CHANGE OF MOBILE FORMS OF HEAVY METALS IN GRAY FOREST SOILS UNDER THE INFLUENCE OF HUMIC PREPARATIONS OBTAINED USING DIFFERENT TECHNOLOGIES

Abstract


The article presents the results of experimental studies evaluating the effect of humic preparations obtained using different technologies in the content of mobile forms of heavy metals in contaminated gray forest soil. Analyzed humic preparations obtained by classical alkaline extraction technology and innovative ultrasonic cavitation technology of peat. The drugs were added to the gray forest soil artificially contaminated with heavy metals - zinc, lead, cadmium and copper. The humic preparations determined by the concentration of the active substance - the content of humic and fulvic acids. It was found that ultrasonic cavitation technology allows to obtain a more concentrated formulation as compared with the alkaline extraction technology. It was established experimentally that the concentration of mobile forms of heavy metals in the soil is reduced by using humic substances obtained by cavitation technology. These drugs help reduce the concentration of mobile forms 5-15% copper, 50% zinc, 25-30% lead, 5-15% cadmium.The preparations obtained according to the traditional alkaline peat extraction technology, by contrast, increases the mobility of heavy metals. Perhaps the reason for this phenomenon is due to the peculiarities of the chemical composition of the studied drugs. The basis of preparations obtained by cavitation technique lie fulvic and humic acids. They form inactive complexes with heavy metals. The basis of preparations obtained by alkaline technology - soluble potassium humates and fulvates. They can form soluble complexes of heavy metals, thereby increasing their mobility. But the soluble complexes are not stable over time and can be destroyed, with the release of heavy metals.The experimental results were analyzed one year after the laying of the experience.

Одной из важнейших экологических проблем современности является про- блема деградации почв. Среди процессов, приводящих к ухудшению качества почв, наиболее масштабным и распространенным выступает загрязнение ее раз- личными поллютантами, в том числе и тяжелыми металлами, представляющими большую опасность для окружающей среды и человека [2; 4].Особенно актуальна данная проблема для почв регионов России, где длитель- ное и интенсивное антропогенное воздействие послужило причиной существен- ного ухудшения экологического состояния почв на большей части их территории. Ярким примером в данном случае могут служить серые лесные почвы, зоны рас- пространения которых в РФ являются важнейшими промышленными и сельско- хозяйственными районами страны, характеризующимися высокой техногенной нагрузкой на все компоненты окружающей среды, в том числе и почвы.Практически во всех регионах распространения серых лесных почв (Централь- ный, Северо-Кавказский, Приволжский, Уральский и Сибирский Федеральные60Чердакова А.С., Гальченко С.В., Мажайский Ю.А. Изменение содержания подвижных форм...округа РФ) наблюдается превышение в них фоновых концентраций тяжелых ме- таллов [3], причем вокруг крупных городов, техногенных объектов, автомаги- стралей формируются зоны устойчивого загрязнения почвы тяжелыми металла- ми, уровень которого по величине суммарного показателя концентрации (Zc) характеризуется как «опасный» и «чрезвычайно опасный» [4].Данные факты указывают на необходимость проведения комплексных научно обоснованных практических мероприятий по восстановлению, детоксикации и охране техногенно измененных серых лесных почв, в целях обеспечения эколо- гической безопасности и рационального природопользования на территории ре- гионов их распространения.В настоящее время в научной литературе приводятся сведения о высокой эф- фективности применения гуминовых препаратов на основе торфа в целях вос- становления техногенно нарушенных почв [7; 9; 11], при этом технологии их получения активно совершенствуются. Как альтернатива традиционным щелоч- ным технологиям появляются инновационные - кавитационные, которые вви- ду ряда преимуществ широко распространяются на мировом и отечественном рынке, но еще не имеют под собой необходимой фундаментальной научной базы [9; 12].В этой связи научный поиск эффективных способов восстановления и деток- сикации техногенно измененных серых лесных почв с использованием гуминовых препаратов, полученных с применением различных технологий, представляет не только теоретический интерес, но и имеет важное практическое значение.Целью наших исследований являлась оценка влияния гуминовых препаратов, полученных с применением различных технологий, на содержание подвижных форм тяжелых металлов в техногенно измененной серой лесной почве.Материалы и методы исследованияАнализируемые в ходе исследования гуминовые препараты были получены на установке, разработанной и изготовленной ФГБНУ «Всероссийский научно-ис- следовательский институт механизации и информатизации агрохимического обе- спечения сельского хозяйства» (ФГБНУ ВНИМС). Данная установка представ- ляет собой блочно-модульный комплекс, с помощью которого возможно получать гуминовые препараты на основе торфа по традиционной технологии щелочной экстракции сырья и инновационной технологии ультразвукового кавитационно- го диспергирования торфяной суспензии, а также в их сочетании.При получении гуминовых препаратов щелочной экстракцией первоначально торф измельчался в жидкой среде с помощью установки роторно-инерционного действия до размера частиц 150-100 мкм. Полученная таким образом суспензия направлялась в реактор, где в качестве реагента добавлялась щелочь (гидроксид калия) и в условиях нагрева (до 60-70 °С) и перемешивания (140 об/ мин.) осу- ществлялся процесс щелочной экстракции. Далее продукт подвергался много- ступенчатой очистке.При ультразвуковом кавитационном диспергировании приготовленная с по- мощью роторно-инерционной установки торфяная суспензия обрабатывалась в61Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 4диспергаторе воздушным потоком, создаваемым газоструйным генератором, и далее направлялась на фильтрующее устройство.Оценка влияния исследуемых гуминовых препаратов на содержание подвиж- ных форм тяжелых металлов в техногенно измененной серой лесной почве осу- ществлялась в условиях модельного вегетационного эксперимента, где была смо- делирована третья категория загрязнения (по суммарному коэффициенту загряз- нения Zc) серой лесной почвы тяжелыми металлами (цинк, свинец, кадмий, медь) - «опасная». Для закладки данного эксперимента были отобраны образцы серой лесной почвы с участка, не подверженного прямому техногенному воздей- ствию, с фоновым содержанием анализируемых тяжелых металлов (цинк, свинец, кадмий, медь). Моделирование искусственного загрязнения тяжелыми металла- ми осуществлялось путем внесения в сосуды с почвой их водорастворимых солей: 3CdSO4×8H2O, Pb(NO3)2, ZnSO4×7H2O, CuSO4×5H2O. Опыт включал в себя ва- рианты обработки почвы анализируемыми гуминовыми препаратами, каждый из которых применялся в виде 0,01% раствора. Контролем служили почвенные об- разцы серой лесной почвы без обработки гуминовыми препаратами. Повторность на всех вариантах опыта - четырехкратная. Съемка опыта производилась через год после закладки.Содержание подвижных форм тяжелых металлов в серой лесной почве опре- делялось по общепризнанной методике путем их извлечения ацетатно-аммоний- ным буферным раствором с рН 4,8 и последующим определением методом атом- но-абсорбционной спектрометрии с пламенной атомизацией [8].Результаты исследования и их обсуждениеНезависимо от технологии извлечения общим для всех гуминовых препаратов является содержание действующих компонентов, определяющих их биологиче- скую и химическую активность - гуминовых и фульвовых кислот, концентрация которых определялась пирофосфатным методом Кононовой-Бельчиковой во всех исследуемых нами препаратах (табл. 1).Гуминовые препараты, используемые при проведении исследованийТаблица 1Наименование препарата«Гумат калия»«Эдал-КС»*«Питер-Пит»*«Ультрагумат»Сырьенизинный торфТехнология получениящелочная экстракция (с ис- пользованием КОН)сочетание щелочной экстракции и ультра- звуковой кавитацииультразвуковая кави- тацияСумма гуминовых и фульвовых кислот, г/л20,026,030,065,0Товарные гуминовые препараты, широко представленные на российском рынке.Из данных, представленных в таблице, следует, что в препаратах, произведен- ных с использованием кавитационной обработки, по сравнению с щелочно-экс- трагируемыми препаратами концентрация гуминовых и фульвовых кислот в 1,5-3 раза выше.62Чердакова А.С., Гальченко С.В., Мажайский Ю.А. Изменение содержания подвижных форм...В условиях модельного вегетационного эксперимента исследовалось влияние всех анализируемых препаратов на содержание подвижных форм тяжелых метал- лов в техногенно измененной серой лесной почве. Так, концентрация подвижных соединений меди на вариантах опыта с внесением щелочно-экстрагируемых гу- миновых препаратов увеличивалась, при этом максимальный эффект был отме- чен при использовании препарата «Эдал-КС» (рис. 1).Рис. 1. Изменение содержания подвижных форм меди по сравнению с контролемВыявлено, что снижению содержания подвижной меди способствует внесение препаратов «Питер-Пит» и «Ультрагумат», полученных на основе кавитационной технологии. При этом наиболее выраженное действие оказал препарат «Ультра- гумат», его использование на серой лесной почве позволило снизить подвижность меди на 15% по сравнению с контролем.Экспериментальным путем установлено разнонаправленное действие анали- зируемых гуминовых препаратов и на содержание подвижных форм цинка в за- грязненной тяжелыми металлами серой лесной почве (рис. 2).Так, если препараты «Гумат калия» и «Эдал-КС» способствуют увеличению содержания подвижного цинка, то препараты «Питер-Пит» и «Ультрагумат» ока- зывают противоположный эффект. При этом максимальное иммобилизующее действие отмечается при использовании «Ультрагумата», на вариантах опыта с внесением которого наблюдается снижение содержания подвижного цинка до 50% по сравнению с контролем.В ходе проведения исследований отмечалось возрастание содержания под- вижных соединений свинца под воздействием препаратов «Гумат калия» и «Эдал- КС» (рис. 3).При внесении в техногенно измененную серую лесную почву препаратов«Питер-Пит» и «Ультрагумат», напротив, наблюдалось снижение содержания подвижного свинца на 15-25%.63Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 4Рис. 2. Изменение содержания подвижных форм цинка по сравнению с контролемРис. 3. Изменение содержания подвижных форм свинца по сравнению с контролемЗа исключением препарата «Эдал-КС», все анализируемые гуминовые пре- параты способствовали снижению содержания подвижного кадмия в техногенно измененной серой лесной почве (рис. 4).Максимальный эффект отмечен в варианте опыта с использованием «Ультра- гумата», полученного кавитационным методом, где концентрация подвижного кадмия на 15% ниже, чем на контроле.64Чердакова А.С., Гальченко С.В., Мажайский Ю.А. Изменение содержания подвижных форм...Рис. 4. Изменение содержания подвижных форм кадмия по сравнению с контролемНа основании изложенных экспериментальных данных можно сделать вывод о разнонаправленном действии исследуемых гуминовых препаратов на содержа- ние подвижных соединений тяжелых металлов в техногенно измененной серой лесной почве. При этом препараты, произведенные с применением технологии ультразвуковой кавитации («Питер-Пит», «Ультрагумат»), снижают содержание подвижных форм тяжелых металлов, тогда как щелочно-экстрагируемые препа- раты («Гумат калия», «Эдал-КС»), напротив, увеличивают.Традиционно считается, что внесение в почву органических удобрений, в том числе и гуминовых препаратов, в большинстве случаев способствует снижению подвижности тяжелых металлов, препятствуя тем самым их миграции в другие природные среды (поверхностные и грунтовые воды, материнские породы и др.) и по трофической цепи экосистемы [7; 9; 11]. Основная причина данного явления заключается в образовании малоподвижных комплексов тяжелых металлов с гу- мусовыми кислотами. Однако может наблюдаться и обратный эффект - увели- чение миграционной активности тяжелых металлов при внесении гуминовых препаратов, так как многие органо-минеральные комплексы характеризуются высокой водорастворимостью [1; 5; 7]. Направленность и выраженность указан- ных процессов зависит от множества факторов: от молекулярной структуры гу- мусовых кислот, физико-химических и биологических свойств почвы.Как уже было отмечено, снижению подвижности тяжелых металлов в модель- ном опыте с серой лесной почвой способствуют препараты «Питер-Пит» и «Уль- трагумат», произведенные с применением технологии ультразвуковой кавитации, которые характеризуются максимальными концентрациями гуминовых и фуль- вовых кислот. При этом щелочно-экстрагируемые препараты «Гумат калия» и«Эдал-КС», с гораздо меньшим содержанием гуминовых и фульвовых кислот, положительного действия на процессы иммобилизации тяжелых металлов в по- чве не оказали.65Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 4Нами было установлено, что внесение препаратов «Гумат калия» и «Эдал-КС», произведенных по технологии щелочной экстракции, способствует увеличению содержания подвижных форм всех анализируемых тяжелых металлов в экспери- менте. Полученные результаты находят подтверждение и объяснение в специ- альной литературных. Так, в работах Е.Б. Зубченко, Т.И. Боковой, В.А. Касати- кова и других авторов приводятся данные об увеличении подвижности тяжелых металлов в почве под влиянием традиционного гумата калия [1; 5; 6]. Ряд иссле- дователей отмечают, что гуматы калия, натрия и аммония ввиду их высокой рас- творимости могут образовывать как подвижные, так и малоподвижные соедине- ния с тяжелыми металлами, но устойчивость последних крайне низка [5; 6; 10].Также в литературе приводятся сведения о разрушении металл-гумусовых ком- плексов спустя один-два года после внесения гуматов, что, соответственно, при- водит к высвобождению тяжелых металлов и повышению концентрации в почве их подвижных форм [5; 10]. Данное явление могло послужить причиной наблю- даемого нами увеличения содержания подвижных форм тяжелых металлов на вариантах опыта с внесением щелочно-экстрагируемых препаратов через год по- сле закладки модельного эксперимента. Многие ученые придерживаются мнения о том, что использование высокорастворимых гуматов калия в целях мелиорации загрязненных почв неэффективно и альтернативу им представляют непосред- ственно препараты гумусовых кислот, т.е. препараты, полученные без применения щелочных реагентов (в нашем случае - препарат «Ультрагумат») [1; 5].ЗаключениеТаким образом, гуминовые препараты, полученные с применением различных технологий и в разных концентрациях, неодинаково влияют на содержание под- вижных соединений тяжелых металлов в техногенно измененной серой лесной почве. Препараты, полученные с применением технологии ультразвуковой ка- витации, снижают содержание подвижных форм тяжелых металлов по сравнению с контрольным вариантом опыта на 15-50%, что позволяет их рассматривать как перспективные рекультиванты почв, загрязненных данными токсикантами. В ходе проведенных исследований установлено, что препараты, полученные нами на основе щелочной технологии, увеличивают подвижность тяжелых металлов. Не- смотря на то, что возможность применения гуминовых препаратов в целях вос- становления почв, загрязненных тяжелыми металлами, изучается несколько де- сятков лет, отсутствие четких закономерностей действия препаратов, полученных по различным технологиям, на экологическое состояние почв и противоречивость имеющихся литературных данных обусловливают необходимость проведения дальнейших исследований в данной области.

A S Cherdakova

Ryazan State University named for S. Yesenin

Svobody str., 46, Ryazan, Russia, 390000

S V Galchenko

Ryazan State University named for S. Yesenin

Svobody str., 46, Ryazan, Russia, 390000

Ju A Mazhajskij

Ryazan State University named for S. Yesenin

Svobody str., 46, Ryazan, Russia, 390000

Views

Abstract - 151

PDF (Russian) - 82


Copyright (c) 2016 Чердакова А.С., Гальченко С.В., Мажайский Ю.А.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.