Результат интеллектуальной деятельности: Способ иммобилизации свинца в гумусово-аккумулятивном горизонте урбаноземов

Изобретение относится к области экологии и природопользования, ландшафтного дизайна, сельского хозяйства и может быть использовано для увеличения экологической устойчивости и срока службы газонных экосистем. Также изобретение может быть использовано для детоксикации загрязненных тяжелыми металлами (ТМ) почв городских территорий и садово-огородных товариществах городских агломераций.

Тяжелые металлы, как продукты техногенной эмиссии, являются крайне опасными поллютантами. Высокое содержание ТМ в почве приводит к трансформациям почвенных процессов и утрате почвами способности выполнять свои экологические функции [Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта М.: Астрея-2000, 1999. - 768 с].

Повышение мобильности ТМ создает угрозу загрязнения сопредельных компонентов окружающей среды. Абсолютно незащищенными являются, произрастающие на загрязненных территориях города растения, в разных количествах аккумулирующие тяжелые металлы [Baker, A.J.M. The possibility of in situ heavy metal decontamination of polluted soil using crops of metal-accumulating plants / A.J.M. Baker, S.P. Mcrath, G.M.D. Sidoli, R.D. Reeves // Resour. Conser. Recycl. 1994. Vol. 11. P. 41–49; Kramer, U. Cadmium for All Metals-Plants with an Unusual Appetite / U. Kramer // New Phytol. 2000. V. 145. P. 1–5], в том числе и газонные растения, которые являются неотъемлемой частью современного города. Загрязнение компонентов окружающей среды (биота, почвы, поверхностные и грунтовые воды, атмосферный воздух) в городе делает ее экологически некомфортной для проживания и создают угрозу здоровья человека.

Для повышения биологической продуктивности и эстетической привлекательности газонных экосистем, минимизации негативного воздействия и повышения эффективности и качества выполнения почвой своих экологических функций используют различные технологии in situ. Физико-химические технологии очистки почв с использованием природных сорбентов относятся к таким технологиям. Применение сорбентов является одним из наиболее эффективных и экономически выгодных методов минимизации воздействия ионов ТМ. Экологически безопасными и перспективными являются сорбенты на основе природных материалов. Использование природных органических и минеральных сорбентов способствует снижению подвижных форм ТМ в почве [Фомина М. Ю., Неведров Н.П., Окунева А.А. Влияние сорбента тяжёлых металлов на некоторые свойства загрязнённых почв // Приемы повышения плодородия почв и эффективности удобрения: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной памяти ученых: Анны Ивановны Горбылевой, Юрия Павловича Сиротина и Вадима Ивановича Тюльпанова / редкол.: Т. Ф. Персикова (отв. ред.) [и др.]. – Горки: БГСХА, 2019. С. 173-175]. Тяжелые металлы при взаимодействии с сорбционными материалами образуют слаборастворимые комплексы, что резко снижает их токсический эффект, за счет уменьшения миграции и транслокации ТМ в сопредельные компоненты экосистем [Неведров Н.П., Фомина М.Ю. Изучение иммобилизующей способности сорбента тяжелых металлов в модельно загрязненной серой почве // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. – 2018. – № 3 (19). URL: https://api-mag.kursksu.ru/media/pdf/019-003_Qy9jBPD.pdf (дата обращения: 14.09.2019)].

Сегодня сорбционный способ очистки почв является одним из эффективных среди стабилизационных методов. Важным аспектом является использование сорбентов на основе экологически чистых природных материалов, позволяющих увеличивать буферные свойства почв, повысить емкость и контрастность почвенных геохимических барьеров, не вызывая побочных сопутствующих загрязнений [Патент RU 2655215 C1. Способ иммоблизации свинца в загрязненных почвах, 2018].

Известен способ получения удобрения, которое содержит в качестве органической составляющей химически обеззараженную фекальную массу, смесь бурого угля и отходов с добавками. В качестве минеральной составляющей удобрение содержит источники азота, фосфора, калия и отходы добычи фосфоритов или золоотвалы [Патент RU 2165401. Комплексное органоминеральное удобрение, 2001]. Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для выращивания растений в открытом и защищенном грунте.

Недостатком данного способа являются низкая сорбционная емкость минеральной компоненты, делающая очистку загрязненных почв менее эффективной при внесении данного удобрения. Использование фекальных масс в условиях города может сказаться на эстетичности и привлекательности урболандшафтов.

Известен также способ получения органического удобрения на основе бурого угля, включающий измельчение угля, обработку угля питательными веществами (отходами станций биологической очистки бытовых и промышленных стоков или отходы глюкозо-паточного производства (глютен) [Патент RU 2040516 C1. Способ получения органического удобрения, 1995].

Недостатком этого способа является использование в качестве действующего вещества производных полезных ископаемых, которые достаточно трудно получить. Также способ является недостаточно производительным, так как для активизации глютена необходима влага (вода).

Аналоговым является способ повышения плодородия сельскохозяйственных земель [Патент RU 2257044 C2. Способ повышения плодородия сельскохозяйственных земель, 2005]. Способ включает внесение в почву почвоудобрительного материала, в качестве которого используют смесь монтмориллонита и палыгорскита в соотношении 1:1 по весу, а внесение смеси в почву осуществляют в количестве 3-6 т на 1 га. Изобретение позволяет повысить урожайность сельскохозяйственных культур

Недостатком данного способа является возможность применения только на защелаченых почвах, так как монтмориллонитовые глины вызывают подкисление среды, разлагая первичные минералы до вторичных (до простых минеральных веществ, которые доступны растениям). Соответственно, при внесении на кислые почвы смеси монтмориллонита и палыгорскита (подкисления среды) тяжелые металлы будут выходить в почвенный раствор, что будет способствовать повышению их токсичности, вызывая угрозу дестабилизации экологической обстановки.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ иммобилизации свинца в загрязненных почвах путем внесения в почву сорбента на основе природных материалов [Патент RU 2655215 C1. Способ иммоблизации свинца в загрязненных почвах, 2018]. Сорбент готовят путем смешивания сухих извести и сапропеля в соотношении 5:1 и равномерно вносят на поверхность почвы в весенний период времени (март-апрель) в дозах 0,5-1,5 т/га.

Недостатком данного способа являются использование природных ресурсов в качестве сырья. Если же в качестве основного материала используется не природные ресурсы, а донные отложения (сапропель), то недостатком будет дополнительный риск загрязнения самих донных отложений тяжелыми металлами (сапропель обладает высоким индексом донной аккумуляции).

Целью нашей разработки является создание доступного, экономичного и эффективного способа повышения биологической продуктивности и иммобилизации тяжелых металлов в гумусово-аккумулятивном горизонте почв с использованием отходов горнодобывающей промышленности.

Технической задачей изобретения является повышение плодородия почв газонных экосистем за счет обогащения их элементами минерального питания растений, а также снижения токсичности почв газонных экосистем за счет иммобилизации подвижных форм свинца загрязняющих почвы. Процесс сорбции свинца на реакционных центрах удобрения-сорбента позволит значительно ограничить их миграцию в сопредельные компоненты экосистем и транслокацию их в растения.

Технический результат достигается за счет того, что удобрение-сорбент готовят путем измельчения глины келловея до фракции не более 1 мм и равномерно заделывают в почву на глубину 10-20 см в дозе 1000 кг/га в весенний период времени март-апрель. За счет этого происходит повышение продуктивности газонных экосистем (до 26,3 %) и одновременное снижение (до 58%) токсичности опасных загрязнителей (тяжелых металлов) в почве.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано влияние загрязнений ТМ и различных доз удобрения-сорбента на сухую биомассу (контроль – незагрязненная почва; з.п. – техногенно загрязненная тяжелыми металлами почва; з.п. + 1,5 г/сосуд – техногенно загрязненная тяжелыми металлами почва, обработанная удобрением-сорбентом в дозе 1,5 г/сосуд; з.п. + 3 г/сосуд - техногенно загрязненная тяжелыми металлами почва, обработанная удобрением-сорбентом в дозе 3 г/сосуд; з.п. + 6 г/сосуд – техногенно загрязненная тяжелыми металлами почва, обработанная удобрением-сорбентом в дозе 3 г/сосуд), а на фиг.2 приведено влияние загрязнений ТМ и различных доз удобрения-сорбента на сухую биомассу (контроль – незагрязненная почва; з.п. – техногенно загрязненная тяжелыми металлами почва; з.п. + 1,5 г/сосуд – техногенно загрязненная тяжелыми металлами почва, обработанная удобрением-сорбентом в дозе 1,5 г/сосуд; з.п. + 3 г/сосуд - техногенно загрязненная тяжелыми металлами почва, обработанная удобрением-сорбентом в дозе 3 г/сосуд; з.п. + 6 г/сосуд – техногенно загрязненная тяжелыми металлами почва, обработанная удобрением-сорбентом в дозе 3 г/сосуд).

Удобрение-сорбент состоит из глины келловея – вскрышной породы морского происхождения Михайловского железорудного бассейна Курской магнитной аномалии (КМА), содержащей в своем составе обменный калий, богатый набор микроэлементов, органику, имеющей слабощелочную реакцию среды.

В виду особенностей химико-минералогического состава и технологических производственных характеристик может использоваться в качестве альтернативного источника калийных удобрений, как в чистом виде, так и в композите с минеральными азотно-фосфорными удобрениями.

Запасы глины келловея на КМА составляют сотни млн. тонн. Незначительная ее часть используется в производстве цемента, керамзита и обогащения руды, а основная не находит применения, складируется в отвалы в смеси с другими породами, вызывая вторичное загрязнение окружающей среды.

В нашем изобретении предлагается использовать в качестве основного компонента удобрения-сорбента – глину келловея, которая является отходом горнодобывающей промышленности, а не природным невозобновляемым ресурсом.

Исследование проводилось в лабораторных условиях. Оценивалась иммобилизующая способность удобрения-сорбента на основе отходов горнодобывающей промышленности (глина келловея) по отношению к свинцу в загрязненном урбаноземе собственно.

В пластиковые контейнеры размером 20*15*6 см³ помещалась техногенно загрязненная почва массой 0,3 кг, предварительно высушенная до воздушно-сухого состояния. В качестве удобрения-сорбента применялась глина келловея в дозах: 1,5 г; 3 г; 6 г на сосуд. В качестве контроля использовалась техногенно загрязненный урбанозем собственно без внесенного удобрения-сорбента. Опыт проводился в трехкратной повторности. Определение массовых концентраций подвижных форм свинца в образцах проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС). Подвижные формы свинца извлекались ацетатно-аммонийным буферным раствором (рН=4,8).

В ходе анализа полученных данных отметили, что максимальное количество извлеченных из почвенного раствора ионов Pb удобрением-сорбентом на основе глины келловея отмечено в варианте опыта с дозой 6 г/сосуд и составляет 39,4 % относительно контрольного варианта опыта. Также во всех вариантах опыта с присутствием различных доз удобрения-сорбента наблюдалось характерное снижение концентраций подвижных форм Pb относительно его концентраций в загрязненной почвы без удобрения-сорбента. Диапазон изменений концентраций находился в пределах от 32,8% до 39,4% и зависел от дозы вносимого удобрения-сорбента (Табл. 1).

Таблица 1. Зависимость концентраций подвижных форм и валового содержания Pb в почве от дозы вносимого удобрения-сорбента

* в.ф. - валовые формы Pb, п.ф. - подвижные формы Pb

Концентрации мобильных форм Pb составляют 9,3% относительного валового содержания изучаемого металла в урбаноземе собственно без внесения удобрения-сорбента. При обработки урбопочвы удобрением-сорбентом доля мобильных форм Pb относительного валового содержания снижается до 5,4-6,4 % и обусловлено дозой вносимого удобрения-сорбента. Статистически достоверные различия между вариантами опыта 1,5 г/сосуд и 3 г/сосуд не установлено. При внесении дозы 6 г/сосуд наблюдалось достоверное повышение иммобилизующего эффекта удобрения-сорбента.

Стоит отметить проявленную удобрением-сорбентом эффективность на чрезвычайно высоких дозах загрязнения свинцом - 33,9 ПДК. Этот факт свидетельствует о том, что вносимое удобрение-сорбент обладает значительной емкостью поглощения. Его применение в почвах со средними и низкими дозами загрязнения может позволить снижать концентрации мобильных форм поллютантов (ТМ) до значений, находящихся ниже ПДК.

В ходе анализа полученных данных отметили, что эффективное действие удобрения-сорбента будет возможно в условиях загрязнения почвы, превышающие установленные нормы в 33,9 раза. Обработка почвы удобрением-сорбентом будет способствовать повышению биомассы газонных трав на 26,3% (Фиг. 1).

Внесение в почву удобрения-сорбента позволит повысить эффективность газообмена и транспирации газонных трав в 2 - 3,3 раза (Фиг. 2).

Использование удобрения-сорбента будет снижать токсичность тяжелых металлов в почвах до 58%. При обработке техногенных почв удобрение-сорбент будет снижать количество подвижных форм свинца минимум на 5,4%.

По результатам проведенного исследования можно заключить, что действие удобрения-сорбента на основе глины келловея весьма эффективно по отношению к ТМ. Его применение приводит к снижению концентраций подвижных форм свинца в загрязненном урбаноземе собственно. Дозу удобрения-сорбента необходимо подбирать исходя из свойств почв и особенностей загрязнения (степени и характера).

Полученные в ходе выполнения экспериментов результаты убедительно доказывают, что удобрение-сорбент на основе вскрышной породы морского происхождения Михайловского железорудного бассейна КМА (глины келловея) способствует закреплению ионов свинца твердой и магнитной фазами почв, что препятствует миграции данного поллютанта в сопредельные среды и накоплению в пищевых цепях. Также удобрение-сорбент способствует повышению продуктивности и экологической устойчивости газонных трав (смеси злаковых), что увеличит экологическую устойчивость и повысит эстетическую привлекательность газонных экосистем.