Закономерности сезонного, высотного и изотопного фракционирования железа в процессе его биоконцентрирования растениями

Поскольку для изучения изотопных эффектов нам надо было измерять абсолютное количество ⁵⁷Fe в пробе, мы попытались построить градуировочную зависимость площади ЯГР сигнала FeF₃*3H₂O от содержания ⁵⁷Fe. Образцы фторида готовились по вышеописанной методике с добавлением известного количества ⁵⁷Fe. Результаты представлены на рис 8

Рис. 8. - Зависимость ЯГР сигнала (площади пика) FeF₃*3H₂O от

добавки ⁵⁷Fe в образце

Из рисунка 8 видно что, зависимость ЯГР сигнала от количества добавленного ⁵⁷Fe не является строго линейной. Следовательно, это приведет к неизбежным ошибкам при анализе. К тому же, как мы уже установили в предыдущих работах, что в процессе биоконцентрирования происходит обеднение пробы тяжелыми изотопами железа. Поэтому данный градуировочный график плохо пригоден для анализа таких объектов, поскольку методом добавок невозможно приготовить смеси, обедненные по сравнению с природной. Есть еще один недостаток предложенного способа анализа, который заключался в том, что мы вынуждены полагаться на непроверяемую нами информацию о чистоте добавляемого ⁵⁷Fe. Как показала практика, этого делать не стоит.

Наши навески содержали 80 мг железа. Продолжая градуировочную кривую до пересечения с осью абсцисс, находим, что массовое содержание ⁵⁷Fe в пробе без добавки равно 0.5%. При массе пробы в 1 г. это дает 5 мг ⁵⁷Fe в пробе. Тогда процентное содержание ⁵⁷Fe в пробе равно 5/80*100=6.25%. Эта величина почти в 3 раза больше, чем содержание ⁵⁷Fe в природном железе(2.2%). Такой результат вызван тем, что использованный нами в качестве стандартной добавки препарат ⁵⁷Fe содержал около 30% ⁵⁷Fe, то есть не был чистым препаратом. Без независимого метода проверки изотопной чистоты препарата метод добавок использовать нельзя. Таким образом, в силу вышеперечисленных причин мы отказались от дальнейшего применения метода добавок в анализе растительных проб. Для устранения указанных недостатков мы в дальнейшем использовали метод внутреннего стандарта. Схема метода показана на рис 9

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

28

Рис. 9. ? Определение ⁵⁷Fe в пробе методом внутреннего стандарта

Вместе с анализируемой пробой на пути излучения помещали железную фольгу из природного железа толщиной 50 мкм. Детектор в этом случае в этом случае регистрировал спектр двух фаз: секстет принадлежащий металлическому железу и тесный дублет от FeF₃. Эффекты рассеивания и поглощения сигнала в этом случае были одинаковы для обеих фаз. Относя площадь пика дублета к площади секстета, мы получали отношение интенсивности ЯГР сигнала от FeF₃ к сигналу от постоянного количества металлического железа. Таким образом, зная общее содержание железа в пробе, мы могли рассчитать % ⁵⁷Fe^. Расчеты производились по формуле

Здесь S(x) и S(ст) площади дублетов исследуемой пробы и стандартной пробы, отнесенные к единице площади металлического железа, а С(х) и С(ст.) - концентрации общего железа в исследуемой пробе и стандарте соответственно. Такой метод количественного анализа широко используется в хроматографии, а его применение в ЯГР спектроскопии до настоящего времени весьма ограниченно. Следует отметить, что процент ⁵⁷Fe мы принимаем равным 2.2% в соответствии с его табличным значением. Если по каким то причинам данная величина для нашей пробы имеет другое значение то результаты нашего анализа тоже изменятся. Однако соотношение концентраций изотопа для двух разных проб останется неизменным. Такой подход широко используется в изотопном углеродном анализе, когда все измерения проводятся относительно стандартного образца, который затем сравнивается с универсальным стандартом (чикагский стандарт) и в результаты анализа вносятся соответствующие поправки [10].

На рисунке 10 и таблицах 6 и 7 представлены типичные параметры ЯГР сигналов от пробы FeF₃*3H₂O с пленкой металлического железа.

Рис. 10. ? ЯГР спектр металлического железа и FeF₃*3H₂O

Табл. 6. - Параметры ЯГР сигналов от пробы FeF₃*3H₂O

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

28

Табл. 7. - Параметры ЯГР сигналов пленки металлического железа

При анализе изотопного эффекта необходимо иметь в виду, что изотопный состав природного железа не является строго постоянным. Следовательно исследуя отдельные части растения можно обнаружить обеднение или обогащения растения ⁵⁷Fe вызванное не биоконцентрированием, а чисто геологическими причинами. Поэтому для исследования мы брали все растения и сравнивали содержание изотопа ⁵⁷Fe в различных частях растения. На рисунке 11 представлена схема изотопного распределения ⁵⁷Fe по длине растения.

И термодинамический и кинетический изотопные эффекты предсказывают обеднение смеси, поглощенной растением, тяжелыми изотопами. Как оказалось для осоки, содержание ⁵⁷Fe в корнях составило 1.9% а в верхней части растений - 1.3%. Это очень большой эффект, если учесть что среднее содержание указанного изотопа в Земной коре 2.2%.

Обеднение зеленой части растения изотопом ⁵⁷Fe связано с наличием мембран на корнях растений, слабо пропускающих более тяжелый изотоп в верхнюю часть растения. Дальнейшее обеднение изотопом ⁵⁷Fe верхней части растения, скорее всего связанно с различной скоростью перемещения по капиллярам ⁵⁷Fe по сравнению с ⁵⁶Fe и различающимися константами процессов сорбции-десорбции изотопов на функциональных группах в стебле растения.

Полученные данные открывают возможность использования эффекта биоконцентрирования для получения обогащенных по ⁵⁷Fe смесей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

28

Рис. 11. - Распределение ⁵⁷Fe в осоке (разделение по границе стебель -

корни)

Выводы

• Надежно зафиксирован сезонный рост коэффициента биоконцентрирования железа на примере прибрежной осоки и хвоща. Этот рост наиболее заметен в те периоды, когда скорость испарения с листьев высока (жаркое лето), а также в случае загрязненных водоемов.

• Экспериментальным путем установлены два типа высотного распределения железа в прибрежных растениях: «параболический» и «экспоненциальный». Первый тип характеризуется минимумом концентраций железа в средней части стебля, а для второго наблюдается снижение концентрации железа от корня к вершине.

• Методом ЯГР-спектроскопии обнаружено почти двукратное обеднение растений по изотопу ⁵⁷Fe в верхней части «гиперболических» растений.

Список литературы

1. В.А. Исидоров Экологическая химия - СПб, Химиздат, 2001. - 304 с.

2. П.Н. Линник, Б.И. Набиванец. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. - Л., Гидрометеоиздат, 1986 - 270 с.

3. Поваров В.Г., Соколова О.Б., Шигапова К.А., Павлова Н.С. Биоконцентрирование тяжелых металлов водными и прибрежными растениями. // Вестн. СПбГУ - 2007 - Сер. 4. - Вып. 3. - С. 88-99.

4. Поваров В.Г., Соколова О.Б., Павлова Н.С., Володин В.С., Шарков Д.Е., Дмитриева Т.Г. Закономерности сезонного, высотного и изотопного распределения железа в растениях. Докл. на конф. 85-летия хим. ф-та СПбГУ - СПб., 2009.

5. Гигевич Г.С. Использование высших водных растений для оценки и контроля за состоянием водной среды: Метод. рекомендации. - Мн.: БГУ, 2002. - 84 с.

6. Будников Г.К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем. // Соросовский образовательный журнал - №5 - 1998. - С. 23-29.

7. Кузнецов В.В. Химические основы экологического мониторинга. // Соросовский образовательный журнал - №1 - 1999 - с. 35-40.

8. Сониасси Р. Анализ объектов окружающей среды: Инструментальные методы. - М.: Мир, 1993. - 80 с., ил.

9. Фор, Гюнтер Основы изотопной геологии - М.: Мир, 1989.

10. Галимов Э.М. Изотопный состав углерода газов земной коры. // Журнал Геохимия (Академия наук СССР) - №5 - М., Наука, 1968.

11. Галимов Э.М. Геохимия стабильных изотопов углерода. - М., Недра, 1968.

12. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. - М., Высшая школа, 1984.

13. Физическая химия. / Под ред. Б.П. Никольского - Л., 1986.

14. Иркаев С.М., Кузьмин Р.Н., Опаленко А.А. Ядерный гамма-резонанс. - М., МГУ, 1970.

15. Т.В. Гусева и др. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды - Эколайн, 2000.

16. Г.Т. Фрумин, О.А. Черных, И.В. Бовыкин, Ю.А. Трапезников, А.О. Румянцев и А.С. Григорьев Оценка экологически допустимых уровней содержания металлов в Ладожском озере. // Экологическая химия - 1998 - 7(1): 13-19.

17. Другов Ю.С. Экологическая аналитическая химия. - М.: 2000. - 432 с.

18. Владимиров А.М., Ляхин Ю.И., Матвеев Л.Т, Орлов В.Г. Охрана окружающей среды - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1991 - 423 с.

19. Алесковский В.Б. Физико-химические методы анализа. - Ленинград «Химия», 1988.

20. М. Отто. Современные методы аналитической химии. - Москва: Техносфера, 2003 - том 1, 2.

21. Шарло Г. Методы аналитической химии. Количественный анализ. T.2 - М., Химия, 1969 - 1206 с.

Размещено на Allbest.ru