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

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Химический факультет Кафедра аналитической химии

Выпускная бакалаврская работа на тему: Закономерности сезонного, высотного и изотопного фракционирования железа в процессе его биоконцентрирования растениями

Студента 4-го курса Шаркова Дмитрия Евгеньевича Научный руководитель:

проф., д.х.н. Поваров В.Г.

Зав. кафедрой аналитической химии:

проф., д.х.н. Москвин Л.Н.

Санкт-Петербург 2009

1. Литературный обзор

1.1 Эффект биоконцентрирования

1.2 Кинетический и термодинамический изотопный эффект, их общая характеристика

1.3 Физические принципы метода мессбауэровской спектроскопии и его модификации

2. Экспериментальная часть

2.1 Использованные реактивы и материалы

2.2 Определение общего содержания железа в растениях

2.3 Сезонное изменение коэффициента биоконцентрирования железа в осоке и хвоще

2.4 Высотное распределение железа в растениях

2.5 Эффект изотопного фракционирования железа растениями Выводы Список литературы

Явление биоконцентрирования, то есть накопления экотоксикантов в тканях животных и растений является общим свойством живых организмов и традиционно описывается коэффициентом биоконцентрирования

Bcf=[X]org/[x]w.

Здесь [X]org и [x]w — концентрации токсиканта в организме и в питающей воде соответственно [1, 2].

По сути дела такой подход отвечает статической модели равновесного распределения компонента между двумя фазами. Давно известно, что внутри живого организма имеются зоны преимущественного концентрирования экотоксикантов (корни у растений, печень и жировые ткани у животных). Следовательно растение представляет собой динамическую систему и неравномерностей в процессе биоконцентрирования может быть гораздо больше.

Цель работы было попытаться найти эти неравномерности на примере биоконцентрирования железа прибрежными растениями (широко распространенный металл и простой объект для исследования) и предложить модели, адекватно описывающие обнаруженные эффекты

1. Литературный обзор

1.1 Эффект биоконцентрирования

биоконцентрирование железо фракционирование растение Явление биоконцентрирования — есть накопление химических веществ в тканях растений и животных в процессе их нормальной жизнедеятельности, относится к важнейшим биологическим факторам, определяющим динамику перемещения химических элементов на нашей планете [2, 3]. Для характеристики эффекта используют коэффициент биоконцентрирования

Bcf = C_b/C_w,

где C_b и C_w — концентрации вещества в живом веществе и в воде соответственно. Для большинства тяжелых металлов, обнаруженных в растениях, величина Bcf находится в пределах 10²-10⁵ если концентрацию измерять в граммах металла, содержащихся в одном грамме воды или сухого растения соответственно. Широкое применение эффект биоконцентрирования нашел при анализе качества природных вод, поскольку анализировать концентрированную пробу (часть растения) проще, чем окружающую его воду. Растение представляет собой естественный сборник различных токсикантов, избавляет исследователя от трудоемкой процедуры предварительного концентрирования пробы, содержание анализируемого вещества в растении или животном характеризует также степень биодоступности данного вещества, находящегося в любой химической форме [4−7].

Основными преимуществами метода биоконцентрирования являются простота основных процедур и доступность применяемого аналитического оборудования. От исполнителя требуется только собрать и взвесить растительный материал, а затем перевести экотоксикант в определяемую форму. Для тяжелых металлов чаще всего используют сжигание в токе воздуха при 600−800^оС с последующим растворением в соляной кислоте.

Серьезным недостатком этого метода является то, что он не информирует нас о вариациях концентрации экотоксиканта во времени. Мы всегда получаем средний результат, отвечающий накоплению экотоксиканта за достаточно длительный период. Также, скорость накопления вещества зависит и от фазы роста растения и от внешних условий и от состояния растения в целом. Очевидно, что должна быть связь между Bcf с биометрическими показателями растения и условиями его произрастания. Теория эффекта биоконцентрирования разработана слабо, единой методологии его применения не существует и не всегда есть уверенность в достоверности табличных коэффициентов биоконцентрирования.

Согласно современным взглядам, химические механизмы биоконцентрирования тяжелых металлов одинаковы для большинства таких металлов (исключение составляет ртуть, для которой известен механизм концентрирования в виде Hg (CH₃)₂)[2]. Для таких же металлов как Fe, Cu, Pb, Ni и др. характерно закрепление на тиольных, карбоксильных и гидроксильных концевых группах биополимеров. Следовательно, можно считать, что скорость накопления любого из рассмотренных металлов пропорциональна его концентрации в воде, питающей растение. Рассмотрим одноблочную динамическую модель биоконцентрирования, согласно которой растение представляет собой некий резервуар, в который поступает питательный водный раствор со скоростью V_w и концентрацией интересующего нас металла C_Ме. Следует также учесть, что общая масса растения возрастает со временем со скоростью V_b (растение растет). Вкладом массы концентрируемого металла в биомассу растения пренебрегаем. Вся поступающая вода испаряется с поверхности зеленых частей растения, а ионы металла остаются в тканях. Тогда для скорости поступления металла в растение и скорости его роста можно записать систему из двух дифференциальных уравнений:

dM_Me/dt = V_wC_Ме

dM_b/dt = V_b (1)

Здесь M_Me и M_b — масса накопленного растением металла и масса самого растения. Выполним деление первого уравнения на второе. Получим:

A=dM_Me/dM_b = V_wC_Ме/V_b (2)

Величину Bcf_d = A/C_Ме можно назвать дифференциальным коэффициентом биоконцентрирования. Чтобы измерить дифференциальный коэффициент биоконцентрирования, нужен метод неразрушающего определения биомассы растения и общего содержания металла в нем в два близких момента времени, что весьма сложно сделать. Мы же рассмотрим решения системы (1) при некоторых упрощающих предположениях. Сначала допустим, что величины V_w, C_Ме и V_b постоянны за время роста и тогда уравнение (2) можно проинтегрировать:

M_Me/M_b = V_wC_Ме/V_b (3)

Поскольку отношение M_Me/M_b есть не что иное, как массовая доля металла в растении (то есть масса металла, приходящаяся на 1 грамм биомассы), а величина C_Ме обычно также измеряется в граммах металла на 1 грамм воды, то для коэффициента биоконцентрирования получаем:

Bcf = M_Me/(M_bC_Ме)=V_w/V_b (4)

Это соотношение показывает, что коэффициент биоконцентрирования — величина биологическая, равная отношению скорости потребления воды растением к скорости прироста биомассы. Следовательно, табличные значения Bcf имеют смысл неких средних биологических характеристик растения, к тому же в определенных условиях. Мы также видим, что Bcf не должен зависеть от природы металла, а вся химическая специфика металла может проявиться либо в том, где именно в растении он концентрируется, либо в том, возможны ли для него какие-либо способы удаления из растения. Но этими аспектами мы на данном уровне пренебрегаем и считаем, что потерь металла из растения не происходит. Для практического применения уравнения (4) гораздо важнее знать, насколько правильно наше предположение о постоянстве величин V_w, C_Ме и V_b за период роста растения. О постоянстве концентрации C_Ме говорить не приходится, а что касается величин V_w и V_b, то они сильно зависят от фазы роста и условий произрастания и более менее постоянны только для определенного периода роста в постоянных внешних условиях. Однако для корректности интегрирования важно, чтобы постоянным было их отношение V_w/V_b =Bcf, а не каждая из них по отдельности.

Рис. 1.? Схема распределения воды растением Учитывая, что отбор проб может производиться несколько раз в течение вегетационного периода, представляет интерес временная зависимость коэффициента биоконцентрирования от возраста растения. Эти вопросы можно прояснить даже при помощи моделирования, если численно проинтегрировать систему (1) при определенных предположениях о виде правых частей уравнений. В конкретном примере мы предположили, что прирост биомассы растения происходит по уравнению вида:

M_b=0.2t/(1+0.01t) (5)

(В химии данное уравнение известно как уравнение Лэнгмюра и описывает монотонное увеличение M_b от времени с выходом на постоянное значение при t=?). В нашем случае M_b(t=?)=20 гр. Вегетационный период примем равным 150 суткам. Скорость водопотребления примем пропорциональной поверхности растения, которую, в свою очередь, можно считать пропорциональной M_b^2/3 с коэффициентом пропорциональности, равным 10:

V_w (г/сутки) = 10*M_b^2/3

Для временной зависимости концентрации металла в воде рассмотрим два сценария:

концентрация металла постоянна во времени концентрация металла изменяется со временем с постоянной скоростью (увеличивается или уменьшается) При этом коэффициент биоконцентрирования будем рассчитывать как отношение массовой доли металла в биомассе к массовой доле металла в воде на текущий момент времени.

Результаты моделирования представлены на рис. 2.

Рис. 2. — Изменение параметров модели от времени в течение вегетационного периода: Кривая 1 — биомасса (г),

Кривые 2−4 — коэффициенты биоконцентрирования при:

2) С_Me=10^-5 + 2*10^-8*t, 3) С_Me= 10^-5 г/г, 4) С_Me=10^-5 + 2*10^-8*t,

Кривая 5 — количество (г) потребленной воды Прежде всего, бросается в глаза, что при постоянной концентрации металла в воде коэффициент биоконцентрирования возрастает со временем с почти постоянной скоростью. Это неудивительно, поскольку большая часть металла поступает в уже сформировавшееся растение, скорость водопотребления которого согласно модели меняется слабо. Представленные на зависимости величины Bcf от времени жизни растения при различных сценариях изменения концентрации металла в воде также выглядят тоже интересно. Постоянный рост концентрации металла на 60% от первоначальной величины практически не сказался на величине Bcf. Она уменьшилась с 500 до 410 и осталась почти линейной функцией времени. Однако такое же уменьшение концентрации металла приводит к возрастанию Bcf от 500 до 850 и при этом зависимость демонстрирует ускоренный рост. Это очень важный момент, поскольку при реальном пробоотборе мы всегда отбираем пробу воды одновременно с пробой растения и если концентрация накапливаемого металла уменьшалась в течение вегетационного периода, мы получим высокие значения Bcf и предскажем заниженную концентрацию металла в воде, для тех моментов, когда она там была высокой. Чтобы проверить, насколько рост концентрации металла со временем не влияет на полученные выводы, мы выполнили еще один расчет, при котором концентрация равномерно возрастала в 4 раза за то же самое время. Это привело к уменьшению Bcf с 500 до 330 при сохранении линейной зависимости от времени. Таким образом, с некоторой осторожностью мы можем заключить, что если Bcf со временем возрастает с постоянной или с убывающей скоростью, то это говорит о том, что концентрация металлов в воде или постоянна или сильно возрастает. Если же наблюдается ускоренный рост Bcf, то концентрация металла в процессе роста растения монотонно уменьшалась. При этом следует иметь в виду, что там, где концентрация металла в воде больше, там и его содержание в растении больше. Отсюда следует, что результаты анализов нужно интерпретировать, основываясь и на данных о Bcf, и на данных о содержании металлов в растениях, и на данных об изменениях концентрации металла в воде. К счастью среди тяжелых металлов есть такой, который всегда присутствует в природе в больших количествах и может быть использован в качестве универсального стандарта. Это железо. Его среднее содержание в земной коре ?3,6% по массе, оно хорошо концентрируется растениями и хорошо определяется классическими химическими методами как непосредственно в воде, так и в растениях.

Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. В процессе взаимодействия с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами образуется сложный комплекс соединений железа, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками [8−11]. Являясь биологически активным элементом, железо в определенной степени влияет на интенсивность развития фитопланктона и качественный состав микрофлоры в водоеме.

Концентрация железа подвержена заметным сезонным колебаниям. Обычно в водоемах с высокой биологической продуктивностью в период летней и зимней стагнации заметно увеличение концентрации железа в придонных слоях воды. Осенне-весеннее перемешивание водных масс (гомотермия) сопровождается окислением Fe (II) в Fе (III) и выпадением последнего в виде Fe (OH)₃.

Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые доли миллиграмма, вблизи болот — единицы миллиграммов. Повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах, в которых оно находится в виде комплексов с солями гуминовых кислот — гуматами.

Содержание железа в воде выше 1−2 мг Fe/л значительно ухудшает органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования в технических целях.

Железо замечательно еще и тем, что содержит около 2% изотопа ⁵⁷Fe, обладающего свойством резонансного поглощения гамма квантов. На этом свойстве основана мессбауэровская спектроскопия соединений железа. Интенсивность поглощения при прочих равных условиях прямо пропорциональна количеству изотопа ⁵⁷Fe в образце. Это открывает возможность изучения эффектов изотопного фракционирования железа в процессе его биоконцентрирования. И термодинамический и кинетический изотопные эффекты предсказывают обеднение смеси, поглощенной растением, тяжелыми изотопами.

1.2 Кинетический и термодинамический изотопный эффект, их

общая характеристика

Кинетический изотопный эффект

Если в молекуле реагирующего вещества заменить какой-нибудь из атомов на его изотоп, то будет наблюдаться некоторое изменение его реакционной способности и подвижности, выражающееся в изменении константы скорости и коэффициента диффузии, кинетический изотопный эффект [12].

Обычно кинетическим изотопным эффектом называют отношение кинетического параметра для легкого изотопа, к аналогичной величине частицы, содержащей тяжелый изотоп.

Например, константа скорости бимолекулярной реакции:

k = p Z ₀ e —^E/RT, где: Z₀ = r² (8RT/ m)^½

Эта величина носит название фактор соударения, а р и m — стерический фактор реакции и приведенная масса реагентов соответственно.

Исходя из вышеизложенного, легко заметить, что отношение констант скоростей, обратно пропорционально корню из отношения их приведенных масс

k/k' = p Z ₀ e —^E/RT /(p Z ₀ e —^E/RT)'

k/k' = p r² (8RT/ m)^½ e —^E/RT /((p r² 8RT/ m')^½ e —^E/RT)'

k/k' =(m'/m)^½

Для коэффициентов диффузии можно записать соотношение:

D = ж (RT/ m)^½

D/D'= ж (RT/ m)^½ /ж (RT/ m')^½ = (m'/m)^½

Таким образом, получаем:

D/D' = k/k'=(m'/m)^½

Данный вывод имеет огромное значение. Сталкиваясь с мембранными процессами в растениях, мы не имеем возможности определить скорость прохождения через них частиц, зато можем определить степень изотопного фракционирования. Действительно, при диффузии через мембрану скорость диффузии (диффузионный поток) рассчитывается по закону Фика:

Q=DdC/dx=C/x

Где C перепад концентраций на границах мембраны, x — толщина мембраны. Тогда отношение диффузионных потоков ⁵⁶Fe и ⁵⁷Fe равно:

⁵⁷Q/⁵⁶Q=(⁵⁷D/⁵⁶D)(⁵⁷C/⁵⁶C)=(56/57)^½(2/98)=0.0206

Здесь мы использовали то обстоятельство, что содержание ⁵⁶Fe в природном железе равно 98%, а также предположили, что концентрация железа уменьшается до нуля по мере продвижения к внутренней границе мембраны. В случае отсутствия эффекта изотопного фракционирования отношение коэффициентов диффузии равнялось бы единице. На самом деле оно равно 1.009. Это означает, что каждую секунду диффузионный поток переносит на 0.9% меньше ⁵⁷Fe, чем это было бы без эффекта. Если совершить данный процесс 1 раз, то степень обогащения образца ⁵⁶Fe составит:

%⁵⁶Fe=100*98*1.009/(1.009*98+2)

Нетрудно видеть, что при многократном проведении процесса справедливо рекуррентное соотношение:

%⁵⁶Fe_(i)=100*(%⁵⁶Fe_(i-1))*1.009/(1.009*(%⁵⁶Fe_(i-1))+(%⁵⁷Fe_(i-1)))

где I — номер диффузионного процесса, i-1 — номер предшествующего ему процесса.

Рис. 3. — Изменение содержания изотопов 56 и 57 при прохождении через систему последовательных диффузионных перегородок (расчет для данного диплома)

Термодинамический изотопный эффект

Термодинамический изотопный эффект также имеет универсальный характер и отражает фундаментальное термодинамическое свойство — стремление веществ к наименьшему запасу свободной энергии. Эффект разделения изотопов реализуется в изотопно-обменных процессах.

Минимум свободной энергии достигается при различающемся изотопном составе компонентов системы. Изотопный обмен заключается в перераспределении изотопов между молекулами одинакового или различного химического состава, находящимися в рассматриваемой системе. Обычно перераспределение изотопов рассматривают на примере реакции изотопного обмена двух химических соединений (АХ_n и ВХ_m), содержащих два изотопа — одного элемента X (X — легкий изотоп. X^* — тяжелый):

mАХ_n + nBX*_m <-> mАХ*_n+ nВХ_m.

Константа равновесия этой «изотопной» реакции (как и любой химической) имеет вид

K = ([АХ*_n]/[ АХ_n])^m/([BX*_m]/[ BX_m])ⁿ

Примерами реакций изотопного обмена с участием изотопов углерода являются [10, 11]

С¹²O₂ +C¹³H₄ = С¹³O₂ +C¹²H₄

С¹³О_{2 (газ)} + С¹²О_{2 (раст.)} = С¹²О_{2 (газ)} + С¹³О_{2 (раст.)}

При этом в реакциях, достигших стадии равновесия, изотопный состав компонентов системы (например, метана и двуокиси углерода) вследствие термодинамического изотопного эффекта оказывается неодинаковым. Случай неполного сжигания углерода:

С¹³ + С¹²0 = С¹³0 + С¹²

K = (С¹³0/ С¹²0)* С^12/ С¹³ = 1.02 при 500 °C Здесь равновесие смешено в сторону С¹³0, происходит обеднение С¹³.

С помощью методов статистической термодинамики, учитывающих поступательную, вращательную и колебательную энергии изотопных молекул, константу изотопного равновесия можно выразить через статистические суммы по энергетическим состояниям соединения. Статистическая сумма представляет собой результат суммирования энергетических состояний по всем уровням всех молекул данного сорта, входящих в систему.

Изменение стандартной свободной энергии процесса определяется через константу равновесия

?F°= -RTlnK.

Как известно, константа равновесия может быть выражена через статистические суммы участников реакции

InK = m lnZ_AX^* _n + n lnZ_BXm —m lnZ_Axn— n lnZ_BX^*_m.

Следовательно,

К = (Z_AX^*_n/ Z_Axn)^m/(Z_BX^*_m/Z_BXm)ⁿ

Статистическую сумму Z можно представить в виде сомножителей, соответствующих слагаемым энергии молекулы

Z = Z_постZ_врZ_колZ_элZ_ядe^-E₀/^RT

Где индексы относятся к поступательному, вращательному и колебательному движениям молекулы, а также к электронным энергетическим уровням и ядерным спинам; Ео — нулевая энергия. R — постоянная Болышана; Т — абсолютная температура.

Статистические суммы для электронных и ядерных уровней выпадают из расчета, поскольку Z_эл и Z_яд для изотопов практически одинаковы.

Для остальных статистических сумм известны следующие соотношения:

Z_пост = const*(M^3/2T^5/2)/p (6)

где М — молекулярная масса, р — давление или концентрация

Z_вр = const*(IT)/s (7)

где s — число симметрии молекулы

Z_кол = П(1/(1-e^-hv_{i ^/rT)) (8)}

Где v_i — колебательная частота Для отношения статистических сумм изотопных разновидностей молекул, исходя из выражений (6). (7), (8), получаем

Z_AX^*_n/ Z_Axn = Z^*/Z =[ sI^*M^*3/2 e^(-hv_{i^)/2/rT(1 — e^(-hvi^)/2/rT)]/ [ s^*IM^3/2 e^(-hv*i^)/2/rT(1 — e^(-hvi^)/2/rT)] (9)}

Это соотношение верно для двухатомных молекул, имеющих одну основную частоту колебаний.

Отношения статистических сумм, которые определяют константу равновесия в реакциях изотопного обмена, являются, в конечном счете, функцией только колебательных частот и температур. Колебательные частоты определяются из спектроскопических данных (табличных).

Из выражения (9) видно, что Z^*/Z приближается к единице с увеличением температуры; из этого следует, что термодинамический изотопный эффект при высоких температурах, как правило, минимален.

Зная колебательные частоты, можно представить константы равновесия реакций изотопного обмена в виде функций от температуры.

Разделение изотопов, как правило, уменьшается с увеличением температуры.

1.3 Физические принципы метода мессбауэровской спектроскопии

и его модификации

В основе метода мессбауэровской спектроскопии лежит безотдачное резонансное поглощение гамма-квантов ядрами определенного изотопа, находящегося в исследуемом веществе. Источник гамма-квантов представляет собой вещество, в котором находятся ядра мессбауэровского изотопа в возбужденном состоянии. Они излучают гамма-кванты с энергией Е₀ при переходе в основное состояние. Это излучение, попадая в объект исследования, содержащий аналогичные ядра (но в основном состоянии), переводит их в возбужденное состояние, т. е. резонансно поглощается.

Очень малая ширина ядерных уровней, лежащая в пределах 10^-10ч10^-15 от величины энергии ядерного перехода, определяет чрезвычайно высокую разрешающую способность мессбауэровской спектроскопии по энергии, которая намного превосходит разрешающую способность любых других физических методов. Аналитическая информативность мессбауэровской спектроскопии определяется тем, ядро мессбауэровского атома является высокочувствительным зондом, у которого энергия ядерных подуровней изменяется в зависимости от электронного окружения ядра, а также от внутренних и внешних электрических и магнитных полей. Для измерения мессбауэровских спектров, т. е. измерения сечения резонансного поглощения или рассеяния, необходимо изменять энергию гамма-квантов источника в диапазоне от единиц до десятков наноэлектронвольт. Чаще всего изменение энергии излучения гамма-квантов достигается за счет установки источника на допплеровский модулятор, обеспечивающий непрерывное перемещение источника относительно поглотителя (анализируемого образца), поглощающего их. В этом случае, если источник движется со скоростью v относительно поглотителя, то энергия гамма-квантов в направлении поглотителя выражается как

(10)

где E₀ — энергия гамма-кванта, вылетающего из неподвижного источника, Е (v) — энергия гамма-кванта при движении источника со скоростью v, v — скорость движения источника относительно поглотителя и с — скорость света. В МС спектр принято представлять либо в виде зависимости относительной интенсивности излучения прошедшего через образец или рассеянного им, от скорости движения источника относительно образца.

Рис. 4. — Мессбауэровский спектр соединения Fe₃O₄.

Фактически это означает, что спектр представляет собой зависимость сечения поглощения гамма-квантов источника образцом, в зависимости от величины допплеровской добавки к энергии этих квантов. В последнее время для удобства количественной оценки сигнала вместо относительной интенсивности приводят значение величины эффекта, которое показывает относительное отклонение сигнала от фонового значения. Для получения дополнительной информации об анализируемом объекте, обычно варьируют параметры внешней среды, влияющие на эффект резонансного поглощения, такие как температура, давление, внешние магнитные и электрические поля.

Для измерения мессбауэровских спектров наиболее часто используется схема анализа (иногда называемая геометрией) на поглощение, когда регистрируется гамма-излучение источника прошедшее через поглотитель. Другим вариантом является регистрация рассеянного поглотителем излучения, связанного с резонансными процессами. Во всех рассмотренных методах функция радиоактивного мессбауэровского источника сводится к созданию потока монохроматичного и интенсивного резонансного гамма-излучения, которое затем используется для исследования состояния мессбауэровских ядер в поглотителе или рассеивателе.

Независимо от схемы анализа, возможность применения метода к тем или иным объектам определяется их элементным составом. В настоящее время известно более 40 элементов, изотопы которых могут быть использованы в мессбауэровской спектроскопии, однако, в силу ряда физических и технических ограничений, в аналитических целях используется не более 7 (⁵⁷Fe, ¹¹⁹Sn, ¹²¹Sb, ¹²⁵Te, ¹²⁹I, ¹⁵¹Eu и ¹⁹⁷Au), из которых наибольшее практическое значение имеют изотопы ⁵⁷Fe и ¹¹⁹Sn. Несмотря на относительно небольшое число «мессбауэровских» изотопов возможности метода оказываются достаточно широкими, поскольку в их число входит изотоп железа. Это связано с тем, что железо относится к числу самых распространенных на Земле элементов. Содержание железа в земной коре составляет 3.6% по массе. Для него известно свыше 300 минералов благодаря необыкновенной склонности к изоморфным замещениям. Также много железа и в космических телах. В каменных метеоритах в среднем 12,35% железа, в железных 90,35%, в породах поверхностного слоя Луны — 10−12%. На Солнце железо входит в десятку самых распространенных элементов. Исключительная распространенность железа в природе и его использование в качестве основного компонента сталей, являющихся наиболее важным конструкционным материалом, выдвигает метод МС в разряд одного из необходимых и эффективных методов структурных исследований и вещественного анализа твердофазных образцов.

Мессбауэровские спектры несут информацию о большом числе взаимодействий, многие из которых опосредовано связаны с химической природой мессбауэровского атома и его ближайшего окружения. Связь эта является косвенной потому, что химические свойства атома обуславливаются его внешними электронами, которые экранированы от мессбауэровского ядра внутренними электронами. В Таблице приведен перечень наиболее важных параметров, необходимых для проведения качественного анализа, которые определяются из мессбауэровских спектров, схемы ядерных уровней, демонстрирующие влияние рассматриваемых параметров, и соответствующие этим схемам формы мессбауэровских спектров. В качестве резонансных ядер рассматриваются ядра наиболее широко используемых мессбауэровских изотопов ⁵⁷Fe и ¹¹⁹Sn. У этих изотопов основное состояние ядра имеет спин I_о=½, а возбужденное I_в=3/2.

Таблица. 1. — Основные параметры мессбауэровских спектров

Каждый из перечисленных в Таблице параметров мессбауэровских спектров имеет свою физическую природу и обладает определенной аналитической информативностью.

Ширина линии — согласно принципу неопределенности Гейзенберга естественная ширина линии, определяемая как Г = h/ф, где h = h/2р, а ф — время жизни возбужденного состояния мессбауэровского ядра. Типичные значения времен жизни возбужденных состояний ядер лежат в интервале от 10-¹⁰ до 10^-5с, что отвечает ширинам линий Г = 10^-6 ч 10^-10 эВ, а так как энергия ядерных переходов составляет 10⁴ ч 10⁵ эВ, то относительная ширина линий для этих переходов находится в интервале 10^-10ч10^-15.

Линия экспериментального мессбауэровского спектра при небольшой толщине поглотителя имеет лоренцевскую форму и её минимальная ширина определяется удвоенной естественной шириной линии поглощения Г. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что существует уширение линий, обусловленное диффузным движением атомов. На ширину линии влияют дефекты кристаллической решетки, которые приводят к вариациям в локальном окружении резонансных атомов. Наиболее сильно уширение линий проявляется в спектрах аморфных и стеклообразных материалов.

Изомерный (химический) сдвиг д_с — смещение линии резонансного поглощения относительно нулевой скорости, которое возникает, если химическое окружение мессбауэровских ядер в источнике и поглотителе не идентично. Величина д_с определяется следующим выражением:

(11)

где е — заряд электрона, Z — заряд ядра, ДR — изменение радиуса ядра при переходе из возбужденного состояния в основное, R — средний радиус ядра, и — электронная плотность на ядре резонансного атома в поглотителе и источнике, соответственно. Для конкретного ядра отношение ДR/R постоянно и химический сдвиг определяется только различием в значениях электронной плотности на резонансных ядрах в источнике и поглотителе.

Плотность электронного заряда на ядре в основном определяется s — электронами различных оболочек. Таким образом, химический сдвиг зависит от заселенности валентных s-состояний атомов участвующих в ядерном гамма резонансе. Электроны других оболочек (p, d, f) могут в разной степени оказывать косвенное влияние на величину д_с посредством частичного экранирования s-электронов или образования с s-орбиталями гибридных состояний, что в общем случае требует их учета при интерпретации величин химических сдвигов. Исследования с помощью мессбауэровской спектроскопии величины д позволяют делать выводы о характере химической связи, её ковалентности, координационном числе, степени делокализации электронов и т. д.

Допплеровский сдвиг второго порядка (температурный сдвиг) д_вп — проявляется в виде смещения линии резонансного поглощения, если источник и поглотитель находятся при разных температурах. Величина смещения определяется выражением:

(12)

где 2> - зависящая от температуры среднеквадратичная скорость, характеризующая движение атомов в твердом теле. Следовательно, наблюдаемый в мессбауэровских спектрах изомерный сдвиг д является суммой двух вкладов д=д_с + д_вп.

Квадрупольное расщепление ДE_Q — является результатом взаимодействия резонансного ядра, имеющего несферическую форму, с градиентом электрического поля, создаваемого на ядре электронной оболочкой и лигандами. Такое взаимодействие приводит к энергетическому сдвигу и расщеплению уровней ядра. Например, для ядер ⁵⁷Fe или ¹¹⁹Sn квадрупольное расщепление описывается выражением:

(13)

где е — элементарный заряд, eQ — квадрупольный момент ядра, V_zz — значение главной компоненты градиента электрического поля на ядре, з = (V_zz-V_yy)/V_xx — параметр асимметрии. V_xx и V_yy — значения градиента электрического поля вдоль осей x и y. Выбор осей осуществляется так, чтобы 0? з? 1. Градиент электрического поля на ядре определяется следующими факторами:

§ геометрией расположения и эффективными зарядами ионов, окружающих резонансное ядро в анализируемом веществе;

§ присутствием частично заполненных несферических электронных оболочек (p, d, f) в самом резонансном атоме.

Таким образом, в общем случае квадрупольное взаимодействие мессбауэровского ядра содержит в себе информацию о структуре его атомного окружения в кристаллической решетке и о состоянии собственных валентных оболочек. Одновременное присутствие в мессбауэровском спектре химического сдвига и квадрупольного расщепления, на которые по разному влияют sи p-электроны, позволяет получить более разностороннюю информацию о состоянии электронной оболочки резонансного атома и о локальной структуре кристаллической решетки.

Магнитное (Зеемановское) расщепление ДE_m — возникает благодаря взаимодействию магнитного момента ядра в основном и возбужденном состояниях с эффективным магнитным полем на ядре, создаваемым электронной оболочкой. Величина Зеемановского расщепления определяется зависимостью:

(14)

где g_I — ядерное гиромагнитное отношение для данного уровня ядра, м_N — ядерный магнетон, В — магнитное поле на ядре, m_I — магнитное квантовое число, Дm_I — изменение магнитного квантового числа при переходе ядра из возбужденного состояния в основное. Например, при переходе I_в = 3/2 > I_о =½ (⁵⁷Fe, ¹¹⁹Sn, ¹²⁵Te) испускание каждого г-кванта происходит следующим образом: с одного из четырех подуровней возбужденного состояния ядро переходит на один из двух подуровней основного состояния. Переход осуществляется в соответствии с правилом отбора для дипольных переходов (Дm=0, ±1), что приводит к появлению в мессбауэровском спектре магнитной сверхтонкой структуры, состоящей из шести линий. Расчет энергетических уровней усложняется при одновременном участии ядра в магнитном и квадрупольном взаимодействиях. Величина внутреннего магнитного поля зависит от структурных и электронных параметров: числа неспаренных d-электронов, характера химической связи резонансного атома, состава и геометрии катионного окружения и т. д. Таким образом, появление сверхтонкого магнитного расщепления значительно увеличивает информативность мессбауэровских спектров, позволяя сделать выводы об особенностях электронной, кристаллохимической и магнитной структур анализируемых соединений.

Уникальность получаемой информации о локальном химическом состоянии резонансного атома и об электрических и магнитных полях действующих на ядро этого атома привели к тому, что появились работы, в которых резонансные атомы специально вводились в состав образца, в качестве своеобразного зонда. Этот подход нашел применение, в частности при исследовании высокотемпературных сверхпроводников, когда вводимое в малых количествах железо должно было замещать медь.

2. Экспериментальная часть

2.1 Использованные реактивы и материалы

Оксид железа (х.ч.)

соляная кислота «хч»

плавиковая кислота «хч»

раствор о-фенантролина (0.5% по массе) раствор гидроксиламина (10% по массе) раствор ацетата натрия (25% по массе) фарфоровые тигли для прокаливания тефлоновые бюксы химическая посуда Муфельная печь 300−900 ^оС Электроплитка

2.2 Определение общего содержания железа в растениях

Растения (стебли и листья) высушивались на воздухе в течение 3 суток [15−21]. Далее их измельчали и помещали в стеклянные стаканы. Стаканы сушились 2 часа при температуре 105 ^оС. Далее, высушенную и измельченную навеску растительного материала массой примерно 0.5 г. Сжигали в открытых фарфоровых тиглях. Сжигание осуществляли в муфельной печи в течение 2 часов при температуре 700^оС. Остывшую золу растворяли 10% раствором HCl (примерно 5−7 мл). Раствор перемешивали стеклянной палочкой, отфильтровывали в мерную колбу на 50 мл, добавляли 10 мл 20%-ного раствора ацетата натрия, 1 мл раствора о-фенантролина и 1 мл раствора гидроксиламина солянокислого и доливали дистиллированной водой до метки. Ждали 15 минут для полноты прохождения реакции. Далее измеряли оптическую плотность растворов. Анализы выполнялись фотометрическим методом на спектрофотометре КФК-2У по стандартным методикам при длине волны 490 нм. Типичная концентрация железа в анализируемых растворах составляла 1−4 мг/л, что соответствует 0.5−2 мг/г железа в растительной пробе. Ниже на рисунке 5 представлена градуировочная зависимость, которой мы пользовались для расчета концентрации железа.

Рис. 5. — Градуировочная зависимость оптической плотности от концентрации

2.3 Сезонное изменение коэффициента биоконцентрирования

железа в осоке и хвоще

Пробы воды и растений отбирали в двух местах — это канал, питающий фонтаны Петергофа и ручей вдоль улицы Озерковая. В качестве объектов исследования были выбраны осока острая (Carex acuta L.) и хвощ приречный (Equisetum fluviatile L.). Оба этих растения произрастают по всей длине канала и ручья, и их вегетационный период длится достаточно долго — примерно с мая по октябрь. Отбор проб воды и растений проводили раз в 7−10 дней. Анализ воды проводили следующим образом. К 100 мл пробы добавляли 1 мл конц. HCl, и упаривали примерно до 5 мл, затем в оставшийся раствор добавляли 10 мл 20%-ного раствора ацетата натрия, 1 мл 0.5% раствора о-фенантролина солянокислого и 1 мл 10% раствора гидроксиламина солянокислого, раствор вновь упаривали примерно в 2 раза, помещали в мерную колбу на 10 мл, доливали дистиллированной водой до метки [20−21].

Таблица 2. — Сезонные вариации содержания железа в воде (мг/л), осоке и хвоще (мг/г) (Новый Петергоф, весна-лето-осень 2008 г.) [4]

Содержание железа, как и в случае анализа образцов растений, определяли фотометрически. Полученные результаты представлены в таблице 2.

Результаты и обсуждение.

При анализе данных таблицы 2 нужно иметь в виду ее принципиально статистический характер. Хотя мы и отбирали пробы растений в одном и том же месте (всего мест пробоотбора было два) все-таки гарантировать равенство условий их произрастания нельзя. Это можно заметить по тому, как колеблется величина коэффициента биоконцентрирования. Тем не менее, для хвоща и осоки, отобранных с площадки в районе ул. Озерковой можно совершенно надежно зафиксировать предсказанный динамической теорией монотонный рост коэффициента биоконцентрирования. Осока из канала для фонтанов весь вегетационный период имела почти постоянный коэффициент биоконцентрирования. На рис. 6 представлены усредненные значения коэффициентов биоконцентрирования для каждого месяца (линии 1−3).

Из таблицы и рисунка также видно, что Bcf (Fe) монотонно возрастает в течение всего вегетационного периода для растений на ул. Озерковая и практически постоянен для осоки в канале. Таким образом, приходится констатировать, что традиционная модель биоконцентрирования, согласно которой коэффициент биоконцентрирования является величиной постоянной, иногда справедлива.

Интересно отметить, что опубликованные ранее результаты о росте коэффициента биоконцентрирования были получены в летний период 2004 и 2006 годов. На рис. 6 представлены результаты измерений Bcf (Fe) для осоки в Троицком ручье, который протекает в Петродворцовом районе (линия 4). В этом случае для осоки мы наблюдали резкий рост коэффициентов биоконцентрирования от весны к осени. Лето 2005 г было весьма жарким. В частности ручей, из которого отбирались пробы, почти пересох к осени, а многие растения имели явно угнетенный вид, связанный с нехваткой воды.

Рис. 6. — Изменение коэффициента биоконцентрирования железа за время вегетации. За нулевой момент времени принято 1 мая Летний период 2008 года оказался самым холодным за все время исследований. Еженедельные замеры температуры воздуха по утрам (9−00 утра) почти всегда были ниже 14^оС, а иногда температура воздуха опускалась до 6^оС. Это привело к замедлению процессов испарения влаги и скорости роста растений. Помимо температуры воздуха, следует отметить еще одну важную причину различия в поведении коэффициентов биоконцентрирования. Троицкий ручей — самое загрязненное место из всех исследованных точек пробоотбора. В нем наблюдались самые высокие концентрации железа в воде. И именно здесь наблюдался самый высокий рост коэффициента биоконцентрирования за время вегетационного периода (примерно в 10 раз). На улице Озерковая мы наблюдали концентрации железа значительно меньшие, чем в Троицком ручье. Самой чистой оказалась вода в канале. В этом случае мы наблюдали практически постоянный Bcf (Fe) в течение всего вегетационного периода. Из этих наблюдений следует крайне важный вывод. Степень загрязненности природных объектов (в частности, природных вод) определяется не только абсолютным значением коэффициента биоконцентрирования, но и его изменением за время жизни растения. То есть чем сильнее сезонный рост Bcf, тем более загрязнен водоем Очевидно, всеми этими причинами и объясняется разница в результатах. Эти обстоятельства обязательно следует учитывать при анализе состояния природных водоемов и уточнениях динамической модели биоконцентрирования.

2.4 Высотное распределение железа в растениях

Изучение высотного распределения железа в растениях первоначально имело целью уточнение динамической модели биоконцентрирования. Однако с практической точки зрения эти данные необходимы и для прогноза последствий биоконцентирования тяжелых металлов культурными растениями. Для изучения высотного распределения необходимо, чтобы растение обладало достаточно большой длиной. Это требование вполне удовлетворяла осока. Также мы изучили высотное распределение железа в хвоще и крапиве. Пробы осоки и хвоща отбирали в разных местах — это канал, питающий фонтаны Петергофа и ручей вдоль улицы Озерковая, соответственно. В таблицах 3 и 4 приведены данные анализа высотного распределения хвоща и осоки соответственно. D-оптическая плотность растворов при растворении пробы в колбе на 50 мл.

Табл. 3. — Высотное распределение Fe в хвоще [4]

Табл. 4. — Высотное распределение Fe в осоке [4]

Табл. 5. — Высотное распределение Fe в крапиве [4]

На примере трех растительных видов (осока, хвощ, крапива) обнаружены два типа распределения железа по высоте. Первый тип характеризуется наличием минимума концентрации железа в средней части стебля. Для второго типа характерно постепенное уменьшение содержания железа в направлении от корня к вершине. Мы предполагаем, что эти различия обусловлены разной зависимостью площади зеленой части растений от высоты. Осока имеет стреловидное строение, площадь поверхности уменьшается к вершине растения. У хвоща и крапивы наоборот, верхушка имеет развитую поверхность. Следовательно, испарение вводы и соответственно доставка необходимого количества жидкости в верхнюю часть осоки будет уменьшаться с высотой, а у хвоща и крапивы увеличиваться. Соответственно и количество железа дошедшего до верха растения изменяется симбатно этой зависимости. Как показали наши результаты, чем больше влаги и ниже температура, тем вероятнее второй тип распределения.

Рис. 7. — Изменение содержания железа с высотой растения (1 — хвощ,

2 — осока, 3 — крапива). Концентрации и высоты нормированы на единицу)

2.5 Эффект изотопного фракционирования железа растениями

Пробоподготовка для ЯГР спектроскопии Fe в растительных образцах.

В предыдущей дипломной работе Яроцкого В. А. был исследован ряд кристаллических железосодержащих фаз, с точки зрения их пригодности для использования ЯГР спектроскопии растительных образцов. Было показано, что наилучший, близкий к синглетному сигнал получается от FeF₃*3H₂O. В настоящей работе мы использовали именно это соединение. Для его получения растительную пробы сжигали, растворяли золу в соляной кислоте, слегка разбавляли водой и фильтровали от нерастворимых остатков. Далее количество сжигаемой пробы выбиралось таким образом, чтобы она содержала 50−100 мг железа. Что соответствует 50−100 г пробы. Содержание железа в фильтрате уточняли фотоколориметрическим методом, как описано выше. Из фильтрата отбирали аликвоты, содержащие 15−20 мг железа и ставили упариваться на плитку в тефлоновую чашку. После удаления большей части воды выпадал осадок хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов, а раствор приобретал заметную желтую окраску вызванную присутствием FeCl₃. Начиная с этого момента упаривание продолжали добавляя несколько капель концентрированной HF. По мере добавления HF желтая окраска осадка исчезала вследствие протекания реакции:

FeCl₃ + 3HF=FeF₃+3HCl

Пары HCl как и избыток паров HF удалялись вместе с парами воды. При перемешивании тефлоновой палочкой осадок высушивали до воздушно-сухого состояния при 150^оC и оставляли на воздухе до образования FeF₃*3H₂O. Перед анализом образец тщательно растирали в ступке и навеску массой 0.1 г помещали в специальную кювету для измерения. Как показала практика, при таком способе приготовления пробы массовая доля железа составляет 1−8%, что вполне достаточно для получения ЯГР спектра. Приготовленные таким образом пробы имеют то преимущество, что могут храниться в пластмассовых контейнерах неограниченное время без изменения своего состава.