15-02-2014_00-48-45 / Приложение 4.Отбор проб

этом инактивируется большая часть ферментов. Затем массу высушивают при 60о С.

Быстрое и осторожное высушивание также считают приемлемым способом фиксации. При этом происходит денатурация белков и инактивация ферментов. Высушивание будет более эффективным, если через камеру с температурой 50 - 60о С циркулирует нагретый воздух. Поскольку многие содержащиеся в растениях вещества способны самоокисляться даже в сухом состоянии, рекомендуется хранить высушенный материал в плотно закрывающихся сосудах (склянках с притертыми пробками, эксикаторах), доверху заполненных материалом, чтобы в сосудах не оставалось много воздуха.

Замораживание материала. Растительный материал хорошо сохраняется при температуре -20÷-30о С, если замораживание производится быстро (не более 1 часа). При замораживании ферменты инактивируются лишь временно и после оттаивания вновь могут происходить ферментативные процессы.

Лиофилизация (высушивание путем возгонки) основана на испарении льда без промежуточного образования жидкой фазы. Растительный материал замораживают и переносят в эксикатор с осушителем (P2O5, CaCl2, силикагель). Из эксикатора насосом откачивают воздух и закрывают кран. Так в вакууме растительный материал высушивается. Лиофильная сушка подавляет ферментативные изменения, но сами ферменты продолжают оставаться активными.

Обработка органическими растворителями. В качестве фиксирующих веществ можно использовать кипящий спирт, эфир, ацетон и др., в который опускается растительный материал. Однако при этом происходит не только фиксация, но и экстракция ряда веществ из растительной пробы. Поэтому применять такую фиксацию можно лишь тогда, когда заранее известно, что вещества, которые нужно определить, не извлекаются данным растворителем.

Высушенные после фиксации растительные пробы измельчают ножницами, а затем с помощью мельницы. Измельченный материал просеивают через сито Ø 1 мм. Не прошедшие через сито частицы измельчают вновь и снова просеивают и т.д. до тех пор, пока весь материал не пройдет через сито.

Из подготовленной таким образом массы квартованием берут среднюю пробу.

Лабораторные пробы на тот или иной вид анализа берут так же, как лабораторные пробы при анализе почв (см. раздел 4.3).

3.3. Ткани животных

61

Пробы тканей позвоночных берут в период их отстрела, а у гидробионтов - в период гидробиологических обследований. Кусок ткани без измельчения упаковывают в фольгу или стеклянную тару и замораживают. Кроме замораживания допускается обработка измельченного материала кислотами, если планируется дальнейшее кислотное разложение, или органическими растворителями, если анализируемое вещество будет извлекаться экстракцией.

3.4. Способы минерализации биологических объектов

Сухое вещество растений содержит в себе как органические, так и минеральные соединения. Последние остаются после сжигания органических веществ в виде "сырой" золы и составляют в среднем 5-15 % массы сухого вещества растений. Процент невелик, однако в него входят такие важные для жизни растений и животных микроэлементы, как Co, Cu, Mn, Mo, Zn и др. Низкое их содержание может служить причиной низких урожаев, минеральной неполноценности кормов. Не менее важно знать содержание элементов, соединения которых обладают токсическими свойствами: As, Bi, Cd, Hg, Pb, Sb, Sn и др.

Основным способом подготовки проб биологических объектов при определении микроэлементов является их минерализация. В процессе минерализации органическое вещество пробы окисляют подходящим способом. Минерализация является одновременно и способом концентрирования, т.к. входе нее удаляется 85-95 % массы сухого вещества, приходящейся на вещества органические. Следует отметить, что даже высушивание проб биологических объектов до воздушно-сухого состояния является способом концентрирования элементов в 2- 5 раз за счет удаления воды и растворенных в тканях газов.

Минерализация решает еще две задачи:

•разрушает разнообразные соединения микроэлементов и высвобождает их для последующего аналитического определения;

•резко уменьшает потребность в разнообразных стандартных образцах, позволяет унифицировать их.

Существует два основных способа минерализации: способ сухого и мокрого озоления.

Сухое озоление. Способ основан на сжигании органического вещества при температуре 400-500о С в течение 5 - 8 часов в муфельной печи. При этом окислителем органических веществ служит воздух, реже - чистый кислород. Продуктами реакции являются CO2, H2O, N2, SO2.

Обычно пробу в тигле помещают в холодную муфельную печь, а затем ее нагревают, т.к. в противном случае возможны потери за счет механического уноса озоляемого материала во время обугливания и сгорания.

62

Для увеличения доступа окислителя (воздуха) растительный материал должен лежать в тиглях рыхло, а муфельную печь время от времени приоткрывают.

Продолжительность озоления зависит от состава озоляемого материала, степени его измельчения и величины навески. Чтобы ускорить окисление остатков органического материала, золу в тиглях обрабатывают 1-2 мл концентрированной HNO3, подсушивают на плитке и вновь прокаливают в муфеле (t = 450-500о С) в течение часа. Обработку кислотой и прокаливание повторяют до полного окисления органического вещества.

Для окисления остатков органического вещества можно использовать 30 % перекись водорода: золу в чашке растворяют в 1 - 2 мл H2O2 и выпаривают на водяной бане.

Затем оставшуюся золу растворяют в 10 % HCl и фильтруют раствор в мерную колбу.

При большом содержании кремнезема в тканях растений на фильтре остается большой нерастворимый осадок (главным образом SiO2). Он может удерживать большие количества микроэлементов. По данным Г.Я.Ринькиса (1963) в нерастворимом остатке после озоления может содержаться от 1,9 до 27,3 % меди, до 10,3 % железа и марганца от общего их содержания в материале. Поэтому при получении большого нерастворимого остатка его лучше доразложить: перенести на фильтр, сжечь, озолить в муфельной печи и обработать смесью кислот HF и H2SO4.

Несмотря на явные достоинства способа сухого озоления (просто-та, безреагентность), ему свойственны и некоторые недостатки: воз-можная потеря летучих форм микроэлементов (даже высушивание до воздушносухого состояния при 20 - 30о С и до абсолютно сухого состояния при 100 - 120оС сопровождается утратой легколетучих соединений Br, Hg, J, Se и др.), вспенивание, разбрызгивание пробы, длительность процедуры, трудность последующего растворения осадка. Поэтому в ряде случаев предпочитают пользоваться способом мокрого озоления.

Мокрое озоление. Способ основан на окислении органических веществ сильными окислителями: смесями концентрированных кислот:

-HClO4, HNO3, H2SO4;

-H2O2, KClO4 в среде HCl;

-KMnO4 в кислой и щелочной средах.

Рассмотрим совместное действие смеси кислот HNO3 и H2SO4. Азотная кислота при взаимодействии с органическим веществом распадается по уравнению:

4 HNO3 → 4 NO2 + 2 H2O + O2

Высокая концентрация HNO3 и образующийся активный кислород уже на холоду разрушают наиболее легко окисляющуюся часть органических веществ. При нагревании до температуры кипения 120,5о С окисление уси-

63

ливается.

Концентрированная H2SO4 является еще более сильным окислителем. Её температура кипения равна 338о С. При взаимодействии с органическими соединениями также выделяется активный кислород, пары воды и сернистый газ:

2 H2SO4 → 2 SO2 + 2 H2O + O2

Если после окисления растительного материала смесью кислот в колбе остается заметное количество нерастворимого осадка, его доразлагают с использованием HF.

Мокрое озоление обычно не связано с потерями легколетучих компонентов, поэтому дает более точные результаты. Однако оно требует использования реактивов, что вызывает опасность внесения загрязнений в пробу.

Для дополнительного исключения возможных потерь летучих компонентов, мокрое озоление иногда проводят в колбах с обратным холодильником (например, при определении ртути).

Идеальным приемом в этом смысле является минерализация в замкнутом объеме (в автоклаве) под давлением. Минерализация в автоклаве обеспечивает возможность сохранения в минерализате ≥ 97 % таких легколету-

чих элементов, как As, Se, Sb, Hg, Sn.

При необходимости последующего концентрирования микроэлементов из остатков после минерализации используются различные способы. В качестве примера можно привести способы подготовки биологических объектов для определения селена. Для минерализации проб используют методы сухого или мокрого озоления, включая приемы, обеспечивающие сохранение этого летучего элемента в пробе. Из остатка после минерализации, Se концентрируют одним из следующих способов:

-дистилляцией в виде тетрабромида;

-экстракцией в виде комплекса с толуол-3,4-дитиолом;

-соосаждением на элементном мышьяке;

-ионным обменом.

Наиболее распространенным способом концентрирования растительного (а также почвенного) минерализата является экстракция. Например, при определении Co, Mn, Mo, Ni, Pb, V, Zn в растительной продукции после сухой минерализации микроэлементы осаждают в виде пирролидиндитиокарбаминатов, растворяют осадок в хлороформе, отделяют органический слой и определяют в нем микроэлементы.

При определении ртути в животных тканях пробу минерализуют смесью кислот H2SO4 и HNO3 в присутствии KMnO4. Затем, устранив влияние мешающих компонентов, ртуть экстрагируют хлороформенным раствором дитизона и анализируют.

Интересен пример ионообменного концентрирования на ионообменной

64

мембране. В процессе фильтрования минерализата через мембрану происходит сорбционное концентрирование микроэлементов из раствора. После высушивания мембраны микроэлементы могут быть определены, например, рентгенофлуоресцентным методом.

4. ОТБОР И ПОДГОТОВКА К АНАЛИЗУ ПОЧВЕННЫХ ПРОБ

4.1. Особенности почв как объекта анализа

Почва - сложная многокомпонентная система, изучение химиче-ского

состава которой проводят на разных уровнях:
Атомный или	элементный	определение содержания в почве
уровень - это обычно валовый		различных форм соединений того
анализ, в ходе которого находят		или иного элемента, например,
общее содержание отдельных эле-		NO–3, NH4+, NO2– и т.д. Это моле-
ментов в почве. Первоначально		кулярный уровень анализа. При
был разработан для горных пород		вещественном	анализе определя-
и минералов, а затем применен		ют обычно те формы соединений,
для почв. Валовый анализ исполь-		которые доступны для растений,
зуется для интерпретации процес-		т.е. определяют условиях их пита-
сов почвообразования и характе-		ния и возможность загрязнения их
ристики общего уровня содержа-		токсичными веществами. Это, так
ния загрязняющих веществ, мак-		называемые,	подвижные формы
ро- и микроэлементов почв, таких		соединений. Для их извлечения из
как B, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K,		почв применяют различные по со-
Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu.		ставу экстрагирующие растворы
Zn, As, Se, Br, Mo, Cd, J, Hg, Pb, а		или вытяжки.
также органический углерод, ор-
ганический азот и т.д. Метод не
пригоден для оценки плодородия
почв и доступности элементов
растениям.
Вещественный	анализ - это

Однако независимо от уровня исследования почв, не первом этапе приходится преодолевать трудности, связанные с особенностями почв.

Рассмотрим некоторые из них, имеющие значение для отбора проб и анализа почвенных образцов и во многом обусловливающие применение специальных аналитических приемов:

1.Нерастворимость проб почвы. Почвы полностью не растворимы ни

вводе, ни в кислотах, ни в щелочах, поэтому при анализе применяют специальные способы переведения компонентов почв в растворимое состоя-

65

ние.

2.Присутствие органических веществ. Твердые фазы почвы состоят из минеральных и органических веществ. Необходимо уметь анализировать и те и другие, правильно оценив их возможное взаимное влияние. Например, при определении минеральных компонентов почв, как правило, приходится разрушать органическое вещество, т.к. оно мешает анализу.

3.Сложность элементного химического состава. Почвы содержат почти все элементы периодической системы. Диапазон колебаний в содержании различных элементов очень велик. Так содержание кремния в почвах достигает нескольких десятков процентов; содержание натрия и калия,

как правило, не превышает 1 %, а содержание Zn, Cu, Mo, Se лежит в пределах n·10-3 - n·10-6 %. Таким образом, приходится анализировать системы,

вкоторых содержание определяемых элементов может различаться в тысячи и даже миллионы раз. Поэтому при анализе почв всегда учитывают возможное влияние сопутствующих элементов на результаты анализа. Во многих случаях мешающие элементы удаляют или маскируют.

4.Разнообразие форм соединений элементов. Атомы элементов, сла-

гающих почвы, входят в состав различных по строению и свойствам соединений. Эти соединения обладают различной способностью переходить

впочвенный раствор, мигрировать по профилю почв и в ландшафте, потребляться растениями. Изучение форм соединений, их идентификация необходимы для оценки воздействия загрязняющих веществ на почву и растения, оценки плодородия почв. Разработана система методов, к сожалению, не во всем совершенная, для определения различных форм соединений элементов. Она основана на извлечении элементов из почв разнообразными растворителями с различной растворяющей способностью. Поэтому для оценки воздействия загрязняющих веществ необходимо владеть как теорией методов количественного анализа, так и теорией "подвижности" элементов в почвах.

5.Разнокачественность состава почв. Почвы различных типов и даже видов различаются по химическому составу. Нередко разный химический состав почв заставляет применять и различные аналитические приемы. Например, методы, разработанные для анализа почв некарбонатных и незасоленных, не всегда могут быть использованы для анализа почв, содержащих

всвоем составе карбонаты и легкорастворимые соли.

6.Непостоянство состава почв во времени. Процессы почвообразо-

вания, интенсивное развитие биохимических процессов, трансформация соединений, потребление элементов питания растениями, микроорганизмами, представителями почвенной фауны приводит к непостоянству состава почв во времени. Содержание некоторых форм соединений элементов изменяется даже при хранении и высушивании почвенных образцов. Поэтому при изучении химического состава и свойств почв необ-

66

ходимо учитывать их динамику.

7. Полидисперсность почвы. Твердые фазы почв состоят из частиц разного размера - от крупинок песка до коллоидных частиц размером в несколько нанометров. Химический состав частиц разного диаметра различен (табл. 4). Как видно из представленных результатов, с умень-шением размера частиц падает процентное содержание кремния и воз-растает содержание железа, алюминия, магния, калия, фосфора и т.д.

Таблица 4. Химический состав механических элементов и нерасчлененного горизонта А темно-каштановой тяжелосуглинистой почвы

(в % на прокаленную навеску) (по А.С.Манучарову)

Объект ис-							Уд.вес
следования	SiO2	Fe2O3	Al2O3	CaO	MgO	P2O5	твердой
							фазы
Нерасчленен-	72,50	5,85	15,68	2,09	1,49	0,11	2,65
ная почва
Фракции
0,5-0,25	97,99	0,44	0,05	0,77	0,11	0,04	2,69
0,25-0,05	93,90	1,06	2,06	1,08	0,22	0,04	2,71
0,05-0,01	86,36	2,75	5,05	1,40	0.22	0,07	2,71
0,01-0,005	84,15	2,96	6,37	1,43	0,33	0,07	2,68
0,005-0,001	76,25	4,25	11,35	1,67	1,19	0,10	2,59
<0,001	53,65	11,38	24,85	2,35	2,87	0,20	2,72

8. Пространственная неоднородность химического состава. Различ-

ные участки в профиле почв не одинаковы по составу даже в пределах одного генетического горизонта. Например, содержание Fe2O3 в составе внутренней массы почвенных агрегатов и в почвенной массе, заполняющей трещины, различается более чем в 2 раза.

Пространственная неоднородность загрязняющих веществ может быть обусловлена различным удалением от источника загрязнения. Так максимальное содержание тяжелых металлов в почвах наблюдается на расстоянии 1 - 5 км от источника загрязнения. Они могут превышать фоновые уровни на 1 - 2 порядка. По мере удаления от источника содержание тяжелых металлов падает и на расстоянии 15 - 20 км приближается к фоновому уровню.

Мелкодисперсные и газообразные соединения фтора могут переноситься воздушными массами не далее 50 км от источника.

Неравномерно и вертикальное распределение элементов. Так из тяжелых металлов наибольшей миграционной способностью обладают Hg и Zn, которые, как правило, равномерно распределяются в слое почвы 0 - 20 см.

67

Свинец чаще накапливается в поверхностном слое 0 - 2,5 см; кадмий занимает промежуточное положение между ними. Для почв, расположенных вне зоны влияния источника загрязнения, харак-терно, как правило, равномерное распределение тяжелых металлов.

Учитывая неоднородность химического состава почв, необходимо обратить особое внимание на получение представительной пробы.

4.2. Отбор проб

Правильная подготовка почвы к физико-химическому анализу на всех ее этапах (взятие почвенных образцов в поле, условия высушивания, хранения, освобождение от включений, отбор средних проб, размалывание, взятие аналитических проб) влияет на достоверность результатов анализа. Погрешности могут присутствовать на всех перечисленных стадиях, но самой опасной и трудно исправимой является ошибка, обусловленная взятием образца в поле и для анализа. Это видно из сравнения ошибок на каждой стадии определения, проведенного голландскими исследователями:

Ошибка, вызванная аппаратурой	1,4 %
Субъективная ошибка аналитика	1,4 %
Ошибки при взятии навесок почвы	3,8 %
Ошибки из-за различий условий в лаборатории
(температура, влажность воздуха)	9,4 %
Общая лабораторная ошибка	16 %
Ошибка, обусловленная взятием проб в поле и для анализа	84 %.

При отборе проб почвы необходимо соблюдать два основных требования:

1.Количество отобранного материала должно быть достаточным для анализа.

2.Пробы по составу должны соответствовать среднему составу исследуемого объекта.

Этапом, предшествующим отбору проб, является изучение почвенных карт и рекогносцировочный осмотр территории. В результате намечаются элементарные участки, или пробные площадки. Это наименьшая площадь, которая может быть охарактеризована одной объединенной (смешанной) пробой.

При агрохимическом обследовании почв размер элементарного участка может достигать 2 - 5 га, если грунт достаточно однородный. При значи-

тельной пестроте грунта площадь участка может быть уменьшена до 200

м2 (ГОСТ 28168-89).

В связи с пространственной неоднородностью почв для объективной характеристики их химического состава желательно отбирать возможно

68

большее число (20 - 40) точечных (разовых) проб одинако-вой массы в разных местах выбранного элементарного участка.

Разовая проба представляет собой небольшую часть общей массы исследуемого материала и используется для составления смешанного образца или для характеристики пестроты материала.

При агрохимическом обследовании смешанная проба, составленная из разовых, должна иметь массу не менее 400 г.

Для лучшей характеристики почв точечные пробы отбирают по диагонали выбранного участка в точках, определяемых делением ее длины на число разовых проб. Точечные пробы не допускается отбирать вблизи дорог, куч удобрений, свалок, на участках, резко отличающихся лучшим или худшим состоянием растений.

На пахотных почвах пробы отбирают буром или лопатой на всю глубину пахотного слоя (0 - 25 см), на сенокосах и пастбищах - на глубину гуму- со-аккумулятивного горизонта (0 - 10 см). Отбор проб при агрохимических обследованиях проводят в течение всего вегетационного периода.

При контроле общего и локального загрязнения почв в районах воздействия промышленных, сельскохозяйственных, хозяйственно-бытовых, транспортных источников отбор проб производится в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 "Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализа."

Отбор проб для химического анализа производят не менее одного раза в год; для контроля за загрязнением почв тяжелыми металлами - не менее одного раза в 3 года. При контроле почв детских садов, лечебных учреждений, зон отдыха пробы отбирают 2 раза в год: весной и осенью. При изучении динамики самоочищения почв отбор проб проводят в течение первого месяца еженедельно, а затем ежемесячно в течение вегетационного периода до завершения активной фазы самоочищения.

При контроле загрязнения сельскохозяйственных территорий на каждые 0,5 - 20 га закладывают не менее одной пробной площадки размером не менее 10 х10 м.

При контроле загрязнения почв промышленными источниками размещение мест пробоотбора зависит от характера источника. При обследовании загрязнения почв вне пределов городской застройки при наличии точечного источника или группы источников, которые могут рассматриваться как точечный, отбор проб производится по румбической сетке (рис. 17а): по 8 румбам на расстояниях 1, 2, 5, 10, 15, 20 км от границы промзоны. Для линейных источников при атмосферном переносе загрязняющих веществ точки пробоотбора размещают вдоль источника по параллельным линиям, уменьшая количество точек с расстоянием от источника (рис. 17б). Располагать линии пробоотбора рекомендуется на расстояниях 0,1;

69

0,2; 0,5 км от источника.

При отсутствии ярко выраженных источников или при перекрывании их влияния (например, в пределах городской застройки), а также при площадных источниках (свалки, полигоны) отбор проб производят по равно- мерно-разреженной сетке (рис. 17в) с размером ячейки от 1 х 1 до 5 х 5 км.

Если контролируемым загрязняющим веществом является нефть, система отбора проб строится в зависимости от сложности ландшафта, геохимической и гидрологической обстановки. Точки объединяют в систему профилей (не менее трех), располагающихся в направлении движения поверхностного стока от мест разлива до мест промежуточной или конечной аккумуляции.

Рис. 17. Схема размещения пунктов контроля за загрязнением почв.

Вблизи намеченных узлов сетки пробоотбора на участках с однородным почвенным и растительным покровом закладывают пробные площадки размером не менее 10 х10 м. При контроле санитарного состояния почв детских садов, мусорных ящиков и других небольших по площади объектов, размер пробной площадки должен быть не более 5х5 м. Для того, чтобы нивелировать локальные особенности распределения загрязняющих веществ, с каждой пробной площадки отбирают смешанную пробу массой1 кг, состоящую не менее, чем из пяти точечных проб.

Для контроля загрязнения почв поверхностно распределяющимися веществами (например, тяжелыми металлами) точечные пробы отбирают послойно с глубины 0 - 5 и 5 - 20 см. При контроле за легко мигрирующими веществами точечные пробы отбирают на всю глубину почвенного профиля.

В процессе отбора почвенных проб и их транспортировки в лабораторию необходимо исключить возможность их вторичного загрязнения. Поэтому пробы на тяжелые металлы нельзя отбирать металлической лопатой. При определении бора, пробу нельзя транспортировать в крафтовой бумаге, т.к. в ней содержится бор. Пробы на пестициды нельзя отбирать в пластмассовую или полиэтиленовую посуду. Пробы для определения летучих компонентов следует сразу же поместить в стеклянные банки с притерты-

70