ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 4, с. 467-473
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.41:631.81.033
ВЛИЯНИЕ ХИТОЗАНА НА ПОДВИЖНОСТЬ МЕДИ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ И ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
© 2004 г. Н. А. Азовцева1, А. В. Смагин1, Е. В. Лазарева2
1Факулътет почвоведения, МГУ им. М.В. Ломоносова 2Химический факулътет, МГУ им. М.В. Ломоносова, 119899, Москва, Ленинские горы
Поступила в редакцию 22.10.2002 г.
Исследованы адсорбционные характеристики модельных пористых сред - кварца, бентонита - и изменение этих характеристик в присутствии хитозана и ионов меди. Показано, что в системе минерал-тяжелый металл-растение в присутствии хитозана наблюдается предпочтительное взаимодействие ионов Си(11) с хитозаном, что увеличивает подвижность меди. Метод вегетационных миниатюр выявил, что поступление ионов Си(11) в проростки пшеницы, выращенные на почве с внесенным хитозаном, в 2.4 раза больше по сравнению с контролем. Вынос хитозана с фильтрующимися потоками почвенной влаги увеличивается с уменьшением рН. Были исследованы темпы минерализации хитозана в модельных системах в разных температурных условиях при различных концентрациях хитозана. Показана возможность использования хитозана при фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами.
Одним из результатов антропогенного загрязнения окружающей среды является техногенное накопление тяжелых металлов в почве - начальном звене пищевой цепи.
Все больший интерес представляет развитие методов охраны и улучшения почв, проведение на основе этих методов мелиоративных мероприятий. К этим мероприятиям относится и фиторе-медиация - очистка почв с помощью растений. Полютанты, в том числе и тяжелые металлы, экстрагированные из почвы растениями, удаляются с биомассой. На поступление тяжелых металлов в растения влияет множество причин: форма нахождения их в почве, антагонизм и синергизм ионов, свойства почвы, биологические особенности растения и т.д. В почве преобладают трудно растворимые соединения и поток избыточных ионов тяжелых металлов в корни не столь велик, как можно было бы ожидать, исходя из валового содержания. Возникает необходимость проводить исследования миграционной способности тяжелых металлов в почве. Кроме того, требуется исследовать адсорбционные характеристики почвенных минералов для выяснения возможной иммобилизации на них тяжелых металлов, так как в результате этого процесса снижается миграционная способность ионов металлов. С другой стороны, образование более прочных комплексов с несорбированной формой органического вещества приводит к увеличению миграционной способности металлов и, тем самым, облегчает их переход в корневые системы растений и продвижение по пищевым цепям. Последнее можно использовать при фиторемедиации, для повышения эффективности которой
применяют ряд соединений, увеличивающих подвижность ионов металлов в почве и их поступление в растения. Поэтому представляет интерес вопрос о способности хитозана влиять на подвижность ионов меди в почве, а именно переводить их в иммобилизованное состояние в почве или способствовать поступлению в корневую систему растений. Целью данной работы явились исследование влияния хитозана на миграционную способность ионов меди в дерново-подзолистой почве и в модельных пористых средах и изучение механизмов взаимодействия ионов меди с почвенными составляющими.
Исходя из поставленной цели работы, были сформулированы следующие задачи: 1) исследовать адсорбционные характеристики модельных пористых сред и влияние на них присутствия хитозана и ионов меди; 2) изучить влияние рН водных потоков и состава модельных пористых систем на интенсивность выноса хитозана; 3) оценить потенциальную минерализуемость хитозана в природной и модельных пористых системах в зависимости от температурных условий и концентрации хитозана, внесенного в рассматриваемые системы; 4) оценить возможность применения хитозана для фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В данной работе при изучении миграционной способности меди в системе почва-растение использовались модели. В качестве минеральных модельных почвенных составляющих были рассмотрены мономинеральный мелкозернистый
467
6*
кварцевый песок (Раменский ГОК, Московская обл.), бентонит из Серпуховского карьера (Московская обл.), монтмориллонит (Курцевское месторождение, Украина), каолинит (Просяновское месторождение, Украина). Исходя из возможного объема статьи, в данной работе, в качестве примера, приведены методы и результаты исследований систем с минеральными модельными составляющими, представленными кварцем и бентонитом. Природный полисахарид хитозан был выбран как модельное органическое вещество по ряду причин: благодаря наличию в его структуре гидроксо- и аминогрупп он является эффективным комплексообразующим сорбентом для ионов меди; находится в почве в естественном состоянии. Кроме того, хитозан обладает элеситор-ными свойствами - повышает устойчивость растений к фитопатогенам [6].
Исследование адсорбционной активности почвенных сорбентов (определение резонансных потенциалов) проводилось на основе методики, разработанной Нечаевым, который предложил оригинальный подход к решению вопроса об условиях избирательной адсорбции органических веществ из водных растворов [7]. В данном подходе, представление об образовании при специфической адсорбции химической связи между адсор-батом и адсорбентом в результате перераспределения электронной плотности между занятой и свободной электронной орбиталями рассмотрено с позиций взаимодействия двух занятых орбита-лей с образованием общей электронной системы. Автором было установлено, что адсорбция молекул зависит от величин их адиабатического потенциала ионизации, и при совпадении этих величин адсорбционных центров поверхности происходит перекрывание волновых функций электронов с возникновением химической связи, по своей природе подобной ковалентной. Для каждого из адсорбентов набор значений потенциалов ионизации, при которых наблюдаются максимумы адсорбции, и получивших название "резонансных" потенциалов, по существу является индивидуальной сорбционной характеристикой твердого тела. Метод Е.А. Нечаева позволяет определить резонансные потенциалы поверхности почвенных минералов на основе выявления специфической адсорбции органических веществ, с известными потенциалами ионизации. Для проведения эксперимента готовили ряд стандартных мил-лимолярных растворов органических веществ с известными потенциалами ионизации, выбранных так, чтобы их потенциалы ионизации плотно перекрывали диапазон значений от 6.6 до 11.3 эВ. Вещества, используемые в методике Е.А. Нечаева, приведены в табл. 1. Все растворы готовили в 0.1 н. растворе фонового электролита перхлората натрия, что позволяет подавить влияние на адсорбцию органических веществ собственного за-
ряда поверхности сорбента. Органические тестовые вещества были добавлены к 0.1 г сорбента, находящегося в колбе, в количестве 10 мл, после этого колбу периодически несколько раз встряхивали. Через 18 часов осадок отфильтровали и определяли концентрацию органических веществ в растворе после адсорбции спектрофотометри-чески при характеристических длинах волн органических веществ в УФ диапазоне на приборе СФ-10. По результатам измерений для каждого сорбента был построен график зависимости количества абсорбированного органического вещества от потенциалов ионизации органических веществ. Максимумы на графиках зависимости адсорбции органических веществ от потенциалов ионизации соответствуют так называемым резонансным потенциалам сорбента, адсорбционным центрам, на которых адсорбируются органические вещества, имеющие значение потенциала ионизации равного резонансному.
В данной работе использовались модельные сорбенты, приготовленные из минеральных модельных почвенных составляющих, часть которых была модифицирована хитозаном, часть -ионами Си(11), а другая часть минеральных сорбентов была модифицирована хитозаном и ионами Си(11) совместно. Синтез сорбентов проводили по следующей методике - в колбе емкостью 250 мл растворяли 0.5 г сухого хитозана (завод "Синтез", г. Москва) с молекулярной массой 200000 в 100 мл 1 н. раствора уксусной кислоты. Оставляли содержимое до полного растворения хитозана, после чего добавляли, периодически перемешивая, 10 г бентонита. После перемешивания оставляли раствор на несколько часов. Затем добавляли 1 н. раствор едкого натра до установления в растворе рН 8, еще несколько раз перемешивали и отмывали сорбент декантацией дистиллированной водой до нейтральной реакции раствора. После чего отфильтровывали осадок обычным способом, промывали его на фильтре еще несколько раз и сушили при комнатной температуре в течение суток.
Модификация сорбента ионами меди была проведена следующим образом - к 5 г сорбента добавляли 20 мл 1 М раствора СиБ04 и оставляли на сутки. Далее промывали дистиллированной водой 5 раз декантацией раствора. Фильтровали и высушивали на воздухе в течение суток.
Для выяснения поведения ионов меди в присутствии хитозана в системе почва-растение, был поставлен эксперимент с проростками пшеницы по методу миниатюр. В данной работе был исследован образец из гор. А пах дерново-неглубокопод-золистой языковатой среднесуглинистой освоенной почвы, сформированной на покровном суглинке, подстилаемом мореной (УОПЭЦ "Чашниково",
Таблица 1. Потенциалы ионизации, эВ
№ Вещество № адибатического потенциала
1 2 3 4 5
2 К,К-диметилаланин 7.14 8.63 9.75 10.56 -
3 Дифенилаламин 7.25 8.91 10.65 - -
4 А-Нафтиламин 7.30 8.50 9.10 10.00 10.90
5 М-Толуидин 7.50 8.50 9.90 11.15 -
6 Анилин 7.70 8.90 10.31 11.63 12.50
7 А-Нафтол 7.76 8.80 9.50 10.70 -
8 Пирогаллол 8.00 - 10.77 - -
10 П-Крезол 8.20 9.25 10.75 11.25 -
11 Резорцин 8.31 9.38 - 11.15 -
12 Фенол 8.50 9.30 11.20 12.00 -
13 Хинолин 8.62 9.07 11.32 14.00 -
14 Фурфурол 9.21 9.79 10.71 13.24 -
15 Пиридин 9.30 9.51 10.45 12.30 -
16 Бензойная кислота (молекулы) 9.40 10.60 11.40 - -
17 Бензальдегид 9.51 10.02 10.98 11.50 -
18 Бензонитрил 9.71 10.00 11.80 12.00 -
19 Нитробензойная кислота (ионы) 10.0 - - - -
20 А-Метилнафталин 7.96 8.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.