К вопросу об использовании мелиоративных приемов в целях формирования биогеохимических барьеров
Н.Ю. Антонинова, А.И. Усманов, А.В. Собенин, Я.А. Кузнецова, А.А. Горбунов
Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация
Горная Промышленность №1 / 2024 стр. 120-125
Резюме: В связи с добычей полезных ископаемых возрастает количество земель, подверженных загрязнению ионами тяжелых металлов. Поэтому в настоящее время актуальными являются исследования об использовании различных композиционных сорбентов/мелиорантов, которые в сочетании с многолетними растениями способны выступить в качестве биогеохимического барьера распространению ионов тяжелых металлов в окружающей среде. В системе «грунт – растение» применение торфо-диатомитового мелиоранта гранулированного на участке по направлению техногенного потока показал высокую степень приживаемости костреца безостого (Brōmus inērmis) по сравнению с нулевой приживаемостью в контрольном варианте. Динамика накопления тяжелых металлов в биомассе растений показывает увеличение содержания меди и цинка в сравнении с фоном во второй год проведения исследований, на третий год наблюдается уменьшение содержания в биомассе меди с 235 до 40 мг/кг, но увеличение цинка с 473 до 510 мг/кг. Полученные данные подтверждают пределы колебаний металлов в биомассе растений, установленные предыдущими исследователями. На участках применения торфо-диатомитового мелиоранта также наблюдалось увеличение концентрации Cu2+ и Zn2+ в сравнении с другими точками исследования, что говорит о возможности применения торфо-диатомитового мелиоранта гранулированного в качестве материала для создания сети биогеохимических барьеров перпендикулярно направлению техногенного потока.
Ключевые слова: сорбент, мелиорант, тяжелые металлы, биогеохимический барьер, техногенный поток, торфо-диатомитовый мелиорант, сапропель, кострец безостый
Благодарности: Статья подготовлена в рамках государственного задания №075-00412-22 ПР. Тема 2 (2022-2024) «Разработка геоинформационных технологий оценки защищенности горнопромышленных территорий и прогноза развития негативных процессов в недропользовании» (FUWE-2022-0002), рег. №1021062010532-7-1.5.1.
Для цитирования: Антонинова Н.Ю., Усманов А.И., Собенин А.В., Кузнецова Я.А., Горбунов А.А. К вопросу об использовании мелиоративных приемов в целях формирования биогеохимических барьеров. Горная промышленность. 2024;(1):120– 125. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-1-120-125
Информация о статье
Поступила в редакцию: 02.12.2023
Поступила после рецензирования: 10.01.2024
Принята к публикации: 11.01.2024
Информация об авторах
Антонинова Наталья Юрьевна – кандидат технических наук, заведующий лабораторией экологии горного производства, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-8503-639X; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Усманов Альберт Исмагилович – научный сотрудник лаборатории экологии горного производства, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-3650-0467; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Собенин Артем Вячеславович – научный сотрудник лаборатории экологии горного производства, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0001-5513-5680; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Кузнецова Ярослава Артемовна – младший научный сотрудник лаборатории экологии горного производства, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Горбунов Алексей Александрович – младший научный сотрудник лаборатории экологии горного производства, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-9057-0896; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
Вопросы изучения процессов, определяющих накопление и миграцию тяжелых металлов в техногенно загрязненных экосистемах в районах функционирования предприятий минерально-сырьевого комплекса, применения биотехнологических приемов детоксикации почв с помощью сорбционных материалов представляют собой интенсивно развивающуюся область исследований. Лабораторией ведутся исследования междисциплинарного характера динамики техногенной трансформации природно-территориальных комплексов в районах функционирования горнодобывающих предприятий с оценкой возможности разработки мероприятий по экологической реабилитации нарушенных экосистем путем формирования биогеохимических барьеров.
К числу основных факторов деградации относятся преобладание ресурсосберегающих и ресурсоемких отраслей, низкая эффективность механизмов природопользования, снижение объемов мелиорации и рекультивации земель, что, собственно, и сопровождает, как правило, функционирование предприятий минерально-сырьевого комплекса [1–3].
Все вышеприведенное указывает на необходимость проведения исследований по оценке эффективности применения комплексных органоминеральных мелиорантов/сорбентов искусственного или природного происхождения в целях экологической реабилитации нарушенных экосистем.
Мелиорант – это вещество, используемое для улучшения качества почвы, которая, в свою очередь, является одной из главных составляющих биосферы. Сорбентом, в свою очередь, является вещество, способное поглощать и удерживать в своем объеме и поверхности различные вещества, в том числе и загрязняющие, из окружающей среды. Следовательно, разработка оптимальных составов мелиорантов/ сорбентов будет способствовать повышению эффективности предлагаемых природовосстанавливающих мероприятий, в основе которых заложены мелиоративные работы. Таким образом, в рамках проведения мероприятий по экологической реабилитации нарушенных экосистем мелиоративные работы направлены на восстановление и улучшение агрохимических и агрофизических свойств почв и грунтов.
В соответствии с ГОСТ Р 58330.2–2018 выделяют следующие виды мелиоративных работ:
– техническая мелиорация земель (техномелиорация);
– земельная мелиорация земель (геомелиорация);
– водная мелиорация земель (гидромелиорация);
– воздушная мелиорация земель (аэромелиорация);
– растительная мелиорация земель (фитомелиорация);
– химическая мелиорация земель (химмелиорация);
– зоологическая мелиорация земель (зоомелиорация).
Химическая мелиорация почв направлена на значительное улучшение качества земельных ресурсов и проводится до внесения минеральных удобрений в целях формирования оптимальной реакции почвенного раствора, улучшения усвоения почвенных элементов питания и удобрений. Основная задача при её проведении – достичь высокой буферной ёмкости почв, обеспечить их устойчивое функционирование при различных внешних воздействиях и нагрузках.
Однако не следует понимать химическую мелиорацию почв слишком упрощенно, лишь как метод нейтрализации чрезмерной кислотности или щелочности. Составляющими химической мелиорации являются также способы обогащения почв биогенными элементами, применение структурных (природных и искусственных) мелиорантов для создания устойчивого органо-минерального почвенного комплекса и другие мероприятия, коренным образом меняющие агрохимическое качество почвы [4].
Существует несколько видов классификаций мелиоративных веществ:
– по составу – органические, минеральные и органоминеральные;
– по воздействию – мелиоранты-сорбенты, удобрения-мелиоранты, мелиоранты-структурообразователи и мелиоранты, оптимизирующие кислотность;
– по происхождению – искусственные, природные и нетрадиционные [5].
Цель – исследовать возможность использования торфо-диатомитового мелиоранта (ТДМ) как элемента биогеохимического барьера.
Материалы и методы исследования
В представленном блоке исследований в качестве мелиоранта/сорбента рассматривается торфо-диатомитовый мелиорант/сорбент (гранулы) и его составляющие: торф, диатомит, сапропель [6]. Характеристики приведены в табл. 1.
Таблица 1 Характеристики торфо- диатомитового мелиоранта
Table 1 Indicators of the peat-anddiatomite ameliorant
Торф представляет собой систему, состоящую из органической, минеральной частей и воды. Химический состав торфа характеризуется химическим составом растений-торфообразователей. Растения-торфообразователи состоят из двух основных частей: органической и минеральной. На долю органической части приходится в среднем 95%, а на долю минеральной – 5% [7].
Проведенные в 2018 г. И.А. Кузнецовой и Н.С. Ларионовым исследования подтвердили, что сорбция тяжелых металлов торфом – самопроизвольный эндотермический процесс. Сорбционная способность торфа обеспечивается карбоксильными и фенольными гидроксильными группами компонентов торфа и является совокупностью физической, химической сорбции и ионного обмена [8].
Диатомиты представляют собой осадочные, очень легкие породы, состоящие из цельных створок диатомовых водорослей и их обломков. С агрономической точки зрения они обладают рядом важных свойств. Во-первых, это сорбенты с высокой адсорбционной (удельная поверхность 20–50 м2/кг) и ионообменной способностью (0,8–0,12 г-экв/кг), в связи с чем при внесении в почву могут удерживать влагу и элементы питания от выноса за пределы корнеобитаемого слоя; впоследствии влага и элементы питания постепенно высвобождаются и используются растениями. Во-вторых, диатомиты (как и другие высококремнистые породы) содержат в своем составе до 1–2% (в зависимости от месторождений) калия и серы, а также ряд микроэлементов. Кроме того, диатомит является кремниевым удобрением, содержащим до 85% окиси кремния, в том числе аморфного 50% и более [9].
Однако в ряде работ [10–12] доказано, что диатомит не всегда имеет высокую способность адсорбции тяжелых металлов (ТМ), в связи с этим не устраняет в полной мере их отрицательное воздействие и требует модификации для улучшения адсорбционной способности. В исследованиях [10] сорбционная способность повышается при содержании в диатомите органического вещества.
Сапропель – органоминеральное донное отложение, образовано скоплением на дне пресноводных водоёмов остатков растительных и животных организмов, подвергшихся неполному разложению под воздействием минеральных и органических кислот, бактерий и других микроорганизмов. Сапропели обладают высокой адсорбционной способностью и используются для очистки сточных вод и промышленных отходов [13].
Методы исследования
Временные пробные площадки заложены по направлению техногенного потока подотвальных вод в границах болотной экосистемы в санитарно-защитной зоне предприятия, отрабатывающего медно-колчеданное месторождение. Подотвальные воды характеризуются кислым рН – от 3 до 3,5 и высоким содержанием растворенных солей тяжелых металлов. На временных пробных площадках высаживали семена костреца безостого. Применение костреца в качестве тест-объекта обусловлено неприхотливостью, развитой корневой системой, распространенностью на территории проведения эксперимента (рис. 1).
Рис. 1 Схема полевых исследований
Fig. 1 A schematic map of field studies
Эксперимент проводился на трех участках, на каждом из которых были заложены по две опытные площадки площадью 1 м2, 1-я площадка – техногенный грунт + ТДМ гранулированный (400 г/м2), 2-я площадка – техногенный грунт. Далее в грунт, представленный на сформированных площадках, были высажены семена костреца, массой по 15 г на одну площадку (см. рис. 1). ТДМ вносился на глубину 2–5 см вместе с семенами костреца (рис. 2). Площадки расположены перпендикулярно направлению техногенного потока.
Рис. 2 Процесс внесения торфо-диатомитового мелиоранта и семян костреца
Fig. 2 The process of introducing the peat-and-diatomite ameliorant and seeds of the awnless brome grass
Спустя год после начала полевых исследований проводился анализ зарастания техногенных участков в результате применения ТДМ и без него, а также химический анализ содержания Cu2+ и Zn2+ в грунте и биомассе растений.
Результаты и обсуждения
ТДМ исследовался в гранулированном виде, это объясняется спецификой местности, где применялся мелиорант. Поскольку временные пробные площадки заложены по направлению техногенного потока подотвальных вод в границах болотной экосистемы, важным фактором здесь также является насыпная плотность применяемых материалов (см. табл. 1).
Мелиоранты с высокой насыпной плотностью имеют ряд преимуществ при использовании в полевых условиях: 1 – большая концентрация полезных элементов, необходимых растениям, на единицу объема, таких как NPK, гумус, кремний и др.; 2 – меньше подвержены или вообще не подвержены ветровой и водной эрозии, в результате чего могут использоваться как материалы для барьеров [14]; 3 – пролонгированное действие за счет высокой плотности, что позволяет дозированно улучшать агрохимические показатели техногенного грунта.
Учитывая перечисленные преимущества, применение гранулированных мелиорантов на пути техногенного потока позволит создать сеть биогеохимических барьеров с дерновым слоем, способных значительно снизить или остановить распространение тяжелых металлов по направлению техногенного потока. Кроме того, растения, прорастающие на участке исследований, способны выступить аккумуляторам ТМ из техногенного грунта.
Спустя год после начала эксперимента кострец безостый взошел только на участках с применением ТДМ (рис. 3). Это связано с повышением органического вещества в техногенном грунте, а также улучшением агрохимических показателей.
Рис. 3 Карта-схема исследований и анализ содержания Cu2+ и Zn2+ в грунте и биомассе растений, мг/кг
Fig. 3 A schematic survey map and analysis of Cu2+ and Zn2+ content in soil and plant biomass, mg/kg
Что касается динамики миграции в результате применения ТДМ, то по карте-схеме (рис. 4) мы можем наблюдать увеличение в экспериментальной точке 1, содержания меди и цинка. Так, если среднее содержание по четырем точкам в 2022 г. составило по меди 947 мг/кг, по цинку 507 мг/кг, то на участке применения ТДМ концентрация меди 1351 мг/кг, а цинка 755 мг/кг.
В 2023 г. средняя концентрация меди уменьшилась до 730 мг/кг, а цинка осталась примерно на уровне 2022 г. – 545 мг/кг, зато на участках с применением ТДМ концентрация возрастает и составила по меди 1544 мг/кг и 2512 мг/кг по цинку, что на 50% выше средней по всем участкам по меди и на 80% по цинку.
Большое значение в накоплении и миграции тяжелых металлов играют геохимические барьеры, а применяя биологические растительные ресурсы, мы формируем биогеохимические барьеры, которые способствуют в том числе и формированию устойчивого травянистого покрова в зоне техногенного воздействия [6; 15].
Рядом с техногенной территорией фоновая концентрация меди и цинка в биомассе костреца составила 5 и 12,5 мг/кг соответственно, что согласно результатам проводимых исследований [16] не превышает пределов колебаний металлов в биомассе растений, где нормальная концентрация меди варьируется в пределах от 2 до 30 мг/кг, а цинка до 100 мг/кг. Кострец на техногенных (контрольных) участках проанализировать не удалось из-за нулевой всхожести. А на участках применения ТДМ в 2022 г. было высокое содержание меди – 235 мг/кг, в 2023 г. уменьшилось до 40 мг/кг. Содержание цинка, наоборот, увеличилось с 473 до 510 мг/кг. Для понимания процессов накопления Cu и Zn необходимы дальнейшие наблюдения за исследуемыми участками.
По результатам проведенных анализов можно утверждать, что временные пробные площадки с ТДМ склонны к накоплению ТМ и что данный материал возможно использовать в качестве биогеохимического барьера перпендикулярно техногенному потоку с высадкой семян многолетних трав, а дозировка ТДМ и площадь биогеохимических барьеров с его применением являются задачей дальнейших исследований.
Выводы
1. Мелиорант на основе торфа, диатомита и сапропели повышает содержание органического вещества в техногенном грунте, что, в свою очередь, способствует приживаемости семян костреца безостого.
2. ТДМ гранулированный имеет высокую насыпную плотность – до 700 кг/м3, что способствует его закрепляемости в заболоченной местности, на пути техногенного потока.
3. Высаживаемый на техногенной территории кострец безостый в сочетании с ТДМ способен к высокой степени приживаемости участке с высокой концентрацией ТМ, в то время как на контрольных участках приживаемость равна нулю.
4. В биомассе растений наблюдается повышение содержания меди и цинка в сравнении с фоном во второй год проведения исследований, на третий год наблюдается кратное уменьшение содержания в биомассе меди – с 235 до 40 мг/кг, что почти не выходит за пределы колебаний металлов в биомассе растений, установленные предыдущими исследователями, в отличие от цинка, содержание которого увеличилось в сравнении со вторым годом эксперимента с 473 до 510 мг/кг.
Список литературы
1. Kornilkov S.V. Mineral resources strategy and scientific-based management. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022;991:012021. https://doi.org/10.1088/1755-1315/991/1/012021
2. Цыпин Е.Ф., Овчинникова Т.Ю. Преимущества и производственные риски использования рудосортировочных комплексов. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2015;(5):117–122.
3. Khater H.M., Ghareib M. Utilization of alkaline Aluminosilicate activation in heavy metals immobilization and producing dense hybrid composites. Arabian Journal for Science and Engineering. 2021;46:6333–6348. https://doi.org/10.1007/s13369-020-05065-6
4. Медербеков А.Н., Деменкова Л.Г. Химическая мелиорация почв: значение, способы, перспективы. В кн.: Экология и безопасность в техносфере: современные проблемы и пути решения: сб. тр. Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов, Юрга, 22–24 нояб. 2018 г. Юрга: Томский политехнический университет; 2018. С. 137–139.
5. Петрова Т.А., Рудзиш Э. Виды мелиорантов для рекультивации техногенно нарушенных территорий горной промышленности. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(4):100–112. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_4_0_100
6. Антонинова Н.Ю., Усманов А.И., Собенин А.В., Горбунов А.А. Исследование влияния торфо-диатомитового мелиоранта на формирование устойчивого травяного покрова при рекультивации нарушенных земель. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(5):131–141. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_5_0_131
7. Голубина, О.А. Физикохимия и биология торфа: использование торфа в сельском хозяйстве. Томск: Изд-во Томского ЦНТИ, 2011. 45 с.
8. Кузнецова И.А., Ларионов Н.С. Химический состав и сорбционные свойства торфа – основа ресурсного потенциала типичных верховых болот северо-запада России. Успехи современного естествознания. 2018;(7):165–170. Режим доступа: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36820 (дата обращения: 04.01.2024).
9. Куликова А.Х., Яшин Е.А., Данилова Е.В. Эффективность диатомита и минеральных удобрений в технологии возделывания озимой пшеницы. Агрохимический вестник. 2007;(5):18–19.
10. Кременецкая И.П., Васильева Т.Н., Корытная О.П., Скамницкая Л.С., Бубнова Т.П. Особенности состава и сорбционных свойств диатомитов Карело-Кольского региона. В кн.: Технологическая минералогия, методы переработки минерального сырья и новые материалы. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН; 2010. C. 120–127.
11. Кизилов О.А., Байкин Ю.Л., Овчинников П.Ю. Применение минеральных сорбентов при загрязнении почв тяжелыми металлами. Вестник биотехнологии. 2017;(1):16. Режим доступа: http://bio.urgau.ru/images/01_2017/Kizilov_OA.pdf (дата обращения: 06.01.2024).
12. Бочарникова Е.А., Матыченков В.В., Матыченков И.В. Кремниевые удобрения и мелиоранты: история изучения, теория и практика применения. Агрохимия. 2011;(7):84–96.
13. Усманов А.И., Антонинова Н.Ю., Собенин А.В., Семин А.Н., Дедков О.В., Нелогова Е.А. Торфо-диатомитовый мелиорант для рекультивации земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Патент №RU2766361C1 Российская Федерация, МПК B09C 1/08. №2021106690: заявл. 15.03.2021; опубл. 15.03.2022. Режим доступа: https://patenton.ru/patent/RU2766361C1 (дата обращения: 05.01.2024).
14. Михайлов Г.Г., Морозова А.Г., Лонзингер Т.М., Лонзингер А.В., Пашкеев И.Ю. Особенности необратимой сорбции катионов тяжелых металлов гранулированным сорбентом на основе силикатов и алюмосиликатов кальция. Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Химия. 2011;(12):46–53. Режим доступа: https://dspace.susu.ru/xmlui/bitstream/handle/0001.74/2022/9.pdf (дата обращения: 05.01.2024).
15. Дайнеко Н.М., Тимофеев С.Ф. Содержание тяжелых металлов в почвенно-растительном покрове луговых экосистем поймы р. Сож Ветковского района. Мелиорация. 2018;(4):63–71. Режим доступа: https://melio.belal.by/jour/article/view/888 (дата обращения: 05.01.2024).
16. Позняк C.С. Содержание некоторых тяжелых металлов в растительности полевых и луговых агрофитоценозов в условиях техногенного загрязнения почвенного покрова. Вестник Томского государственного университета. Биология. 2011;(1):123–137. Режим доступа: https://journals.tsu.ru/biology/&journal_page=archive&id=753&article_id=15958 (дата обращения: 05.01.2024).
