Oznaczanie całkowitej zawartości oraz biodostępności wybranych
advertisement
Zakład Chemii Środowiska Panel Chemia Środowiska Pracownia Specjalizacyjna Ćwiczenie 06 Oznaczanie całkowitej zawartości oraz biodostępności wybranych metali cięŜkich metodą płomieniowej atomowej spektrometrii absorpcyjnej (F-AAS) Prowadzący: Dr Paweł Miśkowiec ([email protected]) Miejsce wykonywania ćwiczenia: Zakład Chemii Środowiska, Wydział Chemii UJ ul. Gronostajowa 3 (III Kampus UJ), pok. 007, 015. © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ Wstęp Atomowa spektrometria absorpcyjna (ASA) jest techniką analityczną, której zadaniem jest oznaczenie zawartości wybranych pierwiastków chemicznych (głównie metali) w próbkach ciekłych, gazowych oraz stałych. Zasada pomiaru opiera się na zjawisku absorpcji promieniowania o specyficznej długości fali przez wolne atomy pierwiastka. Zastosowanie atomowej spektrometrii absorpcyjnej jest bardzo szerokie, od ochrony środowiska, poprzez analizę składu, chemię sądową aŜ do szeroko pojętych badań biologicznych, biochemicznych i medycznych. Podstawy metody i aparatura Spektroskopia jest nauką o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływania promieniowania na materię. W przypadku oddziaływania promieniowania na atomy mamy do czynienia ze spektrometrią atomową. Metody, których podstawą są widma atomowe moŜna najogólniej podzielić na metody absorpcyjne i emisyjne. Przykładem pierwszej jest absorpcyjna spektrometria atomowa (ASA, ang. AAS). Do drugich naleŜą np. historycznie pierwsza technika wzbudzania atomów: fotometria płomieniowa oraz tak nowoczesna jak plazmowa emisyjna spektrometria atomowa (ICP-AES). Metody spektrometrii atomowej oparte są na przejściach elektronów pomiędzy określonymi poziomami energetycznymi. W standardowych warunkach temperatury i ciśnienia atomy znajdują się w elektronowym stanie podstawowym, nie mają więc moŜliwości emitowania promieniowania. Elektrony będące w stanie podstawowym mogą jednakŜe pochłonąć promieniowanie o określonej długości fali i energii równej róŜnicy poziomów elektronowych w atomie. Następuje zjawisko absorpcji będące podstawą metod absorpcyjnych. Atom znajduje się więc w stanie wzbudzonym. Kolejnym etapem jest przejście elektronu na niŜszy poziom energetyczny, czemu towarzyszy emisja promieniowania o częstotliwości: ν = (E1 – E0)/h, gdzie E1 energia atomu na poziomie wzbudzonym, E0 energia atomu w stanie podstawowym, h – stała Plancka. Emisja promieniowania przez atomy będące w elektronowym stanie wzbudzonym jest podstawą metod emisyjnych. Podstawy teoretyczne powstawania widm atomowych najczęściej przedstawia się na przykładzie najprostszego widma – atomu wodoru. Widmo to składa się z szeregu tzw. linii widmowych1 układających się w zespoły zwane seriami. W seriach linie widmowe zagęszczają się w miarę przechodzenia w kierunku fal krótszych. Przejście elektronu w atomie wodoru związane z emisją bądź absorpcją promieniowania wiąŜe się ze zmianą jego głównej liczby kwantowej n. Długość fali (λ) (a co za tym idzie energię promieniowania), jaką naleŜy dobrać, aby nastąpiło przejście elektronu, bądź teŜ długość fali promieniowania emitowanego na skutek przejścia odwrotnego moŜna wyrazić wzorem: 1/λ = R (1/n12 – 1/n22), gdzie n1 i n2 to główne liczby kwantowe poziomów energetycznych, pomiędzy którymi nastąpiło przejście elektronu, a R to stała Rydberga wynosząca 0,0109677 nm-1. Długości fal odpowiadające liniom widmowym tych samych serii moŜna znaleźć podstawiając tę samą wartość n1 oraz róŜne wartości n2. 1 Linia widmowa, względnie wąski obszar w widmie emisyjnym lub absorpcyjnym atomu lub związku chemicznego, odpowiadający częstości fali emitowanej lub absorbowanej przez dane indywiduum chemiczne. 2 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ Równania dla długości fal poszczególnych serii widmowych atomu wodoru wyglądają więc następująco: 1. Seria Lymana 1/λ = R (1/12 - 1/n2), n = 2, 3, 4,…, 2. Seria Balmera 1/λ = R (1/22 - 1/n2), n = 3, 4, 5,…, 3. Seria Paschena 1/λ = R (1/32 - 1/n2), n = 4, 5, 6,…, 4. Seria Bracketa 1/λ = R (1/42 - 1/n2), n = 5, 6, 7,…, … itd. (rys.1) Energia Przeprowadzając odpowiednie obliczenia dla najbardziej prawdopodobnych przejść z poziomów n+1 oraz n+2 (czyli odpowiednio linii α oraz β) otrzymujemy: seria Lymana: 122 nm i 103 nm, seria Balmera: 656 nm i 486 nm – zakres widzialny, seria Paschena: 1876 nm i 1282 nm, seria Bracketa: 4052 nm i 2626 nm, Rys. 1. Cztery pierwsze serie widmowe atomu wodoru. 3 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ Absorpcyjna spektrometria atomowa Absorpcyjna spektrometria atomowa jest oparta na zjawisku absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez swobodne atomy. Podstawę metody moŜna w skrócie ująć w następujących punktach: 1. Źródłem analizowanych linii absorpcyjnych są atomy swobodne. 2. Swobodne atomy mogą absorbować promieniowanie o długościach fali, które mogą emitować. 3. Otrzymane widmo absorpcyjne jest charakterystyczne dla danego rodzaju atomów. W metodzie ASA badając absorpcję promieniowania przez swobodne atomy wykorzystuje się tzw. plazmę niskotemperaturową (do 4000 K). Liczba swobodnych atomów w plazmie jest wprost proporcjonalna do stęŜenia roztworu badanego. Absorbancja A natomiast w tej metodzie zaleŜna jest liniowo od liczby swobodnych atomów. Biorąc powyŜsze fakty pod uwagę moŜna zapisać: A=ε·b·N gdzie: ε - molowy współczynnik absorpcji (wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju atomów i określonej długości fali), b - długość drogi optycznej, N - ilość wolnych atomów na drodze promieniowania. Ilość wolnych atomów N moŜna zamienić na proporcjonalnie z nią związane stęŜenie atomów (c) w próbce, co w stałych warunkach pomiaru dla określonej długości fali daje liniową zaleŜność: A=a·c gdzie: a – współczynnik proporcjonalności. Linie widmowe mają kształt krzywych Gaussa, a ich szerokość moŜna wyrazić wzorem: ∆λ = 1/τ2 - 1/τ1 gdzie τ2 jest czasem Ŝycia stanu wzbudzonego a τ1 czasem Ŝycia stanu podstawowego. Zawsze jednak obserwujemy pewne poszerzenie linii widmowych, na które wpływają właściwości plazmy, m.in. jej temperatura i ciśnienie. Wpływ temperatury tłumaczy się Efektem Dopplera polegającym na tym, Ŝe obiekt absorbujący porusza się względem źródła emisji i detektora (gdy atom porusza się w stronę detektora, ν wzrasta i λ maleje, gdy atom oddala się od detektora, ν maleje i λ wzrasta). Wzrost natomiast ciśnienia gazu obojętnego (Efekt Lorenza) powoduje zwiększoną liczbę zderzeń między atomami, co skraca czas Ŝycia stanu wzbudzonego i zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga, powoduje poszerzenie linii widmowych. Wykorzystując liniową zaleŜność absorbancji od stęŜenia w metodzie ASA (jak i AES) pomiary ilościowe prowadzi się zazwyczaj metodą serii wzorców, jak równieŜ metodą dodatku wzorca. Aparatura Zasadniczymi elementami spektrometru absorpcji atomowej są (rys.2.): - źródło promieniowania, - układ wprowadzania próbki, - atomizer, - monochromator, - detektor, - wzmacniacz, - rejestrator (komputer). 4 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ Rys. 2. Schemat blokowy spektrometru absorpcji atomowej. Jako źródła promieniowania stosuje się dwa rodzaje lamp: 1. lampy z katodą wnękową (HCL), 2. lampy z wyładowaniem bezelektrodowym (EDL). Lampa HCL jest rurką wypełnioną neonem lub argonem, w której znajduje się anoda wykonana z wolframu oraz katoda wnękowa wykonana z metalu, którego linie rezonansowe2 lampa ma emitować. W lampie takiej wzbudzone dodatnio naładowane jony gazu szlachetnego bombardują katodę i wybijają z niej atomy metalu w procesie określanym często rozpylaniem jonowym. Wybite atomy w stanie gazowym ulegają wzbudzeniu, emitując następnie charakterystyczne promieniowanie. W przypadku kilku pierwiastków, jak As, Sb, Se, Te, nie moŜna zbudować lampy HCL, dlatego stosuje się lampy EDL, gdzie wzbudzenie atomów metalu następuje na skutek działania pola elektromagnetycznego o duŜej częstości. Zadaniem atomizerów jest wytworzenie swobodnych atomów danego pierwiastka z próbki analitycznej. NajwaŜniejszymi rodzajami atomizerów są: - atomizery płomieniowe, - atomizery elektrotermiczne, - atomizery wodorkowe, - atomizery wykorzystujące zimne pary rtęci. W atomizerach płomieniowych przejście od roztworu do gazu atomowego odbywa się poprzez : - nebulizację, czyli rozpylenie analizowanego roztworu i doprowadzenie go w postaci mgły do płomienia, - atomizację w płomieniu palnika, gdzie gazem utleniającym jest powietrze, tlen lub N2O a gazem palnym acetylen, gaz świetlny lub propan-butan. W najczęściej stosowanym układzie powietrze-acetylen, temperatura płomienia wynosi ok. 2300 °C. Szczegółowo procesy zachodzące w atomizerze przedstawia poniŜszy schemat: M+ rozpylenie desolwatacja topnienie parowanie atomizacja (dysocjacja termiczna) wzbudzenie jonizacja reakcje syntezy 2 + A− (roztwór) M+ + A− (aerozol) MA (ciało stałe) MA (ciecz) MA (gaz) M0 + A0 (gaz) M* (gaz) M+ + e− (gaz) M + O → MO i inn. Linia rezonansowa - linia widmowa związana z powrotem elektronu z poziomu rezonansowego (najniŜszego poziomu wzbudzonego) na poziom podstawowy. 5 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ NajwaŜniejszą z punktu widzenia analizy reakcją w płomieniu jest dysocjacja termiczna, dostarczająca swobodnych atomów. Inne reakcje, takie jak: jonizacja, wzbudzenie, czy reakcje syntezy obniŜają liczbę wolnych atomów, a zatem i czułość metody. W atomizerach elektrotermicznych stosuje się kuwety grafitowe. Podczas ogrzewania próbki następuje jej osuszenie, spopielenie i w fazie trzeciej – atomizacja. W technice atomizacji wodorkowej wytwarza się lotne wodorki metali, które ulegają rozkładowi termicznemu do swobodnych atomów w kuwecie absorpcyjnej. Technikę tę stosuje się do pierwiastków, które trudno przeprowadzić w stan pary, przede wszystkim grup 14-16 układu okresowego pierwiastków, takich jak Sn, Se, As. Szczególnym przypadkiem pod względem atomizacji jest rtęć. Jest ona jedynym metalem charakteryzującym się wyraźną pręŜnością pary w temperaturze pokojowej, nie reagując jednocześnie praktycznie z tlenem atmosferycznym. Dzięki temu, po redukcji do rtęci metalicznej, moŜna oznaczać ją w postaci pary w kuwecie przepływowej. Technika ta zwana jest techniką zimnych par. Monochromatory Monochromator umoŜliwia wydzielenie promieniowania o jednej długości fali zwanej linią rezonansową i przepuszczenie jej do detektora. W metodzie ASA jest to zazwyczaj układ szczelin i ruchomych zwierciadeł, dzięki którym moŜna wyizolować z widma szukaną długość fali. Detektory Zarówno w metodzie ASA jak i AES do pomiaru natęŜenia promieniowania słuŜą fotopowielacze, wzmacniające i przekształcające sygnał w postać cyfrową, w której to trafia on do komputera. UŜywany w ćwiczeniu absorpcyjny spektrometr atomowy AAnalyst 300 firmy Perkin Elmer wyposaŜony jest w: - automatyczny palnik, - programowalny układ kontroli płomienia i przepływu gazu, - automatyczny układ selekcji lamp przeznaczony do analiz wielopierwiastkowych, - dwuwiązkowy system optyczny, - automatyczny układ monochromatyczny kontroli długości fali i szerokości szczeliny, - deuterowy korektor tła, - sterowane przez centralny komputer systemy atomizacji i kontroli oprzyrządowania. 6 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ Mineralizacja Mineralizacja polega na rozkładzie i utlenieniu związków organicznych zawartych w próbce i przeprowadzeniu pozostałych składników do roztworu. Główne sposoby mineralizacji to mineralizacja na sucho oraz mineralizacja na mokro. Do grupy technik rozkładu próbek na sucho naleŜą między innymi: spopielanie, mineralizacja niskotemperaturowa w plazmie tlenowej, mineralizacja w tlenie, stapianie. Mineralizację na mokro moŜna prowadzić w systemach otwartych lub zamkniętych (ciśnieniowych): z zastosowaniem konwencjonalnego ogrzewania, z wykorzystaniem ultradźwięków, promieniami UV, z wykorzystaniem energii mikrofalowej. Rozkład matrycy odbywa się za pomocą jednego lub kilku mocnych kwasów mineralnych, czasami z dodatkiem innych związków o właściwościach utleniających. Utleniaczami są zazwyczaj HNO3, H2SO4, HCIO4 oraz H2O2. Obecnie jedną z popularniejszych metod rozkładu próbki jest zastosowanie mineralizacji ciśnieniowej wspomaganej energią mikrofalową. Technika ta powstała przez połączenie dwóch innych: mineralizacji ciśnieniowej w tzw. ,,bombach teflonowych” oraz mineralizacji przy uŜyciu energii mikrofal. W przypadku omawianej mineralizacji ciśnieniowej procesy rozkładu są dodatkowo wspomagane oddziaływaniem mikrofalowego promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości 2450 MHz. Promieniowanie jest bezpośrednio absorbowane przez polarne cząsteczki np. wodę czy kwasy nieorganiczne. Jest to duŜo efektywniejsze i szybsze źródło energii niŜ ogrzewanie klasyczne oparte na konwekcji i przewodnictwie cieplnym naczynia. Analizowana próbka reaguje z kwasami mineralnymi w podwyŜszonej temperaturze w zamkniętym naczyniu. Powstające w wyniku wydzielania gazów ciśnienie, umoŜliwia stosowanie wyŜszych temperatur, niŜ temperatury wrzenia kwasów w układach otwartych, a zatem skraca czas reakcji. Naczynia stosowane w mineralizacji mikrofalowej muszą być wykonane z materiału przepuszczającego promieniowanie mikrofalowe i jednocześnie odpornego na działanie stęŜonych kwasów. Obecnie najczęściej uŜywa się teflonu oraz kwarcu. Zaletami mineralizacji mikrofalowej są: dobra powtarzalność, stosunkowo prosta metodyka analizy, krótki czas przebiegu procesu, niewielkie zuŜycie odczynników, moŜliwość oznaczania w mineralizacji wielu pierwiastków w szerokim zakresie stęŜeń, ograniczone straty analitu, ograniczona moŜliwość zanieczyszczenia próbki, moŜliwość roztwarzania niewielkich odwaŜek analizowanego materiału (nawet rzędu 0,1 g), stosunkowo proste dostosowanie parametrów decydujących o mineralizacji (rodzaju i stęŜenia kwasów, mocy generatora, ciśnienia) do rodzaju analizowanych próbek. Wady mineralizacji mikrofalowej to przede wszystkim: wysoka cena aparatu, maksymalna masa mineralizowanej próbki w większości przypadków nie moŜe przekraczać 5 g, mała przepustowość mineralizacji, w przypadku aparatu jednostanowiskowego. 7 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ Metale cięŜkie w środowisku Termin metale cięŜkie nie jest ściśle zdefiniowany. W naukach biologicznych pojęcie to uŜywane jest często w odniesieniu do pierwiastków metalicznych oraz metaloidów odznaczających się toksycznością dla środowiska, w tym szczególnie dla człowieka. Jedna z szerzej akceptowanych definicji, określa metale cięŜkie jako pierwiastki metaliczne i metaloidy o liczbie atomowej wyŜszej niŜ 20 i gęstości większej niŜ 4,5g/cm3. Zgodnie z tak przyjętą definicją moŜemy wyróŜnić ok. 65 metali cięŜkich. Najbardziej znanymi pierwiastkami tej grupy są: As, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, Zn. Spośród wymienionych jedne są mikroelementami – pierwiastkami niezbędnymi do Ŝycia dla organizmów Ŝywych w niewielkich ilościach (np. Cr, Zn, Cu), inne zaś są szkodliwe dla organizmów, niezaleŜnie od stęŜenia, gdyŜ zaburzają podstawowe procesy metaboliczne (np. Cd, Hg, Pb). NajwaŜniejsze szkodliwe skutki oddziaływania na organizm człowieka wybranych metali cięŜkich oraz ich najwyŜsze dopuszczalne stęŜenia w glebach róŜnie uŜytkowanych przedstawia tabela 1. Tabela 1. Wpływ wybranych metali cięŜkich na organizm człowieka oraz dopuszczalne wartości stęŜeń metali w glebie lub ziemi wg Rozporządzenia Ministra Środowiska z dn. 9.09.2002. Metal Cd Pb Hg Zn Cu Ni Cr Skutki szkodliwego działania na organizm Odwapnienie i deformacja kości, zanik mięśni (choroba „itai-itai”) i węchu, nadciśnienie, nowotwory płuc, gruczołów rodnych, jamy ustnej. Bóle głowy, osłabienie pamięci, agresja, otępienie umysłowe, zaburzenia psychiczne, uszkodzenie nerek. Upośledzenie narządów zmysłów u dzieci niedorozwój umysłowy (choroba z Minamaty), u płodu niedorozwój mózgu, zmysłów, paraliŜ kończyn, drŜenie rąk i nóg, paraliŜ mowy. Niedobór – łysienie, karłowatość, ograniczenie funkcji rozrodczych. Nadmiar – niedokrwistość, obniŜenie przyswajalności innych niezbędnych pierwiastków. Niedobór – pogorszenie wchłaniania Ŝelaza przez organizm i zmniejszenie liczby czerwonych krwinek. Nadmiar – zaburzenia w pracy układu pokarmowego, uszkodzenia wątroby czy nerek. Niedobór – zmiana pigmentacji, zniekształcenia kości, obrzęk stawów, zwyrodnienie wątroby. Nadmiar – odczyn alergiczny, zaburzenia metabolizmu białek osocza, zmiany w szpiku kostnym i chromosomach. Niedobór związków chromu(III) moŜe mieć wpływ na rozwój chorób układu krąŜenia i cukrzycy. Nadmiar – sole chromu(VI) powodują podraŜnienia śluzówki, skóry, mogą teŜ oddziaływać mutagennie i kancerogennie. 8 Wartości dopuszczalne w glebie lub ziemi wg Rozp. Min. Środ. z dn. 9.09.2002 (w warstwie powierzchn.) [mg*kg-1] Grupa A* Grupa B* Grupa C* 1 4 15 50 100 600 0,5 2 30 100 300 1000 30 150 600 35 100 300 50 150 500 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ * Rozporządzenie definiuje grupy A, B i C jako: 1) grupa A: a) nieruchomości gruntowe wchodzące w skład obszaru poddanego ochronie na podstawie przepisów ustawy — Prawo wodne, b) obszary poddane ochronie na podstawie przepisów o ochronie przyrody; jeŜeli utrzymanie aktualnego poziomu zanieczyszczenia gruntów nie stwarza zagroŜenia dla zdrowia ludzi lub środowiska 2) grupa B: grunty zaliczone do uŜytków rolnych z wyłączeniem gruntów pod stawami i gruntów pod rowami, grunty leśne oraz zadrzewione i zakrzewione, nieuŜytki, a takŜe grunty zabudowane i zurbanizowane z wyłączeniem terenów przemysłowych, uŜytków kopalnych oraz terenów komunikacyjnych; 3) grupa C: tereny przemysłowe, uŜytki kopalne, tereny komunikacyjne. Właściwości gleb a ich podatność na zanieczyszczenie Bezwzględna zawartość danego metalu cięŜkiego w glebie nie jest jednak wystarczającym kryterium do oceny tzw. biodostępności danego pierwiastka. Ocena taka przeprowadzona na uŜytkach rolnych ma niebagatelne znaczenie przy oszacowaniu ilości toksykanta, która moŜe włączyć się w obieg biogeochemiczny, a tym samym mogącej trafić do konsumenta ostatecznego jakim jest człowiek. Celem lepszego zrozumienia tematu, naleŜy zapoznać się z kilkoma podstawowymi pojęciami i definicjami: Gleba jest złoŜonym, dynamicznym tworem przyrody, odznaczającym się swoistymi cechami morfologicznymi oraz właściwościami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi, stwarzającym warunki dla Ŝycia roślin i zwierząt. Gleba składa się z trzech faz: stałej – obejmującej cząstki mineralne, organiczne i organiczno-mineralne o róŜnym stopniu rozdrobnienia, tworzące kompleks sorpcyjny, ciekłej – tzw. roztwór glebowy, czyli woda, w której są rozpuszczone związki mineralne i organiczne, gazowej – tzw. powietrze glebowe, czyli mieszanina gazów, w której stosunki poszczególnych składników są inne niŜ w powietrzu atmosferycznym. Faza stała gleby składa się ze składników mineralnych (okruchy skał, minerały, substancje mineralne) oraz składników organicznych (próchnica i wchodzące w jej skład kwasy humusowe, resztki roślinne, zwierzęce, organizmy glebowe). Masa mineralna gleb zawiera ziarna o róŜnej wielkości. RóŜnice w wielkości cząstek oraz proporcje między nimi wywierają duŜy wpływ na właściwości fizykochemiczne gleby np. wielkość powierzchni właściwej czy przewiewność. Podział frakcji w zaleŜności od granicznych średnic ziaren przedstawia się następująco: frakcja kamieni: ⌀ > 20 mm, frakcja Ŝwiru: ⌀ 20 – 1 mm, frakcja piasku: ⌀ 1 – 0,1 mm, frakcja pyłu: ⌀ 0,1 – 0,02 mm, frakcja ilasta (części spławialne): ⌀ < 0,02 mm. 9 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ RównieŜ właściwości kwasowo-zasadowe gleb mają istotny wpływ na przebieg procesów glebowych, przyswajalność składników odŜywczych, rozwój roślin i mikroorganizmów. WyróŜniamy: gleby kwaśne, pH < 6,6, które dzielimy na: o silnie kwaśne, pH < 4,5; o kwaśne, pH 4,6 - 5,5; o lekko kwaśne pH 5,6 - 6,5; gleby obojętne, pH 6,6 - 7,2; gleby zasadowe, pH > 7,2. Formy występowania metali cięŜkich w glebie Metale cięŜkie są akumulowane w glebie najczęściej w następujących formach: czynne – bezpośrednio rozpuszczalne w wodzie, występujące w roztworze glebowym w postaci jonów lub rozpuszczalnych kompleksowych połączeń z ligandami mineralnymi lub organicznymi; wymienne – adsorbowane na pozycjach jonowymiennych mineralnych i organicznych składników kompleksu sorpcyjnego gleby; specyficznie sorbowane – tworzące silne wiązania koordynacyjne z grupami funkcyjnymi uwodnionych tlenków Ŝelaza i glinu oraz struktur krzemianowych; okludowane – (współstrącone) w tlenkach Fe, Al i Mn lub obecne w nich wskutek dyfuzji wewnątrzkrystalicznej; związane z substancją organiczną – głównie w formie kompleksów metaloorganicznych. Kompleksy niskocząsteczkowe charakteryzują się stosunkowo duŜą rozpuszczalnością, natomiast wielkocząsteczkowe (np. z kwasami huminowymi) są zazwyczaj nierozpuszczalne w wodzie; chemicznie sorbowane – tworzące wtórne, trudno rozpuszczalne połączenia amorficzne lub krystaliczne, np. węglany, siarczki, fosforany. rezydualne – wbudowane w sieci krystaliczne pierwotnych i wtórnych minerałów glebowych (np. minerałów ilastych); zasadniczo nie są one podatne na działanie nawet silnie agresywnych czynników, takich jak stęŜone mocne kwasy mineralne. Formy, w jakich metale cięŜkie występują w glebach, zaleŜą od rodzaju metalu, jego chemicznych właściwości, pierwotnej postaci w jakiej zostały wprowadzone do gleby, a takŜe od właściwości samej gleby Miedź i ołów wykazują bardzo silne powinowactwo z substancją organiczną, cynk, miedź i mangan okludują z tlenkami Ŝelaza, a chrom i nikiel występują zazwyczaj we frakcji rezydualnej. Kadm i cynk charakteryzują się stosunkowo wysokim udziałem frakcji rozpuszczalnej i wymiennej, zwłaszcza w glebach kwaśnych. Czynniki decydujące o rozpuszczalności metali cięŜkich w glebach Do najwaŜniejszych czynników decydujących o rozpuszczalności (a co za tym idzie, o fitodostępności) metali cięŜkich w glebach zalicza się zwykle: pochodzenie i pierwotną formę chemiczną metalu; odczyn gleby; pojemność sorpcyjną; potencjał redoks; tworzenie połączeń kompleksowych z substancją organiczną. Głównym czynnikiem decydującym o rozpuszczalności metali cięŜkich w glebie jest odczyn, od którego zaleŜy m in. połoŜenie równowagi procesów sorpcji i desorpcji kationów wodorowych i kationów metali. Rozpuszczalność metali cięŜkich warunkowana procesami sorpcji wymiennej jest niska w zakresie odczynów obojętnych i alkalicznych i rośnie wraz z obniŜaniem wartości pH. Wzrost zakwaszenia gleby prowadzi zazwyczaj do powolnego rozpuszczania się tlenków Fe, Al 10 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ i Mn, a nawet minerałów pierwotnych i wtórnych, w wyniku czego następuje uwalnianie z nich metali cięŜkich. W związku z tym, Ŝe rozpuszczalność metali w głównej mierze zaleŜy od odczynu, wapnowanie gleb zanieczyszczonych metalami cięŜkimi jest podstawowym zabiegiem ograniczającym ich mobilność. Procesy sorpcji i desorpcji kationów oraz sorpcji wymiennej są najwaŜniejszymi mechanizmami decydującymi o przechodzeniu metali cięŜkich z fazy stałej do roztworu glebowego. Przy ocenie zagroŜenia związanego z uwalnianiem metali cięŜkich z gleb, a takŜe przy określaniu warunków ich rolniczego wykorzystania uwzględnia się fakt, Ŝe metale cięŜkie wiązane są silniej w glebach o większej pojemności sorpcyjnej i cięŜszym składzie granulometrycznym. WaŜnym czynnikiem decydującym o dostępności metali cięŜkich dla roślin jest teŜ zawartość substancji organicznej w glebie – zwłaszcza próchnicy glebowej. Wykazuje ona wysoką zdolność sorpcji kationów i ma bardzo istotny udział w wiązaniu metali cięŜkich z roztworu glebowego. Wzbogacanie kompleksu sorpcyjnego gleby w substancję organiczną oraz inne dodatki o bardzo silnie rozwiniętym kompleksie sorpcyjnym, uwaŜane jest, obok wapnowania, za podstawowy zabieg rekultywacyjny na glebach lekkich zanieczyszczonych metalami cięŜkimi. Podział gleb wg IUNG W zaleŜności od omówionych właściwości, gleby mogą być w róŜnym stopniu podatne na zanieczyszczenia metalami cięŜkimi. Instytut Uprawy NawoŜenia i Gleboznawstwa w Puławach (IUNG), będący jednostką badawczo-rozwojową, podległą Ministerstwu Rolnictwa i Rozwoju Wsi, dokonał w związku z tym podziału gleb Polski na trzy grupy. Są to, według wzrastającej odporności na zanieczyszczenia, gleby grup: AG, BG, CG3 . Podział ten uwzględnia ich: - odczyn, - skład granulometryczny (% frakcji < 0,02 mm, tzw. spławialnej), oraz - zawartość substancji organicznej. Właściwości te bowiem decydują o dostępności dla roślin metali cięŜkich w glebach. Podział ten zaprezentowany jest w tabeli 2. Tabela 2. Podział na grupy gleb mineralnych (wg FS i pH) i organicznych (wg OS) Odczyn(pH) <4.5 4.6-5,5 5.6 - 6,5 >6.5 < 10 AG AG AG AG AG AG AG BG zawartość frakcji 10-20 spławialnej FS (%) 20-35 BG BG CG CG 35-55 BG BG CG CG BG BG BG BG zawartość substancji 6-10 * organicznej OS (%) >10 CG CG CG CG * w glebach organicznych nie uwzględnia się wpływu pH. Jak wynika z powyŜszej tabeli, w przypadku gleb mineralnych (o zawartości substancji organicznej < 6%) decydującą rolę odgrywa jej odczyn oraz zawartość frakcji spławialnej. W przypadku gleb mineralno-organicznych oraz organicznych, o jej przypisaniu do danej grupy decyduje jedynie zawartość substancji organicznej. Graniczne zawartości metali cięŜkich w glebach róŜnych grup i o róŜnych stopniach zanieczyszczenia zaprezentowane są w tabeli 3. 3 Uwaga – proszę nie mylić grup gleb AG, BG i CG wprowadzonych przez IUNG z grupami gleb A, B i C, które definiuje Minister Środowiska. To są dwa zupełnie inne i niezwiązane ze sobą podziały. 11 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ Tabela 3. Graniczne zawartości metali cięŜkich w glebach o róŜnych stopniach zanieczyszczenia wg IUNG [mg*kg-1]. Stopień zanieczyszczenia gleb Grupa Metal gleby 0 I II III IV V AG 0,3 1 2 3 5 >5 BG 0,5 1,5 3 5 10 >10 Cd CG 1 3 5 10 20 >20 AG 20 70 100 500 2500 >2500 BG 40 100 250 1000 5000 >5000 Pb CG 60 150 500 2000 7000 >7000 AG 50 100 200 700 1500 >1500 BG 70 150 300 1000 3000 >3000 Zn CG 100 250 500 2000 5000 >5000 AG 10 30 50 80 300 >300 BG 20 50 80 100 500 >500 Cu CG 25 70 100 150 750 >750 AG 10 30 50 100 400 >400 BG 25 50 75 150 600 >600 Ni CG 50 75 100 300 1000 >1000 AG 20 40 80 150 300 >300 BG 30 60 150 300 500 >500 Cr CG 50 80 200 500 1000 >1000 IUNG zaleca rolnicze uŜytkowanie gleb proponując sześciostopniową klasyfikację w zaleŜności od stopnia zanieczyszczenia metalami cięŜkimi: Stopień 0 - gleby nie zanieczyszczone o naturalnych zawartościach metali śladowych. Gleby te mogą być przeznaczone pod wszystkie uprawy ogrodnicze i rolnicze, zgodnie z zasadami racjonalnego wykorzystania rolniczej przestrzeni produkcyjnej. Stopień I - obejmuje gleby o podwyŜszonej zawartości metali. Gleby te mogą być przeznaczone pod wszystkie uprawy polowe, z ograniczeniem warzyw przeznaczonych dla dzieci. Stopień II - gleby słabo zanieczyszczone. Na glebach takich zachodzi juŜ obawa chemicznego zanieczyszczenia roślin. Wykluczyć więc naleŜy przede wszystkim niektóre uprawy ogrodnicze, jak np. sałata, szpinak, kalafior. Dozwolona jest uprawa roślin zboŜowych, okopowych i pastewnych. Stopień III - gleby średnio zanieczyszczone. Wszystkie uprawy na takich glebach naraŜone są na skaŜenie. Dopuszczalna jest uprawa roślin zboŜowych, okopowych i pastewnych pod warunkiem okresowej kontroli poziomu metali w konsumpcyjnych częściach roślin. Zalecane są uprawy roślin przemysłowych i traw nasiennych. Stopień IV - gleby silnie zanieczyszczone. Gleby takie (szczególnie gleby lekkie) powinny być wyłączone z produkcji rolniczej oraz zadarnione lub zadrzewione. Na glebach lepszych moŜna uprawiać rośliny przemysłowe (len, konopie, wiklina). Dopuszcza się produkcję materiału siewnego zbóŜ i traw, a takŜe ziemniaków dla przemysłu spirytusowego (na spirytus jako dodatek do paliwa) i rzepaku na olej techniczny. Zaleca się zabiegi rekultywacyjne, a głównie wapnowanie i wprowadzanie substancji organicznej. Stopień V - gleby bardzo silnie zanieczyszczone. Gleby o takim stopniu zanieczyszczenia naleŜy wyłączyć z produkcji rolniczej i poddać zabiegom rekultywacyjnym. MoŜna uprawiać (na glebach przydatnych) len, konopie oraz rzepak (na olej techniczny), a w dolinach rzek – wiklinę. 12 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ Ćwiczenie Oznaczanie zawartości metali cięŜkich w glebie metodą atomowej spektrometrii absorpcyjnej (ASA) Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest oznaczenie całkowitej zawartości wybranych metali cięŜkich w glebach oraz zawartości form najbardziej mobilnych, ustalenie czy przekroczone są wartości dopuszczalne stęŜeń określone przez Ministra Środowiska, jak równieŜ określenie stopnia zanieczyszczenia według kryteriów IUNG oraz ich przydatności rolniczej. Przyrządy, materiały, odczynniki Kwas azotowy(V) stęŜony cz.d.a. Kwas azotowy(V) 2% Perhydrol cz.d.a. 1 M octan amonu (pH 7) Roztwory wzorcowe Cd, Ni, Pb, Zn, Cu Absorpcyjny spektrometr atomowy AAnalyst 300 firmy Perkin Elmer, Mineralizator mikrofalowy Magnum II firmy Ertec, Wytrząsarka, wirówka Lejki szklane, Kolby miarowe, Probówki typu Falcon Filtry Wykonanie ćwiczenia: Oznaczenie całkowitej zawartości metali OdwaŜyć ok. 1g powietrznie suchej gleby, przesianej wcześniej przez sito o średnicy oczek 2mm. Zanotować masę gleby z dokładnością do 4 cyfr dziesiętnych. Próbkę glebową przenieść ilościowo do naczynia teflonowego i zadać 7 cm3 stęŜonego kwasu azotowego(V) oraz 3 cm3 roztworu perhydrolu. Następnie próbkę zmineralizować dwustopniowo według programu z tabeli 4. Tabela 4. Warunki pracy mineralizatora mikrofalowego MAGNUM II podczas procesu mineralizacji próbek gleby. Parametr Czas ogrzewania [min] Ciśnienie max [bar] Ciśnienie min [bar] Temperatura max [°C] Temperatura min [°C] Moc [%] Czas chłodzenia po mineralizacji [min] ETAP 1 5 33 30 260 255 60 ETAP 2 20 45 43 260 255 80 10 Po zakończeniu mineralizacji przesączyć zawartość naczynka teflonowego do kolby miarowej o objętości 25 cm3 i uzupełnić do kreski. Z wyjściowych roztworów wzorcowych zawierających metale cięŜkie sporządzić przez rozcieńczenie w 2% roztworze HNO3 roztwory o stęŜeniach obejmujących zakres liniowej zaleŜności absorbancji od stęŜenia. Zgodnie z instrukcją obsługi spektrometru ASA wyznaczyć krzywe kalibracyjne dla poszczególnych pierwiastków, a następnie zmierzyć stęŜenie metali w analizowanych roztworach. Zanotować niepewność oznaczenia. 13 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ Uwaga 1: roztwory nie mogą zawierać zawiesin. Uwaga 2: jeŜeli stęŜenie metalu w badanej próbce przekracza zakres krzywej kalibracyjnej, konieczne jest rozcieńczenie próbki. Oznaczenie form czynnej i wymiennej metali w glebie OdwaŜyć w probówce typu Falcon ok. 2 g powietrznie suchej gleby, przesianej wcześniej przez sito o średnicy oczek 2 mm. Zanotować masę gleby z dokładnością do 4 cyfr dziesiętnych. Próbkę zadać 20 cm3 1 M roztworu octanu amonu (pipetą). Wytrząsać przez 1 h. Po zakończeniu wytrząsania odwirować przez 10 min, a następnie przenieść ok. 15 cm3 klarownego roztworu znad osadu do pojemnika pomiarowego. Z wyjściowych roztworów wzorcowych zawierających metale cięŜkie sporządzić przez rozcieńczenie w 1M roztworze CH3COONH3 roztwory o stęŜeniach obejmujących zakres liniowej zaleŜności absorbancji od stęŜenia. Opracowanie wyników Na podstawie uzyskanych wyników: - obliczyć zawartość badanych metali w glebie w mg/kg, najlepiej poprzez wyprowadzenie zaleŜności zawartości metalu w glebie „s” od odczytanego ze spektrometru stęŜenia „c”, masy próbki glebowej „m” oraz objętości kolby miarowej „v1” (lub w przypadku octanu amonu objętości uŜytej pipety „v2”). - obliczyć niepewność uzyskanego wyniku, najlepiej metodą róŜniczki zupełnej, mając, oprócz danych powyŜszych, następujące wartości niepewności: ∆ masy próbki glebowej = 0,0001 g, ∆ objętości kolby miarowej 25 cm3 = 0,04 cm3, ∆ objętości pipety 20 cm3 = 0,04 cm3, ∆ stęŜenia metalu w roztworze – odczytana z urządzenia. Przy ewentualnym rozcieńczeniu: ∆ rozcieńczenia 10 krotnego = 0,05, ∆ rozcieńczenia 100 krotnego = 2,1. Przy opracowywaniu wyników proszę pamiętać, Ŝe: - oszacowane niepewności zaokrąglamy zawsze w górę, - obliczenia wykonujemy zawsze z większą liczbą cyfr, niŜ chcemy podać wynik. Zaokrągleń dokonujemy dopiero po zakończeniu obliczeń, - niepewności zaokrąglane są do maksymalnie dwóch cyfr znaczących. Wartość niepewności naleŜy zaokrąglić do jednej cyfry znaczącej, jeŜeli nie zmieni to wartości niepewności o więcej niŜ 10%, - ostatnia cyfra znacząca w kaŜdym wyniku pomiaru powinna stać na tym samym miejscu dziesiętnym, co ostatnia cyfra niepewności pomiarowej. Mając dany wynik oraz jego niepewność naleŜy: Dla zawartości całkowitej metalu - sprawdzić czy w badanej glebie nie przekroczone zostały wartości dopuszczalne stęŜeń wyszczególnionych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska, - ocenić klasę zanieczyszczenia gleby wg klasyfikacji IUNG, - podać jej przydatność do celów rolniczych. Dla zawartości form fitodostępnych - obliczyć jaki procent z zawartości całkowitej stanowią sumarycznie formy czynne i wymienne Z całości uzyskanych wyników wyciągnąć odpowiednie wnioski. Wszystkie obliczenia proszę umieścić w sprawozdaniu. 14 © Paweł Miśkowiec, ZCHŚ UJ Zakres materiału naukowego Literatura podstawowa: 1. Szczepaniak W.: Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 2008, str. 143-166. 2. Cygański A.: Metody spektroskopowe w chemii analitycznej, Wydawnictwa NaukowoTechniczne, Warszawa 2009, str. 32-45, 128-137. 3. śernicki W., Borkowska-Burnecka J., Bulska E., Szmyd E.: Metody analitycznej spektrometrii atomowej - teoria i praktyka, Wydawnictwo Malamut, Warszawa 2010, str. 70105. Literatura uzupełniająca: 1. Kabata-Pendias A., Piotrowska M.: Podstawy oceny chemicznego zanieczyszczenia gleb. Metale cięŜkie, siarka i WWA. Biblioteka Monitoringu Środowiska, PIOŚ, IUNG, Warszawa, 1995, str. 16-19. 2. Kabata-Pendias A., Pendias H.: Biogeochemia pierwiastków śladowych, PWN, Warszawa 1999. Rozdziały z informacjami o poszczególnych metalach cięŜkich. 3. Rosada J., J. Grzesiak, P. Grzesiak, G. Schroeder, I. Ratajczak, I. Rissmann. 2004. Oznaczanie metali cięŜkich w glebach objętych emisjami przemysłowymi metoda ekstrakcji sekwencyjnej, Chemiczne aspekty badań środowiska red.: G. Schroeder, 2, 143-162. 4. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002 r. w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi. Dz.U. 2002 nr 165 poz. 1359, http://isap.sejm.gov.pl/DetailsServlet?id=WDU20021651359 15
