Спосіб визначення насиченості ґрунту рухомими формами важкого металу

Реферат: Спосіб визначення насиченості ґрунту рухомими формами важкого металу включає відбір наважки повітряно-сухого ґрунту, яка підлягає послідовній екстракції розчином 1 н. НСl. Визначення проводять шляхом послідовного екстрагування до моменту його відсутності металу у останній порції фільтрату. UA 72307 U (12) UA 72307 U UA 72307 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі сільського господарства, зокрема до сфери екологічного моніторингу агроландшафту, що піддається дії забруднювачів. Важкі метали (ВМ) належать до пріоритетних забруднюючих речовин, спостереження за якими обов'язкове у всіх середовищах [1-2]. Залучаючись до кругообігу речовин, вони нагромаджуються елементами ландшафтів, і зокрема ґрунтами. Основними джерелами формування фонду ВМ у ґрунті є ґрунтоутворюючі породи, а також явища природного та антропогенного характеру, які впливають на перерозподіл цих елементів у біосфері [3-8]. Ґрунти мають специфічні властивості поглинати і утримувати хімічні речовини в тому числі і ВМ. Процеси міграції та сорбції, що зумовлюють рухомість їх у ґрунті залежать від багатьох факторів і в першу чергу від самого ґрунту. У різних типах ґрунтів рівень токсичності важких металів може відрізнятись на порядок і вище. Підвищення вмісту органічної речовини і збільшення частки мулу у гранулометричному складі ґрунтів зменшує міграційну здатність ВМ. Доки ВМ знаходяться у важкодоступній формі і міцно фіксовані складовими частинами ґрунту, їх рухомість обмежена, але якщо ґрунтові умови зміняться і дозволять перейти ВМ у ґрунтовий розчин, тоді з'являється небезпека їх надходження до трофічного ланцюга [4, 5]. Загалом ВМ, депоновані ґрунтами, поділяють на дві групи: міцно і не міцно зв'язані [9]. Група міцно зв'язаних включає метали, закріплені в структурі первинних і вторинних мінералів силікатної і не силікатної природи, а також ті, що знаходяться у складі важкорозчинних солей і стійких органо-мінеральних сполук. Ця група може бути вилучена з ґрунту лише під впливом сильних хімічних реагентів (фтористоводневою кислотою, сумішшю концентрованих кислот) та високих температур [10-11]. Але міцно зв'язані метали не мають безпосереднього впливу на транслокацію ВМ у біосфері. Не міцно зв'язані ВМ є більш рухомими і можуть мігрувати в інші середовища, в тому числі надходити до рослинного організму. До рухомих форм відносять: водорозчинні (включені до водорозчинних солей), обмінно сорбовані (зв'язані з гідроксидами заліза та марганцю), комплексні (входять до складу органо-мінеральних і мінеральних сполук) і специфічно сорбовані (зв'язані з важко розчинними солями - карбонатами). Згідно з методиками вітчизняних та іноземних авторів вилучення перелічених форм ВМ з ґрунту відбувається за допомогою різних екстрактів. Так водорозчинні сполуки визначаються у водній витяжці, з стійкіших сполук ВМ вилучаються за допомогою ацетатно-амонійного буферного розчину (з рН 4,8), розчинів солей різної концентрації та хімічного складу (NH4NO3, CaCl2, MgCl2, KNO3, KCl) або розчинами сильних кислот (1 н. HNO3 чи 1 н. НСl) [10, 12-19]. У ацетатно-амонійну витяжку (буферний розчин з рН 4,8) та розчини солей переходять обмінні форми ВМ і їх комплексні сполуки, але не входять специфічно сорбовані (зв'язані з несилікатними сполуками заліза, марганцю, алюмінію та важко розчинними солями). Тому для більш повного вилучення важких металів з ґрунту використовують витяжку з 1 н. НСl або 1 н. HNO3 [20]. За переконанням науковців техногенне забруднення ґрунту найповніше характеризують саме ці екстракти [21]. Проте і до такого екстракту переходить лише частина депонованого ґрунтом металу, а здебільшого низька концентрація елементу в ґрунті та відповідно у витяжці не дозволяє уявити реальну здатність ґрунту до накопичення рухомих форм ВМ. З погляду на вищезазначене, в нашій країні не розроблено способу визначення насиченості ґрунту рухомими формами ВМ та ємності ґрунту відносно кожного з металів, що реально характеризувало б ступінь накопичення ґрунтом елементу, спричинений техногенним забрудненням біосфери. Найближчим аналогом запропонованого способу є "Способ определения устойчивости почвы к загрязнению химическим элементом", запропонований російськими вченими [22]. Вони використовують як екстрагент розчин 1 н. KCl. Згідно цього способу, до 2-5 г ґрунту додають 2050 мл розчину KCl, суспензію збовтують протягом години, фільтрують у колбу об'ємом 100 мл. Ґрунт, що залишився на фільтрі, кількісно переносять новою порцією розчину KCl визначеного вище об'єму до тієї ж колби ємністю 100 мл і знову збовтують протягом години. Таку операцію проводять до досягнення незмінної концентрації елемента у фільтраті. В усіх витяжках визначають концентрацію елемента-забруднювача будь-яким способом. Відношення суми концентрацій елемента у всіх витяжках до його вмісту в першій витяжці демонструє наскільки повинен змінитись запас рухомих форм елементу в ґрунті, щоб його концентрація в ґрунтовому розчині змінилась на одиницю, тобто показує здатність протистояти зміні концентрації цього елементу в ґрунтовому розчині та характеризує стійкість ґрунтів до забруднення. За даними вчених, чим більша загальна сума концентрацій в усіх аналізатах і чим менша концентрація елементу в першій витяжці, тим більше буде їх співвідношення, і тим сильніше ґрунт протистоїть зміні концентрації у першій витяжці та забрудненню. 1 UA 72307 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Значним недоліком цього способу є вибір як екстрагенту розчину хлористого калію, який вилучає лише найрухомішу фракцію забруднюючих елементів, що є лише частиною доступного рослинам запасу цих елементів, і не може в достатній мірі характеризувати здатність ґрунту до накопичення забруднювачів. Крім того, важкі метали знаходяться в ґрунті у невеликих кількостях і тому їх концентрації як у першій, так і у наступних витяжках з розчином KCl будуть дуже низькими, а отже вірогідність неточності визначень зростає. Також вважаємо недоліком визначення моменту закінчення екстрагування як досягнення незмінної концентрації елемента у фільтраті. Адже досягнення сталої концентрації не свідчить про закінчення вимивання цієї фракції елементу з ґрунту, тоді як у подальших розрахунках автори використовують величину сумарної кількості елементу у всіх витяжках. Вважаємо також сумнівним твердження авторів, що чим більша загальна сума концентрацій в усіх аналізатах і чим менша концентрація елементу в першій витяжці, тим сильніша стійкість ґрунту до забруднення. Адже зменшення концентрації елементу в першому фільтраті при високій загальній сумі у всіх аналізатах і свідчить саме про вищу здатність ґрунту до накопичення токсиканту. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу визначення насиченості ґрунту важким металом. Поставлена задача вирішується тим, що шляхом вилучення ВМ з ґрунту за допомогою багаторазової обробки екстрагентом НСl (1 н.) та визначення концентрацій цього металу у послідовно одержуваних фільтратах до моменту його відсутності у останній порції фільтрату, що забезпечує достовірне оцінювання здатності ґрунту до подальшого накопичення ним важкого металу. Насиченість ґрунту рухомими формами важкого металу пропонуємо визначати способом, наведеним нижче. Пробу ґрунту просівають, переносять у конічну колбу, додають 1 н. розчин НСl у співвідношенні розчину до ґрунту 1:10 і збовтують протягом 1 години. Суспензію фільтрують. Ґрунт, який залишився на фільтрі, кількісно переносять в ту ж колбу наступною порцією екстрагенту (1 н. НСl) того ж об'єму і знову збовтують суспензію впродовж 1 години. Таку операцію повторюють до досягнення відсутності елемента у фільтраті (в межах точності визначень). В усіх отриманих фільтратах визначають концентрацію елементу способом атомної абсорбції, виражаючи результати в мг на кг ґрунту. На основі одержаних величин обчислюють загальну кількість рухомих форм металу у досліджуваному ґрунті, тобто ємність ґрунту стосовно важкого металу, за формулою: ZМ  C1  C2    Cn , мг/кг ґрунту, де ZМ - загальна кількість рухомих форм важкого металу, мг на кг ґрунту; C1  Cn  Cn - концентрація важкого металу у послідовно одержаних фільтратах, мг на кг ґрунту. Відношення концентрації елементу у першій витяжці до суми концентрацій у всіх витяжках характеризує здатність ґрунту до подальшого накопичення рухомих форм елементу і розраховується за формулою: HМ  C1  100 , %, ZМ де HМ - насиченість ґрунту рухомими формами важкого металу, %; C1 - концентрація важкого металу у першому фільтраті, мг на кг ґрунту; 45 50 55 ZМ - загальна кількість рухомих форм важкого металу, мг на кг ґрунту; 100 - перерахунок на відсотки. Якщо показник " HМ " менше 50 %, то це означає, що ємність ґрунту по відношенню до металу ще не вичерпана, і ґрунт здатний певною мірою утримувати цей елемент, запобігаючи його безперешкодному надходженню до суміжних середовищ. Досягнення показником " HМ " значення 50 % свідчить про зрівноваження кількості металу у першому фільтраті та того, що залишився у ґрунті і буде екстрагований у наступні фільтрати. Тобто, ємнісні можливості ґрунту щодо утримання даного елемента вичерпані, і за подальшого надходження елементу до ґрунту він накопичуватиметься у найрухоміших формах, вилучаючись першою порцією екстрагента. Чим вищий за 50 % є показник " HМ ", тим менше ґрунт здатний утримувати метал і тим легше цей елемент переходить до суміжних середовищ (рослинний організм, вода). 2 UA 72307 U Приклад розрахунку насиченості ґрунтів зони Лісостепу свинцем наведено в таблиці. Таблиця Назва ґрунту Органогенний Сірий лісовий Ясно-сірий лісовий Темно-сірий опідзолений Чорнозем опідзолений Кількість свинцю в послідовно Загальна Насиченість одержаних фільтратах за екстрагента 1 кількість ґрунту н. НСl, мг у кг ґрунту рухомих рухомими Оцінка форм формами результату свинцю важкого 1 2 3 4 5 6 (ZPb), мг у металу кг ґрунту (НPb), % 15,4 5,9 2,8 1,0 0,7 0,0 25,8 60 І* 4,9 1,4 0,7 0,0 0,0 0,0 7,0 70 І 2,5 0,8 0,0 0,0 0,0 0,0 3,3 76 І 5,9 2,0 1,1 0,7 0,0 0,0 9,7 61 І 5,3 3,9 1,2 0,6 0,2 0,0 11,2 47 II** І* - насичення ємності ґрунту свинцем досягнуто; II** - насичення ємності ґрунту свинцем не досягнуто. 5 Для органогенного ґрунту розрахунок виражається таким чином: ZPb=15,4+5,9+2,8+1,0+0,7+0,0=25,8 мг/кг ґрунту; HPb  10 15 20 25 30 35 40 15.4  100  60 % . 25.8 Удосконалення способу визначення насиченості ґрунту рухомими формами важкого металу забезпечує достовірне оцінювання здатності ґрунту до накопичення ним певного важкого металу, що дозволить якісніше оцінювати екотоксикологічні властивості ґрунту, сприятиме поглибленню екологічного моніторингу в агроландшафтах та зниженню ризику виникнення непередбачуваних екологічних негараздів в них. Джерела інформації: 1. Реймерс Н.Ф. Природопользование Словарь-справочник./ Н.Ф. Реймерс. - М.: Мысль, 1990. - 637 с. 2. Мусієнко, М.М. Екологія: Тлумачний словник / М.М. Мусієнко, В.В.Серебряков, О.В. Брайон - К.: Либідь, 2004. - 376с. 3. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю.В. Алексеев - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142 с. 4. Мотузова Г.Р. Соединения микроэлементов в почвах: системная организация, экологическое значение, мониторинг / Р.Г. Мотузова - М., 1999. - 254 с. 5. Гамалей В.И. Изменение экологических функций чернозема типичного при органическом земледелии / В.И. Гамалей, Н.И. Драган, Л.И. Шкаровская, И.И. Клименко // Сборник материалов Международной научно-практической конференции "Научные приоритеты инновационного развития отрасли растениеводства: результаты и перспективы". - Жодино (Беларусь), 2011. - С. 21-25. 6. Залевський Р.А. Оцінка джерел надходження важких металів в інтенсивних агроекосистемах Полісся / Р.А. Залевський // Вісник Державного агроекологічного університету.2005. - № 2. - С. 297. 7. Носовкая И.И. Влияние длительного систематического применения различных форм минеральных удобрений в почве на хозяйственный баланс кадмия, свинца, никеля, хрома / И.И. Носовкая, Г.А. Соловьев, B.C. Егоров // Агрохимия. - 2001. - № 1. - С. 82-91. 8. Назаренко І.І. Ґрунтознавство. Захист ґрунтів від впливу продуктів техногенезу / І.І. Назаренко, С.М. Польчина, В.А. Нікорич. - Чернівці: Книги -XXI, 2004. - 400 с. 9. Минкина Т.М. Соединения тяжелых металлов в почвах нижнего Дона, их трансформация под влиянием природных и антропогенных факторов: автореф. дис. докт. биолог, наук: 03.00.27, 03.00.16 / Минкина Т. М.; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону, 2008. 39 с. 10. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. - М.: - 1992. - 60 с. 3 UA 72307 U 5 10 15 20 25 30 35 11. Методи аналізів ґрунтів і рослин / за редакцією С.Ю. Булигіна, С.А. Балюка, А.Д. Махновської, Р.А. Розумної. - Харків, 1999. Книга 1. - С. 98-125. 12. Ладонин Д.В. Соединения тяжелых металлов в почвах - проблемы и методы изучения / Д. В. Ладонин // Почвоведение.-2002. - № 1. - С. 682-692. 13. Ладонин Д. В. Влияние техногенного загрязнения на фракционный состав меди и цинка в почвах / Д. В. Ладонин // Почвоведение.-1995. - № 10. - С. 1299-1305. 14. Жидеева В. А. Фракционный состав соединений Pb, Cd, Ni, Zn в лугово-черноземных почвах, загрязненных выбросами аккумуляторного завода /B.А. Жидеева, И.И. Васенев, А.П. Щербаков // Почвоведение.-2002. - № 6. - C. 725-733. 15. Sposito G. Trace Metal Chemistry in Arid-zone Field Soils Amended with Sewage Sludge: 1. Fractionation of Ni, Cu, Zn, Cd and Pb in Soil Phases / G. Sposito, L. I. Lund, A. C. Chang // Soil Sci. Soc. Am. J.-1982. - № 2. - V. 46 - P. 260-264. 16. Zhu B. Trace Metal and Cation in a Sandy Soil with Various Amendments Phases /B. Zhu, A. K. Alva // Soil Sci. Soc. Am. J.-1993. - № 2. - V. 57. - P. 723-726. 17. Salim I. A. Sorption Isotherm-Sequential Extraction Analysis of Heavy Metal Retention in Landfill Liners /I. A. Salim, С J. Miller, J. C. Howard // Soil Sci. Soc. Am. J. - 1996. - V. 60. - P. 107114. 18. Tessier A. Sequential extraction procedure for the speciation of the particulate tract metals / A. Tessier, P. G. O. Campbell, M. Bisson // Analytical Chem. - 1979. V. 51. - P. 844. 19. Zeien H. Chemische Extraktionen zur Bestimmung der Bindungsformen von Schwermetalllen in Boden / H. Zeien, G. W. Brummer // Dtsch. Bodenkundl. Gesellsch. - 1989. - V. 59. - P. 505-510. 20. Ринькис Г.Я. Определение микроэлементов в почвах и растениях / Г.Я. Ринькис // Бюл. Микроэлементы в СССР.-1963. - Вып. 6. - С. 26-44. 21. Методика суцільного ґрунтово-агрохімічного моніторингу сільськогосподарських угідь України / За редакцією О.О. Созінова, Б.С. Прістера. - К.: -1994, - С. 52-55. 22. А. с. 1483362 SU G 01 N 33/24. Способ определения устойчивости почвы к загрязнению химическим элементом / Г.В. Мотузова, Е.А. Карпова, А.А. Попова, Е.М. Примакова. № 4230451/30-15; заявл. 17.04.87; опубл. 30.05.89. -Бюл. № 20. - 6 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб визначення насиченості ґрунту рухомими формами важкого металу, що включає відбір наважки повітряносухого ґрунту, яка підлягає послідовній екстракції розчином 1 н. НСl, в кожному з послідовно одержаних екстрактів визначають концентрацію металу та знаходять суму концентрацій всіх екстрактів, визначають за формулою насиченість ґрунту рухомими формами важкого металу, який відрізняється тим, що визначення проводять шляхом послідовного екстрагування до моменту його відсутності металу у останній порції фільтрату, що забезпечує достовірне оцінювання здатності ґрунту до подальшого накопичення ним важкого металу. 40 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4