Определение содержания общего азота в донных отложениях методом персульфатного окисления
|
Введение 6
1 Формирование донных отложений 10
1.1 Процесс формирования донных отложений 10
1.2 Основные физико-химические и биохимические процессы в донных
отложениях 11
2 Общий азот 14
2.1 Общий азот 14
2.2 Минеральный азот 14
2.3 Органический азот 16
3 Методы определения содержания общего азота в донных отложениях... 18
3.1 Макрометод Кьельдаля 18
3.2 Полумикрометод Кьельдаля 19
3.3 Метод Тюрина 21
3.4 Фотометрический феноловый метод 23
3.5 Фотометрический метод с использованием реактива Несслера 23
3.6 Фотометрический метод «индофеноловой зелени» по модификации
ЦИНАО 23
3.7 Метод спектрофотометрического анализа с использованием реакции
персульфатного окисления 24
4 Определение общего азота в донных отложениях методом
персульфатного окисления 27
4.1 Подготовка проб донных отложений к анализу 28
4.1.1 Проведение отбора проб донных отложений 28
4.1.2 Проведение подготовки проб донных отложений к анализу 28
4.2 Средства измерений, вспомогательное оборудование, материалы,
реактивы 29
4.3 Подготовка к выполнению измерений. Приготовление растворов и
реактивов 30
4.4 Построение градуировочного графика 31
4.5 Определение содержания общего азота в донных отложениях
водных объектов 34
4.6 Контроль качества результатов анализа донных отложений водных
объектов 35
4.7 Техника безопасности 41
4.7.1 Общие правила работы в лаборатории 41
4.7.2 Правила пожарной безопасности в лаборатории 42
4.7.3 Правила электробезопасности в лаборатории 43
4.7.4 Правила безопасной работы с химическими веществами 43
4.7.4.1 Общие правила работы с химическими веществами 43
4.7.4.2 Меры предосторожности при работе с серной кислотой 44
4.7.4.3 Меры предосторожности при работе с гидроксидом натрия.... 44
4.7.4.4 Меры предосторожности при работе с персульфатом калия.... 45
4.7.4.5 Меры предосторожности при работе с салицилатом натрия.... 45
Заключение 46
Библиографический список 49
Приложение А
1 Формирование донных отложений 10
1.1 Процесс формирования донных отложений 10
1.2 Основные физико-химические и биохимические процессы в донных
отложениях 11
2 Общий азот 14
2.1 Общий азот 14
2.2 Минеральный азот 14
2.3 Органический азот 16
3 Методы определения содержания общего азота в донных отложениях... 18
3.1 Макрометод Кьельдаля 18
3.2 Полумикрометод Кьельдаля 19
3.3 Метод Тюрина 21
3.4 Фотометрический феноловый метод 23
3.5 Фотометрический метод с использованием реактива Несслера 23
3.6 Фотометрический метод «индофеноловой зелени» по модификации
ЦИНАО 23
3.7 Метод спектрофотометрического анализа с использованием реакции
персульфатного окисления 24
4 Определение общего азота в донных отложениях методом
персульфатного окисления 27
4.1 Подготовка проб донных отложений к анализу 28
4.1.1 Проведение отбора проб донных отложений 28
4.1.2 Проведение подготовки проб донных отложений к анализу 28
4.2 Средства измерений, вспомогательное оборудование, материалы,
реактивы 29
4.3 Подготовка к выполнению измерений. Приготовление растворов и
реактивов 30
4.4 Построение градуировочного графика 31
4.5 Определение содержания общего азота в донных отложениях
водных объектов 34
4.6 Контроль качества результатов анализа донных отложений водных
объектов 35
4.7 Техника безопасности 41
4.7.1 Общие правила работы в лаборатории 41
4.7.2 Правила пожарной безопасности в лаборатории 42
4.7.3 Правила электробезопасности в лаборатории 43
4.7.4 Правила безопасной работы с химическими веществами 43
4.7.4.1 Общие правила работы с химическими веществами 43
4.7.4.2 Меры предосторожности при работе с серной кислотой 44
4.7.4.3 Меры предосторожности при работе с гидроксидом натрия.... 44
4.7.4.4 Меры предосторожности при работе с персульфатом калия.... 45
4.7.4.5 Меры предосторожности при работе с салицилатом натрия.... 45
Заключение 46
Библиографический список 49
Приложение А
Актуальность. Одной из главных экологических проблем водоемов является эвтрофикация [1]. Увеличение биологической продуктивности водоемов является частью естественного процесса, который иногда называют "старением воды", и является проявлением естественной эволюции всех водоемов. Но бывает так, что ускоренная эвтрофикация многих водоемов является результатом масштабной деятельности человека [2]. Рост потока биогенных элементов с водосборной территории за счет интенсификации промышленности и сельского хозяйства и урбанизации приводит к антропогенной эвтрофикации, вследствие которой увеличивается продуктивность водоемов и поступление органического вещества на дно. Эвтрофикация вод суши - широко распространенное явление несмотря на снижение антропогенной нагрузки в настоящее время на многие водные экосистемы [1].
Азот и фосфор среди биогенных элементов считаются основными загрязнителями [3, 4]. Поэтому они являются важными показателями качества донных отложений [5]. Эти элементы очень важны для надлежащего существования флоры и фауны, но их избыточное количество в водной среде может нанести ущерб [6].
Донные отложения - важнейший фактор регулирования биогенных веществ в водной толще водоема: они активно участвуют во внутриводоемном круговороте веществ, накапливая, трансформируя и выделяя их обратно в воду. С увеличением трофности водоема роль донных отложений становится более важной, и в эвтрофных водоемах донные отложения могут служить источником вторичного загрязнения [7].
В настоящее время содержание загрязняющих веществ в донных отложениях российскими нормативными документами на федеральном уровне не регламентируется, однако существует возможность оценивать степень загрязнения донных отложений в контролируемом районе на основе соответствия уровня содержания загрязняющих веществ критериям экологической оценки загрязненности грунтов по «берлинским», «бранденбургским» и «голландским листам» [8]. Так, например, существует региональный норматив «Нормы и критерии оценки загрязненности донных отложений в водных объектах Санкт-Петербурга» [9], который был разработан в рамках российско-голландского сотрудничества по программе Р8О 95/КГ/3/1 «Извлечение и удаление загрязненных донных отложений в Санкт-Петербурге». За основу документа приняты нормы, предложенные Агентством по охране окружающей среды Голландии (Т)СМР), Центром исследования почв и грунтов (ТЫО) и фирмой "НЛЗКОЫХЫС.
Однако, в 2014 году Министерством природных ресурсов и экологии РФ был издан приказ «Об утверждении методических указаний по осуществлению государственного мониторинга водных объектов в части организации и проведения наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях водных объектов» [10]. В нем предложены способы оценки загрязнения водных объектов по результатам исследования донных отложений с помощью расчета коэффициента донной аккумуляции и коэффициента загрязнения.
Таким образом, определение содержания общего азота в донных отложениях является актуальной задачей экологического мониторинга.
Цель работы - адаптация метода спектрофотометрического анализа с использованием реакции персульфатного окисления, используемого для определения содержания общего азота в природных и очищенных сточных водах, для анализа донных отложений.
Задачи
1. Проанализировать литературные данные о методах определения содержания общего азота в природных водных объектах.
2. Подобрать оптимальный диапазон определяемых концентраций общего азота для выбранного метода персульфатного окисления.
3. Апробировать разработанную методику на реальных объектах исследования.
4. Проверить точность предлагаемого метода анализа и оценить достоверность полученных экспериментальных данных.
Научная новизна. Впервые было определено содержание общего азота в донных отложениях спектрофотометрическим методом анализа с использованием реакции персульфатного окисления. Проведена количественная оценка общего азота в донных отложениях следующих водных объектов: река Иня, озеро Телецкое, Новосибирское водохранилище, река Обь.
Выпускная квалификационная работа выполнена в химико-аналитическом центре ИВЭП СО РАН в рамках госзадания ИВЭП СО РАН по проекту 0383-2019-0002 «Климатические и экологические изменения и региональные особенности их проявления на территории Сибири по данным палеоархивов и атмосферных осадков» (номер госрегистрации АААА-А17- 117041210242-1).
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы были представлены на:
• VI Региональной молодежной конференции «Мой выбор -
наука!», АлтГУ, 17 - 27 апреля 2019 года, г. Барнаул.
• XXI Городской научно-практической конференции молодых
ученых «Молодежь - Барнаулу», 5 - 13 ноября 2019 года, г. Барнаул.
• VII Региональной молодежной конференции «Мой выбор -
наука!», АлтГУ, 20 - 25 апреля 2020 года, г. Барнаул.
• XIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности», НР БТИ АлтГТУ, 20 - 22 мая 2020 года, г. Бийск.
Результаты работы опубликованы:
• О. Н. Томозова, Е. А. Овчаренко, Е. Г. Ильина. Выбор оптимального метода определения содержания общего азота в донных отложениях // «Мой выбор - наука!»: сборник материалов VI региональной молодежной конференции, XLVI научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и учащихся лицейных классов. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2020. С. 1427 - 1430.
• Tomozova O. N. Selection of optimal conditions for spectrophotometric determination of total nitrogen in bottom sediments // Молодежь - Барнаулу: материалы XXI городской научно-практической конференции молодых ученых / гл. ред. Ю.В. Анохин. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2019. С. 487 - 488.
• О. Н. Томозова, Е. А. Овчаренко, Т. С. Папина, Е. Г. Ильина. Метод добавок как один из прецизионных методов контроля стабильности результатов анализа донных отложений методом персульфатного окисления // Сборник материалов XIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности». Бийск, 2020. С. 384 - 389.
Азот и фосфор среди биогенных элементов считаются основными загрязнителями [3, 4]. Поэтому они являются важными показателями качества донных отложений [5]. Эти элементы очень важны для надлежащего существования флоры и фауны, но их избыточное количество в водной среде может нанести ущерб [6].
Донные отложения - важнейший фактор регулирования биогенных веществ в водной толще водоема: они активно участвуют во внутриводоемном круговороте веществ, накапливая, трансформируя и выделяя их обратно в воду. С увеличением трофности водоема роль донных отложений становится более важной, и в эвтрофных водоемах донные отложения могут служить источником вторичного загрязнения [7].
В настоящее время содержание загрязняющих веществ в донных отложениях российскими нормативными документами на федеральном уровне не регламентируется, однако существует возможность оценивать степень загрязнения донных отложений в контролируемом районе на основе соответствия уровня содержания загрязняющих веществ критериям экологической оценки загрязненности грунтов по «берлинским», «бранденбургским» и «голландским листам» [8]. Так, например, существует региональный норматив «Нормы и критерии оценки загрязненности донных отложений в водных объектах Санкт-Петербурга» [9], который был разработан в рамках российско-голландского сотрудничества по программе Р8О 95/КГ/3/1 «Извлечение и удаление загрязненных донных отложений в Санкт-Петербурге». За основу документа приняты нормы, предложенные Агентством по охране окружающей среды Голландии (Т)СМР), Центром исследования почв и грунтов (ТЫО) и фирмой "НЛЗКОЫХЫС.
Однако, в 2014 году Министерством природных ресурсов и экологии РФ был издан приказ «Об утверждении методических указаний по осуществлению государственного мониторинга водных объектов в части организации и проведения наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях водных объектов» [10]. В нем предложены способы оценки загрязнения водных объектов по результатам исследования донных отложений с помощью расчета коэффициента донной аккумуляции и коэффициента загрязнения.
Таким образом, определение содержания общего азота в донных отложениях является актуальной задачей экологического мониторинга.
Цель работы - адаптация метода спектрофотометрического анализа с использованием реакции персульфатного окисления, используемого для определения содержания общего азота в природных и очищенных сточных водах, для анализа донных отложений.
Задачи
1. Проанализировать литературные данные о методах определения содержания общего азота в природных водных объектах.
2. Подобрать оптимальный диапазон определяемых концентраций общего азота для выбранного метода персульфатного окисления.
3. Апробировать разработанную методику на реальных объектах исследования.
4. Проверить точность предлагаемого метода анализа и оценить достоверность полученных экспериментальных данных.
Научная новизна. Впервые было определено содержание общего азота в донных отложениях спектрофотометрическим методом анализа с использованием реакции персульфатного окисления. Проведена количественная оценка общего азота в донных отложениях следующих водных объектов: река Иня, озеро Телецкое, Новосибирское водохранилище, река Обь.
Выпускная квалификационная работа выполнена в химико-аналитическом центре ИВЭП СО РАН в рамках госзадания ИВЭП СО РАН по проекту 0383-2019-0002 «Климатические и экологические изменения и региональные особенности их проявления на территории Сибири по данным палеоархивов и атмосферных осадков» (номер госрегистрации АААА-А17- 117041210242-1).
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы были представлены на:
• VI Региональной молодежной конференции «Мой выбор -
наука!», АлтГУ, 17 - 27 апреля 2019 года, г. Барнаул.
• XXI Городской научно-практической конференции молодых
ученых «Молодежь - Барнаулу», 5 - 13 ноября 2019 года, г. Барнаул.
• VII Региональной молодежной конференции «Мой выбор -
наука!», АлтГУ, 20 - 25 апреля 2020 года, г. Барнаул.
• XIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности», НР БТИ АлтГТУ, 20 - 22 мая 2020 года, г. Бийск.
Результаты работы опубликованы:
• О. Н. Томозова, Е. А. Овчаренко, Е. Г. Ильина. Выбор оптимального метода определения содержания общего азота в донных отложениях // «Мой выбор - наука!»: сборник материалов VI региональной молодежной конференции, XLVI научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и учащихся лицейных классов. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2020. С. 1427 - 1430.
• Tomozova O. N. Selection of optimal conditions for spectrophotometric determination of total nitrogen in bottom sediments // Молодежь - Барнаулу: материалы XXI городской научно-практической конференции молодых ученых / гл. ред. Ю.В. Анохин. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2019. С. 487 - 488.
• О. Н. Томозова, Е. А. Овчаренко, Т. С. Папина, Е. Г. Ильина. Метод добавок как один из прецизионных методов контроля стабильности результатов анализа донных отложений методом персульфатного окисления // Сборник материалов XIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности». Бийск, 2020. С. 384 - 389.
Эвтрофикация - чрезмерный рост растений и водорослей в водах вследствие большого количества в них растворенных биогенных веществ, а также продуктов их разложения [50]. Эвтрофикация является вполне обычным явлением, возникающим во внутренних водных экосистемах. Этот процесс происходит в поверхностных водах, но в первую очередь относится к стоячим водам, для которых особенно характерно накопление биогенных элементов [51]. Ускоренная (или избыточная) эвтрофикация многих водоемов является результатом масштабной деятельности человека.
Избыточное накопление такого макроэлемента, как азот в водоемах приводит к интенсивному развитию фитопланктона (цветению воды), нарушению газового режима, отложению донных осадков. При разложении органических веществ, кроме того, образуются токсические продукты: трупные яды, аммиак, нитриты и нитраты, гидразин, гидроксиламин, сероводород, перекисные соединения, альдегиды и кетоны. Поэтому гибель рыб в таких водоемах, как правило, происходит от комплекса факторов: нарушения газового режима водоемов и отравления названными ядовитыми веществами.
Многочисленные исследования показывают, что загрязнение природных вод биогенными элементами происходит прежде всего в тех случаях, когда нарушается технология внесения удобрений в почву, после чего происходит сток вод с полей в водоемы [52]. В то же время, ограничивающим фактором биологической продуктивности водоемов является низкое соотношение азота. Содержание общего азота в донных отложениях водоемов является показателем, который используется в гигиенических и технологических нормативных документах и определяет возможность их дальнейшего применения [53]. Донные отложения являются системой, накапливающей информацию об истории развития водоема и процессах на водосборных территориях. Это свойство определяет их использование в качестве индикатора при оценке состояния водных систем и контроле загрязнения [54].
Анализ литературных данных показал, что оптимальным методом для определения содержания общего азота в донных отложениях в лаборатории химико-аналитического центра ИВЭП СО РАН, где проводилось выполнение эксперимента, является его спектрофотометрическое определение после окисления персульфатом калия до нитратов.
Были подобраны оптимальные условия для калибровки спектрофотометра по стандартным образцам (Reference NCS DC73319).
Разработанная методика применена для определения содержания общего азота в донных отложениях водных объектов.
С помощью метода добавок была доказана достоверность выбранной методики определения содержания общего азота в донных отложениях и оценена достоверность результатов анализа донных отложений водных объектов.
Таким образом, по проделанной работе можно сделать следующие выводы:
1. Анализ литературных данных подтвердил, что для анализа содержания общего азота в донных отложениях наиболее приемлемым является его спектрофотометрическое определение после окисления персульфатом калия до нитратов.
2. Экспериментально подобранный оптимальный диапазон определяемых концентраций общего азота в донных отложениях составляет от 5,4 мкг/г до 80,0 мкг/г. Для этого интервала концентраций была получена линейная зависимость оптической плотности от концентрации общего азота со значением коэффициента аппроксимации 0,9963.
3. Разработанная методика применена для определения содержания общего азота в донных отложениях следующих водных объектов: река Иня, озеро Телецкое, Новосибирское водохранилище, река Обь.
4. Методом добавок с использованием референсного материала Reference (NCS DC73319) была доказана достоверность предлагаемой методики определения содержания общего азота в донных отложениях, а также достоверность полученных нами результатов анализа образцов донных отложений исследуемых водных объектов.
Избыточное накопление такого макроэлемента, как азот в водоемах приводит к интенсивному развитию фитопланктона (цветению воды), нарушению газового режима, отложению донных осадков. При разложении органических веществ, кроме того, образуются токсические продукты: трупные яды, аммиак, нитриты и нитраты, гидразин, гидроксиламин, сероводород, перекисные соединения, альдегиды и кетоны. Поэтому гибель рыб в таких водоемах, как правило, происходит от комплекса факторов: нарушения газового режима водоемов и отравления названными ядовитыми веществами.
Многочисленные исследования показывают, что загрязнение природных вод биогенными элементами происходит прежде всего в тех случаях, когда нарушается технология внесения удобрений в почву, после чего происходит сток вод с полей в водоемы [52]. В то же время, ограничивающим фактором биологической продуктивности водоемов является низкое соотношение азота. Содержание общего азота в донных отложениях водоемов является показателем, который используется в гигиенических и технологических нормативных документах и определяет возможность их дальнейшего применения [53]. Донные отложения являются системой, накапливающей информацию об истории развития водоема и процессах на водосборных территориях. Это свойство определяет их использование в качестве индикатора при оценке состояния водных систем и контроле загрязнения [54].
Анализ литературных данных показал, что оптимальным методом для определения содержания общего азота в донных отложениях в лаборатории химико-аналитического центра ИВЭП СО РАН, где проводилось выполнение эксперимента, является его спектрофотометрическое определение после окисления персульфатом калия до нитратов.
Были подобраны оптимальные условия для калибровки спектрофотометра по стандартным образцам (Reference NCS DC73319).
Разработанная методика применена для определения содержания общего азота в донных отложениях водных объектов.
С помощью метода добавок была доказана достоверность выбранной методики определения содержания общего азота в донных отложениях и оценена достоверность результатов анализа донных отложений водных объектов.
Таким образом, по проделанной работе можно сделать следующие выводы:
1. Анализ литературных данных подтвердил, что для анализа содержания общего азота в донных отложениях наиболее приемлемым является его спектрофотометрическое определение после окисления персульфатом калия до нитратов.
2. Экспериментально подобранный оптимальный диапазон определяемых концентраций общего азота в донных отложениях составляет от 5,4 мкг/г до 80,0 мкг/г. Для этого интервала концентраций была получена линейная зависимость оптической плотности от концентрации общего азота со значением коэффициента аппроксимации 0,9963.
3. Разработанная методика применена для определения содержания общего азота в донных отложениях следующих водных объектов: река Иня, озеро Телецкое, Новосибирское водохранилище, река Обь.
4. Методом добавок с использованием референсного материала Reference (NCS DC73319) была доказана достоверность предлагаемой методики определения содержания общего азота в донных отложениях, а также достоверность полученных нами результатов анализа образцов донных отложений исследуемых водных объектов.