kol 2.docx

Oznaczenie C-organicznego metodą Tiurina

Zasada metody opiera się na utlenianiu węgla 0,4 N roztworem K2Cr2O7 ,w środowisku kwaśnym w obecności HgSO4 lub Ag2SO4 jako katalizatorów. Nadmiar niezredukowanego utleniacza miareczkuje się solą Mohra w obecności orto-fenantroliny. Zachodzą przy tym reakcje:

3C + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 -> 2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 8H2O + 3CO2

Metoda Tiurina nie daje prawidłowych wyników w glebach zawierających powyżej 15% próchnicy lub zawierających zredukowane formy niektórych składników, np. Fe2+, Mn2+, Cl-.
Wykonanie oznaczenia:

Około 5 g części ziemistych umieścić w moździerzu agatowym i utrzeć tak, aby całość próbki przeszła przez sito o średnicy oczek 0,25 mm. W zależności od przypuszczalnej zawartości próchnicy odważyć na wadze analitycznej następujące wielkości naważek:

0,1 g dla gleb zawierających 7-15% próchnicy,
0,2 g dla gleb zawierających 5-7% próchnicy
0,3 g dla gleb zawierających 2-5% próchnicy
0,5 g dla gleb zawierających poniżej 2% próchnicy.

Odważoną ilość gleby umieścić w suchej kolbie stożkowej o pojemności 100 cm3, dodać szczyptę siarczanu srebra Ag2SO4 lub siarczanu rtęci jako katalizatora oraz 10 cm3 0,4N K2Cr2O7 z mikrobiurety. Jeżeli próbka zawiera ponad 10% próchnicy należy dodać podwójną ilość K2Cr2O7. Kolbę przykrywamy małym lejkiem, który spełnia rolę chłodnicy zwrotnej, stawiamy ją na dobrze rozgrzanej płytce metalowej podgrzewanej kuchenką elektryczną i ogrzewamy roztwór do zagotowania. W chwili pojawienia się pierwszych pęcherzyków włączamy stoper, a roztwór utrzymujemy w słabym i łagodnym wrzeniu przez 5 min. Następnie zdejmujemy kolbę z płytki, roztwór studzimy przez 2-3 min. i za pomocą tryskawki wodą destylowaną opłukujemy dokładnie lejek nad kolbką. Jeżeli barwa roztworu jest zielona, co oznacza za małą ilość dodanego K2Cr2O7, oznaczenie należy powtórzyć, zmniejszając naważkę gleby lub zwiększając ilość dwuchromianu potasu. Prawidłową jest barwa pomarańczowożółta roztworu. Wówczas dodajemy do niego 3-4 krople orto-fenantroliny jako wskaźnika i odmiareczkowujemy nadmiar K2Cr2O7 0,1N roztworem soli Mohra.

K2Cr2O7 + 6Fe(NH4)2(SO4)2 + 7H2SO4 -> Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 6(NH4)2SO4 + 3Fe2(SO4)3 + 7H2O

Po dodaniu wskaźnika roztwór zabarwia się na kolor pomarańczowo-brązowy. Dodając z biurety soli Mohra, zabarwienie zmienia się w jasnozielone, a następnie w bordowo-czerwone. Pojawienie się tej ostatniej barwy świadczy o zakończeniu rekreacji i końcu miareczkowania.

Równocześnie wykonuje się oznaczenie kontrolne. Do erlenmayerki dodaje się tych samych odczynników i w takiej samej ilości, tylko zamiast gleby dodajemy ok. 0,2 g wyprażonego piasku kwarcowego lub pumeksu (zapewnia to równomierność wrzenia roztworu). Zawartość procentową C organicznego oblicza się następująco:

gdzie:
‘ślepa próba’ - ilość cm3 soli Mohra zużyta do miareczkowania próby kontrolnej,

a - ilość cm3 soli Mohra zużyta do miareczkowania próby glebowej,

 

Na podstawie oznaczonej zawartości C-organicznego można obliczyć ilość próchnicy zakładając, że zawiera ona średnio ok. 58% węgla. Stosujemy wówczas współczynnik przeliczeniowy 1,724, a zawartość próchnicy wyliczamy następująco:

% próchnicy = % C · 1,724

Powstawanie substancji próchnicznych

Substancje organiczne stanowią w glebie układ dynamiczny, ulegający ciągłym przemianom. Charakter i nasilenie tych przemian zależą od szaty roślinnej, działalności mikroorganizmów i fauny glebowej, warunków hydrotermicznych oraz fizykochemicznych i chemicznych właściwości gleb.

W procesach przemian substancji organicznej wyróżnia się dwa zasadnicze kierunki:

1.        Rozkład połączony z wytworzeniem prostych związków mineralnych, takich jak: CO2, H2O, NH3 oraz jonów (Ca2+, K+, SO42-, HPO42- itp.). Proces ten określany jest jako mineralizacja.

2.        Rozkład połączony z resyntezą związków próchnicznych charakterystycznych dla poszczególnych gleb. Proces ten nosi nazwę humifikacji.

Przyjmuje się, że od 3/4 do 4/5 substancji organicznej ulega procesom mineralizacji, natomiast tylko 1/4 do 1/5 przekształca się w związki próchniczne.

Mineralizacja związków organicznych

W czasie rozkładu obumarłej materii organicznej w glebie można wyróżnić trzy zasadnicze fazy, które mogą współwystępować, lecz na ogół przechodzą jedna w drugą:

1.       Inicjalna faza - obejmuje procesy hydrolizy i utleniania substancji organicznej bezpośrednio po obumarciu żywych organizmów. Największym zmianom ulegają w komórkach związki aromatyczne i składniki białkowe.

2.       Faza mechanicznego rozkładu - rozdrobnienie substancji organicznej pod wpływem makro- i mezofauny, jej przemieszczenie i wymieszanie z innymi składnikami gleby.

3.       Faza mikrobiologicznego rozkładu - żywe organizmy (mikroflora i mikrofauna) powodują przemianę substancji organicznej w związki nieorganiczne. Wydziela się CO2, H2O, NH3, P (jako fosforany), S (jako siarczany i siarczyny), a także Ca, K, Mg i inne pierwiastki (jako wolne lub związane jony).

Proces mineralizacji zachodzący w warunkach tlenowych nosi nazwę procesu butwienia, dając produkty pełnego utlenienia (CO2, H2O, jony Ca2+, K+, SO42-, PO43-, NO3- i inne). Jest on procesem egzotermicznym.

Proces mineralizacji przebiegający w warunkach beztlenowych nazywany jest gniciem, a jego produktami są m.in.: CO2, H2O, H2S, CH4, skatol itp.

              Warunki nadmiernego uwilgotnienia wskutek ograniczenia dostępu tlenu powodują znaczne zmniejszenie szybkości rozkładu resztek organicznych, które w skrajnych przypadkach podlegają kumulacji w procesie torfotwórczym.

Szybkość rozkładu resztek roślinnych uzależniona jest od zawartości ligniny, której udział wpływa hamująco na procesy rozkładu. Najłatwiej ulegają rozkładowi cukry, skrobia i proteiny, najtrudniej zaś lignina, woski i garbniki. Tempo rozkładu tkanek poszczególnych grup roślin rośnie w następującej kolejności:
wrzosy-> drzewa iglaste -> drzewa liściaste-> krzewy liściaste-> zioła-> trawy-> rośliny motylkowe.

Humifikacja związków próchnicznych

Proces humifikacji jest znacznie bardziej złożony niż proces mineralizacji. Humifikacja substancji organicznej łączy się z rozkładem zawartych w nich związków, z syntezą połączeń przez mikroorganizmy, autolizą obumarłych komórek tych organizmów oraz ze zmianami fizykochemicznymi i chemicznymi związków bardziej odpornych na rozkład. Towarzyszą temu procesy polimeryzacji i kondensacji powstających produktów.

Proces humifikacji ma charakter przede wszystkim biochemiczny. Istnieją cztery zasadnicze kierunki powstawania związków próchnicznych. Począwszy od klasycznej teorii Waksmana, według której związki próchniczne pochodzą od zmodyfikowanej ligniny, poprzez teorię polifenoli, do teorii kondensacji cukrowo-białkowej.

Proces humifikacji ma charakter przede wszystkim biochemiczny, w którym biorą udział enzymy wydzielane przez mikroorganizmy glebowe. Wśród substancji humusowych, wyróżniane są:

• kwasy fulwowe (rozpuszczalne w wodzie, mobilne, mało trwałe - czas połowicznego

trwania 10-15 lat),

• kwasy huminowe (rozpuszczalne w NaOH i alkoholu i strącające się po dodaniu HCL,

aktywne, o dużej pojemności sorpcyjnej, czas połowicznego trwania ponad 1000 lat),

• huminy (nierozpuszczalne, nieaktywne chemicznie, bardzo trwałe).

Kierunki rozkładu substancji organicznej

Kierunek 1 - Teoria ligninowa (Waksmana)

Przez wiele lat utrzymywał się pogląd, że związki próchniczne powstają z ligniny. Dla poparcia tej teorii Waksman podał następujące argumenty:

1.       lignina i kwasy huminowe są rozkładane przez mikroorganizmy ze znaczną trudnością,

2.       lignina i kwasy huminowe są częściowo rozpuszczalne w alkoholu i pirydynie,

3.       lignina i kwasy huminowe są rozpuszczalne w zasadach,

4.       lignina i kwasy huminowe zawierają grupy metoksylowe (OCH3); ich ilość zmniejsza się wraz z postępującą fazą rozkładu,

5.       lignina i kwasy huminowe mają z natury charakter kwaśny,

6.       w czasie ogrzewania ligniny w roztworze zasadowym, przechodzi ona w kwasy huminowe zawierające grupy metoksylowe,

7.       kwasy huminowe mają podobne właściwości do utlenionej ligniny.

Według Waksmana lignina jest częściowo rozkładana przez mikroorganizmy. Zmodyfikowane po tym rozkładzie pozostałości ligniny wchodzą w skład powstających związków próchnicznych. Zmiany (modyfikacje) zachodzące w ligninie obejmują:

-spadek ilości grup metoksylowych (OCH3),

-powstawanie grup fenolowych (-OH) i skracanie bocznych łańcuchów węglowych do grup COOH.

Tak zmodyfikowany materiał ulega dalszym zmianom, w wyniku których powstają najpierw kwasy huminowe, których część ulega utlenieniu i fragmentacji i powstają kwasy fulwowe.

Powstawanie związków próchnicznych ze zmodyfikowanej ligniny ma duże znaczenie w torfach, osadach jeziornych i słabo napowietrzonych glebach.

Kierunek 2 i 3 - Teoria polifenoli

W teorii tej lignina również pełni ważną rolę w tworzeniu związków próchnicznych, ale w inny sposób. Przyjmowane są dwie koncepcje. Według Flaiga (1966) :

1.       Lignina w wyniku działania mikroorganizmów rozkładana jest do podstawowych jednostek strukturalnych - jednostek fenylopropanowych.

2.       Jednostki fenylopropanowe ulegają demetylacji i utlenieniu bocznych łańcuchów węglowych pod wpływem enzymów - oksydaz fenolowych, w rezultacie czego z fenoli powstają chinony.

3.       Chinony reagują ze związkami azotowymi i powstają związki próchniczne (kwasy humusowe)

Kononowa (1966) natomiast podkreśla rolę mikroorganizmów przy tworzeniu polifenoli, które nie są syntezowane z ligniny lecz z celulozy i innych substratów. Wyróżnia ona następujące etapy powstawania związków próchnicznych :

1.       Mikroorganizmy rozkładają cukry proste, część białka i celulozy w resztkach roślinnych.

2.       Celuloza jest rozkładana przez miksobakterie, które syntezują polifenole. Polifenole w wyniku działania enzymów fenolowych (oksydaz) są utleniane do chinonów, które reagują ze związkami azotowymi i tworzą związki próchniczne.

3.       Następuje rozkład ligniny, w wyniku którego uwalniane są fenole, które również służą jako materiał do syntezy związków próchnicznych.

Synteza substancji próchnicznych z chinonów nie jest rzadkim przypadkiem. Jest dobrze znanym zjawiskiem, które ma miejsce w czasie formowania melaniny w uszkodzonych, dojrzałych owocach i warzywach.

Lignina jest bardziej odporna na rozkład i jest głównym składnikiem komórek roślinnych.

Dlatego też, w teorii polifenoli właśnie ją uznaje się za główne źródło fenoli w procesie tworzenia związków próchnicznych.

Kierunek 4 - Teoria cukrowo-białkowej kondensacji

Teorię tą można streścić następująco. Cukry i aminokwasy, powstałe jako produkty metabolizmu mikroorganizmów glebowych, przechodzą nieenzymatyczną polimeryzację do form azotowych polimerów o barwie brązowej. W wyniku reakcji cukru ze związkiem azotowym (np. aminokwasem) powstaje N - glukozoamina. Przechodzi ona następnie w N - aminodezoksyketozę. Związek ten może ulec fragmentacji (powstają łańcuchy 3-węglowe aldehydów i ketonów jak acetol, diacetyl) oraz dehydratacji (powstają furfurale). Powstałe w ten sposób związki są silnie reaktywne i w obecności związków azotowych szybko polimeryzują w złożone formy azotowe barwy brązowej. Podobne przemiany zachodzą podczas dehydratacji produktów spożywczych. Słabą stroną tej teorii jest fakt, że w temperaturach jakie panują w glebie wymienione reakcje zachodzą raczej powoli. Nagłe i częste zmiany zachodzące w środowisku glebowym (zamarzanie, tajanie, wysychanie, zalewanie itp.) mogą jednak ułatwiać polimeryzację cukrów i składników azotowych. Ponadto, aminokwasy i cukry są produkowane w dużych ilościach przez mikroorganizmy. (Stevenson 1982)

Podział glebowej materii organicznej

Węgiel organiczny pochodzi z dwóch zasadniczych źródeł:

- pierwotnym źródłem materii organicznej gleb są resztki roślinne:

− obumarłe części roślin, które opadły w czasie wegetacji,

− resztki pożniwne i korzenie roślin wyższych.

− nawozy organiczne (obornik, kompost, nawozy zielone)

- wtórnym źródłem materii organicznej jest świat zwierzęcy:

− obumarłe ciała makro- i mezofauny glebowej,

− ekskrementy (odchody i wydzieliny) makro- i mezofauny glebowej.

Materia organiczna gleby - wszystkie występujące w glebie związki zawierające węgiel pochodzenia organicznego.

Substancja organiczna gleby - suma obumarłych składników organicznych (głównie roślinnych) występujących w glebie, od świeżych, nie rozłożonych resztek roślinnych i zwierzęcych do bezpostaciowych produktów rozkładu i resyntezy. Substancja organiczna występuje w glebie w zróżnicowanej morfologicznie postaci, na podstawie której wyróżniane są tzw. formy i typy

próchnicy.

Żywe organizmy (edafon) - na ogół nie są zaliczane do substancji organicznej gleby, chociaż w warstwach ornych edafon (głownie mikroorganizmy i części podziemne roślin) stanowi 10-15 % ogólnej masy martwej i żywej materii organicznej gleby.

Szczątki organiczne - resztki roślinne i zwierzęce zarówno świeże, jak też wykazujące rożny stopień rozkładu.

Substancje próchniczne - ciemno zabarwione, bezpostaciowe substancje będące produktami rozkładu resztek organicznych oraz związki będące wynikiem resyntezy powodowanej przez mikroorganizmy w glebie. Dzielone są na swoiste i nieswoiste substancje próchniczne.

Nieswoiste substancje próchniczne - należą tu związki o dobrze rozpoznanej budowie, zaklasyfikowane do rożnych w chemii organicznej grup strukturalnych. Stanowią one 10-15% substancji próchnicznych. Należą tu między innymi: węglowodany, tłuszczowce, aminokwasy, lignina, garbniki

Swoiste substancje próchniczne - są to wysokocząsteczkowe związki o mało rozpoznanej budowie, które można wyekstrahować 0,1 M roztworem NaOH. Substancje te stanowią 25-90 % substancji próchnicznych.

&#x...