Диссертация (Воздействие высокодисперсного металлургического шлама на сельскохозяйственные растения), страница 4

Так, даже при увеличении подвижности кадмия на 18–40% и свинца на 8–10%, как это было при внесении минеральных удобрений в одном изопытов (Черных, Черных, 1995) увеличение урожайности в 1,5–2 раза привело кснижению концентрации тяжелых металлов в растениях.Помимо этого, минеральные удобрения помогают восстановлению органическоговещества почвы, росту ее биологической активности, биомассы почвенных микробов ит.д., что дополнительно способствует улучшению качества почв.16Несмотря на то, что данные о роли минеральных удобрений в оценке характераповедения тяжелых металлов в почвах напрямую не могут применяться при проведениимероприятий по рекультивации загрязненных почв, в то же время их необходимоучитывать при прогнозе экологического состояния.В случае сильного загрязнения почв используется метод удаления ТМ изкорнеобитаемого слоя – промывка почв (Дабахов и др., 2005).

В отличие отрассмотренных выше методов, направленных на достижение закрепления токсичныхэлементов, способ удаления тяжелых металлов с помощью промывки с использованиемразнообразных реагентов имеет целый ряд отрицательных аспектов. Во–первых, ТМ изверхних горизонтов попадают в состав грунтовых вод, и загрязняя их. Во–вторых,необходимые для растений питательные элементы удаляются вместе с ионами ТМ изкорнеобитаемого слоя почви. Наконец, сами реактивы способны обладать выраженнымфитотоксическим эффектом и ухудшать свойства почв.Один из предлагаемых в этом качестве реактивов – растворимые соли железа,такие, как FeCl3. Железо обладает невысокой фитотоксичностью, оно способно кактивному вытеснению катионов ТМ из почвы.

Также нужно отметить, что при внесениисолей железа вероятно улучшение физических свойств почв, которые оптимизируютструктурные характеристики. В ходе склеивания минеральных частиц железогуматнымикомплексами идет агрегирование. Промывание должно сопровождаться меропрятиями поулучшению качества почв: известкованием, а также внесением минеральных иорганических удобрений, которые компенсируют потери биогенных элементов в ходепромывки.Резюмируя, нужно отметить, что сравнительная эффективность описанныхмероприятий, таких как известкование, внесение органических, а также минеральныхудобрений, сорбентов природного и искусственного происхождения и т.д.

может бытьнедостаточной в конкретных почвенных условиях. В таком случае используется комплексмероприятий, как например известкование с одновременным внесением органических иминеральныхудобрений.Тогдаудобрениябудутсодействоватьснижениюфитотоксического эффекта, а также образованию малоподвижных органо–минеральныхкомплексов; в то время как известь увеличит поглотительную емкость почвы,формирование нерастворимых солей, а также приведет к возрастанию прочности органо–минеральных комплексов.В целях очистки территорий, на которых плодородие почв имеет решающеезначение, применение большинства методов физической и химической детоксикацииметаллов в почве использовать проблематично.17Врайонах,вкоторыхпромышленноепроизводствосочетаетсяссельскохозяйственным, целесообразнее использование методов фиторемедиации –технологии восстановления почвенного плодородия с использованием растений иассоциированных с ними почвенных микроорганизмов.

Это находит подтверждение взначительном числе работ (Bandopadhyay et al., 2002; Bobkova, Haensler, 2003; Pulford,Watson, 2003; U.S. EPA…2003; Arnaez et al., 2004; Tedemann, Klemmedson, 2004; Krämer,2005; Barsegyan, 2006; Conesa et al., 2007; Dong et al., 2007; Kononov et al., 2007; Matinyanet al., 2007; Mendez et al., 2007; Tsimakuridze et al., 2008; Pugacheva et al., 2008; Jandieri etal., 2009; Jishkariani et al., 2010; Pugin, Yushkov, 2010; Sakhvadze et al., 2010; Krikunov et al.,2011; Jishkariani et al., 2012).1.3 Использование шламовых отходов в сельском хозяйствеТехнологии утилизации шламов, образующихся в различных процессах очисткиводы от загрязнений, интенсивно развивались в 60–80 годах в Европе и США.

Внастоящее время существуют отработанные стандарты их использования в этих странах.Основным источником шламовых продуктов, как в Европе, так и в США являютсясистемы очистки сточных вод, в первую очередь муниципальных (sewage sludge).Основные объемы шламов используются в сельскохозяйственном производстве – до 40 %в Европе и до 80 % в США. Использование шламов в ЕС регулируется Sewage SludgeDirective 86/278/EEC (Council Directive…1986).

Доля использования шламов в сельскомхозяйстве в Европе показана на рисунке 4.Рисунок 4 – Диаграмма, отражающая использование шламов в странах ЕС(Sklenаrova et al., 2009)18В частности, в Германии в сельском хозяйстве используется около 25 % изпроизводимых 2 млн. тонн шламов в год (рис. 5), всего в 27–ми странах ЕС в сельскомхозяйстве используется около 4 млн. тонн шламов в год.Рисунок 5 – Диаграмма использования шламов в Германии в 2003 году (LeBlanc etal., 2008)В РФ в настоящее время отсутствует статистическая информация о реальныхобъемах использования осадков сточных вод в сельском хозяйстве.

По имеющимсясведениям, привлекательность этих удобрений в последнее время резко возросла, чтосвязано как с падением уровня плодородия дерново–подзолистых почв нечерноземнойзоны, так и с высокой стоимостью минеральных и отсутствием в ряде хозяйстваорганических удобрений (Андронова, 2002).ИспользованиеосадковсточныхводвкачествеудобренийвРоссиирегламентируется (ГОСТ Р 17.4.3.07–2001).Существуютпримерыиспользованияшламовыхотходовводоочисткитеплоэлектростанций в качестве химического мелиоранта.

Показано, чтошламводоочистки ТЭС эффективно на уровне традиционного химического мелиоранта известиизменяет реакцию почвенного раствора (рН) и на кислых почвах может бытьрекомендован как альтернативный кальцийсодержащий химический мелиорант. Крометого почвы после применения шламовых отходов водоочистки ТЭС в качествехимического мелиоранта с учетом норм дозирования при известковании не проявляют19фитотоксического действия по показателям роста проростков тестовой культуры приисследовании методом биотестирования (Пасенко, 2013).Шламы доменного производства, в отличие от муниципальных шламов, содержатбольше железа, меньше полезного для растений азота (до 2 %), но зато не содержатпатогенных микроорганизмов.

На данный момент нельзя привести примеры по широкомуиспользованию доменных шламов в сельском хозяйстве, однако в зарубежных источникахвстречаются примеры использования металлосодержащих отходов, в частности, такназываемого «красного шлама» в биотехнологиях (Karimi et al., 2014) . Описываютсяпозитивные эффекты, оказываемые металлами и их соединениями, особенно в формевысокодисперсных частиц, на растения. Например, показаны ускоренные прорастание ирост сои под действием смеси высокодисперсных частиц диоксида титана при низкихконцентрациях, при этом наблюдались увеличение активности нитраторедуктазы,увеличение способности поглощать воду и удобрения, стимуляция антиоксидантойсистемы (Lu et al., 2002).

Добавка от 2,5 до 40 г/кг почвы субмикронных оксида титана(nTiO2) усилило рост шпината, вероятно защищая хлоропласты от старения во времядолгого освещения (Hong et al., 2005).В то же время, многими авторами (Горбачев, 2001; Еськов, Чурилов,2011)отмечается повышенная склонность растений к накоплению тяжелых металлов (Pb, Cu,Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg), в первую очередь в корневой зоне. При этом немаловажнуюроль в действии тяжелых металлов на клетки растений играют их высокая токсичностьдля живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность кбиоаккумуляции и биомагнификации.

Накопление тяжелых металлов является проблемойпервостепенной важности при решении экологических задач (Nagajyoti et al., 2010; Ali etal, 2013). Тяжелые металлы принадлежат группе стойких неорганических химическихкомпонентов с атомной массой свыше 20 и плотностью выше, чем 5 г · см–3, которыеоказывают цитотоксическое, генотоксическое и мутагенное действие на живые организмы(Flora et al., 2008; Cirlaková, 2009; Rascio, Navari–Izzo, 2011; Wuana, Okieimen, 2011).Металлы, накапливающиеся в почвах, можно разделить на две группы: значимые –микроэлементы, необходимые для нормального роста и развития растений (Fe, Mn, Zn,Cu, Mg, Mo, и Ni) и не значимые – элементы с неопределенными биологической ифизиологической функциями (Cd, Sb , Cr, Pb, As, Co, Ag, Se, и Hg) (Schützendübel, Polle,2002; Rascio, Navari–Izzo, 2011; Tangahu et al., 2011; Zhou et al., 2014).Высокодисперсный шлам доменного производства имеет в составе ряд металлов изпервой группы, среди которых можно выделить марганец, медь, цинк, молибден, никель и20др., что делает перспективным его использование в качестве источника эссенциальныхэлементов.1.4 Роль микроэлементов для растенийМикроэлементы играют ключевую роль в структуре ферментов и белков, онитребуются растениям в ничтожных концентрациях.

Однако концентрации и значимых и незначимых металлов являются важным фактором в процессе развития растений, т.е. ихприсутствие в избытке может привести к ингибированию роста растений (Zengin,Munzuroglu,нормальному2005).Тяжелыеметаллыфункционированиюврастенийвысокихиконцентрацияхявляютсяпричинойпрепятствуютнарушенияметаболических процессов, в частности приводят к разрушению структуры белка, котороевозникает при образовании связей между тяжелыми металлами и сульфгидрильнымигруппами (Hall, 2002).