CC BY
52
УДК 631.415
ИЗУЧЕНИЕ ИММОБИЛИЗУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
СОРБЕНТА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В МОДЕЛЬНО-ЗАГРЯЗНЕННОЙ СЕРОЙ ПОЧВЕ
© 2018 Н. П. Неведров1, М. Ю. Фомина2
1канд. биол. наук, старший преподаватель. каф. биологии и экологии e-mail: 9202635354@mail.ru
2студентка 1 курса магистратуры естественно географического факультета e-mail:masha07021996@yandex.ru
Курский государственный университет
В работе приведена оценка эффективности иммобилизации тяжелых металлов в искусственно-загрязненной серой почве сорбентом на основе извести и сапропеля. Отмечено, что количество адсорбированных ионов тяжелых металлов зависит от соотношения компонентов в составе сорбента. Вариант с компонентным составом в соотношении сапропеля и извести 1:5 максимально эффективно снижает концентрации подвижных форм Pb, Zn и Cd. Установлено, что активность адсорбции изученных тяжелых металлов сильно изменяется во времени. Так, до 21,7 % свинца и до 9,0 % цинка адсорбируются в течение первых двух месяцев, после внесения сорбента; до 47,4 % кадмия адсорбируется в период с двух до восьми месяцев экспозиции опыта.
Ключевые слова: сапропель, известь, тяжелые металлы, сорбент, серая почва.
Тяжелые металлы (ТМ), как продукты техногенной эмиссии, являются крайне опасными поллютантами [Савич и соавт. 2013; Перельман, Касимов 1999]. Высокое содержание ТМ в почве приводит к трансформациям почвенных процессов и утрате почвами способности выполнять свои экологические функции. Продукция, выращиваемая на загрязненных ТМ почвах, теряет свое качество и становится экологически небезопасной. Это влечет за собой значительные экономические потери и приводит к снижению продовольственной безопасности [Перельман, Касимов 1999:]. Депонированные почвой ТМ постепенно мигрируют в сопредельные компоненты экосистем, приводя к загрязнению грунтовых и поверхностных вод, угнетению и гибели живых организмов [Неведров и соавт. 2018]. Вывод загрязненных земель из севооборота в условиях глобальной нехватки пищевой продукции не является рациональным. Для повышения эффективности и качества выполнения почвой своих экологических функций необходимо внедрять технологии ремедиации почв insitu [Ступин 2009]. К таким относятся физико-химические технологии очистки почв с использованием природных сорбентов. Данные технологии позволят очистить загрязненные ТМ почвы без ограничения их функционального назначения [Ступин 2009; Nevedrov, Protsenko 2018].
Экологически безопасными и перспективными являются сорбенты на основе природных материалов. Использование природных органических и минеральных сорбентов способствует снижению подвижных форм ТМ в почве. Тяжелые металлы при взаимодействии с сорбционными материалами образуют слаборастворимые
комплексы, что резко снижает их токсический эффект за счет уменьшения миграции и транслокации ТМ в другие компоненты окружающей среды.
Объекты и методы исследования. Лабораторные испытания проводились на базе НИЛ экомониторинга Курского государственного университета. Использовалась серая почва, среднесуглинистая на тяжелом карбонатном лессовидном суглинке. Содержание гумуса - среднее (4.2%), рН(Н20) - 6.1, содержание МР/К = 18.2/17.1/19.3 мг/100г (азот, щелочногидролизуемый по Корнфилду, фосфор и калий - по Чирикову).
В пластиковые контейнеры размером 20*15*6 см3 помещалось по 0,5 кг высушенной до воздушно-сухого состояния почвы, объемом 1000 см3. Тяжелые металлы вносились в форме нитратов (2и(К03)2, РЬ(К03)2, Сё(К03)2, в дозе 5 ПДК по каждому металлу. В каждый контейнер была внесена смесь металлов, таким образом моделировалось полиэлементное загрязнение почвы. В качестве сорбента ТМ применяли смесь высушенного сапропеля и гашеной извести из расчета 10 т/га. Количественное соотношение компонентных составляющих сорбента варьировало в следующем порядке: одна единица массы сапропеля к одной единице массы извести (1:1), одна единица массы сапропеля к трем единицам массы извести (1:3), одна единица массы сапропеля к пяти единицам массы извести (1:5). Контрольным образцом служила загрязненная смесью металлов почва без внесенного сорбента. Дозы внесения сорбента определялись согласно нормам внесения извести и сапропеля в почвы среднесуглинистого гранулометрического состава. Массовые концентрации подвижных форм ТМ определялись методом атомно-абсорбционной спектрометрии через 2 и 8 месяцев после начала опыта.
Результаты и обсуждения. После двух месяцев экспозиции опыта количество подвижного свинца в вариантах опыта с сорбентом снижается на 8,6-21,7% относительно загрязненной почвы без сорбента. Массовая концентрация подвижного цинка в серой почве с внесенным сорбентом уменьшается незначительно - на 4,3-9,0%. Сорбент в составе 1:5 обладает наибольшим иммобилизующим эффектом по отношению к свинцу и цинку. В опыте с кадмием наблюдается обратный эффект действия сорбента. При внесении сорбента в почву количество подвижных форм кадмия возрастает на 3,6 - 28,7% по сравнению с почвой без внесенного сорбента. Это можно объяснить конкурентными взаимоотношениями металлов за связь с реакционными центрами органического вещества почвы и различной степенью сродства этих элементов к фиксации на минеральной почвенной матрице (табл.).
Зависимость массовых концентраций подвижных форм тяжелых металлов в почве
от компонентного состава сорбента
№ опыта Экспозиция опыта, месяц Содержание подвижных форм ТМ, мг/кг
Варианты опыта
Ме Сорбент 1:1 Сорбент 1:3 Сорбент 1:5
Pb 2 месяца 115±1,8 105±0,7 93±1,2 90±1,0
8 месяцев 131±1,4 131±1,1 138±2,0 128±1,2
Zn 2 месяца 209±2,0 200±1,9 190±1,3 190±0,9
8 месяцев 220±0,9 233±2,4 230±2,2 214±1,2
Cd 2 месяца 2,29±0,1 3,21±0,1 2,37±0,2 3,16±0,3
8 месяцев 2,72±0,1 2,87±0,1 2,06±0,2 1,66±0,1
При восьми месяцах экспозиции опыта отмечался рост концентраций подвижных форм ТМ в почве на контроле и во всех вариантах опыта со свинцом и цинком. Максимальное повышение содержания подвижных форм свинца (48,3 %) и цинка (21,0 %) зафиксировано в варианте опыта с составом сорбента 1:3 (рис. 1).
Из данных таблицы видно, что на восьмой месяц экспозиции опыта действие сорбента имеет эффект торможения мобилизации по отношению к свинцу и цинку лишь в варианте с составом 1:5, где содержание их подвижных форм заметно ниже, чем на контроле. Эффект торможения роста концентраций подвижных форм свинца и цинка можно объяснить наибольшим количеством извести, которая содержится в варианте сорбента с компонентным составом 1:5.
Рис. 1. Зависимость изменения доли подвижных форм ТМ при экспозиции опыта в период с 2-х до 8-ми месяцев от количественного соотношения компонентов сорбента
Для кадмия во всех вариантах опыта характерно снижение массовых концентраций подвижных форм относительно их концентраций при двух месяцах экспозиции опыта. Диапазон изменений концентраций находится в пределах от 10,5% до 47,4% и зависит от соотношения компонентов в составе сорбента (рис. 1). Максимальный иммобилизующий эффект проявляется в варианте опыта 1:5, где содержание подвижной формы кадмия на 39,9 % ниже, чем в контрольном варианте опыта без применения сорбента. В контрольном варианте опыта, ввиду отсутствия сорбента в почве, содержание подвижной формы кадмия при восьми месяцах экспозиции опыта возрастает на 18,7 % (рис. 1).
По результатам проведенного исследования можно отметить, что по состоянию на восьмой месяц экспозиции опыта инактивирующий эффект сорбента сохраняется только по отношению к кадмию. Максимального значения он достигает в варианте опыта с наибольшим количеством внесенной извести. Это происходит за счет действия минерального компонента сорбента на показатель рН среды почвенного раствора, среда сильнее подщелачивается. Вероятно, что условия рН среды более благоприятны для сорбции кадмия на минеральных почвенных коллоидах, чем для свинца и цинка. Также активная сорбция кадмия может объясняться его относительно низким количеством (массовой долей) в почве по сравнению с другими исследуемыми металлами {Тп, РЬ) (рис. 2).
Рис. 2. Долевое распределение масс внесенных металлов в почву в ходе модельного загрязнения исследуемой серой почвы
По всей вероятности, кадмий в период восьмого месяца экспозиции опыта обладает большим сродством к его поглощению, чем свинец и цинк.
В целом снижение мобильности кадмия обусловливает эффективность применения сорбента в целях детоксикации загрязненных данным металлом почв.
Заключение. Комплексный сорбционный материал на основе извести и сапропеля достаточно эффективен по отношению к свинцу и цинку в первые два месяца после его внесения в почву. Его применение на этот срок приводит к снижению концентраций свинца до 21,7 % и цинка до 9,0 %. Отмечено непостоянство мобильности кадмия при воздействии сорбента. Первые два месяца наблюдался рост концентраций подвижных форм кадмия относительно контроля, затем их снижение, которое достигало 39,9 % относительно контроля. Это можно объяснить изменением условий среды и, соответственно, сродства к сорбции металла на почвенных коллоидах. По результатам проведенного исследования можно заключить, что действие сорбента весьма селективно. Компонентный состав сорбента и его дозу необходимо подбирать исходя из особенностей загрязнения (степени и характера) и свойств почв. Наиболее эффективным являлся сорбент с компонентным составом 1:5 (сапропель/известь) в отношении свинца и цинка при двух месяцах воздействия, в отношении кадмия при восьми месяцах.
Работа выполнена при поддержке гранта Фонда содействия инновациям конкурс «У.М.Н.И.К.» договор № 11401ГУ/2017.
Библиографический список
Неведров Н.П., Проценко Е.П., Фомина М.Ю., Балабина И.П., Балабина Н.А. Способ иммобилизации свинца в загрязненных почвах: Патент ЯИ № 2642868 от 24.05.2018 г.
Перелъман А.И. Касимов Н.С. Геохимия ландшафта М.: Астрея-2000, 1999.
768 с.
Савич В.И., Белопухов С.Л., Никиточкин Д.Н., Филиппова А.В. Использование новых методов очистки урбанизированных почв от тяжёлых металлов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. №6 (44). С. 203-205.
Ступин Д.Ю. Загрязнение почв и новейшие технологии их восстановления: учеб. пособие. СПб.: Лань, 2009. 432 с.
Nevedrov N.P., Protsenko E.P. Technologies for optimization of ecosystem services and functions of soils under anthropogenic impact in urban areas // International Conference on Sustainable Cities. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2018. 8 с.
