CC BY
65
УДК 502:504.05/06 М.В. Ларионов, Н.В. Ларионов
ИННОВАЦИОННЫЕ ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ ДЕГРАДАЦИИ ЗЕМЕЛЬ
УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПОВОЛЖЬЯ
В статье представлены результаты исследований процессов комплексной физико-химической и биологической детоксикации почв. Данные инновационные методы позволяют добиться значительного снижения экологического и экономического ущерба урбанизированным территориям Саратовской области и ряда регионов Поволжья, имеющим богатые месторождения природных сорбентов.
Ключевые слова: техногенное загрязнение, природные сорбенты, отходы, детоксикация почв, биотестирование, Поволжье.
M.V. Larionov, N.V. Larionov INNOVATIVE APPROACHES TO SOLUTION OF THE ECOLOGICAL ISSUE OF URBAN TERRITORY SOIL DEGRADATION IN VOLGA REGION
The research results of the processes of complex physical and chemical and biological soil detoxication are given in the article. The innovative techniques make it possible to achieve a significant decrease in ecological and economical damage to the urbanized territories in Saratov region as well as a number of Volga region areas, which are rich in natural sorbents deposits.
Key words: technogenic pollution, natural sorbents, waste products, soil detoxication, biotesting, Volga region.
В настоящее время в европейской части России, особенно в Поволжье, наблюдается ряд негативных техногенных изменений окружающей среды. Среди них особую опасность представляют ее загрязнение и ухудшение экологического состояния урбанизированных территорий. Наибольшая опасность загрязнения педосферы и подстилающих пород связана со стойкими полиароматическими углеводородами (ПАУ) и тяжелыми металлами [2].
Имеются локальные сведения о положительном опыте использования природных сорбентов (некоторых полезных ископаемых, микроорганизмов) в качестве детоксикантов вредных органических веществ в ряде регионов России (г. Санкт-Петербург, Башкортостан, Ростовская область) [5].
Цель исследований, выполненных в 2006-2010 годах, - теоретическое обоснование и разработка комплексной технологии детоксикации и возврата в хозяйственный оборот почв, загрязненных техногенными ароматическими ксенобиотиками и тяжелыми металлами (на примере почв в зоне влияния ОАО «Балашов-ская нефтебаза», г. Балашов Саратовской области).
На территории Среднего и Нижнего Поволжья (Пензенская, Самарская, Саратовская, Воронежская, Волгоградская и Астраханская области) имеются месторождения глауконита с достаточным его содержанием в виде глауконитового песка, который можно использовать в качестве природного сорбента ПАУ и тяжелых металлов [2].
Объекты исследований: загрязненные ПАУ и тяжелыми металлами аллювиально-луговые солонцеватые почвы (территория ОАО «Балашовская нефтебаза»), производственные и транспортные отходы, глауконитовый песок из Белоозерского месторождения (Лысогорский район Саратовской области). В качестве контрольной (фоновой) рассмотрена почва дачной зоны - чернозем обыкновенный (в 10 км от нефтебазы).
Для изучения смешанного сорбционного и каталитического эффекта очистки природных вод потребовалось проведение натурного эксперимента по исследованию влияния указанных веществ в виде дисперсных материалов (фракции 1,25-1,5 мм) на степень детоксикации почв, загрязненных ПАУ и тяжелыми металлами, а также на микрофлору почв. Экспериментальные площадки (28 шт., 0,5*0,5 м2) располагались в районе ОАО «Балашовская нефтебаза» и в дачной зоне (г. Балашов).
Содержание органического вещества определялось по ГОСТ 26213-91 [1]. Концентрация тяжелых металлов определялась методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии. Концентрация ПАУ выявлялась с использованием тонкослойной хроматографии и люминесценции. Численность микроорганизмов в почве определялась с помощью метода последовательных разведений и высева на плотные питательные среды - мясо-пептонный агар - для сапрофитных бактерий, среда Таусона - для углеводородокисляющих микроорганизмов. Плодородие почвы изучались методом биотестов. В качестве тест-растения использовал-
ся редис розовый с белым кончиком (Raphanus sativus var. radicula Pers.) [4, 5]. Результаты исследований обработаны методами вариационной статистики и соответствуют 95% уровню доверия (P < 0,05) [3].
Исходя из рекомендаций по применению производственных отходов для минимизации загрязнений поверхностного стока на водосборе, приняты дозы вносимых детоксикантов: 200 и 400 кг/га [4]. Внесение сорбентов производилось без заделки в почву (каждый из исследуемых сорбентов равномерно распределялся по поверхности площадок) и с заделкой на глубину 8-10 см. Первый этап этого эксперимента проводился в холодный период, с ноября по апрель, второй - в теплый: июнь - август.
Уровень рН в почвенных вытяжках составил: контрольная площадка на территории ОАО «Балашов-ская нефтебаза» - 7,55, фоновая площадка - 7,76. Окислительно-восстановительный потенциал составил соответственно 152,5 и 158,6 мВ.
Для подтверждения формирования симбиотически благоприятного сообщества по условиям трофических связей и интегральной оценки токсичности почв на исследуемых площадках проведено биотестирование, результаты которого представлены на рисунке 1.
Значение 100 т показателей 90 П „ п
80 -1 П 0 га б |Ч
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
□ аллювиально-луговые почвы, ХПК Вариакг °пыта
и аллювиально-луговые почвы, гумус в аллювиально-луговые почвы, микробное население
Значение 60 и показателей
1 2 3 4 б б 7 В 9 1Q 11 12 13 14
Вариант опыта
□ чернозем обыкновенный карбонатный, ХПК
Шчернозем обыкновенный карбонатный, микробное население
Ичернозем обыкновенный карбонатный, гумус
Рис. 1. Химическое потребление кислорода почвенной вытяжки, 1*10 мгО2/кг; гумус, %; микробное население, 1*105 кл/г (зима): 1 - контроль без заделки в почву (б/з); 2 - контроль с заделкой в почву (с/з);
3 - отходы производства, 400 кг/га (б/з); 4 - отходы производства, 400 кг/га (с/з); 5 - отходы производства, 200 кг/га (б/з); 6 - отходы производства, 200 кг/га (с/з); 7 - отходы автотранспорта, 400 кг/га (б/з); 8 - отходы автотранспорта, 400 кг/га (с/з); 9 отходы автотранспорта, 200 кг/га (б/з);
10 - отходы автотранспорта, 200 кг/га (с/з); 11 - глауконитовый песок, 400 кг/га (б/з);
12 - глауконитовый песок, 400 кг/га (с/з); 13 - глауконитовый песок, 200 кг/га (б/з);
14 - глауконитовый песок, 200 кг/га (с/з)
Анализ данных показывает, что производственные отходы обладают наибольшей сорбционной способностью по отношению к загрязняющим веществам, о чем свидетельствуют рост микробного населения (увели-
S1
чено количество питательных веществ) микроорганизмами-деструкторами и снижение концентрации загрязняющих веществ.
Также установлено (рис. 2), что больший эффект деструкции ПАУ и снижение уровня загрязнения почв тяжелыми металлами, выражающиеся в увеличении биомассы тест-растений R. sat^vus var. radЫa Pers., наблюдались при глубинном внесении всех исследуемых материалов, то есть с заделкой в почву.
Прирост 18 биомассы, % 16 14 12 10 8 6
4
2
0
1 2 3 4 5 6 7 8
ЕЕЯ чернозем обыкновенный карбонатный, холодный период КЗЭаллювиально-луговые почвы, холодный период ▲ чернозем обыкновенный карбонатный, теплый период х аллювиально-луговые почвы, теплый период
9 10 11 12
Вариант опыта
Рис. 2. Продуктивность почв при внесении различных детоксикантов:
1 - отходы автотранспорта, 400 кг/га, (с/з); 2 - отходы автотранспорта, 400 кг/га, (б/з);
3 - отходы автотранспорта, 200 кг/га, (с/з); 4 - отходы автотранспорта, 200 кг/га, (б/з);
5 - глауконитовый песок, 400 кг/га, (с/з); 6 - глауконитовый песок, 400 кг/га, (б/з); 7 - глауконитовый песок, 200 кг/га, (с/з); 8 - глауконитовый песок, 200 кг/га, (б/з); 9 - отходы производства, 400 кг/га, (с/з); 10 - отходы производства, 400 кг/га, (б/з); 11 - отходы производства, 200 кг/га, (с/з);
12 - отходы производства, 200 кг/га, (б/з)
Наибольший прирост наблюдался при внесении производственных отходов нефтебазы: в зимний период в количестве 38 г/м2 (12,2 %), в летний - 19 г/м2 (10,3 %); несколько в меньшей степени 40 г/м2 наблюдался прирост при внесении отходов от автотранспорта как в зимний (10,5 %), так и в летний периоды (10,5 %). Статистически значимого увеличения прироста биомассы от дозы и способа внесения глауконита не обнаружено. Лучший эффект снижения токсичности почв наблюдался при внесении отходов с заделкой в почву.
В таблице представлены результаты исследований почв при внесении в нее отходов и без них (фоновые показатели) в зимний период.
Средневзвешенные значения показателей загрязненности почв в районе исследований (зима 2006-2010 гг.)
Вариант опыта ПАУ*, нг/г ХПК, мг/кг О2 Мп 7п Си РЬ N1 Со Сг Сс1
мг/кг
Произв. отходы, 400 кг/га 41,50 418,0 371,3 524,0 98,0 88,0 28,0 11,4 65,4 0,1
Произв. отходы, 200 кг/га 49,00 472,0 298,8 311,0 65,7 114,8 22,1 9,1 34,7 0,4
ГП, 400 кг/га 70,00 782,0 386,5 494,0 98,6 241,1 31,7 11,2 75,2 0,1
ГП, 200 кг/га 78,00 964,0 329,8 311,0 100,5 30,8 24,5 9,7 51,1 0,7
ГК, 400 кг/га 335,00 564,0 240,6 509,0 75,7 138,2 16,3 7,1 47,5 0,4
Почва контрольной (фоновой) площадки 0,70 400,0 499,5 96,0 47,1 10,8 34,0 15,3 78,2 0,1
Р < 0,05**
* ПАУ в пересчете на бенз(а)пирен; ** достоверность результатов.
Сравнительный анализ данных таблицы показывает, что наибольший суммарный эффект детоксикации загрязненных почв достигается при внесении производственных отходов в количестве 400 кг/га. Скорость снижения концентрации ПАУ в почвах при этом составляет 2,84 мг/кг в сутки, следовательно, уровень ПДК (0,02 мг/кг) будет достигнут в течение 158 суток.
Контроль динамики изменения уровня техногенного загрязнения почв по химическому потреблению кислорода, гумусу, микробному населению (сапрофитные микроорганизмы) и токсичности (биотестирование) при внесении производственных отходов нефтебазы в почву позволил выявить следующее: в течение 90
суток происходило снижение концентрации ПАУ в почвенном фильтрате - в 2,3 раза, ХПК - в 1,7 раза, N0,
- в 1,2 раза, NH4 + - 1,6 раза, Cr - в 1,4 раза, Cu - в 1,9 раза, Ni - в 1,02 раза.
Скорость снижения концентрации ПАУ в почвенном фильтрате при обработке почвы отходами производства составляет 0,0033 мкг/кг в сутки, что позволяет достигнуть уровня ПДК (0,005 мкг/дм3) в течение 153 суток.
Полученные результаты свидетельствуют о снижении уровня загрязнения как в почве, так и в почвенном фильтрате, а следовательно, и в водной среде.
Возможность регенерации сорбентов подтверждена количественным анализом углеводородокисляю-щих микроорганизмов: до обработки в черноземе обыкновенном фоновой площадки их численность составила 2,3х106 кл/г, в аллювиально-луговых солонцеватых почвах производственной зоны - 2,0x106 кл/г, после
- 8,6x106 и 4,7x106 кл/г соответственно. Эти данные указывают на активизацию аборигенной углеводородо-кисляющей микрофлоры при внесении детоксикантов, что характеризует повышение способности почвы к самоочищению от данного вида загрязнителей.
Таким образом, сорбционно-каталитическая обработка загрязненных городских почв промышленными отходами ведет к детоксикации загрязнений за счет их сорбции и увеличения микробного населения, деструктурирующего данные ксенобиотики. Это может составить основу комплексной эффективной технологии детоксикации почвенной среды в городских условиях Поволжья.
Литература
1. ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества. - М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР, 1991. - 19 с.
2. Доклад о состоянии окружающей природной среды в Саратовской области в 2009 году / Госкомитет по охране окружающей среды Саратовской обл. - Саратов: ВП, 2010. - 192 с.
3. Любимов В.Б., Балина К.В. Математические методы в биологии и экологии. - Брянск: Изд-во БГУ, 2005. - 81 с.
4. Федорец Н.Г., Медведева М.В. Методика исследования почв урбанизированных территорий. - Петрозаводск: КАЦ РАН, 2009. - 84 с.
5. Bachoon D.S., Araujo R. Microbial community dynamics and evaluation of bioremediation strategies in oil-impacted salt marsh sediment microcosms // Journal of Industrial Microbiol. & Biotechnol. - 2001. - V. 27. -P. 72-79.
---------♦-----------
