Автореферат (Детоксикация загрязненных мышьяком почв природными сорбентами, их смесями и модификациями)

На правах рукописи

МОСКОВКИНА ЛЮДМИЛА ИГОРЕВНА

ДЕТОКСИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ МЫШЬЯКОМ ПОЧВ ПРИРОДНЫМИ СОРБЕНТАМИ, ИХ СМЕСЯМИ И МОДИФИКАЦИЯМИ

Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Москва-2012

Работа выполнена в отделе природоохранных технологий Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ГНУ ВНИИГиМ) Россельхозакадемии

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кирейчева Людмила Владимировна

Официальные оппоненты: доктор с.-х. наук, профессор

Пуховский Анатолий Владимирович

канд. г.-м. наук

Коломийцев Николай Владимирович

Ведущее предприятие: ГОУ ВПО «Рязанский государственный

агротехнологический университет» им.П.А.Костычева

Защита состоится «22» февраля 2012 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте им. А.Н. Костякова по адресу: 127550, Москва, ул. Большая Академическая, д. 44.

Автореферат разослан и размещен на сайте 19 января 2012 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук Исаева С.Д.

Актуальность исследований. Мышьяк является высокоопасным химическим элементом и способен оказывать токсическое действие на растения, животных и человека. В настоящее время пахотные земли ряда областей РФ подвержены загрязнению данным поллютантом, поэтому особую актуальность приобретает проблема снижения последствий техногенного воздействия на природные объекты и обеспечение получения экологически чистой растениеводческой продукции, в том числе на слабо- и среднезагрязненных территориях. При попадании в почвенный слой часть мышьяка трансформируется в малоподвижные соединения при взаимодействии с веществами и минералами, входящими в состав почвы. Реальную угрозу для экосистем представляет не валовое содержание загрязнителя, а его содержание в подвижной форме. Мышьяк в данной форме из загрязненной им почвы проникает в растения и оказывает на них негативное воздействие. Поступающие из почвенных растворов токсичные элементы накапливаются в корневой системе и в других органах растений. Через почву по цепям питания поллютант может поступать в организм животных и человека. Природные сорбенты способны в значительной мере трансформировать мышьяк в малоподвижные формы, ограничивая его доступность растениям. Разработка экологических методов детоксикации загрязненных почв с использованием сорбентов природного происхождения и смесей на их основе для перевода мышьяка в малоподвижные формы является перспективным направлением научных исследований.

Цель данной работы заключается в разработке эффективного состава для мелиорации загрязненных мышьяком почв на основе природных сорбентов, их смесей и модификаций.

Для реализации цели поставлены и решены следующие задачи:

- выполнен обзор и анализ литературных источников по миграции мышьяка в системе «почва-растение-грунтовые воды»;

- обоснована возможность применения природных материалов для создания новых сорбентов, обеспечивающих эффективную сорбцию данного загрязнителя в почве;

- разработаны новые составы для мелиорации загрязненных почв;

- изучен механизм взаимодействия подвижных форм мышьяка в почве с сорбционными материалами, внесенными в почву;

- проведены экспериментальные исследования по токсическому действию поллютанта на сельскохозяйственные культуры;

- в вегетационных, лизиметрическом и полевом опытах изучена эффективность сорбции данного загрязнителя предложенным составом сорбента и обоснован наилучший состав для мелиорации загрязненных почв;

- выполнена оценка эколого-экономической эффективности разработанного сорбента для иммобилизации мышьяка в почве.

Методика исследований: При проведении исследований руководствовались общепринятыми методиками проведения полевых, лизиметрических и вегетационных опытов (Доспехов, 1973, Юдин, 1971). Анализы почвенных образцов и растительной продукции проводились на спектрометре серии «Спектроскан» методом рентгено-флуоресцентного анализа, отбор почвы для анализов осуществлялся по соответствующим ГОСТам (ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.4.02-84, ГОСТ 28168-89). При обработке полученных результатов использовались методы математической статистики.

Научная новизна диссертационной работы:

- изучен механизм взаимодействия подвижных форм мышьяка с природными сорбентами и теоретически обоснованы характеристики сорбентов, обеспечивающие его иммобилизацию в почве;

- выявлены закономерности токсического действия подвижных форм загрязнителя и его накопление в сельскохозяйственных культурах;

- разработаны требования к подбору новых эффективных составов для мелиорации загрязненных почв;

- предложен состав нового комплексного сорбента для мелиорации загрязненных почв;

В процессе исследований получены следующие результаты, которые выносятся на защиту:

- теоретическое обоснование механизма сорбции подвижных форм мышьяка природными сорбентами;

- эмпирические закономерности сорбции данного поллютанта в почве природными сорбентами и смесями на их основе;

- закономерности накопления мышьяка в сельскохозяйственных растениях при использовании природных сорбентов и смесей на их основе;

- требования к подбору новых сорбционных материалов и состав нового комплексного сорбента для иммобилизации подвижных форм загрязнителя в почве.

Практическая ценность. Разработанный в результате исследований сорбент, селективный по отношению к мышьяку, может быть использован для детоксикации почв как сельскохозяйственного, так и иного назначения.

Достоверность результатов исследований подтверждается статистической обработкой экспериментальных данных, полученных в процессе проведения исследований, применены общепринятые методы исследования, использовалось современное приборное обеспечение.

Апробация работы. Исследования по теме диссертации проводились с 2008 по 2011 гг. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства» (Москва, 2009), на Международном Российско-Вьетнамском научном семинаре «Методы детоксикации и очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами» (Москва, 2010), на Международной научно-практической конференции "Инновационные технологии в мелиорации и сельскохозяйственном использовании мелиорированных земель" (Минск, 2010), на научно-практической конференции «Инновационные технологии повышения эффективности мелиоративных систем и безопасности гидротехнических сооружений» (Волгоград, 2010), на Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010), на Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Эколого-сбалансированное управление мелиорированными ландшафтами» (Херсон, 2010), на Международной научной конференции "Земельные ресурсы, их использование и охрана" (Нови Сад, Сербия, 2011).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 3 работы из списка изданий, рекомендованных ВАК, заявка на патент «Сорбент для детоксикации почв, загрязненных мышьяком» № 201128804.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений, изложена на 146 страницах машинописного текста, иллюстрирована 21 рисунком, содержит 36 таблиц и 10 приложений. Библиографический список включает 170 наименований, из них 23 иностранных.

Благодарность: автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Л.В Кирейчевой., д.с.-х.н. О.Б.Хохловой, сотрудникам лаборатории экологии природообустройства и аналитической лаборатории Мещерского филиала ВНИИГиМ и лично к.с.-х. н. С.В.Перегудову, а также к.с-х.н. Т.Ю. Пуховской за помощь в проведении анализов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели, задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна работы, ее практическая значимость и достоверность полученных выводов.

В первой главе дан анализ научно-исследовательской литературы по изучаемому вопросу. Обозначены источники загрязнения почвенного покрова мышьяком. Указаны масштабы проблемы загрязнения почвенного покрова мышьяком в мире и в Российской Федерации по регионам.

Мышьяк является одним из наиболее токсичных химических элементов, который, накапливаясь в почве, переходит по трофической цепи «почва – растение – животные - человек». Однако реальную угрозу представляет не валовое содержание мышьяка в почве, а количество его подвижных форм, которые доступны для растений. Процессы закрепления мышьяка в почве были изучены рядом авторов: Ильин В.Б., Кабата-Пендиас А., Пендиас Х., Водяницкий Ю.Н., Зырин Н.Г., Шаркова С.Ю., Садовникова Л.К., Карпова Е.А., Потатуева Ю.А., Мальгин М.А., Пузанов А.В., Меленцова С.В., Grafe, Elkhatib E.A, Manful G.A., Goldberg S. Компоненты почвы способны переводить соединения мышьяка в связанное состояние, но после достижения определенных концентраций загрязнителя самоочищающая способность почв исчерпывается и для ее использования в сельском хозяйстве необходимо проведение очистки или детоксикации.

Ряд исследователей (Хохлова О.Б., Карпова Е.А., Мотузова Г.В., Зырин Н.Г., Цетько З., Гришин Г.Е., Andersson A., Siman G., Tlustos P., Balik J.) считают достаточно действенным мероприятием по борьбе с загрязнением почв сельскохозяйственного назначения внесение в почву различных веществ, способствующих переходу загрязнителя в соединения, недоступные или труднодоступные для растений. Все эти исследователи применяли различные природные материалы в чистом необработанном виде, что давало определенный результат, однако эффективность действия природных веществ в ряде случаев была недостаточна, что предопределило необходимость разработки и исследования новых сорбентов.

Выполненный в работе обзор и анализ исследований по детоксикации почвы, загрязненной мышьяком, позволил автору сформулировать рабочую гипотезу: использование композиционных смесей на основе природных сорбентов, наилучшим способом обеспечивающих процессы сорбции и закрепление мышьяка в почве, позволит восстановить и усилить геохимические барьеры в почве для его иммобилизации. Для реализации гипотезы предложена концептуальная модель сорбционного материала на базе природных веществ, которая предполагает создание гипотетического состава для мелиорации почв, загрязненных мышьяком (рис.1).

Показано, что при воздействии природных сорбентов происходят процессы аналогичные процессам закрепления мышьяка в почве, тем самым восстанавливается и усиливается способность почвы закреплять соединения мышьяка.

В зависимости от состава и строения сорбента действуют те или иные процессы сорбции. Адсорбция природными сорбентами происходит в порах, которые делятся на 3 типа: макропоры, переходные поры, микропоры. Кроме непосредственно процесса адсорбции, имеют место процессы хемосорбции на уровне переходных и микропор. Поэтому создание эффективного сорбента на основе природных материалов необходимо, чтобы работали все процессы, включая адсорбцию, хемосорбцию.

Во второй главе на основании анализа литературных источников, патентного поиска и фондовых материалов автором для дальнейшего исследования выбраны природные вещества, обладающие селективными сорбционными свойствами по отношению к растворимым формам мышьяка, доступные для использования и достаточно дешевые. Были рассмотрены свойства и строение природных сорбентов, а также предполагаемые механизмы их действия.

Для оценки возможного поглощения мышьяка выбранными природными сорбентами был проведен модельный опыт. В искусственно загрязненную мышьяком (раствором Na₂AsO₃) почву вносились сорбенты из расчета 10 т/га и после стабилизации процессов взаимодействия сорбента с почвой определялось содержание мышьяка в подвижной форме рентгено-флуоресцентным методом. По результатам опыта был составлен ряд влияния исследуемых материалов на закрепление подвижных форм мышьяка (рис. 2).