Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

Кафедра біотехнології

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни „Експрес аналіз в біотехнології та екології”

Тема: Визначення органічної речовини ґрунту

Виконав: ст. Сікач І. В.

Керівник: Зінов'єва Н.А.

Київ 2011

Зміст

Вступ

1. Органічна речовина ґрунту

1.1 Склад органічної частини ґрунту

1.2 Неспецифічні органічні речовини ґрунту

1.3 Перетворення органічних речовин у ґрунті та процес гумусоутворення

1.4 Органо-мінеральні сполуки в ґрунті

1.5 Окисно-відновні процеси в ґрунтах

2. Методи лабораторного визначення органічної речовини ґрунту

2.1 Загальні положення

2.2 Метод визначення рослинних залишків

2.2.1 Проведення випробування

2.2.2 Обробка результатів

2.3 Оксидометричний метод

2.3.1 Підготовка до випробування

2.3.2 Проведення випробування

2.3.3 Обробка результатів

2.4 Метод сухого спалювання

2.4.1 Підготовка установки до випробування

2.4.2 Підготовка проби до випробування

2.4.3 Проведення випробування

2.4.4 Обробка результатів

Висновки

Список літератури

Вступ

Невід'ємною складовою частиною будь-якого ґрунту є органічна речовина, тобто сукупність живої біомаси й органічних решток рослин, тварин, мікроорганізмів, продуктів їх метаболізму і специфічних новоутворених темнозабарвлених гумусових речовин, що рівномірно пронизують ґрунтовий профіль. Складний комплекс органічних сполук ґрунту зумовлений різним складом органічних решток, що надходять у грунт, неоднаковою спрямованістю мікробіологічного процесу, різноманітними гідротермічними умовами тощо. У складі органічної речовини ґрунту знаходяться всі хімічні компоненти рослин, бактеріальної та грибної плазми, а також продуктів їх подальшої взаємодії й трансформації. Це тисячі сполук, середній час існування яких у ґрунті може варіювати від доби до тисяч років.

В даній курсовій роботі розглядаються методи лабораторного визначення органічної речовини ґрунту, а саме: метод визначення рослинних залишків, оксидометричний метод та метод сухого спалювання.

1. Органічна речовина ґрунту

Органічна речовина ґрунту - це комплекс органічних сполук, які входять до складу ґрунту. Органічна речовина ґрунту утворюється при розкладі мертвих організмів, їх частин і екскрементів. Не повністю розкладені органічні залишки називаються підстилкою, а кінцевий продукт розкладу (аморфну речовину), в якому вже неможливо розпізнати первинний матеріал - називають гумусом. У хімічному плані це дуже складна суміш мінливого складу, утворена органічними молекулами різних типів; в основному гумус складається з фенольних сполук, карбонових кислот і складних ефірів жирних кислот. Гумус, подібно глині, знаходиться в колоїдному стані; окремі частки його міцно прилипають до глини і утворюють глино-гумусовий комплекс. Так само як і глина, гумус має велику поверхню частинок і високу катіонообмінну здатністю. Ця здатність особливо важлива для грунтів з низьким вмістом глини. Аніони в гумусі - це карбоксильні і фенольні групи. Завдяки своїм фізичним і хімічним властивостям гумус покращує структуру ґрунту та її аерацію, а також підвищує здатність утримувати воду і поживні речовини. Одночасно з процесом гуміфікації життєво важливі елементи переходять з органічних сполук у неорганічні, наприклад, азот-в іони амонію NH4?, фосфор - у ортофосфати-іони H2PO4?, сірка - сульфат-іони SO4??. Цей процес називається мінералізацією[2,3].

1.1 Склад органічної частини ґрунту

Невід'ємною складовою частиною будь-якого ґрунту є органічна речовина - сукупність живої біомаси і органічних решток рослин, тварин, мікроорганізмів, продуктів їх метаболізму і специфічних речовин - гумусу. Складний комплекс органічних сполук ґрунту, зумовлений різним складом органічних решток, що надходять у грунт, неоднаковою спрямованістю мікробіологічного процесу, різноманітними гідротермічними умовами тощо. Нежива органічна маса перебуває в ґрунті в різних формах [7].

1. Скупчення нерозкладених та слабкорозкладених органічних решток, які утворюють лісову підстилку, степову повсть, торф. Це так званий грубий гумус, або мор (нім. moor - торф). Неозброєним оком видно шматочки органів рослин, під мікроскопом - клітини і тканини.

2. Глибоко перетворені органічні рештки у вигляді однорідної пухкої маси чорного забарвлення. Під мікроскопом можна побачити лише дрібні ділянки тканин з залишками напівзруйнованих клітин. Вся маса просякнута новоутвореними сполуками темно-бурого кольору. Цю форму органічної речовини називають модер (нім. moder - порохня). В народі її називають перегноєм.

3. Органічний мул (нім. mull - пил), або власне гумус - комплекс органічних високомолекулярних сполук, специфічних для ґрунту. Це аморфна маса без залишків органічних решток (лат. humus - земля). Гумусні речовини дифузні розташовані між мінеральними частками ґрунту, склеюють їх.

Між наведеними формами органічної речовини існують поступові переходи. Джерелами органічної речовини можна вважати всі компоненти біоценозу, проте рослини є основним. Склад органічної речовини різних типів ґрунту неоднаковий [8].

1.2 Неспецифічні органічні речовини ґрунту

В процесі розкладання відмерлих решток рослин, тварин і мікроорганізмів грунт збагачується речовинами індивідуальної природи. Вони становлять 10-15 % загальної маси органічних речовин ґрунту. Найпоширенішими в ґрунтах є такі неспецифічні органічні речовини:

Азотисті сполуки - білки і амінокислоти. У процесі розкладання білків утворюються амінокислоти. Найчастіше в ґрунтах містяться аланін, гліцин, цистеїн, треонін, валін, метіонін та ін.

Вуглеводи - велика група органічних сполук, які є джерелом енергії для мікроорганізмів і багатьох видів безхребетних тварин. У ґрунтах містяться моносахариди (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза та ін.), олігосахариди і полісахариди (крохмаль, целюлоза та ін.).

Ліпіди - велика група органічних сполук, до якої входять жирні олії, фосфоліпіди, віск, кутин, суберин та ін.

Ароматичні сполуки. В ґрунтах виявлені ароматичні кислоти (протокатехова, ванілінова, бузкова та ін.), кумарини, флавоноїди, танін (дубильні речовини), лігнін та ін [10].

1.3 Перетворення органічних речовин у ґрунті та процес гумусоутворення

Потрапляючи до ґрунту, органічні рештки піддаються різним механічним, біохімічним і фізико-хімічним перетворенням. Першим етапом перетворень є розклад органічних залишків. Він відбувається за допомогою грунтової фауни, флори, мікроорганізмів. Органічні залишки при цьому втрачають свою анатомічну будову, складні органічні сполуки трансформуються в простіші і більш рухомі, тобто в проміжні продукти розкладу. Ці процеси мають біокаталітичний характер, оскільки відбуваються при участі ферментів.

Перша фаза розкладу органічних залишків - їх фізичне руйнування, подрібнення. Друга фаза - гідроліз органічних речовин: білки, наприклад, розщеплюються на пептиди, а потім - на амінокислоти; вуглеводи, такі як целюлоза, крохмаль - на моносахариди; уронові кислоти, жири - на гліцерин і жирні кислоти; лігнін, смоли, дубильні речовини - на ароматичні сполуки. Третя фаза розкладу - окисно-відновні процеси, що за допомогою ферменту оксиредуктази викликають повну мінералізацію органічних речовин: відбувається дезамінування амінокислот, декарбоксилування органічних кислот тощо.

Реакції дуже різноманітні, їх характер визначається умовами, складом органічного матеріалу. В аеробних умовах іде окиснення, в анаеробних - відновлення. В кінцевому вигляді амінокислоти мінералізуються до CO₂, Н₂O, оксиди азоту в аеробних умовах, у вуглеводи - в анаеробних. Вуглеводи, приєднуючи кисень, перетворюються спочатку в органічні кислоти, альдегіди, спирти, потім - у СО₂ та Н₂O, а при нестачі кисню відбувається їх бродіння й утворюються метан, спирт, низькомолекулярні органічні кислоти. Аналогічні перетворення до мінеральних речовин відбуваються з іншими проміжними продуктами розкладу. Дуже швидко мінералізуються цукор, крохмаль, гірше - білки, целюлоза, погано - лігнін, смоли, воски.

Швидкість розкладу органічних залишків зменшується в анаеробних умовах аж до повного припинення його й утворення торфу. Більшість з органічних залишків окиснюється до вуглекислого газу та води. А менша частина проходить другий етап перетворень - гуміфікацію, тобто синтез гумусних речовини. Рівень гуміфікації органічних решток залежить від гідротермічного режиму, ботанічного та біохімічного складу решток, їх кількості [4].

Природа утворення гумусних речовин цікавила дослідників протягом усього періоду розвитку грунтознавства. За цей час було висунуто кілька гіпотез походження гумусу. Значний внесок у вивчення процесів гуміфікації зробили В.Р.Вільямс, Л.М. Александрова, І.В.Тюрін, М.М. Кононова, Д.С.Орлов, М.І.Лактіонов та ін [1].

На сьогодні найбільш поширеними є дві концепції гумусоутворення.

Конденсаційна (полімеризаційна) - розроблена М.М.Кононовою, В.Фляйгом. Засновники теорії стверджують, що гумусові речовини - це продукт конденсації структурних фрагментів, які утворились в результаті первинного розкладу органічних сполук циклічного характеру (лігнін, дубильні речовини, смоли і т.п.). Одночасно відбувається полімеризація шляхом окиснення циклічних сполук ферментами типу фенолоксидаз через семихінони до хінонів і взаємодією останніх з амінокислотами та пептидами. На думку М.І.Лактіонова (1978), дискусійним залишається питання про участь в конденсації крупніших фрагментів лігніну та про подальше визрівання гумінових кислот як не тільки абіотичний процес.

Утворення молекули ГК при біокаталітичній конденсації хінонів з амінокислотами за Лактіоновим відбувається так:

Такий підхід пояснює будову міцел гумусових сполук як колоїдних поверхнево-активних речовин: гідрофобне ядро органічного колоїду представлене агрегатом фенольної частини молекули, а зовнішня гідрофільна частина - амінокислотною (пептидною) частиною макромолекул. Переважаючими іоногенними групами на поверхні таких молекул будуть - СООН, - NH₂.

Концепція біохімічного окиснення розроблена Л.М.Александро-вою. За її визначенням, гуміфікація - складний біо-фізико-хімічний процес трансформації проміжних високомолекулярних продуктів розкладання органічних решток в особливий клас органічних сполук - гумусні кислоти. Провідне значення в процесі гуміфікації мають реакції повільного біохімічного окиснення, у результаті яких утворюється система високомолекулярних органічних кислот.

Гуміфікація - тривалий процес, в результаті якого проходить поступова ароматизація молекул гумусових кислот не за рахунок конденсації, а шляхом часткового відщеплення найменш стійкої частини макромолекули новоутвореної гумусової кислоти [5]. Система гумусових кислот далі вступає в реакцію із зольними елементами рослинних залишків і мінеральної частини ґрунту. При цьому єдина система поступово розщеплюється на декілька фракцій за молекулярною масою, деталями будови молекули, ступенем розчинності. Отже в дуже загальному вигляді перетворення органічних залишків в ґрунті можна зобразити такою схемою (рис. 1.1) [1].

Рис.1.1 Схема процесу гумусоутворення в ґрунті (за Л.М.Александровою)

Встановлено, що швидкість і спрямованість гуміфікації залежать від багатьох факторів. Основними серед них є кількість і хімічний склад рослинних решток, водний і повітряний режими, склад грунтових мікроорганізмів, реакція грунтового розчину, гранулометричний склад ґрунту тощо. Певне співвідношення даних факторів і їх взаємодія зумовлюють певний тип гуміфікації органічних решток: фульватний, гуматно-фульватний, фульватно-гуматний і гуматний.

Водно-повітряний режим ґрунту впливає на гуміфікацію так:

1) в аеробних умовах можливі такі варіанти: а) при достатній кількості вологи, температурі 25-30°С розклад і мінералізація йдуть інтенсивно, тому гумусу накопичується мало; б) при нестачі вологи утворюється мало органічної маси взагалі, сповільнюються її розклад і мінералізація, гумусу утворюється мало;

2) в анаеробних умовах при постійному надлишку води і нестачі кисню уповільнюється розклад органічних залишків, у результаті діяльності анаеробних мікроорганізмів утворюються метан, водень, які пригнічують мікробіологічну активність, гумусоутворення дуже слабке, органічні залишки консервуються у вигляді торфу (болотні грунти);

3) чергування оптимальних гідротермічних умов із деяким періодичним висушуванням ґрунту - найбільш сприятливий варіант для гумусоутворення, йде поступовий розклад органічних залишків, достатньо енергійна гуміфікація, закріплення гумусу в засушливі періоди (чорноземи).

Характер рослинності є потужним фактором, що впливає на гумусоутворення. Оскільки трав'яниста рослинність щорічно відмирає, вона дає найбільший рослинний опад, в основному - безпосередньо в грунті у вигляді кореневих залишків, що сприяє швидкому з'єднанню продуктів їх розкладу з мінеральною частиною й захисту від надлишкової мінералізації - вміст гумусу в грунті збільшується. Хімічний склад трав'янистої рослинності, багатої на білки, вуглеводи, кальцій, сприяє її швидкому розкладу, утворенню м'якого гумусу - найбільш цінного його типу. Дерев'яниста рослинність, збагачена восками, смолами, дубильними речовинами, які погано розкладаються переважно грибною мікрофлорою, сприяє накопиченню дуже кислих продуктів розкладу решток, процеси йдуть переважно в лісовій підстилці, гумус утворюється грубий, накопичується у верхньому малопотужному горизонті.

Крім того, на гумусоутворення, його напрямок впливають кількість і склад мікроорганізмів, фізичні властивості, грансклад та хімічний склад ґрунту. Найкращі умови створюються в грунтах, багатих Са, які мають близьку до нейтральної реакцію середовища, середній уміст мікроорганізмів, середній гранулометричний склад, добру оструктуреність.

Гумусові речовини розкладаються (мінералізуються) спеціальними мікроорганізмами, особливо при наявності органічних речовин, що ще не гуміфікувались. Проте зауважимо, що розклад гумусу - процес довготривалий і потребує участі великої групи мікроорганізмів. Стійкість гумінових кислот пов'язана зі сферичною формою молекул, що складаються з багатьох гетерогенних одиниць, які нерегулярно з'єднанні ковалентними зв'язками. Найбільш інтенсивно відбувається мінералізація фульвокислот. Максимальна швидкість мінералізації спостерігається при оптимальних для мікроорганізмів вологості та температурі, зменшується при надлишковому зволоженні, у важких грунтах. Особливо різке зменшення вмісту гумусу в грунті спостерігається при застосуванні високих доз азотних добрив. Це пов'язано з активацією грунтових мікроорганізмів, що включають у свої метаболічні цикли органічну речовину ґрунту. Здатність розкладати гумус притаманна багатьом мікроорганізмам, але провідна роль належить грибам і актиноміцетам (зокрема, но-кардіям). У процесі розкладу гумусових речовин вивільнюється велика кількість елементів живлення рослин, особливо азоту [1].

1.4 Органо-мінеральні сполуки в грунті

Органічні речовини ґрунту постійно взаємодіють із мінеральною частиною. За характером взаємодії виділяють три групи органо-мінеральних речовин.

Першу групу складають солі органічних неспецифічних кислот (щавелевої, мурашиної, оцтової, лимонної) і гумусових специфічних кислот із катіонами лужних і лужноземельних металів. Механізм утворення гуматів і фульватів полягає в обмінній реакції між воднем кислих функціональних гумусових кислот і катіонами:

Обмінна реакція протікає в еквівалентних кількостях і є зворотною. В утворенні гуматів беруть участь зольні елементи рослин, що вивільнюються при розкладі останніх, а також обмінні катіони дифузного шару грунтових колоїдів та основи, що входять до складу кристалічних решіток первинних, вторинних мінералів. Утворені солі гумусових кислот - гумати й фульвати мають неоднакові властивості. Гумати одновалентних катіонів (натрію, амонію, калію) добре розчинні у воді, легко вимиваються з ґрунту. Тому грунти, що містять гумати натрію (солонці), легко збіднюються гумусом за рахунок його міграції в нижні горизонти. Гумати кальцію й магнію нерозчинні у воді, утворюють водостійкі гелі, тому накопичуються у верхньому горизонті ґрунту (чорноземи). Фульвати всіх катіонів розчинні у воді, тому легко мігрують по профілю, вимиваються з ґрунту (підзолисті грунти). Характерною особливістю гуматів і фульватів є здатність до обмінних реакцій з іншими катіонами, тобто до формування фізико-хімічної обмінної здатності грунтів.

Другу групу становлять комплексні солі типу хелати, що утворюються при взаємодії неспецифічних органічних кислот з полівалентними металами (залізо, алюміній, мідь). Метал у хелатах входить до аніонної частини молекул і не здатний до обмінних реакцій. Вільні карбоксильні і фенолгідроксильні групи здатні обмінюватись з катіонами лужних і лужноземельних металів. Отримані сполуки називаються комплексно-гетерополярними солями.



Ємність зв'язування заліза в хелати гумінових кислот коливається від 50 до 150 мг/г ГК, алюмінію - від 27 до 55 мг/г ГК. Ємність зв'язування заліза у хелати фульвокислот - до 250 мг/г, а алюмінію - до 140 мг/г.

Рухомість комплексних сполук різноманітна і залежить від типу гумусової кислоти, обмінних катіонів, насиченості вільних функціональних груп. Найбільш рухомі алюмо- та залізофульватні солі. Якраз вони створюють різноманітні плівки на поверхні структурних агрегатів в ілювіальному горизонті.

Третю групу складають органо-мінеральні сполуки, утворені при взаємодії гумусових кислот та їх солей з кристалічною решіткою несилікатних півтораоксидів і глинистих мінералів. При цьому можливі такі шляхи їх утворення:

1) хімічний зв'язок (через місток або безпосередньо) із мінералами;

2) адсорбція на поверхні мінеральної частинки;

3) проникнення лінійних структур молекул гумусових кислот у міжпакетний простір глинистих мінералів.

Утворення органо-мінеральних сполук може супроводжуватись їх міграцією по грунтовому профілю або акумуляцією на місці утворення. Гумати деяких лужних металів та алюмінію добре розчиняються у воді і, як наслідок, легко пересуваються з водними потоками. Проте гумати кальцію - погано розчинні. Фульвати лужних і лужноземельних металів добре розчиняються та володіють високою міграційною здатністю [1].

1.5 Окисно відновні процеси в грунтах

У ґрунті широко розповсюджені окисно-відновні процеси і в цьому відношенні його можна розглядати як складну окисно-відновну систему.

Процесами окиснення називаються:

* приєднання кисню:

2KNO2 + O2 > 2KNO3 ;

* віддача водню

* віддача електронів без участі водню і кисню:

Fe?+ - e > Fe?+

Зворотні процеси мають назву “відновлення”.

Реакції окиснення і відновлення завжди протікають одночасно. У цьому процесі беруть участь дві або кілька речовин: одні втрачають електрони, окиснюються (реакція окиснення), інші - приєднують електрони, відновлюються (реакція відновлення). Донор електронів називається відновником (він окиснюється), акцептор - окиснювачем (він відновлюється).

Окиснювальні процеси проходять при перетворенні органічної речовини в ґрунті. Наприклад, окиснення тирозину та інших ароматичних амінокислот у меланіни, окиснення сполук ненасиченого ряду, окиснення дубильних речовин, цукрів, амінокислот, білків та інших речовин, що входять до складу рослинних решток. В цілому, окиснювальним процесом є також гуміфікація.

Більшість реакцій окиснення органічних речовин ґрунту відноситься до групи необоротних. Оборотними окисно-відновними реакціями є широко розповсюджені в ґрунті реакції окиснення і відновлення заліза (Fe3+>Fe2+), марганцю (Mn4+>Mn?+), азоту (NО?- > NО?-). У ґрунті проходить окиснення і відновлення кисню і водню (О2 >О2- ; Н2 > 2Н+ ), сірки (SО2- > Н2S), вуглецю (СО2 > СН4). Більшість з цих реакцій має біохімічну природу, тобто тісно пов'язана з розвитком мікробіологічних процесів. Тому інтенсивність останніх значною мірою впливає на ступінь розвитку окисно-відновних процесів [10].

2. Методи лабораторного визначення органічної речовини ґрунту

2.1 Загальні положення

1. Для визначення вмісту органічних речовин у грунті слід встановити окремо кількість рослинних залишків і гумусу.

2. Рослинні залишки слід виділити з ґрунту сухим або мокрим способом, після чого визначити їх кількість.

3. Для встановлення кількості гумусу необхідно визначити вміст вуглецю органічних речовин, які розклалися у грунті - органічного вуглецю (Сорг).Для визначення органічного вуглецю слід застосовувати методи: - оксидометричний;

- сухого спалювання.

4. Оксидометричний метод слід застосовувати для визначення органічного вуглецю в піщаних і глинистих грунтах, що містять менше 10% гумусу, а в грунтах, що містять хлориди, - після видалення останніх.

Метод не допускається застосовувати для визначення органічного вуглецю в піщаних і глинистих грунтах морського, лиманного, озерного та болотного походження. 5. Метод сухого спалювання в кисні слід застосовувати для визначення органічного вуглецю в грунтах морського, лиманного, озерного, болотного походження і в грунтах, що містять більше 10% гумусу, після видалення карбонатів. 6. Зміст органічного вуглецю в грунті слід визначати у відсотках сухої речовини проби і перераховувати на кількісний вміст гумусу, застосовуючи коефіцієнт 1,724.

7. Відбір та транспортування зразків грунтів непорушеного складування належить виконувати за ГОСТ 12071-84.

8. Органічні речовини слід визначати для середньої проби ґрунту в повітряно-сухому стані. Вага середньої проби ґрунту має бути не менше 100 гс.

9. Для проведення випробування необхідно пробу ґрунту повітряно-сухого стану підготувати розтиранням в порцеляновій ступці товкачиком з гумовим наконечником: для визначення і виділення рослинних залишків - до розміру агрегатів 3-5 мм; для визначення органічного вуглецю - до розміру часток менше 0,25 мм, а потім зробити пробу на хлориди і карбонатність.

10. Похибка зважування проб повинна бути не більше 0,01 гс, при визначенні кількості рослинних залишків і не більше 0,0002 гс при визначенні органічного вуглецю.

11. Кількість паралельних визначень органічних речовин повинно бути не менше двох.

Похибка результатів паралельних визначень не повинна перевищувати 2,5% від середньої обумовленої величини. Якщо розбіжність між результатами двох паралельних визначень перевищує 2,5%, кількість визначень слід збільшити до трьох і більше.

За остаточний результат аналізу слід приймати середнє арифметичне результатів паралельних визначень.

12. Кількість органічних речовин слід визначати з точністю до другого десяткового знаку і реєструвати їх у журналі із зазначенням методу визначення.

13. Терміни та визначення, що застосовуються в стандарті [9].

2.2 Метод визначення рослинних залишків

Рослинні залишки слід виділити із середньої проби ґрунту повітряно-сухого стану і визначити їх кількість у відсотках.

2.2.1 Проведення випробування

Підготовлений грунт слід ретельно перемішати і відібрати методом квадратів середню пробу не менше 25 г. Одночасно слід відібрати пробу для визначення гігроскопічної вологості по ГОСТ 5180-84.

Взяту пробу необхідно помістити на скло з підкладеним під нього папером (для фону). Рослинні залишки слід ретельно відбирати (під лупою), роздавлюючи грудочки ґрунту пінцетом (сухий спосіб). Для прискорення процесу видалення рослинних залишків з ґрунту слід користуватися наелектризованою платівкою з органічного скла, а при великих кількостях рослинних залишків застосовувати відмочування їх у водопровідній воді (мокрий спосіб).

Суху платівку з органічного скла необхідно натерти шматочком вовняної або суконної тканини і швидко провести її над грунтом, розподіленим тонким шаром на склі або папері, слідкуючи, щоб до платівки не притягувалися разом з рослинними залишками глинисті частинки. Платівку слід тримати приблизно на 5 см вище шару ґрунту.

Для відмочування рослинних залишків середню пробу ґрунту слід висипати в заздалегідь зважену порцелянову чашку, зважити, змочити водою, і злегка розтерти товкачиком з гумовим наконечником так, щоб не пошкодити рослинні залишки. Потім слід відмутити пісок, для чого грунт заливають водою, перемішують і зливають верхній шар з глинистими частинками крізь сито з сіткою № 1 протягом 5-8 с в велику фарфорову чашку, слідкуючи, щоб на сито не потрапив пісок. Операцію необхідно повторювати до повного відмивання піску в чашці.

Рослинні залишки на ситі слід відмити від глинистих частинок і перенести у зважену порцелянову чашку. Пройшли крізь сито глинисті частинки слід в чашці збовтати, дати їм можливість осісти, а рослинні залишки, які пройшли крізь сито з сіткою № 1, злити через сито з сіткою № 0,25 в іншу чашку. Рослинні залишки, що залишилися на ситах з сітками № 1 і 0,25, слід поєднати в одній чашці, а воду випарити на бані. Всі частки ґрунту, що пройшли через сито потрібно з чашки перенести в циліндр і перевірити повноту виділення рослинних залишків.

Виділені піщані, глинисті частинки і рослинні залишки слід висушити в сушильній шафі до постійної ваги при температурі 100-105°С і зважити з похибкою не більше 0,01 г [9].

2.2.3 Обробка результатів

Кількість рослинних залишків J (від) у відсотках слід обчислити за формулою:

m (s0) - вага сухих рослинних залишків, г;

m (s) - вага сухого ґрунту, г.

Для перерахунку повітряно-сухої наважки на суху застосовують коефіцієнт:

Wг - гігроскопічна вологість у відсотках.

2.3 Оксидометричний метод

Органічну речовину належить окислити двохромовокислим калієм у сильно кислому середовищі до утворення вуглекислоти, потім відтитрувати надлишок двохромовокислого калію розчином солі Мора і визначити вміст органічного вуглецю в ґрунті по різниці обсягів солі Мора, витрачених на титрування двохромовокислого калію в досліді без ґрунту і в досліді з ґрунтом .

2.3.1 Підготовка до випробування

Середню пробу вагою близько 3 г слід відібрати способом квадратів з ґрунту (з видаленими рослинними залишками і просіяного через сито з сіткою №1), залити дистильованою водою і перемішати у фарфоровій чашці скляній паличної протягом 15 хв.

Розчин необхідно відфільтрувати в пробірку, підкислити розчином (1 н) азотнокислого срібла і перемішати (збовтуванням). Якщо з'являється сильна каламуть, з ґрунту перед визначенням вуглецю окисленням органічної речовини двохромовокислим калієм слід видалити хлориди. Для видалення хлоридів необхідно взяти 25 г підготовленого до аналізу ґрунту. Наважку ґрунту слід помістити в склянку, залити дистильованою водою, підкисленою декількома краплями сірчаної кислоти (1 н), та у спосіб декантації перенести на фільтр.

У взятої сухій наважці ґрунту відмивати хлориди слід до зникнення хлору (реакція на хлор). Відмиту наважку ґрунту з фільтра слід перенести в фарфорову чашку, висушити до повітряно-сухого стану на водяній бані і після охолодження зважити.

Для визначення вмісту вуглецю необхідно встановити співвідношення К1 між початковою вагою взятого ґрунту і його вагою після видалення хлоридів і висушування:

m1 - вага повітряно-сухої проби, взятої для видалення хлоридів, г;

m2 - вага проби після видалення хлоридів, г.

2.3.2 Проведення випробування

Середню пробу вагою 10-20 г слід додатково розтерти в ступці до розмірів часток, які повністю проходять через сито з отворами сітки 0,25 мм (до стану пудри), і ретельно перемішати.

Величина наважки повинна бути від 0,05 до 1 г в залежності від передбачуваного вмісту гумусу в табл. 2.1

Таблиця 2.1 Залежність забарвлення сухого ґрунту від вмісту гумусу

Забарвлення сухого ґрунту	Вміст гумусу, %	Величина наважки, г
Дуже чорна або темно-коричнева	10-15	0,05-0,1
Черна або коричнева	7-10	0,1-0,15
Темно-сіра	4-7	0,15-0,2
Сіра	2-4	0,2-0,6
Світло-сіра	1-2	0,5-1
Беліса	Менше 1	1,0

Одночасно необхідно відібрати пробу для визначення гігроскопічної вологості по ГОСТ 5180-84.

Пробу ґрунту слід зважити на листочку кальки. Вагу проби визначають по різниці між вагою кальки з пробою і вагою після пересипання проби в конічну колбу ємністю 100 мл. Похибка зважування повинна бути в межах ± 0,0002 г.

До наважки ґрунту за допомогою бюретки слід додати 10 мл хромової суміші (0,4 н розчин двохромовокислого калію в розведенням 1:1 сірчаною кислотою). Розчин із бюретки спускають від нульового розподілу по краплях (повільно) з дотриманням однакового інтервалу часу при паралельних випробуваннях. Вміст в колбі слід обережно перемішувати круговими рухами колби. Колби необхідно закрити воронками діаметром 3,5 см для охолодження водяної пари і поставити на гарячу електроплитку із закритою спіраллю або піщану баню (кип'ятіння допускається проводити в термостаті протягом 30 хв при температурі 150°С).

Кип'ятіння розчину слід продовжувати 5 хв (без виділення пари з воронки); воно повинно бути ледве помітним, тобто виділення бульбашок вуглекислоти, що утворюються від окислення органічних речовин ґрунту, має бути рясним, при цьому бульбашки повинні бути трохи більше макового зерна. Відлік часу кип'ятіння починають з моменту появи першої відносно великої бульбашки газу.

У процесі кип'ятіння забарвлення розчину повинно змінюватися з помаранчевого в буро-коричневе. Якщо з'являється зелене забарвлення, що говорить про повну витрату хромової кислоти і можливій нестачі її на окислення гумусу, дослід слід повторити, зменшивши наважку ґрунту.

Після закінчення кип'ятіння колбу слід зняти з плитки (бані) або вийняти з термостата, обмити воронку невеликою кількістю води, дати колбі охолонути до кімнатної температури і провести титрування.

Титрування надлишку хромової суміші слід проводити у присутності фенілантранілової кислоти. Перед титруванням необхідно обмити горло колби із промивалки дистильованою водою (кількість води не повинна перевищувати 20 мл), додати 5-6 крапель 0,2%-ного розчину фенілантранілової кислоти і титрувати розчином солі Мора (0,2 н.) До переходу забарвлення в зелене. Розчин солі Мора під кінець титрування слід доливати по краплях, весь час перемішуючи розчин енергійним збовтуванням.

Перед початком або в кінці випробування слід провести дослід без ґрунту для встановлення співвідношення між розчинами хромової суміші й солі Мора в умовах, аналогічних до раніше проведених. У дві конічні колби ємністю 100 мл слід налити 10 мл хромової суміші, для рівномірності кипіння додати на кінчику тонкого шпателя приблизно 0,2 г розтертої на порошок прожареної пемзи (використовувати для цієї мети пісок не допускається) і вміст в колбах кип'ятити 5 хв, як зазначено вище. Після охолодження прокип'ячену хромову суміш слід титрувати 0,2 н розчином солі Мора і визначити середню з двох дослідів кількість солі Мора, витраченої на титрування 10 мл хромової суміші.

Визначення органічного вуглецю слід проводити у двох паралельних випробуваннях. Доцільно спочатку провести одне визначення органічного вуглецю для серії наважок грунтів, потім підрахувати результати і провести повторне визначення для тих самих зразків, але з уточненими наважками [9].

2.3.3 Обробка результатів

Кількість органічного вуглецю Сорг у відсотках на суху наважку ґрунту слід обчислити за формулою:

а - кількість розчину солі Мора, витрачений на титрування 10 мл хромової суміші в «досліді з пемзою», мл;

b - кількість солі Мора, витрачена на титрування надлишку хромової суміші в досвіді з грунтом, мл;

н - нормальність розчину солі Мора, що встановлюється за її титрування розчином перманганату (0,1 н);

0,003 - величина 1 мгс.-екв. вуглецю ;

г - наважка сухого ґрунту, г.

Для перерахунку повітряної сухої наважки на суху застосовують коефіцієнт: Wг - гігроскопічна вологість ґрунту.

При наявності в грунті хлоридів для перерахунку Сорг застосовують коефіцієнт К1.

2.4 Метод сухого спалювання

Окислення вуглецю безкарбонатнї наважки ґрунту необхідно проводити спалюванням цієї наважки в потоці кисню при температурі 950-1000°С до припинення виділення вуглекислого газу, який обчислюється газооб'ємним методом, з послідуючим перерахунком на вуглець [1].

2.4.1 Підготовка установки до випробування

Для підготовки установки до випробування потрібно посудину 17 і каліаппарат 2 наповнити 40%-ним розчином калію, гідрату окису. У мірну склянку 16 налити 450 мл дистильованої води, додати кілька крапель сірчаної кислоти і 2-3 краплі метилоранжа (забарвлена рідина). У сорочку газовимірювальної бюретки 14 і сорочку холодильника 10 слід налити дистильовану воду.

Газометр 1 слід наповнити киснем, колонку для сушіння газів 3 - вапном або аскаритом, колонку для сушіння газів 4 - безводним хлористим кальцієм. В U-подібну трубку 7 слід помістити скляну вату, а в порцелянову трубку 6 - мідну сітку з боку, зверненої до U-подібній трубці. У посудину 8 належить налити розчин хромового ангідриду в сірчаній кислоті, а в посудину 9 - розчин двохромовокислого калію в сірчаній кислоті.

Установку слід перевірити на герметичність. Установка герметична, якщо рівні розчинів в посудині 17 і вимірювальної бюретці 14 залишаються без змін протягом 10-15 хв. Якщо установка негерметична, її слід розібрати, протерти всі крани м'якою тканиною, змазати вазеліном, зібрати і знову перевірити на герметичність. Порцелянову трубку 6 і човники для спалювання слід прожарити в струмі кисню при температурі 1000°С.

Човники слід зберігати в ексикаторі.

Шліф кришки ексікатора не слід покривати змащуючими речовинами, так як кисень вибухонебезпечний при попаданні масел.

При герметичності через установку слід пропустити кисень протягом 15-20 хв при температурі печі 1000°С, після чого провести дослід без човника. Досвід без човника слід проводити так само, як і спалювання, але при цьому показання шкали 15 після поглинання газів калій їдким повинно бути нульовим. Якщо рівень рідини в бюретці 14 після обробки газів калій їдким став вище нуля, досвід без човника слід повторити.

Рис. 2.2 Установка для визначення вуглецю органічних сполук сухим спалюванням

1 - газометр з киснем, 2 - каліаппарат з калій їдким, 3 - колонка для сушіння газів з аскаритом або вапном, 4 - колонка для сушіння газів з хлористим кальцієм, 5 - піч електрична трубчаста горизонтальна; 6 - трубка порцелянова або кварцова, 7 - трубка U-подібна зі скляною ватою для утримування механічних домішок; 8 - посудини поглинальні з розчином хромового ангідриду в сірчаній кислоті для утримання оксидів сірки; 9 - посудини поглинальні з розчином двохромовокислого калію в сірчаній кислоті, для утримання оксидів азоту, 10 - холодильник; 11 - кран триходовий, 12 - кран для з'єднання газовимірювальної бюретки з атмосферою, 13 - термометр; 14 - газовимірювальна бюретка № 2, 15 - рухома шкала газовимірювальної бюретки; 16 - склянка мірна

2.4.2 Підготовка проби до випробування

Перед спалюванням ґрунту слід перевірити його на карбонатність: для цього з підготовленого до випробування зразка ґрунту способом квадратів слід взяти середню пробу (1 г) в фарфорову чашку і додати 2-3 краплі 10%-ної соляної кислоти. Якщо скипання відсутнє, карбонатів немає, закипання сильне і тривале - карбонатів менше 10%, закипання бурхливе і тривале - карбонатів більше 10%. Карбонати повинні бути видалені способом, що виключає розкладання органічної речовини.

Для руйнування карбонатів слід застосовувати розчин 5%-ної сірчаної кислоти. У фарфоровий тигель ємністю 50 мл необхідно взяти способом квадратів середню пробу ґрунту вагою 3 г, налити 3-4 мл дистильованої води, перемішуючи грунт скляною паличкою. Потім в тигель з бюретки чи роздільної воронки налити розчин 5%-ної сірчаної кислоти. Щоб уникнути бурхливого скипання та розбризкування суспензії, кислоту слід лити невеликими порціями, весь час перемішуючи грунт. При припиненні виділення бульбашок газу, що утворюються при реакції, необхідно перевірити рН суспензії за допомогою індикаторного універсального паперу (рН 1-10). Доводячи реакцію суспензії до кислої (рН 5,5-5,0), додають ще 0,5 мл розчину 5%-ної сірчаної кислоти. Після ретельного перемішування виймають скляну паличку з тигля і обережно змивають її дистильованою водою з промивалки. Переносять тигель на плитку із закритою спіраллю, кип'ятять суспензію протягом 5 хв при слабкому нагріванні і перевіряють реакцію рідини за допомогою індикаторного паперу.Якщо рН суспензії зберігається кислим, то руйнування карбонатів закінчено. При наявності лужної реакції (рН> 7) додають ще трохи сірчаної кислоти і знову кип'ятять суспензію 5 хв.

Після закінчення руйнування карбонатів тигель знімають з плитки. Нейтралізують суспензію і визначають реакцію на індикаторному папері, додаючи по краплях 2%-ний розчин натру їдкого до рН 6,5.

Тигель потрібно перенести на піщану баню, випарувати вміст, а потім висушити в сушильній шафі протягом 5 год.

Після охолодження в ексикаторі тиглі з осадами слід зважити з похибкою ± 0,0002 г.

Для розрахунку вуглецю необхідно встановити співвідношення між початковою вагою взятого ґрунту і його вагою після руйнування карбонатів:

m1 - вага повітряно-сухої проби до руйнування карбонатів, г;

m2 - вага висушеної проби після руйнування карбонатів, г.

Примітки: 1. У процесі кислотної обробки відбуваються руйнування карбонатних мінералів і утворення сірчанокислих солей. При цьому вага проби ґрунту, як правило, збільшується;

2. До визначення вуглецю висушену пробу слід зберігати в ексикаторі.

З некарбонатного розтертого ґрунту слід взяти наважку з похибкою ± 0,0002 г для визначення вуглецю органічних сполук.

Величина навішування визначається передбачуваним змістом гумусу:

для пісків................ 1 г

для глин............... 0,5 г

для грунтів з вмістом гумусу більше 10% ... 0,01-0,03 г.

органічний ґрунт гумусоутворення лабораторний

2.4.3 Проведення випробування

Визначення вуглецю органічних сполук слід проводити за допомогою установки. Газовимірювальну бюретку 14 потрібно заповнити доверху пофарбованою рідиною з мірної склянки 16, для чого відкрити кран 12 і підняти мірну склянку у верхнє положення, потім кран 12 закрив.

Наважку ґрунту слід помістити в попередню прокалений човник, присипати зверху кварцовою пудрою для запобігання спалаху і за допомогою гачка ввести човник в центральну частину порцелянової трубки 5, попередньо нагрітій до 950-1000°С, потім швидко закрити трубки 6 пробкою, через отвір в який подається кисень для спалювання, для чого слід відкрити кран газометра 1 і пустити кисень зі швидкістю 3-4 бульбашки в секунду. Рахунок бульбашок ведеться в каліаппарате 2.

Кран 11, що з'єднує порцелянову трубку 6 з вимірювальною бюреткою 14, деякий час (~ 30 с) слід тримати закритим, щоб початок спалювання проходив під тиском. Потім кран 11 слід відкрити, поєднуючи порцелянову трубку 6 з вимірювальною бюреткою 14. Газова суміш (кисень і вуглекислий газ) з порцелянової трубки 6, пройшовши емності 7,8,9 і холодильник 10, надходить у вимірювальну бюретку 14, витісняючи забарвлену рідину. Заповнення бюретки газом триває близько 3 хв. Потім слід припинити подачу кисню, закрити кран газометра 1 і для герметизації вимірювальної бюретки закрити кран 11. Переміщуючи мірну склянку 16, слід встановити поверхню рідини в ній на одному рівні з рідиною в бюретці 14 і з цими рівнями поєднати нульовий розподіл рухомох шкали 15 бюретки 14.

Поставивши кран 11 в положення, що з'єднує вимірювальну бюретку 14 із посудиною 17, і піднімаючи мірну склянку 16 в верхнє становище, слід перевести газову суміш з бюретки 14 в посудину 17; потім, опускаючи мірну склянку 16, слід перевести газ з ємності 17 назад у бюретку 14. Цю операцію повторюють двічі для кращого поглинання вуглекислого газу.

Потім слід закрити кран 11, що з'єднує бюретку 14 із посудиною 17, і встановити поверхню рідини в мірній склянці 16 на одному рівні з рідиною в бюретці 14. Відлік положення цього рівня за шкалою 15 бюретки дає кількість вуглекислого газу, поглиненої в посудині 17, тобто вміст вуглецю в аналізованій наважці.

Після переведення газу з посудини 17 в бюретку 14 перед відліком рівня рідини необхідно встановити повне стікання крапель рідини із стінок бюретки (зазвичай близько 1 хв).

Операцію зі спалювання наважкия ґрунту в потоці кисню повторюють 4-6 разів до припинення виділення вуглекислого газу. Для розрахунку вмісту вуглецю в наважці ґрунту слід підсумувати кількість вуглекислого газу, який виділився при її спалюванні. Після випробування слід виміряти температуру газу в бюретці 14 по термометру 13 і атмосферний тиск по барометру [9].

2.4.4 Обробка результатів

Кількість органічного вуглецю Сорг у відсотках слід обчислювати за формулою:

а - показання шкали газовимірювальної бюретки (сума відліків) вмісту органічного вуглецю в пробі, %;

р - поправочний коефіцієнт на температуру;

г - вага проби, г.

Для перерахунку повітряно-сухої наважки на суху слід застосовувати коефіцієнт К. Обчислена величина С (орг) для карбонатного ґрунту визначає вміст органічного вуглецю у відсотках у грунті, з якого видалені карбонати (нерозчинний залишок).

Перерахунок С (огр) на карбонатний грунт слід проводити за формулою:

К2 - поправка на утримання.

Висновки

1. Органічна речовина ґрунту - це комплекс органічних сполук, які входять до складу ґрунту. Органічна речовина ґрунту утворюється при розкладі мертвих організмів, їх частин і екскрементів.

2. В процесі розкладання відмерлих решток рослин, тварин і мікроорганізмів грунт збагачується речовинами індивідуальної природи. Вони становлять 10-15 % загальної маси органічних речовин ґрунту. Найпоширенішими в ґрунтах є такі неспецифічні органічні речовини: азотисті сполуки, вуглеводи, ліпіди, ароматичні сполуки.

3. Потрапляючи до ґрунту, органічні рештки піддаються різним механічним, біохімічним і фізико-хімічним перетворенням. Перша фаза розкладу органічних залишків - їх фізичне руйнування, подрібнення. Друга фаза - гідроліз органічних речовин: білки, наприклад, розщеплюються на пептиди, а потім - на амінокислоти; вуглеводи, такі як целюлоза, крохмаль - на моносахариди; уронові кислоти, жири - на гліцерин і жирні кислоти; лігнін, смоли, дубильні речовини - на ароматичні сполуки. Третя фаза розкладу - окисно-відновні процеси, що за допомогою ферменту оксиредуктази викликають повну мінералізацію органічних речовин: відбувається дезамінування амінокислот, декарбоксилування органічних кислот тощо.

4. Основними методами визначення органічної речовини в грунті є метод визначення рослинних залишків, оксидометричний метод і метод сухого спалювання.

Список використаної літератури

1. Назаренко І.І., Польчина С.М. Нікорич В.А. Ґрунтознавство: Підручник. - Чернівці: Книги - XXI, 2004. - 400 с.

2. Ковриго В.П., Кауричев И.С. Почвоведение с основами геологии. - М.: Колос, 2000. - 416 с.

3. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения. - М.: ВЛАДОС, 1999. - 384 с.

4. Чорний І.Б. Географія грунтів з основами ґрунтознавства: Навч. посібник. - К.: Вища школа, 1995. - 240 с.

5. Лозе Ж., Матье К. Толковый словарь по почвоведению: Пер. с франц. - М.: Мир, 1998. - 398 с.

6. Білявський Г.О., Падун М.М., Фурдуй Р.С. Основи загальної екології. - К.: Либідь, 1993. - 300 с.

7. Голубев И. Ф. Почвоведение с основами геоботаники / Голубев И. Ф. -- М., 1982. -- 280 с

8. Полупан Н. И. Полевой определитель почв / Полупан Н. И. -- К.: Урожай, 1981. -- 320 с.

9. ГОСТ 23740-79 Методы лабораторного определения содержание органических веществ

10. Органічна речовина ґрунту// http://bibliofond.ru - 2011.- 6 груд.

Размещено на Allbest.ru