ИММОБИЛИЗАЦИЯ КАДМИЯПРИ ОБРАБОТКЕ УРБАНОЗЕМА УДОБРЕНИЕМ-СОРБЕНТОМ НА ОСНОВЕ ГЛИНЫ КЕЛЛОВЕЯ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 631.415

ИММОБИЛИЗАЦИЯ КАДМИЯПРИ ОБРАБОТКЕ УРБАНОЗЕМА УДОБРЕНИЕМ-СОРБЕНТОМ НА ОСНОВЕ ГЛИНЫ КЕЛЛОВЕЯ

© 2021 Н. П. Неведров1, Е. П. Проценко2, Г. И. Смицкая3

1 канд. биол. наук, доцент кафедры биологии и экологии e-mail: [email protected] 2докт. с.-х. наук, профессор кафедры биологии и экологии e-mail: protselena @ yandex. ru 3студентка 1 курса магистратуры естественно географического факультета, стипендиат Президента и Правительства Российской Федерации

e-mail: budakovag @ mail. ru

Курский государственный университет

В статье приведены данные, характеризующие иммобилизующую способность удобрения-сорбента на основе отходов горнодобывающей промышленности (глина келловея) по отношению к кадмию (Cd) в техногенно загрязненном урбаноземе. Выявлено, что глина келловея повышает плодородие почв за счет обогащения ее элементами минерального питания растений. Сообщается, что удобрение-сорбент, вносимое в техногенно загрязненные кадмием урбаноземы Курской городской агломерации, способствует значительному снижению содержания подвижных форм загрязняющего элемента и их закреплению в почвенном поглощающем комплексе. Отмечено, что количество адсорбированных ионов Cd не зависело от дозы внесенного в почву удобрения-сорбента. Иммобилизующим эффект по отношению к кадмию был отмечен при обработке урбанозема удобрением-сорбентом в дозах от 1,5 до 6 г/сосуд.

Ключевые слова: глина келловея, удобрение-сорбент, кадмий, урбанозем.

IMMOBILIZATION OF CADMIUM DURING TREATMENT OF URBANOZEM WITH FERTILIZER-SORBENT BASED ON KELLOVEY CLAY

© 2021 N. P. Nevedrov1, E. P. Protsenko2, G. I. Smitskaya3

1Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of the Department of Biology and Ecology e-mail: [email protected] 2Doctor of Agricultural Sciences, Professor of the Department of Biology and Ecology

e-mail: [email protected] 31st year student of the magistracy of the natural geography faculty, scholarship of the President and the Government of the Russian Federation

Kursk State University

The article focuses on the data characterizing the immobilizing ability of a fertilizer-sorbent based on the wastes of the mining industry (Callovian clay) in relation to cadmium (Cd) in anthropogenic polluted urban soil. It was revealed that Callovian clay increases soil fertility due to the content of different elements for mineral nutrition of plants. It is reported that applying fertilizer-sorbent in the urban soils polluted by cadmium in Kursk urban agglomeration contributes to a significant decrease in the content of mobile forms of the pollutant and its fixation in the soil absorbing complex. It was noted that the amount of adsorbed Cd ions did not depend on the dose of the fertilizer-sorbent applied to the soil. An immobilizing effect with respect

to cadmium was observed when urban soil was treated with a fertilizer-sorbent at doses from 1.5 to 6 g / vessel.

Keywords: Callovian clay, fertilizer-sorbent, cadmium, urban soil.

Современный уровень научно-технического развития характеризуется наращиванием темпов и объемов промышленного производства, что на данный момент, к сожалению, не может не оставлять негативных последствий в вопросах функционирования природных компонентов окружающей среды [3; 4; 14]. Рост количества техногенных выбросов загрязняющих веществ неминуемо ведет к их активному накоплению в почвенном покрове. Этот процесс особенно актуален для почв урбанизированных территорий. Высокий уровень сосредоточения промышленных предприятий и автотранспорта, а также высокая плотность населения в городах приводят к ухудшению качества и снижению экологической безопасности урбоэкосистем. Актуальной проблемой является загрязнение почв суперэкотоксикантами, одним из которых является тяжелый металл - кадмий. Период полуудаления кадмия продолжителен и составляет от 13 до 110 лет. Кадмий, как продукт техногенной эмиссии, при повышенном содержании в почвах приводит к трансформации почвообразовательного процесса, снижает плодородие почв и продуктивность экосистем. Это влияет как на биологическое разнообразие, так и на возможность реализации программ формирования зеленой инфраструктуры городов. Продукция, производимая в агроэкосистемах садово-огородных товариществ городских агломераций, может терять свое качество и становится экологически небезопасной. Кадмий способен к аккумуляции в почвенном покрове и миграции в трофической сети. Источники эмиссии Cd весьма разнообразны: переработка и сжигание пластмасс, сжигание мазутного и дизельного топлива, разложение никель-кадмиевых батареек и аккумуляторов, дым от сигарет и др. [2; 7; 8; 10; 13].

Почвы, в силу своей природной специфики, отчасти могут нивелировать процессы ухудшения экологического состояния компонентов урбоэкосистем. Накопленный почвами кадмий может закрепляться на геохимических барьерах и длительное время оставаться нетоксичными для окружающей среды и человека. Однако протекторная функция именно городских почв сильно ограничена, и связано это с мощным антропогенным воздействием [5; 8]. В почвах города Курска неоднократно фиксировалось загрязнение кадмием. Уровень загрязнения почв Курска ионами Cd2+ достигает 83,8 ПДК [7; 8].

Токсичность кадмия зависит от содержания его подвижных форм в почве, что, в свою очередь, обусловлено целым рядом свойств почв: содержанием гумуса, кислотно-основным режимом, окислительно-восстановительным режимом, содержанием подвижного фосфора, механическим составом, конкурентными взаимоотношениями с другими металлами (1, 6, 7). Эффективными механизмами, в плане снижения токсичности кадмия в почвах, являются сорбционные геохимические барьеры: органическое вещество почвы, глинистые минералы, оксиды железа и марганца, магнитная фаза почв. При активной работе этих механизмов образуют слаборастворимые комплексы и соединения, что резко снижает миграцию и транслокацию кадмия в сопредельные компоненты окружающей среды [8; 9; 11].

Для того чтобы повысить эффективность и качество выполнения почвой своих экологических функций и снизить негативное воздействия на нее, в настоящее время используются различные технологии in situ [8]. К таким технологиям относятся и очистка почв с применением природных органических и минеральных сорбентов, которые, в свою очередь, являются экологически безопасными и перспективными.

Неведров Н. ППроценко Е. ПСмицкая Г. И.

Иммобилизация кадмия при обработке урбанозема удобрением - сорбентом на основе глины келловея

Использование сорбентов способствует минимизации воздействия ионов ТМ и является наиболее эффективным и экономически выгодным методом.

Цель работы состояла в оценке иммобилизующей способности удобрения-сорбента на основе отходов горнодобывающей промышленности (глина келловея) по отношению к кадмию в загрязненном урбаноземе собственно.

Объекты и методы исследования. Исследование проводилось на базе НИЛ экомониторинга Курского государственного университета. Объектом исследования являлась вскрышная порода Михайловского ГОКа - глина келловея, отобранная в карьере в 2019 году. Испытание сорбционных свойств глины проводилось в рамках лабораторного опыта на загрязненном кадмием урбаноземе. Пробы техногенно загрязненного урбанозема на основе чернозема выщелоченного среднесуглинистого осуществлялся на территории промышленной зоны южной части города Курска. Территория представлена элювиальным элементарным геохимическим ландшафтом. В непосредственной близости от участков почвенного опробования находятся ТЭЦ-1 и ОАО «Курскрезинотехника». Отбор почв осуществлялся пластиковой лопаткой из горизонта и1 (глубина 0-20 см.). Пробы упаковывались в полиэтиленовые мешочки [3]. Пробоподготовка и анализ проб выполнены в соответствии с методиками МУ 31-04/04.

В лабораторном опыте использовались вегетационные сосуды - пластиковые контейнеры размером 20*15*6 см3, в которые помещался высушенный и просеянный через сито (Э=7 мм) загрязненный кадмием урбанозем. Масса почвы в каждом контейнере составляла 0,3 кг. Почва обрабатывалась глиной келловея, путем ее внесения в дозах - 1,5 г; 3 г; 6 г на сосуд и последующего перемешивания с массой почвы. Контролем служил техногенно загрязненный урбанозем, обработанный глиной келловея. Срок экспозиции опыта составлял 6 месяцев, производился полив почв (согласно региональным нормам выпадающих осадков), и осуществлялась вегетация газонных трав.

Индекс токсичности оцениваемого фактора (ИТФ) глины келловея определялся методом проращивания семян по показателям фитотоксичности (энергия прорастания и всхожести семян). Определение массовых концентраций подвижных и валовых форм кадмия осуществлялось с применением метода атомно-абсорбционной спектрометрии. Опыт проводился в трехкратной повторности. Статистическая обработка данных производилась с использованием средств пакета М1сгозоЙ:Ехсе1.

Результаты и обсуждение

В результате анализа свойств глины келловея установили, что глина имеет нейтральную реакцию среды, высокое содержание органического вещества, подвижного фосфора и обменного калия.

При исследовании химического состава глины келловея (основного компонента исследуемого удобрения-сорбента) отмечен широкий спектр биогенных макро-и микроэлементов. В его составе не установлено присутствие высоко опасных элементов - кадмия, олова и мышьяка, а индекс токсичности оцениваемого фактора составляет 0,91, что соответствует V классу токсичности, следовательно, не превышает нормы (табл. 1).

Среднее содержание Бе203 в глине келловея составляет 4,57 %, что в 1,2 раза превышает аналогичные показатели в лессовидных суглинках, К2О - в 1,5 раза, А12О3 -в 1,6 раз, МпО - в 2,35 раз. При этом содержание БЮ2 в глине келловея в 1,5 раза ниже, чем средние показатели в лессовидных суглинках [12].

Таблица 1

Химический состав, физико-химические и экотоксикологические свойства глины келловея

рН КС1 Органическое вещество Fe общ. Fe2Ö3 AI2O3 MnO SiO2 P2O5 K2O ИТФ *

%

6,9 4,1 4,05 4,57 17,12 1,88 50,16 1,35 3,6 0,91 - V класс токсичности (норма)

* ИТФ - индекс токсичности оцениваемого фактора

По результатам опыта установлено, что количество мобильного кадмия в вариантах опыта с удобрением-сорбентом на основе глины келловея снижалось с 1,36 мг/кг до 0,92 мг/кг относительно загрязненной почвы без удобрения-сорбента (контроль) (рис. 1). Минимум содержания подвижных форм кадмия в горизонте и1 урбанозема отмечалось при обработке почвы удобрением-сорбентом в дозе 6 г/сосуд.

Рис. 1. Зависимость изменения содержания подвижных форм Cd от доз внесенного удобрения-сорбента

Концентрация подвижных форм Cd составляют 55,7% относительного валового содержания изучаемого металла в варианте опыта без внесения удобрения-сорбента (табл. 2). При обработке урбопочвы удобрением-сорбентом происходит снижение мобильных форм Cd относительного валового содержания до 37,3-40,0 %, что обусловлено адсорбцией ионов кадмия органическим веществом и глинистыми минералами в составе глины келловея. Статистически достоверных различий между вариантами опыта с применением сорбента в дозах 1,5 - 6 г/сосуд не установлено.

Неведров Н. П., Проценко Е. П., Смицкая Г. И. Иммобилизация кадмия при обработке урбанозема удобрением-сорбентом на основе глины келловея

Таблица 2

Зависимость концентраций подвижных форм и валового содержания Сё в почве от дозы вносимого удобрения-сорбента

Контроль(без внесения глины) 1,5 г/сосуд 3 г/сосуд 6 г/сосуд

Сdв.ф.*, мг/кг 2,44+0,22 2,60+0,31 2,42+0,14 2,44+0,23

Сdп.ф. *, мг/кг 1,36+0,09 0,97+0,11 0,96+0,13 0,92+0,07

Доля п.ф. *, % 55,7 37,3 40,0 37,7

* в.ф. - валовые формы Сё, п.ф. -- подвижные формы Сё

Стоит отметить проявленный удобрением-сорбентом положительный детоксикационный эффект по отношению к кадмию при относительно невысоком уровне загрязнения городской почвы этим тяжелым металлом. Обработка почвы удобрением сорбентом на основе глины келловея в рамках лабораторного опыта позволила не только снизить содержание токсичных подвижных форм, но и практически довести их до уровня международного норматива ПДП -0,76 мг/кг [7]. Стоит предположить, что при проведении натурных испытаний удобрения-сорбента иммобилизующая способность будет возрастать за счет более интенсивных темпов почвообразования.

Заключение. Глина келловея ввиду особенностей химико-минералогического состава и технологических производственных характеристик может использоваться в качестве альтернативного источника удобрений как в чистом виде, так и в композите с минеральными азотно-фосфорными удобрениями. Повышает плодородие почв за счет обогащения ее элементами минерального питания растений. Выявлено, что в составе глины келловея содержится около 4,1% органического вещества, 3,6% обменного калия и 1,88 % марганца, что определяет ее потенциальную ценность как природного удобрения.

По результатам проведенного исследования можно заключить, что снижение мобильности кадмия обусловливает эффективность применения удобрения-сорбента в целях детоксикации загрязненных данным металлом почв. Применяемые в рамках опыта дозы удобрения-сорбента обладали равнозначной иммобилизующей способностью по отношению к ионам кадмия. Удобрение-сорбент на основе вскрышной породы морского происхождения Михайловского железорудного бассейна КМА (глины келловея) способствует детоксикации загрязненных кадмием почв, при уровне загрязнения почвы (урбанозем собственно) - 1-2 ПДК.

Работа выполнена при поддержке гранта Фонда содействия инновациям, программа «УМНИК», договор (соглашение) № 15096ГУ/2020.

Библиографический список

1. Вильдфлуш, И. Р. Экологическая оценка уровней содержания подвижного фосфора и применения новых форм фосфорсодержащих удобрений в дерново-подзолистой почве / И. Р. Вильдфлуш, А. Р. Цыганов, П. М. Рябцев // Известия академии аграрных наук республики Беларусь. - 1999. - №1. - С. 38-42.

2. Дабахов, М. В. Экотоксикология и проблемы нормирования / М. В. Дабахов, Е. В. Дабахова, В. И. Титова. - Нижний Новгород: Издательствово ВВАГС, 2005. -165 с.

3. Минеральные ресурсы мира на 1.01.2001 года. Статистический справочник (издание официальное) / МПР РФ ФГУНПП «Аэрогеология», Информационно-аналитический центр «Минерал». - Москва, 2002.

4. Мур, Дж. В. Тяжелые металлы в природных водах. Контроль и оценка влияния / Дж. В. Мур, С. Рамамурти. - Москва: Мир 1987. - 288 с.

5. Неведров, Н. П. Классификация почвенных повреждений городских экосистем Курска / Н. П. Неведров // Астраханский вестник экологического образования. - 2018. - №2 (44). - С. 111-118.

6. Неведров, Н. П. Профильное распределение и миграция тяжелых металлов в почвах Курской агломерации (модельные опыты) / Н. П. Неведров // Юг России: экология, развитие. - 2020. - Том 15. - № 1. - С. 60-68

7. Неведров, Н. П. Экологическая оценка почв ландшафтно-геохимических катен Сеймского округа г. Курска / Н. П. Неведров, Е. П. Проценко, М. Ю. Фомина // Экология урбанизированных территорий. - 2017. - №3. - С. 18-26.

8. Неведров, Н. П. Тяжелые металлы в почвах города: загрязнение и ремедиация / Н. П. Неведров, Е. П. Проценко, И. П. Балабина, М. Ю. Фомина. - Москва: РУСАЙНС, 2017. - 116 с.

9. Неведров, Н. П. Изучение иммобилизующей способности сорбента тяжелых металлов в модельнозагрязненной серой почве / Н. П. Неведров, М. Ю. Фомина // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. -2018. - № 3 (19). - URL: https://api-mag.kursksu.ru/api/v1/get pdf/ (дата обращения: 15.10.2020).

10. Перельман, А.. Геохимия ландшафта / А. И. Перельман, Н. С. Касимов. -Москва: Астрея-2000, 1999. - 768 с.

11. Путилина, В. С. Сорбционные процессы при загрязнении подземных вод тяжелыми металлами и радиоактивными элементами. Кадмий = Sorption when groundwater contaminating by heavy metals and radioactive elements. Cadmium : аналит. обзор / В. С. Путилина, И. В. Галицкая, Т. И. Юганова ; Федер. гос. бюджет.учреждение науки Гос. публич. науч.-техн. б-ка Сиб. отд-ния Рос. акад. наук, Федер. гос. бюджет. учреждение науки Ин-т геоэкологии им. Е. М. Сергеева Рос. акад. наук. - Новосибирск : ГПНТБ СО РАН, 2012. - 110 с. - (Сер.Экология. Вып. 99).

12. Самофалова, И. А. Химический состав почв и почвообразующих пород: учебное пособие / И. А. Самофалова, М-во с.-х. РФ, ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА». -Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2009. - 132 с.

13. Теплая, Г. А. Тяжелые металлы как фактор загрязнения окружающей среды (обзор литературы) / Г. А. Теплая // Астраханский вестник экологического образования. - 2013. - №. 1 (23). - С. 182-192.

14. Gulson, B. T. Use of lead isotopes in soils to identify the sourse of lead contamination near Adelaide South Australia / B.T. Gulson, K. G. Tiller, K. J. Mizon, R. M. Merry // Environ.Sci.Technol. - 1981. - V.