и пород. Качественной характеристикой загрязнения донных отложений тяжелыми металлами может служить перемещение металла в концентрационном ряду на две или более позиции левее в сравнении с его положением в ряду, построенном по значениям кларков металлов для мировых почв. Таких отклонений для 21 исследованных проб донных отложений найдено для Cs в 15 случаях, для Cu и Cd – в 1, Co и Cr – в 3, Pb – в 4 пробах. Результаты количественного анализа показали, что донные отложения, отобранные в устьях притоков Днепра, сформированы в основном за счет материалов техногенного происхождения, в том числе и осадков очистных сооружений.
Контрольные вопросы:
1. Что называют гумусом? Из чего он состоит?
2. Как отделить гуминовые кислоты от фульвокислот?
3. В среднем почвы содержат по массе 33% кремния и 6,6% алюминия. Пересчитайте эти данные для SiO2 и Al2O3.
Тема самостоятельной работы студентов (СРС):
- Чувствительность и точность анализа
- Использование компьютера в аналитической химии
Литература:
1. Другов Ю.С., Родин А.А. Анализ загрязненной почвы и опасных отходов. Практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 424 с.
2. Другов Ю.С., Родин А.А. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов. Практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 272 с.
3. Другов Ю.С., Родин А.А. Анализ загрязненных биосред и пищевых продуктов. Практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 296 с.
4. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию. – М.: Мир, 1997. – 232 с.
Источник