Теоретические и экспериментальные основы применения органических веществ в ремедиации загрязненных тяжелыми металлами почвНИР

Theoretical and experimental bases for application of organic substances in remediation of heavy metals polluted soils

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 9 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. этап 2018 года
Результаты этапа: На основе результатов систематических экспериментальных исследований выявлены основные закономерности деградации морфологических, химических, физических и биологических свойств почв техногенных пустошей под прямым и косвенным воздействием атмосферного промышленного загрязнения. Результаты полевых исследований 2018 года подтвердили выявленные ранее изменения морфологических свойств и классификационной принадлежности почв техногенных пустошей по сравнению с лесными. Типичные для лесных экосистем региона природные иллювиально-гумусовые подзолы на завалуненных моренных отложениях вследствие загрязнения, обеднения элементами питания и органическим веществом трансформируются в иллювиально-железистые (Folic Leptic Albic Podzol) химически загрязнённые подзолы. Сильное загрязнение поверхностного слоя сопровождается формированием хемозёмов (Podzol (Phytotoxic)), загрязненных никелем и медью по подзолу. Утрата растительного покрова и последующее развитие эрозии приводят к разрушению и потере верхних органогенного и подзолистого горизонтов, обнажению иллювиального горизонта BHF/BF и образованию абраземов альфегумусовых (Entic Podzol). Таким образом, в результате деградации верхней части почвы пустошей изменяют свою классификационную принадлежность на подтиповом или даже типовом уровне. Согласно результатам аналитических исследований, подзолы, хемоземы и абраземы техногенных пустошей сильнокислые (pHH2O 4.3-4.5, pHKCl 3.7-4.5). Эти почвы крайне обеднены элементами питания. В большинстве случаев содержание в верхних органогенных горизонтах доступных Ca (20-230 мг/кг), Mg (10-80 мг/кг), K (40-120 мг/кг) и P (следы) существенно ниже фонового уровня (1400-2100, 290-560, 650-1400 и 100-230 мг/кг соответственно). Содержание Mn и Zn не превышает единиц и даже десятых долей мг/кг. Наряду с техногенным загрязнением обеднение элементами питания может быть дополнительным фактором, вызывающим стресс у растений локальной зоны. Показаны особенности восстановления свойств почв и растительности в результате ремедиации техногенных пустошей, проведенной разными методами. Наряду с сокращением атмосферных промышленных выбросов успех восстановления растительности и почвенной микробиоты в конкретных биоклиматических условиях во многом определяется состоянием почв и выбором стратегии и технологии ремедиации. Экологически благоприятная и экономически выгодная хемофитостабилизация дает лишь краткосрочный эффект, нуждающийся в непрерывном поддержании. Более перспективным, но и дорогостоящим способом быстрого восстановления пустошей является нанесение на поверхность загрязненных почв богатого органическим веществом плодородного слоя в сочетании с посадкой лиственных деревьев и посевом многолетних трав. По полученным результатам опубликовано 2 статьи и направлено в печать 3 статьи. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, способствовали завершению и успешной защите М.С. Кадулиным диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук на тему «Эмиссия диоксида углерода почвами в фоновых и подверженных атмосферному загрязнению экосистемах Кольской Субарктики» (18 декабря 2018 г.).
2 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. этап 2019 года
Результаты этапа: В соответствии с общим планом работ исследования 2019 года были направлены на решение значительной части третьей и четвертой задач проекта. В ходе выполнения третьей задачи проекта проведен анализ влияния органических веществ на мобильность, биологическую доступность и токсичность тяжелых металлов в почвах в условиях лабораторных экспериментов. Краткосрочные модельные лабораторные эксперименты включали применение промышленных гуминовых препаратов разных марок для выяснения их влияния на свойства загрязненных почв, поведение тяжелых металлов и состояние тест-культур. Марки гуматов для тестирования были отобраны на основании предварительного анализа их свойств и включали препараты на основе угля и торфа, в частности, торфяной гумат «Флексом» и угольный гумат «Экстра», а также гуматы, инокулированные биологическими препаратами – микоризообразователями. Апробированы также другие коммерческие органические препараты – торфогель “Humic land” и биоуголь “Bio-Sannie”. Эксперименты проведены в контролируемых условиях в климатической камере Binder с режимом освещения, имитирующим полярный день, при температуре и влажности, характерных для летнего сезона в Мончегорском районе. В качестве тестовых использованы монокультуры ‒- щучка дернистая (Deschampsia cespitosa), нативная для Кольского полуострова, и овсяница красная (Festuca rubra), часто применяемая в целях ремедиации. Одновременно оценены микробная биомасса и дыхание почв. Эффективные марки и дозы гуматов, выявленные в лабораторных экспериментах, применены в качестве детоксикантов почв в длительных полевых экспериментах на техногенных пустошах, загрязненных тяжелыми металлами (завершение в 2020 году). Результатом выполнения модельных экспериментов стало углубление знаний об основных процессах, определяющих подвижность и биологическую доступность тяжелых металлов в почвах. Выявлены возможности различных минеральных и органических веществ в ограничении мобильности и биологической доступности тяжелых металлов с помощью процессов адсорбции, ионного обмена и осаждения. В рамках выполнения четвертой задачи проекта в 2019 году продолжен начатый ранее анализ отклика биоты как критерия эффективности ремедиации почв (2019-2020 годы). Эффективность ремедиации загрязненных почв в значительной степени определяется восстановлением их биологической активности и растительного покрова. Исследования 2019 года направлены на анализ элементного состава растений-доминантов древесно-кустарникового и травяно-кустарничкового ярусов. Охарактеризованы условия питания растений, оценено поглощение элементов питания и элементов-загрязнителей растениями и их отношение к накоплению тяжелых металлов в зависимости от способа обработки. Для оценки отклика почвенной биоты детально исследована биологическая активность, в первую очередь микробная биомасса и интенсивность почвенного дыхания in situ, включая вклады микробного и корневого дыхания, в почвах техногенных пустошей до и после ремедиации. Выявлены закономерности и факторы изменений потоков СО2 с поверхности почв, уточнены вклады автотрофного и гетеротрофного дыхания, величины полевого микробного метаболического коэффициента и температурной чувствительности дыхания почв в зависимости от степени загрязнения и метода ремедиации почв. Сделан вывод о возможности использования почвенного дыхания в качестве критерия деградации и эффективности восстановления техногенно нарушенных экосистем. Для выбора наиболее эффективных подходов к восстановлению растительности и почв проведен сравнительный анализ изменений широкого спектра их свойств под воздействием разных методов ремедиации и различных мелиорантов с использованием методов описательной статистики, корреляционного, регрессионного и многомерного статистического анализов. Разрабатывается научно-обоснованное заключение об эффективных способах ремедиации и применения тех или иных мелиорантов в условиях сокращения атмосферных выбросов.
3 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. этап 2020 года
Результаты этапа: В соответствии с целями и задачами проекта основные усилия были направлены на изучение и развитие теоретических и экспериментальных основ использования органических веществ в ремедиации почв, подверженных загрязнению тяжелыми металлами. Главное внимание уделено альфегумусовым почвам Кольской Субарктики, в течение восьмидесяти лет испытывающим воздействие крупнейшего в северной Европе источника атмосферных выбросов диоксида серы и тяжелых металлов – комплекса предприятий Кольской ГМК. Многолетнее воздействие атмосферных выбросов предприятий цветной металлургии привело к формированию вблизи источников загрязнения техногенных пустошей с загрязненными и сильно деградированными почвами. На основании длительного мониторинга оценено современное состояние и динамика свойств почв на постоянных участках мониторинга вблизи Мончегорска (Мурманская область). Участки мониторинга заложены на пустошах и в посадках березы и ивы после ремедиации, выполненной в 2003-2008 годах двумя методами – хемофитостабилизации и перекрытия загрязненных почв искусственно созданным плодородным слоем. Результаты исследований свидетельствуют о продолжающемся подкислении почв и их загрязнении тяжелыми металлами (ТМ). Несмотря на сокращение выбросов, содержание доступных соединений ТМ в верхнем слое почв техногенных пустошей и участков хемофитостабилизации не снижается, а нанесенные сконструированные слои накапливают Ni, Cu, Co, Fe, Cd, Pb и Mn. Обеспеченность почв элементами питания устойчиво улучшается лишь при нанесении плодородного слоя. Согласно результатам многомерного анализа, почвы пустошей и участков ремедиации закономерно распределены и обособлены в пространстве двух первых главных компонент по мере улучшения почвенных свойств в ходе восстановления, а позиции участков хемофитостабилизации отражают неустойчивый характер улучшений. Рекомендации по развитию стратегии и диверсификации методов ремедиации техногенных территорий должны учитывать разные уровни загрязнения и деградации почв в окрестностях предприятий цветной металлургии, необходимость соблюдения технологических требований и проведения поддерживающих мероприятий. Для оценки состояния растений и их реакции на факторы внешней среды исследованы видовой состав и структура фитоценозов, эколого-морфологические (функциональные) признаки и элементный состав листьев широко распространенных и толерантных к загрязнению видов – Betula pubescens и Salix caprea – на участках мониторинга. На техногенных пустошах, примыкающих к промышленной площадке, подрост отсутствует или представлен единичными угнетенными экземплярами березы пушистой или ивы козьей. Ремедиация техногенных пустошей приводит к улучшению жизненного состояния и условий питания растений, степень которого зависит от технологии ремедиации. Участки хемофитостабилизации слабо отличаются от техногенных пустошей по состоянию высаженных деревьев и кустарников. Хотя количество подроста на единицу площади увеличивается на этих участках по сравнению с техногенными пустошами, преобладающая часть высаженных деревьев ивы козьей и березы пушистой относится к категории сильно ослабленных и усыхающих. На участках ремедиации с нанесенным плодородным слоем из высаженных лесных культур сформировались разреженные лиственные молодняки с преобладанием ивы козьей и/или березы пушистой. Количество подроста на единицу площади варьирует от 0.9 до 2.2 тысяч особей на 1 га. Подавляющее большинство высаженных деревьев имеет кустовидную форму. Деревья на участках ремедиации отличаются более высоким уровнем жизненности по сравнению с пустошами и участками хемофитостабилизации. Согласно результатам листовой диагностики, оба вида испытывают заметный дефицит K, P, Ca и особенно Mn и Zn. В листьях обоих видов накапливаются Ni, Cu, Co, Cr, Fe, Al и S, а также Pb, V и As. Листья ивы содержат в среднем в полтора-два раза больше металлов, чем листья березы. Хемофитостабилизация мало влияет, а нанесение сконструированного плодородного слоя приводит к обогащению листьев березы и ивы Ca, K и P, наиболее заметно проявляющемуся с удалением от предприятия. Накопление ТМ в листьях практически не зависит от метода ремедиации, а в значительной степени определяется удаленностью от источника загрязнения, подтверждая вклад атмосферного осаждения. Сокращение выбросов не уменьшило аккумуляцию металлов в листьях в 2018 по сравнению с 2011 годом. Низкие коэффициенты концентрации ТМ и слабая связь их содержания в листьях подроста и почвах свидетельствует о сохранении способности растений к регулированию своего химического состава даже в условиях экстремального загрязнения и деградации почв. Для оценки экологических стратегий растений исследованы эколого-морфологические (функциональные) признаки B. pubescens и S. caprea. В экстремальных условиях техногенных пустошей площадь листа и удельная листовая поверхность (УЛП) B. pubescens снижаются, а S. сaprea изменяются по-разному, что свидетельствует о сложности ответных реакций на действие стрессовых факторов. Ремедиация сопровождается ростом УЛП, зависящим от технологии обработки почв и видовых особенностей подроста. Показана прямая связь УЛП с обеспеченностью почв элементами питания и обратная – с содержанием тяжелых металлов в листьях и в почвах. Поток диоксида углерода из почв в условиях полярного дня и утепляющего эффекта Гольфстрима достигает сравнительно высоких величин в фоновых сосновых кустарничково-лишайниковых (198 г С•м-2•лето-1), берёзовых кустарничково-зеленомошных (456 г С•м-2•лето-1) и еловых кустарничково-зеленомошных (417 г С•м-2•лето-1) лесах Кольской Субарктики. Основная часть СО2 в почвах этих лесов продуцируется за счёт дыхания корней растений (45-70% в среднем за лето). По мере приближения к источнику загрязнения в почвах наблюдается сокращение микробной и растительной биомассы, обеднение органическим веществом и элементами минерального питания, накопление тяжёлых металлов. В результате происходит существенное снижение потока диоксида углерода из почв лесов зоны дефолиации (до 1.5 раз), техногенных редколесий (до 10 раз) и пустошей (до 20 раз). При дефолиации растительности может происходить активизация микробного дыхания в результате поступления в почву дополнительного субстрата для развития микроорганизмов. Сокращение растительной биомассы приводит к закономерному снижению корневого дыхания вплоть до его полного исчезновения на техногенных пустошах. Техногенные пустоши характеризуются заторможенным выделением CO2 из почв (10–30 мг С м–2 ч–1, или 12–26 г С м–2 лето–1). Ремедиация пустошей способствует росту корней растений и микроорганизмов, дыхание которых ускоряет поток СО2 из почв вдвое при хемофитостабилизации и впятеро – при нанесении плодородного слоя; при этом доля корневого дыхания возрастает от 0 до 40–60%. Интенсивность эмиссии СО2 почвами и структура его продуцирования могут использоваться в качестве критериев эффективности ремедиации техногенных пустошей. В контролируемых лабораторных экспериментах исследовано действие органических веществ разного состава и происхождения – угольных гуматов, торфогеля, извести, азофоски, микоризной инфекции и биочара – на свойства почв и тест-культуры при разной степени загрязнения. Эксперимент проведен на почвах разной степени деградации – подзоле иллювиально-железистом химически загрязненном и абраземе альфегумусовом. В качестве тест-культуры была высеяна овсяница красная. Период предварительной инкубации составил 30 дней, длительность эксперимента – 90 дней. При умеренном загрязнении (ниже уровня содержания водорастворимых форм Ni и Cu 5-6 мг/кг почвы) эффективны все вносимые добавки. Торфогель теряет, а угольные гуматы сохраняют свою эффективность с ростом загрязнения. Судя по распределению ТМ между корнями и побегами тест-культуры, можно заключить, что гуматы, известь и биоуголь обладают лучшим протекторным действием по сравнению с торфогелем, особенно в абраземе. Потенциальным преимуществом органических добавок перед неорганическими мелиорантами является улучшение физических свойств почв, что критически важно в условиях водной и ветровой эрозии и жесткого микроклимата. Это качество, в совокупности с возобновлением поступления свежего растительного материала, может способствовать более быстрому восстановлению экосистемных функций почв благодаря корректировке водно-воздушного режима и гумусного состояния. В ходе долговременного полевого эксперимента по ремедиации хемоземы и подзолы контрольных вариантов сохраняют сильную кислотность, бедность элементами питания и высокий уровень загрязнения тяжелыми металлами, свойственные почвам техногенных пустошей. Внесение гуминового препарата приводит к росту рН, обогащению почв пустошей калием и связыванию водорастворимых форм тяжелых металлов. Влияние биоугля на свойства почв менее выражено. Гуматы содействуют приросту фитомассы, обогащению ее калием, снижению доступности никеля, меди, кобальта и ограничению их транспорта из корней в побеги тест культуры. Внесение биоугля дозой 0.5% почти не влияет, а дозой 1% усиливает формирование фитомассы, особенно вдали от комбината. При этом биоуголь слабо ограничивает поглощение тяжелых металлов корнями овсяницы, но активно тормозит их транслокацию из корней в побеги. Устойчивость к тяжелым металлам и их относительное накопление в корнях характеризует овсяницу красную как вид, пригодный для фитостабилизации при совместном использовании с органическими веществами, такими как гуматы калия и биоуголь. Гуминовый препарат «Экстра» может быть рекомендован в качестве детоксиканта и стимулятора роста при ремедиации загрязненных тяжелыми металлами почв техногенных пустошей. Таким образом, степень деградации и эффективность ремедиации почв в значительной степени определяются обеспеченностью органическим веществом и его составом. Интенсивность почвенного дыхания наряду с состоянием растительности может служить диагностическими критериями ‘здоровья’ почв, их деградации и восстановления. Гуминовые вещества могут использоваться в качестве эффективного мелиоранта при ремедиации почв техногенных пустошей, загрязненных тяжелыми металлами. Применение гуминовых препаратов способствует стабилизации тяжелых металлов в почвах и улучшению питания растений, создавая условия для восстановления растительного покрова и последующей секвестрации углерода. Эффективность использования биоугля как сорбента тяжелых металлов при ремедиации техногенных территорий менее очевидна и нуждается в дальнейших исследованиях. По полученным результатам принято в печать 3 статьи.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".