CC BY
40
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.PRIL.45-51 УДК 632.122.2
М. В. Слуковская1, И. П. Кременецкая1, И. А. Мосендз1, С. В. Дрогобужская1, Л. А. Иванова2
1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. В. И. Тананаева ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия
2 Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н. А. Аврорина ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия
РЕМЕДИАЦИЯ АНТРОПОГЕННО-НАРУШЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕРПЕНТИНСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
Аннотация
В статье представлены результаты полевых экспериментов по использованию серпентинсодержащих отходов для ремедиации техногенно-загрязненных территорий. Проведена оценка состояния почвенно-растительного покрова, включая мелиоративный эффект на почву, продуктивность и химический состав растений. Результаты исследования показывают, что предложенный способ ремедиации позволяет снизить экологическую нагрузку на техногенные ландшафты путем использования серпентинсодержащих отходов.
Ключевые слова:
серпентины, горнопромышленные отходы, тяжелые металлы, техногенная пустошь.
M. V. Slukovskaya1, I. P. Kremenetskaya1, I. A. Mosendz1, S. V. Drogobuzhskaya1, L. A. Ivanova2
11. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw
Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia 2 N. A. Avrorin Polar-Alpine Botanical Garden and Institute of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia
REMEDIATION OF MAN-MADE DISRUPTED AREAS USING SERPENTINE-CONTAINING MINING WASTES
Abstract
The article gives field study results on use of the serpentine-containing mining wastes for remediation arrangements at mining-polluted areas. The estimation of soil-vegetable cover condition, meliorative effect on the soil, productivity and chemical composition of vegetation cover are made. The results of the study show that the offered remediation method can reduce the environmental burden on the technogenic landscapes by using the serpentine-containing mining waste.
Keywords:
serpentine, mining waste, remediation, heavy metals, technogenic wasteland.
В умеренных и приполярных широтах Северного полушария сосредоточено большое количество предприятий цветной металлургии, оказывающих негативное воздействие на наземные экосистемы. На территории Мурманской области располагаются две техногенные пустоши [1], причиной образования которых стали аэротехногенные выбросы предприятий, содержащие сернистый газ, сульфаты, сульфиды, оксиды и металлическую пыль меди и никеля, что привело к накоплению больших концентраций тяжелых металлов в верхних слоях почвы, потере растительности, почвенного органического вещества, деградации и эрозии почвы [2, 3].
Для реабилитации почвы в условиях продолжающегося аэротехногенного воздействия целесообразной, с экономической и экологической точек зрения, является технология «мягкой» ремедиации in situ [4], где в качестве субстрата для растительного покрова могут использоваться производственные отходы [5]. Поскольку в регионе функционируют горнодобывающие предприятия, имеющие большие объемы отходов, содержащих серпентиновые минералы, использование таковых является перспективным направлением.
Полевые эксперименты по ремедиации почвенного и растительного покрова техногенных пустошей с использованием серпентинсодержащих отходов (ССО) были начаты в 2011-2013 гг. [6, 7]. Экспериментальные участки, находящиеся возле г. Мончегорск (67°55.783'N, 32°51.535'E) и г. Заполярный (69°24'2'N, 30°47'5'E), имеют эродированный почвенный горизонт, результатом длительного загрязнения является полное или частичное отсутствие растительного покрова.
Для эксперимента были выбраны участки с плоской поверхностью и однородным верхним грунтом. Площадь каждого участка составляла 1 м2; расстояние между участками — 0,5 м. Площадки были сформированы с использованием двух слоев минерального материала. Первый слой включал горнопромышленные отходы или карьерный песок, которые наносили на почву слоем 5 см (табл. 1). Песок (П) использовался в качестве контрольного варианта.
Таблица 1
Варианты эксперимента
Основные компоненты Количество Начало
Маркировка Материал Происхождение повторностей (n) эксперимента, год
Мончегорск
СМ Серпентинитомагнезит Вскрышные породы, Халиловское месторождение магнезита, Оренбургская область Хризотил, магнезит, доломит 9 2011
СГ Сунгулит Вмещающие породы, Хабозерское месторождение оливинита, Мурманская область Лизардит, хризотил, кальцит, доломит 2 2011
П Карьерный песок Мончегорск, Мурманская область - 8 2011
СОм Сунгулитовые отходы Вскрышные породы, месторождение флогопита, Ковдор, Мурманская область Лизардит, кальцит, вермикулит 3 2013
Заполярный
СОз Сунгулитовые отходы - - 3 2013
СОзм Сунгулитовые отходы на 5-ти см слое торфа из Мончегорска 2 2013
Второй слой был представлен вермикулитовым субстратом толщиной
1 см. Гидропонный слой вермикулитового субстрата является запатентованным материалом, полученным из вермикулита [8]. Растительный покров создан посевом семян в слой вермикулитового субстрата. Использовались травянистые растения Agropyron intermedium (Host.) Beauv., Festuca rubra L., Loliumperenne L., Phleum pratense L., смешанные в соотношении 1:1:2:2 по массе.
Отбор проб осуществлялся методом монолитов размером 10 х 10 см на глубину 10 см; монолит включал в себя растения, минеральный материал и слой торфяной почвы под ним [9]. Значения рН и концентрации химических элементов определены в двух слоях монолитов (почвенном и минеральном). В конце августа 2017 г. определена биомасса растительных образцов путем сенокошения четверти каждой площадки с последующим высушиванием до воздушно-сухого состояния и измерена высота растений. Химический анализ образцов почвы и растений выполнен в специализированной лаборатории Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья ФИЦ «КНЦ РАН» (Апатиты, Россия). Валовое содержание элементов в растениях было определено после автоклавного микроволнового разложения в системе SW4 в автоклавах DAK 100 (Бергхоф, Германия). Концентрации биодоступных форм элементов в почве определены по стандартной методике с использованием аммонийно-ацетатного буферного раствора (ААБ) (рН 4,65). Значения рН — с помощью потенциометрических измерений при соотношении почва:раствор 1:10 [10] для минеральных образцов и 1:25 для торфяных. Количество показателей биомассы растений, содержания химических элементов и значения рН соответствуют числу повторностей (табл. 1), количество измерений надземной части растений n = 10-44. Химический состав растений в вариантах эксперимента был определен для усредненного образца. Статистический и корреляционный анализ проводили в Excel 2016 и ANOVA Tukey HSD Test.
Результаты, полученные в результате исследования, показывают, что биомасса надземных органов растительного покрова, произрастающего в варианте СО в г. Заполярном, составляла более 1 кг/м2, а в г. Мончегорске — 0,64 кг/м2. В вариантах СМ и СГ биомасса была около 0,77 кг/м2. Толщина дернины во всех вариантах растительного покрова на ССО была примерно одинаковой — около 10 см (рис. 1). Растительный покров в варианте с песком характеризовался наименьшими биомассой (0,27 кг/м2) и толщиной дернины (4 см) и статистически значимо отличался по этим показателям от вариантов на ССО (ANOVA Tukey HSD-test, p < 0,05).
Высота растений имела довольно большой диапазон значений, что связано с неравномерностью распределения видов злаков в составе растительного покрова; средняя высота растений увеличивалась в ряду П (41 ± 8) - СО (42 ± 7) - СГ (43 ± 10) - СГз (48 ± 20) - СМ (51 ± 8).
Содержание макро- и микроэлементов в надземных органах растений не имело статистически значимых различий между вариантами эксперимента, то есть высоким значениям биомассы растительного покрова на отходах соответствовало поглощение эссенциальных элементов из техногенного грунта.
В то же время, отмечена активная аккумуляция растениями кремния в вариантах на ССО. Содержание кремния в растениях на ССО было более 4 г/кг, что статистически выше (ANOVA Tukey HSD-test, p < 0,01), чем на песке — менее
2 г/кг (рис. 2).
Рис. 1. Показатели развития растительного покрова (август 2017 г.)
[81], г/кг
6 -
4 2 0
□ Минеральный слой □ Растения
Рис. 2. Содержание Si в минеральном слое (ААБ рН 4,65) и надземной части растений
СО содержали наибольшие из изученных субстратов концентрации экстрагируемого с помощью ААБ кремния (более 2 г/кг), тогда как песок — на порядок меньше (0,2 г/кг). Концентрации элементов в почве также, как и рН, изменяются в течение года. Приведенные результаты описывают условия на момент начала вегетационного сезона, поскольку почвенные образцы были отобраны в июне, вскоре после схода снежного покрова (табл. 2).
Известно, что кремний повышает устойчивость растений к абиотическим стрессовым факторам, в том числе повышает фотосинтетическую активность и устойчивость к низким температурам, сильному ветру и токсическому действию тяжелых металлов [11]. Внесение кремниевых соединений позволяет сократить дозы КРК-удобрений [12], что может быть экономически выгодно при ремедиации больших по площади территорий. Доступность для растений кремния из серпентинсодержащих отходов является их важным благоприятным свойством для развития травяного покрова в присутствии ТМ в почве и атмосфере в условиях Арктической зоны.
Таблица 2
Содержание фитодоступных форм щелочных компонентов и значения рН в почвенном слое
Исходный материал Слой, см pHrno Mg, г/кг Ca, г/кг
среднее значение диапазон среднее значение SE среднее значение SE
СМ 0-5 8,1 8,0-8,2 7,07 1,04 1,58 0,04
5-10 6,6 6,2-6,9 3,04 0,27 2,45 0,19
СГ 0-5 8,2 - 21,32 3,20 5,47 0,82
5-10 7,3 - 5,45 0,82 2,22 0,33
СО 0-5 8,5 8,4-8,6 4,00 0,10 8,75 0,10
5-10 6,1 5,9-6,3 2,85 0,19 3,03 0,38
П 0-5 5,5 5,3-5,8 0,06 0,01 0,19 0,04
5-10 5 4,8-5,3 0,11 0,03 0,69 0,13
Примечания: 1. Слой 0-5 см соответствует техногенному горизонту, который возник из минерального исходного материала; слой 5-10 см — верхнему слою торфяной почвы.
2. SE — стандартная ошибка.
Серпентиновые материалы оказывали существенное влияние на нижележащий слой торфяной почвы, что видно при сравнении с вариантом П: указанные в таблице 2 характеристики статистически значимо (ANOVA Tukey HSD-test, p < 0,01) различались между вариантами с песком и с ССО. Серпентиновые материалы повышали рН нижележащей почвы, причем значения в опытах с ССО на 1-2,5 ед. превышают показатели, полученные для почвы под песком. Наибольший подщелачивающий эффект (до нейтральных значений рН) оказывал СГ. Также в почве под серпентиновыми материалами содержание Ca в 3-4 раза и Mg в 26-50 раз было больше, чем в почве под песком.
За время эксперимента (4 года для СО, 6 лет для СМ и СГ) серпентиновые материалы увеличили содержание в почве Ca в 3 раза, а Mg более чем в 30 раз по сравнению с содержанием в исходном грунте [13]. Песок за 6 лет эксперимента не оказал влияния на содержание макроэлементов в почве. Подщелачивающее действие материалов было обусловлено их минеральным составом: рН почвы под СГ увеличился на 3,7; под СМ — на 3,0; под СО — на 2,5; под П — на 1,4 по сравнению с исходной кислотностью (рН 3,6). Корреляционный анализ показал, что значения рН имеют высокие коэффициенты корреляции c магнием как в слое исходного материала (R = 0,84), так и в слое торфяной почвы (R = 0,89). Корреляция с кальцием была чуть ниже: R = 0,66 для верхнего слоя и R = 0,75 для нижнего слоя.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что в целом проявления мелиоративного и подщелачивающего эффекта являются взаимосвязанными процессами. Растворение соединений кальция и магния, входящих в состав серпентиновых материалов, и их миграция в нижележащую почву приводит, с одной стороны, к нейтрализации кислот в торфяной техногенной почве и увеличению рН, а с другой стороны, — к увеличению содержания доступных растениям макроэлементов.
Проведенные исследования показывают, что серпентинсодержащие отходы имеют минеральный состав и химические свойства, позволяющие использовать их в качестве основного компонента при формировании почвенных конструкций на территории техногенной пустоши.
Литература
1. Kozlov M., Zvereva E. (2007) Industrial Barrens: Extreme Habitats Created by Non-Ferrous Metallurgy Rev Environ Sci Biotechnol., 6:231-259.
2. Kashulina G. M., Kubrak A. N., Korobeinikova N. M. (2015) Soil Acidity Status in the Vicinity of the Severonikel Copper-Nickel Industrial Complex, Kola Peninsula. Eurasian Soil Science, 48 (4):432-444.
3. Lyanguzova I. V., Goldvirt D. K., Fadeeva I. K. Spatiotemporal Dynamics of the Pollution of Al-Fe-Humus Podzols in the Impact Zone of a Non-Ferrous Metallurgical Plant // Eurasian Soil Science. 2016. Vol. 49, no. 10. Pp. 1189-1203.
4. Koptsik G. N. (2014) Modern Approaches to Remediation of Heavy Metal Polluted Soils: a Review. Eurasian Soil Science, 47 (7): 707-722.
5. Huot H., Simonnot M.-O., Morel J.-L. (2015) Pedogenetic Trends in Soils Formed in Technogenic Parent Materials. Soil Science, 180 (4-5): 182-192.
6. Slukovskaya M. V., Kremenetskaya I. P., Ivanova L. A., Vasilieva T. N. (2017) Remediation in Conditions of an Operating Copper-Nickel Plant: Results of Perennial Experiment. Non-ferrous Metals, 2:20-26.
7. Slukovskaya M. V., Ivanova L. A., Kremenetskaya I. P., Gorbacheva T. T., Drogobuzhskaya S. V., Lashchuk V. V., Markovskaya E. F. (2018) Rehabilitation of Industrial Barren in Arctic Region Using Mining Wastes. The Open Ecology Journal, 11:1-13. DOI: 10.2174/1874213001811010001
8. Межд. з-ка WO2011084079, МПК6 A01B 79/02, A01G 1/00, 31/00. Method for Biologically Recultivating Industrial Wastelands / V. A. Kotelnikov, L. A. Ivanova; Vladimir Aleksandrovich Kotelnikov, Liubov Andreevna Ivanova. № W02010RU00001; заявл. 11.01.10; опубл. 14.07.11; приор. 11.01.10, № 2012117842 (РФ).
9. Böhm W. (1979) Methods of Studying Root Systems // Ecological Studies 33. Springer: Berlin. 191 p.
10. Carter M. R., Gregorich E. G. (2007) Soil Sampling and Methods of Analysis, Second Edition. CRC Press. 1264 p.
11. Liang Y., Sun W., Zhu Y-G., Christie P. (2007) Mechanisms of Silicon-Mediated Alleviation of Abiotic Stresses in Higher Plants: a Review. Env Poll 147:422-428.
12. Матыченков В. В. Роль подвижных соединений кремния в растениях и системе почва-растение: автореф. дисс. ... к. б. н.: 03.00.12, 03.00.27. Пущино, 2008. 34 с.
13. Слуковская М. В., Иванова Л. А., Горбачева Т. Т., Дрогобужская С. В., Иноземцева Е. С., Марковская Е. Ф. Изменение свойств техногенно загрязненного грунта при использовании карбонатитового мелиоранта в зоне воздействия медно-никелевого комбината // Труды Карельского научного центра РАН. 2013. № 6. С. 133-141.
Сведения об авторах
Слуковская Марина Вячеславовна,
кандидат биологических наук
ИХРЭМС ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия, e-mail: kremen.mv@gmail.ru
Кременецкая Ирина Петровна,
кандидат технических наук
ИХРЭМС ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия, e-mail: kremen@chemy.kolasc.net.ru
Мосендз Ирина Александровна,
аспирант
ИХРЭМС ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия, e-mail: mosendz@chemy.kolasc.net.ru
Дрогобужская Светлана Витальевна,
кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник
ИХРЭМС ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия, e-mail: Drogo_sv@chemy.kolasc.net.ru
Иванова Любовь Андреевна,
доктор биологических наук
Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н. А. Аврорина ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия, e-mail: ivanova_la@inbox.ru
Slukovskaya Marina Vyacheslavovna,
PhD (Biology)
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia, e-mail: kremen.mv@gmail.ru
Kremenetskaya Irina Petrovna,
PhD (Engineering)
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia, e-mail: kremen@chemy.kolasc. net.ru
Mosendz Irina Alexandrovna,
Postgraduate
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia, e-mail: kremen@chemy.kolasc. net.ru mosendz@chemy.kolasc. net. ru
Drogobuzhskaya Svetlana Vitalevna,
PhD (Chemistry), Associate Professor, Senior Researcher
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia, e-mail: Drogo_sv@chemy.kolasc.net.ru
Ivanova Liubov Andreevna,
Dr. Sc. (Biology)
N. A. Avrorin Polar-Alpine Botanical Garden and Institute of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia, e-mail: ivanova_la@inbox.ru
DOI: 10.25702/^^2307-5252.2018.9.1.PRIL.51 -56 УДК 661.882.22.14
Г. О. Самбуров, Ю. Г. Киселев
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. В. И. Тананаева ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНА ИЗ ОБОГАЩЕННОЙ СФЕНИТОВОЙ РУДЫ
Аннотация
В статье представлены результаты исследований по усовершенствованию технологии химического обогащения сфенитовой руды с использованием в качестве реагентов растворов серной и соляной кислот. Содержание ТО2 в очищенном концентрате при химическом обогащении повышается в 1,3-1,5 раза и составляет 27,8-30,5 мас.%. Изучена возможность применения для повышения скорости разделения жидкой и твердой фаз различных флотореагентов. Полученные концентраты использовались для получения сульфатных солей титана.
Ключевые слова:
сфен, сфенитовые линзы, химическая очистка, разложение концентрата, кристаллизация титановых солей.
