Ауыр метал иондарының кейбір өсімдіктердің жекеленген мүшелерінде таралу ерекшеліктері

Топырақ сараптамасы Экология ғылыми зерттеу институтының «Эко-логиялық бақылау және химиялық талдау» зертханасында алдын-ала дайын-далған сынаманың сулы ерітіндісінің инверсиялы – вольтамперометриялық ХАН-2 анализаторында жүргізілді. Ауыр металдарды анықтау күкірт және азот қышқылдарының қоспасында күлдендірген соң  улы элементтердің мөлшерін анықтауға арналған инверсионды-вольтамперметрлік әдістермен жүргізілді [126-129].

Өсірілген ортада CdSO4, CuSO4 тұздарының түрінде кадмий мен мыс иондары әркелкі концентрацияда болды. Тамырлардың АҮФазасының белсенділігі Н.И.Тихаяның жазбасы бойынша анықталды [130].

Топырақ сараптамасы сынама титаннан жасалған топырақ бурымен алынды. Топырақ үлгілері 3 рет қайталанып, 0-5, 5-20, 20-30, 30-40, 40-50 см тереңдікте 5 нүктеден алынды (квадрат бұрыштарынан және ортасынан 5х5 м). Алынған сынамалар клеенканың үстінде араластырылып, құрғақ затқа есептегенде 400 г-нан кем емес үлгі алынды. Сынаманы сақтап, оны тасымалдау үшін, мақта матадан жасалған қапшық пайдаланылды. Зертханалық жағдайда топырақ үлгілері құрғақ-ауалы жағдайына дейін кептірілді, үгітілгеннен кейін саңылауларының диаметрі 1 мм болатын елеуіштен өткізілді. Топырақ үлгілері тығыз қағаз бетіне жұқалап жайылып кептірілген, тас, шыны, өсімдік тамырлары және т.б. қалдықтардан тазартылды.

Ауыр металдардың мөлшерін анықтау үшін топырақ үлгілері агаттан жасалған келіде түйіліп, майдаланып, ұн тәріздес күйге келтірілді.

Қара шіріндіні анықтау үшін топырақ үлгілері өсімдік тамырларының қалдықтарынан тазаланып, топырақ өте ұқыпты түрде ұнтақталынып, саңылауларының диаметрі 0,25 мм болатын елеуіштен өткізіліп, И.В.Тюриннің әдісі бойынша анықталды. Талдау нәтижелерінің дұрыстығы топырақ стандарттарында анықталатын құрамдастардың белгілі мөлшерімен салыстыру арқылы жүзеге асырылды [125,  б. 184-186].

Ауыр металдардың топырақтағы миграциясын зерттеу барысында 1,0 М HCl; 0,1 M NaOH, pH 4,8 және 7,0 болатын ацетатты – аммонийлі буфер ерітінділері қолданылды. Олардың көмегімен ауыр металдар топырақты экстрациялауға, сонымен қатар ауыр металдардың нақты еритін, кол-лоидтармен сорбцияланатын, бейтарап кешенді қосылыс, анионды және катионды тәрізді түрлерінің мөлшерін анықтау мақсатында экстракция сумен жүргізілген, диализ және электродиализ үрдістерімен жалғастырылды. Экс-тракциялау үшін топырақ үлгісіне 1:10 қатынасында экстрагенттер құйылды. Сумен жасалған экстракция 3 тәулік бойы жүргізілді. Сүзінділер «көк лента-лы» сүзгіш қағазы арқылы өткізілді, тазартылған сұйықтық талданды.

Ацетатты–аммонийлі ерітінділерде ауыр металдардың еритін (жылжы-малы) түрлері, атап айтқанда, рН = 4,8 ауыр металдардың ионалмасу түрлері, берік байланыстағы түрлер бөлігі мен олардың оксидтері, рН = 7,0 ионалмасу қосылыстары (алмасу түрлері) бөлініп топырақтан сығынды ерітіндісіне өтеді.

Өсімдік үлгілерін алу тәртібі. Өсімдік үлгілерін алғанда олардың шаңмен, топырақ түйіршіктерімен және өсімдіктерді қорғайтын заттарымен ластанбауы қадағаланды. Керісінше жағдайда өсімдіктерді судың ағынында (мүмкіндігінше дистилденген сумен) шайып, су тамшылары мұқият түрде сілкініп тасталды.

Өсімдіктердің үлгілері (жапырақтар және басқа да органдары), олардың ескі және жаңа бөліктерінде элементтердің мөлшерінде әлдеқайда айырма-шылық болатыны ескеріліп алынды [127, б. 26-27]. 

Өсімдік үлгілерін алып болған соң тез арада жоғары температурада (60-800С) кептіреді. Бұл, процессті тек жылдамдатып қана қоймай, сонымен бірге үлгілердің микробиологиялық және ферментативтік ыдырауына жол бермейді. Кептіруді желдеткіші бар ТС-80М-2 маркалы термостаттарда немесе бөлмелерде қажетті температура мен ауа алмасуын қамтамасыз ете отырып іске асырады, бұл кезде үлгілердің ірі бөліктерін (сабақтар, қалың, жуан тамырлар т.б.) мөлшері 5-8 мм-ге дейін майдалау керек.

Кептірген соң үлгіні өте кіші салмақтың құрамындағы элементтің жеткілікті дәлдігі қамтамасыз етілетіндей бөліктерге дейін майдалайды. Бұл АДВ-200 п/н 200г маркалы аналитикалық таразыда салмағы 0,2-0,5 г болғанда дәл және нақты мәліметтер алудың өте маңызды шарты болып табылады.

Әрі қарай диірмен немесе басқа осындай типті қондырғыларда майдаланып,  әр 30-40 с үлгіні електен (саңылауларының диаметрі 2 мм) өткізілді. Електен өтпей қалған ірі бөліктері електің көздерінен өткенше майдаланды. Содан соң үлгілерді мұқият араластырып картонды жәшіктерге (мүмкіндігінше парафинделген) сақталды.

Өсімдік үлгілерін күлдеу және күлді ерітінді алу. Өсімдік үлгілеріндегі ауыр металдардың мөлшерін анықтау үшін олардың бөлігін ыдырату қажет, яғни минералды қоспаға дейін тотықтыру керек. Бұл мақсаттта әдістердің бірі қолданылады:

• ылғалды күлдену – материалды қайнап тұрған күшті тотықтырғыш-тармен өңдеу (HNO3, HClO4, H2SO4, H2O2), бұл кезде максимальді температура 1100С (H2SO4 қайнауы);
• құрғақ күлдену – материалды ауаның оттегісімен жоғары температурада тотықтыру (4500С-тан жоғары).

Ылғалды күлдену әдісі әдетте аз мөлшерлі үлгілерде (1 г дейін) қолда-нылады, өйткені бұл жағдайда өте көп көлемде тотықтырғыштар шығындала-ды да, бұл талдаудың ластануына, әсіресе тотықтырғыштардың құрамында болатын микроэлементтермен ластануымен байланысты.

Құрғақ әдіспен күлдендіргенде қызу температурасын 500-5500С-тан жоғарылатпау керек, өйткені анықталатын элементтердің, әсіресе калий, мырыш, қорғасынның біршама термиялық жоғалуы байқалады (ТИП СНОЛ 1.6.2.,51/11-И2 1100°С маркалы муфельді пеш).

Муфельде күлдендіру. Салмағы 5-10 г майдаланған өсімдік материалын фарфорлы (кварцты) табақшаға салып, мұздай немесе аздап жылытылған му-фель пешіне қойып, есігін ашық қалдырып, температурасы жоғарылатылды. Осындай жолмен, күлденетін материалдан бөлінетін түтін тоқтағанға дейін қыздыру жалғастырылды. Әрі қарай муфельдің есігін жауып, температураны 450-5000С-қа дейін көтеріп, 2-3 сағат ұсталды. Содан кейін, табақшаны алып салқындатып, күлденетін материалдың қалдығын концентрленген HNO3 ерітіндісімен ылғалдандырып, құрғағанша буландырып, қайтадан муфельде 450-5000С 20-30 минут бойы қыздырылды. HNO3-мен өңдеуді және әрі қарай қысқа мерзімді қыздыруды күлден көмірдің қара бөлшектері жойылғанша жүргізілді [127,  б. 30-31].

Әдістің орындалуы. Бұл әдіс, алдын-ала дайындалған сынаманың сулы ерітіндісінің инверсиялы – вольтамперометриялық ХАН-2 анализін жүргізуге негізделген. Сонымен қатар, әдісте топырақтың қышқыл сығындыларының УК-сәулеленуінге негізделген топырақ сынамасының алдын-ала дайындығының жүргізілуі кіреді. ИВ-анализ әдісі сынап қабаты индикаторлы электродында тұнбаланған (тұнған) элементтердің қасиеттері бойынша әр элементке тән арнайы потенциал барысында электрохимиялық ерігіштігіне негізделген. Әр элементтің тіркелген максималды анодты тогы, анықталынатын элементтің концентрациясына тікелей пропорционалды байланысты. Сынап – қабықты индикаторлы электродында дайындалған сынама ерітіндісіндегі мыстың, қорғасынның, кадмийдің, мырыштың электротұнбалау үрдісі, электролиздің белгіленген уақыты бойынша электролиз потенциалының салыстырмалы хлорлыкүміс электродында тең (-1,4 В) болғанда жүргізілді. Элементтердің электрод бетінен электрерітілу үрдісі мен вольт-амперограммадағы аналитикалық белгілердің тіркелуін -1,2 В+0,1 В дейінгі сызықты өзгермелі потенциал барысында құралдың белгіленген сезімталдық салыстырмалы хлорлыкүміс электродында жүргізілді.

Мырыш, кадмий және мыстың тіркелген анодты шектердің (аналитикалық белгілердің) максималды потенциалы құмырсқа қышқылында мына сәйкестікке тең: (-0,9±0,1) В; (-0,6±0,1) В; (-0,4±0,1) В; (-0,1±0,10) В.

Сынамадағы элементтердің  массалық концентрациялары аттестатталған қоспаларды қосу әдісі бойынша анықталды.

Мырышты анықтау. Мырыш дитизонды әдіспен анықталды [127, б. 48-53]. Бұл анықтау талданатын әлсіз қышқылды (рН 5) ерітіндіні дитизонның ССІ4 ері-тіндісінде шайқағанда ашық-қызыл түсті мырыштың дитизонының түзілуіне негізделген. ССІ4 қабатында мырыштың қызыл дитизонаты жасылдан қызыл түске дейін өзгерді. Сандық есептеуді аралас түс бойынша артық ерітіндіні алып тастамай колориметрлеу арқылы жүргізілді.

Басқа элементтердің, сонымен қатар дитизонмен боялған ерітінділер тү-зетін элементтердің әсерін болдырмау үшін натрийдің гипосульфаты қосылды. Ол кешендер түзетін, дитизонмен әрекеттеспейтін, бірақ мырыштың ди-тизонатының түзілуіне кедергі жасамайтын элементтерді байланыстырады.

Қорғасынды анықтау. Қорғасынды дитизонды әдіспен [127, б.59-63] қорғасын дитизонатының қызыл түсінің қарқындылығы бойынша анықтайды. Бұл анықтауға негізінен талданатын ерітіндідегі мыс, мырыш пен висмуттың қатысы кедергі жасайды. Осы және басқа да элементтердің әсерін жою үшін оларды ерітіндінің әртүрлі қышқылдылығында (рН) дитизонмен экстракциялау арқылы бөліп алады. Стандартты әдістерде мырыштың әсерін жою үшін өте улы қосылыс болғандықтан цианидтерді қосу ұсынылады. Бұл әдісте қорғасынды жақсы байланыстыратын гипосульфит қосып экстракциялау арқылы мырыштың әсері жойылады.

Өсімдік ұлпасындағы ауыр металдардың мөлшерін анықтау үшін, өсім-діктің биомассасына байланысты 5-10 сынама іріктеліп алынды. Өсімдіктің тамырлары іріктеліп алынғаннан кейін сумен топырағы жуылды (3-4 рет). Сосын тамыр жүйесінің ұзындығын және өсімдіктің жер үсті бөлігінің биіктігін өлшеп, содан кейін биомассасын анықтау үшін таразыға тартылды. Жер үсті бөлігін (сабағын, жапырағын, дәнін) және тамыр жүйесін жеке-жеке талқандап, майда бөліктерге кесіп, талдау жасау үшін қағаздың бетіне жайып төртке бөлу  арқылы орташаланған сынамаларды бөліп алады.

450оС-тық температурада муфельді пеште кептіргеннен кейін, ауыр металдарды 1 М HCI экстрациялап және өсімдіктің әр бөлігіндегі ауыр металдардың құрамын электрохимиялық әдісі арқылы, ХАН-2 құралының көмегімен анықталды. Аналитикалық зерттеу 3 рет қайталанды.

         3.ЗЕРТТЕУ НӘТИЖЕЛЕРІ

        3.1 Ауыр метал иондарының кейбір өсімдіктердің жекеленген мүшелерінде  таралу ерекшеліктері

Қоршаған ортаға ауыр металдардың таралуы барлық тірі ағзалардың өсіп-дамуына (микроорганизмдер, өсімдіктер, жануарлар) улы әсерін тигізетіндігі белгілі. Ал, зерттеушілердің көрсетулері бойынша өсімдіктің тұқымы ауыр металдардың өте аз шоғырланатын орны [19, 104, 103]. Өсімдік тұқым жарғағы ауыр металдардан немесе басқа да зиянды заттардан қорғайтын ең алғашқы тосқауыл, тіпті ауыр металдардың жоғары концентрациясында олар өсімдік тұқым жарғағында ғана кездескен [156].

Дегенмен, ауыр металдардың өсімдік дәнінің өнуіне әсері өсімдік түріне әрқилы әсер ететіндігі біздің жасаған жұмысымыздан байқалды. Таза Петри табақшасында тек, ауыр металдардың төменгі, орташа және жоғары концентрацияларына есептеліп берілген жұмыс нәтижелері көрсеткендей ауыр металдардың төменгі концентрациялары өсімдік дәнінің өнуін арттырса, жоғары концентрациялар керісінше өсімдік дәнінің өну қарқынын төмендететіндігі байқалды.  Бұндай нәтижелерді келесі 1-4 суреттерден көруге болады.

       Көрсетілген 3 суретке мән бере қарасақ ауыр металл мыс тәжірибеге ілінген өсімдіктерге әрқилы әсер ететі. Мысалы, мыс төменгі (3,2 мг/кг) концентрацияда A. repens өсімдігіні дәнінің өну қарқынын 5 %-ға төмендетсе, Z. іnermіs және Ph. pratense өсімдіктерінің дәнінің өнуін 2-17 %-ға төмендеткен және ортадағы мыстың концентрациясы артқан сайын ол көрсеткіш те арта түскен. Мыстың ортадағы концентрациясы 6,4 мг/кг және 12,8 мг/кг болғанда A. repens өсімдігі дәнінің өну қарқынын 31 %-ға, 41 %-ға, Z. іnermіs және Ph. pratense өсімдіктерінің дәнінің өнуі 4 %, 13 %, 17 %, 49 %-ға дейін төмендеткен. Ал, ең жоғары концентрацияда бұл көрсеткіштер A. repens өсімдігінде 44 %-ға жетсе, Z. іnermіs және Ph. pratense өсімдіктерінде 76 %-ға және 87 %-ға дейін төмендеген. Мыстың төменгі концентрациясы тек A. gigantea өсімдігіне оң әсер еткендігі оның бақылау мен салыстырғанда 14 %-ға жоғары өнгендігінен байқалды. Бұл көрсеткіш 6,4 мг/кг болғанда 7 %-ды құраса, 12,8 мг/кг концентрацияда 36 %-ға керісінше төмендеген. Ал, мыстың ең жоғары концентрациясында бұл көрсеткіш 79 %-ға дейін жеткен.

Алынған нәтижелерге зер салсақ қоректік ортадағы мыстың улы әсері бірден байқалды. Тек, A. gigantea өсімдігіне оң әсері орташа концентрацияға дейін сақталып, әрі қарай өз әсерін бірден көрсетті. Тәжірибедегі басқа өсімдіктердің мыстың әсеріне өте сезімталдылықтарын көруге болады. Мыстың өсімдіктерге қажетті микроэлементтік үлесі басқада өсімдікке қажетті элементтермен ара қатысының сақталуында болуы мүмкін. Ол қажетті микроэлемент ретінде өсімдіктердің дәнінің өнуіне оң әсер беруі керек еді. Бірақ, мұндай әсер тек бір өсімдікте ғана байқалды. Яғни, оның қоректік ортадағы жалғыз болуы тіпті, төменгі концентрациясында өсімдіктер дәндерінің өнуіне теріс әсері аталған элементтің ауыр металдар қатарынан орын алуына себеп және ол басқа екі валентті катиондармен салыстырғанда өсімдікте органикалық кешенді қосылыстар жасауға өте қабілетті [128,142]. Сондықтан, өсімдіктің өніп-өсуіндегі қажетті басқа элементтердің ығысуы немесе орны мыспен ауысуы дәннің өнуіндегі маңызды физиологиялық процестердің бұзылуына әкеліп соқтыруы мүмкін. Осының салдарынан өсімдік дәнінің өнуі баяулап немесе тоқырауына әкеледі.

Өсімдіктердің ауыр металдарға төзімділігі, өсімдіктерге әсер ететін жоғары концентрациямен есептелуі тиіс. Өйткені, зерттеушілердің мәліметтері бойынша қоршаған ортаға жылына жүздеген, мыңдаған тонна химиялық элементтер таралса [2, 3],  олардың техногенді аймақтағы топырақтағы мөлшері қалыпты жағдаймен салыстырғанда 10-даған, 100-деген есеге жоғарылайды [6]. Сондықтан тәжірибедегі өсімдіктердің мыстың әсерінен дәнінің өнуі бойынша 25,6 мг/кг варианты бойынша келесідей қатарға қоюға болады. A. repens > A. gigantea > Z. inermіs > Ph. pratense. Осы қатарға сай ізденістегі өсімдіктердің дәнінің өнуі бойынша олардың мысқа әртүрлі қатынаста екені байқалады. Егер A. repens осы көрсеткіш бойынша мысқа төзімділік танытса, керісінше Ph. pratense өте сезімтал.

Жұмыстың жалғасы дәл осындай концентрацияда берілген бірақ, өсімдік тіршілігінде маңызды элементтер қатарынан орын алмайтын кадмийдің өсімдіктердің дәнінің өнуі әсерін қарастырайық. Жұмыс нәтижелері көрсеткендей кадмий элементінің төменгі концентрациясы тәжірибедегі барлық өсімдіктердің дәнінің өнуіне оң әсер берді. Бұл көрсеткіш A. gigantea өсімдігінде орташа концентрацияға дейін сақталса, қалған өсімдіктердің дәнінің өнуі аталған элементтің ортадағы концентрациясы артқанда тәуелді түрде төмендеді. Мысалы, A. gigantea өсімдігі дәнінің өнуі төменгі концентрациясында 32 %-ға арса, 6,4-12,8 мг/кг концентрацияларда 21 %-ға дейін сақталды. Бұл концентрацияларда Ph. pratense өсімдігі дәнінің өнуі керісінше 49-58 %-ға төмендеген, ал A. repens өсімдігінде дәнінің өнуі небәрі 11-17 %-ға, Z. іnermіs өсімдіктері дәнінің өнуі 6-13 %-ға ғана төмендегенін көруге болады. Кадмийдің ең жоғары концентрациясында A. gigantea өсімдігі дәнінің өнуі 8 %-ға ғана азайса, Z. іnermіs және Ph. pratense өсімдіктері дәнінің өну қарқыны 40 %-ға және 68 %-ға дейін төмендеп кеткен. Осы нәтижелермен келіссек өсімдіктердің дәнінің өнуі бойынша кадмийге төзімділік қатары келесідей A. gigantea > A. repens >Z. іnermіs > Ph. pratense.