Bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học Vinh Cao Thị thân mến Xác định một số nguyên tố vi lợng và đất hiếm trong đất trồng cam xã đoài xã nghi diên huyện nghi lộc tỉnh nghệ an Luận văn thạc sĩ hóa học Vinh, 2007 Bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học Vinh === === Cao Thị thân mến Xác định một số nguyên tố vi lợng và đất hiếm trong đất trồng cam xã đoài nghi diên - nghi lộc - nghệ an Chuyên ngành: Hóa vô cơ M số: ã 60.44.25 Luận văn thạc sĩ hóa học Ngời hớng dẫn khoa học: TS. nguyễn quốc thắng Vinh, 2007 = = mục lục mở đầu chơng 1: tổng quan 1.1: tầm quan trọng của đất và một số chỉ tiêu dinh duỡng trong đất trồng trọt -------------------------------------------------------------- 1.1.1. tầm quan trọng của đất.---------------------------------------- 1.1.2. một số chỉ tiêu dinh dỡng trong đất.---------------------------- 1. 2. các nguyên tố vi lợng và chức năng sinh lý của nó đối với cây trồng----------------------------------------------------------------- 1.2.1. vai trò chung của các nguyên tố vi lợng----------------------- 1.2.2. dạng tồn tại của đồng, kẽm, molipden, mangan trong đất và chức năng sinh lý của chúng đối với cây trồng-------------- 1.2.2.1. nguyên tố đồng------------------------------------------------ 1.2.2.2. nguyên tố kẽm-------------------------------------------------- 1.2.2.3. nguyên tố môlipden--------------------------------------------- 1.2.2.4. nguyên tố mangan-------------------------------------------------- 1.3: dạng tồn tại của các nguyên tố đất hiếm trong đất và chức năng sinh lý của chúng đối với cây trồng-------------------------- 1.4. các phơng pháp nghiên cứu----------------------------------------- 1.4.1. các phơng pháp chung----------------------------------------------- 1.4.2. phơng pháp chiết trắc quang------------------------------------- 1.4.3. phong pháp phổ phát xạ nguyên tử------------------------------- Chơng 2: thực nghiệm ------------------------- 2.1. Hoá chất và dụng cụ máy móc----------------------------------------- 2.1.1. hoá chất---------------------------------------------------------------- 2.1.2. dụng cụ máy móc,thiết bị thí nghiệm---------------------------- 2 2 2.2. thu và xử lý mẫu------------------------------------------------------ 2.3. quy trình thực nghiệm---------------------------------------------- 2.3.1. pha chế dung dịch cồn cho phân tích-------------------------------- 2.3.2. xác định một số chỉ tiêu chung của đất------------------------------ 2.3.2.1. tổng khoáng của đất----------------------------------------------- 2.3.2.2. độ chua của đất theo phơng pháp kapper--------------------- 2.3.2.3. tổng lợng mùn của đất bằng phơng pháp chiuren----------- 2.3.2.4. dung tích hấp thụ của đat bàng phơng pháp complexon--- 2.3.3. xác định hàm lợng di động của: Cu, Zn, Mn, Mo bằng phơng pháp trắc quang----------------------------------------------------- 2.3.3.1. các yếu tố ảnh hởng đến phép xác định Cu, Zn, Mn, Mo---. 2.3.3.2. xây dựng đờng chuẩn của các nguyên tố : Cu, Zn, Mn, Mo-. 2.3.3.3. phân tích định lợng : Cu, Zn, Mn, Mo trong các mẫu đất----. 2.3.4. xác định tổng số vi lợng Cu, Zn, Mn, Mo và đất hiếm trong đất bằng phơng pháp phổ phat xạ nguyên tử------------------- 2.4. thảo luận kết quả------------------------------------------------ Chơng 3: kết luận --------------------------- phụ lục và tài liệu tham khảo ------------------------------ 3 3 Mở đầu Cam Xã Đoài là loại cây ăn quả đặc sản của tỉnh nghệ An. Sản phẩm này đã có thơng hiệu ở thị trờng trong nớc và chỉ đợc trồng ở xã nghi diên- huyện nghi lộc - tỉnh nghệ An mới cho chất lợng và hiệu quả kinh tế cao. Điều này có thể có nhiều nguyên nhân trong đó có yếu tố thổ nhỡng. Trong thổ nhỡng các yếu tố vi lợng và đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm đóng vai trò rất quan trọng. Vì vậy, nghiên cứu sự ảnh hởng của cac nguyên tố vi lợng và đất hiếm trong đất trồng cam Xã Đoài - huyện nghi Lộc- tỉnh nghệ An có ýnghĩa khoa học và có ý nghĩa thực tế, kết quả của đề tài có thể góp phần vào việc bảo tồn, nhân rộng diện tích trồng cam ở huyện Nghi Lộc. Trong những năm gần đây ,việc nghiên cứu và sử dụng các nguyên tố vi lợng, đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm vào trồng trọt và chăn nuôi đã đợc rất nhiều nớc trên thế giới quan tâm nh Mỹ, Brazin,Ostraylia,Trung quốc, Philippin kết quả các nghiên cứu theo hớng này đã mang lại một số kết quả tốt trong việc làm tăng năng suất và chất lợng các sản phẩm nông nghiệp (có những loại cây trồng năng suất tăng 200%). Nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh sự ảnh hởng của các nguyên tố đất hiếm đến năng suất và chất lợng cây trồng. Xeri và lantan làm tăng trọng lợng chất xanh, năng suất và lợng đờng tuyệt đối trong cây ăn quả, samari không những làm tăng sự phát triển của cây mà còn tăng hàm lợng đờng rõ rệt (tăng 123% so với đối chứng), ngoài ra các nguyên tố đất hiếm còn làm tăng sự phát triển của bộ rễ và tăng tính kháng bệnh cho cây trồng. Gần đây, cơ quan năng lợng nguyên tử quôc tế (IAEA) đã tổ chức và chủ trì những chơng trình, dự án hợp tác nghiên cứu về thực phẩm và đang triển khai các chơng trình hợp tác nghiên cứu trong thời gian 2006-2010 về điều tra sự phân bố các nguyên tố vi lợng và đất hiếm thông qua các hợp đồng nghiên cứu (Reseach contracts). Từ đầu năm 1990, các nguyên tố đất hiếm đã đợc viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, viện Nông hoá - Thổ nhỡng và một số trờng Đại học quan tâm nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu và thử nghiệm lên một số loại cây trồng và vật nuôi cho kết quả khá tốt. Hiện nay một số tỉnh nh Đồng Nai, Bình Dơng, Lâm Đồng đang có những đề tài khoa học đi theo hớng này và áp dụng cho một số cây ăn quả đặc sản của địa phơng. ở Nghệ An vấn đề nghiên cứu các nguyên tố vi lợng còn rất ít ỏi, đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm hầu nh cha đợc nghiên cứu. 4 4 Vì vậy chúng tôi chọn đề tài Xác định một số nguyên tố vi luợng và đất hiếm trong đất trồng cam xã Đoài-Huyện Nghi Lộc-tỉnh nghệ an làm nội dung khoa học cho luận văn Cao học thạc sĩ. Đề tài này đơc đặt ra là cần thiết vì nó vừa mang ý nghĩa khoa học cao vừa mang tính thực tiễn, đáp ứng yêu cầu thực tế ở nghệ An, đặc biệt là kết quả của đề tài có thể góp phần mở rộng diện tích trồng giống cam quý là cam Xã Đoài. Thực hiện đề tài này chúng tôi giải quyết các vấn đề sau: 1. Xác định một số chỉ tiêu cơ bản của đất trồng nh: Tổng mùn, tổng khoáng, độ chua thuỷ phân, dung tích hấp phụ. 2. Xác định hàm lợng di động của Cu, Zn, Mn, Mo trong đất bằng phơng pháp trắc quang. 3. Xác định tổng lợng của Cu, Zn, Mn, Mo và một số nguyên tố đất hiếm bằng ph- ơng pháp phổ phát xạ nguyên tử . 4. So sánh kết quả phân tích giữa mẫu cần phân tích và mẫu đối chứng. Từ đó rút ra kết luận, nhận xét cần thiết. Chơng1: tổng quan 1.1.Tầm quan trọng của đất và một số chỉ tiêu dinh dỡng trong đất trồng trọt [6,7, 8, 9, 10, 11, 20, 22, 23] 1.1.1. Tầm quan trọng của đất: Đất nh là cơ thể sống có khả năng sử dụng các chất thải, thúc đẩy sự dinh dỡng, dự trữ và làm sạch nớc. Đất là nơi sinh sống và phát triển thực vật, là t liệu sản xuất cơ bản của nông nghiệp. Đất không chỉ là cơ sở sản xuất thực vật mà còn là cơ sở để sản xuất động vật. Đất là một bộ phận quan trọng của hệ sinh thái. Đất có khả năng chứa, trao đổi, 5 5 di chuyển và điều hoà chất dinh dỡng. Một loại đất đợc gọi là đất tốt phải đảm bảo cho thực vật ăn no(cung cấp kịp thời và đầy đủ thức ăn), uống đủ (chế độ nớc tốt) ở tốt (chế độ không khí, nhiệt độ thích hợp, tơi xốp ) và đứng vững (rễ cây có thể mọc sâu và rộng). Tuỳ theo loại đất và loại hình canh tác, lợng chất dinh dỡng trong đất là khác nhau. 1.1.2. Một số chỉ tiêu dinh dỡng trong đất. 1.1.2.1: Đạm: Nitơ trong đất, ngoài nguồn gốc từ phân bón còn do các nguồn gốc khác nhau nh tác dụng của vi sinh vật cố định đạm, tác dụng của đất sét. Đạm trong đất chủ yếu tồn tại ở dang hữu cơ (95%- 99%) chỉ một phần rất nhỏ ở dạng vô cơ (NH 4 + , NO 3 chiếm khoảng 1- 5%). Đối với cây trồng và thực vật nói chung, đều sử dụng đạm dới dạng khoáng (NH 4 + , NO 3 - ), đây là dạng nitơ dễ tiêu. Do đó, mặc dù tổng lợng đạm ít có ý nghĩa đối với dinh d- ỡng trực tiếp nhng vẫn phân tích đễ đánh giá độ phi nhiêu tiềm tàng của đất. 1.1.2.2: Lân: Trong đất lân tồn tại 3 dạng: lân dễ tiêu, lân hữu cơ và lân vô cơ. Lân hữu cơ phụ thuộc vào lợng mùn đã hoà tan trong môi trờng kiềm. Lân vô cơ ở dạng muối photphat và hoà tan trong môi trờng axít. Lân dễ tiêu trong đất: Di chuyển vào cây dới các dạng ion trong dung dịch nh: H 2 PO 4 - , HPO 4 2- , PO 4 3- . Tuỳ vào pH mà cây hút ion nào trong 3 ion trên. Lân đóng vai trò quyết định cờng độ các quá trình sinh trởng, phát triển của cơ thể thực vật và có vai trò đặc biệt trong việc năng suất đối với cây ăn quả, thiếu lân thì tỷ lệ đậu quả kém, quả chín chậm, lợng axít trong quả cao. 1.1.2.3: Mùn: Mùn là kết quả của sự phân huỷ xác động, thực vật. Mùn là yếu tố thờng xuyên tác động vào sự hình thành, phát triển, duy trì và cải tạo độ phì nhiêu của đất nh: Tham gia biến đổi đá và khoáng; tầng tích tụ làm đất tơi xốp; chống đợc hiện tợng rửa trôi và có khả năng giữ nớc cho đất, tổng mùn càng lớn thì tính đệm của đất càng cao sẽ giúp đất chống chịu sự thay đổi đột ngột về pH đảm bảo các phản ng hoá học xảy ra bình thòng. 1.1.2.4. Canxi và magiê trao đổi: Ca 2+ , Mg 2+ là ion của hai nguyên tố kiềm thổ cần thiết về mặt dinh dỡng, nó tham gia các hoạt động sinh lý, sinh hoá của tế bào thực vật, đặc biệt Ca 2+ , Mg 2+ đợc xem là chất đệm tham gia vào quá trình chống lại sự suy thoái do việc bón nhiều phân vô cơ . 6 6 1.1.2.5. Độ chua: pH là yếu tố ảnh hởng đến chỉ tiêu dinh dỡng của đất. Nếu phân bón không cân đối và không chú ý đến cải tạo pH thì nó sẽ là nguyên nhân làm cho đất bạc màu và dẫn đến đất bị thoái hoá làm cho năng suất cây trồng bị giảm. 1.1.2.6: Các nguyên tố vi lợng : Trong74 nguyên tố hoá học tìm thấy trong cơ thể thực vật thì có 11 nguyên tố đa l- ợng (chiếm 99,95% trọng lợng chất khô), 63 nguyên tố còn lại là vi lợng hoặc siêu vi lợng (chiếm 0,05%). Mặc dù tỷ lệ rất nhỏ nhng các nguyên tố vi lợng đóng một vai trò quan trọng đối với mọi hoạt động sống diễn ra hàng ngày. 1.2 Các nguyên tố vi lợng và vai trò sinh lý của chúng đối với cây trồng[6,7,8]. 1.2.1: Vai trò chung của các nguyên tố vi lợng đối với cây trồng : 1.2.1.1: Mối liên quan giữa các nguyên tố vi lợng và men . Việc nghiên cứu và phát hiện ra mối liên quan khăng khít giữa các nguyên tố vi lợng và các hệ men đã giúp hiểu rõ đợc cơ chế tác dụng và nguyên nhân của hoạt tính sinh học mạnh mẽ của nhóm nguyên tố này, đồng thời nó cũng thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành sinh hoá học . Các nghiên cú cho thấy việc hình thành phức chất giữa men và kim loại làm tăng hoạt tính xúc tác của kim loại đó lên gấp bội. Ngợc lại, các kim loại cũng có ảnh hởng sâu sắc đến hoạt tính xúc tác của protein mang men và nhóm hoạt động của men. Nhiều kim loại nh đồng, kẽm đóng vai trò trực tiếp trong các chuyên hoá hoá học nh trong quá trình chuyển điện tử trong các hệ thống men oxi hoá- khử. Chúng là thành phần bắt buộc cấu trúc nên nhóm hoạt động của phân tử men. Trong trờng hợp này, các nguyên tố vi lợng đ- ợc liên kết một cách bền chắc với men và có tính chất đặc trng không thể thay thế đợc bằng những kim loại khác, nguời ta thờng gọi những men nh vậy là men kim loại thật sự. Ví dụ: Cac xytocrom, catalaza, tyrozinaza, lactazachứa đồng. Ngoài ra, rất nhiều kim loại là tác nhân hoạt hoá không đặc trng của hàng loạt hệ men khác nhau. Trong trờng hợp này kim loại đợc liên kết không bền với men, chúng thờng đóng vai trò làm cầu nối giữa nhóm hoạt động của men với protein mang men hoặc giữa men với các nguyên liệu tác động của chúng. Trong trờng hợp khác, việc liên kết với kim loại có thể ảnh hởng đến độ bền của các liên kết trong nguyên liệu, đến việc tăng điện tích, do đó ảnh hởng đến pH 7 7 thích hợp của men và có thể gây ra sự tăng nồng độ OH - ở một số điểm giúp quá trình thuỷ phân và nhiều loại chuyển hoá khác diễn ra dễ dàng. Gần đây ngời ta thấy một số nguyên tố vi lợng mặc dù trong trạng thái tự do trong dung dịch có ảnh hởng kích thích hoạt động của men. Rất có thể một lợng ion tự do nhất định trong môi trờng cần để đảm bảo sự hình thành phức chất men kim loại có hoạt tính cao. 1.2.1.2. ảnh hởng của các nguyên tố đối với quá trình hô hấp . Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy các nguyên tố vi lợng có ảnh hởng mạnh mẽ đối với quá trình trao đổi chất và năng lợng trung tâm ở tế bào là hô hấp. Trớc hết, các nguyên tố vi lợng tham gia tích cực trong chặng đờng phân huỷ hiếu khí cũng nh trong chặng đờng phân huỷ yếm khí của các nguyên liệu hữu cơ. Các nguyên tố vi lợng là thành phần bắt buộc trong cấu trúc của các hệ enzim ôxihoá- khử tham gia trong chuỗi hô hấp (hệ xitocrom chứa Fe,). Nguyên tố vi lợng giúp quá trình photphoril hoá, oxi hoá tạo ATP trong quá trình hô hấp 1.2.1.3: ảnh hởng của các nguyên tố vi lợng đến quá trình quang hợp. Cùng với sắt, các nguyên tố vi lợng nh Mn, Cu, Mo có tác dụng thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp diệp lục, là tác nhân hoạt hoá hoặc là thành phần cấu trúc enzim tham gia trực tiếp trong pha sáng cũng nh pha tối của quá trình quang hợp. Các nguyên tố vi l- ợng cũng ảnh hởng đến quá trình tổng hợp carotenoit, đến số lợng và kích thích lục lạp. Điều đáng chú ý là trong một giới hạn nhất định ngời ta thờng thấy có mối tơng quan thuận giữa hàm lợng sắc tố và năng suất cây trồng. Ngoài ra, nhiều nguyên tố nh Mn, Zn, Cu, Mokhông những tham gia tích cực trong các phản ứng pha sáng và việc hình thành các sản phẩm đầu tiên mà còn ảnh hởng mạnh mẽ đến mọi khâu chuyển hoá về sau trong mọi quá trình tạo nên các sản phẩm quang hợp khác nhau. Các nhà khoa học đã phát hiện nhiều nguyên tố vi lợng nh: Zn, Cu, Mn, Mo, Bo có tác dụng thúc đẩy quá trình vận chuyển các sản phẩm đồng hoá từ lá xuống cơ quan dự trữ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình quang hợp tiếp tục cũng nh hạn chế cờng độ quang hợp khi gặp điều kiện bất lợi. 1.2.1.4: ảnh hởng của các nguyên tố vi lợng đến chế độ nớc của cây. Các nguyên tố vi lợng có ảnh hởng mạnh mẽ đến quá trình hút nớc cũng nh thoát hơi nớc, vận chuyển nớc và do đó ảnh hởng đến cân bằng nớc trong cây. Các nguyên tố nh: B, Mn, Zn, Mg, Cu, Mo có tác dụng làm tăng khả năng giữ nuớc, tăng hàm lợng nớc liên 8 8 kết keo của mô. Điều đó có tác dụng liên quan với tác dụng của các nguyên tố này thúc đẩy quá trình tổng hợp các chất a nớc nh protein, axit nuclêiccũng nh sự tăng độ a nớc của chúng. 1.2.1.5. ảnh hởng của các nguyên tố vi luợng đến một số quá trình chuyển hoá trong cây. Các nhà khoa học đã nghiên cứu , thống kê và kết luận rằng các nguyên tố vi lợng có ảnh hởng đến quá trình tổng hợp và biến đổi mọi nhóm chất hữu cơ chủ yếu trong cây . Bởi vậy chắc chắn rằng việc hình thành nên sản phẩm chất đặc biệt của các sản phẩm đặc sản ở các địa phơng có liên quan với hàm lợng và tỉ lệ của các nguyên tố vi lợng và các đất hiếm trong vùng đó. Rất nhiều công trình nghiên cứu đã phát hiện ảnh hởng mạnh mẽ của các nguyên tố vi lợng đối với quá trình trao đổi gluxit trong cây, phát hiện sự tham gia của chúng trong các men trao đổi gluxit. Các nguyên tố vi lợng nh B, Zn, Cu, cũng có vai trò rất quan trọng trong quá trình trao đổi axit nuclêic, nhất là các nguyên tố nh: Cu, Zn, Fe còn có tác dụng lớn trong việc duy trì cấu trúc không gian bền vũng của phân tử axit nuclêic, trong truyền đạt thông tin di truyền cho quá trình sinh tổng hợp protein. Ngoài ra, một số nguyên tố vi lợng nh B, Co, Mo có vai trò quan trọng trong quá trình cố định đạm của các nhóm sinh vật khác nhau, Mn và Mo cũng tham gia vào quá trình tổng hợp các axit amin. Rất nhiều tài liệu tham khảo cho thấy có mối tơng quan thuận giữa lợng chứa các nguyên tố vi lợng nhất là Mn, Zn với các vitamin trong cơ thể và mô khác nhau. Mn, Zn, Cu, B cũng có tác dụng làm tăng hàm lợng sinh tố nhóm B (B1,B2, B6, ) ở sinh vật. 1.2.1.6: Tác dụng của các nguyên tố vi lợng đến quá trình sinh trởng, phát triển, khả năng chống chịu của cây. Các nguyên tố vi lợng, có ảnh hởng mạnh mẽ đến nhiều chỉ tiêu sinh trởng của cây nh tỉ lệ và tốc độ nảy mầm, chiều cao, trọng lợng tơi và khô của cây, bề mặt đồng hoá, hệ đẻ nhánhCác nhà khoa học đã phát hiện chính xác rằng các nguyên tố vi lợng có khả năng chống chịu mặn của cây trên đất ít mặn (ví dụ: Bo) hoặc mặn trung bình (ví dụ: Cu). Dới tác dụng của nguyên tố vi lợng, tính thấm của tế bào đối với clo giảm xuống và tốc độ hấp thụ phốtpho, kali, canxi tăng lên, đồng thời quá trình tích luỹ albumin, glôbulin, tinh bột, đờng và những chất có tác dụng tự vệ cũng đợc xúc tiến thêm. Nguyên nhân của tác 9 9