Диссертация (Экологическая оценка влияния различных гуминовых препаратов на состояние техногенно-измененных серых лесных почв), страница 7

образование пульсирующихпузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. При этом, наблюдаетсясложное движение образующихся пузырьков, их схлопывание, дробление ислияние друг с другом, все эти процессы вызывают мощные гидродинамические36возмущения в виде микропотоков (кумулятивные струи) и микроударных волн(сильные импульсы сжатия) (Сорокин К.Н., 2015).Одним из главных эффектов, сопровождающих ультразвуковую кавитациюявляется диспергирование, т.е. измельчение твердых частиц обрабатываемогосырья, при этом, степень дисперсности суспензии может увеличиваться нанесколько порядков, схематично данный процесс представлен на рисунке 7.Рисунок 7 – Процесс диспергирования сырья при ультразвуковой кавитации(Хмелев В.Н., 2010)Под воздействием микропотоков и микроударных волн происходит не просторазламывание агрегатов, связанных силами слипания, спекания и спайности, аобкалывание их с поверхности и обкатывание, образующихся частичек, чтоспособствует преобразованию сырья на глубоком структурном уровне (ХмелевВ.Н., 1997).

Параллельно с процессами диспергирования в обрабатываемой смесиактивно происходят и процессы эмульгирования.Возникающие при ультразвуковой кавитации микропульсации жидкостиспособствуют ее проникновению в трещины, поры и капилляры обрабатываемыхвеществ, что приводит к интенсификации реакций их растворения. Кроме этого,прохождение ультразвуковой волны вызывает так называемый «эффект губки», т.е.вытеснение пузырьков воздуха из капилляров, образование вакуума и ускорениепроцесса экстракции гуминовых веществ из сырья.В результате схлопывания кавитационных пузырьков зачастую наблюдаетсялокальный разогрев жидкости, и, как следствие инициация и интенсификация всехпроисходящих физико-химических процессов.37Акустическоеультразвуковоевоздействиеприводиткнекоторымизменениям молекулярных структур, входящих в состав сырья веществ.

Но наданный момент в мировой и отечественной литературе имеется мало информациикасательно влияния ультразвуковой кавитации на структуру молекул гуминовыхвеществ. Однако ряд исследований, проведенных в последние годы, позволяетсделать некоторые обобщения в данном вопросе.Известно, что под действием ультразвуковой кавитации происходитдеполимеризация высокомолекулярных соединений, в том числе и гуминовыхвеществ. По мнению ряда авторов, данное явление объясняется тем, что припрохождении ультразвуковой волны «легкие» части молекул (алифатическиефрагменты) начинают колебаться с ней в резонансе, при этом «тяжелые»(ароматические фрагменты) отстают, при этом возникают зоны напряженности, гдеи происходит разрыв химической связи (Mecozzi M.

и др., 2002; Ефанов М.В., 2008;Москаленко Т.В., 2011). Данный процесс зачастую приводит к увеличениюколичества свободных радикалов и функциональных групп, в том числегидроксильных и карбоксильных, что способствует повышению химической ибиологической активности препарата (Moreda-Piñeiro A. и др., 2004; МоскаленкоТ.В., 2011).Все перечисленные процессы, возникающие при ультразвуковой обработкесырья, способствуют более эффективному извлечению гуминовых веществ. Так, поданным ряда авторов, их выход в продукт по сравнению с технологией щелочнойэкстракции повышается в 1,5-2 раза (Москаленко Т.В., 2010; Ефанов М.В., 2013;Пат.

2491266 РФ, МПК C05F, опубл. 10.01.2013).Технологияультразвуковогокавитационногодиспергированиячастоприменяется совместно с технологией щелочной экстракции. При этом,воздействие микропотоков и микроударных волн на пограничный слой твердыхчастиц позволяет значительно интенсифицировать процесс экстракции гуминовыхвеществ из сырья (Хмелев В.Н., 2010).Применение ультразвуковой кавитации для производства гуминовыхпрепаратов сопряжено и с рядом технологических особенностей.

Так, процесс38обработки сырья осуществляется при 30-45 °С, что позволяет избежатьотрицательного воздействия высоких температур на молекулярную структуруизвлекаемых веществ и сохранить в составе препарата витамины, ферменты идругиебиологическиактивныевещества,разлагающиесяпривысокотемпературной обработке (Сорокин К.Н., 2015). Кроме того, оборудование,применяемое в настоящее время для производства гуминовых препаратовпосредством ультразвуковой кавитации, характеризуется низким уровнемэнергопотребления,невысокойметаллоемкостьюивысокойстепеньюавтоматизированности(http://www.asocdurpes.lt/uploads/PDFFiles/2011Druskininkai/6_C.Cyfanskis_Skystos%20huminines%20trasos.pdf).Таким образом, можно заключить, что технология ультразвуковой кавитацииимеет ряд существенных преимуществ перед щелочными технологиями: увеличение в несколько раз выхода гуминовых веществ за счетинтенсификации процессов диспергирования, эмульгирования, растворения,экстракции,тепломассоэнергообмена,дезинтеграциимолекулярныхструктур и др.; исключение из технологического процесса щелочи, длительное поступлениекоторой в составе гуминовых препаратов в почву оказывает негативноевлияние на протекающие в ней физико-химические и биологическиепроцессы; увеличение содержания кислородсодержащих функциональных групп, и, какследствие,повышениехимическойибиологическойактивности,получаемых препаратов; большая производительность; низкая трудо-, ресурсо-, энерго- и материалоемкость.Несомненно,ввидууказанныхпроизводственно-технологическихдостоинств, ультразвуковая кавитация будет занимать все более прочное место вотрасли производства гуминовых препаратов.

Однако применение полученных поданной технологии препаратов в различных отраслях хозяйственной деятельности39требует наличия под собой необходимой научной базы и, соответственно,проведения ряда фундаментальных и прикладных исследований.1.3. Анализ опыта использования гуминовых препаратов в целяхвосстановления и детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металламиТяжелые металлы (ТМ) являются одними из наиболее распространенных иопасных загрязнителей почвы. Несмотря на тот факт, что многие из ТМ являютсямикроэлементами и в определённых количествах необходимы живым организмам,избыточное их содержание в компонентах окружающей среды оказываетотрицательное влияние на состояние экосистем.Загрязнение почвы ТМ негативно сказывается на ее свойствах, в первуюочередь, снижается биологическая активность почвы.

Данное обстоятельствообусловлено тем, что ТМ в высоких концентрациях токсичны для всех групппочвенных организмов (макро-, мезо- и микрофауна и флора), но особенновосприимчивойибыстрореагирующейгруппойявляютсяпочвенныемикроорганизмы. Механизм токсичного действия ТМ основан на процессахвытеснения и замещения эссенциальных металлов из активных центров связыванияи деполимеризации частей биологических макромолекул, блокирования ихбиохимической активности и др. Все указанные процессы приводят кингибированию ферментных систем, повреждению и разрушению клеточныхорганелл, нарушению синтеза белков и других жизненно важных соединений.

Приэтом, ТМ обладают и выраженной мутагенной активностью в отношении многихживых организмов (Черных Н.А., 1999; Добровольский В.Г. и др., 2002;Герасимова М.И., 2003).По большей части, степень выраженности токсичного действия ТМ напочвенные организмы зависит от их концентрации. Как уже было отмечено, многиеТМ являются микроэлементами и входят в состав ферментов, по причине чегонебольшое повышение их содержания в почве может стимулировать еебиологическую активность.

Превышение фоновых концентраций ТМ в несколько40раз, как правило не приводит к существенным изменениям структуры ичисленностипочвенногобиоценоза,чтообусловленоадаптивностьюирезистентностью многих организмов к таким вариациям содержания химическихэлементов, которые зачастую происходят и под воздействием естественныхфакторов.При повышении содержания ТМ до концентраций на один-два порядкапревышающих фоновые, происходит снижение общей численности и биомассыпочвенныхмикроорганизмов,уменьшениеплотностинаиболееважныхфизиологических групп микроорганизмов (азотфиксаторы, нитрификаторы,целлюлозолитики),упрощениевидовойструктурымикробиоценозаиингибирование почвенных ферментов (каталаза, инвертаза, уреаза, фосфотаза,дегидрогеназа и др.).Дальнейшее загрязнение ТМ приводит к подавлениюразвития типичных для почвы микроорганизмов и снижение интенсивностиосновных почвенных биохимических процессов (дыхание почвы, азотфиксация,аммонификация, нитрификация, денитрификация и др.).Указанные процессы витоге являются причиной снижения буферных свойств почвы, изменения ееструктуры и гумусного состояния.Мигрируя в природных средах, ТМ могут накапливаться во всех звеньяхпищевой цепи, что ввиду их токсичности для живых организмов, приводит нетолько к снижению количества и качества урожаев сельскохозяйственных растенийи животноводческой продукции, но и росту заболеваемости населения исокращению продолжительности жизни.Источниками поступления ТМ в почву могут быть как естественныеприродные процессы, такие как выветривание горных пород и минералов,эрозионные процессы, вулканическая деятельность, так и техногенные процессы:добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, поступление ватмосферный воздух промышленных и автотранспортных выбросов и др.