CC BY
41
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 674:616:615.1-636
А. М. Ежкова, И. А. Яппаров, В. О. Ежков, Н. Х. Тьяу, Д. А. Яппаров, И. А. Дегтярева, Г. О. Ежкова, Р. Р. Газизов, Л. М.-Х. Биккинина
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ БЕНТОНИТОВ ПРОВИНЦИИ
ЛАМ ДОНГ ВЬЕТНАМА И ТАРН-ВАРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
Ключевые слова: бентонит, состав, структура, сорбционные свойства, токсиканты.
В статье дана сравнительная оценка состава, структуры и свойств бентонитов татарстанского и вьетнамского месторождений. Показано, что бентониты Социалистической Республики Вьетнам по сорбцион-ным свойствам сопоставимы с бентонитами месторождений Республики Татарстан, и могут быть использованы в качестве сорбентов при разработке технологий получения экологически безопасной сельскохозяйственной продукции на техногенно загрязненных, истощенных и деградированных почвах Вьетнама.
Keywords: bentonite, composition, structure, sorption properties, toxicants.
The article provides a comparative assessment of the composition, structure and properties of the bentonite deposits of Tatarstan and Vietnam. It is shown that bentonite Socialist Republic of Vietnam on the sorption properties of bentonite deposits comparable to the Republic of Tatarstan, and can be used as adsorbents in the development of technologies for the production of environmentally sound agricultural production in the technogenic polluted, depleted and degraded soils of Vietnam.
Актуальность
В сельскохозяйственной практике Российской Федерации (РФ) и Республики Татарстан (РТ) находят широкое применение в качестве мелиорантов, удобрений и стимуляторов роста растений натив-ныеагроминералы - фосфорит, глауконит, цеолит, вермикулит, сапропель, бентонит [1-3]. Активное использование природных агроминералов в различных отраслях агропромышленного комплекса обусловлено уникальными ионообменными, сорбцион-ными свойствами, природным происхождением и низкой себестоимостью изготовленных из них материалов [4-8].
На современном этапе развития страны разрабатываются и внедряются в производство научно-обоснованные технологии применения агроминера-лов в качестве сорбентов в регионах техногенного загрязнения тяжелыми металлами, пестицидами, продуктами нефтеперерабатывающих и химических предприятий [9, 10]. В этом аспекте одним из уникальных природных сорбентов является бентонит, действие которого устремлено в двух направлениях [11-13]. Специфическая ленточно-слоистая структура агроминерала обеспечивает его высокие сорбци-онные свойства, как в отношении соединений минерального, так и органического происхождений. Вторым уникальным качеством бентонита является минеральный состав с комплексом биогенных макро-, микро- и ультраэлементов, обеспечивающих активное ионообменное свойство.
Одной из основных и актуальных задач сельскохозяйственного департамента Социалистической Республики Вьетнам (СРВ) является восстановление плодородия антропогенно и техногенно загрязненных почв, деградированных и истощенных земель, а также производство на них экологически безопас-
ной растениеводческой продукции. Агрессивное ведение сельскохозяйственного производства, направленное на трехкратное получение урожая, ненормированное использование минеральных удобрений, мелиорантов и пестицидов обуславливает с одной стороны истощение питательных элементов почв, с другой стороны - загрязнение токсичными веществами. Подобный дисбаланс настоятельно диктует разработку технологий, направленных на деликатное восстановление почвенного плодородия средствами природного происхождения с наименьшим вторжением и воздействием на окружающую среду.
В провинции Лам Донг СРВ сосредоточены большие запасы бентонитовых глин. В связи, с чем исследование их структуры, изучение свойств и адаптация российских технологий применения бентонитов в качестве сорбентов и восполнителей минерального питания является актуальным вопросом в развитии международного научного содружества, что и стало целью для выполнения работы.
Материалы и методы
Материалами исследований стали щелочные кальций-натриевые (I-СРВ) и щелочноземельные кальций-магниевые (II-СРВ) бентониты месторождений провинции Лам Донг СРВ и щелочноземельные кальций-магниевые (Ш-РТ) бентониты Тарн-Варского месторождения РТ.
Исследования минерального, химического составов и структуры бентонита проводили в аналитико-технологическом сертификационном испытательном центре ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» г. Казани. Минеральный состав определяли рентгенографическим приближенно-количественным фазовым анализом (РКФА) на дифрактометреD8 ADVANCE фирмы Bruker. Химический состав определяли ме-
тодом атомно-эмиссионной спектрометрии на спектрометре OPTIMA 2000 DV. Структуру исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии на электронном микроскопе-анализаторе ЭММА-4.
Фармакологическиесвойства бентонитов изучали по ГОСТ Р 52337-2005 на нелинейных белых мышах, полученных из вивария ФГБУ «ТМВЛ» г. Казань [14].
Исследование сорбционных свойств бентонитов в почвах проводили в условиях вегетационного домика и агрохимической лаборатории ФГБНУ «Татарский НИИАХП» г. Казань с использованием классических методов.
Цифровые показатели, полученные при выполнении работы, анализировали по стандартным программам вариационной статистики согласно пакету программ MicrosoftOffice Excel-2007.
Результаты и их обсуждение
Бентониты - тонкодисперсные глины, состоящие не менее чем на 60% из минералов группы монтмориллонита. Общая формула:
(Ca, Na) (Mg, Al, Fe)2 (OH)2 [(Si, Al)4O10] • nH2O.
По содержанию монтмориллонита бентониты классифицируются как высококачественные с содержанием минерала до 100,0%, среднекачествен-ные - до 80,0% и низкокачественные - до 60,0%. Наиболее ярким представителем высококачественных бентонитов на постсоветской территории являются минералы месторождений Асканской группы (Грузия). Территория РФ, в том числе и РТ, представлена месторождениями среднекачественных и низкокачественных бентонитов [12].
Анализ минерального состава бентонитов показал, что минералы Вьетнамского месторождения имели более высокое содержание смектитов и меньшую фракцию слюды в сравнении с татарстан-ской породой (табл. 1).
Таблица 1 - Минеральный и химический составы бентонитов, % мас.
Показатель Бентониты
I - СРВ II - СРВ III - РТ
Минеральный состав
смектит 83,0 83,0 82,0
слюда 2,0 3,0 6,0
каолинит 6,0 5,0 6,0
кварц 7,0 7,0 5,0
сидерит 1,0 1,0 1,0
кальцит - менее 1,0 -
доломит менее 1,0 менее 1,0 -
Химический состав
кальций++ 3,49 15,47 8,26
магний++ 10,69 28,78 31,27
натрий+ 26,97 1,31 0,48
калий+ 0,77 0,51 2,57
сумма 41,92 46,07 42,58
По наличию в составе дополнительных минералов, обеспечивающих добавочные макро - и микроэлементы, щелочноземельные бентониты из Вьет-
нама (П-СРВ) занимали более выгодную позицию. По сумме обменных катионов наибольший объем имели также бентониты П-СРВ из вьетнамского месторождения, потенциал их обмена превышал аналог из Татарстана на 8,2%.
Смектиты представляют собой сложение разбухающих монтмориллонитовых и неразбухающих иллитовых слоев и обеспечивают сорбционные свойства минерала. Для определения потенциального объема сорбции были исследованы межплоскостные расстояния слоев. В сравнительном аспекте установлено, что наименьшее расстояние между слоями монтмориллонита было у щелочноземельного бентонита П-СРВ и составило 11,7А, у бентонита I-СРВ - 13,5А, у татарстанского бентонита - 12,1А. При насыщении бентонитов глицерином (интерка-ляция) наибольшее увеличение расстояния между слоями минералов достигнуто у щелочноземельных бентонитов вьетнамского и татарстанского месторождений - 53,0 и 50,4 % соответственно.
При исследовании структуры щелочноземельного бентонита (П-СРВ) методом электронной микроскопии установлено, что она представлена частицами различной конфигурации с размерами от 0,3 до 1,0 мкм. Разнообразие форм частиц зависело от составляющих минералов - от резко выраженных угловатых форм кварцевых частиц до аморфных глинистых. Отмечали отдельные пакеты монтмориллонита размерами до 0,8 мкм, сцементированные глинистой массой (рис.1).
Рис. 1 - Отдельные агрегаты (пакеты) монтмориллонита размером 8,0 мкм. Щелочноземельный бентонит месторождения провинции Лам Донг Вьетнам, х 21000
В структуре минерала хорошо прослеживалась аморфная фаза, представленная наночастицами размером от 10,0 нм (рис. 2).
При исследовании структуры щелочного бентонита (1-СРВ) отмечали, что размеры частиц минерала относятся к субмикронному диапазону. Отличительной особенностью стало уменьшение в бентоните этого месторождения аморфной фазы и увеличение четкости минеральных фрагментов монтмориллонита, слюды и кварца (рис. 3).
При исследовании структуры щелочноземельного бентонита татарстанского месторождения (Ш-РТ) визуализированы отдельные сцементированные агрегаты монтмориллонита с наличием незначительного количества аморфной фазы (рис. 4).
Г Я
Рис. 2 - Аморфная фаза с наночастицами от 10,0 нм. Щелочноземельный бентонит месторождения провинции Лам Донг Вьетнам, х 69000
Рис. 3 - Четкость минеральных фрагментов монтмориллонита и уменьшение аморфной фазы. Щелочной бентонит месторождения провинции Лам Донг Вьетнам, х 40000
Рис. 4 - Крупные сцементированные пакеты монтмориллонита субмикронного диапазона с присутствием слюды и кварца. Щелочноземельный бентонит Тарн-Варского месторождения Республики Татарстан, х 14000
Сравнительная оценка структуры бентонитов показала, что они состоят из отдельных агрегатов (пакетов) монтмориллонита субмикронного диапазона, сцементированных между собой глинистой составляющей. Различие в структуре бентонитов обеспечи-
вало разное количество аморфной фазы глинистой составляющей, содержащей свободные частицы на-нометрового диапазона, которые, по-нашему мнению, обеспечивали сорбционные свойства.
В лабораторных условиях изучали сорбционные свойства бентонитов в организме белых мышей, экспериментально затравленных тяжелыми металлами в дозе одной предельно-допустимой концентрации (ПДК) в течение 30 суток. В динамике опытного периода установлено увеличение содержания токсикантов в организме интоксицированных белых мышей в 1,4-9,5 раза (табл. 2).
Таблица 2 - Содержание тяжелых металлов в мышечной ткани белых мышей, мг/кг
Показа- Группы животных (п=5)
тель контроль ОР+токси ОР+
ОР кант токси-кант+бенто нит
кадмий
I - СРВ 0,06±0,01
II - СРВ 0,05±0,01 0,07±0,01 0,05±0,02
III - РТ 0,05±0,01
свинец
I - СРВ 0,58±0,01
II - СРВ 0,11±0,02 1,05±0,09 0,50±0,01*
III - РТ 0,53±0,03
никель
I - СРВ 0,43±0,03
II - СРВ 0,16±0,01 0,94±0,11 0,36±0,02
III - РТ 0,38±0,04
В группах мышей, получавших совместно токсикант и бентонит, увеличение содержания тяжелых металлов составило 1,2-5,3 раза.
Содержание кадмия в организме затравленных и получавших бентонит мышей уменьшилось на 14,328,6% с наилучшими значениями у щелочноземельных бентонитов СРВ и РТ. Объем сорбции свинца в организме затравленных мышей составил 44,752,4%, при этом лучшие результаты получены при использовании щелочноземельных бентонитов Вьетнама. Объем сорбции никеля у затравленных и получавших бентониты мышей составил 54,2-61,7%. Наилучший результат, достигнут при использовании щелочноземельного бентонита из Вьетнамского месторождения, незначительно ниже был объем сорбции никеля у татарстанского бентонита - 59,6%. При сравнительной оценке установлен наибольший объем сорбции тяжелых металлов в организме мышей у бентонитов: щелочноземельных из месторождения Вьетнама - 28,6-61,7%, далее татарстанского - 28,6-59,6% и наименьший у щелочного из месторождения Вьетнама - 14,3-54,2%.
Сравнительное исследование сорбционных свойств бентонитов месторождения Лам Донг СРВ и Тарн-Варского месторождения РТ проведено в вегетационном опыте на экспериментально загрязненных углеводородами почвах (серая лесная) по схеме:
1. Почва + 10,0% дизельное топливо (ДТ) - контроль;
2. Почва + 10,0% ДТ + бентонит I - СРВ;
3. Почва + 10,0% ДТ + бентонит II - СРВ;
4. Почва + 10,0% дТ + бентонит III - РТ.
Установлено максимальное снижение содержания загрязнителей при использовании бентонита Тарн-Варского месторождения РТ - на 74,3%. В варианте с бентонитами месторождения Лам Донг I - СРВ и II - СРВ этот показатель составил 64,6 и 74,1% соответственно. Разница в утилизирующей способности бентонитов СРВ составила 9,5%.
Заключение
Проведенные комплексные исследования бентонитов из месторождения провинции Лам Донг Вьетнама показали, что по минеральному и химическому составам, количеству монтмориллонитового компонента, сорбционному объему и структуре они сопоставимы с среднекачественными бентонитами Тарн-Варского месторождения Республики Татарстан. Установлены высокие сорбционные свойства вьетнамских и татарстанских бентонитов к тяжелым металлам и соединениям углеводорода. Полученные результаты позволяют рекомендовать применение бентонитовых глин из провинции Лам Донг, при разработке адаптированной к Социалистической Республике Вьетнам технологии рекультивации антропогенно загрязненных, деградированных и истощенных земель с целью получения качественной экологически безопасной сельскохозяйственной продукции.
Материал представлен по научно-исследовательской работе, выполненной в рамках Меморандума о международном сотрудничестве между ФГБНУ «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения» (РФ) и Научно-техническим институтом сельского хозяйства Южного Вьетнама (СРВ), Институтом Экологических Технологий Академии Наук и Технологий Вьетнама (СРВ) по проведению совместного изучения бентонитовых глин ЛамДонг-ского месторождения для рекультивации деградированных и истощенных почв провинции Лам Донг.
Литература
1. Т.Х. Ишкаев, А.Х. Яппаров, Ш.А. Алиев, Технологические приемы эффективного использования местных агроминера-лов в земледелии Республики Татарстан. Центр инновационных технологий, Казань, 2010. 114 с.
2. В.О. Ежков, Л.М.-Х. Биккинина, М.А. Поливанов, Вестник Казан. технол. ун-та, 16, 19, 241-245 (2013).
3. А.Х. Яппаров, Л.М.-Х. Биккинина, И.А. Яппаров, Ш.А. Алиев, А.М. Ежкова, В.О. Ежков, Р.Р. Газизов, Журн. Почвоведение, 10, 1-11 (2015).
4. Н.В. Войтович, Б.А. Сушеница, В.Н. Капранов, Фосфориты России и ближнего Зарубежья. Изд-во ВНИИА, Москва, 2005. 448 с.
5. У.Г. Дистанов, А.С. Филько, Нетрадиционные виды нерудного минерального сырья. Недра, Москва, 1990. 260 с.
6. А.А. Сабитов, А.С. Филько, Минеральное сырье. Глины: справочник. Геоинформмарк, Москва, 1997. 38с.
7. А.М. Ежкова, Р.Н. Файзрахманов, Ш.К. Шакиров, Р.Н. Файз-рахманов мл., Вестник Казанского технологического университета, 17, 10, 149-152 (2014).
8. В.О. Ежков, А.Х. Яппаров, Е.С. Нефедьев, А.М. Ежкова, И.А. Яппаров, А.П. Герасимов, Вестник Казанского технологического университета, 17, 11, 41-45 (2014).
9. М.Ю. Гилязов, А.Х. Яппаров, И.А. Гайсин, Нефтезагрязнен-ные почвы Республики Татарстан и приемы их рекультивации: монография. Центр инновационных технологий, Казань, 2008. 244 с.
10. А.Х. Яппаров, И.А. Дегтярева, И.А. Яппаров, А.М. Ежкова, А.Я. Хидиятуллина, Технология получения экологически безопасной продукции сельского хозяйства при биорекультива-циинефтезагрязненных почв аборигенными углеводородокис-ляющими микроорганизмами и наноструктурированными бентонитами: монография. Центр инновационных технологий, Казань, 2011. 207 с.
11. А.М. Ежкова, А.Х. Яппаров, И.А. Яппаров, В.О. Ежков, Коррекция содержания солей тяжелых металлов бентонитами в системе «почва-растение-животное-животноводческая продукция» в регионах различной степени техногенной нагрузки. Центр инновационных технологий, Казань, 2008. 340 с.
12. Р.Х. Абузяров, Ф.Г. Ахметов, П.А. Аблямитов, А.И. Буров, С.П. Васильев, М.К. Гайнуллина, Д.Х. Гатауллин, У.Г. Дис-танов, Г.О. Ежкова, М.С. Ежкова, Л.П. зарипова, З.Т. Заки-ров, А.В. Иванов, Ф.И. Идиатуллин, Т.Х. Ишкаев, Д.А. Кики-ло, Т.П. Конюхова, О.А. Котылев, Р.М. Миннуллин, А.К. Садретдинов, М.Я. Тремасов, А.Н. Тюрин, А.В. Якимов, О.А. Якимов, Агроминеральные ресурсы Татарстана и перспективы их использования. Фэн, Казань, 2002. 272 с.
13. А.Х. Яппаров, В.О. Ежков, И.А. Яппаров, Т.Ю. Мотина, А.М. Ежкова, Ученые записки КГАВМ, 212, 230-235 (2012).
14. ГОСТ Р 52337-2005. Стандартинформ, Москва, 2011. 84 с.
© А. М. Ежкова - д-р биол. наук, зав. отделом животноводства и ветеринарии, «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected]; И. А. Яппаров - д-р биол. наук, врио директора, «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected]; В. О. Ежков - д-р вет. наук, проф. каф. пищевой инженерии малых предприятий КНИТУ, [email protected]; Н. Х. Тьяу - проф., дир. департамента применения и развития технологий Вьетнамской академии Наук и Технологий, [email protected]; Д. А. Яппаров - канд. экон. наук, зав. экон. отделом, «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected]; И. А. Дегтярева - д-р биол. наук, зав. отделом агроэкологии и микробиологии того же ин-та, [email protected]; Г. О. Ежкова - д-р биол. наук, проф., зав. каф. технологии мясных и молочных продуктов КНИТУ, [email protected]; Р. Р. Газизов - канд. с/х наук, зав. отделом агрохимии, «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected]; Л. М.-Х. Биккинина - канд. с/х наук, зав. лаб. агрохимических исследований, «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected].
© A. M. Ezhkova - Doctor of Biological Sciences, Head of the Animal Production and Health Division of Tatar Research Institute for Soil Science and Agricultural Chemistry, [email protected]; I. A. Yapparov - Doctor of Biological Sciences,Acting Director Tatar Research Institute for Soil Science and Agricultural Chemistry,[email protected]; V. O. Ezhkov - Doctor of Veterinary Sciences, Professor of the Department of Food Engineering of Small Enterprises of Kazan National Research University of Technology, [email protected]; N. H. Chau - Assoc. Prof.Dr., Director Dept. of Application and Development of Technology Vietnam Academy of Science and Technology, [email protected]; D. A. Yapparov - Candidate of Economic Sciences, Head of the Economic Department of Tatar Research Institute for Soil Science and Agricultural Chemistry, [email protected]; I. A. Degtyareva - Doctor of Biological Sciences, Head of the Department of Agroecology and microbiology of Tatar Research Institute for Soil Science and Agricultural Chemistry, [email protected]; G. O. Ezhkova - Doctor of Biological Sciences, Professor, Head of the Department of Technology of meat and dairy items of Kazan National Research University of Technology, [email protected]; R. R. Gazizov - Candidate of Agricultural Sciences, Head of the Department of agrochemical research of Tatar Research Institute for Soil Science and Agricultural Chemistry, [email protected]; L. M.-H. Bikkinina - Candidate of Agricultural Sciences, Head of the Laboratory of agrochemical research of Tatar Research Institute for Soil Science and Agricultural Chemistry, [email protected].
