Современные методы химического анализа поливной воды

Введение
Вода является необходимым компонентом для всех физиологических процессов, происходящих в растении: фотосинтеза, движения органических соединений, поглощения минералов в виде почвенных растворов. Температуру растений регулирует воды путем испарения с поверхности листьев.
Растения состоят из воды и сухого вещества (все остальные твердые частицы), а вода в растениях составляет не менее 80%, но даже такого высокого содержания влаги недостаточно для поддержания жизни, поэтому важен процесс ее получения извне. Растения используют воду для метаболического и физиологического функционирования.
Химические реакции у растений происходят только в растворах, основная часть которых - вода. Растение угасает, если не получает нужного количества воды. Оно теряет эластичность тканей. Это связано с тем, что недостаток влаги заставляет его концентрировать все жизненно важные силы внутри (в корневой системе), не переводя его в листву и плоды. Растение погибает, если не имеет возможности получить питательные вещества и доставить их к месту назначения.
Но на жизнедеятельность растений влияет не только количество, но и качество воды, снабжаемой поливом. Правильное функционирование ирригационных систем также зависит от химического и физического состава воды [2].
Качество и состав воды имеют первостепенное значение при любом способе культивирования. Вода может содержать примеси, которые ограничивают орошение, подачу питательных веществ и эффективное управление с точки зрения борьбы с патогенами.
Заявление о том, что любая вода является источником только благоприятных факторов для растений и их здоровья, является опасным заблуждением. Ученые неоднократно подсчитывали уровень физического, химического и микробиологического загрязнения в воде. Исследования подчеркивают важность постоянного мониторинга и контроля качества воды, что привело к разработке ряда руководящих принципов эффективного управления орошением растений.
1 Характеристики воды
Чистая вода состоит из равных частей иона водорода (Н+) и гидроксильного иона (OH-) и ничего другого. Баланс ионов Н+ и ОН– создает нейтральный pH = 7. Чистая вода не содержит микроорганизмов, патогенов, минералов и других примесей. В нашем мире сегодня источников чистой воды мало, поэтому те, кто выращивает урожай, должны постоянно следить за его качеством.
При выращивании растений ключевой и отправной точкой является использование чистой воды, что гарантирует отсутствие загрязнения, ограничивающего рост растений и негативно влияющего на составляющие элементы питательного раствора.
Почему использование чистого источника воды предпочтительнее?
- отсутствие лишних ионов, которые могут нарушить оптимальное соотношение питательных веществ после их смешивания. Ионы, такие как натрий, присутствующие в воде, ограничивают потребление растениями важных элементов, таких как калий. Если в питательный раствор перед удалением натрия добавить другие удобрения, это может привести к слишком высокому естественному созреванию и накоплению токсических уровней этого элемента в растениях из-за высокого содержания соли и сжечь ткани растений [4].
- отсутствие химических, физических и биологических загрязнителей, которые могут реагировать с другими питательными веществами и выпадать в нерастворимый осадок, недоступный для поглощения растениями, - гарантия эффективной работы поливного оборудования без блокирования осаждения.
- отсутствие элементов, способных нанести биологический вред полезным микроорганизмам, которые находятся в почве или субстрате, или снизить эффективность препаратов на их основе, входящих в программу по защите сельскохозяйственных культур.
- отсутствие патогенов или нерастворимых веществ, которые могут мешать обеззараживанию воды в гидропонных системах.
- отсутствие нежелательных солей, которые могут вызвать повреждение растений, таких как хлорид натрия.
1.1 Источники воды
Различные источники воды используются в сельском хозяйстве. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
Есть три основных источника естественного водоснабжения: дождевая вода, поверхностная вода и грунтовые воды, кроме того, часто используется бытовая вода (водопроводная).
- Дождевая вода: Чаще всего это лучшая вода, используемая для орошения сельскохозяйственных культур. Природный водный цикл (испарение, конденсация, затем осаждение) приводит к образованию чистой воды с незначительными следовыми минералами в результате реакций с атмосферными газами.
- грунтовые воды (ручьи, колодцы, скважины): грунтовые воды могут быть пригодны для садоводства и орошения. Они могут содержать высокие концентрации растворенных минералов, таких как карбонат кальция, особенно если известняк присутствует в почве. В результате рН такой воды может быть высоким. Для оценки уровня содержания минералов целесообразно анализировать присутствующие в воде элементы, особенно для определения уровня соли (хлорида натрия). Грунтовые воды могут также загрязняться из-за выщелачивания материалов поверхностных работ, таких как удаление отходов, сельское хозяйство или промышленная деятельность, поэтому следует проявлять осторожность, если такие производства проводятся в близлежащих районах.
- Бытовые водоснабжение (водопроводная вода): Качество воды, получаемой непосредственно из крана, может быть очень разным и зависит от происхождения воды и способа ее переработки. Обычно эту воду очищают фильтрованием или опреснением, и для нейтрализации патогенов добавляют такие элементы, как хлор или хлорамин. Эти элементы могут замедлять рост и негативно влиять на микробы, которые живут в почве или субстрате.
Качество воды из источника оказывает непосредственное влияние на растворимость, доставку и доступность добавленных питательных элементов для растений

Рисунок 1- Влияние рH почвы на доступность питательных элементов
Лаборатории, специализирующиеся на анализе воды, используют общие методы химического анализа, которые используются в самых разных видах человеческой деятельности. Их список довольно обширен, поэтому приведем только самые известные:
- Органолептические методы: определение характеристик воды с использованием органов чувств. Например, при изучении цвета воды она выливается в прозрачный стеклянный сосуд и цвет оценивается на фоне листа белой бумаги. Если при оценке цвета через водный сосуд лист не является белым, вода загрязнена. Прозрачность определяется видимостью напечатанного шрифта через дно специализированного стеклянного сосуда. Если шрифт не виден, когда уровень воды меньше трех сантиметров, прозрачность недостаточна. Интенсивность запаха лабораторный ассистент оценивает по собственным ощущениям, в баллах.
- Гравиметрия (весовой анализ): один из важнейших методов количественного химического анализа на основе точного измерения массы вещества. Определенный компонент обычно выделяют из анализируемого образца в форме плохо растворимого соединения известного постоянного химического состава. Метод позволяет оценить общую соленость воды, содержание сульфатов и так далее [1].
- Нефелометрия и турбидиметрия: методы количественного химического анализа, основанные на измерении интенсивности света, рассеянного водной пробы и прошедшего через него. Его используют для определения цветности, мутности и присутствия взвешенных частиц.
- Капиллярный электрофорез: способ капиллярного электрофореза основан на разделении компонентов воды в кварцевом капилляре под действием приложенного электрического поля. Частицы различной массы притягиваются к стенкам капилляра через разные промежутки времени, которые регистрируются с помощью специального детектора [4]. Полученные данные позволяют судить о наличии различных катионов и анионов в воде, пестицидах и других экотоксикантах.
- Хроматография: способ анализа, основанный на движении зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы с повторным сорбционным и десорбционным действиями. В этом случае разделенные вещества распределяются между двумя несмешивающимися фазами (в зависимости от их относительной растворимости в каждой фазе): подвижными и неподвижными. Этот метод широко используется для анализа различных органических примесей [1].
- Потенциометрия. Метод определения физико-химических показателей, основанный на измерении электродвижущих сил (ЭДС) обратимых гальванических элементов. Позволяет определять водородный показатель воды (pH), концентрацию фторид-ионов.
- Титриметрия - метод количественного химического анализа, основанный на измерении количества реагента, необходимого для взаимодействия с определенным компонентом в растворе или газовой фазе в соответствии со стехиометрией химической реакции между ними.
- Спектрофотометрия - метод количественного химического анализа, основанный на измерении спектров поглощения в оптической области электромагнитного излучения. Позволяет обнаружить в воде широкий спектр посторонних веществ - например, ионов тяжелых металлов, соединений аммония и так далее [1].
Испытания должны проводиться на проверенном оборудовании, внесенном в Государственный реестр средств измерений. Обычно в лабораториях для анализа химического состава воды используются:
- аналитические весы;
- хроматографы;
- иономеры;
- термореакторы;
- турбидиметры;
- спектрофотометры;
- фотоколориметры;
- система капиллярного электрофореза;
- анализаторы влажности;
- автоматические титраторы;
- термостаты;
В рамках каждого метода химического анализа существует ряд специальных методик, предназначенных именно для работы с водой и зачастую на конкретном оборудовании.
1.2 Основные показатели определяемые в воде воды:
- Жесткость воды: Это вода с богатым минеральным составом, как правило, с повышенным содержанием кальция и магния, который ассоциируется с бикарбонатным комплексом (НСО-3). Наличие в воде данного комплекса приводит к дисбалансу при добавлении других элементов питания. Присутствие кальция увеличивает риск выпадение белого осадка – сульфата кальция (CaSO4), который приводит к засорению и блокировке оросительного оборудования. Получать питательные растворы с использованием жесткой воды возможно, однако необходимо знать точную концентрацию избыточных минералов, присутствующих в не совсем устойчивом растворе [3].
- Соленость: Количество солей, таких как хлорид натрия (NaCl) в почве или воде, что может оказать негативное воздействие на доступность воды для растений и привести к их обезвоживанию. Хотя некоторые из них являются основными питательными веществами растений, их избыток нарушает оптимальное соотношение питательных веществ и приводит к токсичности. Однако это означает, что измерение EC исходной воды даст представление о суммарной концентрации соли, уже присутствующей в ней. Нужно иметь в виду, что если EC исходной воды довольно высока, у вас может возникнуть проблема солености.
- Щелочной индекс: Мера количества бикарбонатов (HCO3-), присутствующих в воде. Бикарбонаты являются щелочным соединением и вызывают рост рН. Данный эффект может быть устранен добавлением кислоты, однако, если бикарбонатов в воде много, они представляют собой очень сильный химический буфер, поэтому достижение нужного уровня рН с целью обеспечения доступности питательных веществ, может быть затруднено. Если вы заметили, что для снижения уровня рН вашего раствора требуется большое количество регулирующего агента, а затем его величина быстро уменьшается, то причина скорее всего кроется в высоком щелочном индексе. Еще одна проблема, вызываемая бикарбонатами, заключается в том, что они часто вызывают блокировку систем орошения. Благодаря этому добавление воды с высокой щелочностью может создать много дополнительных проблем для производителя.
- Na (натрий) является очень опасным при высоком содержании, если такую воду использовать для полива на гидропонике, то его норма содержания в воде не должна превышать  20 ppm (мг/л),  а в открытом грунте  – 50 ppm (мг/л).
- Fe (железо) –      не должно превышать 0,3 ppm (мг/л), если содержание железа выше, это может блокировать системы полива и мешать усвоению другие важных элементов для питания растений.
- Mn (марганец) – не должен превышать 0,05 ppm (мг/л), для него характерны те же проблемы, что и для железа.
- B (бор) является токсичным для чувствительных культур (голубика, персик, вишня, слива, виноград, грецкий орех, бобовые), т.к. уровени его дефицита и токсичности лежат  в достаточно узком диапазоне, его содержание не должно превышать 0,5-1 ppm (мг/л).
- S (сера) может быть повышена, однако она быстро испаряется из почвы и не представляет особых проблем для культур.
- NO3 (нитраты), содержащиеся в поливной воде, следует вычитать из программы внесения рекомендуемого азотного удобрения, чтобы не стимулировать чрезмерный вегетативный рост и минимизировать их вымывание в грунтовые воды.
Преимущества чистой воды обусловлены уменьшением количества загрязняющих веществ, нежелательных минералов и локализацией питательных веществ. Кроме того, если культуры выращиваются в почве, где микробное сообщество жизненно необходимо, использование загрязненной воды может нанести вред и повлиять на содержание в почве органического вещества. Загрязненная вода часто приводит к цепной реакции, которая уменьшает количество питательных веществ, присутствующих в почве и доступных для полезных микроорганизмов.
Независимо от того, какой источник воды вы используете, эксперты сходятся во мнении, что контроль качества воды является ключевым моментом для определения уровня загрязнений и последующей обработки воды для устранения негативных влияний для роста растений.
Заключение
В течение многих лет системы оценки качества вод по различным показателям существовали практически независимо друг от друга, но возросшие требования к охране природных объектов от загрязнения и необходимость сохранения целостности их экосистем диктуют целесообразность использования дополняющих друг друга оценок.
Таким образом, со временем происходит усложнение оценок качества природных вод, использующих в качестве критерия ПДК, от простых оценок по единичным физико-химическим показателям к более сложным интегральным оценкам. Существующие методы оценок разнообразны, часто созданы для решения вполне определенных задач, а следовательно каждый из них имеет в зависимости от своих особенностей ограниченное применение. В связи с этим, по мнению многих специалистов, актуальной задачей является создание системы оценки экологического состояния водных объектов, тесно связанной, прежде всего, с разработкой критериев экологических норм здоровья экосистемы.
Список используемых источников
1. Аналитическая химия. Васильев В.П. Год издания: 1989
2. Охрана окружающей природной среды /И.Н. Липунов [и др.]. Учебное пособие. Екатеринбург: УГЛТА, 2001.- 538 с.
3. Химия загрязняющих веществ и экология : монография / В.Н. Вернигорова, Н.И. Макридин, Ю.А. Соколова, И.Н. Максимова. – М. : Издательство «Палеотип», 2005. – 240 с.
4. Система капиллярного электрофореза. Основа метода. Аппаратура. Примеры использования систем капиллярного электрофореза / под.ред. Н.В. Комаровой. СПб: Петрополис, 2001. С. 65.
5. Лобачев А. Л., Степанова Р. Ф.,Лобачева И. В. Анализ неорганических загрязнителей природных и питьевых вод. Учебное пособие. Издательство «Самарский университет» 2006.- 50 с.