1. Теоретическая часть
Почва – связующее звено между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами. Она играет важную роль в процессах обмена веществами и энергией между компонентами биосферы. Почва – среда обитания и необходимый элемент существования значительной части флоры и фауны планеты. Тем большую тревогу вызывает постоянно возрастающие масштабы антропогенного загрязнения почвы.
К одним из наиболее опасных химических веществ, загрязняющих почву, относятся тяжёлые металлы: медь, свинец, марганец, никель, кадмий, ртуть и др. Они попадают на почвенный покров главным образом аэротехногенным путём с газовыми выбросами различных предприятий.
Тяжёлые металлы (с мольной массой более 40) входят в группу консервативных веществ, которые не разлагаются в природных условиях или разлагаются очень медленно. Следствием этого является накопление тяжёлых металлов в почве и в растениях. По мере продвижения по пищевой цепи концентрация тяжёлых металлов возрастает на несколько порядков. Поэтому необходимо изучение процессов аккумуляции и миграции тяжёлых металлов в почвенном покрове.
|
|
Медь – один из важнейших микроэлементов, физическая активность меди связана главным образом с включением её в состав активных центров окислительно-восстановительных ферментов. В растениях медь участвует в синтезе белков, жиров и витаминов. Однако при повышенном содержании медь оказывает токсическое воздействие как на растения, так и на все последующие компоненты пищевой цепи, включая человека, и может быть причиной различных хронических заболеваний. ПДК меди в почве 100 мг/кг.
Основные источники поступления соединений меди в почву – газовые выбросы тепловых электростанций, металлургических и машиностроительных предприятий. Кроме того, в сельском хозяйстве используют содержащие медь микроудобрения и пестициды.
Трансформация соединений тяжёлых металлов в почвенном слое включает в себя следующие процессы: растворение, адсорбция катионов металлов, окислительно-восстановительные реакции, взаимодействие с биотой почвы, аккумуляция в растениях. Основным процессом, контролирующим содержание водорастворимых форм тяжёлых металлов в почвах, подверженных техногенному загрязнению, является адсорбционно-десорбционное равновесие.
На скорость процесса адсорбции, ёмкость поглощения и эффективность удерживания в почве влияют различные факторы: заряд и радиус катиона металла, его способность к комплексообразованию, строение и пористость сорбента – почвы. Глинистые составляющие почвы представлены главным образом минералами группы монтмориллионита. Это слоистые водные алюмосиликаты, обладающие сильной способностью к набуханию. Характеризуются большими колебаниями состава, включая различное содержание катионов Ca2+, Na+, Mg2+, Al3+ и Fe3+. Считается, что адсорбция тяжёлых металлов почвенными минералами сопровождается или связана с гидролизом металл-катионов:
|
|
М2+ + Н2О D МОН+ + Н+
Величина рК этого процесса характеризует адсорбционное поведение металла: с уменьшением значения рК адсорбционная способность металла по отношению к минералу увеличивается. При равных величинах рК тот же эффект наблюдается при увеличении радиуса иона:
элемент | Cd < | Ni < | Co < | Zn << | Cu < | Pb < | Hg |
рК | 10,1 | 9,9 | 9,7 | 9,7 | 7,7 | 7,7 | 3,4 |
Приведённый ряд позволяет ожидать достаточно высокой адсорбционной ёмкости глинистых минералов по отношению к катиону меди.
Органическая компонента почвы представлена гумусовыми веществами. Это сложная смесь большого числа полифункциональных органических соединений, которые последовательной экстракцией водным раствором щёлочи и подкислением разделяют на более узкие фракции: нерастворимые гумины, гуминовые кислоты, фульвокислоты. Химические вещества этих фракций различаются главным образом по молекулярной массе. Все фракции содержат углерод, водород, кислород, а также 2 – 5% азота и около 1% серы.
Средняя молекулярная масса фульвокислот изменяется от 300 до 3000, а у гуминовых кислот молекулярная масса может превышать 100000.
В гумусовых веществах присутствует как алифатический, так и ароматический углерод.
Кислород в составе гумусовых веществ входит в различные функциональные группы: -ОН (спиртовой и фенольный), –СООН, -С=О, -ОСН3, -СООR. Общее содержание кислорода изменяется от 45% в фульвокислотах до 33% в гуминовых кислотах. Азот входит в состав аминогрупп и гетероциклов.
Как известно, медь обладает высокой комплексообразующей способностью по отношению к кислород-, азот- и серусодержащим органическим лигандам. Адсорбция металлов в почве противодействует их миграции вглубь по вертикали, но способствует возникновению локальных высоких концентраций с последующим поглощением растениями.
2. Экспериментальная часть
Оборудование и реактивы:
1. Раствор CuSO4 0,1н. В мерной колбе ёмкостью 1л. растворяют в воде 12,48 г CuSO4×5Н2О и доводят объём раствора до метки.
2. 0,05н. раствор трилона Б.
3. Ацетатный буфер.
4. Индикатор ПАН, 0,1% спиртовой раствор.
Ход работы:
1. В три конические колбы на 25 мл помещают 20 г воздушно-сухой почвы: песчаной (колба №1), глинистой (колба №2) и торфа (колба №3). В каждую колбу наливают по 50 мл раствора CuSO4, перемешивают 1 – 3мин. и оставляют на 30 мин.
2. Пока устанавливается адсорбционное равновесие между почвой и раствором определяют расход раствора трилона Б на титрование исходного раствора CuSO4 – V0, мл. С этой целью в коническую колбу вносят 5 мл исходного раствора CuSO4, добавляют 2-3 капли индикатора ПАН и титруют 0,05 н. раствором трилона Б до перехода сиренево-розовой окраски в зелёную. Определение повторяют дважды и V0 находят как среднее значение двух титрований:
, мл.
3. Готовят три сухие конические колбы. В каждую помещают воронку со складчатым фильтром и отфильтровывают образцы почвы.
4. В коническую колбу отбирают пипеткой 5 мл фильтрата, добавляют 3 – 4 капли ацетатного буфера и 2-3 капли раствора индикатора ПАН. Титруют раствором трилона Б до перехода сиренево-розовой окраски в зелёную. При этом определяют объём трилона Б, затраченный на титрование фильтрата после адсорбции V1. Такое титрование производят для каждого из трёх фильтратов. Результаты титрований заносят в табл.:
Таблица
Результаты измерений
Вид почвы | Масса почвы а, г. | Объём пробы Vпр, мл. | Расход трилона Б, мл | Адсорбция меди G, мг/г. | |
V0, мл. | V1, мл. | ||||
Песок | |||||
Глина | |||||
Торф |
Примечание: Vпр – объём пробы, взятой для титрования;
|
|
V0 – используют среднее значение двух титрований.
5. Последовательность расчёта количества адсорбированной меди.
Расчёт основан на законе эквивалентности, т.е. при титровании в точке эквивалентности количество прореагировавших моль-эквивалентов меди и трилона Б равны.
Находят количество моль-эквивалентов меди в 5 мл исходного раствора nCu:
где Nтр – нормальность раствора трилона Б, моль-экв/л. Эквивалент меди равен г.
Первоначальное содержание меди во всём растворе, добавленном к почве, m1, мг определяют из соотношения:
мг Cu
где Vр-ра – объём раствора CuSO4, добавленный к почве, мл
соответственно, количество эквивалентов меди в пробе фильтрата после адсорбции составляет:
Содержание меди во всём растворе после установления адсорбционного равновесия m2, мг находят аналогично:
мг. Cu
Количество адсорбированной меди G в мг на 1 г почвы рассчитывают по формуле:
Полученные значения G для разных видов почвы заносят в таблицу и делают вывод о влиянии характера почвенного слоя на его способность удерживать и накапливать катион Сu2+.
(Практикум, 1987)
Контрольные вопросы:
1. Какова положительная и отрицательная роль меди в растениях?
2. Какие вам известны источники поступления меди в почву?
3. Что является основным процессом, контролирующим содержание водорастворимых форм тяжёлых металлов в почвах?
Приложение 2.