Zastosowanie chemiluminescencji w fazie ciekłej do analizy gleby. Część II. Kwantometryczna kontrola szybkości utleniania substancji organicznej gleb podczas ekstrakcji

ROCZNIKI GLEBO ZN AW CZE T. X X IV , z. 2, W ARSZAW A 1973

DANUTA SŁAWIŃSKA, JANUSZ SŁAWIŃSKI

ZASTOSOW ANIE C H EM ILU M IN ESCEN CJI W F A Z IE C IE K Ł E J DO A N A LIZ Y G L E B Y

CZĘŚĆ II. KWANTOMETRYCZNA KONTROLA SZYBKOŚCI UTLENIANIA SUBSTANCJI ORGANICZNEJ GLEB PODCZAS EK STRA KCJI

Instytut Fizyki Politechniki Szczecińskiej

Zespół Fizyki Instytutu Mechanizacji Rolnictwa WSR w Szczecinie

Podstaw ow ym zagadnieniem m etodycznym w badaniach substancji organicznej gleb jest sposób izolowania i rozdziału substancji próch­ niczych. Przegląd stosow anych metod podany przez B o r a t y ń s k i e ­ g o i W i l k a [2, 3] oraz innych autorów [1, 4, 7, 13 - 16, 18, 29, 30, 32, 33] wskazuje, że do tej pory nie opracow ano doskonałych sposobów ekstrakcji, w czasie której nie następow ałyby fizykochem iczne zm iany substancji próchnicznych. Dlatego prawidłowa interp retacja wyników dotyczących właściwości i stru k tu ry substancji próchnicznych jest w znacz­ nej m ierze determ inow ana subtelnością metod ekstrakcji ty ch substancji. W ydaje się celowe opracow anie p recyzyjnych m etod kontroli tych spo­ śród procesów zachodzących w trak cie analizy gleby, które prowadzą do destrukcji substancji organicznej. Do takich procesów zaliczyć należy oksydacyjną degradację i polim eryzację.

P race wielu autorów [19, 2 0, 2 2 - 26] w ykazały, że utlenianiu i poli­ m eryzacji polifenoli, chinonów i kwasów hum inow ych tow arzyszy che-m iluche-m inescencja. Badanie cheche-m iluche-m inescencji che-mogłoby stanow ić nad­ zwyczaj czułą i precyzyjną metodę pom iaru szybkości w ym ienionych procesów. Stw arza to możliwość oceny ,,łagodności” m etod ekstrakcji i frakcjonow ania substancji organicznej z gleb. P ra ca niniejsza stanow i próbę opracow ania takiej m etody z użyciem standardow ej ap aratu ry rad iom etryczn ej.

PODSTAWY TEORETYCZNE METODY

Podczas działania rozpuszczalników na glebę zachodzi szereg proce­ sów fizycznych i chem icznych, którym może tow arzyszyć em isja prom ie­ niowania. Dalsze rozw ażania obejm ują procesy oksydacyjnej degradacji i polim eryzacji (ODP) substancji organicznej gleb oraz związaną z tym i

496 D. i J. Sławińscy

procesam i em isją św iatła — chemiluiminescencję (CL). Ograniczenie to można uzasadnić następująco.

— Procesy ODP są powszechne, powodują poważne zmiany stru k tu ry i właściwości substancji organicznych i silnie zależą od łatw o dających się kontrolować w praktyce laboratoryjnej czynników, takich jak czas, tem peratura, oświetlenie, skład atm osfery, pH, rodzaj rozpuszczalnika itd. — P rocesy ODP związane są z destrukcją oksydoredukcyjnych u gru ­ powań fenol-chinon i tworzeniem rodników typ u semichinonów [19, 22, 23, 24, 26]. Ugrupowaniom tym przypisuje się w ażny wpływ na che­ m iczną i biologiczną aktywność substancji próchniczych [5, 8, 9, 10, 12]. — M echanizm oraz ilościowe ch arak terystyk i ODP i CL są dosta­ tecznie poznane.

— ■ Procesom ODP tow arzyszy względnie silna CL, m ierzalna do­

stępną aparaturą.

W eryfikacja użyteczności proponowanej m etody w ym aga analizy mechanizm u CL substancji próchniczych, k tóry można ująć następują­ cym schem atem [19, 23, 24]:

utlenianie substancji próchniczych

generowanie wzbudzonych cząsteczek w procesach oksydacyjnej d egra­ dacji

generowanie wzbudzonych cząsteczek w procesach oksydacyjnej polime­ ryzacji (kondensacji) fci S-:-O x >5 - Ox (1)

p;

s - o

_X (2)

s - o x+

s - o x

_(S---Ox)n_

(3) luminescencja kh P'2 — P2 + hv.2 k h Ps * Рз + ^ ’з (4) U P 4 -■-> P 4 : hv,

W ykorzystanie chemiluminescencji w analizie gleby 497

gdzie:

S — cząsteczka utlenianego suhstratu, w szczególności aniiono-rodnik cząsteczki kwasu humusowego typu sem ichinonu [9, 10, 24, 25],

Ov — utleniacz, np. 0 2, H20 2, 0 2, ООН • itp.,

S. . . Ox — nietrw ały związek przejściowy typu nadtlenku,

P 2, P g, P* oraz P 2, P3, P4 — cząsteczki produktów — związków k ar-bonylowych lub polimerów odpowiednio w stanach elektronowo wzbu­ dzonych oraz podstawowych,

/c2, Jc3, Jc4 — stałe szybkości odpowiednich reakcji,

kf2> ^/4 — stałe szybkości dezaktyw acji promienistej (lumines-cencji). Proces utleniania [1] przebiega na ogół bardzo prędko i nie limi­ tuje szybkości brutto reakcji ODP.

K inetyka procesu determ inow ana jest zwykle rozpadem lub rekom ­

binacją nietrw ałego związku . . Ov. Oprócz procesów dezaktyw acji pro­

mienistej [4] m ają równolegle m iejsce konkurencyjne procesy gaszenia w ew nętrznego:

k

oraz zew nętrznego:

lc

Q i ( f i )

P*,-) Qi— ' P + Q i

gdzie:

kdi oraz k Qi — odpowiednia stałe szybkości gaszenia w ew nętrznego

i zewnętrznego,

Qi — substancja w ygaszająca, np. rozpuszczalnik.

Procesy (5) i (6) zm niejszają prawdopodobieństwo dezaktyw acji pro­

mienistej (w artość ?7p. w rów naniu (7), a tym sam ym i natężenie CL).

Istotny dla proponowanej m etody związek między doświadczalnie m ie­ rzoną wielkością, w prost proporcjonalną do natężenia (I) CL a szybko­ ścią reakcji ODP brutto (гс>) dany jest ogólnym równaniem [21, 31]:

(7)

gdzie:

Vp°c i Vp — wydajność kw antow a wzbudzenia i wydajność kwan­

tow a lum inescencji, a naw iasy kw adratow e sym bolizują stężenie.

W yrażenie (7) określające I składa się z trzech członów 1, 2, 3, z któ­ rych dw a pierwsze zw iązane są z energetyką reakcji elem entarnej, ze stru k tu rą i w łaściwościam i poziomów energetycznych produktów w

zbu-4 9 8 D. i J . S ła w iń scy

dzonych oraz w łaściwościam i gaszącym i rozpuszczalników /c q,-, a trze­

ci człon — bezpośrednio z szybkością procesów ODP. Aby proponowana m etoda umożliwiała praw idłow ą ocenę szybkości ODP, zm iany p aram e­ trów ekstrakcji i frakcjonow ania substancji organicznych gleb powinny w pływać jedynie na w artość trzeciego członu rów nania (7). Spełnienie

tego postulatu a priori nie zawsze jest możliwe i w ym aga bliższego omó­

wienia. Można rozpatrzyć dw a przypadki pomiaru natężenia CL gleby: 1. Ta sama gleba traktow ana jest:

a) dwoma różnymi rozpuszczalnikami A i В w jednakow ych w arun­ kach,

b) tym sam ym rozpuszczalnikiem w różnych w arunkach tem p era­ tury, oświetlenia, atm osfery itp.

W przypadku la m am y:

IA = VeA C y}aw a dla rozpuszczalnika A,

Ig = VBw B dla rozpuszczalnika B.

Można założyć w pierwszym przybliżeniu, że dla tych sam ych sub­

stancja organicznych zaw artych w badanej glebie i wobec tego samego

typu procesu utleniania:

П Т * % x c , (8)

jeżeli nadto

ПА М ПВ , (9)

to

Oznacza to, że z pomiarów I CL można w przybliżeniu wnioskować

o stosunku szybkości ODP w obu rozpuszczalnikach. Podobnie w p rzy­ padku lb, przy spełnieniu w arunków (8) i (9), uzyskuje się bardziej w ia­ rygodną inform ację o wpływie danego czynnika na szybkość w ODP niż w przypadku a.

2. Dwa różne rodzaje gleb 1 i 2:

a) traktow ane tym sam ym rozpuszczalnikiem w jednakowych w a­ runkach,

b) tym sam ym rozpuszczalnikiem w różnych w arunkach, c) różnym i rozpuszczalnikami w jednakow ych w arunkach.

Dla wszystkich trzech w ariantów nie można założyć spełnienia w a­ runku (8) i (9), szczególnie w tedy, gdy zarówno gleby, jak i rozpusz­ czalniki znacznie różnią się właściwościami. Pow staje bowiem pytanie, czy

h = JWi_ .

W ykorzystanie chemiluminescencji w analizie gleby 499

Na przykład dla dwóch rozpuszczalników A i B , w obecności których

szybkości procesu brutto ODP są rów ne, tj. w x = w2, może być:

м е х е _r_ м е х е г1рл '/p» » к ЯАФ к ®В a zatem гл * 1 в * 2

Tak w ięc inform acja dostarczona przez pom iar h i U nie jest jedno­

znaczna: różnice I CL m ogą świadczyć o różnej szybkości ODP, różnej

zdolności substancji organicznej do lum inescencji (różne w artości kf}y

kdi oraz fc0i w rów naniu (7) lub obu tych wielkościach równocześnie.

Odpowiedź m ogłaby być bardziej jednoznaczna po wykazaniu, że domi­

n u jący wkład w I CL wnosi trzeci człon równania (7), natom iast rodzaj

rozpuszczalnika i substancji organicznej m a udział nieznaczny. Zgodnie ze współczesnymi poglądami na budowę i właściwości substancji próch­ niczych przyjm uje się [9, 14, 18, 32], że przestrzenna kopolim eryzacja monom erów o złożonej strukturze chemicznej stw arza możliwość powsta­ wania m akrocząsteczek o niepowtarzalnej strukturze. Stosowanie nowo­ czesnych technik rozdziału nie prowadzi przypuszczalnie do wydzielenia ściśle zdefiniowanych frakcji. Dlatego w ydaje się konieczne przyjęcie upraszczających założeń (8) i (9), szczególnie dla ekstraktów z podobnych gleb i w tym sam ym lub zbliżonych rozpuszczalnikach.

Z powyższych rozw ażań wynika konieczność eksperym entalnego

spraw dzenia:

— w jakim stopniu czynniki w pływ ające na szybkość procesów ODP

w pływ ają na I CL dla tej samej i różnych substancji humusowych,

— czy rozpuszczalniki o charakterze w ygaszaczy Q, w pływ ają na 1 CL przy stałej szybkości ODP, oraz

— jakie w alory analityczne w praktyce m a proponowana metoda. M ETO DYKA I M A TERIA Ł G LEBO W Y

A P A R A T U R A

K w antom etryczne pom iary natężenia CL w ykonyw ano za pomocą układu foto elektrycznego, którego schem at podaje rys. 1. Próbka gleby

poddana działaniu rozpuszczalnika lub ekstrakt glebowy 1A umieszczony

jest w światłoszczelnej kam erze SA. Część fotonów IB , em itowanych

przez próbkę, pada na fotokatodę fotopowielacza 2A, w ybijając z niej

5 0 0 D. i J. Sławińscy

X

®©Q>00

в.

5

.

A.

Rys. 1. Schemat kwantometrycznej aparatury do badania chemiluminescencji gleb

A — s c h e m a t b lo k o w y , В — s y m b o lic z n ie p r z e d s ta w io n a z a s a d a d z ia ła n ia ; 1 — p r ó b k a g le b y ,

2 — d e te k to r p r o m ie n io w a n ia . 3 — w z m a cn ia .cz a m p litu d y im p u ls ó w . 4 — u k ła d fo r m o w a n ia im ­ p u ls ó w , 5 — p r z e lic z n ik im p u ls ó w , 6 — z a s ila c z w y s o k ie g o n a p ię c ia , 7 — z a s ila c z n is k ie g o

n a p ię c ia . 8 — k a m e r a ś w ia tło s z c z e ln a

Scheme of quantometric apparatus for investigation of soil chemiluminescence

A — b lo c k s c h e m e , В — th e fu n c t io n in g p r in c ip le p r e s e n te d s y m b o li c a lly ; l — s o il s a m p le ,

2 — d e t e c t o r o f r a d ia tio n . 3 — a m p li f ie r o f im p u ls e a m p litu d e , 4 — im p u ls e f o r m in g s y s t e m , 5 — im p u ls e s c a l e r . 6 — h ig h v o lta g e s u p p ly u n it, 7 — lo w v o lta g e s u p p ly u n it, 8 — l ig h t p r o o f

c a m e r a

w system ie dynod fotopowielacza, do których przyłożone jest wysokie

napięcie z zasilacza 6A. W obwodzie anodowym fotopowielacza pojawia

się krótkotrw ały impuls elektryczny 2B, 'który następnie jest w zm acnia­

ny 3B w szerokopasmowym wzm acniaczu ЗА, form ow any 4B i w końcu

rejestrow an y (zliczany) 5 В w przeliczniku elektronowym 5A. Liczba za­

rejestrow anych impulsów (zliczeń) N w jednostce czasu t jest wprost

proporcjonalna do natężenia CL I oraz szybkości procesów ODP w :

T d N

J (10)

Równanie (10) stanowi podstawę kw antom etrycznej m etody chem ilu-m inescencyjnej poilu-miaru szybkości ODP pod warunkieilu-m , że wprost

pro-dN

porcjonalna zależność między I lub a w jest spełniona.

Układ zestawiono z urządzeń firm ow ych: urządzenia scyn ty lacy j­ nego U S B -2, przelicznika L E -2 lub P E L -5 , sondy scyntylacyjnej U SS-4W i przelicznika P T -2 (może być P T -67) firm y ,,Polon” produkcji krajow ej. Małe natężenie CL z badanych obiektów powodowało konieczność obni­ żenia prądu ciemnego fotopowielacza, co uzyskiwano przez chłodzenie go. W przypadku U S B -2 zadow alające rezultaty dało chłodzenie fotopo­ w ielacza wodą wodociągową ( 1 2 - 1 5 ° C), a w pozostałych chłodzenie ze­ stalonym C 0 2 (— 70°C ). Szczegółowy opis ap aratu ry i techniki w ykony­ wania pom iarów znajduje się w pracy poprzedmiej [27].

W ykorzystanie chemiluminescencji w analizie gleby 501

M A T E R IA Ł G L E B O W Y

Do badań użyto cztery typy gleb i dwa preparaty „kwasów humino­ w ych ” (tab. 1). Analizy gleb w ykonyw ano w Instytucie Gleboznawstwa i M elioracji W SR w Szczecinie, a analizy elem entarne oraz widma IR kwasów hum inowych w Instytucie Chemii UAM w Poznaniu.

E K S T R A K C J A G L E B I W Y K O N Y W A N IE P O M IA R Û W K W A N T O M E T R Y C Z N Y C H

Z każdego typu gleby, przesianej przez sito o średnicy oczek 1 mm, sporządzano 5 g naw ażki i zalewano 50 ml ln roztw oru: Na4P 20 7 pH 10,0, NaOH, N aF, Na2C20 4, m etanol + benzen (1:1) i woda destylow ana. W przypadku kwasów hum inowych wielkość naważki wynosiła 25 mg. Po kilkunastom inutowym w ytrząsaniu gleby wraz z rozpuszczalnikami pozostawiano w 60 m l probówkach przez 24 godz. w następujących w a­ runkach;

1 — w ciemności, w tem peraturze 1 7 - 2 0 ° C , 2 — w ciemności i w tem peraturze 27 - 35°C ,

3 — w oświetleniu (4000 lu x na powierzchni cieczy, 400 lu x od dołu probówek) żarów ką o m ocy 150 w at z odległości 30 cm, w tem peraturze

17 - 20°C ,

4 — w oświetleniu jak w pkt. 3, w tem peraturze 27 - 35°C .

Po upływ ie około 24 godz. pobierano z każdej probówki po 5 m l w y ­ ciągu glebowego, przenoszono do szalki P etriego 0 = 100 m m przecho­ wyw anej uprzednio w ciemności, w staw iano do kam ery 8A (rys. 1) i po kilku m inutach mierzono natężenie CL. Czas zliczania impulsów wynosił 30 s, każdy pom iar pow tarzano 5 - 8 razy.

W serii doświadczeń m odelowych z preparatam i kwasów huminowych wpływ naśw ietlania i tem peratury badano w atm osforze azotu lub tlenu. 0,05 lub 0 ,ln roztw ór NaOH przedmuchiwano kilkanaście m inut wolnym od śladów 0 2 azotem , następnie rozpuszczano odważkę kwasów humino­ w ych i na koniec 5 m l roztw oru przepom powywano w osłonie atm o­ sfery N2 do naczyńka, które natychm iast ustawiano na fotokatodzie u rzą­ dzenia U S B -2. Analogicznie postępowano w przypadku doświadczeń w atm osferze tlenu, zachow ując przez cały czas sporządzania roztw oru określone warunki tem p eratu ry i oświetlenia.

Doświadczenia z glebami m iały charakter statyczny, gdyż pomiary w ykonyw ano dopiero po 24 godz. Można jednak przypuszczać, że szyb­ kość procesów ODP osiąga duże w artości natychm iast lub w krótce po po­ traktow aniu gleby rozpuszczalnikiem. Dlatego wykonano serię pom ia­

rów kinetycznych. 5 g naważki gleby lub 50 mg kwasów hum inowych

zalewano 10 m l rozpuszczalnika, m ieszano i po 20 s rozpoczynano pierw ­ szy pomiar. Dalsze pom iary wykonyw ano co kilkanaście — kilkadziesiąt sekund w cdągu 5 minut. Czas zliczania impulsów wynosił 10 s, tem pera­ tu ra gleby i rozpuszczalnika 17cC.

Charakterystyka gleb użytych do doświadczeń C h a r a c te r is tic s o f s o i l s used in experim ents

T a b e l a 1 Nr prób­ k i' Sam­ p le No. Gleba S o il Miejscowość i głębokość pobrania próbki cm L o c a lity and sampling depth cm

pH Z av/art ość Skład mechaniczny składników w cząsteczkach % Mechanical composition Content of compounds in p a r t i c l e s % Substan­ c ja orga­ n iczn a % Organic m atter 7o Sk ład n ik i chemiczne Chemical components Ho0 _KC1In ogółem % t o t a l yo Dçzyswa- ' ja ln e a v a ila b le mg/100 g gleby - s o i l >

1 ,0 1 ,0 -0 ,1 0 , 1 -0 ,0 2 0 ,0 2< P2°5 K20 CaO NagO Fe20^ p2°5 k2o 1 Czarna ziem ia pyrzycka

Black earth from Pyrzyce

Z a lę c in 17

0-53 cm 7 ,2 6 ,6 0 ,1 6 26 43 31 1 ,7 0 0 ,1 0 0 ,3 3 0 ,1 3 - 1 ,5 8 15 ,2 6 ,5 2 Gleba b ielicow a leśn a wytworzona

z piasku luźne jo starszy ch t a r a ­ sów akumulacy jriyc.h

F o rest podzolic s o i l developed o f loose sand of old er accu­ mulating te r r a c e s

Babigoszcz I

10-20 cm 3 ,8 2 ,6 1 ,9 90 6 4 3 ,8 9 0 ,0 7 0 ,0 4 0,05 0 ,0 7 0 ,1 7 12 ,5 3 ,8

3 T orf n is k i uamuloiiy przez wody Odry

Low peat s i l t e d by Odra r iv e r

P o lic e XX

0 -2 0 cm 5 ,0 4 ,6 - - - - 6 6 ,0 6 - - - - 1 ,7 9 - -4 Piasek luźny z poziomu ilu w i.al-

nego

Loose sand from i l l u v i a l horizon

Babigoszcz I

3 8 -5 0 cm 3 ,8 2 ,7 5 ,1 91 3 6 5 ,9 0 ,1 2 0 ,1 6 0 ,0 5 0 ,0 6 0 ,4 5 1 4 ,5 3 ,8

5 P reparat kwasów huiiinov/ycu firm y Fluka AG, Buchs Humic acid p rep aration o f the firm Fluka AG, Buchs

5 ,0

bołożen ie maksimów ab­ s o r p c ji i ic h względ­ ne n atężenie /w nawia­ sach/ wickia w podczer­ w ieni.

L ocation of ab sorb tion maxima and t h e i r r e la ­ tiv e in t e n s ity /in parentiieses/ o f the IH - sp e ctre . 1270 / 3,7/ ; 1390 /3,5/; 1635 / 6,5/; 1715 /5,2/ cm"1 9 3 ,1 47,7^ 0,95/ 6 , 9/j Tib C; о К ; 4 popio 4,7 6 îb 0 ,6 & łu - a H; 0 ; ,sh 50 2 D . i J. S ła w iń sc y

W ykorzystanie chemiluminescencji w analizie gleby 503

O P R A C O W A N IE W Y N IK Ó W

W yniki kw antom etrycznych pomiarów I CL opracowano statystycz­

nie według S z e p k e [28]. Dla każdej badanej próbki rejestrow ano dwie wielkości :

N s — średnią liczbę impulsów pochodzących od badanej próbki i od

tła,

NT — średnią liczbę impulsów tła, tj. różnego rodzaju lum inescencji

ścianek kam ery, szalki P etriego oraz prądu ciemnego fotopowielacza. W tabelach i na rysunkach podano wielkości względne obliczone ze w zoru:

Nę. — N T

1= SN • 10 0 (1 1)

Wielkość I jest w ięc procentow ym przyrostem liczby impulsów od

badanej próbki nad liczbą impulsów tła. I jest wprost proporcjonalne do

natężenia CL, zgodnie z zależnością (10). Obliczając średnią liczbę impul­ sów Ns lub NT posługiwano się testem Q w celu wyeliminowania w yni­

ków niepew nych:

x —x„ л

Q R (12)

gdzie :

x n— — różnica między wynikiem w ątpliw ym a najbliższym mu

wynikiem sąsiednim w szeregu rosnących w artości,

R — rozstęp m iędzy m aksym alną i m inim alną w artością.

Gdy Q > krytycznej w artości tabelarycznej [28], w ynik odrzuca się

jako w ątpliw y z prawdopodobieństwem 95%. Dla każdej w artości I obli­

czono procentow ą w artość przedziału ufności według w zoru:

K 95 = — ^ - 1 0 0 R - d t (13)

T

gdzie :

R — rozstęp,

dR — w artość współczynnika przedziału ufności, podana w tabelach

dla określonej liczby pomiarów. Procentow e w artości przedziałów ufności wpisane są do tabel i określają 95% pewność, że dany w ynik nie w y­ kracza poza podany przedział.

W YNIKI BADAŃ I OMÓWIENIE D O Ś W IA D C Z E N IA M O D E L O W E

Uwzględniając kw estie m etodyczne, w ynikające z wyżej przeprow a­ dzonej dyskusji zależności (7), (8) i (9), w ykonano serię doświadczeń m

o-504 D. i J. Sławińscy

delowych z preparatam i kwasów hum inowych. Określano w nich wpływ

różnych czynników fizycznych i chem icznych na natężenie I CL. Uwzględ­

niano te czynniki, co do których wiadomo, że stym ulują procesy ODP (tab. 2). U w zględniając w artości przedziałów ufności K 95 z tab. 2 w y

-T a b e l a 2

ï.'plyv: czynników iiz.ycznych i chonicznych na względne n atężen ie GL* w procesach OD?** /natężenie CL próbki v: a z o c ie , -.v cieir-noüci, 15°C=10(>/e/

I r _ L lu o r .e e oi’ p h y sic a l and chem ical fa c to r s on r e la t iv e CL in t e n s ity

ir. CLP p ro cesses /CL in t e n s ity o i the sample in n itrosen » in darkness, a t 15°С=100/о/ L Temperatura - iem perature

г 0,05/- rozwY.-cr j 15°С 40 °C kv;a.-;u hurrascwe-ro j y; 0, ln LaOH 0,05/- so lu tio n y: ciemnos e i i in darkness парromieniov.unie UV +V* * * ir r a c ia t e d UV+V w ciejn- n o sci in darkness napromie­ niowanie ÜV+V irrad iated UV+V oi humus acid ir. j

С,-r. L'a Cri ' ’ 1 ' 10 ''m d ;

'

° 2 i h2l 2 ! i -'v ; °2 î 10“5mol H2°2 K2 °2 7.-.KZ.Z hymutonsI a - zcy.~,’ otrzymany z n ironatech ir.v : /24/ .--ymatonelanic a c i-j octain ed ircm : p yrocatechol /24/ ; I 100,0 1 555,0 1257,0 : 7 1 5 ,5 7 1 4 ,0 +10,6 i ! НС- tp 71 6 ,1 ! 510,0 +12,5 i 15 1 5 ,4 ^ 15,2 I 1 3 5 ,0 j ♦ 1 0 ,7 ! 1 j Î 1 Trc-T-.arat "Humic | Acid" rlu k a , 1 buchs 10 0 ,0 4 6 5 ,4 60C,6 , 250,0 500,5 75 7 ,2 ! 155,2 ! 7 6 8 ,7 "Humic Acid” p re - ;

paru tion ,?lu k a, \

luch s i +1 5, s , +15,2 " c,2 +12,8 + 1 2 ,c + 14,7 +16,5 ! 7 1 5 ,1 1 1 ; J *CL - ńoimilumineecer.c ja chemilumir.e scence

**v L r- oksydacyjna d egrad acja i p olim eryzacja i o x id ativ e degradation ar.d p olym erization

** ”*UY+7 - u l t r a f i o l e t i v/idzialne

u l t r a v io le t and v i s i b l e I i5ht 1 i

nika, że praw ie wszystkie badane czynniki, zwiększające szybkość ODP,

zwiększają też I CL w istotny sposób. Szczególnie w yraźnie zaznacza się

działanie 0 2 i H 20 2, natom iast znacznie słabiej — oświetlenia i tem pe­ ratu ry . Z poprzednich prac autorów wynika, że katalizatory nieorganicz­ ne, jak np. F e 24-*3* , Fe(CN )3 - , M n2^, Cu2+, Co2+>3'f oraz peroksydaza, stym ulujące oksydacyjną degradację, zwiększają również I CL [19]. Je sz ­

cze w yraźniejsza korelacja między szybkością w ODP а I CL w ystępuje

podczas działania H 20 2 na substancje próchnicze [19, 24]. O trzym ane w y­ niki wskazują, że zm iany natężenia CL spowodowane danym czynnikiem

są większe niż różnice 1 CL dla dwóch różnych kwasów huminowych,

a tego sam ego czynnika. Gdyby takie relacje znalazły potwierdzenie dla większej liczby przypadków, w ów czas ograniczenia opisane w punkcie

W ykorzystanie chemiluminescencji w analizie gleby 5 0 5

2a, b i c teorii m etody byłyby osłabione z korzyścią dla możliwości zastosowania proponowanej m etody. Kw estia ta w ym aga jednak dokład­ nych badań, gdyż w poprzednich pracach [24, 25] autorzy stw ierdzili duże zróżnicowanie natężenia CL różnych substancji próchniczych.

T a b e l a 3

Wpływ rc zpuzzczalnikxv.' - wyraszaczy lir.;ir.csconc j i r.a л-:: pi-;-û.\e natę-żenie CL w p ro c esie CDP 0 , 025/- p rep arat handlowy kwasu hui:incv:e po F lu k a ,Buchs

w G,05n I.'aOh nasycony powic-r.i'zei:: w te::.p. 15°C

In flu en ce so lv e n ts - lum inescence quenchers, on r e la t iv e CL i n t e n s ity in ODP p ro cesses

j , 023?-' co E ^ iercial h ucic ccid prep aration i*iuka ,5uchs ir. 0,05n KaOK, satu rated v.lth a i r a t the temperature o f 15°C

0,05n rozr.uszczainik 0,05n solvent Zmiana n atężen ia CL Change of CL in t e n s ity £ Ir z e d z ia l u fn o ści Confidence in t e r v a l P = 0 ,9 5 :;a J -rj.,4 + 3,5 EC1 -Ib-, 5 + 0 ,6 }13r - 1 1 .2 +3,2 *»2S04 ->»ó + 7,7 ;:V ^ 7 + 1 ,7 T i l , 6 - 5 ,9 - 5 , 1

W yniki doświadczeń dotyczących działania rozpuszczalników — w y

-gaszaczy lum inescencji na I CL przy stałej szybkości ODP podano

w tab. 3. Okazuje się, że jedynie KC1 i K B r w ykazują słabe działanie gaszące. Pozostałe rozpuszczalniki, częściej używ ane w analizie gleb, nie

w yw ierają istotnego wpływu na I CL. Wielkości kfh kdi i k Qi z rów na­

nia (7) tmało zależą od stosow anych rozpuszczalników, co czyni zadość postulatowi niegaszenia stadium lum inescencji.

D O Ś W IA D C Z E N IA Z G L E B A M I

W tabeli 4 zestawiono procentowe w artości natężenia I stacjonarnej

CL (po 24 godz. ekstrakcji) oraz w artości K 95 dla różnych gleb, rozpusz­ czalników i w arunków przechow yw ania. Z w artości K 95 widać, że w po­ nad 85% zbadanych przypadków różnice m iędzy poszczególnymi w yni­

kami są istotne. K w antom etryczne pom iary I CL pozwalają w ięc re je ­

strow ać działanie światła, tem p eratu ry, rodzaju rozpuszczalnika i gleby na szybkość procesów ODP. Niżej omówiono krótko wpływ tych czyn­ ników.

R o d z a j g l e b y . Największe natężenie CL obserw uje się dla ek­ straktów z torfu niskiego, a najm niejsze dla p rep aratu kwasów humino­ w ych ekstrahow anych n a gorąco i czarnej ziemi pyrzyckiej ekstraho­ wanej na zimno. W ynik taki można interpretow ać zgodnie z podaną teorią dw ojako:

Wpływ badanych czynników na względne n atężen ie CL wyciągów glebowych In flu en ce o f the in v e stig a te d fa c to r s on r e la t iv e CL in t e n s ity o f s o i l e x t r a c ts

T a b è l a 4 N. Gleba S o il 0 , l n \ rozpusz-Nv c z a ln ik Ns^ 0 ,l n so lv e n t \ Czarna Black ziem ia e a rth Bielicow a leśn a 10-20 cm F o rest podzolic s o i l 1 0-20 cm T o rf n is k i Lo v/ peat

P iasek luźny z poziomu iluw ialnego Loose sand from i l u v i a l horizon

P rep arat handlowy "Humic Acid" Fluka, Buchs

Commercial prep aration "Humic Acid" Flu ka, Buchs

D* L ** D L D L D L D L

E k stra k c ja v; temperaturze 17-20°(3 - E x tra c tio n at the tem perature o f 17-20°}c

Ka.Pp09 - 4 ,9 4 1 1 ,2 4 16,85 11,10 8 2 ,0 0 579,61 -12-, 61 11,98 1 2,74 -8 ,6 5 + 2,0 +11,2 + 9,1 + 10,0 + 9,8 + 20,0 + 6,2 + 5,1 + 5,4 ±4,2 KaOH 1 4 ,9 8 6 ,7 1 4 3 ,8 1 5 2 ,8 4 91 ,8 7 182,96 6 8,29 119,87 4 6 ,4 1 4 5 ,2 8 + 5,4 + 8,2 + 12,2 +12,7 + 14,3 +10,7 + 7,2 + 12,5 + 7,2 ± 7 ,0 KaF 6 ,6 2 - 9 ,2 4 2 ,2 4 2 59,17 1 5 ,9 1 204,56 -4 ,2 9 22,82 1 ,8 5 4 ,7 4 + 5,7 + 6,7 + 7,0 +19,3 + 6,8 + 16,9 + 2,8 +2,9 + 1,1 ± 2 ,2 I« a2C20^ 2 3,62 -1 3 ,9 8 -1 4 ,2 9 4 ,5 1 - 1 ,9 8 202,65 - 2 ,6 2 -2 7 ,1 1 -4 ,9 5 2 ,4 8 +12,2 + 8,4 +7,2 + 8,2 + 2 ,4 + 16,2 + 4,5 +4,0 + 2,1 ± 2 ,9 с2н5он+с6нб -2 ,2 6 -1 2 ,1 3 ± 0,00 15,20 4 9 ,3 9 17,41 22 ,6 9 -2 0 ,4 2 2 1,07 2 9,37 + 7,1 + 5,5 + 7,0 + 10,1 + 6,1 + 11,2 + 10,4 ± 5,2 ± 4 ,2 ± 8 ,1 H20 -8 ,7 3 -1 4 ,5 8 6 ,2 8 10 ,5 0 - 4 ,8 1 15,49 -4 ,9 7 -1 7 ,0 5 1 4 ,0 4 5 ,6 2 + 2,0 + 6,1 + 7,2 +5,8 + 1,4 +4,1 + 2,9 + 2,6 ± 2,5 ± 2 ,6 E k stra k c ja w temperaturze 27-35°C - E x tra c tio n at the temperature o f 27-25°C

Ka^F oOrj 2 ,9 4 1 8 ,9 0 2,1 7 - 2 ,1 0 31 5 ,5 1 249,10 1 ,2 0 -2 ,0 0 9 ,2 0 1 6,00 4 c. / _{+ 4,8} + 2,3 + 0,8 + 2,9 + 28,0 + 8,0 + 2,4 + 0,6 + 1,9 ± 1,7 Ha OH £8 ,0 0 4 2 ,1 0 482,06 52,83 1 5 4,20 262,92 682,00 48 ,8 0 2 1 ,1 8 1 2,21 +11,1 + 7,0 +10,0 + 4,4 + 12,0 + 8,2 + 12,0 + 4,5 ± 0 ,8 ± 3 ,2 KaF 4 0 ,5 0 2 ,1 7 8 ,1 0 -29,2.0 6 6 ,7 0 170,00 1 ,6 0 - 5 ,0 0 1 ,1 0 5 ,0 0 + 0,9 + 2,0 + 4,0 + 4,3 + 4,2 + 8,9 ,+ 1 .2 + 1,8 ± 0 ,9 ±2 .9 :.a oCo0,. -1 4 ,5 4 1 2 ,2 0 -1 2 ,7 0 3 5 ,2 6 144,51 9 1,46 - 7 ,1 0 - 7 ,4 1 - 2 ,7 0 - 6 ,8 6 2 2 4 _{+ 7,9 + 2,7 +2,7 + 5,4 + 9,2 + 8,0 + 2,1 ±1,2 ± 1 ,6 ± 2 ,6} CoHc0H+CrIIr 11,82 1 8,32 21,35 3 8 ,6 0 1 6 ,4 0 208,60 1 2,45 4 2,50 -1 ,2 1 4 ,2 0 ci 5 b o _{+ 4,2 + 5,0 + 1,2 + 5,5 + 4,4 + 7,0 ± 3,2 ± 2,1 ±0,9 + 1,4} Ho0 -2 ,2 5 - 2 ,6 1 -7 ,6 0 -1 9 ,4 2 -2 2 ,8 0 2 ,8 0 -1 0 ,7 0 -7 ,1 0 - 6 ,6 0 2 ,4 1 2 _{+ 5,0 + 2,2 +1,3 + 6,8 + 2,2 1 ,5 + 1,0 + 4,2 ± 2 ,1 ± 1 ,8} - cionnoiL;ć ; L* * - ośw ietl.■‘n ie ;

<iarkne.\>r. lig h t 50 6 D . i J. S ła w iń sc y

W ykorzystanie chemiluminescencji w analizie gleby 5 0 7

1. Substancje organiczne torfu niskiego przypuszczalnie typu bitu­ minów są szczególnie podatne na procesy ODP. Założenie takie byłoby zgodne z danymi P r u s i n k i e w i c z a [17]. W artości stałych szybkości

ki dla substancji z torfu są większe niż Je, dla innych gleb, w szczegól­

ności czarnej ziemi pyrzyckiej oraz preparatu kwasu humusowego. 2. Duża zaw artość substancji organicznej w torfie (tab. 1) powoduje

dużą bezwzględną szybkość procesów ODP. W artości k-, m ogą być małe,

ale [S] duże, stąd też, zgodnie z rów naniem (7), duże I CL.

W ydaje się, że można osiągnąć lepszą in terpretację wyników, uwzględ­ niając zaw artość substancji organicznej w badanych glebach. W tym

celu procentow e w artości I z tab. 4 podzielono przez masę substancji

organicznej zaw artej w naw ażce gleby lub preparatu kwasów hum uso­ w ych. Przeliczone wyniki zestawiono w tab. 5. Daje ona odwrotny obraz

stosunków I CL dla poszczególnych gleb niż tab. 4. Największe I CL

związanej z procesam i ODP w ykazuje ekstrakt z preparatu kw asu hum u­ sowego, a najm niejsze z torfu niskiego. Dość silnie św iecą również w y­ ciągi z gleb bielico wy ch. Przypuszczalnie w torfie w ystępują inhibitory typu an tyutleniaczy [17, 25] lub nierozpuszczalne form y substancji próch­ niczych trudniej ulegają procesom ODP niż w ystępujące w glebach bie­ lico w ych łatwo rozpuszczalne, o mniejszej masie cząsteczkowej. Nasuwa się analogia do pomiarów spektrofotom etrycznych ekstraktów glebowych o wyrów nanej zaw artości węgla, ch arakteryzujących zaw artość grup chrom oforow ych i stopień kondensacji cząsteczek kwasów humusowych. Odpowiednio m etoda CL mogłaby charakteryzow ać ich dynamiczne właściwości, w szczególności podatność na procesy oksydacyjne.

R o z p u s z c z a l n i k . Ja k widać z tab. 4 i 5, rodzaj rozpuszczalnika

m a silny wpływ na I CL tow arzyszącej procesom ODP. Procesy te za­

chodzą, jak wiadomo, najszybciej w odczynie zasadowym, a więc w NaOH i Na4P 20 7, a najwolniej w kw aśnym . Stosowane w p racy rozpusz­

czalniki można uszeregow ać według m alejącego I C L:

NaOH > N a4P 20 7 > m etanol-benzen > N aF > Na2C20 4 > H20 . Szereg taki odpowiada w zasadzie m alejącem u stopniu destrukcji sub­ stan cji organicznej i pH roztw orów (tab. 5). Interesująca jest duża w ar­

tość I CL w mieszaninie m etanol-benzen. Przypuszczalnie rozpuszczalnik

ten eluuje kwasy hym atom elanow e — grupę substancji zbliżonych do bitumin [17] — ch arak teryzu jąc się silną CL. Ponadto, rozpuszczalność tlenu w arunkującego procesy ODP i CL jest w ty m rozpuszczalniku ok. 100 razy większa niż w roztw orach wodnych substancji nieorganicznych, co z nadw yżką kompensuje niską w artość pH w ekstraktach m etanolo-w o-benzenoetanolo-wych. Słabo ketanolo-waśne (pH 6,0) roztetanolo-w ory gleboetanolo-we etanolo-w N aF (ga­ szącym lum inescencję) w ykazują w yraźną CL. F a k t ten, potw ierdzając

Wz^lędn*' i i ■ j L V ^ o 111 с CL v. piv-el Leżeniu na jednoatkę macy orf.ani ci.n cj próbki glcby i pH wyciągów globowych /w n av.’i nnach/ R elativ e CL i n t e i ü ity in conversion to the u n it o f the s o i l sample organic m atter and pH oi' ;Jo il e x t r a c ts /in parentheses/

T a b p. .1. a 5

Gleba

n. S o il _{Czarna ziem ia} Bielioow a lc.Она_{10-12 Э cm} T orf ni sk i P iasek luźny z poziomu P rep arat handlowy iluv/ialnego "Humic Acid” Fluka, JiucliG 0 , In X

Black earth Koreуt po J zo.l.i с s o i l _{lie at}Low Loogo sand from Commercial p rep aration ГО ZpilIjZ*

cz a ln ik 10-20 cia i l l u v i a l horizon "Humic Acid" Fluko, Buch:; 0 , ln \

solvent 4

l

_£

l

.

П л . ... ... " л Н п ’ г ... D 1 L D

1

L D

Г

1

______ ■ L... . _ E k stra k cja w tempera turze 17-20° С - E x tra c tio n at the temperature of 17-20 UC

Ko0l.A iC. 1.. ( - 0 ,0 6 0 ,1 3 0 ,0 9 0 ,0 6 0 ,0 2 0 ,1 7 -0 ,0 4 0,03 0 ,5 5 -0 ,3 7 /10,1/ /10,0/ /9,9/ /10,0/ /8,4/ /8,0/ /9,3/ /9,3/ /10,0/ /10,0/ NaOJi 0 ,lb 0,0b 0 ,2 3 0 ,2 7 0 ,0 3 0 ,0 6 0 ,2 3 0 ,3 9 2,0 1 1,9 0 /12,7/ /12,5/ /12,2/ /12,0/ /9,1/ /9,0/ /12,2/ /12,1/ /12,6/ /12,5/ r; ; i к u, lu -0 ,1 0 0,0 1 1,3 3 0 ,0 1 0 ,0 6 -0 ,0 1 0 ,0 6 0 ,0 0 0 ,2 0 /7, у/ /7,5/ /6,0/ /ь,5/ /6,6/ /6,5/ /4,7/ /4,5/ /6,6/ /6,5/ iia.C 0^

üf'clo

-0 ,1 6 -о ,0 7 U,02 +0,00 0 ,0 6 -0 ,0 1 -0,09 -0 ,2 1 0 ,1 1 /7,5/ /7,0/ /6,0/ /6,0/ 74,6/ /4,7/ /4,4/ /4,3/ /6,1/ /6,0/

c2n tm +c hnb - 0 ,0 3 - 0 ,1 4 +0,00 0 ,0b 0 ,0 1 0 ,0 1 0 ,1 1 -0 ,1 0 0 ,9 1 1,27

/ь,9/ /6,0/ 75,3/ /5,1/ /4,9/ /5,0/ /6,0/ /6,0/ /5,5/ /5,5/ H2° - 0 ,1 0_/6,8/ -0 ,1 7 0 ,0 3 0 ,0 5 +o,oo +0,00 -0 ,0 2 -0 ,0 6 0 ,6 1 0 ,2 4 /6,7/ /5,6/ /5,5/ 74,9/ 75,0/ /5,6/ /5,5/ /5,0/ /5,0/

E k stra k cja w temperaturze 27-35°C - E x tra c tio n at the temperature of 17-20°C

Na2P2°7 _/10,0/0,03 _/10,2/0,2 2 _/9,9/0 ,0 2 _/10,0/- 0 ,0 1 _/8,0/0 ,0 9 5 _/8,1/0 ,o 7 + 0,00 -0 ,0 1 0 ,4 0 ,6 9 79,3/ /9,2/ /10,1/ /10,1/ NaDH 1,0^ 0 ,4 9 2 ,4 8 0 ,2 7 0 ,0 5 0 ,0 8 2 ,2 7 0 ,1 6 1 ,3 5 0 ,5 3 /12,4/ /12,2/ /12,0/ /11,0/ /9,0/ /8,9/ /12,1/ /12,0/ /12,4/ /12,4/ NaF 0,4 7 0 ,0 4 0 ,0 4 - 0 ,1 3 0 ,0 2 0 ,0 3 0 ,0 1 -0 ,0 2 0 ,0 5 0 ,2 1 /7,3/ /7,4/ /6,3/ /6,6/ /6,4/ /6,4/ /4,6/ /4,5/ /6,5/ /6,4/ NapO-^Oy,

с. с. 'V

-0 ,1 7_/7,0/ 0 ,1 4 -0 ,0 7 0 ,1 8 0 ,0 4 0 ,0 3 -0 ,0 2 -0 ,0 2 -0 ,1 1 -0,29 /7,0/ /6,1/ /6,0/ /4,6/ /4,5/ /4,5/ /4,5/ /6,0/ /6,0/ С^Н.ОН+СЛЬ_{с. у O b} 0 ,1 3 0 ,2 1 0 ,1 6 0 ,1 9 + 0,00 0 ,0 6 0 ,0 4 0 ,1 4 -0 ,0 5 0 ,1 8 /6,7/ /6,1/ /5,2/ /5,0/ 74,7/ /4,7/ /5,9/ /5,9/ /5,3/ /5,3/ H~0_с - 0 ,0 4 - 0 ,0 4 -0 ,0 4 - 0 ,1 0 - 0 ,0 1 +0,00 -0,03 -0 ,0 2 - 0 ,2 8 0 ,1 0 /6,3/ /6,3/ /5,5/ /5,3/ /4,8/ 75,0/ /5,5/ /5,5/ /5,0/ /5,0/ 50 8 D . i J. S ła w iń sc y

W ykorzystanie chemiluminescencji w analizie gleby 509

w odniesieniu do zbadanych gleb efekt uzyskany w doświadczeniach m odelowych (tab. 3), wskazuje na nieznaczny udział zmian w artości 1 i 2 członu rów nania (7) w zm ianach I CL gleb.

O ś w i e t l e n i e . Oświetlenie ekstraktów z gleb powoduje w 76% badanych przypadków istotne zm iany I CL. Pod wpływem oświetlenia natężenie CL, a więc i szybkość ODP na ogół zwiększa się. W yjątkow o zachow uje się czarna ziemia pyrzycka. Ja k wiadomo, promieniowanie widzialne, a UV w jeszcze wyższym stopniu, ułatw iają tw orzenie rodni­ ków oraz zw iększają szybkość rozpadu nadtlenków [6, 31], co znajduje

swój w yraz w zwiększeniu w artości k } trzeciego członu równania (7).

T e m p e r a t u r a . Tem peratura w ykazuje zróżnicowany wpływ na I CL ekstraktów glebowych. Zaledwie w 45% badanych przypadków ob­ serw uje się istotne przyrosty natężenia CL ze w zrostem tem peratury w zakresie 17 - 35°C . N ajw yraźniej dotyczy to ekstraktów z czarnej zie­ mi pyrzyckiej. Dla ekstraktów NaOH i m etanolow o-benzenow ych ze wszystkich gleb, z w yjątkiem torfu niskiego, zależność liczby impulsów

dN

CL od odwrotności tem p eratu ry absolutnej T jest na ogół linią prostą. Pozw ala to obliczyć energię aktyw acji tworzenia cząsteczek wzbu­ dzonych według w zoru:

R — stała gazowa = 8 , 3 1 к J/m ol.

E akt m a najczęściej w artość 240 + 23 kJ/m ol, jednak rozpiętość w a r­

tości E.dkt jest bardzo duża — od 135 dla czarnej ziemi pyrzyckiej do

400 kJ/m ol dla gleby bielicowej w 0 ,ln NaOH. Również wysokie w ar­ tości osiąga współczynnik tem peraturow y v an ’t H offa:

m ianowicie od 2 do 7. Tak wysokie w artości E akt i Qi0 wskazują na ogól­ nie m ałe prawdopodobieństwo tworzenia cząsteczek wzbudzonych, zdol­ nych do emisji fotonów. Pozostaje to w zgodzie z m ałym natężeniem

świecenia oraz z biochemiczną odpornością substancji próchniczych. W 37% badanych przypadków zwiększenie tem peratury powoduje istotne obniżenie natężenia CL, co szczególnie w yraźnie w idać dla ek­ straktów z gleby torfowej i preparatu kwasów próchniczych. W ystępują tu ujem ne współczynniki tem peraturow e Qio < 0, co związane jest praw -(14)

T x T 2

gdzie :

510 D. i J. Sławińscy

dopodobnie ze składem chem icznym torfu niskiego. W pozostałych 18% przypadków zmiany natężenia CL nie przew yższają w artości K 95, a w ięc z prawdopodobieństwem 95% są nieistotne. Zagadnienie wpływu tem pe­

ra tu ry na I CL i szybkość ODP jest, jak z powyższego widać, złożone.

Pom im o że w artość E akt z rów nania (14), w chodząca w form ie ukrytej

w trzeci człon rów nania w , m ogłaby stanow ić wielkość charakteryzu­

jącą dynam iczne właściwości substancji próchniczych, to jednak u zy­ skane wyniki nie stanow ią w ystarczającej podstawy do dyskusji na ten tem at.

P o m i a r y k i n e t y c z n e . Ta seria pomiarów dostarczyła danych 0 natężeniu świecenia gleb w początkow ym okresie oddziaływania na nie rozpuszczalników. W 93% badanych przypadków suche gleby, w ciem ­ ności i w tem peraturze 15 - 2 0 °C nie w ykazują lum inescencji dającej się zarejestrow ać stosow aną aparaturą. W ynik ten potwierdza wcześniejsze doniesienie na ten tem at [27]. P otraktow anie próbki gleby rozpuszczal­ nikiem powoduje w 90% przypadków gwałtowne pojawienie się św iece­ nia. Kilka typow ych krzyw ych kinetycznych, w ykreślonych jako funkcje

J = -f(t) podano na rys. 2. Natężenie świecenia jest znacznie większe od

1 stacjonarnej CL po 24 godz. ekstrakcji. Stosunek natężeń po 20 s I0

i po 24 godz. I stCj z uwzględnieniem tła i stosunku naważki gleby do roz­

puszczalnika w jednakow ych w arunkach T i oświetlenia w 70% p rzy­ padków jest > 1 i zaw iera się w przedziale 0,3 - 14,0. Szybkość procesów ODP oraz innych procesów fizycznych i chemicznych, prow adzących do emisji fotonów, jest znacznie większa w pierw szych niż w końcow ych stadiach ekstrakcji. D otyczy to głównie takich rozpuszczalników, jak NaOH, Na4P 20 7 i m ieszaniny m etanol-benzen. W H20 i N aF obserwuje się często autokaitalityczny charakter kinetyki świecenia. Na początku w artość I0: IstCj < 1, w końcowej natom iast I0’ hta ^ 1. Analiza m ate­

m atyczna krzyw ych kinetycznych pozwala głębiej wniknąć w m echanizm procesów. Wiele krzyw ych kinetycznych, szczególnie dla NaOH i N a4P 20 7,

daje w układzie -półlogarytmicznym In I = f(t) linie, składające się

z dwóch prostych odcinków. Nachylenie tych odcinków do osi czasu jest m iarą stałych szybkości zaniku cząsteczek wzbudzonych P*, em itujących

światło. Zanik świecenia spełnia najczęściej rów nanie reakcji I rzędu

o dwóch stałych szybkości k2 i k3 (lub Jc4; objaśnienia przy rów naniach

(2), (3) i (4):

1 ~ bf, Ip 2 le“ k2‘ + 4 [p 3 ] e - fet (16)

Znalezione graficznie w artości stałych szybkości są : k2 = (2,3 ± 0,7)*

• 10“ 2 s -1 oraz Jc3 = (3,1 ± 1,0) • 10-3 s- 1 . W artości kx i k2 nie różnią się

W ykorzystanie chemiluminescencji w analizie gleby 511

większe niż dla procesów oksydatyw nej degradacji kwasów hum inowych w obecności alkalicznego roztw oru H20 2 [24]. Wiadomo, że w glebach i ekstraktach glebowych substancje próchnicze w ystępują w form ie kom ­ pleksów organiczno^mineralnych [1, 3, 14, 16, 18]. Kom pleksy te lub wolne jony m etali ciężkich prawdopodobnie katalizują szybkość proce­

sów ODP, wskutek czego zwiększają się w artości k2 i k3. W arto

pod-Rys. 2. Kinetyka luminescencji

A — w d o ś w ia d c z e n ia c h m o d e lo w y c h z p r e p a r a t e m k w a s ó w h u m in o w y c h n r 5, 2 — tło a p a ­ r a t u r y , 2 — 0,025% k w a s h u m in o w y w 0,05n N aO H n a s y c o n y p o w ie tr z e m , 3 — j a k 2 -p r z e d m u - c h iw a n y a z o te m , 4 — j a k 2 -p r z e d m u c h iw a n y t l e n e m ; В — w d o ś w ia d c z e n ia c h z g le b ą b ie l i - c o w ą n r 2 ; 1, 2, 3, 4, 5, 6 — r o z p u s z c z a ln ik i o d p o w ie d n io N a 4P 20 7, N aO H , N a F , N a 2C20 4, e t a n o l - b e n z e n = 1:1, H 20 , s tę ż e n ie 0 ,ln . Z le w e j oś r z ę d n y c h d la k r z y w e j 2, z p r a w e j d la k r z y ­ w y c h l , 3 - 6 i tła

Lum inescence kinetics

A — in m o d e l e x p e r i m e n t s w ith h u m ic a c id a n d p r e p a r a t i o n N o. 5; 1 — b a c k g r o u n d le v e l o f a p p a r a tu s , 2 — 0,025% h u m ic a c id in 0.05 N N aO H a ir s a t u r a t e d , 3 — as 2 w ith N b lo w in g , 4 — a,s 2 w ith О b lo w in g : В — in e x p e r im e n t s w ith p o d z o lic so il N o. 2 : 1. 2. 3, 4, 5, 6 — s o lv e n t s N a 4P 20 7, N aO H , N a F , N a 2C o 0 4, e t h a n o l- b e n z e n e (1:1), H ,0 r e s p e c t i v e l y , c o n c e n t r a ­ tio n 0.1 N. L e f t h a n d o r d in a t e f o r th e c u r v e 2, r i g h t h a n d o n e "fo r c u r v e s 1, 3 - 6 a n d fo r

5 1 2 D. i J. Sławińscy

kreślić, że w artość sitałej szybkości szybszego procesu k2 = 0,023 s -1 jest

bliska stałej szybkości rozpadu term icznego hydronadtlenków (k = 0,012

s -1 ), oznaczonej innymi m etodam i [6, 31]. Potw ierdza to m echanizm pro­

cesu, zaproponowany równaniam i (1), (2) i (3). Należy zaznaczyć, że I CL

stacjonarnej po 24 godz. ekstrakcji inform uje w yłącznie o szybkości pro­

cesów ODP. Natom iast I0 świecenia w pierw szych chwilach oddziaływa­

nia rozpuszczalnika na glebę może być wypadkową innych procesów, jak np. wydzielania elektronow o wzbudzonego 0 2, zwilżania, neu trali­ zacji, rozpuszczania itp. Przypuszczalnie jest to drugą przyczyną w yż­

szej, znalezionej w artości k2 niż dla ,,czystego” procesu rozpadu hydro­

nadtlenków.

PODSUMOWANIE WYNIKÓW

W yniki badań uzyskane metodą kw antom etryczną potw ierdzają za­ lecenia niektórych badaczy [13, 18], aby stosow ać do ekstrakcji rozpusz­ czalniki o niskim pH, słabe oświetlenia, a przede wszystkim ochronną atm osferę N2. Należy podkreślić, że pom iary w ykonywano w łagodnych

w arunkach (tem peratura 17 - 35°C , m ałe stężenia rozpuszczalników

0,05 - 0 ,ln i utlenianej substancji organicznej 0,025 - 6,6%), aby ocenić subtelność metody. W stosow anych mdtodach analitycznych warunki te są bardziej drastyczne, dzięki czemu wyniki powinny być w yraźniejsze, a rozrzuty mniejsze.

Odnośnie do praktycznych aspektów proponowanej m etody należy podkreślić nadzwyczaj wysoką czułość oraz szybkość wykonyw ania po­ miarów. K w antom etryczna m etoda chem ilum inescencyjna pozwala obec­ nie rejestrow ać przem iany rzędu 10-6 g substancji humusowych (dla ogólnej wydajności kwantowej CL rzędu 10 9, współczynnika stra t świa­ tła równego 10 i prądu ciemnego fotopowielacza 70 imp./s). Taka czu­ łość jest nieosiągalna żadną z innych metod analitycznych. Czas w yko­ nyw ania pojedynczego pomiaru wynosi kilka m inut, sam pom iar jest prosty 'i nie w ym aga kosztownych odczynników. Dodatkową zaletą jest możność śledzenia procesu w sposób ciągły bez jakiegokolwiek zakłó­ cania procesu, np. przez wprowadzanie odczynników, elektrod, ośw iet­ lanie itp.

Ja k wyżej wspomniano, procesy ODP powodują zanik ugrupowań o-i p-cho-inoo-idow ych oraz fenolowych poprzez pośredno-ie stado-ium sem o-icho-i- ichi-nonów. Badania wielu autorów przem aw iają za istnieniem związku m ię­ dzy rodzajem i zaw artością takich ugrupowań a aktyw nością chemiczną i biologiczną substancji humusowych [5, 8, 9, 10, 12]. G dyby powyższa hipoteza znalazła potwierdzenie, wówczas pom iary chemilum inescencji m ogłyby sitanowić najsubtelniejszą, fizykochem iczną m etodę określania aktywności biologicznej substancji humusowych. Do minusów zaliczyć

W ykorzystanie chemiluminescencji w analizie gleby 513

należy wysoki koszt oraz stopień skomplikowania a p aratu ry fotoelek-trycznej oraz konieczność bardzo ścisłego przestrzegania w arunków w y ­ konywania pom iarów (czystość odczynników, szkła, stałość tem p eratu ry + 1°C, kolejność i czas m ieszania reagentów itp.). Uw zględniając raczej sporadyczne zastosowanie proponowanej m etody byłoby racjonalne ko­ rzystanie ze standardow ej ap aratu ry radiom etrycznej laboratoriów izo­ topow ych lub w ykonyw anie innych analiz chem icznych k w antom etrycz-nym i m etodam i dhemiluminescencyjetrycz-nym i [11].

Dla oszacow ania stopnia względnej zachowawczości (łagodności) m e­ tod ekstrakcji i frakcjonow ania substancji próchniczych m ożna w prow a­ dzić współczynnik

gdzie :

w2 — względna szybkość procesów ODP w w arunkach danej proce­

dury,

I2 — względne natężenie CL (liczba impulsów w jednostce czasu) w w arunkach danej procedury,

I t — względne I CL umownie przyjętego w zorca szybkości procesów

ODP, np. określony p rep arat kwasów hum inowych w nasyconym pow ietrzem 0 ,ln roztw orze NaOH.

Ze względu na ograniczenia w ynikające z przybliżenia zależności (8)

i (9), najw łaściwsze byłoby obliczanie X dla różnych param etrów proce­

dury dla tej sam ej gleby i rozpuszczalnika. P om iary Ii i I2 należy w y ­ konywać m iędzy 2 i 15 m inutą od m om entu potraktow ania gleby (p re­ paratu) rozpuszczalnikiem. Pozwoli to w yelim inow ać inne procesy niż ODP, m ające m iejsce na początku procesu. N atom iast po czasie > 15 min. próbka może w ykazyw ać m ałe I CL z powodu zużycia substratu (mała

w artość \SOx] w rów naniu (7), tj. przereagow ania aktyw nyah, podlega­

jących utlenieniu ugrupowań substancji próchniczych). Silnie zabarwiony roztw ór substancji próchniczych w ykazuje dużą w artość absorbancji w zakresie 400 - 500 nm, tj. odpow iadającym m aksim um czułości spek­

tralnej większości fotopowielaczy, m oże obniżyć w artość sygnału poniżej w artości prądu ciem nego. W takim przypadku w artości względne I, oibliczone za pom ocą w zoru (11), są ujem ne (tab. 4 i 5) i m ogłyby p ro­ wadzić do fałszyw ego wniosku o łagodnych w arunkach ekstrakcji i m a­ łej szybkości ODP.

LITERATURA

[1] A l e k s a n d r o w a L. N. : O primienienii pirofosfata natrija dla wydielenija iz poczwy swobodnych gumusowych wieszczestw i ich organo-minieralnych sojedinienij. Poczwowiedien. 2, 1960, 90 - 97.

514 D. i J. Sławińscy

[2] B o r a t y ń s k i K., W i l k K.: Badania nad próchnicą. II. Przydatność me­ tody Tiurina do określania składu próchnicy w jednym typie gleb. Kocz. glebozn., 11, 1962, s. 21; III. Ekstrakcja związków organicznych z mineralnych gleb kompleksującymi roztworami NaF, (NH4)2F 2, Na4P 20 T, Na2C20.1} ibid. 14, 1964, 3 - 14.

[3] B o r a t y ń s k i K., W i l k K .: Investigations in complex use of different extractants (NaF, (NH4)2F 2, Na4P20 7, NaOH) for extraction of organic com­ plexes from soil. Studies about humus (Symposium Humus and Plant — Praha 1961). Praha 1962, s. 27.

[4] B r e m n e r J., L e e s H.: Studies on soil organic matter. II. The extraction of organic m atter from soil by neutral regents. J. Agric. Sei. 39, 1949, 3, 247. [5] C z u c h a j o w s k i L. : Infra-red spectra of carbonised coals and coal-like materials and some absorption changes during subsequent oxidation. Fuel, London, 40, 1961, 361; O kondensacji regenerowanych kwasów huminowych ze związkami bisdwuazoniowymi. Chemia Stosow., 3, 1959, 109; O pewnym wskaź­ niku samozapalności węgla. Archiwum Górnictwa PAN, 4, 1959, 77.

[6] E m a n u e l N. M., K r u g l a k o w a K. E., Z i z i n a G. P., W i с z u t i n-s k i j A. A., W a n-s i l i e w R. F .: Chemiluminen-scencija ran-stworow dezokn-siri- dezoksiri-bonukleinowej kisłoty pośle obłuczenija rentgenowymi łuczami. Trudy Mos-kowskowo Obsz. Ispyt. Prirody, t. 21, Bioluminescencja, 1965, 119 - 121. [7] E v a n s L. T. : The use of chelating reagents and alkaline solutions in soil

organic m atter extraction. J. Soil. Sei., 10, 1959, 110.

[8] G u m i ń s k i S., G u m i ń s k a Z. : Dalsze badania nad działaniem próch­ nicy na organizm roślinny. A cta Soc. Bot. Polon., t. 22, 1953, s. 45; ibid. [9] H a v o r t h R. D.: The chemical nature of humic acid. Soil Sei., I l l, 1971,

1, 71 - 79.

[10] J e k a t e r i n i n a L. N., K u c h a r i e n k o T. A .: Issledowanije proizwod-nych guminowych kisłot. Poczwowiedien. 3, 1971, 68 - 75.

[11] K r u k I., S ł a w i ń s k a D. : Kwantometryczne metody chemiluminescencyj-ne w analizie śladów. Zjazd Naukowy P.T. Chem. oraz SITPCh, W arszawa 1971, streszczenia, II 19, s. 43.

[12] K u c h a r i e n k o T. A., J e k a t e r i n i n a L. N. : Opriedielenije chinoid-nych grup wo frakcjach guminowych kisłot w swjazi s ich biołogiczeskoj aktiwnostju. Dokł. Akad. Nauk. SSSR, 170, 1966, 1.

[13] L e v e s q u e M., S c h n i t z e r M.: Effects of NaOH concentration on the extraction of organic m atter and of major inorganic constituents from soil. Can. J. Soil Sei. 46, 1966, 7 - 12.

[14] Ł a k o m i e ć I., K o z a k i e w i c z A.: Trwałość fulwianów i humianów w zależności od odczynu środowiska. Rocz. glebozn. 21, 1970, 1, 51 - 68. [15] M a r t i n A. E., R e e v e R.: Chemical studies on podzolic illuvial horizons.

I. The extraction of organic m atter by organic chelating agents. J. Soil Sei. 8, 1957, s. 268 - 278; 2 7 9 - 286.

[16] P o s n e r A. M. : The humic acids extracted by various reagents from a soil. I. Yield., inorganic components, and titration curves. J. Soil Sei., 17, 1966, 65 - 78. [17] P r u s i n k i e w i c z Z.: Bituminy w próchnicy glebowej. Roczn. glebozn., 21,

1970, 2, 525 - 530.

[18] S a p e k A .: Otrzymywanie związków żelaza, glinu i miedzi z substancjami humusowymi z bielic. Roczn. glebozn., 21, 1970, 1, 113 - 122.

[19] S ł a w i ń s k a D., S ł a w i ń s k i J .: Chemiluminescence of humic acids. Na­ ture, 213, 1967, 4, 902 - 903.

W ykorzystanie chemiluminescencji w analizie gleby 515

[20] S ł a w i ń s k a D.: Chemiluminescencja kwasu galusowego. Zesz. nauk. Polit. Szczec., 101, 1968, Ser. monograf. 48, s. 79.

[21] S ł a w i ń s k a D., S ł a w i ń s k i J .: Chemiluminescencja w roztworach. Cz. I. Ogólna charakterystyka i metody badań. Wiad. ehem., 22, 1968, 165 - 185. [22] S ł a w i ń s k i J .: Rola polifenoli i chinonów w chemiluminescencji modelo­

wych układów biologicznych. WSR Szczec., Rozprawy, 1969, nr 18.

[23] S ł a w i ń s k i J., P i e t r u s e w i c z J. M.: Spiektralnoje issledowanije sw ierch-słabowo swieczienija niekatorych biołogiczeskich ważnych chinonow. Dokł. Wyssz. Szkoły, Ser. Biołogiczeskije Nauki, 5, 1969, 69 - 72.

[24] S ł a w i ń s k a D., S ł a w i ń s k i J .: Chemiluminescencja w procesie degrada-cyjnego utleniania kwasów huminowych. I. Kinetyka i skład spektralny. Rocz. Chem., 44, 1970, 1955 - 2005; II. Widma absorpcji i mechanizm reakcji, ibid 44, 1970, 2415 - 2424.

[25] S ł a w i ń s k i J .: Pomiary anty utleniających właściwości kwasów huminowych metodą elektrochemiluminescencji. Rocz. ehem., 44, 1970, 2187 - 2198.

[26] S ł a w i ń s k i J .: Chemiluminescence in the Process of Oxidative Ring-Open­ ing of Purpurogallinquinones. Photochem. Photobiol. 13, 1971. 489 - 497. [27] S ł a w i ń s k i J., G r a b i к o w s k i E., M u г к o w s к i A. : Kwantometryczna

aparatura do rejestracji ultrasłabych świeceń biologicznych i możliwości za­ stosowania jej w rolnictwie i przemyśle spożywczym. Zesz. nauk. WSR Szczec., Roln., 1971 (w druku).

[28] S z e p k e R .: Radiometria stosowana. Wyd. Nauk. Techniczne, 1967.

[29] T h e n g B. K. G., W a l k e J. R. H., P о s n e r A. M. : The fractional precipita­ tion of soil humic acid by (NH4)2S 0 4. Plant and Soil, 29, 1968, 2, 305 - 316. [30] T i n s l e y J., S a l a m A .: Chemical studies of soil organic m atter. I. E x tra c ­

tion with aqueous solutions. J. Soil. Sei. 12, 1961, 259.

[31] V a s s i l e v R. F .: Chemiluminescence in liquid-phase reactions. Progress in Reaction Kinetics., t . 4, 1967, 305 - 352.

[32] W r i g h t J. R., S c h n i t z e r M., L e v i с к R. : Some characteristics of the organic m atter extracted by dilute inorganic acids from a podzolic В horizon. Canad. J. Soil Sei. 38, 1958, 1, 14.

[33] Y u a n T. L. : Comparison of reagents for soil organic m atter extraction and effect of pH on subsequent separation of humic and fulvic acids. Soil Science 98, 1964, s. 133 - 141. Д. СЛ А ВИ Н С К А , Я. С ЛА ВИ Н СКИ ПРИМЕНЕНИЕ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В ЖИДКОЙ Ф АЗЕ ДЛЯ АНАЛИЗА ПОЧВ Ч А С ТЬ II. К В А Н Т О М Е Т Р И Ч Е С К И Й КО Н ТРО Л Ь СКО РО СТИ ОКИ СЛЕНИ Я О РГАНИ ЧЕСКО ГО В Е Щ Е С Т В А П О ЧВЫ ВО В Р Е М Я Э К С ТРА К Ц И И И нститут Ф и з и к и П оли техни ческого Института и Л аборатория Ф изы ки И нститута М еханизации С ельского х о зя й ств а В ы сш ей С ельск охозяй ствен н ой Ш колы в Щ ецине Р е з ю м е В настоящей работе представлена попытка применения квантометрических измерений интенсивности хемилюминесценции (CL) для пределения скорости окислительной деградации и полимеризации (ODP) органического вещества

516 D. 1 J. Sławińscy почвы. Эти процессы в аналитической обработке как нап. экстрагирование и фракционирование вызывают заметные и в то время отрицательные физико--химические изменения активного почвенного гумуса. Интенсивность (I) С1 и скорость (w) суммарной реакции ODP связаны уравнением: где Vp°?c и rjPi — квантовые выходы возбуждения продукта реакции Р и лю­ минесценции. Предположено, что для близких типов почв и разтворителей со­ вершается прямая пропорциональность: индексы 1 и 2 относятся в различным условиям аналитической процедуры, таким как pH, температура, концентрация растворов, состав атмосферы и раст­ ворителя итд. Последнее уравнение дает мозможность очень быстрого и чув­ ствительного определения относительной скорости процессов ODP. Измерения интенсивности свечения экстрактов из почв проводились с помощью охлаж дае­ мого фотоумножителя в стандартной квантометрической установке. В серии экспериментов с синтетическими препаратами гумусовых кислот было показа­ но, что параметры определеяющие скорость ODP влияют на I CL в согласии с уравненями которые приводились выше. Кроме того найдено, что растворители, часто применяемые для экстрагирования почв, такие как Na4P 20 7, NaF, С2Н5ОНН-+ СбНс не тушат CL связаной с ODP. Это факт указывает, что I CL экстрактов определяется в большой степени скоростью w процессов ODP чем кванто­ выми выходами 7/р^с и Hpi люминесценции в первом уравнений. В ос­ новной серии экспериментов изучено пять типов почв: черную, лесную под­ золистую почву, песок из иллювиального горизонта, низкии торф и препа­ рат гуминовой кислоты. Почвы подвергались экстракции 0,1 п растворами Na.,P20 7, NaOH, NaF, C20 4Na2, C2H5O H + C GH6 (1:1) H20 при температурах 17-20° и 27-35°C, а также в темноте и при освещении. Интенсивность CL измеряли непосредственно после добавления растворителя к почве и спустя 24 часа экстра­ гирования. Полученные данные показали, что интенсивность CL экстрактов в разных условиях эксперимента существенно отличались. Изменения I CL кор­ релируют в общем со скоростями процессов ODP для данного типа почвы. Т а­ ким образом квантометрический хемилюминесцентный метод может быть полез­ ным для чувствительного контроля „мягкости” условий экстрагирования и фракционирования органического вещества почвы. В работе дискутируются тео­ ретические и методические проблемы связанные с применением предполагаемого метода, а также его положительные и отрицательные стороны. п г = 1 h = Wi I2 Wo