Дослідницька робота "Екологічна оцінка застосування альтернативних поживних субстратів для культивування картоплі

ВСТУП

Господарча діяльність людини завдає негативний вплив навколишньому середовищу. У природне довкілля в надлишкових кількостях потрапляють газоподібні, рідкі і тверді речовини промислових виробництв. Різні хімічні агентиксенобіотики, що знаходяться у викидах, стоках, потрапляючи в ґрунт, повітря, воду, мігрують у продукцію сільського господарства, переходять по ланцюгам екологічних ланок з одного трофічного рівня на інший і врешті-решт потрапляють в організм людини [1]. Застосування величезної кількості хімічних і органічних добрив для підвищення врожайності сільськогосподарських культур в агроценозах викликали необхідність контролю й оцінки чистоти та якості агропромислової продукції, і, безумовно, свідчать про актуальність засобів забезпечення екологічної безпеки шляхом зниження антропогенного хімічного навантаження на природні системи.

Картопля одна з найважливіших сільськогосподарських культур. Вона вирощується на всіх континентах, більш як у 125 країнах із різними ґрунтовокліматичними умовами. Посівні площі під картоплею в Україні досягають 1,5 млн га, а середня врожайність бульб становить 10-14 т/га. [8] Підвищення врожайності картоплі можливе завдяки удосконаленню основних агротехнологічних прийомів її вирощування. Тому викликає великий інтерес до залишкових кількостей нітратів і до порушень у стані здоров’я людини, які можуть бути викликані нітратним забрудненням. Ця проблема з'явилася, насамперед, внаслідок систематичного використання високих доз органо-мінеральних добрив, що спричиняє небажані наслідки для природної родючості ґрунту. 

Останніми роками в агроценозах України застосовується екологічно спрямована система удобрення картоплі – сидеральна, а саме використання проміжних сидеральних культур як добрива. Тому порівняльний аналіз результатів культивування картоплі на традиційних та альтернативних поживних субстратах виявляється своєчасним та актуальним рішенням.

Мета: оцінити вплив традиційних і альтернативних поживних субстратів на трансформацію і вміст нітратів у товарній агропродукції – селективному сорті картоплі нового покоління; розробити практичні рекомендації щодо реалізації раціонального екологічно безпечного методу культивування картопляної культури.

Об'єкт дослідження: картопля середньораннього сорту «Санте», культивована на різних поживних субстратах.

Предмет дослідження: вплив традиційних та альтернативних добрив на накопичення нітратів в картоплі.

Основні задачі дослідження:

-                      провести аналіз наукових літературних джерел та на його основі дати порівняльну характеристику різних заходів удобрення картоплі;

-                      обрати метод дослідження та провести якісний та кількісний аналіз на вміст нітратів у цільових дослідних об’єктах: картоплі, ґрунті, воді;

-                      розкрити суть проблеми та причини надмірного накопичення нітратів у сільськогосподарській культурі та розкрити негативний вплив нітратів на життєдіяльність живих організмів;

-                      запропонувати практичні рекомендації, спрямовані на зниження вмісту нітратів в картоплі.

Практичне значення: отримати інформацію і сформувати рекомендації щодо переваг застосування альтернативних добрив при вирощуванні картоплі.

Перспектива подальшого впровадження: доводити споживачам науковообґрунтовану інформацію про екологічну небезпеку підвищеного вмісту нітратів у продуктах харчування і можливість вирощування чистої і якісної сільськогосподарської продукції.

Апробація результатів. Основні положення проекту доповідалися на засіданні гуртка «Земля наш дім», на інформаційній годині для учнів та викладачів ПТУ №2, проводилася презентація врожаю, вирощеного на сидератах.

РОЗДІЛ 1  

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1.1. Еволюційний розвиток виробництва картоплі

Картопля дуже давня культура, яка була відома ще 14-15 тисяч років тому на території  Південної Америки, де вирощувалась з давніх-давен . Нажаль, нам не відоме ім’я першовідкривачів цієї шанованої всіма культури. В Європі, більш точніше в Іспанії, картопля з’явилася у 1570 р. Картопля належить до родини пасльонових. Якщо бульби довго пролежать в умовах світла, вони накопичують шкідливу речовину – соланін. Внаслідок зазначеного недоліку, дану культуру до 1780 р. не застосовували в Європі як продукт харчування. Великомасштабне вирощування картоплі почалося лише на початку 19-го століття і вона стала одним з головних продуктів світу [8].

На сьогоднішній день картопля є основною продовольчою, кормовою і технічною культурою. Продовольча цінність бульб визначається високими смаковими якостями і сприятливим для здоров’я людини хімічним складом.  Картопля – цінна сировина для виробництва спирту, крохмалю, глюкози, декстрину та іншої продукції. Бульби містять від 14 до 22% крохмалю, 1,5-3% білків, 0,8-1% мінеральних речовин, до 1% клітковини [9]. Крохмаль картоплі легко засвоюється, а біологічна цінність її білків вища, ніж інших культур. У бульбах багато вітамінів групи В, РР, каротиноїдів. У зимовий період картопля є основним джерелом вітаміну С для людини (Додаток А,табл. 1.1)

Головними світовими виробниками картоплі вважаються 22 країни. Беззаперечний лідер – Китай. У 2000 р. Україна ввійшла у п’ятірку світових лідерів з виробництва картоплі (табл. 1.2) [9].

Картоплярство – важлива соціальна, бюджетоформуюча галузь АПК України, що формує сучасну спеціалізацію рослинництва, адже частка картоплі та продуктів її переробки у вартісній структурі валової продукції рослинництва становить близько 20% поряд із зерновими культурами (Додаток А,табл. 1.3) [14]. Крім того, у структурі споживчого кошику картопля, яку традиційно вважають «другим хлібом», займає приблизно 13%. У той самий час, не зважаючи на важливе соціальне значення, частка посівних площ під картоплею у загальній структурі рослинництва і надалі складає приблизно 7% (Додаток А,табл. 1.4) [16]

Таблиця 1.2 Провідні країни-виробники картоплі (млн тон)

1.2 Ботанічна характеристика та біологічні особливості  картоплі

Картопля (Solanum tuberosum L.) належить до родини Пасльонових.

Розмножується вегетативно — бульбами, а також насінням (для створення нових селективних сортів). Вегетативна частина – надземне трав'янисте стебло і підземні пагони-столони, які на кінцях потовщуються й утворюють бульби [10].

Коренева система картоплі, вирощеної з бульби, мичкувата. Основна маса коренів має довжину 40-70 см і розміщується переважно у верхньому шарі ґрунту. На кожному підземному пагоні утворюється від чотирьох до шести столонів. Стебло картоплі прямостояче, висотою 50-100 см і більше залежно від сорту та умов вирощування. У кущі 4-8 стебел [8].

Картопля – культура досить вимоглива до клімату, проте велика різноманітність сортів дає змогу вирощувати її майже по всій території України. Картопля не витримує низької температури і за мінус 1-2°С гине. Найкраще рослини ростуть за температури 20°С, а бульби  15-18°С. В умовах тривалої жаркої погоди (температура понад 29°С), бульби не утворюються, а якість утворених погіршується, вони передчасно старіють. [10]

Картопля – вологолюбива культура. Проте за надмірної вологості погіршується повітряний режим ґрунту і бульби загнивають. Протягом вегетаційного періоду потреба рослин у волозі змінюється. Найбільше вологи вона потребує у період бутонізації, цвітіння і бульбоутворення.

Картопля є культурою, особливо вимогливою до родючості ґрунту, тобто комплексу живлення NPK (оптимальне співвідношення N:P:K=1:0,8:1,2) [10].

Найпридатніші для її вирощування легкі (середньозв'язні, супіщані, суглинкові) ґрунти, що містять достатню кількість поживних речовин і вологи. Картопля має тривалий вегетаційний період, протягом якого вона засвоює з ґрунту значно більше поживних речовин, ніж інші культури. З врожаєм 200 ц/га бульб і відповідною кількістю картоплиння вона виносить з ґрунту 100 кг азоту, 30 кг фосфору і 140 кг калію [10].

Поживні речовини, які містяться в ґрунтовому субстраті є матеріальною основою сформованого врожаю та якості одержаної продукції. Коренева система рослин картоплі складає лише 3% від маси надземної частини і на 60-65% вона зосереджена у орному шарі ґрунту (до 20 см). Тобто вона утворює значну вегетативну масу рослин та бульб при відносно слабкому розвитку кореневої системи. На типах ґрунтів, що не вирізняються високою родючістю та забезпеченістю доступними елементами живлення, вирощування картоплі можливе лише за внесення добрив. Їх застосування збагачує ґрунтове середовище елементами живлення та покращує поживний режим рослин (рис.1.1). 

Рис.1.1 Діаграма залежності продуктивності картоплі від різних чинників

1.3  Мінеральне живлення картопляного агроценозу 

Інтенсивна система землеробства передбачає застосування високих доз мінеральних добрив та хімічних препаратів. При грамотному, науковообґрунтованому їх застосуванні підвищується врожайність сільськогосподарських культур на 40-50%, без зниження якості продукції. На цей час, на орних землях України на одному квадратному метрі в середньому, накопичилось до 25 кг мінеральних добрив та до 2 кг пестицидів [3].

Внаслідок внесення мінеральних добрив знижується інтенсивність природного перетворення атмосферного азоту на сполуки, які можуть засвоїти рослини. Розчини мінеральних солей є шкідливими для бактерій та мікроорганізмів, які формують родючий шар ґрунту, таким чином, утворення гумусу уповільнюється. 

У сучасному агроценозі з мінеральних добрив використовуються прості азотні, фосфорні й калійні добрива, а також комплексні та мікродобрива.

Азотні мінеральні добрива широко використовуються для оптимізації азотного живлення рослин. Азот входить до складу рослинних білків, амінокислот, нуклеїнових кислот та інших життєво важливих сполук. За нестачі азоту спостерігається гальмування росту рослин, послаблюється утворення бокових пагонів і коренів, спостерігається дрібнолистковість тощо. Основною зовнішньою ознакою дефіциту азоту є блідо-зелене забарвлення листків, поява некрозів, висихань і відмирання тканин. Рослини засвоюють мінеральний азот лише у формі іонів амонію (та нітрат-іонів (𝑁𝑂₃⁻) [3].

Залежно від форми сполуки азоту азотні добрива поділяються на нітратні, амонійні, аміачні, амонійно-нітратні та амідні. Мінеральні добрива можуть включати сторонні домішки, які сприяють підвищенню радіоактивного фону, накопиченню важких металів. У зонах інтенсивного застосування азотних добрив їх норми повинні бути екологічно безпечними, терміни і способи внесення визначатися з урахуванням ґрунтово-екологічних умов, агроландшафту і

біологічних особливостей реакції рослин на режим азотного живлення. [3]

1.4. Різновиди органічних добрив 

Регулювання родючості ґрунту в інтенсивному землеробстві, спрямоване на відновлення запасів органічної речовини в ґрунті, що досягається, насамперед, внесенням органічних добрив.

Органічні добрива – це різні за складом і властивостями речовини рослинного і тваринного походження, які вносять у ґрунт для підвищення його родючості. Застосування органічних добрив поліпшує властивості ґрунту і має свої особливості: забезпечує рослини макро- і мікроелементами живлення; збагачує біологічно активними речовинами (ферментами, гормонами, вітамінами). Органічні добрива істотно поліпшують структурні й фізичні властивості ґрунту, водний та повітряний режим. Під час розкладання органічних речовин приґрунтовий шар повітря збагачується вуглекислим  газом, що посилює ефективність фотосинтезу. Так, наприклад, після внесення 40-60 т/га гною виділення СО2 ґрунтом зростає на 30-50% і більше [2].

Основну кількість органічних добрив в Україні становить гній. Для хімічного складу гною характерним є вміст усіх поживних елементів, в середньому: води - 65%, золи - 15% та N - 0,50%, P - 0,25% і K 0,60% на сиру масу [10].

Використовують широко також  гноївку, сечу, пташиний послід, торф, компости тощо.

У гної нерідко розвивається патогенна мікрофлора: кишкова паличка, сальмонели, може містити яйця гельмінтів. У цілому, в добових водах тваринницьких комплексів знаходиться до 100 видів збудників інфекційних хвороб. Тому недоліком застосування тваринницьких відходів є те, що вони забруднюють стічні води та водойми, а аміак та сірководень надходять до атмосфери.[2] Існує більше 20 захворювань, пов'язаних із внесенням у ґрунт відходів тваринництва. 

1.5. Вплив азотних добрив на стан ґрунтів агроценозу

Ґрунтовий покрив є універсальним бар'єром, у якому відбувається розкладання майже всіх сполук, що сюди потрапляють. Ґрунт має унікальну здатність до самоочищення шляхом фізико-хімічного і біохімічного процесів мінералізації органічних речовин і синтезу нової органічної речовини – гумусу. Однак здатність ґрунту до самоочищення не безмежна і характеризується конкретною можливістю до розпаду та мінералізації окремих видів органічних речовин [1].

У ґрунт шкідливі речовини можуть надходити різними шляхами: із атмосфери у вигляді грубодисперсних фракцій аерозолів, з атмосферними опадами можуть випадати нітратна та сульфатна кислоти, сульфати, нітрати та інші речовини. Забруднюючі речовини можуть бути внесені у ґрунт і у вигляді добрив, а також внаслідок поливу забрудненою водою [2].

З внесених добрив тільки 40-60 % азоту використовується рослинами, інший азот втрачається внаслідок денітрифікації та закріплення в ґрунті у важкодоступних для рослин формах. Мінералізація і гуміфікація рослинних і тваринних залишків відбувається переважно у верхньому ґрунтовому горизонті. 

Від якості ґрунтового субстрату залежить якість ґрунтової води та її забрудненість. У результаті проходження води через ґрунт, забруднювачі затримуються у твердому шарі ґрунту і не потрапляють до ґрунтових вод. Чим більшу товщину він буде мати, а також міститиме у своєму складі водонепроникні породи, тим краще будуть захищені підземні води від забруднень.

1.5.1. Нітрати – штучні забруднювачі природної води

Чиста вода – це запорука нашого здоров’я. Проте значна кількість водоносних горизонтів забруднена різними шкідливими для організму людини сполуками. Якість води, яка використовується для побутових і технічних цілей визначається відповідними фізичними і хімічними показниками, які показують наявність або відсутність тих чи інших домішок у воді. Головні хімічні характеристики – твердість, окиснюваність, вміст хлорид-іону, Карбон (IV) оксиду і розчиненого кисню. Важливою фізичною характеристикою є вміст нітратів.[21.22]

Нітра́ти – безбарвні кристалічні речовини, солі нітратної кислоти HNO₃. Вони утворюються при взаємодії нітратної кислоти з відповідними металами, або їх оксидами чи гідроксидами.  У воді нітрати добре розчиняються. 

Добрива і баластові речовини, що містяться в них, можуть вимиватися атмосферними опадами, водою при зрошенні ґрунту і змиватися з її поверхні у відкриті водойми. Попадання у воду нітратів викликає розвиток рослинності у водоймі. Подальше їхнє відмирання викликає появу, не властивих  воді, кольору та запаху, дефіциту кисню, тобто відбувається антропогенна евтрофікація водойм.[3] 

Суттєвого підвищення кількості нітратів у природних водах сприяють азотні добрива і гній. Концентрація нітратів у цих водах може перевищувати 120 мг/л. У природних умовах кількість їх не перевищує 9 мг/л.[1]

Ґрунтові води містять, як правило, менше нітратів, ніж поверхневі, оскільки ґрунт служить свого роду "фільтром" по шляху пересування нітратного азоту. Чим глибше залягають ґрунтові води, тим менше міститься в них нітратів.

1.5.2. Локалізація нітратів в органах рослин

Нітрати є найважливішим компонентом харчування рослин, оскільки входить до них азот - головний будівельний матеріал клітини. Вони є нормальними продуктами обміну азотистих речовин будь-якого живого організму. Для овочів і фруктів встановлені значення гранично - допустимих концентрацій нітратів.[18,19]  За здатністю накопичувати нітрати, овочі поділяють на три групи:

1                    – з високим вмістом нітратів (до 5000 мг/кг сирої маси): в салаті, шпинаті, буряках, кропі, листовій капусті, редисці, зеленій цибулі, динях, кавунах.

2                    – з середнім вмістом (300-600 мг/кг сирої маси):  в цвітній капусті, кабачках, гарбузі, ріпі, білокачанній капусті, хроні, моркві, огірках.

3                    – з низьким вмістом (10-80 мг/кг сирої маси): у брюссельській капусті, горосі, щавлі, квасолі, картоплі, помідорах, ріпчастій цибулі, фруктах, ягодах.

Вміст нітратів у рослинах залежить від періоду їх розвитку. Так, у період  проростання насіння - нітрати містяться в рослинах у мінімальній кількості, а у період запліднення - рослина потребує великої кількості нітрогену.[11]

Ґрунтово-екологічні чинники (зволоження, світло, температура повітря та ґрунту), які діють в комплексі, можуть підсилювати чи послаблювати один одного. Поглинання нітратів рослинами збільшується при сильному освітленні. При низьких температурах повітря надходження нітратів зменшується. Інтенсивне зволоження ґрунту збільшується поглинанням нітратів корінням. Використання мінеральних добрив, насамперед нітрогенних, можуть зумовити накопичення в ґрунті, а потім і в рослинних продуктах, надмірної кількості нітратів.

Нітрати розподіляються в рослинах нерівномірно. Це пов’язано з видовими відмінностями [11]. Наприклад, рівень нітратів у листках петрушки, селери, кропу на 50% нижчий, ніж у стеблах. В бульбах картоплі низький рівень вмісту нітратів в м’якоті бульби, тоді як в шкірці і серцевині їх вміст є більший у порівнянні з середньою частиною в 1-1,3 рази. У білокачанній капусті найбільша концентрація нітратів спостерігається у верхній частині стебла. Верхнє листя містить в два рази більше нітратів ніж внутрішнє.

Якщо порушити принципи раціонального харчування, наприклад, харчуватися одними овочами, та ще сирими (як це рекомендують деякі шанувальники вегетаріанства і сироїдіння - з'їдати до 1,5 кг сирих овочів на день), то тут дійсно можна перевищити безпечну дозу нітратів майже в два рази.  

1.5.3. Шляхи потрапляння нітратів до організму людини та їх негативний вплив

За зовнішніми ознаками розпізнати овочі, які містять надлишок нітратів дуже важко і тому зустріти на своїй кухні отруєні продукти можливо для кожного з нас.

Нітрати потрапляють в організм людини різними шляхами:

-                      через продукти харчування рослинного та тваринного походження (основна маса нітратів в організм людини потрапляє із свіжими овочами ( 40-80% добової кількості нітратів);

-                      через питну воду  (забруднена питна вода викликає 70-80% всіх наявних захворювань, які на 30% скорочують тривалість життя людини);

-                      через лікарські препарати;

-                      частина нітратів може утворитися в самому організмі людини при обміні речовин.[13]

При вживанні продуктів з підвищеним вмістом нітратів в організм людини надходять не тільки нітрати, а й їхні метаболіти: нітрити і нітрозосполуки. У кислому середовищі нітрити утворюють азотисту кислоту, а вона, взаємодіючи з вторинними і третинними амінами, утворює канцерогенні нітрозаміни. Залежно від природи радикала можуть утворитися вельми різноманітні нітрозаміни, з них канцерогенною дією володіють більше 100 з'єднань.[13] В організм нітрати надходять з водою і їжею, потім вони всмоктуються в тонкому кишечнику в кров.

Виводяться переважно з сечею.

Загальновідомо, що нітрати володіють високою токсичністю для людини і сільськогосподарських тварин.  Для дорослої людини граничнодопустима добова доза становить 500мг, а 600мг - є токсичною. Допустиме надходження нітратів з продуктами харчування і водою за добу становить 5 мг/кг маси тіла.[19,22].

Під впливом ферменту нітратредуктази нітрати відновлюються до нітритів, які взаємодіють з гемоглобіном крові і окислюють в ньому Fe²⁺ у Fe³⁺, внаслідок чого утворюється речовина метгемоглобін (рис.1.2), яка вже не здатна переносити кисень і викликає зменшення кисневої ємності крові, розвитку гіпоксії (кисневого голодування). [13]

Рис.1.2. Схема біологічної дії надлишкової кількості нітратів

Для утворення 2000 мг метгемоглобіну достатньо 1 мг нітриту натрію. У нормальному стані у людини міститься в крові близько 2% метгемоглобіну. Якщо зміст метгемоглобіну зростає до 30%, то з'являються симптоми гострого отруєння (задишка, тахікардія, слабкість, головний біль), при 50% метгемоглобіну наступає летальність [11].

1.6. Сидерати – зелена альтернатива поживного субстрату

Негативні наслідки хімізації землеробства сприяли виникненню теорії так званого біологічного (органічного, альтернативного, екологічного тощо) землеробства, заснованого на відшкодуванні виносу поживних речовин за рахунок інтенсивного біологічного колообігу. Нині біологічне землеробство знаходить поширення у багатьох країнах світу. [4]  Його мета полягає у виробництві корисних для здоров'я людини високоякісних продуктів харчування у достатній кількості.

Зелене добриво – невичерпне, постійно оновлюване джерело органічної речовини. Вирощувати зелені добрива можна цілий рік.[6] На думку Д.М.Прянишникова, кожна рослина люпину подібна до азотної фабрики, яка працює за рахунок енергії сонця, при цьому кожні 200 тисяч га посівів люпину за рік можуть засвоїти до 30 тисяч тон азоту з повітря – майже стільки як виробляє азотних добрив великий комбінат [4].

Сидерація – це давнішня технологія хліборобів. Відомо, що зелені добрива застосовувались у землеробстві понад 9 000 років тому. Нажаль, масове виробництво мінеральних добрив надовго, майже повністю, витіснило сидерацію з сільського господарства.

Сидерація є багатоплановим комплексним агроприйомом. Залежно від призначення зеленого добрива (розпушування підорного шару, оструктурення ґрунту, підвищення вмісту гумусу і азоту, елементів живлення, боротьба з бур'янами, хворобами й шкідниками) рекомендується використовувати тільки певні його форми, щоб досягти однієї або декількох цілей [Додаток Б]. Так, бобові сидерати (горох, нут, горох, боби, соя, сочевиця та трави: вика, люпин, еспарцет, люцерна й конюшина) значно збагачують ґрунт азотом, а їх коріння його розпушує. Схожими за ознаками є найбільш доступні злакові (пшениця, жито, ячмінь, овес). До ранніх сидератів належать хрестоцвіті (ріпак, суріпиця, редька, гірчиця) [5].

Найбільш ефективне внесення сидеральних добрив, за результатами досліджень українських вчених, спостерігається при вирощуванні картоплі, кормових і цукрових буряків, кукурудзи, озимих зернових, овочевих і плодовоягідних культур. Сидерати для картоплі (люпин, гірчиця, овес, жито) здатні підняти врожайність культури без внесення додаткових добрив на 50-60 кг з сотки. По насиченості комплексом NPK 3 кг зеленої маси можуть зрівнятися з 1,5 кг гною [4].

1.7. Методи визначення нітратів у сільськогосподарській продукції [12]

Для визначення вмісту нітратів існує ряд методів якісного та кількісного аналізу: фотометричні,  хроматографічні, електрохімічні (вольтамперометричні та потенціометричні), спеціальні прилади (нітрат-тестери), індикаторні папірці, які приймають різне забарвлення залежно від вмісту нітратів у пробах.  

Проаналізувавши літературні дані щодо методів визначення нітратів в рослинній продукції для нашого дослідження було вибрано такі:

1.Експрес-метод [11], який є загальноприйнятим, високочутливим і ґрунтується на використанні дифеніламіну у сірчанокислому середовищі. Унаслідок взаємодії дифеніламіну з нітратами утворюється нітрозна сполука, що має яскраво-синє забарвлення (схема рис.1.3 ):

Рис.1.3.  Схема отримання індикаторної нітрозної сполуки

2.                      Визначення нітратного азоту в пробі води фотометричним методом.

У сірчанокислому середовищі нітрат-іони утворюють з саліцилатом натрію суміш 3-нітросаліцилової та 5-нітросаліцилової кислот, солі яких у лужному середовищі мають жовтий колір.

                                                     O       ONa                                                              O       ONa

OHOH

+2NO3- + H₂SO₄+ 2H₂O + SO₄^2-

                                                                                                                           O₂N                  NO₂                                                

Концентрацію нітрат- іонів в мг/л розраховують за формулою:

С_ГГ - концентрація нітрат іонів, що знайдена з графіка, мг/л;

V_ал - об’єм проби, мл; 

V_заг - загальний об’єм стандартного розчину нітрату, що взятий для упарювання досуха, мл.

3.                      Визначення нітратного азоту в зразках картоплі  та ґрунті іонометричним методом.

       Принцип  методу полягає у вилученні нітратів із аналізуючого матеріалу розчином алюмокалієвих квасців з наступним вимірюванням їх концентрації в одержаній витяжці за допомогою іоноселективного електрода.

РОЗДІЛ 2

ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

2.1. Об’єкти та місце дослідження

Польові дослідження проводилось на присадибній ділянці. 

Об’єкт дослідження – картопля середньораннього сорту «Санте».

Картопля «Санте» - (80-90 днів), високоврожайний сорт, призначений для столового використання. Бульби овальні, великі. Шкірка жовта, гладенька. М'якоть світло-жовта, не темніє при різанні. Вічка дрібні, численні. Сорт Санте стійкий до фітофторозу, найнебезпечнішою картопляної хвороби, при ураженні якої можна втратити більше 70% врожаю. Сорт не вражають картопляна парша, віруси, нематоди. Картопля цього сорту високостійка до ракових захворювань. Оригінатор: Агріко. Голландія. Сорт картоплі «Санте» - занесений до Реєстру сортів рослин України з 2000 року.

Найкраще формується врожай картоплі за слабкокислої реакції ґрунтового розчину (рН 4,5 - 6,5), тому перед початком нашого дослідження, ми перевірили кислотність водної витяжки ґрунту з експериментальних ділянок. 20 г повітряносухого ґрунту, перенесли у конічну колбу місткістю 100 мл, додали 50 мл дистильованої води, добре збовтали  і залишили відстоюватись на ніч до повного осадження ґрунту і освітлення розчину. У розчин, обережно, занурюємо електроди  рН-метра і виміряли величину рН водної витяжки (таблиця 2.1)

Технологія вирощування картоплі була загальноприйнятою. Попередник – цибуля. Картоплю висаджували навесні на чотирьох ділянках, площею  10 м² кожна. Ділянки відрізнялися режимом культивування, зокрема складовими поживними компонентами ґрунтових субстратів – видами добрив.

Перша ділянка - мінеральна система удобрення. Застосовувалися тільки мінеральні добрива, а саме аміачна селітра, яку розсипали по ділянці у кількості 200 г на 10 м²(норма з інструкції до застосування).

Друга ділянка - органічна система удобрення, а саме коров’ячим гноєм, глибина зароблення якого приблизно 10-20 см (норма 30 кг на 10м² ) [10].

Третя ділянка - сидеральна система удобрення. До висадження картоплі, ділянка була засіяна гірчицею, насіння якої розсипали по ділянці у кількості 40 г на

10 м² (норма була вказана на пакеті з насінням гірчиці)  і     забивали     граблями.

Важливим у виборі гірчиці були її фіто санітарні особливості. Біла гірчиця відмінно справляється з деякими видами грибка, зокрема, фітофторою, чорною паршею, фузаріозом. 

Четверта ділянка – контрольна (картоплю вирощували без добрив та сидератів).

На кожну ділянку було висаджено по 40 кущів картоплі. Через 6-7 днів після садіння до появи сходів вручну видаляли бур’яни та підпушували ґрунт. Догляд за посівами включав два підгортання: перше за появи сходів і друге за повних сходів картоплі. Потім, за необхідністю, видаляли бур’яни та розпушували міжряддя. З появою короладського жука та його личинок, для чистоти експерименту, шкідників збирали вручну. Полив проводили, за потреби, у міжряддя, водопровідною водою. 

За період дослідження було встановлено, що на ділянці удобреній перегноєм, бур’янів було найбільше. Також, при збиранні врожаю, була виявлена велика кількість личинок хруща, які  пошкодили майже половину картоплі з цієї ділянки. Кількість зібраної картоплі - 40 кг (з урахуванням пошкодженої) (таблиця 2.2)

На ділянці, де застосовувалися мінеральні добрива, бадилля картоплі було вище ніж на інших ділянках, деякі стебла досягали висоти 1,5 м. Бульби картоплі були надзвичайно великого розміру. Дрібної картоплі не було взагалі. Кількість зібраної картоплі  - 53 кг (таблиця 2.2)

На ділянці з сидеральною системою удобрення спостерігалася найменша кількість бур’янів та шкідників. Бульби картоплі були різного калібру (від великих до дрібних). Кількість зібраної картоплі – 48 кг (таблиця 2.2)

На контрольній ділянці також було багато бур’янів, але менш, ніж на ділянці з перегноєм. Було виявлено декілька личинок хруща, але великої шкоди врожаю вони не завдали. Бульби картоплі мали середній та дрібний розміри. Загальна кількість зібраної картоплі – 36 кг (таблиця 2.2)

2.2. Відбір проб зразків картоплі, ґрунту, води

Відбір проб картоплі проводили за методом сегментаційного поділу зразка та перехресним вибором компонентів для аналізу. Картоплю мили водою, витирали чистою ганчіркою, розрізали хрестоподібно по вертикалі на 4 частини і брали 2/4 від кожного плоду на аналіз. Подрібнення зразків проводили за допомогою терки і подальшим вичавлюванням соку. Відбір проб ґрунту проводили під час збирання врожаю, приблизно з середини та обох країв кожної ділянки. Також проводилось дослідження водопровідної води на можливий вміст нітратів.

2.3. Проведення експерименту

Метою експерименту було якісне та кількісне визначення нітратів у зразках картоплі, воді та ґрунті. Лабораторні дослідження  було виконано у лабораторії кафедри хімії Гірничого університету та лабораторії ветеринарно-санітарної  експертизи ринку «12 квартал». 

1.  Визначення нітратного азоту в зразках картоплі розчином дифеніламіну.

У пробірку наливали кілька краплин досліджуваного соку. Потім краплинами додавали розчин дифеніламіну. На стінках пробірки і в розчині змінювалось забарвлення, що свідчить про наявність певної кількості нітрат-іонів. Вміст нітратів визначали шляхом порівняння забарвлення з кольоровою шкалою нітратів: 

2.  Визначення нітратного азоту в пробі води фотометричним методом.

В фарфорову чашку відбирають 30 мл проби води, 1 мл 0,5%-ого водного  розчину саліцилату натрію і випарюють досуха на водяній бані. Після охолодження додають до сухого залишку 1 мл концентрованої  сульфатної кислоти, обережно перемішують і залишають стояти 10 хв. Вміст чашки розводять дистильованою водою до об’єму 25 мл, переносять у мірну колбу на 50 мл, додають 7 мл розчину їдкого натру, доводять дистильованою водою до риски і перемішують. Після охолодження, вимірюють оптичну густину. Розчин порівняння – дистильована вода.

Для визначення вмісту нітрат-іону будують калібрувальний графік (Додаток В). 

3.  Визначення нітратного азоту в зразках картоплі  та ґрунті іонометричним методом.

Для проведення аналізу застосовували: іонометр типу «ЭВ-74»,  іонселективний нітратний електрод  та хлор срібний електрод  порівняння.  Зразки картоплі, відібрані для аналізу, подрібнюють до одержання однорідної маси з допомогою тертки. Наважку 10 г подрібненого матеріалу поміщають в технологічну ємність на100 см³, наливають 50 см³ 1%-ого розчину алюмокалієвих квасців і перемішують протягом 3-5 хвилин на магнітній мішалці. В одержаній суспензії виміряють концентрацію іона нітрату.

Наважку 20 г ґрунту помішають в технологічну ємність на 100 см³, наливають 50 см³ 1%ого розчину алюмокалієвих квасців і  перемішують протягом 3–5 хвилин. Розчин фільтрують і визначають кількість нітратів.

Електроди занурюють в досліджуваний розчин і знімають логарифмічний показник рС(NО₃ˉ). Показники приладу знімають не раніше, ніж через 1 хв. після закінчення коливання показників приладу. Температура досліджуваних зразків і розчинів порівняння повинна бути однакова. Одержані значення рС(NО₃ˉ) переводять в мг/кг NО₃^ˉ  [Додаток Г]

2.4. Результати дослідження та їх екологічна оцінка

Таблиця 2.1 Результати визначення кислотності ґрунтів

Таблиця 2.2 Показники економічної ефективності вирощеної картоплі на 10м²

* Вартість аміачної селітри 20 грн за 1 кг;

   Вартість насіння гірчиці 10 грн за 1 кг; 

   Вартість коров’ячого гною 400 грн за 1000 кг.

**Середня вартість картоплі по м. Дніпро на вересень 2017р. складала 5 грн/кг

Таблиця 2.3

  Результати визначення нітрат-іонів в зразках картоплі дифеніламіном  

Таблиця 2.4

Результати  іонометричного дослідження на вміст нітрат-іонів в зразках картоплі та ґрунті

Отримані результати свідчать про те, що кількість нітратів в зразках картоплі на дослідних ділянках знаходиться у межах граничнодопустимої концентрації.  Але на ділянках з мінеральною та органічною системою удобрення вона вдвічі більша, ніж на ділянці з сидеральною системою.

Результати фотометричного дослідження вмісту нітратів у пробах води:

                   С = 3,30 (мг/л) – проба 15.06.2017р.;

                    С =2,66 (мг/л) – проба 15.07.2017р.;

                   С = 3,04 (мг/л) – проба 15.08.2017р.

Отже, кількість нітратів у пробі водопровідної  води не перевищує граничнодопустимої концентрації 45 мг/л.[20]

Незважаючи на те, що на період досліджень не виявлено значних відхилень від показників вмісту нітратів у картоплі сорту «Санте» за вимогами державних стандартів якості сільськогосподарської продукції, не можна бути впевненими у її небезпеці. В цьому аспекті необхідні подальші додаткові дослідження, спостереження можливого накопичення шкідливої речовини у динаміці в об’єктах агроценозу. 

ВИСНОВКИ

Внаслідок антропогенного фактору у довкілля потрапляє тисячі забруднюючих речовин, які є екологічно небезпечними – мають мутагенну, канцерогенну активність. Вони, звичайно, накопичуються у ґрунтах, водоймах, повітрі, вступають до біологічного колообігу речовин і за ланцюгами живлення мігрують по планеті, в тому числі потрапляють до організму людини.

До групи таких речовин відносяться нітрати – продукт біохімічного колообігу сполук азоту в біосфері. Тому не існує таких харчових продуктів, які б у своєму складі  абсолютно не містили нітратів. Позбутися нітратів неможливо, навіть якщо зовсім не застосовувати добрива.

Біологічне землеробство – це господарчо-виробнича система, що частково чи повністю заперечує використання хімічних речовин (мінеральних добрив, пестицидів, регуляторів росту). Серед прекрасних ідей біологічного землеробства – це зробити сільське господарство рентабельним, безвідходним, з отриманням екологічно чистих продуктів харчування. Таке дбайливе ставлення до землігодувальниці здавна було притаманне українському землеробові й збереглося донині серед справжніх трудівників сільського господарства України.

У ході роботи було визначено таке:

1.                  Простежено еволюційний розвиток виробництва найважливішої сільськогосподарської культури картоплі, її біологічні особливості. 

2.                  Розглянуто агроприйоми використання в картопляному агроценозі різних видів поживних субстратів (традиційних і альтернативних).  

3.                  Розглянуто вплив надлишкових кількостей нітратів на стан компонентів агроценозу (ґрунту, води, на здоров'я людини). 

4.                  У результаті проведення експерименту було визначено кількість нітратів у картоплі сорту «Санте», вирощеній на чотирьох різних ділянках з різною системою удобрення, вміст нітратів у воді та ґрунті.

5.                  За допомогою порівняльного аналізу даних річного експерименту дана екологічна оцінка впливу виду поживного субстрату агроценозу на якість та чистоту важливого харчового продукту – картоплі нового покоління.

На ділянках з мінеральною та органічною системою удобрення кількість нітратів спостерігалася вдвічі більша, ніж на ділянці з сидеральною системою.

Рекомендації: пропонуємо усім, хто має присадибні ділянки, дачі, городи застосовувати екологічно чисті зелені добрива. А в Україні створювати агропідприємства з висококваліфікованими спеціалістами де можливо було б застосувати біологічне землеробство.

Але як же розпізнати таємного «ворога» і знешкодити до того моменту, поки він не здійснив свій нищівний удар по здоров'ю? Дотримуючись нехитрих правил обробки і приготування овочів можна, нехай і не повністю, але все ж знизити вміст нітратів у продуктах. Наприклад, знизити накопичення нітратів в овочах допоможе ретельна промивка або замочування в холодній воді, що знижує вміст небезпечних речовин на 10-12%. Очищену картоплю варто варити в двох водах, так як вміст нітратів переходить у відвар і його вживання небажане. При варінні картоплі у воді рівень нітратного азоту падає на 40-80%, на пару - на 30-70%, при смаженні в рослинному маслі - на 15%, у фритюрі - на 60%.[13] 

Потрібно навчитися вибирати овочі. Мінімальний вміст нітратів частіше буває в овочах середнього розміру. Більшість дрібних плодів - переважно молоді рослини, для яких характерний надлишок нітратів, як запас на майбутнє. Незвично великі плоди - часто результат надлишкового харчування, в тому числі і азотного.        Обмежувати використання овочів і фруктів у харчуванні через небезпеку  нітратного отруєння не слід, це позбавить нас необхідних вітамінів. За вмістом нітратів зараз встановлюється суворий контроль в місцях виробництва овочів і на торгових базах. 

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Лук’янова Л.Б. Основи екології: Навчальний посібник -  К.: Вища шк., 2000.

– 327с.

2.                  Основи       загальної    екології:      Підручник/Г.О.Білявський,           М.М.Падун,

Р.С.Фурдуй. – 2-е вид., зі змінами. К.: Либідь, 1995. – 368с.

3.                  Клименко М.О., Прищепа А.М., Вознюк Н.Н. Моніторинг довкілля. Підручник, К. – Академія, 2006.

4.                  Иванцов Д.В. Агротехника природного земледелия на садовом участке./под научной редакцией профессора, д.б.н. Наплековой Н.Н. –К.: клуб органического земледелия, 2007. – 124 с.

5.                  Какое          удобрение лучше?       Сидераты!/ под.   ред.П.Н.Трофименко.

Справочник, 2-е изд. доп. – К.: К Земле с любовью, 2009. – 80 с.

6.                  Карпук С.Ю. Рік на дільниці (досвід органічного землеробства). – Науковопопулярне видання: Дніпропетровськ, 2007. – 164 с.

7.                  Біотехнології в екології: навчальний посібник/А.І.Горова, С.М.Лисицька, А.В.Павличенко, Т.В.Скворцова. – Д.: Національний гірничий університет, 2012. – 184с.

8.                  Хайнц А. Выращивание раннего картофеля./Пер. с нем. С.О.Эбель.- М.:

Агропромиздат, 1986. – 103 с.

9.                  Картопля: Енциклопедичний довідник / За ред. А.А. Бондарчука, М.Я.

Молоцького. — Біла Церква, 2009. — Т. 4. — 376 с.

10.             Справочник по овощеводству и бахчеводству/Сост. В.Д.Давыдов; Под ред. канд.с./х. наук В.П.Янатьева. – Донецк: Донбас, 1981. – 287 с.

11.             Хімія з основами біогеохімії. Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт з дисципліни студентами напряму підготовки 6.040106. Екологія та охорона навколишнього середовища./А.І.Горова, І.І.Клімкіна, С.М.Лисицька – Д.:Національний гірничий університет, 2017.- 31 с.

12.             Бессонова В.П. Методи фітоіндикації в оцінці екологічного стану довкілля: Навчальний посібник для студентів біологічних спеціальностей університетів. – Запоріжжя : ЗДУ, 2001. – 196 с.

13.             Димань Т.М., Мазур Т.Г. Безпека продовольчої сировини і харчових продуктів. Альма-матер/К.: «Академія» - 2011,520с.

14.Голубкина Н.А., Шамина М.А. Лабораторный практикум по экологии.– М. :

ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004. – 56 с.

15.Практикум по физиологии растений : учеб. пос. для студ. пед. вузов / В.Б. Иванов, И.В. Плотникова, Е.А. Живухина и др.; под ред. В.Б. Иванова. – 2-е изд., испр. – М.: Изд. центр «Академия», 2004. – 144 с.

16.             Рослинництво України. Статистичний збірник. Державна статистика України. К.-2016р.

17.             ДСТУ 4729:2007 Якість грунту. Визначання нітратного і амонійного азоту в модифікації ННЦ ІГА ім. О.Н.Соколовського. К.: Держспоживстандарт України, 2006

18.             ДСанПіН 4.4.2.030- 99 Державні санітарні правила і норми захисту продовольчої сировини та продуктів харчування від забруднення нітрозамінами

19.             Наказ №368 від 13.05.2013 року «Про затвердження Державних гігієнічних правил і норм «Регламент максимальних рівнів окремих забруднюючих речовин у харчових продуктах». – Міністерство охорони здоров’я України.

20.             ГОСТ 26107-84 Почвы. Методы определения общего азота.

21.             ГОСТ 18826-73 Вода питьевая. Методы определения содержания нитратов (переиздание - октябрь 2003 г).

22.             ДСанПіН 2.2.4-171-10 Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною. 

23.             ДСТУ 4948:2008 Фрукти. овочі та продукти їх перероблення. Методи визначення вмісту нітратів.

ДОДАТКИ

Додаток А

Таблиця 1.1

Середній вміст поживних речовин в 100г їстівної маси бульб столової картоплі

Таблиця 1.3

Виробництво основних сільськогосподарських культур в Україні (млн тон)

Таблиця 1.4 Посівні площі сільськогосподарських культур в Україні (тис. га)

Додаток Б

Таблиця 1.5

Агрохімічна характеристика рослин-сидератів

Таблиця 1.6

Вплив сидератів на показники ґрунту (незалежно від часу сівби)

В

15.06.2017р.

Дані для побудови калібрувального графіку для визначення нітратів на фотоколориметрі КФК-2МП (колориметр фотоелектричний концентраційний)

(С(𝑁𝑂₃⁻) = 0,01𝑀;   𝑉_заг = 50мл;    𝑉_ал = 25мл;    𝜆 = 400нм;    𝜄 = 5см)

                                                                 N                V (𝑁𝑂₃⁻)    C (𝑁𝑂₃⁻)    D

                       Проба15.06.2017р.         𝐷 = 1,21               С(𝑁𝑂₃⁻) = 1,65 мг⁄л

                      Проба 15.07.2017р.        𝐷 = 0,97               С(𝑁𝑂₃⁻) = 1,33 мг⁄л

                            Проба 15.08.2017р.        𝐷 = 1,12               С(𝑁𝑂₃−) = 1,52 мг⁄л

Г

Переведення величини рС(NО₃^ˉ) в вагову частину нітрату (мг/кг) при аналізі картоплі, моркви,

столових буряків, цибулі-ріпки . (аналіз витягу 1:5)

Д

         Петросян М. на Кафедрі хімії НГУ            Дослідження проби з дефеніламіном

         Наважка ґрунту для визначення рН               Доцент каф. хімії Лисицька С.М.

контролює процес фотометричного дослідження зразків

Іонометричне дослідження проби

Фотометричне дослідження проби води                         «Зелене добриво»