Диффузионно-адсорбционные потенциалы в почвах и их измерение

27. McGrath S.P., Zhao F.J.,Dunham S.J.Containts to the growth and metal uptake by hyperaccumulator plants. In Proc. 5 th Intern. Conf. On The Biogeochem. Of Trace Elements; Vienna ’99, 1999, pp. lOrll.

28. Molas J. Changes of chloroplast ultrastructure and total chlorophyll concentration in cabbage leaves caused by excess of organic N: (II) complexes // Environmental and experimental botany. 2002, 47, pp.l 15-126.

29. Neet K.E., Furman T.c., Huestor W.E. Activation of yeast hexokinase by chelators and the enzymic slow transition due to metal-nucleotide interactions // Arch. Biochem. Biophys. 1982, 213, pp.14-25.

30. Puschenreiter M., Stager G., Lombi E., et al. “Phytoextraction of heavy metal contaminated soils with thlaspi goesigense and Amaranthus hybridus: Rhizosphere manipulation using EDTA and ammonium sulfate”// Plant Nutr. Soil Sci. 2001, 164, pp. 615-621.

31. Robinson B.H., Leblanc A., Petit D., et al. The potential of Thlaspi caerulescens for phytoremediation of contaminated soils. J. Plant Soil. 1998, 203, pp. 47-56.

32. Sahi S.V., Braynt N.L., Sharma N.c., Singh S.R. Characterization of lead hyperaccumulator shub, Sesbonia drummondi//En\. Sci & technology. 2001, 36(21), pp.4676-4680.

33. Salt D.E., Blaylock M., Kumar N.P.B.A., et al. Phytoremediation: a novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants. Biotechnology. 1995, 13(5), pp.468-474.

34. Schmitt D., Frimmel F.H. Ligand exchange Rate of metal-Nom complexes by EDTA // Environmental science and pollution research. 2003,10 (1), pp.9-12.

35. Shen G.S., Li X. D., Wang C.C., Chen H.M., Chua

H. Lead phytoextraction from contaminated soil with high-biomass // J. of Environ. Qual. 2002, 31(6), pp. 1893-1900.

36. Sparks D.L. Environmental soil chemistry. Academic Press. Inc . 1995,267 pp.

37. Sposito G. The chemistry of soils. Oxford Univ. Press, New York, 1989, pp. 36-37.

38. Tissier A., Campbell P.G.C., Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace-metals // Anal. Chem. 1979, 51, pp. 844-851.

39. Uren N.C. and Reisenauer H.M. The role of nutrient exudates in nutrient acquisition. Plant Nutr. 1988, 3, pp. 79-114.

40. Wenzel W.W., Unterbrunner R., Sommer P. & Sacco P. Chelate assisted phytoextraction using candola (Brassica napus L) in outdoors pot and lysimeter experiments // Plant and soil. 2003, 249, pp.83-96.

41. Wu L.H., Luo Y.M., Christie P., Wong M.H. Effects of Edta and low molecular weigh organic acids on soil sollution properties of a heavy metal polluted soil // Chemosphere. 2003, 50(6), pp. 819-822.

ДИФФУЗИОННО-АДСОРБЦИОННЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ В ПОЧВАХ И

ИХ ИЗМЕРЕНИЕ

Г.Н. ФЕДОТОВ, доцент кафедры химии и биотехнологии МГУЛа, к. х.

Д.В. ЖУКОВ, студент факультета МХТДМГУЛа,

А.И. ПОЗДНЯКОВ, профессор факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, д. б. н.

К настоящему времени выполнено достаточно большое число работ и накоплен значительный экспериментальный материал по естественным электрическим ПОЛЯМ (ЕЭП) в почвах [1-5].

Анализ полученных результатов позволяет отметить следующие закономерности возникновения этих полей.

1. Эллювиальные горизонты дерново-подзолистых почв, солонцов и светло-каштановых почв имеют более высокие значения электрических потенциалов по сравнению с иллювиальными.

2. Потенциалы иллювиальных горизонтов светло-каштановых почв выше потенциалов солонцовых горизонтов.

3. Сухие почвы имеют более высокий потенциал по сравнению с влажными.

4. Почвы, ППК которых заполнен преимущественно ионами кальция и магния, имеют более высокий потенциал по сравнению с почвами, в ППК которых больше одновалентных катионов.

Прежде чем анализировать эти закономерности рассмотрим, что из себя представляет процесс измерения разности потенциалов (РП) в почве. Помещаемый при из-

мерении в почву неполяризующийся электрод [6,7] для выдачи объективной информации должен прийти с ней в электрическое равновесие и не должен искажать получаемые результаты. Для этого электрод сравнения необходимо располагать в почвенном горизонте, в котором влажность не изменяется в процессе измерения (как правило, В -горизонт) [5].

Вносимый в почву электрод контактирует с почвенным раствором, разность активностей катионов и анионов в котором смещает равновесие в двойном электрическом слое электрода и приводит к изменению концентрации электронов на его мета-лической части.

Необходимо принять во внимание, что при измерении мы создаем электрохимическую систему, в которой фиксируемая РП является суммой трех скачков потенциалов: на границе первого электрода с почвой, на границе второго электрода с почвой и скачка потенциала между почвенными объемами, в которых находятся электроды.

Рассмотрим потенциалы, возникающие при взаимодействии электродов с почвой. Понятие точки почвенного объема физико-химически не вполне конкретно. Электрод, помещаемый в почву, может контактировать с почвенным раствором, с органоминеральным гелем (ОМГ), с частицами почвообразующих минералов и детритом. Причем у каждой из этих составляющих почвы должен быть свой потенциал, и поэтому измеряется некая усредненная величина.

На наш взгляд, рассмотрение можно несколько упростить, так как контакт электрода с твердой частью почвы минимален из-за наличия на твердых поверхностях ОМГ. Если же ограничиться рассмотрением почв, находящихся в стационарном состоянии по влажности, и принять, что влага почв не является свободной, а входит в коллоидную структуру ОМГ, то можно считать, что электрод взаимодействует с ОМГ.

В этом случае электрохимический элемент, который образуется при помещении электродов в почвенные объемы с ОМГ разного состава можно записать: Ag | А«С1, КС1, Н20 | ОМГ 1 || ОМГ 2 | AgCl КС1, Н20

I

В таком элементе, как мы уже отмечали, ЭДС будет определяться скачками потенциалов на границах электрод - ОМГ и скачком потенциала на границе двух ОМГ. Чем выше суммарная разность активностей катионов и анионов в ОМГ, тем больше скачок потенциала на границе электрод - ОМГ.

Потенциал на границе двух ОМГ можно оценить, используя термодинамическое описание электрохимического взаимодействия двух коллоидных систем.

Рассмотрим для простоты две отрицательно заряженные системы с одним общим катионом. В условиях равновесия их электрохимические потенциалы равны

рй + г F (р1 = ц2 + г ц> 2,

где [г1, (Х2- химические потенциалы катиона в системах 1 и 2;

<р1, ф 2 - электрические потенциалы в системах 1 и 2, г - заряд катиона;

F - число Фарадея.

(д1 - (л2) / г F = (р 2 - <р1, так как ц = /Ю + Я Т 1п а, то можно записать при одинаковой нормировке активностей в системах

(/? Т) /1F 1п (а11а2) = (р2-<р\.

Итак, чем ниже активность катионов, тем выше электрический потенциал ОМГ за счет диффузионно-адсорбционного механизма.

Отметим, что потенциал на границе электрод - ОМГ является равновесным, а потенциал на границе двух ОМГ стационарен, но неравновесен и определяется разной способностью к диффузии [8] в ОМГ одно-и двухзарядных катионов. Поэтому предложенное термодинамическое описание позволяет лишь качественно оценить, что наблюдается в реальности.

Таблица 1

Свойства используемых в работе почв

' —Свойства почв Тип почвы " — Тепличный субстрат Дерново-подзолистая почва Торфяная почва Чернозем

Влажность, % 79,7 23,5 140 23,5

Плотность, г/мл 0,42 1,20 0,27 0,80

Общая уд. поверхность по Кутилеку, м2/г 97,6 13,4 346 100

Плотность твердой фазы, г/мл 1,96 2,02 1,46 2,10

Пористость, % 78 41 81 62

PH водной вытяжки 6,9 6,3 6,6 7,0

PH солевой вытяжки 6,5 6,5 6,3 6,8

Содержание нитратов, мг/кг 116 211 371 201

Содержание фосфора на Р2 05, мг/100г 25,1 27,2 17,4 12,2

Содержание аммония, мг/кг 41 27 41 35

Содержание органики, потери при прокаливании, % 28,3 3,6 54,6 8,2

Содержание калия, мг/100г 164 127 75 84

Содержание натрия, мг/100г 74 50 143 32

Содержание кальция, мг/100г 1200 160 1750 825

Содержание магния, мг/100г 31 127 316 10

Сумма обменных оснований, мг-экв/100г 82,3 14,7 103,6 41,8

Гидролитическая кислотность, мг-экв/100г 1,8 <1 2,2 < 1

Емкость катионного обмена, мг-экв/ЮОг 84,1 15,7 105,8 42,0

Насыщенность основаниями, % 98,0 94,0 98,0 99,5

Содержание солей, мг-экв/ЮОг 0,9 2,4 3,5 2,5

Таблица 2

Диффузионно-адсорбционные потенциалы при контакте различных почв

Измеряемые потенциалы Контактирующие почвы —— Контакт через сол. мостик Непосредственный контакт почв ДАП между почвами

1. Тепличный субстрат - дерново-подзолистая почва 1,2 13,1 11,9

2. Тепличный субстрат - торфяная почва 0,7 10,8 10,1

3. Тепличный субстрат - выщелоченный чернозем 0,3 6,2 5,9

4. Дерново-подзолистая почва - торфяная почва -0,7 2,0 2,7

5. Дерново-подзолистая почва - выщелоченный чернозем 1,2 4,2 3,0

6. Торфяная почва - выщелоченный чернозем 1,1 3,1 2,0

Вышеизложенное показывает, что разность скачков потенциалов на границах электрод - ОМГ и диффузионно-адсорбционный потенциал (ДАЛ) могут частично компенсировать друг друга. Поэтому при измерениях мы фиксируем некую результирующую величину. Приведенные в начале статьи сводные экспериментальные результаты показывают, что во всех случаях в почвах доминирует ДАП.

При проведении измерений ЕЭП и анализе результатов надо помнить, что, хотя ДАП и доминируют над электродными потенциалами, игнорировать последние нельзя, так как соотношение потенциалов может изменяться в зависимости от типа изучаемых почв.

Для подтверждения предлагаемого подхода мы решили изучить разности потенциалов при контакте различных почв.

В качестве объектов исследования были выбраны торфяная и дерново-подзолистая почвы из поймы р. Яхрома и ее окрестностей, а также тепличный субстрат и кубанский выщелоченный чернозем. Свойства почв определяли по стандартным методикам [9]. Результаты представлены в таблице (табл.1.).

Измерение разности потенциалов проводили при помощи стандартных хлор-серебряных электродов, связанных с измеряемой системой через загущенные агаром солевые мостики.

В качестве измерителя напряжения использовали цифровой мультиметр фирмы «Mastech» М890 с внутренним сопротивлением 10 Мом.

Измеряя РП между системами, использовали как обычную методику, позволяющую определять результирующую трех скачков потенциалов (соприкосновение систем между собой), так и способ, позволяющий исключить измерение ДАП, что воз-

можно, если системы соединить между собой через солевой мостик [8]. Подобный метод позволил определить полную величину ДАП контакта между различными почвами, (табл. 2.).

Из представленных данных видно, что полная величина диффузионноадсорбционного потенциала отличается от разности потенциалов, которую раньше принимали за ДАП на 10-30%.

Таким образом, предлагаемый подход к измерению естественных электрических полей в почвах позволяет повысить точность определения диффузионно-адсорбционных потенциалов почв.

Литература.

1. Вадюнина А.Ф., Поздняков А.И. Изменение потенциала электрического поля по профилю некоторых почв. // Вестник МГУ. - Сер.17. - 1974. -№4.-С. 108-112.

2. Березин П.Н., Кипнис В.М. О механизме формирования естественных электрических полей и их влиянии на почвенные процессы. // Вестник МГУ. - Сер.17. - 1978. -№ 2. - С. 15-19.

3. Кипнис В.М., Морозова А.С. Некоторые вопросы природы естественных электрических полей в почве. // Научные доклады высшей школы, Биологические науки. - 1976. - № 5. - С. 113-119.

4. Вадюнина А.Ф., Поздняков А.И. О причинах формирования естественного электрического поля в почве и его природе. // Почвоведение. - 1977. -№>3.~ С. 57-68.

5. Поздняков А.И. Полевая электрофизика почв. М.: МАИК « Наука/ Интерпериодика», 2002. - 189 с.

6. Поздняков А.И. Методика измерений естественного электрического поля почв. // Научные доклады высшей школы, Биологические науки. -1975.-№7.-С. 137-139.

7. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д., Олиференко Г.Л. Электроды для измерения электрических полей в почвах. // Экологические системы и приборы. -

2002. -№ 1.-е. 16-18.

8. Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. - М.: Металлургия, 1972. - 544с.

9. Гасанов А.М. Практикум по почвоведению. - М.: МГУ природообустройства, 2000. - 203с.