Рентгено-флуоресцентный анализ в агроэкологическом мониторинге

Емкость катионного обмена (ЕКО) определяет реакцию и буферные свойства почвы и поэтому ее определение имеет первостепенную важность при оценке устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами. Но низкая экспрессность и сравнительно высокая трудоемкость стандартных методов определения ЕКО ограничивают их применение, особенно, в детальном картографировании. Нами изучалась возможность использования РФА для определения ЕКО на основе насыщения ППК стронцием с его последующим определением методом рентгено-флуоресцентного анализа (РФА). В основе данной методики определения ЕКО лежит тот же принцип насыщения почвы раствором двухвалентного катиона, что и в стандартизованной методике (ГОСТ 17.4.4.01). В нашем случае это стронций, так как этот элемент хорошо определяется рентгено-флуоресцентным методом и его естественным содержанием в почве можно пренебречь или учесть его предварительным измерением необработанной почвы.

Методика эксперимента. Высушенную до воздушно сухого состояния и измельченную почву массой 0,5 г помещали в пробирки, для удаления ионов водорода из ППК добавляли 3 мл 1 М раствора ацетата натрия для нейтрализации обменных ионов водорода в ППК, взбалтывали, отстаивали, надосадочную жидкость отсасывали. Затем добавляли 3 мл 2 % (по стронцию) раствора хлорида стронция, тщательно перемешивали, отстаивали, отсасывали надосадочную жидкость и повторяли обработку 3 раза. После этого суспензию переносили на фильтр, дважды промывали на фильтре дистиллированной водой. Осадок отжимали на фильтре и помещали в кювету спектрометра СПЕКТРОСКАН, разравнивали шпателем из титана и проводили измерение в соответствии с ОСТ в режиме количественного анализа с экспозицией 10 секунд на аналитическую линию при анодном напряжении 40 кВ.

Таблица 7.1 Сопоставление измеренных и аттестованных значений ЕКО в ОСО почв

Для проверки правильности методики использовали отраслевые стандартные образцы почв с аттестованными агрохимическими показателями (табл. 7.1, рис. 7.1).

Рис. 7.1. Зависимость ЕКО от аттестованного значения

Уравнение регрессии и значение коэффициента (рис. 7.1) показывают, что предлагаемый метод дает практически несмещенное и достаточно точное значение ЕКО, хотя и несколько уступает в точности классическому методу. При этом затраты на проведение по предлагаемому методу намного меньше, что достигается за счет снижения массы пробы и уменьшения расхода на реактивы и утилизацию токсичных отходов. Некоторое огрубление результатов может произойти из-за небольшой навески, если она окажется непредставительной, но этого можно избежать хорошим усреднением и тонким измельчением почвенного образца. В оценке предлагаемого метода также следует учесть значительное повышение экспрессности и производительности, сокращении необходимых для работ площадей и других затрат.

При небольшой модификации метода, если насыщать почву раствором стронция без предварительной нейтрализации ППК ацетатом, можно получить еще одну почвенную характеристику - сумму поглощенных оснований, преимущественно состоящих в кислых почвах из суммы катионов кальция и магния. Проверка показала, что этот метод также неплохо согласуется со стандартными методиками, существенно снижая время и затраты на определение (табл. 7.2).

Таблица 7.2 Определение суммы поглощенных оснований, мг-экв/100 г

Предлагаемые методики использованы при проведении вегетационных опытов, а также опробованы нами для изучения пространственного распределения почвенно-агрохимических характеристик в Длительном полевом опыте РГАУ-МСХА (рис. 7.2).

.

Рис.7.2. Распределение суммы обменных оснований по вариантам опыта с учетом их пространственного расположения

Как видно из рисунка, результаты определения соответствуют ожидаемым, исходя из теоретических предпосылок. Так известкование почвы приводит к увеличению суммы обменных оснований, также действует внесение навоза. При этом, однако, использованный метод оказался более экспрессным и менее затратным по сравнению с традиционным.

Глава 8. РЕНТГЕНО-ФЛУОРЕСЦЕНТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦИНКА И ДРУГИХ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПРОРОСТКАХ РАСТЕНИЙ

В задачи одного из наших исследований /Пуховская, 2009/ входило изучение динамики накопления цинка в растениях ячменя, однако в условиях модельных и вегетационных опытов количество доступной для анализа массы растений, как правило, было очень ограничено. В связи с этим было необходимо разработать методику определения микроэлементов в зеленой массе с учетом этой особенности. При этом рассматривались следующие варианты реализации:

1) анализ сухой измельченной растительной фиксированной массы;

2) анализ массы, смешанной с наполнителем (например, тонкоизмельченным кварцем особой чистоты);

3) анализ золы, смешанной с наполнителем;

4) анализ золы с введенным внутренним стандартом в тонком слое.

Все эти методы были опробованы и проанализированы с точки зрения оптимальности, что позволило выявить преимущества и недостатки этих подходов.

В первом варианте приходилось ориентироваться на минимальную в опытах массу пробы. Например, 7-дневный проросток ячменя имеет массу сухого вещества от 20 до 40 мг. Измельчать, дозировать и переносить без потерь пробы такой массы технически очень сложно. Но наибольшие проблемы возникали с получением воспроизводимых результатов измерений, поскольку сигнал зависит не только от массы, но и расположения и формы пробы в кювете прибора.

Во втором варианте смешение с наполнителем в виде кварца помогает измельчить пробы растений. Однако, если использовать соотношение 1:1, то это позволяло стабилизировать матрицу, но требовало большого числа точных взвешиваний (проба, кварц, дозирование после измельчения) и затрудняло проведение измерений в требуемых по условиям эксперимента объемах. Если использовать фиксированную массу кварца, достаточную для заполнения кюветы (0,2 г), то возникали трудности с учетом матричного эффекта из-за непостоянства ее состава. Кроме того, по сравнению с 1 способом происходило значительное уменьшение аналитического сигнала, и в ряде случаев количественное определение просто становилось невозможным.

В третьем варианте термическая деструкция растительных проб (даже если озоление неполное) значительно облегчает получение гомогенных тонкодисперсных проб, необходимых по условиям определения. Однако матричный состав таких проб непостоянен и, поэтому, хотя теоретически и возможен, но на практике трудно поддается учету (см. примечания к 1 и 2 вариантам).

В четвертом варианте применен метод внутреннего стандарта, который широко используется в аналитической практике для учета потерь и матричных эффектов, причем он может использоваться как в режиме насыщенного, так и тонкого излучателя. Затруднения возникают в слое промежуточной толщины, так как для разных элементов поправки становятся хотя и предсказуемыми теоретически, но разными. По вышеупомянутым причинам для наших целей тонкий слой более предпочтителен, чем насыщенный, так как это позволяет игнорировать различия в составе матриц проб. Поэтому в окончательной и рекомендованной методике был принят именно этот вариант, подробно изложенный ниже.

1. Спектрометр градуировали по многоэлементным тонкослойным пробам, приготовленным с использование ДЭТАТА фильтров и растворов с известной концентрацией микроэлементов. Мы использовали для этой цели стандартный раствор фирмы МЕРК для ИСП спектроскопии с содержанием цинка, марганца, меди, никеля , свинца и других микроэлементов 1000 мкг/мл, после соответствующего разведения и доведения рН до 4…5 добавлением раствора ацетата натрия.

2. Пробы растений массой от 20 до 200 мг нарезали ножницами в кварцевую чашку, добавляли около 50 мг кварца, смесь смачивали 0,2 мл раствора кобальта с содержанием 40 мкг/мл (внутреннего стандарта), затем аккуратно высушивали на воздухе или при слабом нагревании на плитке, а затем обугливали в печи с электрическим нагревателем при температуре не более 350⁰С. После этого чашку доводили до комнатной температуры и агатовым пестиком растирали золу с кварцем до получения однородной массы.

3. Пробы растений массой от 200 мг до 1 г обрабатывали также как в п. 2, за исключением того, что в качестве внутреннего стандарта использовали более концентрированный раствор кобальта при том же объеме, а также в ряде случаев исключали добавление наполнителя (кварца), если масса зольного остатка была достаточна для удобной работы.

4. В кювету прибора помещали небольшое количество (от 10 до 40 мг) подготовленной смеси, без взвешивания, распределяя ее вблизи центра кюветы.

По этой методике нами был исследован состав растений ячменя в бессменном посева длительного полевого опыта РГАУ-МСХА в вариантах с известью и без извести (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Поступление цинка в растения (мкг/ растение) на 21 день после сева в бессменном посеве ячменя ДПО РГАУ-МСХА

Как видно из рисунка, в зеленой массе ячменя выявлено различие содержания цинка в известкованных и не известкованных вариантах. Известкование способствует заметному снижению биодоступности цинка в бессменном посеве ячменя. Азотные удобрения способствуют росту доступности цинка, фосфорные - снижению доступности, что можно объяснить образованием труднорастворимых фосфатов ТМ /Ефимов и др., 2001/. Методика также опробована при проведении вегетационных опытов с растениями ячменя, (табл. 8.1)

Таблица 8.1 Концентрация цинка в зеленой массе и корнях ячменя в зависимости от дозы внесения и возраста растений, мкг/г (вегетационный опыт 2)

Таблица 8.2 Вынос цинка зеленой массой и корнями ячменя в зависимости от дозы внесения и возраста растений, мкг (вегетационный опыт 2)

По результатам динамических вегетационных опытов можно сказать, что накопление цинка проростками ячменя происходит наиболее активно в начальной стадии роста. Корни ячменя в значительно большей степени концентрируют цинк, чем наземная масса, выполняя барьерную функцию. Однако, несмотря на консервативность генеративных органов растений, повышенные дозы цинка в субстрате дают возможность его накопления зерном ячменя, при этом удалось повысить уровень содержания цинка в зерне ячменя почти в 3 раза (табл. 8.3)

Таблица 8.3 Концентрация цинка в зерне ячменя в зависимости от дозы внесения

В другом вегетационном опыте изучали действие удобрений и гранулометрического состава почвы на поступление цинка в зерно ячменя (табл. 8.4).

Таблица 8.4 Содержание цинка в зерне ячменя по вариантам вегетационного опыта 1

* 1 - Тяжелосуглинистая дерново-подзолистая почва, 2 - супесчаная дерново-подзолистая почва

Как видно из полученных результатов, различия типов почв, видов растений и условий роста приводят к тому, что загрязнение почв по-разному может влиять на состояние микроэлементов в растениях. Некоторые авторы используют понятие сопротивляемость почв к загрязнению тяжелыми металлами /Ильин В.Б., 2004/. Она определяется по критическим уровням содержаний металлов загрязнений, при которых в растениях и среде в целом обнаруживаются токсические эффекты, и тесно связана с катионообменной емкостью почв. Обычно сопротивляемость некислой тяжелой почвы с высоким содержанием органического вещества в несколько раз выше, чем у легкой песчаной кислой почвы. Суглинистые нейтральные почвы могут накапливать большие количества микроэлементов с меньшей степенью риска для среды. Благодаря относительно плохой растворимости комплексов гуминовых кислот с тяжелыми металлами, особенно в кислой среде, эти комплексы можно рассматривать как органический запас тяжелых металлов в почве. Органическое вещество может действовать как важный регулятор подвижности микроэлементов в почвах /Головатый С.Е., 2002/. Однако в большинстве минеральных почв органическое вещество не превышает 2% общего веса почвы, поэтому оно не может быть наиболее важным контролирующим фактором в поведении микроэлементов в почвах.

Высокая доза цинка оказывает угнетающее действие на ячмень, что выражается в снижении урожая по сравнению с контролем без цинка при этом существенно повысилось содержание цинка в зерне ячменя.

Несмотря на то, что генеративные органы (зерно) растений по сравнению с вегетативными являются наиболее стабильными по элементному составу и экологический фактор варьирования состава /Ильин, 1977/ проявляется для них в меньшей степени, в условиях вегетационного опыта удалось существенно повысить содержание цинка в зерне ячменя, при этом основным регулирующим фактором являлась мобильность Zn, а минеральные удобрения в большей степени влияние на общую продуктивность. Наиболее сильным фактором действия минеральных удобрений на концентрацию цинка в зерне ячменя являлся азот. Действие фосфорных и калийных удобрений было в пределах ошибки опыта. В супесчаной почве подвижность цинка и его доступность растениям выше, чем в суглинистой. ОСВ снижает подвижность цинка в почве и уменьшает поступление его в растения на супесчаной почве и может выступать в качестве протектора на почвах легкого гранулометрического состава. Без применения удобрений невозможно обеспечить высокую урожайность и качество получаемой продукции. Основным регулирующим фактором являлась мобильность Zn в почве, которая зависит от ее буферных характеристик. Концентрация цинка в зерне выше на почве легкого гранулометрического состава. ОСВ увеличивает буферность супесчаной почвы, в результате чего снижается биодоступность цинка, уменьшается его концентрация в зерне и увеличивается урожай. Следует отметить, что минеральные удобрения слабо влияют на концентрацию цинка в растениях, в большей степени оказывают влияние на общую продуктивность /Пуховская, 2009/.

Глава 9. ОБ ОСОБЕННОСТЯХ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА