CC BY
15
УДК 551.4.02
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПОЧВОГРУНТОВ
О.И. Борискин, С.Н. Ларин, Г.А. Нуждин, И.В. Муравьева
Обсуждены вопросы применения предложенной методики ионометрического определение фтора с твердокристаллическим фторидселективным электродом в образцах искусственных почвенных смесей - почвогрунтов. Правильность результатов определения подтверждена сопоставлением с результатами, полученными независимой стандартизованной методикой. Проведено сопоставление полученных результатов ио-нометрического определения фтора в уличных городских почвогрунтах с нормируемыми значениями содержания фтора.
Ключевые слова: почва, почвогрунт, фтор, экологический контроль, иономет-
рия.
Экологические проблемы городов связаны с чрезмерной концентрацией на сравнительно небольших территориях населения, транспорта и промышленных предприятий, с образованием антропогенных ландшафтов, очень далеких от состояния экологического равновесия. Растительный покров городов практически полностью представлен парками, газонами, цветниками, аллеями. Развитие зеленых насаждений городов протекает в искусственных условиях и постоянно поддерживается человеком. Важным мероприятием по сохранению хорошего состояния зеленых насаждений является регулирование рекреационной нагрузки [1]. Почва - важнейший компонент для формирования здоровой окружающей среды. Высокий уровень воздействия человеческой деятельности на почвы в условиях современных мегаполисов приводит к их деградации, ухудшению полезных свойств, снижению средозащитных функций. В городских почвах, наследующих химический состав снега, происходит трансформация их физико - химических свойств. Известно, что испарение с поверхности грунтовых вод является самым важным фактором засоления почв [2].
Антропогенная галогенизация почв мегаполисов приводит к экологически опасным последствиям [3]. Например, многолетнее и интенсивное использование противогололедных реагентов на дорогах Москвы привело именно к таким экологически опасным последствиям для исходно незасо-ленных почв. Они антропогенно галогенизированы и осолонцеваны, что не характерно для гумидной зоны [4]. Важно отметить, что интенсивность воздействия отдыхающих зависит не только от величины рекреационной нагрузки, но нередко даже в большей степени от сочетания природных факторов. Так, в нижней части коренного берега Волги на среднесуглинистых почвах при корнедоступных грунтовых водах 20-летние тополевые культуры и 50-летние насаждения вяза приземистого, несмотря на очень высокую рекреационную нагрузку (проективное покрытие травянистой растительностью менее 40 %), имели вполне удовлетворительное состояние [1].
В настоящее время при проведении работ по озеленению и благоустройству городов используют в основном искусственные почвенные смеси (почвогрунты), вывозимые с участков земель сельхозназначения или искусственно созданные грунты низкого качества, в том числе торфо-песчаные смеси, а также органические и минеральные удобрения, отходы производства, древесные опилки [5, 6]. Как показывают результаты исследований почвогрунтов, наиболее популярны низкокачественные огородные почвы и торфо-песчаные смеси. Агрохимическая ценность подобных земель не велика и плодородный потенциал приходит в негодность за несколько лет, причем наиболее резкое сокращение запасов наблюдают обычно в первый год после создания - до 30 % от исходного значения [7]. В целях контроля санитарного состояния почв в местах пребывания человека используют специальную номенклатуру показателей [8]. В целях повышения качества в системе цветочного оформления города Улан-Удэ использовали питательные почвогрунты. По результатам исследования было отмечено, что как по количеству всходов, так и по скорости роста и развития растений выбор почвогрунта играет существенную роль [9]. Правительством Москвы было принято постановление №514-ПП «О повышении качества почвогрун-тов в городе Москве». В данном документе указаны требования к качеству материла, которые предполагается использовать на территории городов для создания и содержания зеленых насаждений [10].
Искусственные почвенные смеси представляют собой многокомпонентные смеси, обеспечивающие нормальный рост и развитие растений. В искусственных почвогрунтах на основе котлованных грунтов идут те же процессы, что и в естественных почвах, поэтому они могут полностью заменить естественно-исторические почвы крупных городов. Почвогрунты состоят из трех главных компонентов: котлованный грунт (покровный суглинок, флювиогляциальные пески, аллювиальный суглинок), биокомпост, полученный методом твердофазной аэробной ферментации из органических отходов (торф, листья древесных культур, опилки и пр.), минеральные азотные удобрения. К нормативным показателям качества искусственных почвенных смесей (почвогрунтов) относят содержание органического вещества, элементов питания (общий азот, обменный калий, подвижный фосфор), тяжелых металлов (цинк мышьяк, кадмий, медь, ртуть, свинец, никель), фтора, хлора, реакция среды рН и другие [11].
Фтор является одним из серьезных загрязняющих компонентов. Он обладает высокой химической активностью, образует целый ряд соединений 1-11 класса опасности. Фтористые соединения, находящиеся в почвах, изменяют их физико-химические и биологические свойства, нарушают нормальное функционирование [12, 13]. Таким образом, актуальность определения фтора в почвогрунтах связана с необходимостью контроля и охраны окружающей среды. Поэтому в целях выполнения комплексных требований объ-
ектом исследования данной работы являлись искусственные почвенные смеси (почвогрунты).
Проблема, прежде всего заключается в многолетней тенденции накопления фтора в верхнем слое почвы [14]. Накапливаясь в почве, фтор поглощается растениями, беспозвоночными, и далее по трофической цепи попадает в организм млекопитающих и человека. Фтористые соединения, попадая в организм человека по пищевой цепи почва-растения-вода-человек, участвуют в биохимических процессах, играют важную роль как в адаптации организма в нормальном, так и при патологическом состоянии. Без них в оптимальных дозах не могут протекать жизненные процессы в организме человека. Определение содержания этих элементов и их соединений в объектах биосферы может позволить специалистам, в частности, медицинским диагностировать и предупреждать развитие заболеваний человека, связанных с их недостатком или избытком, обмен веществ [15].
Разработка экспрессных и недорогих по стоимости методик определения фтора актуальна для анализа техногенных объектов, в том числе для контроля содержания фтора в искусственных почвенных смесях. Физические методы определения фтора, основанные на возбуждении различных спектров излучения, позволяют определять его непосредственно в исходном твердом материале, однако имеют ряд ограничений [16-19]. Методы нейтронно-активационного анализа и протонно-индукционной у-спектрометрии достаточно чувствительны, но требуют высоко гомогенной пробы и малых навесок, что существенно снижает представительность пробы. Использование рентгенофлуоресцентного анализа [20] для определения не дает положительных результатов. Будучи легким элементом, фтор характеризуется мягким рентгеновским излучением, которое сильно поглощается окружающей средой. Это не позволяет надёжно определять низкие содержания фтора методом рентгенофлуоресцентного анализа. Кроме того, для точного количественного определения фтора этим методом необходимы адекватные стандартные образцы [20].
Электрохимический метод с использованием ионоселективных электродов - ионометрия - отличается низкой стоимостью, экспрессностью и простотой выполнения. Ионоселективные электроды обладают такими характеристиками, как быстродействие, селективность (избирательность), широкий диапазон определяемых концентраций. Применение ионоселектив-ных электродов является одним из современных направлений эколого аналитического контроля различных производств [16, 21, 22].
В работе использовали следующее оборудование: фторидселектив-ный электрод «Эком^», фирмы «ЭКОНИКС» (Москва); электрод сравнения хлоридсеребряный, марки ЭВЛ-1М3.1; иономер «Эксперт 001», фирмы «ЭКОНИКС» (Москва), позволяющий производить автоматический расчет концентрации ионов; электронные весы Асси1аЬ. Объектами исследования были искусственные почвенные смеси (почвогрунты), отобранные с улицы
города Москвы. Пробы с двух мест на одной улице отбирали пластиковой лопаткой каждую в отдельную картонную коробку. Пробы измельчали, высушивали и пропускали через сито. Далее почвогрунт высыпали на пластиковой поднос, перемешивали и распределяли тонким слоем. Пробу на исследование отбирали из нескольких мест подноса и истирали в ступке. Затем эти пробы почвогрунтов массой 10 г помещали в конические колбы и добавляли 50 дм воды. Почвогрунт с водой перемешивали круговыми движениями, оставляли стоять на ночь. На следующий день проводили фильтрование.
Электрохимические исследования с ионселективным электродом выполняли на фоне буферного раствора, регулирующего ионную силу. Буферный раствор для фторидселективного электрода предназначен регулировать постоянство коэффициента активности иона фтора, поддерживать концентрацию водородных ионов, не влияющую на электрод, и маскировать мешающие сопутствующие катионы алюминия, железа, кальция, магния и других металлов [23]. В настоящей работе использовали раствор, содержащий 0,84 моль/л цитрата натрия (Ка3С6Н507) и 0,0083 моль/дм этилендиа-минтетраацетата натрия (С1оН1408К2Ка2^2Н20 - трилон Б). Аналогичные составы буферных растворов применяли также в других работах [16, 22, 24]. При смешивании водной вытяжки почвогрунта с указанным буферным раствором в соотношении 1:1 получали среду с рН 6,2...6,5. Концентрацию фтора в пробе находили по градуировочному графику. Градуировочные
2 3 4 5 3 1
растворы (10- ; 10- ; 10- ; 10- моль/дм ) готовили из раствора соли NaF (10-моль/дм ) на таком же фоне, как и растворы проб.
Результаты определений фтора в почвогрунтах с московской улицы, полученных по предложенной методике (п=10, Р=0,95), составили 0,83±0,17 и 1,23±0,18 мг/дм . Для объективного сравнения в качестве стандартизованной методики для проверки правильности предложенного определения фтора использовали методику с более сложным составом буферного раствора, содержащим трилон Б, хлорид натрия, ледяную кислоту, нитрат лантана, фторид натрия. Результаты определения фтора в почвогрунтах с московской улицы, полученных по стандартизованной методике (п=10, Р=0,95), составили 0,80±0,17 и 1,17±0,18 мг/дм3.
Содержание фтора в исследованных образцах почвогрунтов, полученных по стандартизованной методике и по предложенной более простой методике, совпали. Следовательно, более простое и экспрессное выполнение определения фтора в искусственных почвенных смесях по предложенной методике позволяет рекомендовать её для экологического контроля почвогрунтов.
Также провели сравнение полученных данных по содержанию фтора с нормируемыми значениями для образцов почвогрунтов [11]. Для всех серий образцов полученные значения результатов ионометрического определения фтора в водорастворимой форме находились в пределах 4,10.6,15
мг/кг. Величина ПДК по ГН 2.1.7.2041-06 и СанПиН 42-128-4433-87 составляет 10,0. На основании этих данных можно сделать вывод, что содержание фтора в исследованных образцах не превышает установленного нормируемого значения, что соответствуют экологическим требованиям, предъявляемым к искусственным почвенным смесям (почвогрунтам) в отношении содержания фтора. В опубликованных источниках отмечали, что при исследовании образцов почвы пробной площадки у Ярославского шоссе (придорожная территория Московской области) содержание подвижной формы фтора было определено в интервале 0,6...2,0 мг/кг [13].
Заключение
В связи с ежегодно увеличивающейся потребностью в почвогрунтах городского хозяйства городов и особенно мегаполисов объемы завозимых почвогрунтов для целей озеленения с каждым годом возрастают, повышая актуальность для рынка почвогрунтов вопрос качества завозимых партий. Предложенная экспрессная и простая в исполнении методика ионометриче-ского определения фтора в почвогрунтах позволяет контролировать безопасность искусственных почвенных смесей при последующем их использовании для озеленения городов и мегаполисов. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем при проработке вопроса об актуализации или пересмотре действующих стандартизованных методик экологического контроля искусственных почвенных смесей (почвогрунтов).
Список литературы
1. Анопин В.Н. Ландшафтно-архитектурный подход к планированию зеленого строительства в урболандшафтах аридной зоны // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер. «Строительство и архитектура». 2017. № 47 (66). С. 328-338.
2. Seitkaziev A.S., Salybaev S.Zh., Baisalbayeva R. Determination of evaporation from the surface of ground water depending on the mechanical composition of a ground soil // Theoretical & Applied Science. 2019. № 6 (74). P. 559-562.
3. The distribution characteristics of halogen elements in soil under the impacts of geographical backgrounds and human disturbances / H. Yu, R.-X. Du, Z.-M. Shi, Z.-W. He, B. Kong // Geoderma. 2017. Т. 305. P. 236-249.
4. Никифорова Е.М., Кошелева Н.Е., Хайбрахманов Т.С. Экологические последствия применения противогололедных реагентов для почв Восточного округа Москвы // Вестник Московского университета. Серия 5: «География». 2016. № 3. С. 40-49.
5. Смесь почвенная для рекультивации нарушенных земель. Патент на изобретение RU 2712523 C1, 29.01.2020. Заявка № 2019110936 от 12.04.2019.
6. Использование смеси осадков сточных вод и отходов лесоперерабатывающего производства как почвенного субстрата для рекультивации нарушенных земель / А.М. Борматенков, Е.О. Графова, М.И. Зайцева, В.С. Сюнёв // Resources and Technology. 2020. Т. 17. № 2. Р. 97-113.
7. Анализ потоков и запасов углерода почвенных конструкций на основе торфо-песчаных смесей для оценки устойчивости газонных экосистем /
B.И. Васенев [и др.] // Сб. науч. тр. V Междунар.науч. экологич. конф., посвященной 95-летию Кубанского ГАУ «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства». 2017. С. 82 -84.
8. ГОСТ Р 58486-2019. Почвы. Номенклатура показателей санитарного состояния. М.: Стандартинформ, 2019. 7 с.
9. Поломошнова Н.Ю., Кисова С.В. Использование питательных почвогрунтов и стимуляторов роста при выращивании цветочных культур. // Сб. науч.тр. XIV Междунар. науч.-практич. конф. «Аграрная наука -сельскому хозяйству. 2019. С. 237-238.
10. Постановление Правительства Москвы от 27.07.2004 № 514-ПП «О повышении качества почвогрунтов в городе Москве» с изменениями на 25 октября 2011 года.
11. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти. № 10. 06.03.2006.
12. Fuge R. Fluorine in the environment, a review of its sources and geochemistry // Applied Geochemistry. 2019. Т. 100. P. 393-406.
13. Фтор в почвах придорожных территорий Московской области / Д.Б. Петренко [и др.] // Вестник Московского государственного областного университета. Сер. «Естественные науки». 2013. № 4. С. 75-79.
14. Полонский В.И., Полонская Д.Е. Фторидное загрязнение почвы и фиторемедиация // Сельскохозяйственная биология. 2013. Т. 48. № 1. С. 314.
15. Абакарова А.М., Гитинова П.Ш., Яхияев М.А. Фтористые соединения и тяжелые металлы в почвах и растениях сулакской дельтовой равнины // Уральский медицинский журнал. 2020. № 10 (193). С. 188-192.
16. Murav'eva I.V., Bebeshko G. I. Monitoring Fluorine in Metallurgical Fuel. Steel in Translation. 2019. Vol. 49. No. 5. 296-299.
17. Модификация поверхности термоядерных материалов при воздействии потоков плазмы и энергичных частиц / Гуреев В.М. [и др.] // Сб. науч. тр. XLVI Междунар. конф. по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Звенигород, 2019. С. 82.
18. Гелий в вольфраме после облучения ионами высокой энергии и плазмой / Хрипунов Б.И. [и др.] // Сб. науч. тр. XLVII Междунар. конф.по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Звенигород, 2020.
C.67.
19. Kosek F., Culka A., Jehlicka J. Field identification of minerals at burning coal dumps using miniature Raman Spectrometers // Journal of Raman Spectroscopy. 2017. Т. 48. № 11. P. 1494-1502.
20. Борискин О.И., Нуждин Г.А., Муравьева И.В. Идентификация черных металлов и сплавов с помощью рентгеновского экспресс -анализатора Mobile X-50 // Черные металлы. 2020. №3. С. 37-41.
21. Муравьева И.В., Бебешко Г.И. Определение содержание фтора в отходах производства алюминия // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. Т.79. №7. С.13-16.
22. ГОСТ 32982-2014 (ИСО 11724:2004). Топливо твердое минеральное. Определение содержания общего фтора. М.: Стандартинформ, 2015.
23. Prediction of liquidus temperature for complex electrolyte systems Na3AlF6-AlF3-CaF2-MgF2-Al2O3-KF-LiF based on the machine learning methods / H. Lu, X. Hu, B. Cao, W. Chai, F. Yan // Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 2019. Т. 189. P. 110-120.
24. Rosemary A. Wood, Leslie S. Dale, Kenneth W. Riley. A borate fusion method for the determination of fluorine in coal // Fuel. 2003. Vol. 82. P. 1587-1590.
Борискин Олег Игоревич, д-р техн. наук, проф., директор ПТИ, зав. тф., polyteh2010@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ларин Сергей Николаевич, д-р техн. наук, доц., зам. директора ПТИ, зав. каф., larin laramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Нуждин Георгий Анатольевич, канд. техн. наук, доц., зам. нач. отдела, nuzhdin. 65@mail.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»,
Муравьева Ирина Валентиновна, канд. техн. наук, доц., доц., iravm@bk.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
THE ENVIRONMENTAL SOILS CONTROL O.I. Boriskin, S.N. Larin, G. A. Nuzhdin, I. V. Murav 'eva
The issues of application of the proposed method of ion-metric determination of fluorine with solid crystal fluoride-selective electrode in samples of artificial soil mixtures - soils were discussed. The correctness of the determination results is confirmed by comparison with the results obtained by an independent standardized methodology. Obtained results of ion-metric determination of fluorine in street urban soils are compared with normalized values of fluorine content.
Key words: soil, fluorine, environmental control, ion- metriya.
Boriskin Oleg Igorevich, doctor of technical sciences, professor, director of Polytechnical institute, head of chair, polyteh2010@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Larin Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, docent, deputy director of Polytechnical institute, head of chair, larin laramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Nuzhdin Georgy Anatolyevich, candidate of technical sciences, docent, deputy head of department, nuzhdin. 65@mail.ru, Russia, Moscow, National Research Technological University "MISiS",
Murav 'eva Irina Valentinovna, candidate of technical sciences, docent, iravm a hk. ru , Russia, Moscow, National Research Technological University «MISiS» "
Reference
1. Anopin V. N. Landscape-architectural approach to the planning of green construction in urban landscapes of the arid zone // Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Construction and Architecture. 2017. No. 47 (66). pp. 328-338.
2. Seitkaziev A. S., Salybaev S. Zh., Baisalbayeva R. Determination of evaporation from the surface of ground water depending on the mechanical composition of a ground soil // Theoretical & Applied Science. 2019. № 6 (74). P. 559-562.
3. The distribution characteristics of halogen elements in soil under the impacts of geographical backgrounds and human disturbances / H. Yu, R.-X. Du, Z.-M. Shi, Z.-W. He, B. Kong // Geoderma. 2017. T. 305. P. 236 to 249.
4. Nikiforova E. M., Kosheleva N. E., Khaibrakhmanov T. S. Environmental implications of the use of anti-icing reagents for soils of the Eastern district // Bulletin of the Moscow University. Series 5: Geography. 2016. No. 3. pp. 40-49.
5. Soil mixture for recultivation of disturbed lands. Patent for the invention RU 2712523 C1, 29.01.2020. Application no. 2019110936 dated 12.04.2019.
6. The use of a mixture of sewage sludge and waste from forest processing production as a soil substrate for recultivation of disturbed lands / A.M. Bormatenkov, E. O. Grafova, M. I. Zaitseva, V. S. Syunev / / Resources and Technology. 2020. Vol. 17. No. 2. p. 97-113.
7. Analysis of carbon flows and reserves of soil structures based on peat-sand mixtures for assessing the stability of lawn ecosystems / V. I. Vasenev [et al.] // Collection of scientific papers of the V International scientific and ecological Conference dedicated to the 95th anniversary of the Kuban State Agrarian University "Problems of recultivation of household waste, industrial and agricultural production". 2017. pp. 82-84.
8. GOST R 58486-2019. Soils. Nomenclature of indicators of sanitary condition. Moscow: Standartinform, 2019. 7 p.
9. Polomoshnova N. Yu., Kisova S. V. The use of nutrient soils and growth stimulators in the cultivation of flower crops. // Sat. nauch. tr. XIV mezhdunar. nauch. - praktich.konf. Agricultural science - agriculture. 2019. p. 237-238.
10. Resolution of the Government of Moscow of 27.07.2004 No. 514-PP "On improving the quality of soil in the city of Moscow" as amended on October 25, 2011.
11. GN 2.1.7.2041-06. Maximum permissible concentrations (MPC) of chemicals in the soil. Bulletin of normative acts of federal e xecutive authorities. № 10. 06.03.2006.
12. Fuge R. Fluorine in the environment, a review of its sources and geochemistry // Applied Geochemistry. 2019. Vol. 100. P. 393-406.
13. Fluorine in the soils of roadside territories of the Moscow region / D. B. Petrenko [et al.] / / Bulletin of the Moscow State Regional University. Series: Natural Sciences. 2013. No. 4. pp. 75-79.
14. Polonsky V. I., Polonskaya D. E. Fluoride contamination of soil and phytoreme-diation // Agricultural biology. 2013. Vol. 48. no. 1. pp. 3-14.
15. Abakarova A.M., Gitinova P. Sh., Yahiyaev M. A. Fluoride compounds and heavy metals in soils and plants of the Sulak delta plain / / Ural Medical Journal. 2020. No. 10 (193). pp. 188-192.
16. Murav'eva I. V., Bebeshko G. I. Monitoring Fluorine in Metallurgical Fuel. Steel in Translation. 2019. Vol. 49. No. 5. 296-299.
17. Modification of the surface of thermonuclear materials under the action of plasma flows and energetic particles / Gureev V. M. [et al.] / / Sb. nauch. tr. XLVI International Conference on Plasma Physics and controlled thermonuclear synthesis, Zvenigorod. 2019. p. 82.
18. Helium in tungsten after irradiation with high-energy ions and plasma / Khripunov B. I. [et al.] / / Sb. nauch. tr. XLVII international conf.in plasma physics and controlled thermonuclear fusion. Zvenigorod. 2020. p. 67.
19. Kosek F., Culka A., Jehlicka J. Field identification of minerals at burning coal dumps using miniature Raman Spectrometers / / Journal of Raman Spectroscopy. 2017. Vol. 48. No. 11. P. 1494-1502.
20. Boriskin O. I., Nuzhdin G. A., Murav'eva I. V. Identification of ferrous metals and alloys using the Mobile X-50 X-ray express analyzer / / Ferrous Metals. 2020. No. 3. pp. 37-41.
21. Murav'eva I. V., Bebeshko G. I. Determination of the content of fluorine in aluminum production waste. Diagnostics of materials. 2013. Vol. 79. no. 7. P. 13-16.
22. GOST 32982-2014 (ISO 11724: 2004). Solid mineral fuel. Estimation of total fluorine. M.: STANDARTINFORM, 2015.
23. Prediction of liquidus temperature for complex electrolyte systems Na3AlF6-AlF3-CaF2-MgF2-Al2O3-KF-LiF based on the machine learning methods / H. Lu, X. Hu, B. Cao, W. Chai, F. Yan // Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 2019. Vol. 189. P. 110-120.
24. Rosemary A. Wood, Leslie S. Dale, Kenneth W. Riley. A borate fusion method for the determination of fluorine in coal // Fuel. 2003. Vol. 82. P. 1587-1590.
