CC BY
23
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Каширин Дмитрий Евгеньевич, заведующий кафедрой Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева (390044, г. Рязань, ул. Костычева, 1), доктор технических наук, доцент. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5487-6863. E-mail: kadm76@mail.ru
Симдянкин Аркадий Анатольевич, профессор кафедры Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева (390044, г. Рязань, ул. Костычева, 1), доктор технических наук, профессор. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6710-490X. E-mail: seun2006@mail.ru
Лимаренко Н.В., заведующий кафедрой Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Ко-стычева (390044, г. Рязань, ул. Костычева, 1), кандидат технических наук, доцент. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9925-5166. E-mail: eeia.rgatu@mail.ru
DOI: 10.32786/2071-9485-2022-02-43 THE METHOD FOR BIOLOGICAL SOIL CLEANING CONTAMINATED WITH HEAVY METALS
V. S. Bocharnikov, M. A. Zaichkina, M. A. Denisova, O. V. Bocharnikova
Volgograd State Agrarian University, Volgograd Received 23.03.2022 Submitted 25.05.2022
Summary
Investigated cleaning of ground from heavy metals - phytorecultivation, embedded in the seeding and cultivation of mustard, when decomposing which, in the pomegranate introduced various concentrations of ethylenediaminetraucous acid.
Abstract
Introduction. Currently, there is an acute problem with the proper cleaning of soil and input resources from heavy metals. Based on the current situation, it can be seen that soil contamination can affect agricultural enterprises. The ecological danger lies in the fact that the soil, over time, with constant human influence, changes its fertile properties. Most often, these changes are negative, as a result of which the soil loses its productivity. The aim of this study, at this stage, is to develop new technologies or improve existing cleaning methods that will reduce capital costs and develop more efficient methods for cleaning soil from heavy metals. Object. The object of study was the chernozem-like (dark-colored) sandy loamy soil of Kuporosnaya Balka and the light chestnut solonetzic loamy soil of the Training, Research and Production Center «Gornaya Polyana» of the Volgograd Region. Materials and methods. The article presents a scheme of experimental and experimental studies, a method of phytoremediation using ethylenediaminetetraacetic acid for better cleaning of the soil from heavy metals. After the experiments, the expected result is to investigate the effectiveness of the use of ethylenediaminetetraacetic acid for high-quality soil cleansing from heavy metals, to meet sanitary standards when planting crops. Results and conclusions. As a result of the study, a complete picture of the state of the soil in the study area was described (the nature of toxic substances in the soil, their concentration, etc.). Based on the analysis of the data obtained, the experimental scheme was adjusted in order to improve the indicators of soil cleaning from heavy metals.
Keywords: ethylenediaminetraucous acid, heavy metals, amber acid, perforation energy, seeds, contamination of the surrounding medium.
Citation. Bocharnikov V.S., Zaichkina M.A., Denisova M.A., Bocharnikova O.V. Method for biological soil cleaning contaminated with heavy metals. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2022. 2(66). 347-353 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2022-02-43.
Author's contribution. All authors of the current research took an inconsistent part in the planning, analysis and implementation of this research. All the authors of the actual article were marked and approved the presented final option.
Conflict of interest. The authors claim no conflict of interest.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 631.452:635.132
СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПОЧВЫ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
В. С. Бочарников, доктор технических наук, профессор М. А. Заичкина, преподаватель М. А. Денисова, кандидат технических наук, доцент О. В. Бочарникова, доктор технических наук, профессор
Волгоградский государственный аграрный университет, г. Волгоград Дата поступления в редакцию 23.03.2022 Дата принятия к печати 25.05.2022
Аннотация. Рассмотрена очистка почвы от тяжелых металлов - фиторекультивацией, заключающейся в посеве и выращивании горчицы, при орошении которой, в почву вносятся различные концентрации этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА).
Актуальность. В настоящее время стоит острая проблема надлежащей очистки почвы и вводных ресурсов от тяжелых металлов. Исходя из сложившейся ситуации можем заметить, что засорение почв может повлиять на сельскохозяйственные предприятия. Экологическая опасность состоит в том, что почва с течением времени при постоянном воздействии человека меняет свои плодородные свойства. Чаще всего эти изменения носят негативный характер, в результате чего почва теряет свою продуктивность. Целью настоящего исследования на данном этапе является разработка новых технологий или совершенствование существующих способов очистки, которые позволят снизить капитальные затраты и развить более эффективные методики для очистки почвы от тяжелых металлов. Объект. Объектом исследования являются черно-земовидная (темноцветная) супесчаная почва Купоросной балки и светло-каштановая солонцеватая суглинистая почва УНТ ЦП «Горная поляна» Волгоградской области. Материалы и методы. В статье приведена схема экспериментально-опытных исследований, метод фиторекульти-вации с помощью этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) для более качественной очистки почвы от тяжелых металлов. После проведения опытов ожидаемый результат заключается в том, чтобы исследовать эффективность использования ЭДТА для качественного очищения почвы от тяжелых металлов до соответствия санитарным нормам при посадке сельскохозяйственных культур. Результаты и выводы. В результате исследования описана полная картина состояния почвы на исследуемом участке (характер токсичных веществ в почве, их концентрация и т.д.). На основе анализа полученных данных была проведена корректировка схемы опыта с целью улучшения показателей очистки почвы от тяжелых металлов.
Ключевые слова: этилендиаминтетрауксусная кислота, тяжелые металлы, янтарная кислота, энергия прорастания семян, всхожесть семян, загрязнение окружающей среды.
Цитирование. Бочарников В. С., Заичкина М. А., Денисова М. А., Бочарникова О. В. Способ биологической очистки почвы, загрязненной тяжелыми металлами. Известия НВ АУК. 2022. 2(66). 347-353. DOI: 10.32786/2071-9485-2022-02-43.
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, анализе и выполнении данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились с представленным окончательным вариантом и одобрили его.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Введение. Почва - это богатство человечества, основа сельскохозяйственного производства. Однако с течением времени при постоянном воздействии человека плодородные свойства почвы ухудшаются, в результате чего почва теряет свою продуктивность [3]. В современном мире главную опасность для пахотных земель представляет загрязнение тяжелыми металлами.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Тяжелые металлы - это элементы, которые могут попасть в почву в любом агрегатном состоянии [12]. Их опасность сравнима с влиянием отходов от атомных подстанций. При этом загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами связано с повсеместным использованием несовершенных систем и методов фильтрации, выбрасываемых в окружающую среду отходов, а также несвоевременностью проводимых работ по очистке [5].
Почва, загрязненная тяжелыми металлами, служит источником вторичного загрязнения подземных вод и воздуха [4]. Из почвы тяжелые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу, что может послужить причиной отравления и даже летального исхода человека и млекопитающих [11].
При анализе исследований, проводимых на территории Волгограда и Волгоградской области, были систематизированы данные по содержанию тяжелых металлов в почве, которые представлены в таблицах 1 и 2. Для понимания общей картины в таблице также представлены предельно допустимые концентрации (ПДК) [2].
200 150 100 50
0
■ Тяжелые металлы/Heavy metals Со -Тяжелые металлы/Неауу rnetals Zn 55 Тяжелые металлы/Неауу metals Pb 32
■ 0-50 « 50-100 1 100-150 150-200
Рисунок 1 - Валовое содержание тяжелых металлов в почвах, мг/кг Figure 1 - Gross content of heavy metals in soils, mg/kg
Оснодипй
Основной Основной Основной
Тяжелые металлы/ Heavy metáis Pb
а Основной-Основной ■ Основной-Основной ■ Основной-Основной
Рисунок 2 - Содержание тяжелых металлов в подвижной форме в почвах исследуемых объектов, мг/кг
Figure 2 - Content of heavy metals in mobile form in the soils of the studied objects, mg/kg
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Химическая формула: [8].
г/см3. Молярная масса: 380.170 г моль /л. Точка плавления: 240 0С. Растворимость: рас-
Рисунок 3 - Модель комплекса, образованного ЭДТА с ионом Cu Figure 3 - Model of the complex, EDTA with Cu2 + ion
Фиторекультивация, заключающаяся в посеве и выращивании горчицы, при орошении которой в почву вносятся различные концентрации ЭДТА [1]. Технология состоит в следующем. Производится высадка семян горчицы на загрязненном участке (почва заражена тяжёлыми металлами цинком, медью, свинцом, ртутью), затем осуществляется орошение почвы с добавлением ЭДТА по однофакторной схеме в пяти проворностях. На первой делянке внос в почву ЭДТА не производился. На всех остальных участках ЭДТА вносится соответственно: 2,5; 5; 7,5; 10,0 кгга-1.
После созревания горчицы производился ее сбор и доставка в специально оборудованные места для последующей переработки.
Для проведения эксперимента на выбранных участках после проведения опыта были взяты пробы почв черноземовидной (темноцветной) супесчаной почвы Купоросной балки и светло-каштановой солонцеватой суглинистой почвы УНПЦ «Горная поляна [7] на удалении 30 км от второй Продольной магистрали.
До начала проведения эксперимента почву подкисляли внесением компоста и производили полив растений с применением ЭДТА [6]. Затем, в фазу зацветания, растения горчицы утилизируют.
Таким образом, при подборе реагента для деметаллизации почв мы руководствовались следующими критериями:
1) реагент должен быть выборочным по отношению к извлекаемым токсичным металлам;
2) реагент должен плохо сорбироваться почвой;
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА, НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
3) реагент должен быть нетоксичным и безопасным для окружающей среды, а также иметь низкую стоимость.
На основе критериев в наибольшей степени удовлетворяет ЭДТА.
Рисунок 4 - Посев горчицы на загрязненной почве для извлечения тяжелых металлов методом фиторекультивации
Figure 4 - Sowing mustard on polluted soil for the extraction of heavy metals by phytorecultivation
При выборе растения для поглощения неорганических токсичных веществ (в т. ч. тяжелых металлов) мы исходили из фиторемедиационных особенностей и почвенно-климатических характеристик участка почвы, подлежащего восстановлению.
При выращивании горчицы с добавлением ЭДТА было рассмотрено влияние данного вещества на корневую систему растения и его надземные органы.
По завершении фазы роста и процессов транспортировки токсических веществ в надземные органы растений они удаляются и подлежат соответствующей переработке. По данным исследований было выявлено, что очистка почв с использованием данной технологии оказалась наиболее эффективной.
В целом фиторекультивация как метод очистки почв ввиду своей малой изученности и невысокой степени внедрения в практику занимает не самое высокое место в рейтинге популярных технологий детоксикации загрязненных почв. Но в дальнейшем, при тщательном изучении и усовершенствовании технологии фиторекультивации, как наиболее рентабельной и экологически чистой, она непременно будет превалировать над физико-химическими методами.
Результаты и обсуждение. Установлено, что метод фиторекультивации является экологически безопасным и экономически целесообразным. Анализ почв после проведенных исследований показал положительную динамику в отношении тяжелых металлов, находящихся в почве. Таким образом, заявленный способ биологической очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, обеспечивает повышение эффективности очистки почвы от тяжелых металлов.
Хотелось бы отметить, что наиболее высокие показатели эффективности очистки почвы от тяжелых металлов (в частности цинка, свинца, никеля, меди) достигаются при дозировке ЭДТА в виде водного раствора 7,5 кг на гектар почвы, дальнейшее увеличение дозировки не вызывает улучшения показателей качества очистки почвы, в частности по содержанию цинка. Данные приведены на рисунке 5.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 5 - Содержание тяжелых металлов в почве, при разных дозировках ЭДТА
в водном растворе
Figure 5 - The content of heavy metals in the soil at different dosages of EDTA in an aqueous solution
Выводы. На данном этапе исследования получили некоторую картину состояния почв на исследуемом участке (характер токсичных веществ в почве, их концентрацию и т.п.). Скорректировали изначальную схему опыта, произвели очистку почвы от тяжелых металлов при помощи высадки семян горчицы и внесении ЭДТА в виде водного раствора при орошении, что привело к сокращению содержания тяжелых металлов (Zn, Cu, Pd, Hg) не менее чем на 10 % от их исходных значений. Наиболее высокие показатели эффективности очистки почвы от тяжелых металлов (в частности цинка, свинца, никеля, меди) достигаются при дозировке ЭДТА в виде водного раствора 7,5 кг на гектар почвы. Нормативные данные по содержанию тяжелых металлов в почве приведены в соответствии с ГОСТ №02-233 10.12.90.
Библиографический список
1. Исследование поглотительных свойств природных мелиорантов на техногенно нарушенных землях / Е. Г. Мещерякова, В.С.Бочарников, М.П. Мещеряков, О.В. Бочарникова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2020. № 3 (59). С. 239-248.
2. Околелова А. А., Егорова Г. С., Касьянова А. С. Тяжелые металлы в почвах Волгоградской агломерации // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2013. № 1 (29). С. 45-49.
3. Соотношение форм нахождения некоторых тяжелых металлов в почвах агломерации Волгоград-Волжский / В. Н. Заикина, А.А. Околелова, М. П. Корчагина, Л. И. Матус // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2018. Т. 42. № 1. С. 99-107.
4. Сравнительная экономическая оценка различных природных сорбентов для очистки сточных вод / А. С. Овчинников, В.С. Бочарников, М.А. Денисова, О.В. Бочарникова, О.В. Ко-зинская // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2020. № 2 (58). С. 65-72.
5. Bocharnikova O. V., Denisova M. A., Bocharnikov V. S. Technology of preparation of natural waters for irrigation // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. "International Symposium "Earth Sciences: History, Contemporary Issues and Prospects"" 2020. P. 012033.
6. Efficient removal of Cu-EDTA complexes from wastewater by combined electrooxidation and electrocoagulation process: Performance and mechanism study / P. Song [et al.] // Chemosphere. 2022. V. 287. 131971.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
7. Lead Desorption and Its Potential Bioavailability in Soil Used for Disposing Lead-Contaminated Pomelo Peel: Effects of Contact Time and Soil pH / N. Tongtavee [et al.]// Water, Air, and Soil Pollution. 2021. V. 232 (9). P. 384.
8. Nitric oxide removal from flue gas by combined persulfate and ferrous-EDTA solutions: Effects of persulfate and EDTA concentrations, temperature, pH and SO2 / Y. G. Adewuyi [et al.] // Chemical Engineering Journal. 2016. V. 304. P. 793-807.
9. Performance and Microbial Community Analysis of an Electrobiofilm Reactor Enhanced by Ferrous-EDTALiu / N. Li [et al.] // ACS Omega. 2021. V. 6 (28). P. 17766-17775.
10. Plant growth regulators and EDTA improve phytoremediation potential and antioxidant response of Dysphaniaambrosioides (L.) Mosyakin&Clemants in a Cd-spiked soil / A. U. Jan [et al.] // Environmental Science and Pollution Research. 2021. V. 28 (32). P. 43417-43430.
11. Recovery of Uranium and Rare Earth Elements from Western Desert Phosphate Rocks with EDTA and Nitric Acid Solutions / A. R. Bakry [et al.] // Radiochemistry. 2012. V. 63 (3). P. 297-306.
12. Simultaneous Cu-EDTA oxidation decomplexation and Cr (VI) reduction in water by persulfate/formate system: Reaction process and mechanisms / Q. Wang [et al.] // Chemical Engineering Journal. 2022. V. 427. 131584.
13. Soil-application of zinc-EDTA increases leaf photosynthesis of immature 'Wichita' pecan trees / R. J. Heerema [et al.] //Journal of the American Society for Horticultural Science. 2017. V. 142 (1). P. 27-35.
14. The effect of the exogenous application of EDTA and maleic acid on tolerance, phenolic compounds, and cadmium phytoremediation by okra (Abelmoschusesculentus L.) exposed to Cd stress/ A. Mousavi [et al.] // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. V. 9 (4). 105456.
Информация об авторах Бочарников Виктор Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Прикладная геодезия, природообустройство и водопользование» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет», Ученый секретарь (400002, г. Волгоград, проспект Университетский, д. 26) т. +7 (8442) 41-17-84 э/пп: bocharnikov_vs@mail.ru
Заичкина Марина Александровна, преподаватель кафедры «Физика» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (400002, г. Волгоград, проспект Университетский, д. 26) ORCID: https:// orcid.org/ 0000-0002-1624-8452 т. 89275388499 э/пп: mushka678@mail.ru Денисова Мария Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Прикладная геодезия, природообустройство и водопользование» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (400002, г. Волгоград, проспект Университетский, д. 26) т. +7 (8442) 41-17-84 э/пп: masha2008-1988@mail.ru
Бочарникова Олеся Владимировна, доктор технических наук, профессор кафедры «Прикладная геодезия, природообустройство и водопользование» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (400002, г. Волгоград, проспект Университетский, д. 26) т. +7 (8442) 41-1784 э/пп: olesya.bocharnikova@mail.ru
DOI: 10.32786/2071-9485-2022-02-44 STUDY OF THE FLOW COEFFICIENT FOR DIFFERENT ANGLES OF WEIRS WALLS TO THE AXIS OF POLYGONAL WEIRS
Y. V. Kuznetsov1, M. Hasan1,2, A. Almatar12
1Kuban State Agrarian University, Krasnodar 2Aleppo and Euphrates University, Aleppo and Al-Hasakah, Syria
Received 14.03.2022 Submitted 25.05.2022
Summary
There are many small canals and rivers in the world that need the systematic construction of hydraulic structures that ensure a sustainable work of reclamation pumping stations into irrigation systems and the passage of sediment and fish through the structures. The studies were carried out at the Kuban State Agrarian University, the city of Krasnodar (Krasnodar Territory), in the hydraulic laboratory of the Department of Hydraulics on a polygonal weir model. Laboratory experiments were carried out with nine polygonal weirs, which differed from each other in the angle of the side weir walls to the axis of the weir and the up-
