ПРЕПАРАТ ДЛЯ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ЗЕМЕЛЬ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ МЫШЬЯКОМ, И СОСТАВ ПРЕПАРАТА ДЛЯ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ЗЕМЕЛЬ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ МЫШЬЯКОМ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области экологии, а именно к препаратам и составам для рекультивации земель, загрязненных мышьяком, и может быть использовано при восстановлении как урбаноземов, так и для почв, используемых для сельскохозяйственных нужд, в случаях антропогенного воздействия.

Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008, - с. 65-66], так как направлено на восстановление загрязненной почвы.

Существует большое количество средств и методов для детоксикации почв, загрязненных неорганическими экотоксикантами, в частности тяжелыми металлами и мышьяком, а также средств для восстановления физико-химических свойств и плодородия почв.

Например, известно использование гуматов (гумино-минеральных комплексов) в технологии детоксикации загрязненных почв и грунтов, основанной главным образом на инактивации поллютантов при внесении гуматов в загрязненные почвы и грунты путем связывания ионов тяжелых металлов, перевода их в неподвижные (водонерастворимые) формы [патент РФ №2233293, МПК-7 C08H 5/00, C05F 11/02, B09C 1/08, A01B 79/02, A62D 3/00, C02F 1/28, C02F 1/54, C02F 1/58, C02F 11/14, опубликовано: 27.07.2004].

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются использование при рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами и мышьяком, гуминовых кислот.

Недостатком аналога является то, что, не смотря на повышение плодородия почвы, токсичность почвы не снижается из-за не полного связывания мышьяка в водонерастворимые соединения.

Известны водорастворимые гуминовые кислоты, предназначенные для обработки почвы с целью улучшения экологии [Патент РФ на изобретение №2031095, МПК - C05F 11/02, A01B 79/00, A01N 65/00, C07C 63/33, опубликовано 20.03.1995], имеющие среднемолекулярную массу 5000-100000, значения pH и влажности которых находятся в следующей взаимозависимости:

W 100-25 (pH-2)

2 < pH 6,

где W - влажность водорастворимых гуминовых кислот, мас. %.

Водорастворимые гуминовые кислоты по патенту РФ №2031095 предназначены для рекультивации почв сельскохозяйственного назначения и детоксикации земель путем введения в почвы и земли, содержащие токсичные вещества.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются использование при рекультивации и детоксикации земель, загрязненных токсичными веществами, гуминовых кислот.

Действительно, при внесении в почву и токсичные земли водорастворимые гуминовые кислоты по патенту РФ №2031095 благодаря своей высокой удельной поверхности вступают в реакции взаимодействия с такими токсичными веществами, как ионы тяжелых металлов, которые связываются, переходя в водонерастворимую форму. Однако мышьяк, обладая металлическими и неметаллическими свойствами, не переходит в водонерастворимые соединения и, следовательно, не достигается необходимое снижение токсичности земель, что не позволит их использовать в качестве сельскохозяйственных земель и селитебных зон.

Таким образом, недостатком аналога является низкая степень детоксикации земель от мышьяка. Это связано со специфичностью элемента, а именно тем, что по отношению к тяжелым металлам мышьяк обладает также и неметаллическими свойствами, имея при этом разновалентное состояние [Некрасов Б.В. Основы общей химии. В 2 т. / Некрасов Б.В. // - М.: Изд. “Химия”, 1973. - Том 1, с. 462].

В качестве прототипа заявляемого препарата для рекультивации земель, загрязненных мышьяком, и двух заявляемых вариантов (по п. 2 и п. 3) состава для рекультивации земель, загрязненных мышьяком, взята смесь гуминовых кислот (патент РФ №2378235; заявл. 20.03.2009; опубл. 10.01.2010), использование которой в качестве удобрения улучшает структуру почвы. Применение этого средства для подкормок овощных культур, картофеля, цветов, растений открытого и закрытого грунта, комнатных растений оказывает видимое положительное комплексное действие на рост и развитие растений.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого препарата (п.1 формулы изобретения) для рекультивации земель, загрязненных мышьяком, являются использование в качестве органического вещества смеси гуминовых кислот при рекультивации земель и наличие воды.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого состава (п.2 формулы изобретения) препарата для рекультивации земель, загрязненных мышьяком, является использование в качестве органического вещества смеси гуминовых кислот при рекультивации земель и наличие воды.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого состава (п.3 формулы изобретения) препарата для рекультивации земель, загрязненных мышьяком, являются использование в качестве органического вещества смеси гуминовых кислот при рекультивации земель и наличие воды.

Недостатком прототипа является невозможность детоксикации земель, загрязненных мышьяком, несмотря на высокий уровень плодородия почвы после рекультивации.

Изобретение направлено на решение задачи создания эффективных средств для рекультивации земель, загрязненных мышьяком, позволяющих впоследствии использовать земли не только для производственной деятельности, но и для использовании в сельскохозяйственной деятельности.

Технический результат заявляемых объектов заключается в значительном повышении плодородия почв, загрязненных мышьяком, с одновременным снижением их токсичности за счет обеспечения связывания мышьяка как в металлических, так и в неметаллических его формах в труднорастворимые соединения.

Технический результат достигается тем, что препарат для рекультивации земель, загрязненных мышьяком, содержит модифицированную 5%-ным раствором известкового молока смесь гуминовых кислот в соотношении смеси гуминовых кислот к 5%-ному раствору известкового молока, согласно изобретению, как 6:4-8:2.

Технический результат достигается тем, что состав препарата для рекультивации земель, загрязненных мышьяком, содержащий органические компоненты и воду, согласно изобретению дополнительно содержит известь, а в качестве органических компонентов - смесь гуминовых кислот препарата «Гумат 80» с химическим составом в расчете на сухую массу, %:

Введение в заявляемый состав смеси гуминовых кислот в соотношении 0,06-0,08 г по отношению к 10,0-20,0 г извести позволяет достичь оптимального результата рекультивации земель.

Увеличение количества вводимой в состав смеси гуминовых кислот более 0,08 г не позволяет достичь должной рекультивации, а приводит к ухудшению тест-растений (т.е. завядание).

Уменьшение количества вводимой в состав смеси гуминовых кислот менее 0,06 г не позволит достичь необходимого повышения плодородия. Введение в заявляемый состав извести (по СаО) в количестве 10,0-20,0 г по отношению к 0,06-0,08 г смеси гуминовых кислот способствует связыванию мышьяка в труднорастворимые формы и достижению высокого плодородия..

Увеличение количества вводимой в состав извести не позволит достичь технического результата в связи с тем, что при ее избытке происходит нарушение потребления растениями некоторых элементов питания, таких как калий, фосфор, что приводит к болезням и гибели растений.

Уменьшение количества вводимой в состав извести не позволит достичь технического результата, так как содержащийся мышьяк в почвах будет связываться в меньших количествах.

Из уровня техники известно, что устойчивость почвы к интенсивному антропогенному воздействию и ее способность к восстановлению в огромной степени обусловлены наличием в почве гуминовых веществ (гумуса). Уникальность их свойств и строения определяют почвообразовательные процессы и плодородие почв, а также разложение горных пород и минералов, связывание, фиксацию, концентрацию, рассеяние химических элементов [Орлов Д.С. Свойства и функции гуминовых веществ / Д.С. Орлов // Гуминовые вещества в биосфере. - М.: Наука, 1993. - С. 16-27., Tan. K. Н. Humic matterin soil and the environment: principles and controversies. CRCPress, 2003, 386 р.].

Наиболее предпочтительно введение в заявляемый состав в качестве смеси гуминовых кислот смеси гуминовых кислот препарата «Гумат-80» с химическим составом в расчете на сухую массу, %:

Смесь гуминовых кислот препарата «Гумат-80» представляет собой порошок бурого цвета (ООО «Аграрные технологии - Гумат», г. Иркутск, Россия).

Впервые авторами было обнаружено, что гуминовые кислоты, выделенные из бурых углей, измельченных в порошок, входящие в состав препарата «Гумат 80» ,по работе (Богданов А.В. Возможность детоксикации модельных субстратов, загрязненных солями мышьяка, с помощью гуминовых препаратов / Богданов А.В., Стом Д.И., Коновалов А.С., Шкрабо А.И. // Вестник ИрГСХА, №5 июнь 2012, стр. 81-86) проявили наилучшие свойства при рекультивации земель, загрязненных мышьяком. Однако высокого связывания мышьяка не наблюдалось.

Использование только смеси гуминовых кислот препарата «Гумат 80» с указанным химическим составом в расчете на сухую массу, без извести в количестве (по СаО) - 10,0-20,0 г не позволяет достичь технического результата потому, что не связанный в труднорастворимые формы мышьяк в почве будет значительно ухудшать плодородие земель.

Гашеная известь (пушенка) - Са(ОН)₂. Результат реакции с водой негашеной извести. Очень быстро вступает в реакцию с почвой, приблизительно в 100 раз быстрее известняка (карбоната кальция). При использовании пушенки ее количество уменьшают на 25%. Содержит только кальций, не содержит магния (ГОСТ 9179-77).

Известна экологическая роль извести, например, среди исследований инактивации тяжелых металлов в системе почва - растение, [Berti WilliamR., Cunningham ScottD. In - place inactivation of Pb-contaminated soils // Environ. Sci. and Technol. - 1997. - Vol. 31, №5. - P. 1359-1364, GallerJ. Istkalkennochwirtschaftlich? // Fortschr. Landwirt. - 1997. - №6. - C. 14-15, Небольсин A.H. Определение доз извести по комплексу показателей / А.Н. Небольсин, З.П. Небольсина // Агрохимия. - 1997. - №9. - С. 29-33]. Однако известь рассматривается как средство мелиорации почв и источник питательных веществ. Эффективность известкования доказана в отношении минимализации поглощения Cd зерном пшеницы и ячменя в полевых условиях. Показано, что при повышении pH до 5,0 снижается содержание Cd в зерне культур.

Известна также разработка мелиоранта для улучшения физических, биологических, агротехнических показателей почвы [Патент 2159266 Россия, МПК⁷ С09К 17/06. Мелиорант / А.С. Воловик и др.; АООТ «Хим-пром», ООО «Эконар». - №97110543/13; Заявл. 02.07.1997; Опубл. 20.11.2000. Бюл. №32]. В качестве мелиоранта применяют перкальцит, имеющий состав: CaO₂ 60,0%, Са(ОН)₂ и СаСО₃ суммарно не >35,6%, оксиды Mg, S, Fe, Al суммарно 1,6%, воды не >2,8%. Перкальцит повышает pH почвы, способствует переходу в доступные для растений формы элементов минерального питания, активизации почвенных ферментов, выделению атомарного кислорода, подавляющего патогенную микрофлору.

Таким образом, представленный анализ позволяет сделать вывод о неизвестности влияния извести на снижение токсичности земель, загрязненных мышьяком, поскольку известно ее влияние только на тяжелые металлы, а не на мышьяк, который обладает как металлическими, так и неметаллическими свойствами.

Следовательно, заявляемый препарат и составы, охарактеризованные заявляемыми совокупностями признаков пунктов 1 и 2 формулы изобретения, соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется диаграммами, где

на фиг. 1 представлена диаграмма зависимости процента прорастания семян кресс-салата от общего числа высаженных семян, на которой

1 - проба почвы, загрязненной мышьяком с концентрацией 109 мг/кг, обработанная 5%-ным раствором известкового молока;

2 - проба почвы, загрязненной мышьяком с концентрацией 109 мг/кг, обработанная препаратом Гумат-80;

3 - проба почвы, загрязненной мышьяком с концентрацией 109 мг/кг, обработанная препаратом Гумат-80, модифицированным 5%-ным раствором известкового молока (заявляемый препарат).

Вывод по фиг. 1: прирост семян в пробе почвы, загрязненной мышьяком с концентрацией 109 мг/кг, обработанной препаратом Гумат-80, модифицированным 5%-ным раствором известкового молока (заявляемый препарат) (3 столбец) по отношению к приросту семян в пробе почвы, загрязненной мышьяком с концентрацией 109 мг/кг, обработанной 5%-ным раствором известкового молока и препаратом Гумат-80 по отдельности (1 и 2 столбец) увеличился в 5,1 и 2,4 раза соответственно.

На фиг. 2 представлена диаграмма зависимости процента прироста столбика пены в дрожжевой суспензии, на которой

1 - проба почвы, загрязненной мышьяком с концентрацией 109 мг/кг, обработанная 5%-ным раствором известкового молока;

2 - проба почвы, загрязненной мышьяком с концентрацией 109 мг/кг, обработанная препаратом Гумат-80;

3 - проба почвы, загрязненной мышьяком с концентрацией 109 мг/кг, обработанная препаратом Гумат-80, модифицированным 5%-ным раствором известкового молока (заявляемый препарат).

Вывод по фиг. 2: прирост столбика пены в дрожжевой суспензии в пробе почвы, загрязненной мышьяком с концентрацией 109 мг/кг, обработанной препаратом Гумат-80, модифицированным 5%-ным раствором известкового молока (заявляемый препарат) (столбец 3) по отношению к приросту столбика пены в дрожжевой суспензии в пробе почвы, загрязненной мышьяком с концентрацией 109 мг/кг, обработанной 5%-ным раствором известкового молока и препаратом Гумат-80 по отдельности (1 и 2 столбец) увеличился в 5,5 и 2,6 раза соответственно.

Заявляемый состав для рекультивации земель, загрязненных мышьяком, готовят следующим образом: брали навеску сухого порошка смеси гуминовых кислот (препарат «Гумат 80»), готовили раствор разной концентрации путем добавления к навеске 0,1 г воды до объема раствора 1 дм³. Также готовили 5% раствор известкового молока: к навеске извести (по СаО) 50 г добавляли воду до объема раствора 1 дм³. После приготовления растворов определяли оптимальную концентрацию гуминовой кислоты методом прорастания семян кресс-салата. Далее, определив оптимальную концентрацию раствора гуминовой кислоты, определяли необходимое количество известкового молока, которое свяжет мышьяк в труднорастворимые соединения, но не приведет к гибели растений.

Эффективность препарата была проверена экспериментально путем обработки почвы, содержащей 109 мг/кг или 10,9 ОДК мышьяка, результаты представлены в табл. 1.

Из исследуемых образцов почвы по методике [Воробьева Л.А. Теория и практика химического анализа почв / Л.А.Воробьева // - М: ГЕОС, 2006. - С. 301] готовилась водная вытяжка в соотношении твердая фаза: жидкость, равное 1:10. Затем раствор медленно перемешивался на магнитной мешалке в течение 3 минут, далее раствор с осадком отстаивался и фильтровался через фильтр «белая лента».

Токсичность водных вытяжек определяли путем биотестирования на прорастании кресс-салата и методом учета степени пенообразования в дрожжевой суспензии по методикам [Вятчина О.Ф. Некоторые особенности реакции пенообразования в суспензии сахаромицетов / О.Ф. Вятчина, Г.О. Жданова, Д.И. Стом // Сибирский медицинский журнал. - 2010. - №6. - С. 34-36, Федорова А.И. Практикум по экологии и охране окружающей среды / А.И. Федорова, А.Н. Никольская // - Воронеж: Б.и., 1997. - С. 155-157].

Наилучший результат был получен с заявляемым препаратом (раствор Гумата-80, модифицированный 5%-ным раствором известкового молока в соотношении 7:3).