CC BY
22
ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ И ИХ РЕШЕНИЕ
УДК 633.16:577.346; 553.578 + 631.445.24 + 631.442.1
НАКОПЛЕНИЕ 9<^г В ЯЧМЕНЕ ПРИ ВНЕСЕНИИ ПРИРОДНЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ СОРБЕНТОВ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТУЮ
СУПЕСЧАНУЮ ПОЧВУ
Д.В. Крыленкин, Н.И. Санжарова, д.б.н., И.В. Гешель, Н.В. Андреева
ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, e-mail: [email protected]
Изучено влияние различных видов и доз природных и искусственных сорбентов на подвижность 90Sr в дерново-подзолистой почве и его биологическую доступность. Применение диатомита, трепела, комплексных сельскохозяйственных сорбентов КС-10СХ и КС-20СХ привело к изменению почвенных характеристик и, как следствие, к сни-
90
жению поступления Sr в растения ячменя.
Ключевые слова: 90Sr, радионуклид, дерново-подзолистая почва, диатомит, трепел, искусственные сорбенты.
ACCUMULATION OF 90Sr BY BARLEY FROM SOD-PODZOLIC SOIL IN CASE OF NATURAL AND ARTIFICIAL SORBENTS APPLICATION D.V. Krylenkin, N.I. Sanzharova, I.V. Geshel, N.V. Andreeva
The influence of various artificial sorbents and rates on 90Sr mobility in sod-podzolic soil and its biological mobility has been studied. The application of tripoli, diatomite and complex agricultural sorbents KC-10CX and KC-20CX has led to change in soil characteristics and, therefore, decrease in 90Sr uptake by barley plants. Keywords: 90Sr, radionuclide, sod-podzolic soil, diatomite, tripoli, artificial sorbents.
Радиоактивные выпадения при испытаниях ядерного оружия и нормализованных выбросах АЭС, а также при авариях на предприятиях ЯТЦ служат основными источниками поступления 91^г в окружающую среду. В Российской Федерации загрязнение 91^г сельскохозяйственных земель произошло в результате аварий на НПО «Маяк» (1957 г.) и Чернобыльской АЭС (1986 г.). Площадь Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРС) с плотностью загрязнения 91^г выше 3,7 кБк/м2 составила 23 тыс. км2 и включала территории Челябинской, Свердловской, Курганской и южной части Тюменской областей [1]. При аварии на Чернобыльской АЭС основная часть 9^г выпала в виде топливных частиц в пределах 30 км зоны. Масштабное радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных угодий определило необходимость разработки эффективных способов снижения накопления радионуклидов в производимой продукции.
В организм человека 91^г попадает с продуктами питания, поэтому снижение его подвижности в аграрных экосистемах - актуальная задача, для решения которой широко применяют известкование и внесение повышенных доз фосфорных удобрений, что приводит к переводу радионуклида в труднорастворимые соединения [6].
Одним из приемов снижения подвижности радионуклидов в различных средах, служит использование глинистых минералов и сорбентов [5]. Эффективность сорбентов по отношению к 91^г из-за обменного типа его поведения ниже, чем к 137Cs. В связи с этим, поиск новых сорбентов, снижающих подвижность 91^г - актуальная научная и практическая задача.
Цель работы - исследование влияния природных и новых искусственных сорбентов на накопление 91^г из дерново-подзолистой почвы в ячмене.
Вегетационный эксперимент проведен на супесчаной дерново-подзолистой почве со следующими характеристиками: pH - 6,27; Нг - 1,86 мг-экв/100 г; сумма осно-
ваний (S) - 6,3 мг-экв/100 г; гумус - 1,3%; P2O5 - 65,6 мг/кг, K2O - 77,6 мг/кг.
Повторность опыта трехкратная. В опыте использовали ячмень сорта Михайловский.
Радионуклид вносили в виде раствора 90Sr(NO3)2 в количестве 3,3 ± 0,036 кБк/кг почвы. Питательные элементы (P и N) вносили в почву в расчете 150 мг P2O5 и N на кг почвы в формах NH4NO3 и NaH2PO4, соответственно.
Для снижения подвижности 90Sr в почве применяли природные сорбенты (трепел, диатомит) и созданные на их основе по специальной технологии искусственные сорбенты (КС-10СХ, КС-20СХ). Количество вносимого сорбента по первой схеме опыта рассчитывали по увеличению ЕКО почвы на 3%, по второй - вносили одинаковую массу 7,35 г/кг (что соответствует увеличению ЕКО почвы от 3% при внесении трепела, до 19,5% при внесении КС-20СХ). В качестве контроля использовали дерново-подзолистую почву, в которую вносили 90Sr и питательные элементы (табл. 1).
Для оценки подвижности 90Sr применяли метод последовательных вытяжек: H2O 1:5 (водорастворимая форма); 1 н. CH3COONH4 1:10 (обменная форма); 1 н. HCl 1:10 (подвижная форма); 6 н. HCl 1:10 (кислоторас-творимая форма) [3].
Накопление 90Sr оценивали на основании коэффициентов накопления, рассчитанных как отношение удельных активностей в растении и почве: КН = Ар (Бк/г сухого веса)/Ап (Бк/г воздушно-сухого веса).
Для исследования были выбраны природные минералы (диатомит и трепел) и искусственные сорбенты, разработанные во ВНИИСХРАЭ (КС-10СХ, КС-20СХ). Способ получения комплексного сорбента (КС), заключается в обработке измельченного природного сырья на основе опал-кристобалитовой породы раствором кислоты. Сырье подвергают гидролизу в горячем щелочном растворе, содержащем алюминат калия K3[Al(OH)]6. Для
1. Схемы экспериментов
Вариант с Схема 1. Количество орбента необходимо го для увеличения ЕКО почвы на 3% Г Схема 2. Увеличение ЕКО при внесении •авной массы сорбен та 7,35 г/кг
Масса вносимого Увеличение ЕКО, %
сорбента, г/кг
Контроль 0 0
Диатомит 11,49 1,9
Трепел 7,35 3,0
КС-10СХ 1,45 15,2
КС-20СХ 1,13 19,5
2. Физико-химические свойства сорбентов
Сорбент рНкс1 Общий ЕКО, мг- Обменные катио-
фосфор, экв/100 г ны, мг-экв/100 г
% Р205 Са2+ к+
Трепел 3,8 0,96 25 17 1,3 4,5
Диатомит 6,5 1,44 16 16 1,1 7,9
КС-10СХ 8,9 3,84 127 10 301 1,1
КС-20СХ 8,5 7,19 163 7,0 297 1,1
нейтрализации используется фосфорная кислота, при обработке которой получены КС-10СХ и КС-20СХ [7].
Характеристики исследуемых сорбентов и почвы определяли по стандартным методикам: рН - метод ЦИНАО (ГОСТ 26483); гидролитическая кислотность -метод Каппена в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212); определение ЕКО проводили по методу Бобко-Аскинази; подвижный фосфор - фотоколориметрическим методом; подвижные калий, натрий, магний и кальций определяли атомно-адсорбционным методом (табл. 2).
Природные сорбенты характеризуются более высокой кислотностью (особенно, трепел), низким содержанием элементов питания (фосфор, калий). Емкость ка-тионного обмена искусственных сорбентов в 5-10 раз выше, чем природных. Повышенное содержание калия в искусственных сорбентах обусловлено тем, что калий входит в состав гидролизующего раствора, использующегося в технологии получения сорбента.
Внесение сорбентов в дерново-подзолистую супесчаную почву практически не повлияло на кислотность почвы. Изменение гидролитической кислотности зависело как от вида сорбента, так и от его количества: при внесении в почву природных сорбентов гидролитическая кислотность увеличилась в 1,2-1,9 раз, влияние искусственных сорбентов менее значимо. При этом внесение искусственных сорбентов в количестве, определяющем увеличение расчетной ЕКО на 15,2-19,2%, приводит к уменьшению гидролитической кислотности в большей степени, чем для вариантов с увеличением ЕКО на 3%. Технология производства искусственных сорбентов определяет повышенное содержание в них калия и в меньшей степени фосфора. Внесение сорбентов в количестве, обеспечивающем увеличение ЕКО почвы на 3%, практически не изменяет или незначительно (10-14%) снижает содержание суммы обменных оснований. При внесении природных сорбентов в количестве 7,35 г/кг почвы содержание суммы обменных оснований в почве не изменяется, а для КС-10СХ и КС-20СХ увеличивается на 4-7%. Содержание фосфора в контроле незначительно выше, чем в вариантах с сорбентами, что может быть связано с большим выносом элемента питания биомассой растений. Содержание калия варьирует в почве в зависимости от вида и дозы сорбента - минимальное зарегистрировано при внесении природных сорбентов, максимальное - искусственных (от 1,9 до 16,6 раз выше, чем в контроле) (табл. 3).
Увеличение расчетного значения ЕКО для природных сорбентов на 1,9-3% не может быть зарегистрировано при эмпирическом определении данного показателя. Для КС-10СХ и КС-20СХ при увеличении расчетного значения ЕКО соответственно на 15,2 и 19,5%, эмпирические значения возрастают на 0,3 и 1,8 мг-экв/100 г почвы, или на 3 и 18% от контроля.
Изменение почвенных характеристик обусловило изменение содержания форм 908г в почве (табл. 4). Содержание водорастворимой формы 908г при внесении природных сорбентов КС-10СХ и КС-20СХ в количе-
стве, обуславливающем увеличение ЕКОр
на 3%,
практически не изменялось. При внесении искусственных сорбентов в количестве, увеличивающем ЕКОрасч.
3. Свойства почвы после внесения сорбентов
Вариант ЕКОэмп., мг-экв/100 г Увеличение ЕКОрасч, на % рНка Нг 8, мг-экв/100 г Р205, мг/кг К20, мг/кг
Контроль 10,0 0 5,04 1,95 5,90 60,42 49,51
Диатомит (3%) 10,0 3,0 4,97 3,78 6,00 56,67 51,8
Диатомит (вес) 9,9 1,9 5,03 2,68 5,90 49,17 46,16
Трепел (3%) 10,0 3,0 4,92 2,42 5,80 56,67 46,25
Трепел (вес) 10,0 3,0 4,88 2,46 5,80 56,67 46,25
КС-10СХ (3%) 10,2 3,0 5,02 2,39 5,30 55,83 141,84
КС-10СХ (вес) 10,3 15,2 5,49 1,78 6,15 47,5 651,7
КС-20СХ (3%) 10,4 3,0 5,00 2,12 5,10 49,17 94,11
КС-20СХ (вес) 11,8 19,5 5,28 2,00 6,30 68,33 822,29
4. Формы содержания 908г в почве после внесения ^ сорбентов, %
Вытяжка Контроль Диатомит (3%) Диатомит (вес) Трепел (3%) Трепел (вес) КС-10СХ (3%) КС-10СХ (вес) КС-20СХ (3%) КС-20СХ (вес)
И20 1,45 0,15 0,30 0,66 0,66 0,48 0,95 1,77 2,80
АсМИ4 1н 55,45 54,09 54,85 56,82 55,30 56,67 49,55 55,91 49,70
НС1 1н 21,82 20,45 21,82 21,50 30,3 23,79 29,55 22,27 26,67
НС1 6н 5,30 4,70 5,30 5,61 5,61 5,00 7,27 5,18 5,76
5. ^ Влияние сорбентов ^ на накопление 9%г в вегетативной массе ячменя
Вариант Биомасса 25 растений, Содержание 908г, КН Кратность снижения
г сух. веса кБк/кг раст.
Контроль 10,65 149±6 44,5±0,9 -
Диатомит (3%) 16,61 95±2 30,3±1,8 1,47
Диатомит (вес) 13,93 117±6 32,5±1,6 1,36
Трепел (3%) 10,24 142±6 43,2±0,6 1,03
Трепел (вес) 10,50 142±3 40,2±0,6 1,01
КС-10СХ (3%) 10,50 112±5 33,7±2,4 1,32
КС-10СХ (вес) 13,91 42±2 12,3±0,4 3,61
КС-20СХ (3%) 26,32 70±2 22,6±0,4 1,97
КС-20СХ (вес) 21,13 34±2 10,4±0,8 4,28
на 15-20%, содержание водорастворимой формы изменялось разнонаправлено: содержание обменной формы уменьшилось на 5,75-5,9%, а содержание подвижной и прочно фиксированной форм увеличилось соответственно на 4,85-7,72 и 0,46-1,97%.
Установлены высокие коэффициенты обратной корреляции между содержанием обменной формы 91^г и следующими почвенными характеристиками: ЕКОэмп(-0,68), pHKcl (-0,81), содержание калия (-0,88), увеличение ЕК0расч.(-0,87) и сумма обменных оснований (0,54). Не выявлено достоверной корреляции между содержанием подвижной формы 91^г и почвенными характеристиками. Положительная достоверная корреляция найдена между содержанием прочно фиксированной формы 91^г и следующими почвенными характеристиками: сумма обменных оснований (0,74), рН^ (0,62), увеличение ЕК0расч.(0,54) и содержание калия (0,55).
Установленные закономерности показывают, что внесение искусственных сорбентов в дерново -подзолистую супесчаную почву приводит к снижению доступности 91^г в результате уменьшения содержания его обменной формы и увеличения содержания подвижной и прочносвязанной форм.
Подвижность радионуклида в почве определяет размеры его накопления в растениях. Анализ результатов показывает, что коэффициенты накопления 91^г в вегетативной массе ячменя из дерново-подзолистой супесчаной почвы в условиях вегетационного опыта варьировали от 10,4 до 44,5 (кБк/кг раст.)/(кБк/кг почвы) (табл. 5). Максимальный КН получен в варианте без сорбентов. При внесении природных сорбентов снижение КН были минимальным - в 1,03-1,36 раза.
При внесении искусственных сорбентов снижение КН составляло 1,32-4,28 раз.
Наибольшее снижение накопления 91^г в растениях наблюдалось в вариантах с искусственными сорбентами КС-10СХ и КС-20СХ в количествах, которые обеспечили максимальное увеличение ЕКО соответственно на 15,2 и 19,2%, - в максимальном случае в 1,97 раза для КС-20СХ. При увеличении ЕКО на 3% во всех вариантах применения сорбентов эффективность их была ниже.
Максимальный коэффициент корреляции определен между КН 9% и биомассой растений (-0,95), а также расчетными значениями увеличения ЕКО (-0,85). Достоверная обратная корреляция установлена между КН 91^г и следующими почвенными характеристиками: ЕКОэмп. (-0,72), pH (-0,82), содержание калия (-0,85). Снижение доступности 91^г в почвах при внесении искусственных сорбентов обусловило наличие положительной корреляции между КН радионуклида и содержанием его обменной формы (0,76), а также суммы обменной и водорастворимой форм (0,60).
Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что применение искусственных сорбентов увеличивает ЕКО и содержание калия в почве, а также снижает кислотность. Изменение почвенных параметров определяет снижение подвижности радионуклида и, как следствие, уменьшение накопления в растениях. Применение искусственных сорбентов обеспечивает увеличение содержания элементов питания, что приводит к росту биомассы растений. Высокий коэффициент корреляции
между КН и биомассой растений указывает на наличие «эффекта разбавления».
Литература
1. Крупные радиационные аварии: последствия и защитные меры (под ред. Л.А. Ильина и В.А. Губанова). - М.: ИздАТ, 2001. - 751 с.
2. Тимофеев-Ресовский И.В., Титлянова А.А., Тимофеев Н.А., Махонина Г.И., Молчанова И.В., Чеботина М.Я. Поведение радиоактивных изотопов в системе почва-раствор. Радиоактивность почв и методы ее определения. - М.: Наука, 1966. - С. 46-80.
3. Павлоцкая Ф.И. Миграция радиоактивных продуктов глобальных выпадений в почвах. - М.: Атомиздат, 1974.
- 216 с.
4. Спицын В.И., Громов В.В. Поглощение 9^г минералами // Почвоведение, 1959, № 12. - С. 45.
5. Степина И.А., Попов В.Е. Зависимость обменной доли селективно сорбированного 137Cs в почвах и природных сорбентах от концентрации К+ и МИ4+ // Почвоведение, 2011, № 6. - С. 713-718.
6. Сельскохозяйственная радиоэкология (под редакцией Р.М. Алексахина и Н.А. Корнеева). - М.: Экология, 1992.
- 400 с.
7. Патент РФ. Способ получения комплексного сорбента № 2427420, МПК B 01 J 20/30, 2006 г.
