Тест-определение содержания подвижных форм железа (III) в почве

XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Тест-определение содержания подвижных форм железа (III) в почве

Быкова П.К. 1Сорокин Я.М. 1Стребкова А.С. 1
1ОГАОУ «Шуховский лицей» Белгородской области
Бочарова О.Н. 1
1ОГАОУ «Шуховский лицей» Белгородской области
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
     

Введение

Железо очень важно для растений и является основным металлом внутри них. Некоторые учёные даже относят железо к макроэлементам. Фотосинтез и дыхание являются основными процессами, в которых участвует железо внутри растения. Так как железу отведена главная роль в синтезе хлорофилла, его недостаток будет сказываться в первую очередь на молодых листьях в виде проявления межжилкового хлороза. Также железо активно участвует в преобразовании нитратного азота до аммонийного внутри растения, то есть при его нехватке часть нитратной формы будет накапливаться внутри растения и не будет переходить в белок, что в конечном итоге скажется на будущем урожае.

В почве большое количество железа, находящегося в недоступной форме в составе различных минералов. Здесь в ионной форме находится трёхвалентное и двухвалентное железо, но растения питаются только двухвалентным железом. В почве двухвалентное железо способно окисляться до трёхвалентного, поэтому окисление железа является основной причиной того, что в грунте его чаще всего не хватает.

Степень доступности железа зависит от водородных показателей почвы. Оптимальный диапазон, при котором максимально усваивается железо - от четырёх до шести с половиной. Кислотность почвы влияет на растворимость трёхвалентного железа. Чем она ниже, тем лучше растворимо трёхвалентное железо. В очень кислых почвах может наблюдаться даже избыточное потребление железа. Избыток железа в растении, так же как и его недостаток, будут пагубно влиять на его развитие. При водородном показателе почвы, превышающем отметку шесть с половиной, растворимость железа очень сильно падает, что приводит к хлорозу у молодых листьев и недостатку железа в растении.

Х лороз листьев

При малом количестве двухвалентного железа корневая система растений выделяет в почву ионы водорода, либо же органические кислоты, тем самым улучшая растворимость трёхвалентного железа. После этого в грунте происходит процесс хелатирования, в результате которого трёхвалентное железо в виде хелата поступает на поверхность корневой системы. На поверхности корневой системы хелат трёхвалентного железа преобразуется до хелата двухвалентного железа, после чего двухвалентное железо отделяется от хелатирующего вещества и попадает внутрь корневой системы.

Актуальность

Регулярный контроль содержания железа в почве необходим для своевременной коррекции его уровня и повышения урожайности. Существующие методы не подходят для проверки в полевых условиях.

Цель

Разработать простую и эффективную тест-систему для анализа подвижных форм Fe3+.

Гипотеза

Разработанная тест-система будет обладать чувствительностью, сравнимой с лабораторными методами исследования.

Задачи

  • Изучить уже существующие приборы и тест-системы

  • Выбрать качественные реактивы на Fe3+

  • Найти определяемый диапазон концентраций железа для тест-системы (визуально и количественно)

  • Проверить мою тест-систему на образцах разных видов почвы

  • Сравнить результат полученной тест-системы со спектрофотометрическими данными

  • Сравнить тест-систему с аналогами

Методы определения железа в почвах

Для количественного определения общего содержания железа в растворах, полученных при разложении почв, могут быть использованы разнообразные методы. Широко применяют атомно-абсорбционную спектроскопию, фотометрические методы и комплексонометрическое титрование.

Имеющиеся тест-системы

  • U HE Fe

  • Ecvols Fe

  • Тест-система Сhristmas

Создание тест-системы

Мы изучили различные ресурсы и, проанализировав доступные тест-системы, решили создать свою тест-систему с помощью аналитического сигнала в виде окрашивания индикаторных полосок.

Существует несколько возможных реактивов, которые при реакции с железом способны дать изменение цвета. Среди них - красная кровяная соль (K3[Fe(CN)₆]), роданид аммония (NH4SCN) и жёлтая кровяная соль (K₄[Fe(CN)₆]).

При реакции красной кровяной соли с железом образуется турнбулева синь (соль синего цвета):

FeSO4 + K3[Fe(CN)₆] =KFe[Fe(CN)6]+ K2SO4

При реакции жёлтой кровяной соли с железом образуется берлинская лазурь (соль синего цвета):

FeCl3 + K4[Fe(CN)₆] =KFe[Fe(CN)6]+ 3KCl

При реакции роданида аммония с железом образуется роданид железа III (соль красного цвета):

FeCl3+3NH4SCN= Fe(SCN)3+3NH4Cl

Одной из самой популярных и известных тест-систем являются лакмусовые полоски. Именно их концепт мы решили взять за основу.

Мы взвесили каждую соль (по 0.1 моль каждого вещества) и добавили по 200 мл дистиллированной воды. Получили растворы по 0.5 моль.

Затем нарезали фильтровую бумагу на небольшие полоски. Их мы замочили в полученных растворах, а затем поместили в сушильный шкаф на 10 минут до полного высыхания. Так мы изготовили свою тест-систему.

Определение диапазона

Далее мы создали тестовые пробы и проверили, какими будут оттенки цветов при разной концентрации железа, а также нашли определяемый диапазон. Мы взяли FeCl3 ( Fe3+ ) для проверки жёлтой кровяной соли и роданида аммония, а FeSO4 (Fe2+) - для проверки красной кровяной соли.

Всего было взято 13 проб.

№

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Концентрация Fe, мМ

500

250

100

50

25

10

5

2,5

1

0,5

0,25

0,01

0,05

Концентрация Fe, мг/мл

28

14

5.6

2,8

1,4

0,56

0,28

0,14

0,056

0,028

0,014

0,0056

0,0028

После этого на свою тест-систему мы добавили по капле каждой пробы, в результате чего произошло окрашивание фильтровой бумаги.

Красная кровяная соль Роданид аммония Жёлтая кровяная соль

Теперь можно заметить, что окрас есть только у проб 1-10, значит минимальное количество железа, которое может обнаружить моя тест система, равно 0.028мг/мл.

Также было замечено, что 1-5 пробы не имеют визуального отличия по оттенку, значит 1.4 мг/мл - это максимальное количество железа, которое может обнаружить наша тест-система.

В итоге, мы нашли определяемый диапазон нашей тест-системы.

Он составляет 0.0005-0.25моль/л (0.028-1.4мг/мл).

Сравнение тест-систем

Человеческому глазу не всегда удаётся различать оттенки цветов. Поэтому мы решили разложить их на спектры при помощи приложения «CameraRGBColorPicker». Мы замерили цвет каждой пробы, которые вошли в диапазон нашей тест-системы, изучили их значения и построили зависимость концентрации от длины волны. Далее мы ввели полученные значения в Exsel и при помощи встроенных формул рассчитали зависимость концентрации от длины волны.

Мы решили сравнить полученные нами 3 тест-системы и определить, какая из них лучше всего подходит для определения железа в почве.

Для этого мы проверили, какие ионы металлов могут помешать определению.

  • Жёлтая кровяная соль

В тест-системе с жёлтой кровяной солью железу могут помешать 6 металлов:

Zn, Ca, Ba, Ag, Cu, Hg.

Р астворы желтой кровяной соли с металлами

Р астворы жёлтой кровяной соли с металлами с добавлением раствора железа

При RGB-методе мы получили значения, по которым построили график, где показания Х и У - это зависимость концентрации от длины волны, а R - погрешность вычислений для данной тест-системы (она варьируется от 0.77 до 0.87).

  • Роданид аммония

Роданид аммония может реагировать с Cu и Ag, что может мешать определению железа.

Р астворы роданида аммония с металлами

Растворы роданида аммония с металлами добавлением железа

RGB-метод (R - погрешность вычислений, которая составляет 0,98):

  • Красная кровяная соль

Определению железа могут помешать 6 металлов: Zn, Ca, Ba, Ag, Cu, Hg

Р астворы красной кровяной соли с металлами

Растворы красной кровяной соли с металлами с добавлением железа

R GB-метод (погрешность - от 0.87 до 0.95):

И сходя из полученных результатов, мы решили взять за основу тест-системы роданид аммония. У него лучше всего визуально отличимы оттенки цветов, наименьшая погрешность при RGB-методе, а также ему мешает наименьшее количество металлов, при этом содержание Cu и Ag в почве в сотни раз меньше, чем железа, поэтому на определение железа в почве они не влияют. Мы создали цветовую таблицу для более быстрого определения концентрации железа.

Проверка тест-системы

Изучив различные источники, мы узнали, что ионы железа можно получить с помощью серной кислоты. Так, по ГОСТу 27395-87, мы подготовили раствор 0.1М кислоты.

Заливаем по 1 г торфяной почвы и чернозема 10 г серной кислоты. Перемешиваем растворы и оставляем на 10 минут. После этого с помощью воронки и фильтровой бумаги фильтрую растворы и получаем почвенные вытяжки.

Теперь с помощью пипетки Пастера возьмём 1 каплю и нанесём на тест-систему.

Соотнеся индикаторную полоску с цветовой таблицей, можно визуально определить концентрацию железа. У нас получилось ≈56мг/л у торфяной почвы и 1400мг/л у чернозема

При RGB-методе мы брали показания синей и зелёной волн, так как на графике они имеют больший угол наклона, следовательно, погрешность будет меньше. Рассчитываем по формуле, где Y - значение длины волны:

Получаем значение 70.47мг/л и 983.34мг/л.

Вычисление погрешности тест-системы

Для определения погрешности нам потребовалось проверить показания железа при помощи уже имеющихся методов.

Один из таких - спектрофотометрия. Сначала мы настроили калибровку прибора. Для этого мы приготовили растворы FeCl3. Затем добавили в

исследуемые растворы сульфосалициловую кислоту и аммиак. При реакции образовался сульфосалицилат железа III:

Полученный раствор мы поместили в спектрофотометр и на волне 430 нм высчитали показания. Мы брали волну 430 нм, так как это максимум светопоглощения у жёлтого цвета.

Полученные результаты мы также ввели в Exsel и построили зависимость концентрации от оптической плотности.

Далее в выжимку исследуемой почвы мы добавили сульфосалициловую кислоту и аммиак и также провели спектрофотометрическое определение железа. В результате получаем оптическую плотность 0.068 (75.54 мг/л) и 0.834 (914.66мг/л).

Следовательно, погрешность нашей тест-системы составляет:

(75.54-70.47)/75.54*100%=5.07/0.7554= 6,7% - на образце торфяной почвы

(983.34-914.66)/983.34*100%=68.68/9.8334= 6.9% - на образце чернозема

Создание набора

После проведённых нами исследований мы сможем создать свой полевой набор. В него входят: 2 мерных стакана, 1 воронка, фильтровая бумага, 5 контрольных проб, раствор серной кислоты, пипетка Пастера, инструкция(в конце работы (Литература 8) и в наборе).

Расчет цены

130 руб - фильтровая бумага1

350 руб - мерные стаканы и воронка2

170 руб - раствор серной кислоты3

5 руб - пипетка Пастера4

30 руб - роданид аммония5

Себестоимость - 685 руб С наценкой - 850 руб

Сравнение нашей тест-системы с аналогами

 

UHE

Ecvols

Christmas

Наша тест-система

Предназначение

Вода

Почва

Кол-во тестов

100

50

100

100

Времязатратность, сек

3600

600

5-10

300

Цена, руб

500

3600

700

850

Диапазон концентрации, мг/л

0-2

0-10

30-1000

28-1400

Мы считаем, что наша тест-система - отличный конкурент для остальных.

Во-первых, на данный момент это единственная тест-система для определения железа в почве.

Во-вторых, при исследовании с помощью RGB-метода показания имеют погрешность всего в 7%.

В-третьих, разработанная тест-система является достаточно бюджетной по стоимости.

Заключение

Железо действительно очень важно для растений, ведь оно является одним из основных элементом внутри них. Оно участвует в метаболических процессах, включая дыхание и синтез белков, является важным компонентом клеточных стенок, необходимо для синтеза хлорофилла

В ходе нашей работы мы узнали о важности железа для растений, способах его нахождения в почве, изучили различные источники и существующие методы и тест-системы для определения железа III.

Также мы нашли информацию о различных реактивах, при помощи которых можно в полевых условиях найти концентрацию железа в почве. Мы провели различные опыты и определили самый лучший вариант, который является наиболее бюджетным и качественным из всех рассматриваемых.

В результате проведённой работы нам удалось создать свою тест систему, которую мы назвали «РодаТест», и изготовить тестовый набор.

  • Получена тест-система на подвижные формы Fe3+ с использованием 0.5М роданида аммония

  • Установлен определяемый диапазон концентраций железа визуально (цветовая шкала) и с помощью приложения (RGB)

  • Ионы других металлов не мешают анализу железа (III)

  • При сравнении результатов с использованием нашей тест-системы и спектрофотометра на реальном образце, погрешность составила 7%. Ионы других металлов не мешают анализу железа

  • Предложен тестовый набор для коммерческой реализации

  • Гипотеза подтвердилась

Литература

  1. Афанасьев Р. А., Мамонтов В. Г., Борисова Д. В., Кузелев М. М., Байкалова Ю. С. О методах определения доступного растениям железа в почвах // Плодородие. 2010.

№6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/o-metodah-opredeleniya-dostupnogo-rasteniyam-zheleza-v-pochvah (дата обращения: 23.11.2024).

  1. Иванищев Виктор Васильевич Доступность железа в почве и его влияние на рост и развитие растений

// Известия ТулГУ. Естественные науки. 2019. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/dostupnost-zheleza-v-pochve-i-ego-vliyanie-na-rost-i-razvitie-rasteniy (дата обращения: 23.11.2024).

  1. Вернигора Александр Николаевич, Волкова Наталия Валентиновна, Гуськова

Екатерина Николаевна Одновременное спектрофотометрическое определение меди (II) и железа (III) при совместном присутствии в виде комплексов с сульфосалициловой кислотой // Вестник ПензГУ. 2017. №2 (17). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/odnovremennoe-spektrofotometricheskoe-opredelenie-medi-ii-i-zheleza-iii-pri-sovmestnom-prisutstvii-v-vide-kompleksov-s (дата обращения: 31.01.2025).

4. Ревинская Е. В. Тест-методы в полевом анализе 2005.

https://repo.ssau.ru/bitstream/Uchebnye-izdaniya/Testmetody-v-polevom-analize-Elektronnyi-resurs-praktikum-74326/1/%D0%A0%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F%20%D0%95.%20%D0%92.%20%D0%A2%D0%B5%D1%81%D1%82-%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D1%8B%20%D0%B2%20%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%BC%20%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B5%202005.pdf (дата обращения: 31.01.2025).

  1. ГОСТ

Источник: https://ohranatruda.ru/upload/iblock/13e/4294827284.pdf

  1. Тест системы:

1)https://uhe.su/uhe-fe-test?ysclid=m4tvjy5bqf743044130

2)https://www.vseinstrumenti.ru/product/test-sistema-ecvols-fe-dlya-opredeleniya-soderzhaniya

3)https://christmasplus.ru/catalog/oborudovanie_dlya_analiza_vody/test_sistemy_dlya_analiza_vody/t

7. Закупка материалов:

1) https://www.ozon.ru/product/ammoniy-rodanistyy-1-kg-864186164/

2)https://catrosa.ru/catalog/product/sernaya_kislota_0_1_mol_l_0_2n_titrovannyy_r_r_panreac_1

3)https://www.ozon.ru/product/mernyy-stakan-30-ml-bez-nosika-emkost-s-deleniyami-meditsinskiy-laboratornyy-kuhonnyy

4)https://www.ozon.ru/product/filtry-diametr-90-mm-krasnaya-lenta-marka-fb-bystroy-filtratsii-nabor-100-shr

5)https://www.ozon.ru/product/ammoniy-rodanistyy-1-kg-864186164/?__rr=1

8. Инструкция- https://disk.yandex.ru/i/eoTpg37cEgr51Q

     
Просмотров работы: 32