В затруднительных случаях проводят изучение группового и фракционного состава гумуса и микробиологические исследования.

Общими принципами всех методов являются извлечение суммы неполярных и малополярных углеводородов из почвенного образца органическим растворителем и определение их концентрации в растворе с предварительной очисткой элюатов или без нее.

Предварительную очистку выделенных нефтепродуктов от примесей, мешающих определению соединений, проводят хроматографическими методами (в тонком слое, на бумаге, в колонке). Наиболее точными и универсальными методами являются газожидкостная хроматография или инфракрасная спектроскопия.

Предлагаемая методика определения нефтепродуктов в почве основана на экстракции нефтепродуктов из почвы четыреххлористым углеродом с одновременной очисткой элюатов на оксдеи алюминия в колонке. Концентрации углеводородов в пробе определяются ИК-спектрометрическим методом (ИКС).

ИКС метод основан на измерении интенсивности С-Н-связей: метиленовых - СН₂ и метильных - CH₃ групп в области 2700–3100 см^-1. Количественное определение нефтепродуктов проводят по калибровочным графикам, полученным на основании искусственной смеси углеводородов.

Для определения содержания битумонозных веществ в объектах окружающей среды используется люминесцентный метод, который базируется на пропорциональной зависимости между концентрацией люминесцирующего вещества и интенсивностью люминесценции в области малых концентраций. При этом репрезентативность метода целиком зависит от правильности подбора эталонов.

Чувствительность ИКС метода определения нефтепродуктов в почве составляет 0,02 г/кг воздушно-сухой навески.

Приборы, посуда, реактивы: оксид алюминий безводный (перед употреблением реактив активируют прокаливанием при t=60010 °С в течение 4 ч.); углерод четыреххлористый (проверяют чистоту каждой партии на примеси органических соединений (наличие поглощения в области 2700–3100 см^-1) относительно четыреххлористого углерода, перегнанного при 76,60,2 °С и пропущенного через колонку с активированной окисью алюминия. При наличии примесей реактив перегоняют при 76,60,2°С); изооктан; гексадекан; бензол; кальций хлористый; вата, промытая четыреххлористым углеродом; аналитические весы; инфракрасный спектрометр типа ИКС-14, ИР-20, ИКС-2 и т.д.; неразборные и разборные кюветы с окошками из кристаллов NaCl; стеклянные цилиндры (от спектрофотометра СФ-16 или СФ-4) и держатели для соответствующих кювет к ИК спектрометру; пробирки стеклянные; хроматографическая колонка с внутренним диаметром 0,5–0,8 мм (рис. 2.4); штатив для колонок (рис.2.5); цилиндры мерные объемом 50, 100 мл; стаканы термостойкие мерные объемом 50, 100 мл; колбы мерные объемом 100 мл; пипетки на 1 мл и 5 мл; сушильный шкаф; аппарат для перегонки растворителя; фарфоровая ступка с пестиком; мешки из плотной ткани для хранения проб; сито с диаметром отверстий 0,50 мм; электрическая плитка.

Рис. 2.5. Штатив для колонок:

1, 2 – круги для размещения колонок и приемников для экстрактов соответственно; 3 – соединительные шпильки; 4 – крепежные болты; 5 – основание

Рис. 2.4. Хроматографическая

колонка:

1 – колонка, 2 – ватный тампон, 3 –Аl₂О₃, 4 – почва, 5 – растворитель

Подготовка образцов, реактивов и посуды к анализу. Из почвенных образцов в воздушно-сухом состоянии отбирают посторонние включения. Средние пробы образцов весом 30 г, подлежащие анализу, растирают в фарфоровой ступке и просеивают через сито 0,50 мм. Пробу квартуют и отбирают для анализа две параллельные пробы по 3–5 г. Если в пробе заведомо много нефтепродуктов, берут навеску 0,5–1,0 г (табл. 2.10).

На точность определения нефтепродуктов в большой степени влияет чистота посуды и применяемых реактивов. Вся используемая при анализе посуда (воронки, колонки, колбы, мерные стаканы, бюксы) должна быть тщательно вымыта и освобождена от следов жира путем встряхивания с небольшим количеством четыреххлористого углерода. Реактивы и растворитель должны быть очищены и перегнаны.

Таблица 2.10

Оптимальные условия экстракции нефтепродуктов из почв в колонке при комнатной температуре

Мешающие влияния. На результаты определения могут оказывать влияние углеводороды неспецифических составляющих почвенного гумуса. К числу таких соединений относятся разнообразные физиологически активные вещества, углеводы, аминокислоты, различные пигменты, за которыми в настоящее время закрепился термин "липиды". Критерием оценки их вклада является фоновый уровень содержания неполярных и малополярных соединений в пробе почвы, взятой в месте этого же региона, не подергавшемся загрязнению. Литературные данные свидетельствуют о том, что доля неполярных и малополярных углеводородов естественного происхождения в почвах разного типа колеблется от 0,04 до 1,0 г/кг, причем наиболее частыми значениями являются 0,20–0,05 г/кг.

Экстракция нефтепродуктов и очистка экстрактов. Экстракцию нефтепродуктов из почвенного образца и очистку элюата от примесей полярных углеводородов осуществляют одновременно в хроматографической колонке. Для этого готовят стеклянную колонку (1) (рис. 2.4), помещают в нее ватный тампон (2), насыпают навеску сорбента (Аl₂О₃) (3), смачивают его растворителем ССl₄, засыпают навеску пробы (4), сверху заливают тем же растворителем (5). Процесс извлечения осуществляют при комнатной температуре при истечении элюата в приемник (мерный цилиндр или стакан) со скоростью 0,1–0,2 мл/мин. По мере прокалывания растворителя его доливают в колонку. Объем элюата, достаточный для количественного извлечения нефтепродуктов из почв с различным уровнем концентрации, указан в табл. 2.10 , в которой приводятся оптимальные условия экстракции. Объем элюата при ИКС окончании тщательно замеряют.

Вклад в результаты анализа неконтролируемых факторов осуществляют с помощью постановки "пустого опыта". Для этого в каждой серии анализов ставят колонку, не содержащую пробу почвы, и пропускают 30 мл растворителя, как описано выше.

С целью интенсификации процесса экстракции стеклянные колонки рекомендуется располагать на штативе (рис. 2.5).

Штатив для колонок состоит из двух кругов, жестко скрепленных шпильками. В верхнем вырезаются специальные гнезда для закрепления колонок или просверливаются отверстия, если используются колонки без кранов на конце. Нижний круг предназначен для расположения приемников (мерных цилиндров). Вся система насаживается на ось для свободного вращения. Такого типа штатив может быть рассчитан на 15–20 колонок, что позволяет одновременно анализировать такое же количество проб.

ИК-спектрометрический анализ экстрактов.

Приготовление стандартных растворов и построение калибровочных кривых. Для построения калибровочной кривой в качестве стандартного раствора используют смесь, состоящую из 2,5 мл изооктана, 5,0 мл н-гексадекана и 2,5 мл бензола; систематическая ошибка при этом не превышает 1,0 %. Полученную смесь растворяют в ССl₄, в мерной колбе на 100 мл. Концентрация полученного раствора 77,80,8 мг/мл (раствор А). Из раствора А готовят два рабочих раствора Б. По 1,0 мл раствора (А) разбавляют в мерных колбах на 25 мл (раствор Б₁) и на 100 мл (раствор Б₂). Растворы Б₁ и Б₂ содержат 3,100,03 и 0,800,01 мг/мл соответственно и служат основными стандартными растворами. Две серии стандартных растворов с концентрациями 3,10; 0,60; 0,40; 0,20 и 0,10 мг/мл готовят последовательным разбавлением соответствующих основных растворов Б₁ и Б₂ четыреххлористым углеродом.

Одну кювету заполняют ССl₄, предварительно пропущенным через колонку с оксидом алюминия (кювета сравнения), другую – исследуемым раствором.

Измеряют интенсивность поглощения каждого раствора на инфракрасном спектрометре в интервале длин волн 2700–3100 см^-1.

Измерения проводят в неразборных или разборных кюветах (для концентрации нефтепродуктов ниже 1,0 г/кг). Разборные кюветы состоят из двух окошек из кристаллов NaCl (прилагаются к спектрометру) и стеклянного цилиндра длиной 10 мм (прилагается к спектрофотометру СФ-4А(СФ-16) или можно вырезать из тефлона).

Оптическую плотность рассчитывают методом базисной линии. Последнюю проводят как касательную к основанию двух пиков, соответствующих симметричным и асимметричным валентным колебаниям СН₂ и СН₃ групп, как показано на рис.2.6. Анализ ведут по полосе поглощения асимметричных валентных колебаний метиленовых групп (2926 см^-1) либо по сумме оптических плотностей двух или трех длин волн.

На регистрирующей ленте указывают дату анализа, маркировку пробы, толщину кюветы и объем элюата.

Оптическую плотность вычисляют по формуле:

где I₀, I – интенсивность падающего и прошедшего через раствор излучения. При анализе нефтепродуктов по одной длине волны I измеряют в максимуме поглощения полосы aS - СН₂ =2926 см^-1; I₀ – интенсивность потока в отсутствие поглощения.

Рис. 2.6. Измерение интенсивности поглощения раствора нефтепродуктов методом базовой линии: АВ – базовая линия; I₀, I – интенсивность падающего и прошедшего через раствор излучения

Далее строят калибровочные графики, откладывая по оси ординат оптическую плотность, по оси абсцисс – концентрацию нефтепродуктов (мг/мл) в пробе, пример калибровочного графика приведен на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Калибровочный график

Все стандартные растворы необходимо хранить только в стеклянной посуде с притертыми пробками при комнатной температуре в вытяжном шкафу.

Обработка результатов анализа

Содержание (г/кг) нефтепродуктов в пробе (Х) при ИКС аналитическом окончании определяют по формуле:

,

где С – концентрация нефтепродуктов в пробе, найденная по калибровочному графику, мг/мл; V – объем исходного элюата, мл; m – навеска пробы, г.

Метрологические характеристики. Вариационно-статистические характеристики ИК спектрометрического метода анализа почв на содержание в них нефтепродуктов представлены в табл. 2.11.

Таблица 2.11

Вариационно-статистические характеристики анализа нефтепродуктов в почве ИКС методом

Лабораторная работа № 12. Лихеноиндикация рекреационной

Нагрузки на пригородные биоценозы

Теоретическое обоснование

Помимо индикаторной реакции на загрязнение атмосферного воздуха поллютантами химической природы лишайники известны как организмы, высокочувствительные к рекреационной нагрузке на почву. Это их свойство используется при оценке качества почвы в местах активного отдыха, сбора ягод, грибов, выпаса скота и т.п. Как правило, некоторые виды эпигейных лишайников, являющиеся индикаторными на рекреационную нагрузку среды их обитания, исчезают из наземного покрова лесных фитоценозов раньше, чем многие мхи и цветковые растения.

Принцип метода. Лихеноиндикация рекреационной нагрузки на почву основана на том, что лишайниковый ярус наряду с моховым является наиболее чувствительным компонентом лесного фитоценоза. При вытаптывании лишайники ломаются, крошатся, а затем совсем исчезают. Многие виды лишайников способны возобновляться вегетативно (с помощью слоевища). Однако многократное прохождение людей по одному и тому же месту приводит к разрушению лишайниковых группировок (синузий) и появлению на их месте луговых и сорных растений, несвойственных данному местообитанию.

Лихеноиндикация рекреационной нагрузки наиболее подходит для сосновых и еловых лесов с развитым лишайниковым покровом. Для анализа берутся наземные (эпигейные) виды лишайников.

Условно по степени устойчивости к рекреационной нагрузке эти лишайники можно разделить на три группы: слабо-, средне-, и сильноустойчивые. Показателями антропогенной рекреационной нагрузки на лишайниковый ярус могут служить

общее проективное покрытие в %;

видовое разнообразие;

видовой состав доминантов в синузиях и процент проективного покрытия доминантов;

биомасса;

высота кустиков слоевищ лишайников родов Cladonia, Cladina, Cetraria.