CC BY
21
РАБОТЫ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ^^^^^^^^^
УДК 504.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ СОРБЕНТОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ МЫШЬЯКА РАСТЕНИЯМИ
Л.И. Московкина (научныйруководитель Л.В. Кирейчева, д.т.н.)
ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, e-mail: kireychevalw@mail.ru
В статье приведены результаты исследований по применению различных природных и модифицированных сорбентов для детоксикации почвы, загрязненной мышьяком. Лабораторные опыты и исследования в вегетационных сосудах показали, что наилучший эффект был достигнут при использовании в качестве сорбента карбонатного сапропеля озера Неро Ярославской обл.
Ключевые слова: мышьяк, сорбент, загрязнение, подвижные формы, энергия прорастания, проростки, почва, сапропель, диатомит, цеолит, СОРБЕКС.
THE USE OF NATURAL SORBENTS FOR THE REDUCTION OF ARSENIC ABSORPTION BY PLANTS
L.I. Moskovkina
The articles illustrates the findings on the usage of different natural and modified sorbents for the soil' detoxification after arsenic pollution. Laboratory experiments and researches in vegetation vessels have showed that the most prominent effect had been reached while using carbonate sapropel of the Nero lake, the Yaroslavl region, as a sorbent.
Keywords: arsenic, sorbent, pollution, mobile form, sprouting energy, acrospires, soil, sapropel, diatomite, zeolite, SORBEX.
Мышьяк относится к веществам 1 класса опасности (высокоопасные ГОСТ 17.4.1.02-83) и в определенных концентрациях оказывает токсическое действие на растения, животных и человека. Антропогенными источниками загрязнения почвы мышьяком служат пестициды, десиканты, пищевые добавки в птицеводстве, медикаменты, уголь, нефть, рудничные и металлургические отходы, моющие средства. Воздействие на организм человека происходит главным образом через продукты питания, поэтому важное значение приобретает получение экологически чистой растениеводческой продукции, в том числе и на загрязненных территориях.
В почвах содержание мышьяка составляет обычно от 0,1 до 40 мг/кг, но в области залегания мышьяковых руд, а также в вулканических районах в почве может содержаться до 8 г/кг мышьяка, как в некоторых районах Швейцарии и Новой Зеландии. В России ориентировочно допустимые концентрации мышьяка в почве варьируют от 2 мг/кг для песчаных и супесчаных почв до 10 мг/кг для почв глинистых и суглинистых, нейтральных и близких к нейтральным [1].
Исследования в Ярославской области показали, что по средним значениям валового содержания мышьяка в почвах превышения ПДК нет, но на некоторых репер-ных участках превышение составляет более чем в 2 раза [2]. Общая площадь загрязнения почв Владивостока мышьяком составляет 6 км2. В почвах Перми и в ее окрестностях выявлено содержание мышьяка до 21 мг/кг, при этом мышьяк концентрируется в железо-марганцевых конкрециях, где его содержание достигает 480-670 мг/кг [3]. Отмечается высокое содержание мышьяка в Иркутской области в районе Свирска, в том числе и на огородных почвах (41,8 мг/кг), источниками загрязнения в данном случае послужили промышленная площадка бывшего Ангарского металлургического завода по производству мышьяка и завод «Сибэлемент» [4].
Проблема загрязнения мышьяком особенно остро стоит и в странах, где добывают цветные металлы и где развита металлургическая и химическая промышленность) [5]. В этой связи поиски малоэнергоемких методов детоксикации почв, загрязненных мышьяком, актуальны и имеют важное значение для многих стран мира.
Основная цель настоящих исследований состояла в разработке новых энергоэффективных методов детокси-кации загрязненных почв с использованием природных и модифицированных сорбентов. С целью нахождения наилучшей тест-культуры были изучены овес, салат и редис как культуры, имеющие четкую реакцию на загрязнение мышьяком. Были смоделированы 3 уровня загрязнения: 20, 40 и 80 мг/кг и контроль - песок, увлажненный дистиллированной водой. Исследования проводили по стандартной методике в трехкратной повторности. В опыте определяли энергию прорастания и всхожесть семян, длину и массу надземной и корневой части растений.
Было установлено, что энергия прорастания овса увеличивалась при концентрациях 20 и 40 мг/кг и уменьшалась при 80 мг/кг (рис. 1). Всхожесть в контрольном варианте и при средних концентрациях была одинакова, угнетение отмечалось при загрязнении 80 мг/кг. Длинна и масса как наземной, так и корневой части растений увеличивалась при концентрации 20 мг/кг, при 40 мг/кг была близка к контролю и уменьшалась при 80 мг/кг. На энергию прорастания и всхожесть салата мышьяк аналогично влиял. В опыте с редисом в контрольном варианте и при 20 мг/кг были получены близкие значения всхожести и энергии прорастания семян. Наиболее четко были выражены морфологические различия - длина наземной и корневой части растений.
Положительное действие мышьяка при средних концентрациях можно объяснить следующим образом: в растворе при взаимодействии растворимых арсенатов с АДФ (аденозиндифосфорная кислота) АДФ превращает-
ся в АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Этот процесс способствует дальнейшему распаду АТФ для восполнения недостающего в обмене количества АДФ и увеличению высвобождающейся энергии, что всегда сопровождает процессы превращения АТФ в АДФ. Соответственно под действием этой энергии активизируются процессы биосинтеза в клетках, что способствует росту растений, однако при интенсивном гидролизе АТФ, который происходит при высоких концентрациях мышьяка, ее запасы исчерпываются и происходит угнетение жизненно важных процессов.
Аналогичные опыты были проведены Л.В. Кирейчевой и О.Б. Хохловой на проростках пшеницы [6]. Энергия прорастания пшеницы увеличивалась относительно контроля при концентрации мышьяка 20 и 40 мг/кг и уменьшалась при концентрации 80 мг/кг. Всхожесть семян пшеницы была максимальной в контрольном варианте и снижалась по мере увеличения концентрации мышьяка. Максимальная масса проростков пшеницы отмечалась при концентрации мышьяка 20 и 40 мг/кг, минимальная при 80 мг/кг. Результаты опытов показывают, что реакция проростков овса и пшеницы на воздействие мышьяка имеет сходный характер.
В опыте моделировали уровень загрязнения почвы мышьяком равный 80 мг/кг, повторность трехкратная. В искусственно загрязненную мышьяком почву вносили сорбенты из расчета 10 т/га и после стабилизации почвенного раствора определяли содержание мышьяка в подвижной форме. Наилучший сорбент определялся в варианте с наименьшим количеством подвижных форм мышьяка. Через 2,5 недели установилось количество подвижных форм мышьяка в образцах с СОРБЭКСом и сапропелем и было равно соответственно 11,1 мг/кг и 5,9 мг/кг, через 3,5 недели установилось количество подвижных форм мышьяка в вариантах с цеолитом и диатомитом и было равно соответственно 18,2 мг/кг и 12,8 мг/кг (табл. 1).
По результатам опыта наилучшим сорбентом был сапропель, так как после взаимодействия с ним выявлено достоверно наименьшее количество подвижных форм
мышьяка. Сапропель включает в себя органические и минеральные компоненты, которые образуют органоми-неральный комплекс, это способствует переводу мышьяка в малоподвижные формы, уменьшая при этом его поглощение растениями, что подтверждается исследованиями других авторов [5].
С учетом данных, полученных в результате исследований, был заложен вегетационный опыт. Для его проведения в качестве тест-культуры был выбран редис, в качестве сорбентов - сапропель и диатомит. Исследования проводили на аллювиальных почвах, они широко применяются для выращивания овощных и кормовых культур, в то же время пойменные воды могут быть загрязнены мышьяком [7]. В нашем опыте почву искусственно загрязняли мышьяком до концентрации 20 (2 ОДК), 40 (4 ОДК) и 80 (8 ОДК) мг/кг, в качестве контроля использовали незагрязненную почву, повторность опыта трехкратная. Сорбенты вносили из расчета 10 т/га, также были предусмотрены варианты без внесения сорбентов (для каждого уровня загрязнения). По окончании опыта были определены сырая масса растений в каждом сосуде и среднее содержание мышьяка в наземной и корневой части растения по каждому варианту. В массе растений не выявлено существенных различий, но по количеству накопленного в ней мышьяка варианты имеют существенную разницу, которая наиболее четко просматривается на максимальной (80 мг/кг) концентрации (рис. 2).
Сапропель снизил содержание мышьяка в корнеплодах в 1,3 раза, в зеленой массе - в 1,4 раза. В тех вегетационных сосудах, где был применен диатомит, содержание мышьяка, напротив, было большим по сравнению с аналогичным уровнем загрязнения без внесения сорбентов как в корнеплодах, так и в зеленой массе. Механизм действия сапропеля включает в себя несколько физико-химических процессов связывания мышьяка: абсорбцию, хемосорбцию (образование соединений, в которых мышьяк в малоподвижной форме), замещение в почвен-но-поглощающем комплексе арсенатов на нетоксичные ионы. Все эти процессы в совокупности переводят часть
' Энергия проростания
60 50
Э 40 £30
£ 20 и
10 0
контроль 20 мг/кг 40 мг/кг 80 мг/кг Содержание мышьяка в субстрате
Масса проростков
контроль 20 мг/кг 40 мг/кг 80 мг/кг
Содержание мышьяка в субстрате
Рис. 1. Энергия прорастания и масса проростков
1. Содержание подвижных форм мышьяка после взаимодействия с сорбентами
Вариант Подвижные формы мышьяка % снижения подвижных форм
Почва + мышьяк 15,9 мг/кг -
Почва + мышьяк + СОРБЭКС 11,1 мг/кг 30
Почва + мышьяк + диатомит 12,8 мг/кг 19
Почва + мышьяк + сапропель 5,9 мг/кг 63
Почва + мышьяк + цеолит 18,2 мг/кг -14
НСР05 5,45
Рис. 2. Содержание мышьяка в фитомассе редиса при уровне загрязнения 80 мг/кг
2. Содержание мышьяка в фитомассе овса, мг/кг
Вариант Корни Зеленая масса
Мышьяк, 20 мг/кг 17,8 8,3
Мышьяк, 20 мг/кг + сапропель 9,48 0
Мышьяк, 20 мг/кг + сапропель + Fe3+ 9,97 1,5
Мышьяк, 40 мг/кг 17,7 5,8
Мышьяк, 40 мг/кг + сапропель 18,7 1,5
Мышьяк, 40 мг/кг + сапропель + Fe3+ 10,2 3,9
Мышьяк, 80 мг/кг 55,8 11,2
Мышьяк, 80 мг/кг + сапропель 56,4 7,3
Мышьяк, 80 мг/кг + сапропель + Fe3+ 55,22 5,9
НСР05 17,4 5,7
внесенного мышьяка в малоподвижную форму. Действие диатомита характеризуется лишь механической сорбцией, которая в данном случае оказалась недейственной из-за несоответствия радиуса ионов арсенатов и размеров пор сорбента (поры диатомита значительно больше и не задерживают ионы мышьяка).
На следующем этапе был заложен второй вегетационный опыт, в котором в качестве сорбентов использовали сапропель и сапропель, обработанный Бе3+. Схема опыта и методика проведения была аналогичной. В конце опыта были определены сырая и сухая массы растений для на-
земной и корневой части отдельно в каждом сосуде и среднее содержание мышьяка в наземной и корневой части растения по каждому варианту. Масса сырого вещества в вариантах с использованием сапропеля выше, чем в вариантах с использованием сапропеля, обработанного Бе3+. Наибольшая масса в корневой и в наземной части растения была при применении в качестве сорбента сапропеля, а при применении сапропеля, обработанного Бе3+, масса была несколько ниже, но минимальная масса при этом уровне загрязнения почвы отмечена в контроле.
По количеству накопленного в зеленой массе мышьяка варианты имеют существенную разницу, которая наиболее четко просматривается при максимальной (80 мг/кг) концентрации. Внесение сапропеля позволило снизить содержание мышьяка в 1,5 раза, а сапропеля, обработанного Бе3+, - в 1,9 раза. В корневой части содержание мышьяка при уровне загрязнения 80 мг/кг примерно одинаково как в варианте без сорбента, так и в вариантах с внесением сорбентов (табл. 2).
Таким образом, в результате проведенных исследований было выявлено, что положительный эффект во всех опытах наблюдался при внесении в качестве сорбента сапропеля. Для усиления действия чистого сапропеля возникает необходимость дальнейшего совершенствования сорбента и составления новых композиций.
Литература
1. Пузанов А.В., Бабошкина С.В. Мышьяк в системе «почвы - природные воды - растения» Алтая // Почвоведение. 2009. № 9. С. 1073-1082.
2. Соловьев В.М. Мониторинг содержания мышьяка в почвах Ярославской области // Агрохимический вестник, 2008, № 5, С. 11-12.
3. Водяницкий Ю.Н., Васильев А.А., Власов М.Н., Коровушкин В.В. Роль соединений железа в закреплении тяжелых металлов и мышьяка в аллювиальных и подзолистых почвах в районе г. Пермь // Почвоведение, 2009, № 7, С. 794-805.
4. Белоголова Г.А., Гордеева О.Н., Коваль П.В., Джао К.Х., Гао Г.Л. Закономерности распределения и формы нахождения тяжелых металлов в техногенно-трансформированных черноземах южного Приангарья и Северо-Восточного Китая // Почвоведение, 2009, № 4, С. 429-440.
5. Нейтрализация загрязненных почв: монография / Под общ. ред. Ю.А. Мажайского. Рязань: Мещерский филиал ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии, 2008. - 528 с.
6. Кирейчева Л.В., Хохлова О.Б. Изучение эффективности природных сорбентов для иммобилизации мышьяка в почве // Агрохимический вестник. - 2009. - № 2. - С. 16-18.
7. Техногенное загрязнение речных экосистем / В.Н. Новосельцев и др. - М: Научный мир, 2002. - 140 с.
8. Кужварт М. Неметаллические полезные ископаемые. М., 1986. - 60 с.
