В последние десятилетия интенсивно возрастает техногенный прессинг на различные экосистемы, что является причиной загрязнения всех компонентов окружающей среды токсичными поллютантами, в том числе и тяжелыми металлами (ТМ). Известно, что одним из основных природных депонентов ТМ служит почва, которая при этом является отправной точкой миграции токсикантов по трофической цепи [2, 7].
В настоящее время широко известен целый спектр мероприятий, направленных на восстановление и детоксикацию загрязненных ТМ почв, среди которых наиболее распространены известкование, глинование, фосфоритование, внесение больших доз органических удобрений, применение ионнообменных смол, фиторемедиация, создание конструктоземов и др. [1, 7]. Многие исследователи отмечают высокую эффективность и экономическую целесообразность использования в целях рекультивации почв, подверженных полиметаллическому загрязнению, экологически безопасных природных соединений на основе гуминовых веществ – гуминовых препаратов (ГП), принцип действия которых основан на образовании прочных хелатных комплексов гумусовых кислот с ТМ и, следовательно, снижении их подвижности и миграционной активности [3, 5].
Но на данный момент остается открытым вопрос об оптимальных дозах внесения ГП в те или иные почвы, к тому же, с появлением принципиально новых акустических технологий производства ГП, возникает необходимость изучения эффективности их использования для решения экологических задач по сравнению с уже существующими [8].
Длительное время для выделения гуминовых веществ из торфа в основном использовался метод щелочной экстракции, недостатками которого являются малая эффективность по причине разрушения природной структуры гуминовых веществ и использование в процессе производства опасных для окружающей среды щелочей и кислот и др. [6, 8]. В последние десятилетия широкое распространение получили инновационные акустические технологии, основанные на использовании кавитационнного ультразвукового диспергирования сырья в водном растворе. Создаваемая газоструйными генераторами, волновая энергия высокой интенсивности позволяет получить ГП с большей концентрацией гуминовых и фульвовых кислот и с высокой биологической активностью по сравнению с препаратами эксрагируемыми щелочью [6, 8].
Целью исследования являлось изучение влияния ГП, полученных с применением различных технологий, на содержание подвижных форм тяжелых металлов в техногенно-измененной серой лесной почве.
Материалы и методы исследования
Анализируемые в ходе исследования ГП были получены на установке, разработанной и изготовленной ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации и информатизации агрохимического обеспечения сельского хозяйства» ФАНО РФ (ФГБНУ ВНИМС ФАНО РФ). Данная установка представляет собой блочно-модульный комплекс, с помощью которого возможно получать ГП на основе торфа по традиционной технологии щелочной экстракции торфяной пульпы и инновационной технологии ультразвукового кавитационного диспергирвания торфяной суспензии, а также в их сочетании.
При получении ГП щелочной экстракцией первоначально торф измельчался в жидкой среде с помощью установки роторно-инерционного действия до размера частиц 150–100 мкм. Полученная таким образом суспензия направлялась в реактор, где в качестве реагента добавлялась щелочь (гидроксид калия) и в условиях нагрева (до 60–70 °С) и перемешивания (140 об/мин) осуществлялся процесс щелочной экстракции. Далее продукт, не охлаждаясь, подавался на устройство для многоступенчатой очистки.
При ультразвуковом кавитационном диспергировании приготовленная с помощью роторно-инерционной установки торфяная суспензия обрабатывалась в диспергаторе воздушным потоком, создаваемым газоструйным генератором с интенсивностью ультразвукового излучения более 10 Вт/см2, и далее направлялась на фильтрующее устройство.
Оценка влияния анализируемых ГП на содержание подвижных форм тяжелых металлов в техногенно-измененной серой лесной почве осуществлялась в условиях модельного вегетационного эксперимента, где была смоделирована третья категория загрязнения (по суммарному коэффициенту загрязнения Zc) серой лесной почвы тяжелыми металлами (цинк, свинец, кадмий, медь) – «опасная». Для закладки данного эксперимента были отобраны образцы серой лесной почвы, с фоновым содержанием анализируемых тяжелых металлов (цинк, свинец, кадмий, медь). Отбор образцов осуществлялся методом конверта в соответствии с требованиями ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб». Моделирование искусственного загрязнения тяжелыми металлами осуществлялось путем внесения в сосуды с почвой их водорастворимых солей: 3CdSO4*8H2O, Pb(NO3)2, ZnSO4*7 H2O, CuSO4*5 H2O. Схема опыта включала в себя варианты обработки почвы анализируемыми препаратами, каждый из которых применялся в двух экспериментальных дозах – в виде 0,01 % и 0,02 % растворов. Контролем служили почвенные образцы серой лесной почвы без обработки ГП. Повторность на всех вариантах опыта – четырехкратная.
Содержание подвижных форм ТМ в почвенных образцах определялось в соответствии с Методическими указаниями …, 1992 [4].
Результаты исследования и их обсуждение
В соответствии с поставленными задачами на установке ФГБНУ ВНИМС ФАНО РФ нами был получен ряд ГП с использованием различных технологий, изучены их свойства, которые представлены в таблице.
Обобщив и проанализировав данные, полученные в результате исследований свойств различных ГП, нами был сделан вывод, что инновационная технология ультразвуковой кавитации позволяет увеличить выход гуминовых и фульвовых кислот в 2–3 раза, то есть получить более концентрированный препарат.
Мы считаем, что применение избытка щелочи в процессе производства ГП по традиционной технологии обусловливает слабощелочную и щелочную реакцию получаемых препаратов, а исключение из технологического процесса щелочного реагента при ультразвуковом диспергировании торфа дает возможность получить препарат с нейтральной реакцией среды.
В условиях модельного вегетационного эксперимента исследовалось влияние всех полученных ГП на содержание подвижных форм тяжелых металлов в техногенно-измененной серой лесной почве. Было установлено, что различные ГП оказывают неодинаковое действие на данный показатель. Так, содержание подвижных соединений меди на большинстве вариантов опыта с внесением ГП увеличивалось, при этом максимальный эффект отмечен при использовании препаратов Биогумат, Питер-Пит в дозе 0,02 % раствора и препаратов Гумат калия, Эдал-КС в дозе 0,01 % раствора (рис. 1).
Гуминовые препараты, используемые при проведении исследований
|
Наименование препарата |
||||||
|
Гумат калия |
Биогумат |
Гумат-КР |
«Эдал-КС»* |
«Питер-Пит»* |
Гумат-УК |
|
|
сырье |
торф |
биогумус |
торф с силикатными модулями |
торф |
торф |
торф |
|
технология получения |
щелочная экстракция (с использованием КОН) |
ультразвуковая кавитация |
||||
|
рН, ед. рН |
8,5 |
9,0 |
9,0 |
8,0 |
7,5 |
7,0 |
|
Сумма гуминовых и фульвовых кислот, г/л |
20,0 |
25,5 |
25,5 |
26,0 |
30,0 |
65,0 |
Примечание. * товарные гуминовые препараты, широко представленные на российском рынке.
Рис. 1. Изменение содержания подвижных форм меди по сравнению с контролем
Снижение содержания подвижной меди в эксперименте выявлено при внесении препаратов Питер-Пит и Гумат-Ук в дозе 0,01 % раствора.Опытным путем установлено разнонаправленное действие ГП на содержание подвижных форм цинка в загрязненной ТМ почве (рис. 2).
Так, если препараты Гумат-КР, Биогумат в дозе 0,02 % раствора и Гумат калия в дозе 0,01 % раствора способствуют увеличению содержания подвижного цинка, то препараты Питер-Пит в дозе 0,01 % раствора и Гумат-УК в двух экспериментальных дозах оказывают обратный эффект. При этом наиболее выражено действие Гумата-УК, применение которого позволяет снизить содержание подвижного цинка до 50 % по сравнению с контрольным вариантом опыта.
Рис. 2. Изменение содержания подвижных форм цинка по сравнению с контролем
Рис. 3. Изменение содержания подвижных форм свинца по сравнению с контролем
В эксперименте отмечалось и возрастание содержания подвижных соединений свинца под воздействием всех анализируемых ГП в концентрации 0,02 % раствора (рис. 3). На вариантах опыта с использованием препаратов Гумат-КР, Питер-Пит и Гумат-УК в дозе 0,01 % раствора, напротив наблюдалось снижение данного показателя на 15–25 %.Максимальное содержание подвижного кадмия отмечалось на вариантах опыта с использованием препаратов Биогумат и Питер-Пит в дозе 0,02 % раствора (рис. 4).
Рис. 4. Изменение содержания подвижных форм кадмия по сравнению с контролем
При этом, препараты Гумат калия, Питер-Пит и Гумат-УК в дозе 0,01 % раствора позволяют снизить содержание подвижных форм кадмия, что в максимальной мере проявляется на варианте опыта с применением Гумата-УК.
Заключение
Таким образом, выявлено, что внесение ГП, полученных с применением различных технологий и в разных концентрациях в техногенно-измененную серую лесную почву способствует увеличению содержания подвижных соединений ТМ. Экспериментальным путем установлено, что препараты, полученные по технологии ультразвуковой кавитации (Питер-Пит, Гумат-УК) в дозе 0,01 % раствора, напротив, снижают содержание подвижных форм ТМ по сравнению с контрольным вариантом опыта на 15…50 %. Для разрешения данного противоречия необходимо проведение дальнейших исследований по изучению элементного, компонентного (соотношения гуминовых, фульвовых кислот и др. компонентов) и структурно-группового состава препаратов (ароматические, алифатические компоненты, карбоксильные, гидроксильные функциональные группы и др.). Данное предположение основывается на том, что некоторые отечественные исследователи также подтверждают необходимость более детального изучения свойств ГП, отмечая варьированность их действия на процессы комплексообразования с ТМ в зависимости от структурных особенностей препаратов [3].
Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 14-05-97502 «Эколого-экономическая оценка влияния инновационных гуминовых препаратов на состояние техногенно-измененных серых лесных почв».
Рецензенты:Евтюхин В.Ф., д.б.н., к.с.-х.н., доцент, профессор кафедры экономики и менеджмента ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева», г. Рязань;
Мажайский Ю.А., д.с.-х.н., профессор, главный научный сотрудник Мещерского филиала ФГБНУ «ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова», г. Рязань.
Работа поступила в редакцию 12.02.2015.