ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЕ ПОД ВЛИЯНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ

Полный текст

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.

Об авторах

А С Чердакова

Рязанский государственный университет им. С.А. Есенина

ул. Свободы, 46, Рязань, Россия, 390000

С В Гальченко

Рязанский государственный университет им. С.А. Есенина

ул. Свободы, 46, Рязань, Россия, 390000

Ю А Мажайский

Рязанский государственный университет им. С.А. Есенина

ул. Свободы, 46, Рязань, Россия, 390000

Список литературы