Комплексный подход к решению проблемы рекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.413.2:631.61

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

С.М. Крамарев, Эрастовская опытная станция Института зернового хозяйства УААН,

Т.Ф. Яковишина Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск

Аннотация

Разработан комплексный подход к решению проблемы рекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами, путем совмещения внесения мелиорантов и органических удобрений с выращиванием растений-фитостабилизаторов по отношению к тяжелым металлам. Наиболее результативным и технологичным оказалось сочетание биогумус - просо (сорт Мироновское 51). По реакции-отзыву определена степень токсичности пороговых концентраций водных растворов нитратных солей тяжелых металлов.

Розроблений комплексний підхід до вирішення проблеми рекультивації ґрунтів, забруднених важкими металами, шляхом суміщення внесення меліорантів та органічних добрив з вирощуванням рослин-фітостабілізаторів по відношенню до важких металів. Найбільш результативним та технологічним є поєднання біогумус - просо (сорт Миронівське 51). По реакції-відгуку визначено ступінь токсичності порогових концентрацій водних розчинів нітратних солей важких металів.

The complex approach to problem solution of soil contaminated by heavy metals recultivation by means of combination of meliorants and organic fertilizer application with heavy metals plant-phytostabilizers growing has been elaborated. The combination of biohumous - millet (Mironovskoe 51) is the most effective and technological. According to reaction-answer, toxicity degree of limit concentrations of water solution of heavy metals nitrate salts has been determined.

Применяемые в настоящее время мероприятия по рекультивации почвы, загрязненной тяжелыми металлами (ТМ), как то внесение мелиорантов, органических удобрений, фиторемедиация, электрохимическая ремедиация, промывание почвы, глубокая плантажная вспашка в большинстве случаев по тем или иным причинам не дают того ожидаемого от них эффекта в производственных условиях. В связи с этим возникла необходимость в разработке комплексного подхода к решению данной проблемы путем совмещения наиболее результативных, технологичных и экономически выгодных мероприятий, а именно, внесения мелиорантов, органических удобрений с выращиванием растений-фитостабилизаторов по отношению к ТМ. Как показали проведенные ранее исследования [1], среди основных сельскохозяйственных культур, выращиваемых в условиях северной подзоны степи Украины, наибольшей толерантностью к токсическому действию ТМ, благодаря своим биологическим особенностям, в частности, хорошо развитой, глубоко проникающей корневой системе обладает просо сорт Мироновское 51, что дало возможность выбрать его в качестве культуры-фитостабилизатора.

Исследования эффективности комплексного проведения выше названных мероприятий проводили в микрополевых опытах на черноземе обыкновенном малогумусном тяжелосуглинистом со следующими агрохимическими показателями: содержание гумуса (по И.В.Тюрину) 3,5-4 %, общего азота (по Кьельдалю) 0,2-0,23 %, валовое содержание калия (мокрое озоление по Гинзбург, осаждением Fе3+ по Уоррену и Пью с дальнейшим колориметрированием) 2-2,3 %. Количество легкогидролизуемого азота (по И.В.Тюрину и М.М.Кононовой) 10-11,4 мг на 100 г сухой почвы при возможности пополнения его доступных форм за счет энергии нитрификации - 2,4-2,8 мг на 100 г почвы. Содержание подвижных форм фосфора 8,8-9,8 мг, калия 14,3-15,4 мг в 100 г почвы (метод Ф.В.Чирикова). Валовое содержание микроэлементов и ТМ: Zn - 38,8; Мn - 473,0; Сu - 12,5; Со - 8,0; Fе - 835,0; Рb - 32,4; Сd - 1,0 мг/кг, их подвижных форм Zn -0,96; Мn - 57,5; Сu - 0,13; Со - 0,42; Fе - 27,6 мг/кг почвы. При проведении опытов из всего многообразия ТМ были выбраны Рb, Сd и Ве, первые два из которых по свидетельству ведущих экологов Приднепровья [2, 3] являются приоритетными и наиболее опасными загрязнителями почв Днепропетровской области; Ве - малоисследованный токсикант. Важным моментом исследований также являлся выбор формы химического соединения ТМ. Как известно, загрязнение почв ТМ происходит тремя путями: агрогенным - при внесении минеральных удобрений [4, 5, 6, 7]; гидрогенным - при поливе сточными водами [8, 9] и аэрогенным - с атмосферными осадками, содержащими в своем составе выбросы промышленных предприятий [10, 11, 12], что объясняется высокими концентрациями ТМ в выбросах и является следствием применения в технологическом процессе некачественного сырья и залповых эмиссий. Анализ выбросов крупных промышленных предприятий г. Днепропетровска показал, что в результате аэрогенного загрязнения ТМ поступают в почву в виде оксидов, а также растворимых (хлориды, нитраты, ацетаты и сульфаты, кроме РbSО4) и нерастворимых (сульфиды, арсениты и т.д.) солей. При выборе химической формы металла-загрязнителя следует учитывать все их плюсы и минусы. Положительной стороной при использовании оксидов ТМ является то, что в почву не вносятся сопутствующие химические элементы, способные влиять на ее свойства, и регистрируется непосредственно токсическое действие самого ТМ, а недостатком - невозможность равномерного распределения ТМ по всему объему почвы и закрепление его большей части в твердой фазе почвы, особенно при щелочной и нейтральной реакции среды, как в случае с черноземами обыкновенными (рН 6,5-7,0). При внесении в качестве загрязнителя нерастворимой соли, как и с оксидом, трудно добиться равномерного распределения ТМ в почве, а кроме того, разделить действие катиона (ТМ) и сопутствующего ему аниона. Только в форме легкорастворимой соли ТМ наиболее мобилен, достаточно равномерно распределяется в почве и, тем самым, дает возможность оценить его максимальное действие. Однако сопутствующие анионы могут оказывать свое вредное воздействие на свойства почвы: так, растворы нитратов, хлоридов и сульфатов ТМ в результате гидролиза приводят к подкислению, а высокие дозы внесения анионов Сl- и SО42- - к засолению, использование ацетата - к дополнительному поступлению в почву углерода, а нитратов - азота. Как известно, последний является макроэлементом, необходимым для питания растений на протяжении всего вегетационного периода, запасы его подвижных форм пополняют внесением в почву таких удобрений как карбамид, аммиачная селитра, КАС-28, водный и безводный аммиак, угле-аммонийные соли, где он содержится в форме NО3-, что и обусловило выбор нитратных соединений ТМ в качестве загрязнителей. Аэрогенное загрязнение почвы осуществляли путем опрыскивания водными растворами солей ТМ, взятыми в пороговых концентрациях. В данном случае пороговой концентрацией являлась та наименьшая концентрация соли ТМ в растворе, которая приводила к необратимому нарушению состояния гомеостаза системы почва - растение. В проведенных ранее вегетационных опытах были определены следующие значения пороговых концентраций для Сd(NО3)2 - 1 %, Рb(NО3)2 - 5 %, Ве(NO)3)2 - 0,08 %, так на 1 м2 учетной площади поступало - 0,1426 г Сd2+, - 0,9383 Рb2+, - 0,0016 г Be2+. С целью установления наиболее эффективного сочетания мелиорант (мел, органо-минеральные удобрения (ОМУ)) - фитостабилизатор или органическое удобрение (навоз, биогумус) - фитостабилизатор изучали реакцию - отзыв проса сорт Мироновское 51 на токсическое действие ТМ.

Как показали результаты проведенных микрополевых опытов, водные растворы пороговых концентраций ТМ отрицательно влияли на рост и развитие проса, несмотря на его значительную толерантность к данным загрязнителям по сравнению с яровыми, озимыми, зернобобовыми, крупяными и масличными культурами. Задержка роста растений проса на загрязненных ТМ делянках наблюдалась с момента всходов и до уборки урожая. Токсическое действие ТМ на растения проявлялось, в первую очередь, в повреждении клеточных мембран, изменении активности ферментов, ингибировании роста корней, которые способствовали целому ряду вторичных эффектов, таких как гормональный дисбаланс, нарушение фотосинтеза, транспирации, биосинтеза белка, минерального питания, передвижения фотоассимиляторов, что, как следствие, привело к торможению роста и развития и снижению биопродуктивности растений проса. Так, его урожай на незагрязненных делянках (фон) составил 10,9 ц/га, а на загрязненных Сd(NО3)2 снижался на 52,3 %, Рb(NО3)2 - 47,7 %, Ве(NО3)2 - 31,2 % (рис 1). При внесении мелиорантов урожайность проса повышалась и на делянках, загрязненных Ве2+ в вариантах с навозом и биогумусом, была соизмерима с урожайностью делянок с оптимальной и максимальной дозой внесения удобрений.

По реакции - отзыву растений проса наиболее токсичной оказалась пороговая концентрация водного раствора 1 % Сd(NО3)2, раствор 5 % Рb(NО3)2 занимал среднюю позицию, наименее токсичной - 0,08 % Ве(NО3)2.

Среди изучаемых мелиорантов наиболее эффективным следует признать биогумус - продукт разложения навоза калифорнийскими червями, что объясняется механизмом его действия, а именно, образованием комплексных соединений с катионами ТМ, лигандами в которых являются продукты разложения органических веществ, входящих в состав биогумуса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОМУ способствовали увеличению массы корней, проникновению их в более глубокие незагрязненные слои почвы, где те в меньшей мере адсорбировали катионы Сd2+, РЬ2+ и Ве2+. Действие мела, так хорошо зарекомендовавшего себя в качестве мелиоранта на кислых дерново-подзолистых почвах, основано на изменении рН среды в сторону нейтральной и дальнейшем химическом осаждении ионов ТМ из почвенного раствора в виде слабо растворимых карбонатных соединений. Однако рН изучаемых в микрополевом опыте черноземов обыкновенных малогумусных тяжелосуглинистых на лессе колебалась в пределах 6,75-7,0, т.е. они имели нейтральную реакцию среды, что препятствовало растворению CaCO3 в почвенном растворе и в незначительной степени происходило взаимодействие анионов HCO3- и CO32- c катионами ТМ, этим и объяснялись довольно скромные результаты, полученные в нашем случае.

Подытожив выше изложенное, необходимо отметить следующее.

1. Одним из перспективных путей решения проблемы рекультивации почв, загрязненных ТМ, в условиях всевозрастающего техногенного прессинга на окружающую среду является комплексное применение таких мероприятий, как внесение мелиорантов и выращивание культур-фитостабилизаторов. Среди изученных в опыте сочетаний мелиорант - фитостабилизатор наиболее результативным, технологичным и экономически выгодным оказалось сочетание биогумус - просо сорт Мироновское 51.

2. По степени токсичности ТМ и реакции - отзыву на них растений проса пороговые концентрации водных растворов нитратных солей ТМ можно расположить в следующей последовательности: Cd(NO3)2 Pb(NO2)3 Be(NO3)2.

рекультивация почва тяжелый металл

Перечень ссылок

Яковишина Т.Ф. Толерантность сельскохозяйственных культур к загрязнению тяжелыми металлами / Збірник тез доповідей V Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство”. - К. - 2002. - С. 167-168.

Грицан Н.П. Оценка состояния и уровня загрязнения тяжелыми металлами фитоценозов города Днепропетровска. : Дніпро, 1992. - 66 с.

Экологические основы природопользования / Под ред. Н.П. Грицан. - Дн-вск.: ИППЭ НАН Украины, 1998. - 409 с.

Жеребна Л.О. Вплив мінеральних добрив на транслокацію свинцю й кадмію у рослини ячменю із забруднених грунтів // Вісник аграрної науки. - 2000. - № 9. - С. 72-74.

Носовская И.И., Соловьев Г.А., Егоров В.С. Влияние длительного систематического применения различных форм удобрений и навоза на накопление в почве и хозяйственный баланс меди и цинка // Агрохимия. - 2000. - № 9. - С. 50-56.

Парасюта А.Н., Столяров А.И., Суетов В.П., Кильдюшкин В.М., Сольдатенко А.Г. Влияние многолетнего применения удобрений на накопление тяжелых металлов в черноземе выщелоченном // Агрохимия. - 2000. - № 11. - С. 62-65.

Потатуева Ю.А., Сидоренкова Н.К., Прищеп Е.Г. Агроєкологическое значение примесей тяжелых металлов и токсических элементов в удобрениях // Агрохимия. - 2002. - № 1. - С. 85-95.

Плеханова И.О., Кутукова Ю.Д., Обухов А.И. Накопление тяжелых металлов сельскохозяйственными растениями при внесении осадков сточных вод // Почвоведение. - № 12. - С. 1530-1536.

Технологічні та агроекологічні нормативи використання осадків стічних вод міських очисних споруд у сільському господарстві КНД 33.3.3-02-99. - К.: Аграрна наука, 2000. - 39 с.

Жидеева В.А., Васенев И.И., Щербаков А.П., Васенева Э.Г. Загрязнение садовых черноземных почв тяжелыми металлами в зоне воздействия выбросов свинцово-никель-кадмиевого производства // Агрохимия. - 2000. - № 11. - С. 66-77.

Ильин В.Б. Мониторинг тяжелых металлов применительно к крупным городам // Агрохимия. - 1997. - № 4. - С. 81-86.

Ильин В.Б., Сысо А.И., Конарбаева Г.А., Байдина Н.Л. К экологической обстановке в Новосибирске: тяжелые металлы в местных почвах и огородных культурах // Агрохимия. - 1997. - № 3. - С. 76-83.

Размещено на Allbest.ru