Техногенные системы и экологические риски (110

где а – количество раствора HCl, израсходованное на титрование (мл); Н – нормальность раствора HCl;

V1 – объем раствора, полученный при вытеснении (мл); V2 – объем раствора, взятый на титрование (мл);

С – навеска почвы, взятой на вытеснение обменных катионов (г); К – коэффициент гигроскопичности.

Рассчитывают содержание ионов кальция и магния в мг-экв/100 г почвы (как указано в предыдущей работе). От количества мг-экв Са+ вычитают полученное количество мг-экв НСО3–. Разность соответствует количеству обменного кальция в почве.

Реактивы

1.0,02 Н раствор HCl готовят разбавлением 1,64 мл конц. HCl (плотность 1,19) в 1 л воды. Нормальность устанавливают по фиксаналу NаОН или КОН в присутствии метилоранжа.

2.0,1%-й раствор метилового оранжевого.

3.Все реактивы для комплексонометрического определения содержания кальция и магния из предыдущей работы.

2.7. Вычисление степени насыщенности почв основаниями

Степенью насыщенности основаниями называют отношение суммы обменных оснований к емкости поглощения. Она показывает, какую часть всей емкости поглощения занимают обменные основания. Степень насыщенности основаниями – важный показатель почвы. Его величина позволяет решить многие вопросы. Особенно большое значение придают ей при обосновании таких мероприятий, как известкование и фосфоритование почв. Степень насыщенности почв основаниями выражают в процентах и обозначают буквой V. В почвах, не содержащих поглощенного водорода (карбонатные, сероземы, каштановые и др.), она равна 100 %. В почвах с гидролитической кислотностью степень насыщенности меньше 100 %.

Степень насыщенности почв основаниями вычисляют по формуле

S

V, % = ———— · 100,

S + H+

где V – степень насыщенности почв основаниями, %;

S – сумма обменных оснований (Са+ + Мg+ + Nа+), мг-экв; H+ – гидролитическая кислотность, мг-экв.

По нуждаемости в извести в зависимости от степени насыщенности основаниями кислые почвы делят на три группы: I – почвы, степень насыщенности основаниями которых 50 % и меньше, сильно нуждаются в известковании; II – почвы, степень насыщенности которых равна 50–70 %,

21

менее нуждаются в известковании, вопрос об этом решается в зависимости от величины рН солевой вытяжки; III – почвы, степень насыщенности которых более 70 %, не нуждаются в известковании.

Изменение кислотно-основных условий существенно меняет многие химические процессы в почве.

1.В почвах меняется структура кислотности. В естественных почвах лесной зоны в органогенных горизонтах кислотность обусловлена органическими кислотами, преимущественно фульвокислотами, в минеральных горизонтах – соединениями алюминия. Техногенное подкисление почв ведет к увеличению доли минеральных кислот по сравнению с органическими. В сильнокислых почвах изменяется соотноше-

ние ионов, обусловливающих кислотные свойства. Среди соединений алюминия мономеры Аl+3 начинают преобладать над связанными формами алюминия.

2.Подкисление ведет к изменению подвижности многих химических элементов:

а) подкисление ведет к накоплению аморфных форм Аl и Fe, которое происходит за счет высвобождения их из структуры алюмосиликатов, выпадения их в осадок в форме коллоидов и аморфных соединений высокой степени дисперсности;

б) происходит изменение подвижности элементов питания растений за счет повышения растворимости соединений, содержащих азот, фосфор, калий;

в) изменение мобилизации соединений металлов и неметаллов.

3.Кислотность почвенного раствора влияет на формирование подвижных соединений поллютантов. От кислотности раствора зависят форма нахождения, знак и величина заряда частиц в растворе, заряд коллоидных частиц, на поверхности которых происходит поглощение загрязняющих веществ, растворимость осадков, содержащих соединения поллютантов.

22

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ

2.8. Ускоренное определение состава гумуса методом М.М. Кононовой и Н.П. Бельчиковой

Метод основан на применении пирофосфата натрия для выделения гумусовых веществ из почвы. По данным авторов, наибольшее их количество извлекается смесью пирофосфата натрия с щелочью, имеющей рН около 13. С помощью данного метода в почве определяют содержание гуминовых кислот, фульвокислот и нерастворимого осадка гумусовых веществ [4].

Ход анализа (приготовление пирофосфатной вытяжки)

1.Навеску 10 г почвы (1 мм) помещают в колбу (250 мл) и приливают 200 мл свежеприготовленной смеси пирофосфата натрия с NaOH (рН = 13).

2.Колбу плотно закрывают резиновой пробкой для изоляции от углекислого газа воздуха, содержимое тщательно перемешивают, оставляют на

18 ч.

3.На следующий день прибавляют насыщенный раствор Na2SO4 в количестве ¼ от объема жидкости (50 мл пипеткой) для коагуляции илистых

частиц и ускорения фильтрации. Добавление раствора можно заменить 1 столовой ложкой Na2SO4 прямо в колбу и тщательно размешать. Колбу с суспензией оставляют на 15–20 мин, после чего фильтруют.

В полученном фильтрате определяют общее содержание органического углерода в вытяжке и содержание углерода гуминовых кислот.

Ход анализа (определение общего органического углерода вытяжки).

1.Из полученной вытяжки пипеткой отбирают 2–15 мл фильтрата (чем больше гумуса в почве, тем меньше объем фильтрата) в 2-х повторностях и помещают в гумусную колбу (коническая термостойкая колба на 100 мл).

2.Аликвоту нейтрализуют, прибавляя по каплям 1,0 Н раствор Н2SO4, до появления в растворе легкой мути.

3.Колбу ставят на водяную или песчаную баню и выпаривают досуха

еесодержимое.

4.Определение общего углерода вытяжки проводят методом И.В. Тю-

рина.

Содержание общего углерода вытяжки рассчитывают в процентах к почве (1) и в процентах от общего количества углерода в почве (2).

г · % Спочвы

23

где а – количество соли Мора, израсходованное на титрование холостого опыта, мл;

в – количество соли Мора, израсходованное на титрование испытуемого раствора, мл;

н – нормальность соли Мора; 0,0003 – коэффициент пересчета на 1 г углерода;

г – навеска почвы, соответствующая количеству вытяжки или раствора гуминовой кислоты, взятому на определение углерода, г;

% Спочвы – общее содержание углерода в почве (по И.В. Тюрину).

Ход анализа (определение углерода гуминовых кислот)

1.Из полученной вытяжки пипеткой отбирают 25–50 мл фильтрата в 2-х повторностях и помещают в гумусную колбу.

2.Туда же при перемешивании стеклянной палочкой по каплям при-

бавляют концентрированную Н2SO4 для коагуляции геля гуминовых кислот до появления мути в растворе. Это происходит при рН = 1,5–2,0, для этого надо прилить около 0,2–0,5 мл серной кислоты. Избытка следует избегать.

3.Колбу накрывают воронкой и помещают на песчаную баню на 30 мин. Следят за умеренным прогреванием при температуре не более 80° С

ине допускают закипания.

4.Колбу снимают, после остывания и отстаивания хлопьев гуминовых кислот приступают к фильтрованию через гладкий фильтр диаметром 7 см,

предварительно смоченный 0,05 Н раствором Н2SO4. Сначала из колбы на фильтр переносят кислый раствор, а затем осадок (гель) гуминовых кислот.

5.Фильтр с осадком несколько раз промывают холодным 0,05 Н рас-

твором Н2SO4 до получения бесцветного фильтрата (в начале промывания фильтрат окрашен в желтый цвет от примеси фульвокислот).

6.Кислый раствор вместе с промывными водами отбрасывают, а воронку с фильтром вместе с осадком гуминовых кислот помещают на колбу, где проводилась коагуляция, и приступают к растворению осадка горячим 0,02 Н раствором NaOH. Горячую щелочь помещают в промывалку и аккуратно растворяют осадок, начиная с верхнего края фильтра. Каждую новую порцию щелочи добавляют только после того, как предыдущая полностью пройдет через фильтр. Когда фильтр станет почти белым, растворение заканчивают, чистый фильтр выбрасывают.

7.Полученный раствор помещают на песчаную баню и постепенно выпаривают досуха, не допуская кипения.

8. Определение углерода гуминовых кислот проводят методом И.В. Тюрина.

Содержание общего углерода вытяжки рассчитывают в процентах к почве (1) и в процентах от общего количества углерода в почве (2).

24

Количество углерода фульвокислот (органических веществ, остающихся в кислом растворе при осаждении из вытяжки гуминовых кислот) определяют по разности между общим содержанием углерода в вытяжке и его содержанием в гуминовых кислотах:

% Сфк = % Свытяжки – % С гк Количество углерода фульвокислот вычисляют в процентах от массы

почвы и в процентах от общего количества углерода в исходной почве. Количество углерода в остатке почвы (углерод гумина) после выделе-

ния гумусовых веществ находят по разности между содержанием органического углерода в исходной почве и вытяжке.

Реактивы

1.Пирофосфат натрия с NaOH: 44,6 г Na2Р2О7 · 10 Н2О и 4 г NaOH растворяют в небольшом количестве дистиллированной воды и доводят объем до 1 л.

2.0,05 Н раствор Н2SO4: 14 мл Н2SO4 конц. на 1 л воды.

3.0,02 Н раствор NaOH: 0,80 г NaOH растворяют в 1 л воды.

4.Все реактивы для определения углерода по И.В. Тюрину (хромовая смесь, соль Мора, фенилантраниловая кислота).

Все полученные данные записывают в табл. 16.

Таблица 16

Пример оформления результатов

2.9.Определение содержания в почве подвижного органического вещества по М.А. Егорову

Соотношение между гуминовыми и фульвокислотами, содержащимися в гумусе, позволяет судить о типе гумусообразования, который сложился в результате обработок почвы, возделывания полевых культур, внесения навоза, систематического применения минеральных удобрений.

Для характеристики трансформации и новообразования гумуса наиболее информативны подвижные (лабильные) формы гумусовых веществ. Это наиболее молодые формы гумуса, отличающиеся повышенным содержанием азота. Они быстро минерализуются и делают азот доступным для питания растений.

Ход анализа

1. Навеску 10 г почвы (1 мм) помещают в гумусную колбу.

25

2.Добавляют 50 мл 0,2 Н раствора NaOH, взбалтывают 3 мин и всю суспензию за один прием переносят на складчатый фильтр.

3.Из фильтрата берут аликвоту 10 мл пипеткой (2 повторности), выпаривают и определяют углерод лабильной части гумуса по И.В. Тюрину.

Реактивы

1.0,2 Н раствор NaOH: 8 г NaOH растворяют в 1 л воды.

2.Все реактивы для определения углерода по И.В. Тюрину (хромовая смесь, соль Мора, фенилантраниловая кислота).

Уничтожение естественной растительности и распашка целинных земель приводит к резкому изменению всего биологического круговорота веществ и гидротермического режима в экосистеме, в том числе резко меняется биогеохимический цикл углерода.

Основными приходными статьями баланса гумуса пахотных почв являются послеуборочные пожнивно-корневые остатки (20–30 % от выносимого), опад, органические удобрения. Основная расходная статья баланса гумуса – его минерализация. Следствием процесса дегумификации (потеря

26

гумуса) является снижение запасов и доступности для растений и микроорганизмов элементов питания, снижение активности микроорганизмов, ухудшение структуры почвы, газообмена в них, окислительновосстановительных условий. С потерей гумуса связана утрата почвой ее агрономически ценной структуры. Гумусовые вещества – важнейший фактор формирования почвенных агрегатов, проявляющих устойчивость при разных видах эрозии почв. Существенным фактором склеивания механических элементов почвы в структурные отдельности является свежеосажденный перегной (источником которого является корневая система многолетних трав), который в присутствии ионов кальция играет роль цемента в связывании почвенных частиц.

2.10. Определение содержания сероводорода в почвах, загрязненных нефтепродуктами [2]

Сероводород Н2S – бесцветный газ, растворим в воде и органических растворителях, является сильным восстановителем. Водный раствор Н2S имеет кислую реакцию и является слабой кислотой. ПДК сероводорода 0,4 мг/кг. Методика предназначена для определения в почве Н2S в местах, где постоянно имеется загрязнение нефтепродуктами (примагистральные участки автодорог, железнодорожного полотна и др.).

Определение основано на окислении сероводорода йодом, выделившимся при взаимодействии йодида калия с КМnО4 в кислой среде. Нижний предел обнаружения – 0,32 мг/кг почвы, точность измерения 25 %, предел обнаружения – от 0,32 мг/кг.

Ход анализа

1.Навеску 100 г почвы помещают в колбу (250 мл), заливают 200 мл дистиллированной воды, закрывают пробкой и 3 мин встряхивают.

2.Суспензию фильтруют через складчатый фильтр.

3.Аликвоту 100 мл фильтрата помещают в колбу (250 мл), добавляют

5 капель разбавленной H2SO4 (для создания кислой среды), 1 мл 10%-го раствора КI и из бюретки приливают 0,01 Н раствор КМnО4 до появления желтой окраски.

4.Избыток йода оттитровывают 0,005 М раствором Na2S2O3, прибавляя

кконцу титрования 5 капель 1%-го раствора крахмала.

5.Разность между объемами прилитого 0,01 Н раствора КМnО4 и раствора Na2S2O3, израсходованного на титрование, соответствует количеству 0,01 Н раствора йода, израсходованного на окисление Н2S в 100 мл фильтрата. 1 мл 0,01 Н раствора йода соответствует 0,17 мг Н2S.

Пример расчета: разность между объемами 0,01 Н раствора КМnО4 и раствора Na2S2O3 равна 3 мл. Следовательно, содержание Н2S в 100 мл

27

фильтрата составляет 0,17 · 3 = 0,51 мг. В 200 мл, т.е. в 100 г почвы, содержится 0,51 · 2 = 1,02 мг Н2S. Отсюда концентрация (Сн2s) равна

Сн2s = 1,02 : 100 · 1000 = 10,2 (мг/кг).

Реактивы

1.0,01 Н раствор КМnО4: готовится путем точного разбавления в десять раз (1 : 9) 0,1 Н фиксонального раствора КМnО4.

2.0,005 М раствор Na2S2O3: 1,24 г Na2S2O3 + 1 л дистиллированной воды.

3.Разбавленный раствор конц. H2SO4 в четыре раза (1 : 3).

4.10%-й раствор КI: 10 г КI + 100 мл воды.

5.1%-й раствор крахмала: 1 г растворимого крахмала + 100 мл воды.

3.ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

Водные ресурсы являются обязательным компонентом всех техногенных систем. Вода необходима для всех технологических процессов в промышленности, производства энергии, стали, чугуна, добычи полезных ископаемых. Нормами водопотребления в промышленности на производство 1 т продукции предусмотрен расход от 200 до 2 000 м3 воды; в сельском хозяйстве и животноводстве на производство 1 т зерна необходимо 1000 м3; картофеля – 500–1500 м3; говядины – 15 000–70 000 м3. Основными потребителями воды являются жилищно-коммунальное хозяйство, атомные и тепловые электростанции, сталеплавильные заводы и бумажные фабрики, сельскохозяйственные гидромелиоративные системы.

Вода является веществом, совершенно необходимым для жизни человека, животных и растений. Она составляет основу внутренней среды животных и растительных организмов. Установлено, что содержание воды в теле взрослого человека составляет в среднем от 50 % (у женщин) до 60 % (у мужчин). В условиях покоя и комфортного микроклимата взрослому человеку в сутки требуется примерно 40 г воды на 1 кг массы тела, детям – в 2–2,5 раза больше. Нормальное потребление воды здоровым человеком составляет 2 200–2 500 мл в сутки (1 200 – питье, 1 000 – пища, 300 – вода окисления).

В связи с этим очень важно, чтобы вода была пригодной для удовлетворения хозяйственно-питьевых, бытовых и технических потребностей людей. Выделяют 3 группы показателей, определяющих качество воды: ор-

ганолептические свойства, химический состав, эпидемическая безопас-

ность (патогенная микрофлора и микрофауна).

Рассмотрим методики определения показателей качества воды, которые используются в рамках лабораторного практикума «Техногенные системы и экологический риск».

28

3.1. Определение органолептических показателей

Гигиеническая оценка качества воды начинается с рассмотрения ее органолептических свойств (температура, прозрачность, цветность, осадок, вкус и привкус, запах), которые нормируются по интенсивности их восприятия органами чувств человека.

Температура

Температура воды открытых водоемов соответствует температуре воздуха, несколько отставая от нее. Подземные воды имеют температуру тех слоев земли, в которых они залегают. Будучи плохим проводником тепла, земля нивелирует суточные, а в более глубоких слоях – и годовые колебания температуры, приводя ее к средним величинам. Отсюда следует, что данные о температуре воды, полученные за длительный промежуток времени (за один год), могут служить ценными показателями степени защищенности подземного источника воды от проникновения в него поверхностных вод, а с ними – и загрязнений.

В современных условиях вследствие сброса в поверхностные водоемы большого количества сточных вод промышленных предприятий, особенно тепловых и атомных электростанций, наблюдается устойчивое повышение естественной (свойственной данному времени года) температуры воды поверхностных источников. Подобный процесс рассматривается как тепловое загрязнение водоемов. Летом в них замедляется жизнь аэробных организмов из-за уменьшения растворимости кислорода и затрудняются процессы самоочищения. Согласно правилам охраны поверхностных вод от загрязнения, летняя температура воды в результате спуска сточных вод не должна повышаться более чем на 3° С по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца года за последние 10 лет.

При оценке прямого теплового действия воды при ее потреблении следует иметь в виду, что наиболее приемлемой для питья считается вода с температурой 7–15° С. Питье воды с температурой ниже 7° С может вызвать охлаждение слизистой глотки и пищевода и способствовать простудным заболеваниям. Вода с температурой 20° С и выше теряет свое освежающее действие, воспринимается как невкусная, что особенно нежелательно при физической нагрузке и жаре. Такая вода даже при свободном и неограниченном питьевом режиме потребляется в меньшем количестве и способствует постепенному накоплению водного дефицита (непроизвольному обезвоживанию).

Ход определения

Определяется сразу после отбора пробы или непосредственно в водоеме термометром с ценой деления 0,1° С. Термометр держат в воде 5 мин.

29

Прозрачность (мутность)

Мутность природных вод вызывается присутствием тонкодисперсных примесей, представленных нерастворимыми или коллоидными (неорганическими и органическими) веществами различного происхождения: песка, глины, железа, гумусовых веществ, растительного материала. Величина, обратная мутности, называется прозрачность и характеризует способность воды пропускать видимый свет.

Мутность определяют по ослаблению проходящего света путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результаты выражают в мг/дм3 (при использовании суспензии каолина) или в ЕМ/дм3 (единицы мутности) – при использовании суспензии формазина. Чистая природная вода имеет мутность не более 1,5 мг/дм3 или 2,6 ЕМ/дм3.

Мерой прозрачности служит высота столба воды, через который можно различать на белой бумаге шрифт высотой 3,5 мм определенной жирности (в лаборатории) или наблюдать опускаемую в водоем белую пластину определенных размеров (диск Секки). Прозрачность чистой воды составляет не менее 30 см. На практике для оценки качества питьевой воды величину прозрачности определяют, когда мутность превышает 3 мг/дм3; при меньшем ее значении для определения прозрачности необходим слишком большой столб воды. Например, прозрачность воды озера Байкал (по диску Секки) при спокойной воде достигает 10 м и более.

Мутность воды имеет большое значение при оценке ее качества. Мутная вода вызывает брезгливое к ней отношение, имеет неприятный вкус и запах, содержит посторонние вещества, свидетельствующие о неблагополучном санитарном состоянии водоисточника. Частицы мути сорбируют на своей поверхности различные микроорганизмы, патогенные вирусы. Взвешенные вещества, содержащиеся в воде, затрудняют ее очистку, особенно обеззараживание, связывая (нейтрализуя) дезинфектанты и, таким образом, защищая бактерии и вирусы от действия обеззараживающих веществ.

Ход определения

1.Исследуемую воду наливают в цилиндр (объемом не менее 1 л), под дно которого подкладывают на расстоянии 4 см шрифт (высота букв – 2 мм, толщина линий – 0,5 мм).

2.Воду сливают до тех пор, пока сверху через слой воды можно будет отчетливо прочесть этот шрифт.

3.Высоту столба измеряют линейкой.

Прозрачностью не менее 30 см должны обладать воды, подаваемые для питьевого водоснабжения без осветления. Речные воды могут иметь прозрачность 25 см. Уменьшение прозрачности природных вод свидетельствует об их загрязнении.

30