Материалы для элективного курса по химии

Роль катионов тяжелых металлов в процессе поглощения нитратов черноземами Дона»

Оглавление

     Введение__________________________________________________3

1.     Агрохимическая характеристика почвы и обеспечение почвы азотосодержащих соединений

1.1.          Нитраты в почве и сельскохозяйственной продукции________5

1.2.          Поглотительная способность почвы и ее роль в фиксации соединений азота_________________________________________________8

1.3.          Загрязнение почвы тяжелыми металлами и влияние ионов тяжелых металлов на накопление биогенных элементов почвы_______11

2.     Объекты и методы исследования

2.1.          Объекты исследования_________________________________15

2.2.          Определение гидролитической кислотности (по Каппену)___15

2.3.          Определение нитрат – ионов____________________________16

3.     Исследование накопления нитрат-ионов в почве в присутствии ионов тяжелых металлов

3.1.          Характеристика обменных свойств почвы_________________17

3.2.          Изучение влияния природы иона металла на процесс накопления нитратов в почве______________________________________17

3.3.          Изучение влияния содержания ионов металла в почве на процесс

Накопления нитратов__________________________________18

3.4.          Изучение изменений агрохимической характеристики почвы

под влиянием ионов тяжелых металлов___________________19

     Выводы____________________________________________________

     Литература_________________________________________________

 Введение

   В результате хозяйственной деятельности человека происходит загрязнение окружающей среды различными химическими средствами интенсификации сельскохозяйственного производства, органическими отходами животноводческих комплексов.

   Удобрения как источник питания растений и увеличение урожайности изучают давно, а как фактор плодородия, зависящий от содержания тяжёлых металлов в почве  и растениях, исследуют сравнительно недавно и данные противоречивы. С одной стороны, в составе удобрений могут быть тяжёлые металлы, которые  способны загрязнять почву, растения, грунтовые воды, с другой стороны, удобрения, могут влиять на подвижность тяжёлых металлов в почве и их поступления в растения.

   Контроль за накоплением и миграцией тяжёлых металлов в почве - важный аспект сохранения и воспроизводства плодородия почвы при её интенсивном использовании.     

 Методы исследования: анализ, наблюдение, эксперимент.

 Актуальность исследований.

   Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) является одной из наиболее серьезных проблем, стоящих перед современным обществом. Проблема возникает вследствие постоянного нарушения человеком сложившегося в природе равновесного распределения ТМ между компонентами окружающей природной среды, среди которых почва играет важнейшую роль.

   Исследования закономерностей поглощения ТМ почвами интенсивно проводятся в разных странах на протяжении достаточно длительного времени. Однако актуальность этих исследований не снижается вследствие важности и сложности проблемы. В настоящее время достаточно слабо изучены механизмы влияния состава и свойств почв, и почвенных растворов на перераспределение ТМ между эффективными фазами почв.Полученные результаты часто носят противоречивый характер.

   Почвы Дона являются одними из самых плодородных в России. Однако влияние тяжёлых металлов на поглощение нитратов почвой исследовано недостаточно.

   В связи с этим целью работы явилось исследование влияния ионов меди, цинка на содержание нитрат ионов в почве, вносимых в виде удобрений.

   В работе решались следующие задачи:

1.Изучить влияние природы ионов тяжёлых металлов в почве на процесс накопления нитратов при внесении нитратных удобрений.  

2. Изучить  зависимость накопления нитрат – ионов от концентрации ТМ.

3.Изучить закономерности обменных процессов с участием нитрат - ионов в почве в присутствии ионов Cu²⁺, Zn²⁺.

 Практическая значимость.

   Исследования, проведенные нами, представляют интерес в плане использования их для экологического образования учащихся.

   Результаты выполненных исследований могут быть использованы при разработке новых принципов нормирования тяжёлых металлов в почвах, а также при оценке экологического состояния почвенного покрова.

   Результаты исследований будут использованы при чтении элективных курсов: “ Химия окружающей среды ”; “ Химическое загрязнение почв ”; “Экологические функции почв”.

   Предлагаемый материал можно использовать как лекцию, сопровождаемую демонстрационным экспериментом при изучении темы “ Азот” в девятом классе.

 1. Агрохимическая характеристика почвы и обеспечение почвы азотосодержащих соединений

 1.1.Нитраты в почве и сельскохозяйственной продукции

   Запасы азота колеблются в очень широких пределах. В гумусовых горизонтах почв может содержаться от менее 0,05% до 2% и более в почвах, богатых органическими веществами (торфяники).

   Климатические условия, а также степень окультуренности почв налагают отпечаток на качественный и количественный состав азотистых соединений. Например, в холодных и переувлажнённых почвах накапливается больше полуразложившихся, «законсервированных» растительных остатков (торфянистые почвы).

   В то же время в тёплых почвах с достаточным увлажнением и хорошей аэрацией процессы минерализации достигают наибольшей интенсивности.

   Большое число исследований свидетельствуют о том, что в большинстве почв в верхних горизонтах количество органического азота составляет около 90% от общего его содержания. Исследования вертикального распределения азота в почвенном профиле показывают, что количество азота снижается с глубиной, за исключением почв, имеющих слабовыраженную дифференциацию генетических горизонтов.                               

   Неорганический азот в почвах представлен, по данным,¹в основном катионами аммония (растворённые в почвенной влаге, обменные или фиксированные), нитратами и нитритами. Последние присутствуют в почвах в очень малых количествах или часто отсутствуют вовсе. Количество неорганического азота составляет малую часть от общего азота почвы и значительно меняется под действием различных факторов.

   В растения нитраты поступают из почвы через корневую систему и из воздуха через листья. Они могут накапливаться в избыточных количествах в растении, не угнетая его. Под действием ферментов они последовательно превращаются в нитриты, нитроксил, свободный азот, гидроксиламин и аммиак.²Аммиак используется для синтеза белков. Все превращения азота возможны только при наличии тепла, воды, энергии света, микроэлементов. Если хотя бы одно из условий не будет выполнено, растение не смоет полностью усвоить нитраты.

____________________

1. Баранова Н.В., Ляшенко Л.Ф., Харьковская Н.Л. Осторожно нитраты!//Химия в школе – 1999.- №1.- с.53-57.

2.Дорофеева Т.И. Эти двуликие нитраты.// Химия в школе.- 2002.-№5.- с.45.

   В растениях накапливаются избыточные количества нитратов при недостатке тепла, света, влаги или нерегулярного полива. Вода необходима для поступления нитратов от корней до тех частей растений, где они будут усвоены. В засушливый период нитраты доходят до этих органов накапливаются в стеблях и прожилках листьев.

   Под влиянием микроэлементов нитраты восстанавливаются до аммиака. Для фермента, участвующего в восстановлении нитратов в нитриты, необходим молибден, для превращения нитрата в гипонитрит до последующего восстановления в аммиак - марганец. Недостаток любого из этих микроудобрений прерывает цепь восстановления нитратов до аммиака, способствуя сохранению высокого содержания нитратов в производимых культурах

   Необходимо добавить по результатам исследований,³ что микроудобрения хороши только в микродозах, поскольку промежуточные продукты-нитраты, нитроксил, аммиак и другие -в избыточном количестве отравляют растения.

   Источником энергии для восстановления нитратов в аммиак служит свет. При недостатке освещённости скорость восстановления нитратов в аммиак снижается, и они накапливаются в растениях. В тепличных овощах из-за этого больше нитратов, чем в овощах открытого грунта.

   При недостатке тепла активность процессов снижается, что ведёт к накоплению нитратов. Использование пестицидов также снижает активность ферментов и может вызвать аккумуляцию нитратов.

   Для растений важна сбалансированность, чтобы всех компонентов было не больше, но и не меньше, чем нужно. Величина урожая лимитируется дефицитным компонентом, а не избытком остальных.

   Известно,⁴ что недостаток азота в почве тормозит развитие растений и проявляется в более светлой окраске листьев. При длительном голодании листья у картофеля и свеклы желтеют, у капусты, яблони и земляники становятся красноватыми. При острой нехватке азота у растений мельчают листья и плоды, образуется мало завязи, утончаются стебли.

   Растительная продукция резко отличается по степени аккумуляции нитратов. Овощи принадлежат к группе повышенного содержания.

____________________

3.Варюшкина Н.М. Нитраты в растениях.//Химия в сельском хозяйстве.-1991.- №3.-с.72-75.

4.Кирюшин В.И. Нитраты и качество продуктов растениеводства. – Н.:          Наука, 1991.-168с.

Значительное их количество аккумулирует редька белая, свекла столовая, чеснок, салат.

   По данным,^5,6 в различных органах растений нитраты распределяются неравномерно. Вегетационные части аккумулируют их больше, чем репродуктивные. Например, у белокочанной капусты обнаружено, мг/кг:в кочерыжке 375-450; верхних листьях 150-225; кочане 90-150.

   При хранении и кулинарной обработке изменяется содержание нитратов в продуктах.

   После уборки урожая в "судьбе" нитратов начинается качественно иной этап.

   Если раньше происходило перераспределение нитратов, то теперь превращение их в опасные метаболиты - нитриты. В свежих, только что сорванных, овощах не бывает опасных концентраций нитритов, даже если есть большой избыток нитратов. Однако при хранении нитраты под действием микроорганизмов могут восстанавливаться в нитриты. Наиболее интенсивно превращение нитратов в нитриты протекает при хранении повреждённых овощей в грязных помещениях при комнатной температуре (25 С).

   Согласно,⁶комнатная температура благоприятствует размножению микроорганизмов, грязь содержит их споры, тонкая плёнка влаги облегчает перемещение, а из повреждённых клеток микроорганизмы получают питательные вещества, в том числе нитраты.

   При длительном хранении содержание нитратов в овощах уменьшается за счёт восстановления в нитриты и далее гидроксиламин, аммиак и другие соединения. При хранении овощей в проветриваемом помещении, при постоянной температуре и влажности, содержание нитратов через восемь месяцев, снижается в два раза. При кулинарной обработке содержание нитратов в продуктах может, как снижаться, так и повышаться. Снижение происходит за счёт очистки и удаления наиболее нитратных частей растений: у огурцов - кожицы, и задней части (черешковой); у капусты - верхних листьев, прожилок и кочерыжки. Кроме того, при мытье и вымачивании часть нитратов уходит в воду. Происходит выравнивание концентрации нитратов в воде и продуктах. Содержание нитратов в овощах будет, тем меньше, чем больше будет воды, чем дольше вымачивание.

____________________

5.Кудеяров В.Н. Цикл азота в почве и эффективность удобрений.- М.: Наука, 1989.-80с.

6.Минеев В.Г. Химизация земледелия и природная среда. - М.: Агропромиздат, 1990.-287с.

   При вымачивании из овощей в раствор может переходить от 3 до 25% нитратов. Ещё больше вымываются нитраты из овощей при отваривании.

   В зависимости от соотношения овощи: вода в горячий отвар может переходить до 85% нитратов, содержащихся в овощах по сравнению с сырыми. Однако если в готовые продукты попадают микроорганизмы, то восстановление нитратов происходит в несколько раз быстрее, чем в сырых.

   Измельчение и перетирание овощей создаёт идеальные условия для размножения микроорганизмов, а, следовательно, и для восстановления нитратов в нитриты. Наибольшее количество нитритов образуется в соках, приготовленных из тепличных овощей.

   По данным,⁵ в соке свеклы, первоначально не содержащим нитратов, за сутки хранения образовывается до 286мг/л нитратов при температуре 37 С; до 119мг/л при комнатной температуре; только до 26мг/л при хранении в холодильнике. Нитратов в свежей свекле содержится до 400мг/кг

   Тепловая обработка (отваривание, обжаривание) создаёт благоприятные условия для синтеза канцерогенныхнитрозосоединений. Нитрозосоединения образуются только при наличии ещё одного предшественника - нитритов. Нитрозирование аминов и амидов усиливается в кислой среде при повышении температуры. Следовательно, повторенное разогревание подкисших продуктов, содержащих нитраты и нитриты, ведёт к увеличению концентрации нитрозосоединений: нитрозаминов и нитрозамидов, которые вызывают рак.

   По сведениям, ⁷максимально допустимый уровень нитрозаминов в продуктах, занимающих существенный удельный вес в рационе человека - 10мкг/кг.

 1.2. Поглотительная способность почвы и её роль в фиксации соединений азота

   Корни поглощают питательные вещества из почвы в виде слабых растворов. Повышенное содержание в почвенном растворе минеральных солей отрицательно влияет на растения. При этом, чем моложе растение, тем хуже они переносят высокое содержание минеральных солей в почвенном растворе.

   Питательные элементы удобрений за исключением азота селитры, хорошо поглощаются почвами.

____________________

5.Кудеяров В.Н. Цикл азота в почве и эффективность удобрений.- М.: Наука, 1989.-80с.

7.Пичугина Г.В. Химия и сельскохозяйственные технологии: Методическое пособие к экспериментальному курсу для 8-11 классов сельских школ. – Псков: ПОИПКРО., 2000.152с.

   Благодаря поглотительной способности почвы растворимые вещества не вымываются дождями, а задерживаются и сохраняются в ней.Поглощение почвы приводит к тому, что питательные вещества не накапливаются в растворе в избыточных количествах, это благоприятствует питанию растений. Поглощённые почвой ионы из солей переходят снова в почвенный раствор лишь постепенно, по мере потребления из него питательных веществ. Корни активно воздействуют на коллоиды поглощённых почвой веществ обратно в раствор.

   По данным,¹действие удобрений и корневое питание растений сильно зависят от поглотительной способности почвы, её реакции и буферной способности.

   Поглощение почвой приходящих в соприкосновение с ней различного рода веществ изучалось авторами как сложное явление, в котором могут принимать участие как химические, так и физические, физико-химические и биологические процессы.

   В зависимости от характера поглощения К.К. Гедройц различает пять видов поглотительной способности почвы:⁷

1.     Биологическая поглотительная способность

2.     Механическая поглотительная способность

3.     Физическая поглотительная способность

4.     Химическая поглотительная способность

5.     Обменная поглотительная способность

   Поглотительная способность почвы оказывает решающую роль на фиксирование тяжёлых металлов при техногенном воздействии на почву. По данным, ^1,7поглотительная способность оказывает большое влияние на превращение в ней минеральных удобрений, определяет степень подвижности их в почве. На почвах с низкой ёмкостью поглощения (песчаных и супесчаных) при внесении легкорастворимых удобрений возможно вымывание питательных элементов и изменение концентрации раствора, поэтому азотные и калийные удобрения на таких почвах лучше вносить небольшими дозами и незадолго до посева.

   Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью растений и почвенных микроорганизмов, которые избирательно поглощают

____________________

1. Баранова Н.В., Ляшенко Л.Ф., Харьковская Н.Л. Осторожно нитраты!//Химия в школе – 1999.- №1.- с.53-57.

7.Пичугина Г.В. Химия и сельскохозяйственные технологии: Методическое пособие к экспериментальному курсу для 8-11 классов сельских школ. – Псков: ПОИПКРО., 2000.152с.

из почвенного раствора необходимые элементы минерального питания, переводят их в органические соединения своих тел и тем самым предохраняют от выщелачивания из почвы. После отмирания растений и микроорганизмов происходит постепенная их минерализация, содержащиеся в них элементы питания, переходят в минеральную, доступную для растений форму.

   Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности и других свойств почвы, от количества состава органического вещества, служащего источником пищи и энергетического материала для преобладающих в почве гетеротрофных микроорганизмов.

   Механическая поглотительная способность обусловлена свойством почвы, как всякого пористого тела, задерживать мелкие частицы их фильтрующих суспензий. Механическим поглощением объясняется сохранение и характер распределения в почве илистых частиц и нерастворимых удобрений (фосфорной муки, извести). Благодаря механической поглотительной способности эти удобрения не вымываются из верхнего слоя почвы, в ней сохраняется также наиболее ценная коллоидная фракция.

   Физическая поглотительная способность – положительная и отрицательная адсорбция частицами почвы целых молекул растворённых органических веществ. Положительная физическая адсорбция почвой растворимых минеральных солей неизвестна. Отрицательная адсорбция наблюдается при взаимодействии почвы с растворами хлоридов и нитритов, что обусловливает их высокую подвижность в почве и возможность вымывания из верхнего слоя при повышенной влажности.

   Химическая поглотительная способность связана с образованием нерастворимых  и труднорастворимых в воде соединений в результате химической реакции между отдельными растворимыми слоями в почве (ионами в почвенном растворе).

   Установлено,⁶ что анионы угольной и серной кислот с двухвалентными катионами кальция и магния дают трудно растворимые соли: CaSO₃,CaCO₃, MgCO₃, выпадающие в осадок. В кислых почвах (в подзолистых и краснозёмных), содержащих много полуторных оксидов, химическое поглощение фосфора идёт с образованием труднорастворимых фосфатов железа и алюминия ALPO₄ и FePO₄.

   В почвах, насыщенных основаниями, содержащих много Са²⁺ и Mg²⁺ в поглощённом состоянии и бикарбоната Са²⁺ в почвенном растворе (чернозёмы, серозёмы), химическое связывание фосфора происходит

____________________

6.Минеев В.Г. Химизация земледелия и природная среда. - М.:Агропромиздат, 1990.-287с.

в результате образования слаборастворимых двухзамещённых и с более высокой степенью замещения фосфатов Са²⁺.

   Химическое связывание (фиксация) фосфора обусловливает слабую его подвижность в почве и снижает доступность этого элемента для растений из легкорастворимых удобрений.

   Обменная поглотительная способность имеет очень важное значение при взаимодействии удобрений с почвой. Обменное поглощение – это способность мелко дисперсных коллоидных(<0,0025 мм) и илистых (<0,001 мм) частиц почвы поглощать из раствора различные катионы. Поглощение одних катионов из раствора сопровождаются вытеснением в него эквивалентного количества других катионов, ранее поглощённых твёрдой фазой почвы.

   (почва) Са²⁺ + 2HCl(почва)^H+_H+ + CaCl₂

 1.3.Загрязнение почвы тяжёлыми металлами и влияние ионов тяжёлых металлов на накопление биогенных элементов почвы

   Под воздействием техногенного загрязнения сокращаются сроки жизни ценных сортов, так как в силу наследственной изменчивости растений сокращается длительность сохранения сортами хозяйственно – полезных признаков, снижается продуктивность растений, в результате химического загрязнения ухудшается качество растительной продукции.

    Главным источником поступления тяжёлых металлов на земную поверхность являются промышленные выбросы горнодобывающей, металлургической и химической промышленности. Согласно,⁸  в результате работы металлургических мероприятий на поверхность земли ежегодно поступает не менее 154650 т меди, 121500 т цинка, 89000 т свинца, 12000 т никеля, 765 т кобальта, 1500 т молибдена, 30,5 т ртути. С выхлопными газами автотранспорта на земную поверхность попадает 260000 т свинца в год, что почти в три раза превосходит количество этого элемента, поступающее в почву за счёт действия металлургических предприятий.

   К загрязнителям окружающей среды часто относят фтор, ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, цинк, мышьяк, молибден, кадмий, ртуть, свинец, и другие. Но многие из них в небольших количествах являются важными питательными элементами для растений, существенно влияющими на формирование их количества и качества урожая сельскохозяйственных культур.

____________________

8.Овчаренко М.М. Тяжёлые металлы в системе почва – растение - удобрение.//Химия в сельском хозяйстве.-1995.-№4.-с.8-16.

   Известно, что тяжёлые металлы (Pb, Cd, Hg) занимают особое место среди загрязнителей, так как они в разной степени, но хорошо адсорбируются пахотным слоем почвы, особенно при высокой гумусированности и тяжёлом гранулометрическом составе.

   Их соединения довольно устойчивы и долго сохраняются свои токсические вещества. Поэтому проблема накопления тяжёлых металлов в почве и поступления их в растение имеет важное значение.

   В основе токсического влияния тяжёлых металлов на растения лежит их денатурирующее действие на метаболически важные белки. А так как (катализирующее действие) каталитическая и регулярная роль белков для метаболической системы организмов является всеобъемлющей, нарушения могут затрагивать самые различные звенья обмена.

   По данным, ¹¹тяжёлые металлы существенно влияют на фосфорный обмен. С увеличением избытка тяжёлых металлов существенно снижалась, по сравнению с контролем, доля кислорастворимого органического фосфора, представленного нуклеидами и сахарофосфатами.

   Необходимо знать ПДК того или иного элемента в почве и динамику его накопления при длительном систематическом применении осадков, так как почва обладает способностью аккумулировать химические токсические элементы, что отрицательно влияет на плодородие почвы, микробиологическую деятельность, рост и развитие растений, а так же на качество растениеводческой продукции из-за повышенного содержания в ней тяжёлых металлов.

   Суммарное содержание в почве каждого из металлов после внесении осадка сточных вод, не должен повышать ПДК в почве: L+P=ПДК, где L-фоновое содержание металла в почве, мг/кг; P-дополнительное внесение металла с осадками в почву, мг/кг; ПДК-предельно допустимая концентрация металлов в почве, мг/кг.

   В оценке осадков сточных вод и других отходов в качестве удобрения Г. Гроссман приводит данные (таблица 1).

   Проблема загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами, вследствие интенсивного развития химических и других отраслей промышленности, обостряется, так как почва не единственное звено биосферы, откуда растения черпают питательные и токсические элементы.

______________________________

11. Черных Н.А., Ладонин В.Ф. Вопросы нормирования содержания тяжёлых металлов в почве.//Химия в сельском хозяйстве.-1995.-№5.с.10-15.

                                                                                                                 Таблица 1

Максимально допустимое содержание тяжелых металлов в осадке сточных вод и в почве, мг/кг.⁸

Металл	Осадок	Почва
Свинец Кадмий Хром Медь Никель Ртуть Цинк	1200 20 1200 1200 200 25 3000	100 3 100 100 50 2 300

   Например, кадмий может поступать в растения прямо из атмосферы. Свинец поступает в растения также через корни и путём некорневого поглощения листьями, но основное место накопления свинца – корни растений.

   Для разработки комплекса агрохимических приёмов, предотвращающих накопление тяжёлых металлов в растения, необходимо знать условия, способствующие этому процессу.

   Поступление цинка в растения возрастает с увеличением кислотности почвы.

   Все агрохимические приёмы, направленные на повышение Ph, будут способствовать переходу цинка в почве в труднорастворимые соединения и прочно связанные с твёрдой фазой почвы соединения и меньшему поступлению его в растения.

   Большое число исследований ¹²свидетельствует о том, что фосфаты инициируют преобразование почвенных металлосодержащих соединений, тем самым способствуют повышению степени связывания цинка. Степень связывания (иммобилизация) цинка находится в прямой зависимости от содержания фосфора в почве.

   На лёгких почвах растения поглощают больше цинка, чем на почвах с тяжёлым механическим составом. На карбонатных почвах цинк осаждается в виде карбонатов, поэтому часто проявляется дефицит элемента для растений.

____________________

8. Овчаренко М.М. Тяжёлые металлы в системе почва – растение - удобрение.//Химия в сельском хозяйстве.-1995.-№4.-с.8-16.

12. Ягодин Б.А. Тяжёлые металлы и здоровье человека//Химия в сельском хозяйстве.-1995.-№4.с.18-20.

   Медь образует прочные комплексные соединения с находящимися в почвах аминокислотами, порфиринами и другими комплексообразователями. Образование медь – органических комплексов способствует уменьшению концентрации меди в почвенном растворе, чем снижает доступность меди для растений.
   Решающую роль в накоплении меди играют гуминовые кислоты, способные прочно связывать медь.

   В связи с этим очень важно знать ПДК тяжёлых металлов в почве, кормах и продуктах питания. Существует определённая связь между содержанием токсических веществ в удобрениях, накоплением их в почве, поглощением и вредным действием их на растения. По данным,¹¹ориентировочные предельно допустимые величины валового содержания свинца, цинка, кадмия в почвах, не вызывающих повреждения растений, следующие: 1000, 500 и 50 мг/кг соответственно. Если в почве присутствуют все три тяжёлых металла, то сумма их концентраций не должна превышать 2000 мг/кг. Пределы колебаний цинка, кадмия и ртути в незагрязнённых почвах достаточно велики и составляют: для Rn -10-300 мг/кг, для Cd-0,01-0,7 мг/кг.

   Установить пределы токсичного содержания того или иного элемента в почве нелегко. Довольно часто уровень токсичности тяжёлых металлов зависит от состава почвы, её кислотности, влажности, содержания гумуса, соотношения в среде металлов и питательных элементов, вида растения. Обычно, как указывают авторы работы, ¹¹токсичный уровень тяжёлых металлов для разных культур различен.

____________________

11. Черных Н.А., Ладонин В.Ф. Вопросы нормирования содержания тяжёлых металлов в почве.//Химия в сельском хозяйстве.-1995.-№5.

 2. Объекты и методы исследования

 2.1. Объекты  исследования

   Изучение влияния тяжёлых металлов на процесс накопления нитрат-ионов в почве проводили по модельной системе “почва – ион тяжёлого металла – удобрение KNO₃”.

   Для создания модельной системы использовались чернозёмные ( чернозём южный супесчаный)почвы пахотного слоя земли (0-20 см) Неклиновского района. Навеску почвы 300 г обрабатывали растворами солей Zn (II) и Cu (II) с различными концентрациями, а затем в почву вносили удобрения в виде раствора KNO₃ (Vраствора = 0,2л) сС = 2*10 ^-3 моль/л.

   Агрохимическая характеристика почвы:

Гидролитическая кислотность, Hr = 0,72

 2.2. Определение гидролитической кислотности ( по Каппену) ⁹

 Принцип метода

    Метод основан на обработке почвы 1н. раствором гидролитически щелочной соли CH₃COONa.

   Кислотность вытяжки определят путём титрирования её 0,1н.  раствором NaOH.

 Ход анализа

    На технохимических весах берут навеску почвы массой 20г и помещают в колбу на 250-500мл, приливают 50мл 1н. раствора CH₃COONa, закрывают каучуковой пробкой и содержимое взбалтывают в течении часа на ротаторе или в качалке. Полученную суспензию отфильтровывают и 25мл фильтрата переносят в коническую колбу. Примешивают к фильтрату 2-3 капли фенолфтолейна и отфильтровывают его 0,1н. раствором NaOH до неисчезающей в течении 1 минуты слабо-розовой окраски.

  Результаты анализа вычисляются по формуле:

Hr=a*T*10*1,75/10, где Hr- гидролитическая кислотность, мг. экв на 100г почвы;

а – расход на титрирование 0,1н.NaOH, мл;

Т – поправка к титру щёлочи;

____________________

9. Отраслевые стандарты. Методы агрохимических анализов почв М.: 1977.-93с.

10 в числителе – для пересчёта результатов на 100г почв (25 мл фильтрата соответствуют 100 г почвы);

10 в знаменателе – для перевода результатов в мг*экв;

1,75 – коэффициент на полноту вытеснения водорода из почвы.

 Материалы и оборудование

   Образцы почв. Технологические весы. Бутылки или колбы на 250-500мл с пробками. Коническая колба на 100мл. Пипетки. Воронки. Фильтры. Бюретка на 50 или 100мл. Качалка.

 Реактивы

1.     1н.  раствора CH₃COONa: 136,06г соли растворяют в дистиллированной воде и доливают её до метки в колбе на 1 литр.

Раствор с одной капле фенолфталеина должен давать слабо-розовое окрашивание (иначе добавляют к нему по каплям 1н.NaONили 10% CН₃COOH).

2.     1% спиртовой раствор фенолфталеина.

3.     1н. раствор NaOH.

 2.3. Определение нитрат-ионов¹⁰

   На полоски крахмальной бумаги наносят каплю сока, затем сульфаниловой кислоты и 2-нафтиламина. После появления окрашивания делают вывод о приблизительной концентрации ионов-NO₃^-.

Интенсивность окраски	Концентрация нитратов мг/л
Интенсивно-малиновая Малиновая Светло-малиновая Интенсивно-розовая Бледно-розовая Окрашивание отсутствует	1000 100 50 25 10 Менее 6

____________________

10. Русин Г.Г. Физико-химические методы анализа в агрохимии. М.: Агропромиздат, 2000.-303с.

 3.Исследование накопления нитрат-ионов в почве в присутствии ионов тяжёлых металлов

 3.1. Характеристика обменных свойств почвы

   В эксперименте использованы чернозёмные почвы Неклиновскогорайона, отобранные по стандартным методам с пахотных полей на глубине не более 20см.

   Для изучения влияния тяжёлых металлов создана модельная система “почва – нитратное удобрение – ион тяжёлого металла”.

   Агрохимическую характеристику почвы до и после эксперимента контролировали по методике 2.2.

   Перед закладкой опыта почва имела следующую агрохимическую характеристику:

 Гидролитическая кислотность, Hr0,72

 Гумус, %                                                                       3,5

 Кальций и магний, мг.экв/100г                                    24,9

.3.2. Изучение влияния природы иона металла на процесс накопления нитратов в почве

   Для изучения влияния природы металла на процесс накопления нитратов в почве проводили серию опытов по следующей системе:

1.     Почву обрабатывали растворами солей Cu²⁺ , Zn^2+.

2.     Почву, содержащую ионы Cu²⁺ , Zn²⁺ , обрабатывали насыщенным раствором KNO₃ (нитратное удобрение).

3.     Проводили анализ водной вытяжки

   Результаты анализа представлены в таблице 2.

                                                                                                                Таблица 2

Содержание нитрат – ионов в почве в присутствии ионов меди (II), цинка (II) (содержание ионов металлов в почве 30 мг/кг).

Исследуемая система	Содержание нитратов
Почва + KNO3 + CuSO4 Почва + KNO3 +ZnSO4	Тёмно – малиновая окраска –150мг/л Бледно – малиновая – 70мг/л

Установлено, что количество вытесненныхNO₃^– резко возрастает при изменении природы металла: Cu>>Zn.

3.3. Изучение влияния содержания ионов металла в почве на процесс накопления нитратов

   Для изучения влияния содержания металлов в почве на процессах накопления нитратов проводили серию опытов на почве с различными содержаниями иона ТМ.

   Результаты представлены в таблице 3.

                                                                                                                Таблица 3

Содержание нитрат – ионов в почве в присутствии ионов меди (II), цинка (II).

Исследуемая система	Содержание и нов металлов, мг/кг	Содержание нитрат ионов Cu2+	Содержание нитрат ионов Zn2+
Почва+KNO3+MSO4	30.0	Тёмно-малиновая (150мг/л)	Бледно-малиновая (70 мг/л)
Почва+KNO3+MSO4	12.0	Малиновая (120 мг/л)	Светло-малиновая (60мг/л)
Почва+KNO3+MSO4	3.0	Бледно-малиновая (70мг/л)	Интенсивно-розовая (25мг/л)
Почва-фон	-	Розовая (20мг/л)	Окрашивание отсутствует
Почва+KNO3	-	Светло-малиновая (70мг/л)	Розовая (20мг/л)

   Установлено, что в присутствии ионов Cu²⁺ , Zn²⁺ количественное накопление NO₃^– ионов в почвенном растворе значительно нарастает.

   Присутствие меди, (Сm²⁺= 30мг/кг) приводит к нарастанию количества нитратов в 2 раза, тогда как цинк, добавленный в таких же количествах существенного влияния не оказывает.

   Исследование влияния различных концентраций ионов меди, цинка, на процесс обмена нитрат – ионов в почве показали, что с увеличением содержания ионов ТМ усиливается на процесс накопления NO₃^– ионов в почвенном растворе.

   Влияние природы иона ТМ на процесс накопления нитратов, очевидно во многом определяется комплексообразующей способностью ионов  Cu²⁺ , Zn²⁺.

.3.4. Изучение изменений агрохимической характеристики почвы под влиянием ионов тяжёлых металлов

При исследования влияния ТМ на обменный процессы почвы нами контролировался такой показатель как гидролитическая кислотность, Hr.

Результаты анализа представлены в таблице 4.

                                                                                            Таблица 4

Агрохимические характеристики почвы после обработки 2*10^-3 М раствором KNO₃ и растворами солей тяжёлых металлов (Cm²⁺=30 мг/кг)

Исследуемая система	Гидролитическая кислотность,Hr
Почва+KNO3 Почва+KNO3+CuSO4 Почва+KNO3+ZnSO4	0,81 0,97 1,52

В присутствии ионов Cu²⁺ , Zn²⁺ изменяются агрохимические характеристики почвы. Усиливаются процессы обмена с участием NO₃ – ионов в почве.

Выводы.

1.     Изучено влияние природы ионов тяжёлых металлов, их содержание в почве на процесс накопления нитратов при внесении нитратных удобрений.

Соединения тяжёлых металлов довольно устойчивы и долго сохраняют свои токсические свойства. Поэтому проблема накопления тяжёлых металлов в почве и поступления их в растения имеет важное значение.

2.     Установлено, что в присутствии ионов Cu²⁺и Zn²⁺количественное накопление NO₃^– ионов в почвенном растворе значительно нарастает.

Присутствие меди ( С_сu²⁺  =30мг/кг) приводит к нарастанию нитратов в 2 раза, тогда как цинк, добавленный в таких же количествах существенного влияния не оказывает.

Влияние природы иона тяжёлого металла на процесс накопления нитратов, во многом определяется комплексообразующей способностью ионов Cu²⁺ , Zn²⁺.

3.     Изучены закономерности обменных процессов с участием нитрат – ионов в почве в присутствии ионов  Cu²⁺и Zn²⁺. В присутствии ионов меди и цинка изменяются агрохимические характеристики почвы ( гидролитическая кислотность). Усиливаются процессы обмена с участием нитрат - ионов в почве.

Литература.

1.     Баранова Н.В., Ляшенко Л.Ф., Харьковская Н.Л. Осторожно нитраты!//Химия в школе – 1999.- №1.- с.53-57.

2.     Дорофеева Т.И. Эти двуликие нитраты.// Химия в школе.- 2002.-№5.- с.45.

3.     Варюшкина Н.М. Нитраты в растениях.//Химия в сельском хозяйстве.-1991.- №3.-с.72-75.

4.     Кирюшин В.И. Нитраты и качество продуктов растениеводства. – Н.:  Наука, 1991.-168с.

5.     Кудеяров В.Н. Цикл азота в почве и эффективность удобрений.-М.: Наука, 1989.-80с.

6.     Минеев В.Г. Химизация земледелия и природная среда. - М.:Агропромиздат, 1990.-287с.

7.     Пичугина Г.В. Химия и сельскохозяйственные технологии: Методическое пособие к экспериментальному курсу для 8-11 классов сельских школ. – Псков: ПОИПКРО., 2000.152с.

8.     Овчаренко М.М. Тяжёлые металлы в системе почва – растение –удобрение.//Химия в сельском хозяйстве.-1995.-№4.-с.8-16.

9.     Отраслевые стандарты. Методы агрохимических анализов почв М.: 1977.-93с.

10.  Русин Г.Г. Физико-химические методы анализа в агрохимии. М.: Агропромиздат, 2000.-303с.

11.  Черных Н.А., Ладонин В.Ф. Вопросы нормирования содержания тяжёлых металлов в почве.//Химия в сельском хозяйстве.-1995.-№5.с.10-15.

12.  Ягодин Б.А. Тяжёлые металлы и здоровье человека//Химия в сельском хозяйстве.-1995.-№4.с.18-20.