УДК 631.87

Влияние гуминового препарата «Экобиосфера» на подвижность соединений меди в загрязненной городской почве¹

Степанов Андрей Анатольевич – старший научный сотрудник кафедры Химии почв факультета Почвоведения Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Целиков Иван Александрович – студент магистратуры кафедры Химии почв факультета Почвоведения Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Аннотация: Проведена оценка воздействия гуминового препарата (ГП) на химические, физико-химические и агрономические свойства загрязнённой тяжёлыми металлами городской почвы (урбанозёма) в условиях полевого опыта. Эксперимент проводился в непосредственной близости от Нижнетагильского металлургического комбината. Проведено определение основных показателей образцов почвы (контрольного и опытного), а также анализ органического вещества ГП. Показано, что внесение ГП позволяет перевести тяжёлые металлы в неподвижную форму и таким образом снизить их негативное воздействие, а также снизить общую экологическую нагрузку на урбанозёмы. Данный результат может быть использован для решения почвенно-экологических проблем в промышленных городах.

Ключевые слова: гуминовые препараты, тяжёлые металлы в почвах, урбанозёмы, подвижные и неподвижные формы, гумус.

Введение

Промышленность играет в современном мире важную роль, однако обратной стороной её развития становятся экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, в том числе почвы. Особое место здесь занимают тяжёлые металлы – металлы с атомной массой больше 41 а.е.м,, исключая Tc, Pm и большинство актинидов – поскольку они не могут разлагаться или выноситься в другие среды, теряя при этом свою токсичность [12,15,22].

Загрязнению тяжёлыми металлами наиболее подвержены городские почвы, однако они могут попадать и на сельскохозяйственные угодья – с минеральными удобрениями или пестицидами [3,4,28].

Одним из наиболее эффективных способов снизить токсическое действие тяжёлых металлов в почве является применение гуминовых препаратов (ГП). Показано, что использование ГП стимулирует рост и развитие растений, часто оказывая эффект, превышающий их собственную питательную ценность. Особенно это заметно в случае неблагоприятных условий, в том числе при наличии загрязнения в почве. Также предложен механизм, согласно которому ГП могут связывать атомы тяжёлых металлов за счёт разветвлённого строения и большого количества сильных и слабых кислых функциональных групп, переводя их таким образом в неподвижную форму [1,2,9,17,26].

Исходно ГП создавались и разрабатывались как органические удобрения, и до сих пор исследовалось преимущественно их влияние на рост и развитие растений, при этом оставалось практически без внимания изменение химических свойств самой почвы (особенно в случае с загрязнителями). Однако ГП, с одной стороны, вызывают интенсификацию деятельности почвенных микроорганизмов, а также все связанные процессы, с другой стороны, обладают рядом примечательных химических свойств, в том числе являются достаточно сильными хелатообразователями, способными связать атомы тяжёлых металлов и обеспечить их миграцию из гумусового горизонта в нижележащие слои, при этом в составе образовавшегося комплекса тяжёлые металлы оказываются недоступными для растений [3,7,18,19,24,29].

Цель работы – исследовать влияние гуминового препарата на подвижность тяжёлых металлов в почве, а также оценить его эффективность по снижению токсичности тяжёлых металлов (за счёт перевода в неподвижную форму) в реальных городских условиях.

Методика исследования

В работе использован гуминовый препарат (ГП), производимый компанией «Экобиосфера» (Москва, Россия) из торфа по классической технологии щёлочной экстракции. ГП представляет собой жидкость с pH 9.80, влажностью 90% и содержанием органического вещества 72.8% (таблица 1). Органическое вещество представлено комплексом гуминовых веществ с преобладанием гуминовых кислот над фульвовыми (24.4 г/л для ГК против 7.6 г/л для ФК) и достаточно значительным содержанием негидролизуемого остатка – гумина (40.8 г/л).

Таблица 1. Основные показатели гуминового удобрения «Экобиосфера».

Полевой опыт был заложен на разделительном газоне вдоль границы Нижнетагильского металлургического комбината им. В. И. Ленина (два участка 2×5 м, контрольный и опытный). Предварительно с участков были отобраны пробы почвы для анализа. Затем опытный участок был обработан рабочим раствором ГП. Далее был произведён посев семян газона универсального (семена для опытного участка предварительно обработаны ГП) и в течение вегетационного периода проводились регулярные обработки опытного участка рабочим раствором ГП, в то время как контрольный поливали водой в таком же объёме. Через 6 недель произведены укосы для определения биомассы. По окончании вегетационного периода с контрольного и опытного участков снова были отобраны образцы почвы для анализа.

Биомасса определялась методом высушивания при 70°C в сушильном шкафу и взвешивания. Также осуществлялось визуальное наблюдение за проективным покрытием и степенью угнетённости газонной травы.

Образцы почвы, отобранные по окончании полевого опыта, доставлены в лабораторию факультета почвоведения МГУ и для них были определены основные характеристики. Величины рН измерялись для водной и солевой суспензии из почвы потенциометрическим методом на иономере И-510 с комбинированным электродом ЭСК-10302/7. Содержание гумуса в почве было определено методом бихроматного окисления по Тюрину. Также были определены содержания основных элементов минерального питания растений: общего азота по Кьельдалю на приборе Kjeltec-1020 и доступных форм калия и фосфора по Кирсанову.

Помимо этого, был определён агрегатный состав и водопрочность агрегатов методом сухого и мокрого просеивания по Савинову.

Определение содержания тяжёлых металлов в образцах проведено в лаборатории МГУ методом индуктивно-связанной плазмы (ИСП) (ПНД Ф 16.3.24-2000). Для определения выбрана серия наиболее опасных тяжёлых металлов, а также обладающий высокой токсичностью неметалл мышьяк. Извлечение из почвы проводилось в сильнокислотной вытяжке (5 М HNO₃ при нагревании), а подвижных форм – ацетатно-аммонийным буфером (ААБ) с pH 4.8 (РД 52.18.289-90).

Результаты и их обсуждение

Положительный эффект был заметен уже на этапе полевого опыта: на опытном участке наблюдалась бóльшая величина проективного покрытия, в то время как на контрольном присутствовали проплешины. Определение биомассы (рисунок 1) показало прирост на 47% при использовании ГП.

Рисунок 1. Результаты определения биомассы.

За время полевого опыта не произошло существенных изменений содержания основных элементов питания растений (таблица 2). Незначительные различия можно объяснить сезонной и погодной изменчивостью. По содержанию гумуса можно предположить слабую положительную тенденцию, что, в целом, согласуется с опытом применения гуминовых препаратов (заметный результат проявиться только через несколько лет).

Таблица 2. Результаты определения основных показателей почвы до и после эксперимента.

Существенные изменения произошли с агрегатным составом почвы: значительно (по сравнению с контролем) изменилось содержание агрономически ценных агрегатов (> 5; 5−3 мм): доля их увеличилась с 16.5% до 35.7% от суммы фракций. Важно отметить, что большая часть свежесформованных агрегатов оказались водопрочными: доля их от суммы фракций увеличилась вдвое – с 10.3% до 20.4%, (рисунки 2 и 3).

Результаты проведённых анализов свидетельствуют о том, что исследуемая почва на момент закладки полевого эксперимента была в значительной степени загрязнена ТМ. Так, предельно-допустимая концентрация (ПДК) валового содержания ТМ была превышена: для Zn – в 1.27 раза; для Mn – в 1.27 раза; для Cu – в 1.89 раза; для As – в 3.05 раза. ПДК по содержанию подвижной формы меди (наиболее опасная форма тяжёлых металлов для человека и растений) превышено в 1.9 раза.

Рисунок 2. Результаты сухого просеивания.

Рисунок 3. Результаты мокрого просеивания.

Применение ГП за время проведения полевого эксперимента позволило снизить содержание подвижных форм ТМ по сравнению с контрольной площадкой: для Mn – на 35.8%; для Ni – на 53.8%; для Zn – на 54.7%; для Co – на 75.8%; для Cu – на 80.8%; для Pb – на 92.7%. Содержание подвижных форм многих металлов снизилось до безопасных пределов.

Полевой эксперимент подтвердил высокую эффективность гуминового препарата «Экобиосфера» по снижению подвижности тяжёлых металлов в загрязнённых городских почвах.

Таблица 3. Содержание элементов в образцах почвы до применения ГП.

Таблица 4. Содержание элементов в образцах почвы после применения ГП.

Заключение

Изученные гуминовые препараты эффективно снижают содержание подвижных форм тяжёлых металлов в почве, переводя их в неподвижные.

Снижение содержания подвижных форм тяжёлых металлов также можно было наблюдать косвенно, по увеличению роста и развития растений.

Результаты исследования подтвердили эффективность действия гуминовых препаратов против негативного влияния наиболее распространённых загрязнителей и возможность их применения в реальных городских условиях.

Список литературы

1. Алексеев Ю.В. Тяжёлые металлы в агроландшафте. СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2008, 216 с.
2. Бамбалов Н. Н., Смирнова В. В., Решетник А. С. Сравнительная оценка биологической активности препаратов гуминовых веществ, полученных из торфа низинного и верхового типов // Природопользование. 2010, №17, С.194−199.
3. Вершинин А. А., Петров А. М., Князев И. В. и др. Влияние гуминового препарата и препарата «Мелафен» на дыхательную активность загрязнённой нефтью дерново-подзолистой почвы // Журнал экологии и промышленной безопасности. 2015, №1−2(63−64), С.36−38.
4. Гололобова А. Г. Подвижные формы тяжелых металлов и микроэлементов в почвах криолитозоны в условиях техногенеза // Международный научно-исследовательский журнал. 2020, № 12(102), ч.2, С.49−54.
5. Госсе Д. Д., Панина М. А., Егоров В. С., Степанов А. А. Влияние гуминовых удобрений на рост и развитие газонных трав в условиях мегаполиса // Проблемы агрохимии и экологии. 2017, №4, С.3−8.
6. Жеребцов С. И., Малышенко Н. В., Вотолин К. С. и др. Исследование биологической активности гуминовых веществ для создания препаратов против опустынивания // Химия в интересах устойчивого развития. 2019, Т.27, №2, С.155−163.
7. Жернакова З. М., Деева Н. Н., Печерских Е. Г., Поляков Е. В. Взаимодействие ионов металлов с гуминовыми веществами в природных средах // Вода: химия и экология. 2011, №6(36), С.76−81.
8. Жоробекова Ш. Ж., Кыдралиева К. А., Худайбергенова Э. М. О влиянии гуминовых кислот на ферментативные процессы // Актуальные проблемы почвоведения, экологии и земледелия: материалы V междунар. научно-практ. конф. М. 2003. С.33−36.
9. Жуков И. И., Яковлев А. С., Горленко А. С. и др. Технологии применения природных гуматов для ремедиации загрязнённых городских почв и в целях стимулирования роста растений / под руководством Трофимова С. Я. // Научно-технический отчёт по государственному контракту № 8/3-674н-08, 2009.
10. Иванова Н. А., Шарф Н. А. Особенности поглощения и миграции тяжёлых металлов в органах растений в условиях Среднего Приобья // Вестник Нижневартовского государственного гуманитарного университета. 2011, №2, С.3−5.
11. Ильинский А. В. Исследование транслокации тяжелых металлов в растениях овса при использовании минеральных удобрений // Евразийский союз ученых. 2020, №1(70), С.34−36.
12. Казакова Н. А., Садретдинова Л. Р., Мухаметшин А. А. Исследование почв территорий промышленных предприятий на предмет наличия тяжёлых металлов // Евразийский союз ученых. 2019, №12(69), С.9−13.
13. Квасникова З. Н., Осинцева Н. В. Факторы миграции химических элементов в ландшафтах подтайги (на примере Томь-Яйского междуречья) // Вопросы географии Сибири. 2001, Вып., С.211−218.
14. Ковда В. А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука, 1985, 264 с.
15. Ладонин Д. В. Лекционный курс «Загрязнений почв тяжёлыми металлами» для студентов каф. химии почв факультета почвоведения.
16. Милютина Е. А. Устойчивость почв Северного Казахстана к воздействию тяжёлых металлов // Метеорологический вестник. 2018, Т.10, №3, С.1−14.
17. Орлов Д. С. Химия почв. МГУ: Изд-во Московского Университета, 1992, 400 с.
18. Панов В. П., Зыкова И. В., Алексеева Е. А. К вопросу об извлечении тяжёлых металлов микроорганизмами активного ила // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. 2001, №5, С.127−131.
19. Переломов Л. В., Чилачава К. Б., Швыкин А. Ю., Атрощенко Ю. М. Влияние органических веществ гумуса на поглощение тяжёлых металлов глинистыми минералами // Агрохимия. 2017, №2, С.89−96.
20. Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта МГУ: Изд-во Московского Университета, 1999, 610 с.
21. Погорелов А. В., Лазько В. Э., Шматок В. И. и др. Тяжёлые металлы в окружающей среде и их влияние на сельскохозяйственные растения // Рисоводство. 2021, №4(53), С.54−61.
22. Почва, город, экология / под общ. ред. Добровольского Г. В. М.: Фонд «За экономическую грамотность», 1997, 320 с.
23. Рамазанова Р. Х, Кыдырбаева М. Накопление тяжёлых металлов в почвах и растениях территорий, прилегающих к промышленным объектам // Почвоведение и агрохимия. 2011, №1, С.26−29.
24. Савельева А. В, Иванов А. А., Юдина Н. В. Влияние структурных характеристик гуминовых кислот на эффективность взаимодействия с катионами поливалентных металлов // Химия растительного сырья. 2015, №4, С.77−83.
25. Степанов А. А., Якименко О. С. Ремедиация загрязнённых городских почв с применением гуминовых препаратов // Живые и биокосные системы. 2016, №18; URL: https://jbks.ru/archive/issue-18/article-5; DOI: 10.18522/2308-9709-2016-18-5
26. Степанов А. А., Якименко О. С., Шульга П. С. Создание плодородных почвосмесей с применением почвенных модификаторов на основе гуминовых веществ // Научный альманах Центрального Черноземья. 2022, №2−5, С.504−514.
27. Филиппова О. А., Сальникова В. И., Сизенцов Я. А. и др. Оценка способности микроорганизмов к избирательной сорбции тяжёлых металлов // Синергия науки и практики в контексте инновационных прорывов в развитии экономики и общества: национальный и международные аспекты: Сборник научных статей по итогам Междунар. научно-практ. конф., СПб, 9–10 декабря 2019 года. – СПб: Санкт-Петербургский государственный экономический ун-т, 2019, С.39−43.
28. Malkomes H.-P. Einfluss Kuper-haltiger anthropogener Einträge auf Bodenmikroorganismen – eine Übersicht. Mikrobielle Populationen // Journal für Kulturpflanzen. 2010, No. 62(6), S.211−222.
29. Sitaula B. K., Almas A., Bakken L. R., Singh B. R. Assessment of heavy metals associated with bacteria in soil // Soil Biology and Biochemistry. 1999, Vol. 31, No.2, P.315−316.

---

¹ Работа выполнена по госзаданию 121040800154-8