Учебно-методический комплекс дисциплины химия окружающей среды Специальность 280201. 65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»
Скачать 1.31 Mb.
|
Лабораторная работа № 13 Определение содержания органических веществ в почве Глобальный цикл углерода В качестве главных резервуаров углерода можно выделить литосферу, гидросферу, педосферу и атмосферу. Практически весь углерод атмосферы содержится в ней в форме СО2. Современная концентрация (на начало 1990-х гг.) СО2 составляет 354 млн-1 что соответствует массе 750 Гт в пересчете на углерод (1 млн-1 СО2 соответствует примерно 2,119 Гт С). Основная часть его (85 %) сосредоточена в тропосфере. В доиндустриальной атмосфере, по данным палеоизмерений, содержание CO2. составляло 612-616 Гт С, т.е. примерно 82 % от современного. Крупным резервуаром углерода служит океаносфера; неорганический углерод содержится в ней преимущественно в гидрокарбонатной форме. Распределение его весьма неравномерно: в верхнем стометровом "деятельном" и хорошо освещенном слое воды содержится около 580, а в более глубоких горизонтах – 33420 Гт углерода. Наибольшие количества углерода и углекислого газа сосредоточены в глубинах Земли, и этот запас можно рассматривать в качестве основного резерва биосферы. Поступление СО2 из недр планеты в атмосферу происходит довольно медленно, поскольку углерод литосферы медленно вовлекается в естественные физико-химические и другие процессы, приводящие к его выделению в составе летучих компонентов. Глобальный цикл углерода условно можно разделить на два цикла низшего ранга. Первый из них связан с потреблением СО2 при фотосинтезе. Это потребление компенсируется выделением его в результате деятельности деструкторов, главным образом почвенных микроорганизмов. Дополнительным источником служат лесные и степные пожары, возникающие в результате поджигания молниями. Основные природные источники и стоки атмосферного СО2 Источник или сток Поток, Гт С/год Фотосинтез растений -77,61 в том числе чистая продукция на суше -52,86 в океанах -24,75 Окисление Сорг,. микроорганизмами и животными; +77,6 естественные лесные и степные пожары Однако не весь углерод, вовлекаемый в фотосинтез, возвращается в атмосферу. Некоторая его часть сохраняется в педосфере в виде гумуса и торфа. Часть растительных осадков окисляется в почве, и углерод в составе карбонатных и гидрокарбонатных ионов выносится с континентальным стоком в моря и океаны. Туда же поступает углерод в составе растворенного и взвешенного органического вещества. В морской среде вынесенный с континентов углерод перераспределяется: он ассимилируется фитопланктоном или осаждается на дно, образуя осадки. В донных отложениях консервируется на многие тысячелетия также и часть биологической продукции самих океанов. Таким образом, этот цикл оказывается не полностью замкнутым. Степень его разомкнутости можно оценить, если принять во внимание, что в результате фотосинтеза на планете ежегодно образуется около 200 Гт Сорг. Почти весь синтезированный органический углерод подвергается микробиологическому разложению, и только небольшая его часть – около 0,02 Гт С/год – поступает в донные отложения, накапливается в виде гумуса почв и торфа, избегая таким образом деструкции. Тогда точность замыкания биотической части глобального цикла углерода предстает как частное от деления этих величин: 0,02 : 200 = 10-4 (В.Г. Горшков и К.Я. Кондратьев, 1990). Второй цикл формируется за счет газообмена между атмосферой и океаносферой: гидрокарбонат-карбонатная система океанов находится в подвижном равновесии с углекислым газом атмосферы. Это равновесие зависит главным образом от парциального давления СО2 в атмосфере и от температуры. Схематически обмен диоксидом углерода между атмосферой и океаносферой показан на рис.1. Углекислый газ активно растворяется в холодной морской воде в высоких широтах. Часть его вместе с массами холодной воды опускается на большие глубины; другие подводные течения перемещают обогащенные СО2 воды в направлении экватора. В низких широтах происходит нагревание воды и выделение диоксида углерода в атмосферу. По некоторым оценкам (Болин, 1983) в этот цикл ежегодно вовлекается примерно 100 Гт СО2, т.е. около 30 Гт С/год. Рис 1 Обмен диоксидом углерода между атмосферой, поверхностными и глубинными водами Мирового океана Понятно, что разделение этих двух циклов достаточно условно, ибо они связаны между собою биологическими процессами: захваченный гидрокарбонат-карбонатной системой океанов атмосферный диоксид углерода отчасти потребляется фитопланктоном и затем вновь высвобождается в результате деятельности деструкторов, т.е. включается в биотический круговорот. Второй цикл также не полностью замкнут, поскольку в океанах постоянно происходит осаждение и захоронение углерода в донных осадках в составе карбонатов. По некоторым оценкам скорость накопления углерода в этой форме составляет 0,1 Гт С/год. В водах океанов содержится около 1000 Гт органического углерода. Это количество превышает запас углерода в биомассе континентов и близко к его содержанию в гумусе почв. Рассеянное во всей толще океанических вод органическое вещество иногда называют водным гумусом. Важно, что он, как гумус почв и рассеянное органическое вещество горных пород (кероген), недоступен для ассимиляции микроорганизмам. Правда, причины этой недоступности различны. Геополимеры – компоненты почвенного гумуса и кероген – устойчивы по отношению к биохимическому разложению в силу их химического строения. Напротив, водный гумус образован легко разрушаемыми соединениями – углеводами, аминокислотами и жирными кислотами. Однако их кон центрации в морской воде ниже концентрации, соответствующей половине максимальной скорости роста микроорганизмов (примерно 10 мг/л). Это делает невыгодным использование микроорганизмами водного гумуса, и он становится огромным резервуаром углерода (Г. А. Заварзин, 1984). Совершенно очевидно, что даже при таких относительно небольших скоростях постоянного выведения углерода из глобального круговорота полное его исчерпание из атмосферы должно было бы произойти в течение нескольких тысячелетий. Этого не происходит, поскольку запас углерода в атмосфере восполняется за счет вулканизма. Эмиссия СО2 вулканами в современный период оценивается величиной 0,13-0,18 Гт С/год. Вполне вероятно, что заметный вклад в атмосферный резервуар неорганического углерода вносит также дегазация земной коры, особенно по глубинным разломам в геосинклинальных областях. Однако такой "скрытый" поток СО2 все еще остается неидентифицированным и по этой причине неучтенным. Источниками накопления органических веществ в почве являются главным образом остатки различных растений (корни, листья и т.п.) и животных. Под действием микроорганизмов эти остатки превращаются в органические вещества, образующие гумус. Для определения органических веществ существуют два метода: содовой вытяжки и метод прокаливания почвы. Первый метод основан на том, что гуматы плохо растворимы в воде, а в щелочах растворяются хорошо. Второй метод основан на выжигании гумуса. Оборудование и реактивы
Метод содовой вытяжки Помещают 25 г воздушно-сухой почвы в фарфоровую чашку, приливают 50 мл 10% раствора соды и в течение10 минут кипятят, после чего раствору дают отстояться. Затем раствор сливают в предварительно взвешенную фарфоровую чашку, а осадок промывают водой два раза с последующим отстаиванием. Промывную воду соединяют с полученным ранее раствором. Жидкость выпаривают досуха сначала на плитке, а затем в сушильном шкафу при температуре не выше 105-110°. Остаток взвешивают вместе с чашкой, и массу последней вычитают из общей массы. Полученный результат определяет количество органических веществ в почве. Отсюда легко рассчитать процент гумуса. Метод прокаливания почвы 50 г почвы, из которой предварительно отобраны корешки, всыпают в металлический тигель и подвергают просушиванию в сушильном шкафу в течение 1-2 часов, в зависимости от влажности почвы, при температуре 105-110°, после чего взвешивают и определяют массу остатка и процент влажности. Остаток прокаливают в муфельной печи при температуре не выше 400°, иначе вместе с гумусом могут выгореть фосфор и калий. Прокаливание продолжают до тех пор, пока почва не изменит свой цвет (станет красновато-сероватого цвета). После прокаливания почву взвешивают и устанавливают разницу масс между предыдущим и последующим взвешиванием. Так определяется процент органических веществ в почве. Лабораторная работа № 14 Определение степени засоленности почв Засоление – процесс накопления в почвах легкорастворимых солей. К засоленным относят почвы, содержащие легкорастворимые соли в количествах, отрицательно влияющих на развитие растений – негалофитов. В химии к легкорастворимым относят соли, растворимость которых превышает 10 г в 100 г воды при комнатной температуре. К легкорастворимым солям относятся сульфаты, хлориды, карбонаты и гидрокарбонаты щелочных и щелочноземельных металлов. При оценке засоления почв, как правило, определяют анионы (CO32-, HCO3-, Cl-, SO42-) и катионы (Na+, K+, Mg2+, Ca2+) легкорастворимых солей. Все легкорастворимые соли считаются токсичными для растений. Они увеличивают осмотическое давление почвенной влаги, снижая ее доступность для растений, могут оказывать специфическое токсическое действие и нарушать нормальное соотношение элементов минерального питания растений. Отрицательный эффект влияния легкорастворимых солей на растения связан с совокупным действием трех различных механизмов. Преобладающую роль играет обычно высокое осмотическое давление почвенного раствора, возникающее из-за содержания растворенных солей и приводящее к плохой усваиваемости влаги растениями. Поэтому растения в засоленных почвах часто страдают от засухи даже при высокой влажности почвы. Еще один фактор, препятствующий нормальному росту растений – специфическое воздействие ионов Cl-, SO42-, HCO3-, Na+, Ca2+, Mg2+, иногда NO3- и K+. Когда в листьях накапливается более 0,5 % Cl- или более 0,2 % Na+ (в расчете на сухую массу), то происходит обгорание листьев, они приобретают бронзовую окраску, возникают некрозы. Предполагается, что при высокой концентрации в почвенном растворе ионов Na+ и Cl- в растениях нарушается процесс транспирации. Наиболее чувствительные к хлору растения проявляют признаки угнетения при концентрации хлорид-ионов в вытяжке из насыщенной почвы, составляющей 5 – 10 мэкв/л, наименее чувствительные – при концентрации 30 мэкв/л. Высокая концентрация в почвенном растворе солей Ca2+ приводит к нарушению питания растений катионами Mg2+ и K+. Высокое содержание в почвенном растворе катионов Na+ ухудшает условия питания растений Ca2+ и Mg2+, а присутствие в почвах Na2CO3 обусловливает щелочную реакцию среды, что препятствует нормальному развитию большинства сельскохозяйственных культур. Еще один механизм неблагоприятного воздействия легкорастворимых солей на растения заключается в резком ухудшении физических свойств почв в присутствии Na+. При этом почва теряет структуру, ухудшается ее водный и воздушный режим. В естественных экосистемах легкорастворимые соли частично находятся в составе почвенного раствора, частично – в составе твердых фаз почвы. Кроме легкорастворимых минералов на концентрацию солей в почвенных растворах заметное влияние оказывает гипс (CaSO4 Ч 2H2О). В связи с тем, что растворимость гипса сравнительно мала, его относят к солям нетоксичным. Используют два подхода к оценке засоления почв. Степень засоления почв оценивают либо по общему содержанию легкорастворимых солей в почве, либо по концентрации солей в почвенном растворе. Значения этих показателей – количество легкорастворимых солей в почве и их концентрации в почвенном растворе – используют в качестве диагностических. К засоленным относят почвы, у которых концентрация легкорастворимых солей в почвенном растворе превышает 5 – 7 г/л, или почвы, содержащие 0,05 – 0,15% легкорастворимых солей в зависимости от их состава. Общее содержание легкорастворимых солей в почвах и количество отдельных катионов и анионов оценивают по данным анализа водной вытяжки. Об общем количестве солей в почвах судят по удельной электропроводности жидкой фазы почвы или по величине плотного остатка. Суммарное содержание солей в почвенном растворе (плотный остаток мг/л) связано с электропроводностью (ЭП, мСм/см) эмпирической формулой: Плотный остаток = 0,64 ЭП. Большая часть зерновых культур снижает урожайность при электропроводности равной 4 – 6 мСм/см. Для овощных культур и плодовых деревьев эти величины еще ниже 1 – 2 мСм/см. Получение водных вытяжек Водные вытяжки получают при обработке почв дистиллированной водой, не содержащей СO2 (соотношение почва : вода = 1:5). Водные вытяжки получают и анализируют в помещениях, воздух которых не содержит хлороводорода и аммиака, так как их поглощение почвами, водой и вытяжками может повлиять на результаты анализа. Водные вытяжки анализируют сразу же после их получения. Со временем могут измениться рН, концентрация карбонатных ионов и кальция. Эти изменения могут быть связаны с поглощением вытяжками CO2 из атмосферного воздуха или с переходом CO2 из водной вытяжки в атмосферу. Посуда и реактивы
Навеску почвы (50 г), пропущенной через сито с отверстиями диаметром 2 мм, помещают в сухую колбу вместимостью 500 мл. В колбу с навеской почвы приливают 250 мл дистиллированной воды, не содержащей СО2. Колбу закрывают резиновой пробкой и взбалтывают 3 мин. Затем суспензию выливают на двойной складчатый фильтр, стараясь перенести возможно большее количество почвы. Первые порции фильтрата (около 10 мл) собирают в химический стакан и затем выбрасывают. Если фильтрат прозрачный, то его собирают в коническую колбу вместимостью 250 – 300 мл, если мутный, то его собирают в колбу, в которой проводилось взбалтывание суспензии, и перефильтровывают до тех пор, пока он не станет прозрачным. При анализе водных вытяжек обязательно проводят контрольный опыт. Для этого 250 мл дистиллированной воды без СО2 проводят через все операции анализа, включая фильтрование. Результаты анализа контрольного раствора вычитают из результатов каждого из определений. Определение сухого или плотного остатка водной вытяжки Сухим или плотным остатком водной вытяжки называют массовую долю (%) высушенного при 100 – 105 0С остатка, полученного выпариванием аликвоты (части) водной вытяжки. Сухой остаток дает представление об общем содержании в почве минеральных и органических соединений, извлекаемых из почвы методом водной вытяжки. По величине сухого остатка устанавливают степень засоления почвы. В некоторых случаях проводят определение прокаленного остатка, который дает представление о массовой доле в почве минеральных веществ, переходящих в водную вытяжку. Его определяют прокаливанием сухого остатка или озолением в нем органических веществ пероксидом водорода. Аппаратура и реактивы
В зависимости от содержания легкорастворимых солей 20 – 50 мл водной вытяжки помещают в фарфоровую чашку диаметром 5 – 7 см. Чашку предварительно высушивают при температуре 105 0С в течение 3 часов и взвешивают на аналитических весах. Содержимое чашки выпаривают на водяной бане с электронагревателем. Чашку с остатком вытирают снаружи и выдерживают в сушильном шкафу при температуре 1050С в течение 3 часов. Чашку охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Если в дальнейшем не предполагают определять прокаленный остаток, анализ можно проводить в стеклянных бюксах, выпаривая водную вытяжку на слабонагретых (этернитовых) плитках, следя, чтобы не произошло озоление органического вещества. Массовую долю (%) сухого остатка рассчитывают по уравнению:  где mост – масса сухого остатка, г; m – масса почвы, г; V0 – общий объем воды, добавленной к почве при получении водной вытяжки, мл; Vал – объем аликвоты водной вытяжки, мл. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс дисциплины нанотехнологии Специальность... Специальность – 280201. 65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» | | Учебно-методический комплекс дисциплины «Геоинформационные системы» Специальность —280201. 65 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" |
 | Учебно-методический комплекс дисциплины «русский язык и культура речи» Специальность —280201. 65 Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов | | Учебно-методический комплекс дисциплины «Оценка воздействия на окружающую... Специальность —280201. 65 Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов |
| Учебно-методический комплекс представляет собой комплект учебно-методических... Специальность 280201. 65 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" | | Учебно-методический комплекс дисциплины «Практический курс иностранного языка» «Химия», 020101. 65 (011033) «Отделение медицинской химии», 020101. 65 (011017) «Отделение биоорганической химии и биотехнологии»,... |
| Тесты проверки остаточных знаний По дисциплине опд. Ф. 08 Промышленная... Методы и сооружения утилизации, захоронения и сжигания твердых: бытовых и промышленных отходов | | Тесты по дисциплине опд. Ф. 09 «основы токсикологии» Для специальности... Порядку оказания медицинской помощи по профилю «хирургия (трансплантация органов и (или) тканей человека)», утвержденному приказом... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Методические указания и задания к выполнению контрольных работ по дисциплине «Промышленная экология» для студентов специальности... | | И охраны окружающей среды администрации города ижевска доклад об экологической обстановке Администрация города/Структурные подразделения Администрации города Ижевска/Управление природных ресурсов и охраны окружающей среды... |
| Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 09 Основы токсикологии Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов и учебного плана мгту | | 280201. 65 – Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов Правительства Хабаровского края от 15 ноября 2008 г. N 263-пр "О ходе реализации приоритетного национального проекта "Здоровье" на... |
| Основная образовательная программа по специальности 280201. 65 –... Цель ооп – обеспечение углубленной фундаментальной и профессиональной подготовки в области охраны окружающей среды, которая обеспечит... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине специальность 032300.... Аналитическая химия : учебно-методический комплекс по дисциплине : специальность 032300. 00 (050101) – Химия с дополнительной специальностью... |
| Тесты для студентов эти (филиал) сгту специальности 280201 «Охрана... Сга. Пособие знакомит с видами учебных занятий на основе информационной дидактики, с перечнем тем, по которым составлены обучающие... | | Загрязнение окружающей среды и экологические проблемы География мировых природных ресурсов. Загрязнение и охрана окружающей среды |
