7. Лабораторна робота.

БІОГЕННІ ЗАБРУДНЕННЯ НІТРАТ- ТА НІТРИТ-ІОНІВ У ВОДІ

Мета роботи. Набути навички визначення біогенних забруднювачів на прикладі нітрит-іонів у воді. Вміти дати екологічну оцінку забруднення природних вод біогенами, уявляти хімізм дії і наслідки потрапляння добрив до організмів.

Теоретична частина

Мінеральні добрива містять необхідні для рослин елементи живлення, потрібні для підвищення врожайності і родючості ґрунту. Найбільше значення мають азотні, калійні і фосфорні добрива, названі за основним хімічним елементом мінерального живлення рослин. До азотних добрив відносяться селітри (калій, натрій, амоній і кальцій нітрати).

Добрива на основі нітритів, сечовини, похідних аміаку і сполук фосфору відносяться до небезпечних типів полютантів, для окиснення яких необхідний оксиген. Такого типу відходи при скиданні в природні водойми окиснюются розчиненим у них оксигеном, що призводить до різкого збільшення його витрат, зниження вмісту оксигену у воді до рівня, недостатнього для підтримання життя.

Утворення нітритів у морскій і річковій воді пояснюється розкладанням відмерлих організмів з утворенням амонійних солей і їхнього окиснювання.

Солі нітратної кислоти відносяться до найбільш важливих кисневих сполук нітрогену. Схема їх промислового отримання:

N.. N11, -> N0 -» Ж)₂-> НЖ)₃ -»ІШ0₃ (МаМ0₃, ЇШ₄Ш₃ тощо)

Нітрати у вигляді добрив і промислових відходів значно насичують поживними речовинами водні системи, у яких відбу­вається накопичення органічних відкладень, підсилюється ріст водяних рослин, тобто при такому виді забруднень водойма дрібнішає, заболочується. Прийнято говорити, що система піддалася евтрофікації.

Наслідки накопичення нітритів призводять до повного вичерпання кисню у воді; аеробні бактерії, що існують у ній, поступаються місцем анаеробним. У результаті продукти реакцій окиснення - С0₂, НН0₃, Н₃Р0₄ тощо замінюються на продукти

відновних реакцій — СН₄, Н₂в, З води зникають морські

водорості, фітопланктон, риби, поступово вода набуває смердючого запаху.

Підвищений вміст нітратів у питній воді й овочах викликає захворювання крові - метгемоглобінемію, до якої особливо схильні діти. Дія нітритів, використовуваних у якості харчових добавок, консервантів, що знаходяться в біомасі кормів, є небезпечною для організму в зв’язку з утворенням у шлунку ссавців за реакцією з харчовими амінами нітрозамінів - найсильніших канцерогенів: К₂ШІ + N0 , -»К.Д - N = О + ОН'.

Отруєння має місце вже при концентрації 0.2 - 0.3%. Встановлена ГДК нітрат-іонів в питній воді - 45 мг/л. За “Єдиними критеріями якості вод” показник вмісту нітратів в незначно забрудненій воді є в межах до 0,05 мг/л. Вміст нітритів в питній воді недопустимий, він не повинен перевищувати в залежності від Класу води 10 ³- 0,1 мг/л. У воді господарсько-побутового при­значення ГДК нітрит/в і нітратів за нітрогеном - 10 мг/л. ГДК нітратів у ґрунті - 130 мг/кг; у кормах для сільскогоподарської худоби — 500 мг/кг; нітритів - 5 — 10 мг/кг. У зв’язку з вище- викладеним, контроль води на вміст нітрат- і нітрит-іонів є необхідним і важливим хімічним аналізом.

Сутність методу визначення нітратів. У основі методу нежить відновлення нітратів до нітритів за реакцією:

N0 / + Н,0 + 2с -> N0; + 20Н і подальше визначення нітрит-іонів. У якості відновника викорис- тують металевий кадмій: 2Сс1 + 2Н₂0 + 0₂ —> 2Ссі(ОН)₂ або

са + 2Н₂0 - 2с -> СсІ(ОН)₂ + 2Н ⁺

Для визначення нітритів застосовують фотоелектроколори- метричний метод. В основі методу лежить забарвлення розчинів, що містять нітрит-аніон, в рожево-червоний колір різної інтенсив­ності в залежності від концентрації нітриту під дією т. зв. реактиву І ’рісса-Ілоевая. Рожеве забарвлення є характерним для хромофорів, що утворюються під дією реактиву Грісса-Ілосвая. Ці хромофори - д і азосполуки, що характеризуються наявністю в молекулі ізогрупи — N = N —, яка зв’язує ароматичні або гетероциклічні сполуки між собою. І стадія являє собою діазотування сульфа- нілової кислоти (І) нітритами, а на II-ій стадії відбувається азосполучення діазосполуки (ІІб) з а-нафтиламіном в орто- або пара-положення. Хімізм процесу виражається рівняннями:

ІІб ш

Інтенсивність забарвлення при дії індикатора отриманого розчину оцінюється величиною оптичної густини І), знятої на фотоелектроколориметрі. Концентрацію нітрит-іонів знаходять за калібрувальним графіком, попередньо побудованим для приго­товлених еталонних розчинів заданої концентрації. Метод є надзвичайно чутливим — 0.5 мкг]М0₂/л, апри визначенні нітратів - 2 мкг ]М/л у воді.

За відомою залежністю, що виражається законом Ламберта- Бугера-Бера, можна визначати концентрацію речовини, виміряв­ши інтенсивність світлового потоку, що пройшов крізь розчин:

/ = /₀-Ю^КСІ, (3.15)

де /— інтенсивність світлового потоку, що пройшов крізь розчин, І_д — інтенсивність падаючого світлового потоку; к - молярний показник поглинання — стала, що є характеристичною величиною для даної сполуки і залежить від довжини хвилі джерела випро­мінювання, м²/моль; с — концентрація розчина; І — товщина поглинаючого шару, зазвичай ширина кювети, у якій проводиться визначення.

Фізичний зміст закона Ламберта-Бугера-Бера полягає в тому, що світлопоглинання для розчинів тієї ж самої речовини при однаковій його концентрації і товщині шару розчину є однаковим. Після логарифмування і деяких математичних перетворень рівняння (3.15) набуває вигляду:

lgl = lgl₀ - ксі, тобто lg(I₀/I) = ксі, оскільки відношення lg(I_n/I) = D називається оптичною густиною, то D = ксі,

тобто оптична густина є прямо пропорційною концентрації певної забарвленої речовини і товщині шару розчину. Використовуючи спеціальні прилади — спектрофотометри і фотоелектроколори- метри, можна виміряти оптичну густину розчину і за цією величиною визначати концентрацію речовини.

Експериментальна частина

Устаткування і реактиви: фотоелектроколориметр (ФЕК) типу ФЭК-56, ФЭК-60 або спектрофотометр типу СФ-16; мірні колби місткістю 50 мл - 6 шт. і 100 мл — 2 шт.; піпетки вимірювальні на 1 і 2 мл з ціною поділку 0.1 мл; реактив Грісса-Ілосвая — суміш однакових об’ємів розчинів а-нафтиламіну в 12% ацетатній кислоті (з розрахунку 0.2 г а-нафтиламіну на 150 мл розчину ацетатної кислоти) і розчину сульфанілової кислоти в 12% ацетатній кислоті (з розрахунку 0.5 г.сульфанілової кислоти на 150 мл розчину ацетатної кислоти); стандартний розчин NaNO.,, який містить 0,4927 г NaNO_a віл води; проба води.

Домашнє завдання: виходячи з даних стандартного розчину з) розрахувати вміст нітритного Нітрогену, C_N, мг/мл в 1 мл стандартного, робочого і еталонних розчинів; б) розрахувати вміст пітрит-іонів, С (N0,') мг/мл, в стандартному, рабочому і еталонних розчинах. Усі розрахунки занести в таблицю результатів.

Хід аналізу

1. етап. Пригот ування робочого розчину NaN0₂: зі стандарт­ного розчину піпеткою відбирають 1 мл, вміщують його в мірну колбу місткістю 100 мл і доводять до риски дистильованою водою.

2. етап. Приготування еталонних розчинів для побудови калібрувального графіка: у 6 мірних колбочок (на 50 мл) вносять, відповідно таблиці 0; 0.4; 0.8; 1.2; 1.6; 2 мл робочого розчину, доводять до риски дистильованою водою. Додають до кожної колби і до проби води по 2 мл реактиву Грісса-Ілосвая, закривають пробкою і ретельно перемішують. Розчин у “нульовій” колбі (дистилят + індикатор) служить у якості порівняльного при визначенні оптичної густини і заливається в кювету порівняння: величина його оптичної густини автоматично віднімається від оптичної густини еталонних розчинів або проби, і цифрове показання В висвічується на електронному табло приладу.

3. етап. Через ЗО - 40 хв після появи забарвлення вимірюють оптичні густини усіх розчинів і досліджуваної проби на ФЕК (або СФ-16) в кюветі довжиною 3 см із зеленим світлофільтром (X = 540 нм), результати заносять до таблиці.

4. етап. Побудову калібрувального графіка здіснюють, в залежності від завдання викладача, у координатах £) = / (С_д.) або В = Ї(С( М0₂) і визначають за калібрувальним графіком концентра­цію нітритного Нітрогену (або нітрит-іонів) у пробі води. їхні масові концентрації обчислюють за формулою:

с_м(мо._Ґс-тт, мг/л, де с - кількість N або N0,,' за графіком; V — об’єм проби.

Найменування розчину, його концентрація і параметри	Вміст Нітрогену, Сц, мг/мл.	Номер еталонного розчину
		Нульова	і	2	3	4	5	Проба води
Стандартний розчин МаїЧСЬ		-	-	-	-	-	-	-
Робочий розчин		0	0.4	0.8	1.2	1.6	2.0	-
Об'єм реактиву Грісса-Ілосвая. мл	-	2	2	2	2	2	2	2
Вміст Нітрогену Сд'. мг/мл.	-	-
Вміст нітрит-іонів, €(N01) мг мл	Роб. ро 5-Н	-
Оптична густина, й	-	-
См = мг/л	С (N0':) = мг/л.				Висновок:

Виходячи з отриманих результатів, розрахувати вміст ]Ч0₃‘у воді і порівняти усі дані з ГДК нітрат-, нітрит-іонів та з лімітуючим показником Нітрогену (див. теоретичну частину); дати висновок про відповідність води встановленим стандартам.

Запитання до захисту лабораторної роботи

1. Яка роль Нітрогену у біогеохімічному функціонуванні живої речовини?

2. Масова частка Нітрогену в добриві становить 14%. 11 ітроген входить до добрива в складі сечовини СО(№Н₂)₂. Обчислити масову частку сечовини.

3. Суміш натрій нітрату і нітриту містить 18% N. Скільки % N0 в суміші?

4. Пояснить термін “евтрофікація” і наведіть приклад. У чому и причина?

5. Які сполуки Нітрогену входять до складу харчових добавок? Чи накопичуються вони в організмі? У чому суть їхньої

ТОКСИЧНОСТІ?

3. Атмосфера

Атмосфера Землі є унікальною за своєю природою, як і кожен .і компонентів біосфери. Атмосфера є невідокремною від живої речовини біосфери, вона створена життям і знаходиться з ним в нерозривному ланцюжку. Сучасне земне життя пристосоване до кисневого дихання, але і сам кисень - продукт фотосинтезу рослинного світу. Однак не завжди цей системний ланцюжок відповідав сучасному станові; численні факти й ознаки свідчать про планетарні атмосферно-дихальні катаклізми, що породжували вимирання одних видів, появу нових, переродження ландшафтів і усього вигляду планети.

В даний час гіпотеза зміни географічної оболонки Землі катастрофами космічної природи (напр., зіткненнями з метеори­тами) конкурує з теорією п’яти революцій, відповідно до якої протягом мільйонорічних періодів причиною перетворень біо- гсоценозів були корінні перетворення системи «життя — атмосфе­ра •>. Її автор, американський натураліст Р. Фейрбридж, першу революцію пов’язує з моментом зародження життя при без- і пспевому обміні речовин; другу - з виникненням фотосинтезу і появою Оксигену в газовій оболонці планети з одночасним формуванням озонового шару — перешкоди згубному ультра­фіолетові. Третя революція - це стан атмосфери, схожий на сьогоднішню атмосферу Венери - суцільний СО,, М₂, і 1% 0₉. Четверта революція зв’язується зі зниженням концентрації карбон діоксиду і різкого надвиробництва вільного оксигену зеленими рослинами (кам’яновугільний і пермський періоди). П’ята революція обумовлена порушенням рівноваги між атмосферою й океаном, збіднінням спочатку океану, а потім і атмосфери на карбонатну кислоту і С0₂, відповідно: ера мезозою знаменувала собою великі вимирання не тільки видів, але і родів живого світу (ящери-гіганти, безхребетні, голосім’яні тощо).

Ймовірне пояснення гігантської катастрофи таке: карбон діоксид володіє теплоефектом, він є прозорим для видимого світла, але стає перешкодою на шляху інфрачервоного теплового випромі­нювання нагрітої поверхні планети. Карбон діоксид прекрасно поглинає 14 промені і зберігає тепло в нижніх шарах атмосфери. Зниження в атмосфері вмісту С0₂ за рахунок глобального крейдо­вого відкладення дрібних морських тварин призвело до зниження теплозапасу на поверхні землі і неможливості мешкання тепло­любних видів живого світу. Таким чином, склад атмосфери безпосередньо пов’язаний з діяльністю живої речовини, і це не однобічний зв’язок.

Біогеохімія в об’єкті вивчення «атмосфера» досліджує її провідну роль в еволюції біосфери, розглядає газову оболонку Землі як основну ланку біогеохімічних циклів елементів і речовин, а в прикладному аспекті - наслідків бурхливого розвитку техногенних міграцій - вирішує проблеми охорони атмосферного повітря як необхідного компоненту для життєдіяльності організмів і функціо­нування біосфери в цілому.

Повітря як об’єкт аналізу являє складну проблему через наступні особливості: нестійкість і постійну зміну складових в просторі і за часом; наявність у газоподібному стані багато- чисельних забруднювачів різних класів органічного і неорганічного походження; вміст компонентів на рівні слідових і мікроконцентра- цій.

Склад атмосфери і кількість речовин, які забруднюють повітря відображено в табл. 3.7.

Таблиця 3.7. Склад фонового повітря і вміст забруднювачів

омпонент повітря	Вміст, % (за масою)	Компонент антропогенного забруднення	Маса викидів, млн.т/рік	Час перебування у нижніх шарах атмосфери
1 І І і рої ен	75,53	Карбон діоксид	2-Ю4	8 років
()ксиген	23,14	Метали	600	3 роки
Аргон	1,28	Карбон оксид	300	0,1-3 роки
Карбон д і оксид	0,05	Нітроген (І) оксид	100	5 днів
1 О(пара)	0.01	Нітроген (IV) оксид	100	5 днів
1 Іеон	0,001
Метан	0,00008	Сульфур діоксид	70	5 днів
і гроген (І) оксид	0,00008	Гідрогенсульфур	70	0,5 днів
Г елій	0,00007	Вуглеводні	50	-
Озон	0,00007	Водяна пара	6	10 днів
Криптон	0,00003,	Аміак	4	1-5 днів
І ідроген	0,000003	Фреони	1	30-70 років

Для різних частин біосфери встановлені контрольні значення концентрацій забруднюючих речовин, які отримали назву гранич­но допустимих концентрацій (ГДК) і других нормованих показни- ьін: гранично допустимий викид (ГДВ), середньодобова ГДК

1. ГДК ), максимально-разова ГДК (ГДК_мр) та ін.

ГДК - це норматив, що встановлює концентрацію шкідливої речовини в одиниці об’єму повітря, яка при дії на організм певного

2. роміжку часу є практично безпечною для здоров’я людини і його нащадків.

ГДВ нормує викид окремим джерелом за одиницю часу; ГДК„„ - це концентрація щкідливої речовини в повітрі

С .Д

маселенних пунктів, яка не повинна кликати пряму або непряму і,і ю на людину при необмежно довгому вдиханні;

ГДК_мр нормує безпечну концентрацію при щоденній 8-годин-

3. іі роботі (крім вихідних) протягом всього робочого стажу.

Однак, ГДК можуть використовутись лише у випадку наявності однієї шкідливої речовини, але на практиці у атмосфері і ідіючасно перебувають декілька забруднювачів. Для рахунку цієї

індекс

ситуації використовують комплексний показник забруднення атмосфери (ІЗА):

Ч

^сРі

(3.16)

ГДК_{

с.д.

ІЗА=Х

/=і

де q. - середня концентрация і-тої речовини; ГДК„ _п - середньо-

¹ «.Д.

добова гранично допустима концентрація для і-тої речовини; с. - безрозмірна стала, що приводить ступінь шкідливості /-тої речовини до шкідливості сульфур діоксиду (прийнятого для порівняння), у залежності від класу шкідливості забруднювача, (таблиці 3.8 і 3.9). ІЗА порівнює сумарне забруднення повітря з забрудненням S0₂ при С (S0₂) = ГДК₈₀ .

Клас шкідливості залежить від токсичності речовини. Токсичність визначається величиною ЬБ₅₀(від лат. letalis - смертний) - летальної дози, тобто концентрації шкідливої речовини, яка викликає смерть 50% піддослідних тварин.

Таблиця 3.8. Класи шкідливості хімічних сполук

Показники	Класи шкідливості
	1 Дуже шкідливі	11 Високо- шкідливі	111 Помірно шкідливі	IV Мало шкідливі
ГДКР І , мг/м3	<0,1	0,1 - 1.0	1 - 10	> 10
LD50 при введенні в шлунок, мг/кг маси тіла	< 15	15-150	150 - 5000	> 5000

Таблиця 3.9. Константи переводу ступеня токсичності речовини