CC BY
60
УДК 543.07
Е. А. Гришина, В. А. Литвинский, В. В. Носиков,
С. Л. Белопухов
ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ БОРА НА ПРОТОЧНОМ АНАЛИЗАТОРЕ SAN++
Ключевые слова: проточный анализатор, почвы, методы определения, бор, азометин-Н.
Бор - необходимый элемент для полноценного роста и развития сельскохозяйственных культур, участвующий в процессах клеточного деления, опыления, плодообразования, транспорта сахаров, крахмала, белков и других соединений. При этом, как недостаток, так и избыток доступных форм бора в почве может приводить к угнетению и даже гибели выращиваемых растений. По этой причине, химический анализ в почве содержания подвижных соединений бора имеет важное значение. В настоящее время для определения содержания подвижных форм бора в почве используется спектрофотометрический метод в соответствии с ГОСТ Р 50688-94. Сегодня существуют автоматизированные аналитические комплексы, такие, как проточный анализатор San++, по метрологическим характеристикам не уступающие современным аналитическим приборам, таким, как атомно-абсорбционная и атомно-эмиссионная спектрометрия и не испытывающие, в большинстве случаев, негативного влияния интерференций, присутствующих в почвенных и растительных экстрактах катионов и анионов. Целью данной работы было изучение возможности модификации классической методики определения подвижных соединений бора (Бергер и Труог) для автоматизации с использованием проточного анализатора. Результаты исследования показали, что предложенная нами модификация превосходит общепринятую методику, обладая более низким пределом обнаружения, более низкой восприимчивостью к присутствию в экстрактах ионов-интерферентов, а также, более высокой способностью к автоматизации. Значения, полученные в результате анализа стандартных образцов, находились в пределах допустимой погрешности стандартизированного метода (ГОСТР 50688-94). Таким образом, модифицированный метод является перспективным с точки зрения применимости в агрохимическом анализе почв РФ для определения содержания доступных растениям форм бора, в том числе, и в свете гармонизации международных стандартов химического анализа почв.
Key words: boron, continuous flow analyzer, soils, methods of analysis, azometin-H.
Boron is essential element for crops rise and development. It takes part in processes of mitosis, pollination, fruit formation and transport of sugars, starch, proteins and other compounds. Moreover, as a lack or excess of available forms of boron in the soil may result in suppression and even death of grown plants. On these causes boron determination in soils has great value. At present, to determine the content of boron mobile forms in soils spectrophotometry method in accordance with GOST 50688-94 usually used. There are automated analytical systems, such as flow analyzer San++. The metrological characteristics of these systems are not inferior to the modern analytical instruments, such as atomic absorption and atomic emission spectrometry, without, in most cases, the negative impact of interference cations and anions present in the soil and plant extracts. Thus, the aim of this research was to investigate the opportunity of modification the classical methods for determining mobile boron compounds (Berger and Troug) applied to flow analyzer. The results of our research have shown that modification we proposed exceeds the conventional technique, because of having a lower minimum detection limit, lower susceptibility to the presence of interfere ions in the extracts, as well as higher capacity for automation. The values resulting from the analysis of reference samples were within the error margin of a standardized method (GOST R 50688-94). Thus, the modified method is can be considered as promising in terms of applicability for practice of agrochemical soil analysis in Russia for purposes of mobile boron determination, this has significant meaning in relation of the international standards harmonization of soil chemical analysis.
формирование репродуктивных органов, плодоношение, изменяется активность ферментов углеводного и фенольного обменов [3].
Среднее содержание бора в почве колеблется от 1,5 до 50 мг/кг. Меньше всего его в почвах тундры, слабо обеспечены им дерново-подзолистые, лесостепные и торфяные почвы. Больше всего бора содержится в солонцах и солончаках. Валовое содержание бора в дерново-подзолистых почвах составляет 2-5 мг/кг почвы, в серых - 3-9 мг/кг, в чернозёмах - 9-12 мг/кг, но доступными для растений являются только 3-10 % от общего количества бора. Таким образом, большая часть бора в почвах находится в недоступных для растений формах. Недостаток бора в почве также может наблюдаться из-за его адсорбирования фосфатами, при этом избыток бора также
Введение
Бор является важнейшим микроэлементом в развитии растений, влияющим на углеводный, белковый, нуклеиновый обмен и другие биохимические процессы в растениях. Несомненная важность микроэлемента бора была установлена еще в 20-х годах прошлого столетия (Warington, 1923, Sommer, 1927) [1].
Разные химические элементы в неодинаковой степени используются растениями. Бор является элементом, относящимся к сильным мигрантам в системе почва-растение (от 1 до 31 %) [2]. Он содержится в растениях в большем количестве, чем другие микроэлементы, при этом наибольшая его концентрация приходится на клеточную стенку. При его недостатке нарушается целостность мембран и их функционирование, структура клеточной стенки,
отрицательно влияет на растения, как и его недостаток. По этой причине крайне важным является точное определение содержания доступного для растений бора в почвах.
Существуют различные классификации соединений бора, содержащегося в почвах. Ряд зарубежных исследователей выделяет следующие 5 категорий: 1) Легкорастворимый (извлекаемый 0,01 М СаС12), представляет менее 2 % от общего содержания бора в почве. 2) Специфически адсорбируемый (извлекаемый 0,05 М КН2РО4), менее 2 % от общего бора. 3) Бор, связанный в оксидах (извлекаемый 0,2 М (NH4)2C2O4), около 2,3 % от общего бора. 4) Бор, связанный с органическим веществом (извлекаемый 0,02 М HN03 + 30 % Н2О2), составляет 8,6 % от общего бора. 5) Остаточный или прочносвязанный бор (извлекаемый смесью концентрированных кислот HN03 + HCl + HF) [4].
Наиболее принятой в агрохимической практике является деление на три категории: 1) валовый 2) кислоторастворимый 3) водорастворимый. Валовое содержание бора в почве не является надежным показателем доступного для растений бора, содержание кислоторастворимого бора несколько лучший показатель, но также не является надежным критерием, особенно при определении в карбонатных почвах, которые нейтрализуют кислотность экстрагента. В 1940 г. для оценки содержания водорастворимого бора в почве как показателя доступности этого микроэлемента для растений, Бергер и Труог предложили проводить экстракцию горячей водой в течение 5 минут с перегонкой [5, 6]. Этот метод сегодня широко применяется на практике.
Для определения содержания доступного для растений бора возможно использование большого разнообразия аналитических методов таких как: потенциометрия, флуориметрия, фотометрия, атомная адсорбция, атомная эмиссия, масс-спектрометрия, хроматография. Несмотря на это, наиболее распространенным является
фотометрический метод благодаря его доступности, низким затратам на проведение анализа и достаточной чувствительности. В настоящее время существуют проточные химические анализаторы, совмещающие в себе достоинства автоматизированных аналитических систем с простотой и надежностью, присущими классическими методам определения. Целью данной работы было изучение возможности адаптации методики определения подвижных соединений бора почвы по методу Бергера и Труога в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 50688-94) с использованием проточного анализатора San++ .
Экспериментальная часть
Объекты исследования. В качестве объектов исследования для определения подвижных соединений бора использовались следующие стандартные образцы почвы: 1. САДПП-10/12 (дерново-подзолистая среднесуглинистая) 2.
САСлП - 03/1 (темно-серая лесная тяжелосуглинистая) 3. САЧвА - 06/4 (черноземная выщелоченная тяжелосуглинистая) 4. САЧП-04/1 (черноземная типичная среднесуглинистая)
5.САЧобП - 01/2 (черноземная обыкновенная тяжелосуглинистая) 6. САКашП - 05/1 (каштановая карбонатная среднесуглинистая) 7. САЗП - 2011 (засоленная).
Реагенты. Все реактивы, которые использовали в данном исследовании, имели квалификацию не ниже ЧДА, водные растворы были приготовлены с использованием деионизированной воды и хранились в полиэтиленовых емкостях для избегания возможного загрязнения бором. Для анализа использовались следующие растворы: 1. Экстрагирующий раствор: 0,01М СаС12. 2. Окисляющий раствор: азотная кислота (65 %), дистиллированная вода, ПАВ марки «Брай-35» (30 %). 3. Буферный раствор: ацетат аммония, ЭДТА (Трилон Б), тиогликолевая кислота, уксусная кислота, дистиллированная вода, ПАВ марки «Брай-35» (30 %). ЭДТА и тиогликолевую кислоты прибавляют, для того, чтобы удалить влияние алюминия, кальция и железа. 4. Окрашивающий раствор: азометин-Н, аскорбиновая кислота (10 %), дистиллированная вода. 5. Основной раствор сравнения (В 100 мг/л): борная кислота, дистиллированная вода. 6. Рабочие растворы: 1. 2,0 мг/л 2. 1,6 мг/л 3. 1,2 мг/л 4. 0,8 мг/л 5. 0,4 мг/л, 6. 0,2 мг/л.
Приготовление почвенной вытяжки. Для
приготовления почвенной вытяжки пробы почвы высушивали до воздушно-сухого состояния с подогревом воздуха не выше +40 °С. Навеску почвы (с размером частиц менее 2 мм) массой 10,0±0,1 г помещали в коническую колбу и приливали к ней 100,0±0,1 см3 0,01 М раствора СаС12 с температурой 20 °С. В течение двух часов суспензию встряхивали, затем суспензию центрифугировали при 3000
06./мин и надосадочную жидкость сливали для дальнейшего определения. Фильтрация с использованием бумажных фильтров не допускается по причине возможного загрязнения аналита или сорбирования из него соединений определяемого элемента. Из каждого стандартного образца готовилось 6 параллельных вытяжек, содержание подвижных форм бора в каждой из которых проводилось в трехкратной аналитической повторности.
Оборудование. Прибор для непрерывного проточного анализа (НПА) - San++, производства компании <^ка1аг>» Нидерланды. Данный анализатор отличает модульный принцип компоновки, позволяющий гибко настраивать прибор под необходимые технологические операции в соответствии с выбранным аналитическим методом. В нашем случае, аналитическая линия для определения бора включала в себя автоматический податчик проб (автосамплер), химический модуль, для выполнения требуемых методом операций перемешивания и окрашивания, и
спектрофотометрический детектор со
светофильтром 420 нм. В соответствии с методикой
выполнения измерений, разработанной компанией «Skalar», рекомендуемый диапазон определения концентраций подвижных соединений бора, составляет 0,02-2,0 мг/л.
Обсуждение результатов
Фотометрический метод определения основан на образовании окрашенных соединений бора с реагентами и последующим определением с использованием спектрофотометрического
детектора. В качестве окрашивающих комплексообразователей используют куркумин, хинализарин, кармин, метиленовый синий, азометин-Н.
В нашем исследовании применялся метод, основанный на образовании желтого комплекса подвижных соединений бора с азометином-Н. Выбор комплексообразователя был обусловлен сравнительной оценкой методов с азометином-Н, кармином и куркумином показавшей, что метод с использованием азометина-Н наименее подвержен интерференции и является наиболее чувствительным [7]. Данный метод является быстрым, простым, чувствительным, не требующим использования концентрированных кислот, легко автоматизируемым в контексте современных проточных анализаторов.
На количество подвижных соединений бора, извлеченных методом Бергера и Труога, влияют условия экстракции, такие как время, температура и потенциальная ресорбция бора во время охлаждения. При экстракции горячей водой некоторые почвы могут окрашивать раствор, что влияет на последующее спектрофотометрическое определение бора. Для удаления окрашивания была предложена обработка с активированным углем, но это может приводить к снижению концентрации бора в экстрактах, из-за сорбции бора углем [8, 9]. Одним из способов экстракции может служить использование 0,05 М HCl, данный метод подходит
для почв с кислой реакцией среды [10, 11]. Однако, в данном случае определению бора наиболее часто используемым методом с азометином-Н мешает железо, извлекаемое при экстракции [12].
Нами был использован хорошо
зарекомендовавший себя метод экстракции с использованием разбавленного водного раствора СаС12, чтобы избежать проблем, связанных с извлечением бора горячей водой. Исследования показывают высокую степень корреляции между количеством бора, извлекаемым горячей водой, и содержащимся в вытяжке 0,01 М СаС12 [13].
Результаты, полученные при определении подвижных соединений бора в стандартных почвенных образцах с использованием проточного анализатора San++ , представлены в таблице 1. Для каждого из образцов почвы значение содержания бора в вытяжке 0,01 М СаС12, найденное, как среднее из шести параллельных экспериментальных повторностей в сочетании с трехкратной аналитической, находилось в границах интервала, заданного погрешностью определения значения СО, и аттестованного в соответствии с ГОСТ Р 50688-94. Значение стандартного отклонения изменялось в диапазоне от 0,04 до 0,19, при этом наибольшее отклонение было характерно для образца засоленных почв. Наименьшее значение стандартного отклонения показали образцы дерново-подзолистой и серой-лесной почвы (САДПП-10/12, САСлП - 03/1). Расчет коэффициента вариации использовался нами для оценки различий индивидуальных значений содержания бора в параллельно приготовленных вытяжках из одного СО. Значение коэффициента вариации для всех СО не превышало 8 % и было наименьшим для образцов каштановых почв и обыкновенного чернозема. Как и для стандартного отклонения, наибольшее значение коэффициента было присуще экстрактам образца засоленных почв.
Таблица 1 - Определение подвижных соединений бора в стандартных образцах почв
№ п\п Образец Среднее значение, мг/кг (n=6) Стандартное отклонение Коэффициент вариации, % Аттестованное значение СО, мг/кг
1 САДШ1-10/12 0,65 0,04 6,24 0,54
2 САСлП - 03/1 0,85 0,05 5,91 1,02
3 САЧвП - 06/4 1,97 0,13 6,34 2,16
4 САЧП-04/1 2,15 0,13 6,02 2,35
5 САЧобП-01/2 1,86 0,09 4,75 1,90
6 САКашП - 05/1 1,64 0,08 4,90 1,47
7 САЗП - 2011 2,52 0,19 7,53 2,81
На рисунке 1 представлено графическое отображение анализа образца САДПП 10/12 (дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы). Величина стандартного отклонения для этого образца была минимальной, в сравнении с другими
вариантами, что можно увидеть на рисунке. Величина пиков имеет незначительное различие по интенсивности абсорбции, несмотря на это коэффициент вариации не является наименьшим в
выборке, что может быть связано с низким содержанием определяемого элемента.
Значения оптической плотности для образца САЧП-04/1 были выше верхнего предела абсорбции для калибровочных растворов (рис. 2). Это означает, что содержание подвижных форм бора в экстрактах выходило за пределы диапазона калибровки. В этом случае нами производился повторный анализ вытяжек, автоматически разбавленных системой отбора проб анализатора. Кроме образца САЧП-04/1, содержание бора, превышающее концентрацию наивысшего калибровочного раствора, было отмечено для СО САЧвП - 06/4 и САЗП - 2011.
В результате выполненного исследования нами была модифицирована и отработана методика определения подвижных соединений бора в
основных типах почв РФ с использованием перспективного экстрагента 0,01 М СаС12.
Была на практике испытана возможность автоматизации исследуемого метода и выявлено значительное преимущество такого подхода, выразившееся в снижении порога обнаружения определяемых соединений - что объяснимо более высокой, стабильностью выполнения аналитических операций, позволяющей уверенно проводить определение более низких концентраций, нежели при выполнении тех же операций вручную, без ухудшения воспроизводимости анализа. Это подтверждено статистическими показателями, полученными нами в эксперименте, и превосходящими таковые для гостированного метода.
Рис. 1 - Ход анализа СО САДПП 10/12
Рис. 2 - Ход анализа СО САЧП-04/1
Дополнительным преимуществом определения подвижных соединений бора с использованием проточного автоанализатора является
предотвращение возможной интерференции от присутствующих в экстракте ионов кальция, меди, алюминия и железа, вследствие добавления в
буферный раствор тиогликолевой кислоты и ЭДТА с последующим диализом.
Значения содержания соединений бора, найденные с применением проточного автоанализатора San в вытяжках с использованием 0,01 М CaCl2, находились в пределах допустимых
отклонений от аттестованных значений для стандартных образцов. Это позволяет рекомендовать использование данной методики для определения на проточном анализаторе подвижных соединений бора для основных типов почв РФ.
Литература
1. K. Malekani, S.M.Cresser, Commun. Sci. Plant. Anal., 29, 285-304 (1998).
2. В.И. Панасин, Агрохимический вестник, б, б-7 (2003).
3. Е.Б. Пашкевич, Е.Е^уворова, Н.В. Верховцева, Агрохимия, 11, 85-9б (2011).
4. R.N. Sah, P.H. Brown, Plant and Soil, 193,15-33 (1997).
5. L.M. Shuman, V.A. Bändel, S.J.Donohue, R.A. Isaac, R.M. Lippert, J.T. Simes, M.R. Tucker, Comm. Soil Sci. Plant Anal., 23, 1-14 (1992).
6. J.R. Self, U.C. Gupta, Boron and its Role in Crop Production. Ed. 1993, CRC Press Ine, Boca Raton, FL, USA. P. 125-135.
7. R.N. Sah, P.H. Brown, Microchemical journal, 56, 285304 (1997).
8. S.L. McGeehan, K. Topper, D.V. Naylor, Comm. Soil Sci. Plant Anal., 20, 1777-1786 (1989).
9. U.C. Gupta, Can. J. Soil Sci, 59, 241-247 (1979).
10. F.N. Ponnemperuma, M.T. Cayton, R.S. Lantin, Plant Soil, 61, 297-310. 1981
11. L. Renan, U.C. Gupta, Comm. Soil Sci. Plant Anal., 22, 1003-1012 (1991).
12. S. Evans, U. Krahenbuhl, Z. Fresenius, Anal. Chem., 349, 454-459 (1994).
13. V.J.G Houba, E.J.M. Temminghoff, G.A. Gaikhorst, W. van Vark, Communications in Soil Science and Plant Analysis, 31, 9-10, 1299-1396 (2000).
© Е.А. Гришина - к.б.н., старший научный сотрудник ФГБНУ ВНИИ агрохимии Д.Н. Прянишникова, ekategrishina@gmail.com; В. А. Литвинский - заведующий сектором спектроскопии ФГБНУ ВНИИ агрохимии Д.Н. Прянишникова, vl.litvinskiy@gmail.com; В. В. Носиков - к.б.н., зав. лабораторией разработки методов анализа почв ФГБНУ ВНИИ агрохимии Д.Н. Прянишникова, vniiasekr@yandex.ru; С. Л. Белопухов - д. с.-х. н., проф., зав. кафедрой физической и органической химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, belopuhov@mail.ru.
© Е. А. Grishina - PhD, Senior Scientific Researcher All-Russian Research Institute of Agrochemistry, ekategrishina@gmail.com; V. A. Litvinskiy - Head of Spectroscopy Section All-Russian Research Institute of Agrochemistry, vl.litvinskiy@gmail.com; V. V. Nosikov - PhD, Head of Laboratory of New Methods of Soil Analyses Development All-Russian Research Institute of Agrochemistry, vniiasekr@yandex.ru; S. L. Belopukhov - Doctor of Agricultural Sciences., Professor, Head of the Department of Physical and Organic Chemistry, Russian Timiryazev State Agrarian, belopuhov@mail.ru.
