лекция. Өсімдік шикізатының топырақ химиясы пәнінің мақсаты мен міндетте. Минералды оректену туралы жалпы сипаттама. Орташа есеппен сімдікті сусыз ра затыны рамында кміртек 46,оттегі 42 %, сутегі 6,5%, азот 1,5%, минералды элементтер 5%, шамасында болады
 Скачать 406.67 Kb.
|
|
Топырақтардың химиялық құрамы. Топырақтың химиялық құрамы аналық топырақ түзуші жыңыстардың химиялық құрамынан айрықша. Топырақтың химиялық құрамы минералдық, органикалық және органо-минералдық заттардан тұрады (кесте 1). Топырақтардың химиялық құрамының ерекшеліктері: Органикалық заттардың болуы, олардың ішінде арнайы топтың – гумус заттарының; Бөлек элементтердің қосылыстарының формаларының алуандылығы; Уақыт барысында тұрақсыздығы (динамикалылығы). Кесте 1. Топырақтың химиялық құрамы
Кларк – литосферада және топырақта бөлек элементтердің орташа мөлшері . Бұл өлшем бірлігінің атауы жер қыртысының орташа химиялық құрамын 1889 ж. алғашқы есептеген американдық геохимик Ф.У. Кларк құрметіне академик А.Е. Ферсманның ұсынысы бойынша берілді. Топырақтардың геохимиялық көзқарастан зерттелуі 1911 ж. академик В.И. Вернадскиймен басталды. Литосферада және топырақта бөлек химиялық элементтердің мөлшері кең ауытқұда (кесте 2). Кесте 2. Литосферада және топырақта бөлек химиялық элементтердің мөлшері (А.П. Виноградов бойынша), %
Литосфера жартылай оттектен (47,2 %) тұрады, төрттен бір бөлігінен асатын кремний (27,6 %) мөлшері, одан кейін алюминий (8,8 %) > темір (5,1 %) > кальций, натрий, калий, магний (2 – 3 % әр біреуі). Аталған 8 элемент литосфераның жалпы массасынан 99 % құрайды. Өсімдіктердің маңызды қорек элементтері (көміртек, азот, күкірт, фосфор) проценттің онды, жүздік үлесін құрайды. Жер қыртысында микроэлементтердің мөлшері аз. Топырақтың минералдық бөлігі көп дәрежеде литосфераның тау жыңыстарының химиялық құрамымен қамтамасыз етілуінен, топырақ литосферамен бөлек химиялық элементтерінің шартты мөлшері бойынша ұқсас болады. Мысалы, топырақта литосферада сияқты бірінші орында мөлшері бойынша оттек, екінші орында – кремний, одан кейін алюминий, темір және басқалары тұрады. Бірақ, топырақта литосферамен салыстырғанда, көміртек 20-есе, ал азот 10-есе жоғары болады, себебі олардың топырақта жинақталуы ағзалардың тіршілігімен байланысты, ағзалардың құрамында 18 % көміртек, 0,3 % азот/тірі затқа болады. Топырақта литосфермен салыстырғанда оттек, сутек, кремний мөлшері жоғары, ал алюминий, темір, кальций, магний, натрий, калий және т.б. аз, бұл үгілу және топырақ пайда болу үрдістерінің әсері. Тау жыңыстарының үгілу үрдістері, олардың өнімдерінің қайтадан шөгінуі, құрлықтың көп бөлігін жабатын және негізгі топырақ түзуші жыңыстар болып табылатын химиялық құрамы әр түрлі бос жыңыстардың пайда болуына әкеледі. Бос жыңыстарда магмалық жыңыстармен салыстырғанда кремнезем мөлшері жоғары, бірақ топырақ түзуші жыңыстың генетикалық типімен механикалық құрамына байланысты көп ауытқыйды, бұл үгілу, үгілу өнімдерінің шөгінуі және бөлінуі үрдістерінде кварцпен бос жыңыстардың байытылуымен байланысты. Құмды жыңыстарда кремнезем 90 % жоғары, балшықты және балшық жыңыстарда – 50-70 % дейін, ал Al2O3, Fe2O3 және т.б. тотықтардың мөлшері жоғарлайды. Байланысқан кремнеземды жоғалту (десиликация) және алюминий мен темір тотықтарын жинақтау топырақ пен жыңыстың лайлы тұңба фракциясында SiO2:Al2O3 немесе SiO2:R2O3 молярлы қатысының есебімен жақсы көрсетіледі. С.В. Зонн (1969) лайлы тұңба фракциясында SiO2:R2O3 молярлы қатысы бойынша жер қыртысының келесі бөлінуін ұсынды: Аллитты (SiO2:R2O3 молярлы қатысы < 2,5) бөлімшелері аллитты (Al2O3 Fe2O3 –тен күрт асады), ферраллиты (Al2O3 Fe2O3 –тен асады), ферритты (Fe2O3 Al2O3–тен және SiO2–ден лайлы тұңба фракциясында және қыртыста асады ); Сиаллитты (SiO2:R2O3 молярлы қатысы > 2,5) бөлімшелері сиаллитты және феррсиаллитты. Ақырғыларында SiO2: Fe 2O3 ара қатысы тар болады. Үгілу өнімдерінің арасында жай тұздар ең жылжымалы, сондықтан олардың иондарының валенттілігі неғұрлым төмен болса, соғұрлым ерігіштігі жоғары болады. Бос жыңыстар мен топырақтарда литосферамен салыстырғанда негіздер орташа төмен. Бос жыңыстар ылғалды климатта негіздермен кедей, құрғақ климатта – оларда негіздер жиналады. Сілтілік жер және сілтілік негіздердің мөлшері бойынша топырақ түзуші жыңыстар тұздалған, карбонатты және сілтісіздірілген болып бөлінеді. Карбонатты жыңыстарда 15-20 % дейін кальций карбонатының мөлшері болады, тұздалған жыңыстарда кальций карбонатымен бірге көп мөлшерде кальций, магний және натрий сульфаттары мен хлоридтері кездеседі. Топырақ түзуші жыңыстардың химиялық құрамы олардың механикалық және минералогиялық құрамын көрсетеді. Топырақ топырақ түзуші аналық материалдың геохимиялық қасиеттерін қайталайды. Топырақтың кескінінің бойында химиялық элементтердің дифференциациясы. Топырақ түзілу типіне байланысты топырақ кесіндісі бойынша түрлі химиялық элементтердің мөлшері мен таралуының өзгерістері жүреді. Топырақтың әр типі анықталған химиялық құрамымен горизонттарға сипатты дифференциациясын көрсетеді. Топырақ түзуші жыңыстардың жоғарғы горизонттарымен салыстырғанда шымды-күлгін топырақтар кремнеземмен бай, алюминий және темір тотықтары оларда аз болады. Қара топырақтарда басымды тотықтардың құрамы өзгеріссіз қалады. Жыңыстардан ерекше барлық топырақтардың жоғарғы горизонттарында органикалық зат жинақталады, онымен биологиялық маңызды элементтердің – көміртек, азот, фосфор, күкірт, кальций аккумуляциясы байланысты. Топырақтың химиялық табиғаты тау жыңысынан өздік ерекшеленеді. Жыңыс өзгерістерінің сипаты мен масштабы топырақ түзілу факторларымен қамтамасыз етіледі. Топырақтың химиялық құрамы үгілу және топырақ пайда болу үзіліссіз үрдістерге сай тұрақты өзгереді. Топырақтың макро- және микроэлементтері. Биогендік элементтер. Ауыр металдар. Оттек топырақтардың біріншілік және екіншілік минералдардың көбіне кіреді, органикалық заттар мен судың негізгі элементтерінің бірі. Азот тірі жасушыныңақуыздарының, хлорофиллының, нуклеин қышқылдарының, фосфатидтерінің және басқа органикалық заттарының құрамына кіреді. Топырақта азоттың негізгі массасы орагникалық затта жинақталған. Азоттың мөлшері топырақтағы органикалық заттың мөлшеріне, біріншіден гумус мөлшеріне тікелей байланысты.топырақтардың көбінде элемент гумустың 1/10-1/20 бөлігін құрайды. Топырақта азоттың жинақталуы оның атмсоферадан биологиялық фиксациясымен қамтамасыз етіледі. Топырақ түзуші жыңыстарда азот өте аз. Азот өсімдіктерге негізінен аммоний, нитраттар және нитриттер формасында жеткілікті, олар азооты органикалық заттардың ыдырауында пайда болады. Нитриттер топырақта өте аз болады, азоттың аммонийлы және нитратты формалары өсімдіктер қоректенетін азотты қосылыстардың негізгі формасы. Ылғалды аудандарда нитраттар шайылуға ұшыраған, ерекше булы далада. Аммоний иондары топырақпен жеңіл сіңіріледі және аздап алмасуға қатыспаушы жағдайға ауысады. Нитрат иондары топырақ ерітіндісінің құрамында өсімдіктермен жеңіл пайдаланады. Азотпен өсімдіктердің қамтамасыз етілуі органикалық заттардың ыдырау жылдамдығына байланысты. Азотты өсімдіктер жоғары мөлшерде тұтынады (өсімдіктерде қорек элементердің арасында азот бірінші орынды алады), сондықтан гумуспен бай топырақтарда да өсімдіктердің азотты жоғары қажет етуі оның топырақта қорын толықтыруды қажет етеді. Фосфор оларсыз тіршілік болмайтынкөптеген органикалық қосылыстардың құрамына кіреді. Өсімдіктермен жоғары мөлшерде сіңіріліп, фосфор топырақтың жоғарғы горизонттарында жинақталады. Қара шіріктерде фосфордың валдық мөлшері > 0,35 %. Топырақта фосфор органикалық (фитин, нуклеин қышқылдары, нуклеопротеидтер, фосфатидтер, қантты фосфаттары және т.б.) және минералдық (кальций, магний, темір және алюминий ортофосфаттары) қосылыстарға кіреді. Фосфор топырақта апатит, фосфарит және вивианит құрамына кіреді, сонымен бірге сіңірілген фосфат-анион түрінде болады. Апатиттер көптеген магмалық жыңыстарда кездеседі және жер қыртысында фосфор қосылыстарының 95 % құрайды. Топырақта фосфордың минералдық қосылыстары аз жылжымалы. Кальций, магний, алюминий, темір фосфаттарының негіздігі неғұрлым жоғары, соғұрлым олардың ерігіштігі төмен. Қышқыл топырақтарда темір мен алюминийдың химиялық активті формалары болғандықтан, фосфор темір және алюминий фосфаттары түрінде немесе аздап алмасуға қабілетті адсорбциялық қосылыстар түрінде жартылай тотықтармен байланысқан болады. Топырақта алюминий және темір фосфаттарының арасында ең біріншіден орта тұздары варисцит AlPO4·2H2O және стренгит FePO4·2H2O көрсетіледі. Үгілу үрдісіне ұшырап олар біртіндеп негізіг және тұрақты формаларға ауысады, мысалы, аугелит Al2(OH)3·PO4 және вавеллит Al3(OH)3(PO4)2·5H2O. Әлсіз қышқыл, нейтралдық және әлсіз сілтілік топырақтарда басымды кальций фосфаттары (гидроксилапатит Ca10(OH)2(PO4)6, үшкальцийфосфат Ca3 (PO4)2, октакальцийфосфат Ca8H2(PO4)6·5H2O, монетит CaHPO4, брушит CaHPO4·2H2O). Кальциймен бай топырақтарда ерігіш кальций фосфаттары негізді және аз ерігіш болып келеді, аяғында гидроксилапатитке айналады. Фосфаттар өсімдіктер үшін фосфордың негізгі көзі. Органикалық қосылыстардағы фосфор олардың минерализациясыдан кейін сіңіріледі. Фосфат-иондарды өсімдіктермен тұтыну үшін ең қолайлы орта реакциясы әлсіз қышқыл (рН 6-6,5). Күкірт ақуыздардың, эфирлы майлардың құрамына кіреді. Күкірттің биологиялық аккумуляциясы топырақтың беткі горизонттарында топырақ түзілу жағдайларына байланысты. Топырақтың беткі горизонттарында SO3 валдық мөлшері кең шекарада ауытқыйды 0,01-2 % және жоғары. Топырақта күкірт сульфаттар, сульфидтер формасында және органикалық қосылыстардың құрамында кездеседі. Өсімдіктер үшін күкіртті тұтыну формасы – сульфаттар – топырақта жеткілікті болады. Калий өсімдіктермен жоғары мөлшерде тұтынады. Ерекше жинақтайтын мәдени өсімдіктерге картоп, шөптер, тамыр жемістер, темекі жатады. Топырақта калийдың валдық мөлшері (К2О) салыстырмалы жоғары. Механикалық құрамы ауыр топырақтарда мөлшері 2 % жоғары. Топырақта калийдың негізгі мөлшері өсімдіктерге аз жеткілікті формада біріншілік және екіншілік минералдардың кристалдық торының құрамына кіреді. Жеткілікті калийдың көздері биотит және мусковит минералдары. Кальций және магний өсімдіктерге қажетті физиологиялық маңызды қорек элементтері. Магний хлорофилдың құрамына кіреді, кальций өсімдікке қолайлы топырақтың физикалық, физика-химиялық және биологиялық қасиеттерін құрастырады. Топырақта кальций мен магний минералдардың кристаллдық торында алмасу-сіңірілген күйінде жай тұздардың формасында (хлоридтер, нитраттар, карбонаттар, сульфаттар, фосфаттар) болады. Кальций мен магнийдың топырақ ерітіндісінде кең таралған маңызды көздері кальций карбонаты мен магний карбонаты. Әдеттегідей өсімдіктер кальций мен магнийдың жетіспеуін көрмейді, бірақ көптеген топырақтар қасиеттерін жақсарту үшін әқтеуді және гипсілеуді қажет етеді. Өсімдіктер қоректенуінде кальцийдың жетіспеуі кебірленген топырақтарда, магнийдың жетіспеуі шымды-күлгін құмды және құмдақ топырақтарда кездестіру мүмкін. Топырақтардың микроэлементтері. Топырақта және биологиялық объектілерде микромөлшерде ( Микроэлементтердің маңызы. Микроэлементтер өсімдіктер, жануарлар және адам тірішілігінде маңызды физиологиялық және биохимиялық роль атқарады. Олар гормондар, ферменттер, витаминдер құрамына кіреді. Топырақта микроэлементтер мөлшері мен өсімдіктердің күйі және өнімділігі, жануарлардың өнімділігі және адамның деңсаулығы арасында тығыз байланыс дәлелденген. Витаминдердің жетіспеуі немесе артығы ағзаның нормалды әрекетін бұзып, түрлі аурулардың дамуына әкеледі. Мысалы, молибденның артығы подагра дамуына, йодтың жетіспеуі – жануарлар мен адамның алқым ісуі эндемиясына қабілетті; мыс жетіспеуінде малдардың эндоотикалық атаксиясы, топырақта бор жағары мөлшерде пневмония, нерв бұзылыстары пайда болады. Микроэлементтердің (B, Mn, Zn, Cu, Co және т.б.) топырақта жетіспеуі өсімдіктің өнімділігінің және сапасының төмендеуіне әкеледі. Ауыр металдар. Ауыр металдар тобына жату сипаттамалары: атомдық массасы, тығыздығы, ұыттылығы, табиғи ортасында таралуы, табиғи және техногендік айналымдарға еңгізілу дәрежесі. Кейбір жағдайда ауыр металдар тобына сынғыш (мысалы, висмут) және металлоидты (мысалы, мышьяк) элементтер де жатады. Ауыр металдарға 50 атомдық бірліктен жоғары атомдық массасы бар Д.И. Менделеев кестесінен 40 аста химиялық элементтер кіреді. Жер қыртысындағы мөлшері бойынша (n·10-6 – n·10-2 салмақ %) көбі сирек кездесетін, ал таралуы бойынша – шашыраңқы элементтер болады. Н. Реймерстың жіктелуі бойынша, ауыр металдар ретінде 8 г/см3 жоғары тығыздығы бар элементтер есептеледі. Тірі табиғатта және қоршаған табиғи ортада маңызды процесстерде ауыр металдардың тотығу дәрежесін ауыстыру мен көптеген органикалық және бейорганикалық реакцияларды катализдеу қабілеті бар екендігі көрсетіледі. Мысалы, мыс пен мырыш жоғары химиялық активтілігімен сипатталады, сондықтан терригенді ағыстың және седиментацияның жақсы индикаторы болып есептеледі, балдырлар мен планктонда жоғары қарқыдылықпен жинақталады, биотаға ерекше маңызды. Олар көптеген металлоферменттердің негізгі құрам бөлігі болады, аэробтық клеткалардың табиғи селекциясына, ұлпалардағы тотығу-тотықсыздану реакцияларына, иммундық реакцияларға, рибосомдардың және клеткалық мембраналардың тұрақтануына қатысады. Ауыр металдардың сипаты: жоғары ұыттылығы, мутагендік және канцерогендік эффектісі, биоаккумуляция мен биомагнификацияға қабілеті. Қоршаған ортада ауыр металдардың тәртібінің негізгі сипаттамасы: Ауыр металдардың түсу мөлшері; Ауыр металдардың әртүрлі формаларының жылжымалылығы; Тірі ағзаларда жинақталуға және тұрақтылыққа қабілеті; Ауыр металдардың әр түрлі ағзаларға әр түрлі ұыттылығы. Ауыр металдардың көптеген басқа ластаушы заттардан ерекшелігі «өзінен өзі тазару» қабілеттілігінің болмауы. Қоршаған ортада ауыр металдардың мөлшері 2 аспектісімен анықталады:экотоксикологиялық және биохимиялық (физиологиялық). Ауыр металдар жоғары концентрацияда қоршаған орта объектілерінің ластануын шақырады және экожүйелерге зиянды әсер етеді, ал аз мөлшерде – алмасу процесстерде маңызды және микроэлемент ретінде ағза тіршілігіне қажетті болады (кесте 3).
Ауыр металдардың екі жақты маңызын келесі мысалмен көрсетуге болады. Ванадийдың барлық қосылыстары ұытты. Бірақ, жақында оның қоысылыстарының терапевтік әсері ашылды. Металдың ең жай тұздарының бірі – ванадил сульфаты VOSO4 шажырқай безінің ауруына зардапқа шеккен аурулардың жағдайын жеңілдететін емдеу әдісі болып табылады. Құрамында ванадий, хром, селен және С витамины болатын жаңа бейорганикалық қоспа жартылай немесе толық аурудың асқынуларын емдейді. Ауыр металдардың ұытты әсері тікелей немесе жанама болады. Тікелей әсері фермент қатысуымен жүретін реакцияларды тоқтатады ферменттің каталитикалық әсерін азайту немесе жою арқылы. Жанама әсері қорек заттарды жеткіліксіз жағдайға ауыстыру және «аш» орта тұғызу арқылы көрсетіледі. Биота үшін ауыр металдардың қауіптілігі бір түрлі емес. Өзінің ұыттылығы, таралуы, қорек тізбектерде жинақталуы бойынша 10-ға жуық элемент биосфераның приоритетті ластаушылары болып есептеледі: сынап, қорғасын, кадмий, мышьяк, мыс, ванадий, қалайы, мырыш, сурьма, молибден, кобальт, никель. Ауыр металдар ұыттылық дәрежесі бойынша 3 класқа бөлінеді (кесте 4). № 4 кесте. Ауыр металдар ұыттылық дәрежесі бойынша ұыттылық кластары
Табиғатта ұытты немесе ұыттысыз элементтер болмайды, олардың концентрациялары ұытты немесе ұытты. Ауыр металдардың қоршаған ортаға түсу көздері : табиғи (тау жыңыстары және олардың үгілу өнімдері; термалдық сулар мен тұздықтар; космос және метеориттік шаң; жанар тау атылу газдары; орамн өрттері; биологиялық процесстер; теңіз суының диспергиленуі және т.б.) және антропогендік (түсті және қара металлургия кәсіпорындары; мұнай және көмір жағатын электрстанциялар; мал шруашылық кешеңдерінің қалдықтары; ағынды сулардың тұңбасы; минералдық және органикалық тыңайтқыштар; тау-кең шығару орындары; химиялық өнеркәсіп және т.б.). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||