Bielecki K., Kulczycki G., 2012. Modyfikacja metody Buttersa

Bielecki K., Kulczycki G., 2012. Modyfikacja metody Buttersa

Krzysztof Bielecki, Grzegorz Kulczycki*
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Modyfikacja metody Buttersa i Chenery`ego
oznaczania siarki ogólnej w roślinach i glebie
Modification of Butters-Chenery
method for determination of total sulfur in plants and soil
Przedstawiono wyniki badań dotyczących
modyfikacji metody Buttersa i Chenery`ego
oznaczania siarki ogólnej w roślinach i glebach. Polega ona na utlenieniu siarki zawartej w związkach organicznych i turbidymetrycznym pomiarze ilości powstałych
siarczanów wytrącanych jako siarczan baru.
Pozostawiając niezmieniony etap mineralizacji, zbadano czynniki wpływające na powstawanie i stabilność zawiesiny BaSO4. Na podstawie wyników badań określono optymalne
warunki uzyskania stabilnej zawiesiny siarczanu baru. Zmodyfikowaną metodą oznaczono zawartość siarki w roślinach gorczycy
i w glebie, a wyniki porównano z rezultatami
uzyskanymi metodą Buttersa i Chenery`ego.
Zastosowanie odczynnika barowego, czyli
roztworu chlorku baru i detergentu Tween 80
(stabilizator zawiesiny) usprawnia i ulepsza
tę metodę.
Butters-Chenery method for determination of total S in
plants and soil was improved by using an aq. soln. of BaCl2
(instead of solid BaCl2) and surfactant stabilizer of the suspension formed in presence of HCl. The modified method
was successfully tested on a mustard seeds and straw from
a pot experiment and on a sulfate and sulfur-fertilized soil.
Miarodajne oznaczenie zawartości siarki w glebach i roślinach
ma istotne znaczenie z jednej strony w ochronie środowiska, gdzie
Dr inż. Krzysztof BIELECKI w roku 1973 ukończył
studia na Wydziale Chemicznym Politechniki
Wrocławskiej. Jest adiunktem w Katedrze
Żywienia Roślin Uniwersytetu Przyrodniczego we
Wrocławiu. Specjalność – biochemia, fizjologia
roślin.
688
traktowana jest ona jako pierwiastek toksyczny, a z drugiej strony
w żywieniu roślin, gdzie jest to pierwiastek niezbędny do uzyskania
optymalnych plonów o właściwej jakości. Emisja tlenków siarki do
atmosfery, głównie pochodzących z procesów energetycznych, technologicznych oraz komunalno-bytowych, związanych ze spalaniem
paliw stałych i gazowych ma negatywny wpływ na środowisko.
Pomimo znacznego ograniczenia w Polsce emisji tlenków siarki do
atmosfery1) niezbędny jest stały monitoring zawartości tego pierwiastka w glebach i roślinach. Ograniczenie emisji tlenków siarki
wpłynęło w ostatnich latach na zwiększanie się areału użytków
rolnych, w których stwierdzono niedobory siarki zarówno w glebie,
jak i roślinach2). Wpłynęło to na podjęcie badań nad modyfikacją
metody Buttersa i Chenery`ego oznaczania tego pierwiastka w roślinach i glebach.
Metody turbidymetryczne oznaczania siarki są szybkie i stosunkowo łatwe do wykonania3). W literaturze analitycznej opisano
wiele modyfikacji uwzględniających zarówno proces mineralizacji
próbki (utlenienie związków siarki), jak i bardzo ważny etap
uzyskiwania zawiesiny siarczanu baru4–8). Do wymienionych metod
należy akceptowana i powszechnie stosowana metoda Buttersa
i Chenery’ego oznaczania siarki ogólnej w roślinach i glebach9, 10).
Polega ona na utlenieniu siarki zawartej w związkach organicznych
i turbidymetrycznym pomiarze ilości powstałych siarczanów,
wytrącanych jako siarczan baru. Otrzymywanie zawiesiny siarczanu baru jest w niej jednak dość skomplikowane. Wymagany jest
stały BaCl2 o ściśle określonym stopniu rozdrobnienia, a podczas
reakcji konieczne jest dokładne przestrzeganie ustalonego sposobu
kilkukrotnego mieszania roztworu. Ten etap metody postanowiono
zmodyfikować, opierając się na wynikach badań, w których
autorzy zastosowali roztwór chlorku baru oraz detergentu Tween
80 (stabilizator zawiesiny BaSO4) zamiast stałego chlorku baru
i gumy arabskiej11).
Dr inż. Grzegorz Kulczycki w roku 1987
ukończył studia na Wydziale Rolniczym
Akademii Rolniczej we Wrocławiu. Jest adiunktem w Katedrze Żywienia Roślin Uniwersytetu
Przyrodniczego we Wrocławiu. Specjalność
– chemia rolna.
* Autor do korespondencji:
Katedra Żywienia Roślin, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu,
ul. Grunwaldzka 53, 53-357 Wrocław, tel.: (71) 320-56-54, fax: (71) 320-56-05,
e-mail: [email protected]
91/5(2012)
Część doświadczalna
Badania wstępne (metodyczne)
Stosowano: kwas azotowy, kwas solny, kwas fosforowy, kwas octowy, azotan magnezu, siarczan magnezu oraz chlorek baru w postaci
BaCl2·2H2O (wszystkie cz.d.a., prod. POCH).
Doświadczenia wstępne wykonano, stosując roztwory wzorcowe
siarki o stężeniach w zakresie 0–30 µg/cm3 S-SO4 sporządzone
z MgSO4. Każdy z roztworów zawierał ponadto Mg(NO3)2 w stężeniu
0,09 mol/dm3 oraz mieszaninę kwasów lub 2,5% HNO3 albo 2,5% HCl.
Stężenia kwasów w mieszaninie wynosiły: HNO3 2,5%, H3PO4 1,7%
i CH3COOH 5%.
Odczynnik barowy sporządzono w dwóch wariantach; 1 dm3
odczynnika zawierał 40 g BaCl2·2H2O oraz 200 cm3 Tween 80 (Merck)
lub 0,05% gumy arabskiej (POCH).
Zawiesinę BaSO4 uzyskiwano przez zmieszanie 3 cm3 roztworu
wzorcowego i 1 cm3 odczynnika barowego. Z częstotliwością jednominutową mierzono absorbancję powstającej zawiesiny BaSO4, stosując
spektrofotometr UV-VIS Evolution 600 ze zmieniaczem kuwet.
Badania wegetacyjne
Materiał roślinny i glebowy użyty do testowania metod oznaczania siarki ogólnej pochodził z doświadczenia wazonowego, w którym uprawiano gorczycę białą. Rośliny nawożono doglebowo siarką
siarczanową oraz elementarną w dawce 300 mg na wazon (5 kg
gleby). Siarkę siarczanową stosowano w postaci siarczanu amonu,
siarczanu potasu oraz uwodnionego siarczanu wapnia. Użyta siarka
elementarna miała średnicę ziaren poniżej 0,1, 0,1–0,5 lub powyżej
0,5 mm. Zastosowano także granulowaną formę tego pierwiastka
w postaci nawozu Wigor-S (Siarkopol Tarnobrzeg). Doświadczenie
prowadzono w czterech powtórzeniach, a rośliny uprawiano do
ich dojrzałości pełnej. W uzyskanym materiale roślinnym (nasiona
i słoma) oraz w glebie pobranej po zakończeniu wegetacji roślin
oznaczono zawartość siarki ogólnej metodą Buttersa i Chenery`ego
oraz metodą zmodyfikowaną.
Oznaczanie siarki w materiale roślinnym metodą zmodyfikowaną polegało na mineralizacji próbki przy zastosowaniu HNO3
i Mg(NO3)29), a następnie rozpuszczeniu pozostałości w 5 cm3 25-proc.
HNO3 (metoda zmodyfikowana – HNO3) lub w 5 cm3 25-proc. HCl
(metoda zmodyfikowana – HCl) i rozcieńczeniu do objętości 50 cm3.
Z uzyskanego roztworu pobierano 3 cm3 i mieszano z 1 cm3 odczynnika
barowego zawierającego Tween 80. Po 30 min oznaczano absorbancję
powstałej zawiesiny BaSO4 przy długości fali 400 nm. Zawartość siarki
odczytywano z krzywej wzorcowej sporządzonej dla stężeń w zakresie
0–30 µg/cm3 S-SO4.
Oznaczanie siarki w glebie metodą zmodyfikowaną polegało
na mineralizacji próbki przy zastosowaniu Mg(NO3)29), a następnie
rozpuszczeniu pozostałości w 5 cm3 31-proc. HNO3 i rozcieńczeniu
do objętości 50 cm3. Z uzyskanego roztworu pobierano 3 cm3
i mieszano z 1 cm3 odczynnika barowego zawierającego Tween 80.
Po 30 min oznaczano absorbancję powstałej zawiesiny BaSO4 przy
długości fali 400 nm, a zawartość siarki odczytywano z krzywej
wzorcowej.
Uzyskane wyniki poddano analizie statystycznej (Anova), stosując
program Statistica 10.
utrzymywało się ono na stałym poziomie. Zakwaszenie środowiska
istotnie zmniejszało szybkość powstawania BaSO4. Przy najmniejszym
stężeniu jonów siarczanowych największą wartość absorbancji zawiesiny osiągano dopiero po ok. 100 min. Wraz ze wzrostem stężenia
jonów siarczanowych siarczan baru wytrącał się szybciej, a wartość
absorbancji stabilizowała się po ok. 30 min.
Wpływ rodzaju kwasu na powstawanie zawiesiny siarczanu baru
przedstawiono na rys. 2. Kwas azotowy w stężeniu 2,5% znacznie
spowalniał powstawanie siarczanu baru przy najmniejszych stężeniach
jonów siarczanowych. Takiego efektu nie obserwowano, gdy wytrącenie BaSO4 przeprowadzono w obecności 2,5% HCl. Przy większych
stężeniach jonów siarczanowych szybkość powstawania zawiesiny
prawie nie zależała od rodzaju kwasu. Jednak maksymalne wartości
absorbancji zawiesiny były większe, gdy w roztworze był obecny kwas
azotowy. Natomiast obecność kwasu solnego wpływała stabilizująco
na stopień zmętnienia zawiesiny.
Wpływ rodzaju stabilizatora na powstawanie zawiesiny siarczanu
baru przedstawiono na rys. 3. Stabilność zawiesiny siarczanu baru
powstałej przy najniższym stężeniu jonów siarczanowych była niezależna od rodzaju stabilizatora. Przy największym stężeniu jonów
siarczanowych detergent Tween 80 silniej stabilizował absorbancję
zawiesiny w porównaniu z gumą arabską.
Czas, min
Rys. 1. Wpływ stężenia jonów siarczanowych i dodatku kwasów na zmętnienie zawiesiny BaSO4 (mieszanina kwasów: 2,5% HNO3, 1,7% H3PO4,
5% CH3COOH)
Fig. 1. Effect of addition of sulfate ions and acids on turbidity of BaSO4 suspension (acids – 2.5% HNO3, 1.7% H3PO4, 5% CH3COOH)
Omówienie wyników
Wyniki badań wpływu obecności mieszaniny kwasów na powstawanie zawiesiny BaSO4 przedstawiono na rys. 1. W przypadku braku
kwasów siarczan baru wytrąca się bardzo szybko. Już po 5 min przy
największym stężeniu siarczanów wartość absorbancji zawiesiny
osiągała maksimum, jednak w miarę upływu czasu dość szybko
malała. Przy stężeniu 6 µg/cm3 S-SO4 proces wytrącania był znacznie
wolniejszy, a maksimum absorpcji osiągano po 20 min; dość długo
91/5(2012)
Czas, min
Rys. 2. Wpływ stężenia jonów siarczanowych, HNO3 i HCl na zmętnienie
zawiesiny BaSO4
Fig. 2. Effect of addition of sulfate ions and acids on turbidity of BaSO4 suspension
689
Czas, min
Rys. 3. Wpływ stężenia jonów siarczanowych i dodatku stabilizatora na
zmętnienie zawiesiny BaSO4
Fig. 3. Effect of addition of sulfate ions and stabilizer on turbidity of BaSO4
Zawartość siarki ogólnej w gorczycy zależała od rodzaju stosowanych związków siarki
oraz stopnia rozdrobnienia siarki elementarnej.
Zróżnicowane nawożenie siarką wpłynęło na
uzyskanie materiału analitycznego o znacznej
różnicy zawartości siarki (nasiona 1,24% S,
słoma 0,37% S), co umożliwiło porównanie
badanych metod przy różnych zawartościach tego
pierwiastka w roślinach.
Średnia międzyobiektowa zawartość siarki w nasionach gorczycy wynosiła ok. 1,17%
(rys. 4). Przeprowadzona analiza statystyczna
nie wykazała istotnych różnic między wartościami średniej uzyskanymi stosowanymi metodami. Średnia międzyobiektowa zawartość siarki
w słomie gorczycy wynosiła ok. 0,28% (rys. 5).
Przeprowadzona analiza statystyczna nie wykazała istotnych różnic między wartościami średniej
uzyskanymi stosowanymi metodami. Średnia międzyobiektowa zawartość siarki oznaczona metodą
Buttersa i Chenery`ego wynosiła 14,5 mg S/100 g
gleby (rys. 6). Dla metody zmodyfikowanej wartość średniej była znacznie większa i wynosiła
25,4 mg S/100 g gleby.
W celu weryfikacji obu metod wykonano oznaczenia zawartości siarki w glebie przy zastosowaniu
analizatora LECO. Uzyskane wyniki przedstawiono
w tabeli. Wyniki uzyskane metodą zmodyfikowaną były zbieżne z tymi, które otrzymano przy
zastosowaniu analizatora siarki. Natomiast wartości
uzyskane metodą Buttersa i Chenery`ego były o ok.
50% mniejsze.
absorbancji zawiesiny powstałej w obecności kwasu azotowego
są większe, ale obecność kwasu solnego wpływa stabilizująco
na trwałość zawiesiny siarczanu baru. Nie bez znaczenia jest
również łatwiejsze rozpuszczanie w roztworze kwasu solnego
osadu uzyskiwanego po mineralizacji materiału roślinnego.
Możliwość zamiany kwasu azotowego na kwas solny potwierdza
analiza statystyczna uzyskanych wyników, która wskazuje, że
rezultaty otrzymane metodą Buttersa i Chenery`ego oraz metodą
zmodyfikowaną nie różnią się istotnie od siebie. Zastosowanie
odczynnika barowego zawierającego detergent Tween 80 istotnie
upraszcza etap uzyskiwania stabilnej zawiesiny siarczanu baru
i znacznie skraca czas wykonania analizy.
Metoda Buttersa i Chenery’ego oznaczania siarki w glebie
wymaga w końcowym etapie mineralizacji użycia 31-proc. roztworu
kwasu azotowego, którego zadaniem jest utlenienie związków siarki.
Z tej przyczyny nie jest możliwa jego zamiana na kwas solny, jak
miało to miejsce w przypadku materiału roślinnego. Konieczność
stosowania podwyższonego stężenia kwasu azotowego powoduje,
że osad siarczanu baru po dodaniu odczynnika barowego wytrąca
się trudniej. Dlatego też, gdy stężenie siarki w roztworze jest
3
)
Rys. 4. Średnia zawartość siarki w nasionach gorczycy oznaczana różnymi metodami
Fig. 4. Average amount of sulfur in mustard seeds determined by various methods
Podsumowanie
Przeprowadzone badania wykazały, że w przypadku oznaczania siarki w materiale roślinnym
kwasy fosforowy i octowy nie są konieczne, jeżeli do wytrącania BaSO4 używa się odczynnika
barowego. W metodzie Buttersa i Chenery`ego
zastosowanie tych kwasów wynikało z ich pozytywnego wpływu na rozpuszczalność stałego
BaCl29). Do roztwarzania pozostałości po mineralizacji materiału roślinnego można z powodzeniem zastosować roztwór kwasu solnego
zamiast kwasu azotowego. Co prawda wartości
690
3
)
Rys. 5. Średnia zawartość siarki w słomie gorczycy oznaczana różnymi metodami
Fig. 5. Average amount of sulfur in mustard plants determined by various methods
91/5(2012)
3. S. Wężyk, Wiad. Rol. Polska 2010, Amoniak w kurniku [online], http://
drobiowego. Przeprowadzone w różnych wariantach ilościowych
www.wrp.p/Indhold/sider/show_article-7/default.aspx?id=8489 (dostęp
doświadczenia pozwoliły na ustalenie optymalnych proporcji dodat20.07.2010; godz. 15:45).
ków. Najlepsze efekty uzyskano przy zastosowaniu kombinacji pomiot:
4. T. Barowicz, Wiad. Rol. Polska 2009, 9, nr 61, 15.
mineralizat 5:1 oraz pomiot:mineralizat:węgiel brunatny 5:1:5 i 1:1:4.
5. A. Wójcik, Hodowca Trzody Chlewnej 2008, 57, nr 4, 175.
6. J. Mroczek, Zesz. Nauk. Południowo-Wschodniego Oddziału Polskiego
Testy kolejności par Wilcoxona przeprowadzone osobno dla ubytku
Towarzystwa Inżynierii Ekologicznej z siedzibą w Rzeszowie 2006, 7, 63.
masy, strat azotu amonowego i azotu całkowitego dowiodły, że różnice
7. M. Ferm, T. Marcinkowski, M. Kieronczyk, S. Pietrzak, Atmos. Environ.
między wynikami uzyskanymi w 7. i 14. dniu są istotne statystycznie.
2005, 39, 7106.
8. X. Hao, C. Chang, H. Henry Janzen, B.R. Hill, T. Ormann, Agric. Ecosyst.
Stanowi to przesłankę do przedłużenia czasu prowadzenia tych
Environ. 2005, 110, 185.
doświadczeń do momentu, kiedy różnice te przestaną być znaczące.
9. M. Guz, L. Guz, Annales 2005, 60, 21.
Amoniak emitowany z próbek pomiotu z dodatkiem wybranych
10. N. Anderson, R. Strader, C. Davidson, Environ. Int. 2003, 29, 277.
substancji stanowił 15–85% całkowitej emisji azotu. Dowodzi to, że
11. L. Mardarowicz, Amoniak wciąż jest groźny,
http://www.mardar.pl/amoniak2.html (17.08.2010; 10:00)
azot był tracony także w innych niż amonowa formach. Celowe jest
12. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada
więc prowadzenie dalszych badań, które pozwolą określić straty bądź
2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynniRys.
6. Średniapracy
zawartość
w nr
glebie
zmiany innych czynnych form azotu oraz sprawdzić, czy w wyniku
ków szkodliwych dla zdrowia
w środowisku
Dz.U. zsiarki
2002 r.,
217,
oznaczana różnymi metodami
poz. 1833.
zastosowania wybranych dodatków nie dochodzi do emisji innych
13. Obwieszczenie MarszałkaFig.
Sejmu
Rzeczypospolitej
Polskiej
dnia
6. Average
amount of sulfur
in soilz deterniepożądanych związków, np. CO2, CH4, H2S, SOx. Modyfikowany
21 maja 2003 r. w sprawie ogłoszenia
jednolitego
tekstu ustawy o ochromined by various
methods
badanymi substancjami pomiot jest potencjalnym surowcem do wytwanie zwierząt Dz.U. z 2003 r., nr 106, poz. 1002.
rzania nawozu mineralno-organicznego.
14. K. Jankowska, Hodowca Trzody Chlewnej 2009, 112, nr 4, 97.
Metoda Buttersa i Chenery’ego Metoda zmodyfikowana
Otrzymano: 04-03-2011
Tabela. Średnia zawartość siarki w glebie oznaczana różnymi metodami,
Badania
wykonano w ramach Projektu Rozwojowego Nr N R05
mg/100
g
0008
Table.06/2009.
Average
mg/100 g
amount of sulfur in soil determined by various methods,
LITERATURA
Metoda
Metoda
Analizator
Buttersa
1. D. Sikorska, Zesz. Nauk. Akademii Rolniczej
we Wrocławiu
2006,
zmodyfikowana
siarki LECO
i Chenery`ego
Rolnictwo LXXXVII, nr 540,
439.
Obiekt
2. J. Mroczek, J. Kostecka, Zesz. Nauk. Południowo-Wschodniego Oddziału
z siedzibą w Rzeszowie
BezPolskiego
siarki Towarzystwa Inżynierii
11,0 Ekologicznej27,7
25,5
2008, 10, 79.
Siarka elementarna
<0,1 mm
14,0
25,4
26,2
Wigor – S
14,0
26,1
27,8
CaSO4 ·2H2O
15,0
27,7
29,2
15. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 lipca 2002 r. w sprawie
rodzajów instalacji mogących powodować znaczne zanieczyszczenie
3
S-SO4 przyrodniczych
osad BaSO4 praktycznie
nie wytrąca
się.
mniejsze
niż 6 mg/cm
poszczególnych
elementów
albo środowiska
jako całości Dz.U. z 2002
nr 122, poz.
1055.być dodatek do badanych próbek
Rozwiązaniem
tegor., problemu
może
16.
J.L. ilości
Jugowar,
Aktualne
kierunki
11)
znanej
siarczanu
potasu
. badań nad redukcją gazów i odorów
z budynków inwentarskich, Ekspertyza www.agengpol.pl (10.11.2010;
Otrzymano: 13-03-2012
12:15)
17. J.L. Jugowar, R. Myczko, T. Kołodziejczyk, Acta Agrophys. 2007, 150, nr
4, 90.
18.
R. Myczko, Probl. Inż. Roln. 2006, 1, 135.
LITERATURA
19.
Zgł.
Pat. Pol.
P-393
752 (2011).
1. A. Kaczor,
M.S.
Brodowska,
Proc. ECOpole 2008, 2, 191.
20.
H.
Z. Dobrzański,
M.i Nawożenie
Artmańska, 2003,
M. Barańska,
Przygocka-Cyna,
2. W.Górecki,
Grzebisz,H.K.Górecka,
Nawozy
17, 64. S.
Biegańska
Przem.
Chem.i Nawożenie
2010, 89, nr2004,
4, 360.
3. S. Kalembasa,
Nawozy
18, 106.
21.
Pat.
Pol. 205 666
(2010).
4. P. Lundquist,
J. Mårtensonn,
B. Sörbo, S. Öhman, Clin. Chem. 1980,
26, 1178.
5. M.L. Garrido, Analyst 1964, 89, 61.
6. P.N. Matur, D.D. Dharma, G.L. Jain, Z. Pflanzenernahrung. Bodenk. 1988,
151, 77
7. B. Sörbo, Methods Enzymol. 1987, 143, 3
8. K. Boratyński, A. Grom, M. Ziętecka, Rocz. Glebozn. 1975, 26, 121.
9. B. Butters, E.M. Chenery, Analyst 1959, 84, 239.
10. A. Ostrowska, S. Gawliński, Z. Szczubiałka, Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin, IOŚ, Warszawa 1991 r.
11. B.F. Quin, P.H. Woods, Commun. Soil Sci. Plant Anal. 1976, 7, 415.