Современные проблемы экологии, энерго- и ресурсосбережения в биотехнологии. Лабораторный практикум

Цель работы

Научиться определять емкость поглощения (емкость катионного обмена) почвы.

Аппаратура, лабораторная посуда, материалы, реактивы

Весы лабораторные общего назначения 2-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 300 г; металлический шпатель; ротатор или лабораторный встряхиватель; бутылка вместимостью 250–500 мл; мерный цилиндр вместимостью 50 мл; бюретка вместимостью 25 мл; пипетка вместимостью 10 мл; штатив лабораторный химический; глазная пипетка; пипетатор; воронка диаметром 10 или 15 см; плоскодонная колба вместимостью 100 мл; три конические колбы для титрования вместимостью 100 мл; две плоскодонные колбы вместимостью 250 мл; две резиновых пробки для плоскодонных колб вместимостью 250 мл; фильтровальная бумага «синяя лента»; 1 М раствор CH3COONa (рН раствора 8,3–8,4); 0,1 М раствор NаОН; раствор фенолфталеина.

Последовательность выполнения работы

1. Определение гидролитической кислотности

В плоскодонной колбе вместимостью 250 мл на лабораторных весах взвесить 20 г почвы. К полученной навеске почвы прилить мерным цилиндром 50 мл 1 М раствора CH3COONa. Колбу закрыть каучуковой или резиновой пробкой. Содержимое колбы взбалтывать на ротаторе или лабораторном встряхивателе в течение 1 часа. Полученную суспензию отфильтровать в колбу вместимостью 100 мл через складчатый фильтр «синяя лента». Пипеткой отобрать 20 мл фильтрата и перенести в коническую колбу для титрования вместимостью 100 мл. Глазной пипеткой добавить 2–3 капли раствора фенолфталеина и оттитровать 0,1 М раствором NаОН до появления слаборозовой окраски, не исчезающей в течение 1 минуты [4].

Величину гидролитической кислотности почвы вычислить по формуле (8.1) [2].

2. Определение суммы поглощенных оснований

В плоскодонной колбе вместимостью 250 мл на лабораторных весах взвесить 10 г почвы. К полученной навеске почвы прилить мер-

41

ным цилиндром 50 мл 0,1 М раствора HCl, горлышко колбы закрыть резиновой пробкой и интенсивно встряхивать в течение 1 часа на ротаторе или лабораторном встряхивателе, после чего дать суспензии отстояться и профильтровать в колбу вместимостью 100 мл через складчатый фильтр «синяя лента».

Пипеткой перенести 10 мл полученного фильтрата в коническую колбу для титрования вместимостью 100 мл, главной пипеткой добавить 2–3 капли раствора индикатора фенолфталеина и оттитровать 0,1 М раствором NaOH до появления ярко-розовой окраски, не исчезающей в течение 1 минуты. В случае выпадения осадка полуторных оксидов при титровании с фенолфталеином окраску следует наблюдать в прозрачном слое над осадком.

Параллельно провести холостой опыт, используя вместо фильтрата 10 мл 0,1 М раствора НСl [7].

Сумму поглощенных оснований вычислить по формуле (8.2) [4].

3. Расчет емкости поглощения (емкости катионного обмена)

почвы

Емкость поглощения (емкость катионного обмена) почвы (мгэкв./100 г почвы) вычислить по формуле (8.3) [4].

4. Определение типа почвы по величине емкости катионного обмена.

По величине емкости катионного обмена определить тип почвы.

Получаемые результаты

Величину гидролитической кислотности почвы вычислить по формуле

где V – объем 0,1 М раствора NаОН, пошедший на титрование, мл; C(NaOH) – молярная концентрация раствора NаОН, моль/л;

1,75 – коэффициент поправки результатов на неполноту вытеснения катионов водорода из почвенного поглощающего комплекса при однократной обработке почвы раствором CH3COONa;

100 – пересчёт на 100 г почвы;

42

m – масса навески почвы, соответствующая объёму фильтрата, взятого для анализа, г [2].

Сумму поглощенных оснований вычислить по формуле

m

где V0 – объем 0,1 М раствора NaOH, израсходованного на титрование холостой пробы, мл;

V1 – объем раствора NaOH, израсходованный на титрование пробы вытяжки, мл;

С(NaOH) – концентрация раствора NaOH, моль/л; 100 – коэффициент пересчета на 100 г почвы;

m – масса навески почвы, соответствующая взятому для титрования объему вытяжки, г [4].

Емкость поглощения (емкость катионного обмена) почвы рассчитать по формуле

где ЕКО – емкость катионного обмена почвы;

Нг – значение гидролитической кислотности почвы, мг-экв/100 г почвы;

S – значение суммы обменных оснований почвы, мг-экв/100 г почвы [4].

Содержание отчета

Содержание отчета приведено в приложении.

Контрольные вопросы

1.Что понимают под поглотительной способностью почв?

2.Какие виды поглотительной способности почв Вы знаете?

3.Какова структура почвенного поглощающего комплекса? Чем они отличаются друг от друга?

4.Что такое емкость поглощения или емкость катионного обмена почвы?

5.Какова величина емкости поглощения различных типов почв?

6.Что такое гидролитическая кислотность почвы?

7.В чем сущность метода определения гидролитической кислотности почвы?

8.Что такое сумма поглощенных оснований?

9.В чем сущность метода определения суммы поглощенных оснований?

43

Лабораторная работа № 9 ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ОТХОДАМИ

Загрязнение почвы вызывают поллютанты, различающиеся по концентрации, территориальному распространению, влиянию на почву, почвенную биоту и совокупное состояние экосистемы почвы [5].

Главными источниками загрязнения почв являются:

–жилые дома и бытовые предприятия, являющиеся главными источниками поступления в окружающую среду бытового и строительного мусора, пищевых отходов, отходов отопительных систем, пришедших в негодность предметов домашнего обихода, а также мусора общественных учреждений – больниц, столовых, гостиниц, магазинов

идругих;

–теплоэнергетика, выделяющая в литосферу большое количество шлаков, образующихся при сжигании каменного угля, а в атмосферу

– сажу, несгоревшие частицы, оксиды серы. Все поллютанты, выделяемые теплоэнергетическими предприятиями, в конце концов оказываются в почве;

–сельское и лесное хозяйства, которые являются источникам загрязнения окружающей среды удобрениями и ядохимикатами, применяемыми для защиты растений от вредителей, болезней и сорняков;

–транспорт, который загрязняет окружающую среду оксидами азота, свинцом, углеводородами и другие веществами, оседающими на поверхности почвы или поглощаемыми растениями;

–промышленные предприятия, которые выделяют в окружающую среду большое количество твердых и жидких отходов, содержащих различные вещества, способные оказывать токсическое воздействие на живые организмы и их сообщества [7].

Химические соединения, поступающие в почву, постепенно накапливаются в ней, влияя на химические и физические свойства почвы, снижая численность живых организмов и активность почвенных ценозов. Загрязнение почвы может изменить ее структуру и

44

плотность горизонтов, что способно привести к снижению аэрируемости и дренажа, а также ухудшить плодородие почвы, вызвав затруднение прорастания семян и проникновения корней в почву, замедление роста корней и побегов. Из почвы токсические вещества могут попасть в организмы животных и людей, вызывая развитие тяжелейших заболеваний и смертельные исходы [6, 7].

Существует два методических подхода для определения токсичности почв. Для экспресс-диагностики используют водные экстракты, содержащие водорастворимые фракции почв. В этом случае биотестирование выполняют на традиционных для водной токсикологии тест-объектах – ракообразных, инфузориях или водорослях. Токсические свойства почв можно выяснить также при помощи населяющих ее организмов, которые используются в качестве тест-объектов.

Для биотестирования фитотоксических свойств почвы используют семена различных культурных растений. Одним из наиболее распространенных является тест с использованием кресс-салата (Lepidium sativum L.). Кресс-салат – это небольшое травянистое однолетнее растение из семейства крестоцветных, которое дает всходы через 2-3 дня после посева, а урожай его можно снимать уже через неделю [7]. Кресс-салат часто используют в качестве тест-системы для оперативной оценки влияния на почву загрязнения ее солями щелочных и щелочноземельных металлов. При повышении концентрации солей в почвенном растворе замедляется прорастание семян и снижается их всхожесть [6].

Цель работы

Используя метод биотестирования, дать оценку качества почвы, загрязненной отходами.

Аппаратура, лабораторная посуда, материалы, реактивы

Весы лабораторные общего назначения 2-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 300 г; термостат; стаканчик вместимостью 100 мл; шесть чашек Петри; металлический шпатель; фильтровальная бумага «красная лента»; водопроводная вода; семена кресс-салата; загрязненная почва.

45

Последовательность выполнения работы

Взять три чашки Петри.

На лабораторных весах взвесить в одной чашке Петри 20 г исследуемой загрязненной почвы, почву разровнять металлическим шпателем, на поверхность почвы положить фильтровальную бумагу, стеклянным стаканчиком вместимостью 100 мл прилить водопроводную воду до образования водного зеркала на поверхности фильтровальной бумаги и выложить на фильтровальную бумагу 20 семян кресссалата.

Те же манипуляции повторить со второй и третьей чашками Петри.

Вкачестве контроля в три чашки Петри положить фильтровальную бумагу, стеклянным стаканчиком вместимостью 100 мл прилить водопроводную воду до образования водного зеркала на поверхности фильтровальной бумаги и выложить на фильтровальную бумагу в каждой чашке Петри по 20 семян кресс-салата.

Вкачестве контроля можно использовать почву того же типа, что

ив эксперименте, но отобранную в заведомо незагрязненном биотопе. С ней необходимо проделать те же манипуляции, что и с загрязненной почвой.

Опытные и контрольные чашки Петри поместить в термостат и инкубировать при температуре +22±2° С в течение 4–5 суток [2].

По окончании инкубирования проанализировать следующие показатели:

1) всхожесть семян (% взошедших от общего количества высеянных);

2) длину зародышевого корешка в мм;

3) длину побега в мм.

Величину эффекта торможения вычислить по формуле (9.1) [7]. Оценить фитотоксическое действие исследованной почвы. Фито-

токсическое действие считается доказанным, если фитоэффект составляет 20 % и более.

46

Получаемые результаты

Величину эффекта торможения вычислить по формуле

где Lоп – средняя длина корней (побегов, взошедших семян) в опыте, мм;

Lk – средняя длина корней (побегов, взошедших семян) в контро-

ле, мм [7].

Содержание отчета

Содержание отчета приведено в приложении.

Контрольные вопросы

1.Каковы основные источники загрязнения почв?

2.Какие вещества могут накапливаться в почвах? Чем это опасно для живых организмов?

3.Какие методы определения токсичности почв Вам известны?

4.Какие виды тест-объектов применяют при биотестировании почв?

5.Как определить токсичность почвы, используя семена кресс-салата?

47

ЛИТЕРАТУРА

1.Анализ загрязняющих веществ и лабораторное дело. – Казань: Издательство КГУ, 2009. – 40 с.

2.Казеев, К.Ш. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований / К.Ш. Казеев, С.И. Колесников, В.Ф. Вальков. – Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2003. – 216 с.

3.Карманов, А.П. Технология очистки сточных вод: учебное пособие / А.П. Карманов, И.Н. Полина. – Сыктывкар: СЛИ, 2015. – 207 с.

4.Мудрых, Н.М. Пособие к лабораторным занятиям по агрохимии: Методическое пособие для студентов специальности (направления) 110201.65 «Агрономия», 110202.65 «Плодоовощеводство и виноградар-

ство», 110203.65 «Защита растений», 110400.62 «Агрономия» / Н.М. Мудрых, М.А. Алешин. – Пермь: Изд-во ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2011. – 51 с.

5.Прикладная экобиотехнология: учебное пособие: в 2 т. Т. 1 / А.Е. Кузнецов, Н.Б. Градова, С.В. Лушников, М. Энгельхарт, Т. Вайссер, М.В. Чеботаева. – М.: БИНОМ: Лаборатория знаний, 2012. – 629 с

6.Соколова, Т.Д. Сорбционные свойства почв. Адсорбция. Катионный обмен: учебное пособие по некоторым главам химии почв / Т.Д. Соколова, С.Я. Трофимов. – Тула: Гриф и К, 2009. – 172 с.

7. Смоленская, Л.М. Экология: лаборатор. практикум / Л.М. Смоленская, С.Ю. Рыбина. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. – 91 с.

8. Топалова, О.В. Определение окисляемости природных и сточных вод: методические указания к лабораторным работам для студентов спе-

9.Экологическая биотехнология: лабор. практ. / Е.Ю. Руденко, Г.С. Муковнина. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2014. – 76 с.

10.Экология: Методические указания к выполнению лабораторных работ. – Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2002. – 41 с.

48

Приложение

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Лабораторная работа № ___

Название лабораторной работы

Цель работы - …

Теоретическое обоснование Обосновать актуальность исследуемой проблемы. Привести сущ-

ность используемых методов.

Ход выполнения лабораторной работы Перечислить аппаратуру, лабораторную посуду, материалы, ре-

активы. Подробно описать методику проведения работы.

Результаты работы Описать основные результаты работы.

Выводы Сформулировать и записать выводы по проделанной работе.

49

50