Biološko uklanjanje teških metala i radionuklida. Teški metali su najopasniji elementi koji mogu zagaditi tlo Čišćenje tla od teških metala.
UDC 546.621.631
SORPCIJSKO PROČIŠĆAVANJE TLA OD TEŠKIH METALA1
A.I. Vezentsev, M.A. Trubicyn,
L.F. Goldovskaya-Peristaya, N.A. Volovicheva
Belgorodski Državno sveučilište, 308015, Belgorod, ul. Pobjeda, 85
Prikazani su rezultati istraživanja sposobnosti glina u regiji Belgorod da apsorbiraju ione Pb (II) i Cu (II) iz vodenih i puferskih ekstrakata tla. Tijekom pokusa utvrđen je optimalan omjer glina:tlo pri kojem je uklanjanje teških metala iz tla najučinkovitije.
Ključne riječi: glineni sorbenti, tlo, sorpcijska aktivnost, montmorilonit, teški metali.
Industrijska uporaba teških metala vrlo je raznolika i raširena. Zbog toga se fitotoksičnost i štetno nakupljanje u tlu obično uočava u blizini poduzeća. Teški metali nakupljaju se u gornjim humusnim horizontima tla i polako se uklanjaju ispiranjem, konzumiranjem biljaka i erozijom. Humus i alkalni uvjeti tla pospješuju apsorpciju teških metala. Toksičnost teških metala kao što su bakar, olovo, cink, kadmij itd. za poljoprivredne usjeve u prirodni uvjeti izražava se u smanjenju prinosa gospodarskih usjeva na poljima.
Postoji nekoliko metoda za sanaciju tla onečišćenog teškim metalima i drugim zagađivačima:
Uklanjanje kontaminiranog sloja i njegovo zakopavanje;
Inaktivacija ili smanjenje toksičnog učinka zagađivača korištenjem smola za ionsku izmjenu, organskih tvari koje tvore kelatne spojeve;
Vapčenje, primjena organskih gnojiva koja apsorbiraju zagađivače i smanjuju njihov ulazak u biljke.
Primjena mineralna gnojiva(na primjer, fosfat, smanjuje toksične učinke olova, bakra, cinka, kadmija);
Uzgoj usjeva koji su otporni na onečišćenje.
Trenutno se u svjetskoj praksi za ekološko oplemenjivanje plodnih tala sve više koriste mineralni alumosilikatni adsorbenti: razne gline, zeoliti, stijene koje sadrže zeolit i dr., koji se odlikuju visokom sposobnošću upijanja, otpornošću na utjecaje okoline i mogu poslužiti kao izvrsni nosači za fiksiranje na površini raznih spojeva tijekom njihove modifikacije.
Materijali i metode istraživanja
ovaj posao je nastavak prethodno provedenih istraživanja glina iz Gubkinskog okruga Belgorodske regije, kao potencijalnih sorbenata za pročišćavanje plodnih tla od teških metala.
1 Rad je potpomognut grantom Ruske zaklade za temeljna istraživanja, projekt br. 06-03-96318.
U ovom radu, kao sorbenti korištene su gline kijevske formacije Sergijevskog ležišta Gubkinskog regiona, različite u materijalnom sastavu i svojstvima: K-7-05 (srednji sloj) i K-7-05 SW (donji sloj). . Kao objekti za čišćenje korišteni su uzorci tla K-8-05 i br. 129, odabrani na području industrijske regije Gubkinsko-Starooskolsky. Preliminarne studije pokazale su da gline nalazišta Sergievskoye dobro apsorbiraju ione bakra i olova iz modelnih vodenih otopina. Stoga su daljnja istraživanja provedena s vodom i puferskim ekstraktima iz tla.
Vodeni ekstrakt pripremljen je prema standardnim metodama. Suština metode je ekstrakcija vodotopivih soli iz tla destiliranom vodom u omjeru tlo-voda 1:5. Koncentracija metalnih iona određena je fotokolorimetrijskom metodom na uređaju KFK-3-01 odgovarajućim metodama za svaki metal.
Ekstrakt pufera iz tla pripremljen je prema standardnoj metodi Središnjeg zavoda za agrokemiju Poljoprivreda(TsINAO) koristeći pufersku otopinu amonijevog acetata s pH 4,8. Ovaj ekstraktant usvojila je agrokemijska služba za ekstrakciju mikroelemenata dostupnih biljkama. Početna koncentracija pokretnih oblika bakra i olova dostupnih biljkama u puferskom ekstraktu određena je atomskom apsorpcijskom spektrometrijom.
Sorpcija iona bakra i olova provedena je na konstantnoj temperaturi (20 °C), u statičkim uvjetima tijekom 90 minuta. Omjer sorbens:sorbat bio je: 1:250; 1:50; 1:25; 1:8 i 1:5.
Rasprava o rezultatima
Ispitivanje vodenog ekstrakta, koji je pripreman 4 sata, pokazalo je da je koncentracija u vodi topivih spojeva bakra beznačajna i iznosi 0,0625 mg/kg (u smislu Cu2 iona). Nisu otkriveni spojevi olova topljivi u vodi.
Početna koncentracija iona teških metala u puferskim ekstraktima iz tala bila je: za tlo K-8-05: Cu2+ 2,20 mg/kg, Pb2+ 1,20 mg/kg; za tlo br. 129: Cu2+ 4,20 mg/kg, Pb2+ 8,30 mg/kg.
Rezultati određivanja stupnja pročišćenosti tla K-8-05 glinama K-7-05 (srednji sloj) i K-7-05 SW (donji sloj) prikazani su u tablici 1.
stol 1
Stupanj pročišćavanja puferskog ekstrakta iz tla K-8-05, masa, %
Sorbent: omjer sorbata Glina K-7-05 (srednji sloj) Glina K-7-05 SW (donji sloj)
Cu2+ Pb2+ Cu2+ Pb2+
1: 250 45,5 33,3 54,5 33,3
1: 50 70,5 45,8 68,2 58,3
1: 25 72,3 58,3 79,5 58,3
1: 8 86,4 75,0 87,3 83,3
1: 5 95,5 83,3 95,5 83,3
Rezultati prikazani u tablici 1. pokazuju da se s povećanjem omjera sorbent:sorbat s 1:250 na 1:5 stupanj pročišćavanja puferskog ekstrakta od iona bakra glinom K-7-05 povećava s 45,5 na 95,5 %. , a od iona olova - od 33,3 do 83,3%.
Stupanj pročišćavanja puferskog ekstrakta s glinom K-7-05 YuZ s istim povećanjem omjera porastao je s 54,5 na 95,5% (za Cu2+) i s 33,3 na 83,3% (za Pb2+).
Za vašu informaciju, početna koncentracija iona bakra bila je veća od koncentracije iona olova. Posljedično, pročišćavanje puferskog ekstrakta od iona bakra s ovim glinama je učinkovitije nego od iona olova.
tablica 2
Stupanj pročišćavanja puferskog ekstrakta iz tla br. 129 s glinom K-7-05 (srednji sloj), tež. %
Sorbens: omjer Cu2+ sorbata
1: 250 39,3 66,7
Napomena: pokus nije rađen s glinom K-7-05 SW zbog nedostatka dovoljne količine uzorka.
Rezultati prikazani u tablici 2. pokazuju da se stupanj pročišćavanja puferskog ekstrakta iz tla br. 129 glinom K-7-05 s povećanjem omjera sorbent:sorbat s 1:250 na 1:5 povećava s 39,3 na 93,0. % (za ione bakra) i od 66,7 do 94,0 % (za ione olova).
Treba napomenuti da je u ovom tlu početna koncentracija iona bakra bila niža od koncentracije iona olova. Stoga možemo pretpostaviti da učinkovitost pročišćavanja od iona bakra ovog tla nije lošija od one tla K-8-05.
Kako bismo razjasnili mehanizam sorpcije teških metala, procijenili smo sastav i stanje ionsko-izmjenjivačkog kompleksa glinastih stijena u regiji Belgorod. Utvrđeno je da kapacitet kationske izmjene ispitivanih uzoraka varira od 47,62 do 74,51 meq/100 g gline.
Provedeno je opsežno istraživanje kiselo-baznih svojstava glina. Određivanjem aktivne kiselosti potvrđeno je da su sve gline alkalne prirode. Istodobno, pH solnog ekstrakta tih istih uzoraka je u rasponu od 7,2-7,7, što ukazuje da ove gline imaju određenu količinu izmjenjive kiseline. Kvantitativno ova vrijednost iznosi 0,13-0,22 mmol-eq/100 g gline i posljedica je neznatnog sadržaja dovoljno mobilnih izmjenjivih protona. Količina izmjenjivih baza varira u prilično širokom rasponu od 19,6 - 58,6 mmol-eq/100 g gline. Uzimajući u obzir dobivene podatke, formulirana je hipoteza da je sorpcijski kapacitet ispitivanih uzoraka gline za teške metale u velikoj mjeri određen procesima ionske izmjene.
Iz obavljenog rada mogu se izvući sljedeći zaključci.
S povećanjem omjera sorbent: sorbat s 1: 250 na 1: 5, povećava se stupanj pročišćavanja tla: s 40 na 95% (za ione bakra) i s 33 na 94% (za ione olova) kada se koristi glina iz nalazište Sergievskoe (K-7-05) kao sorbent.
Proučavane gline su učinkovitiji sorbens u odnosu na ione bakra nego u odnosu na ione olova.
Utvrđeno je da je optimalan omjer glina:tlo 1:5. Uz ovaj omjer, stupanj pročišćavanja tla je:
Za ione bakra oko 95% (tež.)
Za ione olova oko 83,% (tež.)
Bibliografija
1. Bingham F.T., Costa M., Eichenberger E. Neka pitanja toksičnosti metalnih iona. - M.: Mir, 1993. - 368 str.
2. Galiulin R.V., Galiulina R.A. Fitoekstrakcija teških metala iz kontaminiranih tala // Agrokemija 2003. - br. - Str. 77 - 85.
3. Alekseev Yu.V., Lepkovich I.P. Kadmij i cink u biljkama livadskih fitocenoza // Agrokemija - 2003. - br. 9. - str. 66 - 69.
4. Dayan U., Manusov N., Manusov E., Figovsky O. O nedostatku međuovisnosti između abiotskih i antropoejskih čimbenika // Međunarodni znanstveni časopis za alternativnu energiju i ekologiju ISJAEE, 2006.-br. 3(35). - Str. 34 - 40.
5. Vezentsev A.I., Goldovskaya L.F., Sidnina N.A., Dobrodomova E.V. Zelentsova E.S. Određivanje kinetičkih ovisnosti sorpcije iona bakra i olova stijenama Belgorodske regije // Znanstveni glasnici BelSU. Serija Prirodne znanosti 2006. - br. 3 (30), broj 2. - Str.85-88
6. Goldovskaya-Peristaya L.F., Vezentsev A.I., Sidnina N.A., Zelentsova E.S. Studija bruto sadržaja i sadržaja mobilnih oblika kadmija u tlima industrijske regije Gubkinsky-Starooskolsky // Znanstveni bilteni BelSU. Serija "Prirodne znanosti" 2006. - br. 3(23), broj 4. - Str.65-68.
7. Smjernice o određivanju teških metala u tlima poljoprivrednih površina i usjevima - M.: TsINAO, 1992.-61.
8. Državna kontrola kakvoće vode. - M.: IPK. Izdavačka kuća za standarde, 2001. - 690 str.
SORPCIJSKO PROČIŠĆAVANJE TLA OD TEŠKIH METALA A.I. Vesentsev, M.A. Troubitsin, L.F. Goldovskaya-Peristaya, N.A. Volovicheva
Belgorodsko državno sveučilište, 85 Pobeda Str., Belgorod, 308015 vesentsev@bsu. edu. ru
Prikazani su rezultati istraživanja sposobnosti glina Belgorodske regije da apsorbiraju ione Pb (II) i Cu (II) iz vodenih i puferskih ekstrakata tla. Tijekom pokusa utvrđen je optimalan omjer glina:zemlja s najučinkovitijim pročišćavanjem od teških metala.
Ključne riječi: glineni sorbenti, tlo, sorpcijska aktivnost, montmorilonit, teški metali.
Kada su tla i vegetacija kontaminirani teškim metalima, koriste se sljedeće tehnike::
1) Ograničenje ulaska teških metala u tlo. Pri planiranju korištenja gnojiva, melioranata, pesticida i kanalizacijskog mulja potrebno je voditi računa o sadržaju teških metala u njima i puferskom kapacitetu korištenog tla. Ograničenja doze zbog ekoloških zahtjeva su nužan uvjet ozelenjavanje poljoprivrede.
Unos teških metala u biljke može se smanjiti promjenom režima ishrane, stvaranjem konkurencije za ulazak toksikanata i kationa gnojiva u korijenje te taloženjem teških metala u korijenu u obliku teško topljivih sedimenata.
2) Uklanjanje teških metala izvan sloja korijena postiže se sljedećim metodama:
Uklanjanje kontaminiranog sloja tla;
Zatrpavanje zagađenog sloja čistom zemljom;
Uzgoj usjeva koji apsorbiraju HM i uklanjanje njihove biljne tvari s polja;
Ispiranjem tla vodom i u vodi topivim (obično organskim) spojevima koji s teškim metalima tvore u vodi topive kompleksne spojeve, proizvodi iz poljoprivrednog otpada koriste se kao organski ligandi;
Ispiranje tla otopinom za ispiranje HM iz gornjih horizonata do dubine od 70-100 cm i njihovo taloženje na toj dubini u obliku slabo topljivih sedimenata (zbog naknadnog ispiranja tla reagensima koji sadrže anione koji tvore sedimente). s teškim metalima).
3) Vezanje teških metala u tlu u spojeve niske disocijacije. Smanjenje ulaska teških metala u biljke može se postići njihovim taloženjem u tlu u obliku sedimenata karbonata, fosfata, sulfida i hidroksida; uz stvaranje niskodisocijacijskih kompleksnih spojeva velike molekulske mase. Na najbolji način Metoda koja omogućuje značajno smanjenje sadržaja teških metala u biljkama je kombinirana primjena stajnjaka i vapna. Najučinkovitije mjere koje vode do smanjenje pokretljivosti olova u tlima je glinjenje (primjena zeolita) i zajednička primjena vapna i organskih gnojiva. Primjena cjelovitog kompleksa kemijskih melioranata (organska i mineralna gnojiva, vapno i organska tvar) smanjuje sadržaj polivalentnih metala u tlu za 10-20%.
4) Adaptivni sustavi krajobrazne poljoprivrede kao faktor optimizacije ekološka situacija kada su tla onečišćena teškim metalima.
Različite vrste a sorte usjeva nakupljaju nejednake količine HM u biljnim proizvodima. To je zbog selektivnosti korijenskog sustava pojedinih biljaka prema njima i osobitosti njihovih metaboličkih procesa. HM se u većoj mjeri nakupljaju u korijenu, a manje u vegetativnoj masi i generativnim organima. Istodobno, određene skupine usjeva selektivno akumuliraju određene otrovne tvari. Odabir usjeva za uzgoj na tlima određenog stupnja i prirode onečišćenja najjednostavniji je, najjeftiniji i najpovoljniji. učinkovit način optimizacija korištenja kontaminiranih tala.
Fitoremedijacija
Mikroorganizmi nisu u stanju ukloniti teške metale štetne po ljudsko zdravlje (arsen, kadmij, bakar, živa, selen, olovo, kao ni radioaktivne izotope stroncija, cezija, urana i druge radionuklide iz tla i vode. Biljke mogu ekstrahirati iz okolišu i koncentriraju se u svojim tkivima, različiti elementi ne čine biljnu masu. poseban rad prikupiti i spaliti, a dobiveni pepeo ili zakopati ili koristiti kao sekundarnu sirovinu.
Metoda čišćenja okoliša pomoću biljaka nazvana je fitoremedijacija– od grčkog “phyton” (biljka) i latinskog “remedium” (obnoviti).
Fitoremedijacija- skup metoda za pročišćavanje vode, tla i atmosferskog zraka korištenjem zelenih biljaka.
Priča
Prve jednostavne metode pročišćavanja otpadnih voda - polja za navodnjavanje i polja za filtriranje - temeljile su se na korištenju biljaka.
Prva znanstvena istraživanja provedena su 50-ih godina prošlog stoljeća u Izraelu, ali aktivni razvoj tehnike dogodio se tek 80-ih godina 20. stoljeća.
Biljka utječe na okoliš različiti putevi, glavne:
rizofiltracija - korijenje apsorbiraju vodu i kemijske elemente potrebne za život biljaka;
fitoekstrakcija - nakupljanje opasnih kontaminanata u tijelu biljke (npr. teški metali);
· fitovolatilizacija - isparavanje vode i hlapivih kemijskih elemenata (As, Se) lišćem biljke;
fitotransformacija:
1. fitostabilizacija - prijenos kemijskih spojeva u manje pokretljiv i aktivan oblik (smanjuje opasnost od širenja onečišćenja);
2. fitodegradacija - razgradnja organskog dijela onečišćenja od strane biljaka i simbiotskih mikroorganizama;
· fitostimulacija - poticanje razvoja simbiotskih mikroorganizama koji sudjeluju u procesu čišćenja. Mikroorganizmi imaju glavnu ulogu u razgradnji kontaminanata. Biljka je vrsta biofiltera, stvarajući im stanište (omogućujući pristup kisiku, labavljenje tla. U tom smislu, proces čišćenja se također odvija izvan vegetacijske sezone (u ne-ljetnom razdoblju) s blago smanjenom aktivnošću.
Primjena novih metoda čišćenja urbanog tla od teških metala
U I. Savich, doktor poljoprivrednih znanosti, profesor, S.L. Belopukhov, doktor poljoprivrednih znanosti, profesor, D.N. Nikitochkin, kandidat poljoprivrednih znanosti, Rusko državno agrarno sveučilište - Moskovska poljoprivredna akademija nazvana po. K.A. Timirjazev; A.V. Filippova, doktorica biologije, profesorica Orenburškog državnog agrarnog sveučilišta
Onečišćenje urbanog tla smanjuje kvalitetu života stanovništva jer čestice prašine nošene vjetrom ulaze u ljudsko tijelo, što dovodi do zdravstvenih problema. Filtracija onečišćujućih tvari, odnosno njihovo nakupljanje ovisi o svojstvima tla i njegovoj zasićenosti onečišćujućim tvarima. U znanstvenim se krugovima raspravljalo o pitanjima čišćenja urbaniziranih tala, predlagale su se mjere za periodičnu promjenu urbaniziranih tala, primjena mikropreparata koji vežu teške metale itd. Treba napomenuti da svako istraživanje koje može poboljšati kvalitetu urbanih tala ima svoje mjesto.
Biološko pročišćavanje urbanog tla od teških metala ima svoje karakteristike. Čišćenje urbanog tla od teških metala može se provesti uklanjanjem zelenih biljaka iz tla. Istovremeno, za brži razvoj procesa potrebno je odabrati uvjete uzgoja i biljne vrste. Različite biljke imaju različitu otpornost na određene vrste onečišćenja, što je određeno karakteristikama metaboličkih procesa koji se u njima odvijaju. Dakle, prema E.M. Ivanova i sur., uspoređujući otpornost na bakreni sulfat triju trava - kristalke, livadske djeteline i uljane repice - najveću otpornost pokazala je djetelina. Istodobno, toksičnost bakra za biljke uvelike je određena njegovom sposobnošću da se veže na BN skupine proteina i lako mijenja svoje redoks stanje, stvarajući reaktivne vrste kisika i izazivajući stanje oksidativnog stresa.
Svrha i metodologija istraživanja. Prilikom proučavanja mogućnosti fitoremedijacije provedeni su pokusi proučavanja mogućnosti uklanjanja teških metala iz biljaka.
U pokusu br. 1 svrha istraživanja bila je utvrditi utjecaj sastava tla na razvoj biljaka koje se na njemu uzgajaju, uklanjanje pojedinih elemenata (μn, Fe, Mn, Mg) s biljkama te procjenu biljaka koje maksimalno akumuliraju i minimalno nakupljaju različite mikroelemente. Sastojci proučavanih tla bili su kvarcni pijesak, treset, zeolit impregniran otopinom NPK, zemljano-podzolasto tlo (uzeto iz park šume u Moskvi), tlo kontaminirano raznim otrovima (uzeto s ruba ceste). Na tako dobivenim tlima uzgajane su biljke potočarke, rotkve, livadne trave i vlasulje.
crvena za 1-1,5 mjeseci. Zatim su dobivene sadnice analizirane pomoću podataka kemijske analize (sadržaj elemenata mangana, cinka, magnezija, željeza), kao i podataka o duljini stabljike i korijena uzgojenih sadnica (pH vrijednosti proučavanih tla u rasponu od 6,4 do 7,1).
Rezultati istraživanja. Maksimalni razvoj stabljika zabilježen je u varijanti koja sadrži 10 g zeolita, 30 g treseta, 30 g pijeska i 30 g kontaminirane zemlje. Razlikuju se najpovoljnije opcije za formiranje mase, duljine stabljika i korijena. To je očito zbog prisutnosti različitih rastnih tvari u varijantama i zbog formiranja niza fizikalno-kemijskih, vodno-fizikalnih, strukturno-kemijskih svojstava tla pogodnih za različite pojedinačne procese.
Najbolji razvoj biljaka u odnosu na njihovu težinu zabilježen je u varijanti koja sadrži 25 g treseta, 25 g zeolita, 25 g pijeska i 25 g kontaminirane zemlje. Istodobno, na različitim tlima promatra se optimum za razvoj različitih biljaka.
Uklanjanje cinka iz tla uslijed biološke rekultivacije dano je u tablici 1.
Uklanjanje cinka iz tla ovisi o sastavu tla i biljkama koje se uzgajaju. Usjev s većom vegetativnom masom imao je veći prinos. Očito je da će hranjenje biljaka hranjivim tvarima povećati uklanjanje teških metala iz biljaka. Istodobno, vlasulja i modra trava pokazuju najveće uklanjanje mg cinka po biljci. Uklanjanje cinka u tlima s dodatkom treseta iznosilo je 46,5 + 13,4 mg/posudi, au tlima bez treseta - 38,4 + 14,0.
Maksimalno uklanjanje cinka iz kontaminiranih tala (mg/posudi) izvršeno je rotkvicama, minimalno - salatom (Tablica 2).
1. Uklanjanje cinka iz tla po pojedinim usjevima (n = 8)
Kultura Uklanjanje cinka
mg/posuda 100 mg/g biljka 100
Potočarka 16,5±4,7 50,0
Rotkvica 109,2±28,7 67,0
Plava trava 22,3±5,6 82,6
vlasulja 32,6±8,5 90,5
2. Uklanjanje cinka iz biljaka, mg/posudi 102
Opcija Biljke
salatna rotkva plava trava vlasulja
zeolit > 10% (opcija 1) 7,7±6,4 75,5±3,7 18,9±2,2 42,3±26,9
zeolit< 10% (вариант 2 и 4) 15,4±6,5 112,8±39,9 20,9±6,8 22,0±4,7
Unošenje zeolita u tlo za više od 10% (25%) u usporedbi s primjenom 10% zeolita dovelo je do vezanja cinka u tlu i manjeg uklanjanja cinka biljkama salate i rotkvice (mg/posudi) (za plave trave i vlasulja razlike nisu značajne).
U pokusu br. 2 proučavano je uklanjanje olova, kadmija, željeza i cinka iz tla klijancima grahorice i zobi. Predmet istraživanja bila su kontaminirana tla. Da bi se povećala pokretljivost teških metala u tlu, uzorci su napunjeni s 0,001 m EDTA do 60% PV, zatim su na njima uzgajane sadnice 10 dana. Na kraju perioda uzgoja, teški metali ekstrahirani su iz klijanaca s 0,1 N HCl i potom određeni pomoću atomskog apsorpcijskog spektrofotometra. Prema dobivenim podacima, uklanjanje teških metala iz tla od strane biljaka bilo je različito za tlo različite razine zagađenja, što se može vidjeti iz tablice 3.
3. Uklanjanje teških metala putem biljaka
Stupanj onečišćenja Uklanjanje, mg/100 g
Slab Povećana 0,85±0,38 1,95±0,55 2,9±0,81 6,7±2,8 6,1±1,9 21,4±5,4 74±±63
4. Uklanjanje teških metala iz tla presadnicama grahorice i zobi (mg/100 g biljke)
Sadnice Pb Cd Fe Zn
Vika 1,0±0,4 7,1±2,5 8,5±3,1 2,9±1,0
Zob 0,7±0,2 3,0±1,0 11,4±3,8 2,1±0,6
Grahorica i zob razlikovale su se po sposobnosti izvlačenja teških metala iz tla.
Sudeći prema dobivenim podacima, grahorica je iz tla više uklonila olova, kadmija i cinka, a zob više željeza.
Niz eksperimenata pokazao je da se pročišćavanje urbanog tla od mobilnih oblika teških metala može provesti ne samo upotrebom sorbenata, taloženjem teških metala u obliku teško topljivih sedimenata, uz primjenu elektroreklamacije tla, a vrlo uspješno i uz pomoć fitoobjekata. Očito je da uklanjanje teških metala iz tla od strane biljaka (ili mikroorganizama, gljiva) ovisi o stupnju pokretljivosti toksikanata u tlu i povećava se kada se stvore uvjeti za intenzivan razvoj biljaka. Budući da različite biljke mogu izdržati i određenu prirodu i stupanj onečišćenja, tada za biološki tretman treba odabrati urbana tla iz specifičnih metala i selektivne uvjete za njihovu ekstrakciju (uključujući promjenjive fizička i kemijska svojstva tla i izbor meliorantnih kultura).
U jednom od pokusa proučavan je razvoj sadnica na uzorcima tla uzetim u raznim područjima Moskve. U uzorcima je određena pH vrijednost vodene suspenzije; Procijenjena je duljina korijena i stabljike sadnica te njihova težina. Uzgoj biljaka na
optimalna vlažnost trajala je 10 dana. Dobiveni podaci prikazani su u tablici 5.
5. Razvoj sadnica na parkovnim tlima i jako onečišćenim područjima
Regija Massa Korijeni Stabljike
MKAD, t. 1, 8 1,7 ± 1,2 7,3 ± 1,5
Kao što se može vidjeti iz predstavljenih podataka, na jako zagađenim tlima u blizini Moskovske obilaznice biljke su se razvijale mnogo gore nego u gradskim parkovima.
S teorijskog stajališta, dodavanje hranjive otopine u tlo trebalo bi poboljšati razvoj biljaka, a dodavanje olova u tlo, naprotiv, pogoršati njihov razvoj. U pokusu je prema varijantama dodana hranjiva otopina i Pb(CH3COO)2.
Dodatak olova u kontaminirana tla doveo je do potpune inhibicije biljaka, au tlu javnih vrtova smanjio je njihovu težinu i skratio duljinu korijena i stabljike. Istodobno, dodavanje hranjive otopine u tlo poboljšalo je razvoj biljaka na kontaminiranim tlima i gotovo da nije promijenilo razvoj na tlima javnih vrtova.
U sljedećem pokusu ispitan je utjecaj na sadržaj teških metala u tlu grahorice, ljuljke i bijele gorušice. Unatoč činjenici da su biljke apsorbirale određenu količinu teških metala iz tla, sadržaj njihovih mobilnih oblika u tlu nije se smanjio zbog oslobađanja kompleksona od strane biljaka kroz korijenski sustav i utjecaja produkata razgradnje organskih ostataka na pokretljivost teških metala.
Teoretski, dodavanjem KNO3 u tlo (prilikom zalijevanja tla) trebao bi se poboljšati razvoj biljaka, a time i njihovo uklanjanje teških metala iz tla. Međutim, to će također povećati ionsku jakost otopine i, posljedično, topljivost taloga. Povećat će se i utjecaj biljaka na topljivost sedimenata u tlu. U vezi s navedenim, bruto sadržaj teških metala u tlima tijekom takve biološke rekultivacije trebao bi se smanjiti, a sadržaj pokretnih oblika bi se mogao povećati. Slični procesi se događaju kada se tla navodnjavaju EDTA (kompleksonom za polivalentne metale). Međutim, ovaj reagens nije izvor ishrane biljaka, te je njegov učinak na topljivost sedimenata veći od KNO3, a manji na razvoj biljaka. Razmotreni teorijski obrasci ilustrirani su podacima u tablici 6.
Dakle, moguće je razne načine uklanjanje mobilnih oblika teških metala iz površinskog sloja tla, čiji je prioritet korištenja određen specifičnim zemljišnim, litološkim, hidrološkim prilikama i gospodarskim prilikama. U Dodatku
6. Utjecaj dodavanja KIO, EDTA u tlo i biljke u uzgoju na sadržaj mobilnih oblika teških metala u tlu (n=10-30)
Mogućnosti C<1 Си Ми
Yugo grahorica3 EDTA Raževa trava Bijela gorušica KZh)3 + grahorica + ljulj + gorušica EDTA + grahorica + ljulj + gorušica 1,10±0,21 0,95±0,10 0,81±0D0 0,78±0D9 1,20±0,18 1,08±0,21 0,28±0,13 0,0 0 .51±0.16 0.0 0.0 0,90±0,11 0,55±0,06 3,60 ±0,4 0,79±0,16 1,17±0,53 0,70±0,16 3,90±1D 2,72±0,8 3,60±1,1 1,70±0,5 1 ,10±0,2 323,5±47,5 167,7± 18,3 332,1±38,9 230,7±43,2 237,5±36,5 212,7±35,1 113, 8±42,3 72,4±31,0 373,5±77,2 332,0±67,1 77,9±31,7
Poznatim metodama, s našeg gledišta, preporučljivo je dodati sljedeće:
1) ispiranje teških metala otopinama kompleksona do određene dubine, a zatim njihovo taloženje tamo naknadnim ispiranjem tla otopinama koje sadrže karbonate, fosfate, alkalno okruženje;
2) uklanjanje iz tala zbog fitoremedijacije i apsorpcije teških metala od strane gljiva uz stvaranje uvjeta za njihovu veću bioproduktivnost;
3) regulacija konstanti izmjene u sustavu tlo - korijenje; korijenje - nadzemni dio biljaka zbog režima ishrane;
4) korištenje za fitoremedijaciju biljnih vrsta i sorti s većom sorpcijskom sposobnošću korijena za teške metale;
5) korištenje dugodjelujućih sorbenata za sorpciju teških metala,
uzimanje u obzir konstanti ravnoteže u sustavu tlo - teški metal i sorbent - teški metal;
6) smanjenje ulaska teških metala u biljke kada se u tlo dodaju kompleksirajući spojevi iz poljoprivrednog otpada, tvoreći s metalima stabilne komplekse velike molekulske mase;
7) elektromelioracija tala uz stvaranje uvjeta za povećanje pokretljivosti teških metala;
8) stvaranje geokemijskih barijera u profilu tla koje sprječavaju njihov ulazak u biljke, migraciju u podzemne vode i isparavanje iz tla.
Odabir strategije pri korištenju skupa mjera za poboljšanje stanja urbanih tala, ponekad nazvanih urbanim tlima, moguć je samo provođenjem fizikalnih i kemijskih proračuna i predviđanjem tekućih procesa za određena tla, biljke i okolišne uvjete.
Književnost
1. Kholodova V.P., Volkov K.S., Kuznetsov V.V. Prilagodba biljaka kristalne trave na visoke koncentracije soli bakra i cinka i mogućnost njihove uporabe u fitoremedijacijske svrhe // Plant Physiology. 2005. T. 52. S, 848-858.
2. Ivanova E.M., Volkov K.S., Kholodova V.P., Kuznetsov V.V. Nove perspektivne biljke u fitoremedijaciji područja zagađenih bakrom // Bilten Sveučilišta RUDN. Serija "Agronomija i stočarstvo". 2011. br. 2. str. 28-37.
3. Clemens D. Akumulacija toksičnih metala. Odgovori na izloženost i mehanizmi tolerancije u biljaka, Biochem., 2006, v. 88, str. 1707-1719 (prikaz, stručni).
4. Kramer U. Hiperakumulacija metala u biljkama, Ann. vlč. Plant Biol., 2010, v. 10, str. 517-534 (prikaz, ostalo).
5. Savich V.I., Belopukhov S.JI., Nikitochkin, Filippova A.V. Nove metode čišćenja tla od teških metala / Vijesti Orenburškog državnog agrarnog sveučilišta. 2013. Broj 4. S, 216-218.
Kemijski sastav tla na različitim područjima je heterogen, a raspodjela kemijskih elemenata sadržanih u tlu na cijelom području je neujednačena. Na primjer, budući da su pretežno u raspršenom stanju, teški metali sposobni su formirati lokalne veze, gdje su njihove koncentracije stotine i tisuće puta veće od Clarkeovih razina.
Za normalno funkcioniranje organizma nužan je niz kemijskih elemenata. Njihov nedostatak, višak ili neravnoteža mogu uzrokovati bolesti koje se nazivaju mikroelementoze 1 ili biogeokemijske endemije, koje mogu biti prirodne i uzrokovane čovjekom. U njihovoj distribuciji važnu ulogu ima voda, kao i prehrambeni proizvodi u koje kemijski elementi prehrambenim lancima dospijevaju iz tla.
Eksperimentalno je utvrđeno da na postotak HM u biljkama utječe postotak HM u tlu, atmosferi i vodi (u slučaju algi). Također je uočeno da na tlima s istim sadržajem teških metala isti usjev daje različite prinose, iako su se i klimatski uvjeti podudarali. Tada je otkrivena ovisnost prinosa o kiselosti tla.
Najviše proučavana onečišćenja tla su kadmij, živa, olovo, arsen, bakar, cink i mangan. Razmotrimo onečišćenje tla ovim metalima zasebno za svaki. 2
Kadmij (Cd)
Sadržaj kadmija u zemljinoj kori je približno 0,15 mg/kg. Kadmij je koncentriran u vulkanskim (u količinama od 0,001 do 1,8 mg/kg), metamorfnim (u količinama od 0,04 do 1,0 mg/kg) i sedimentnim stijenama (u količinama od 0,1 do 11,0 mg/kg). Tla nastala na temelju takvih početnih materijala sadrže 0,1-0,3; 0,1 - 1,0 odnosno 3,0 - 11,0 mg/kg kadmija.
U kiselim tlima, kadmij je prisutan u obliku Cd 2+, CdCl +, CdSO 4, au vapnenačkim tlima - u obliku Cd 2+, CdCl +, CdSO 4, CdHCO 3 +.
Apsorpcija kadmija u biljkama značajno se smanjuje kada se kisela tla vapne. U tom slučaju povećanje pH smanjuje topljivost kadmija u vlazi u tlu, kao i bioraspoloživost kadmija u tlu. Tako je sadržaj kadmija u lišću cikle na vapnenastim tlima bio manji od sadržaja kadmija u istim biljkama na nevapnenom tlu. Sličan učinak pokazao se za rižu i pšenicu -->.
Negativan učinak povećanja pH na dostupnost kadmija povezan je sa smanjenjem ne samo topljivosti kadmija u fazi otopine tla, već i aktivnosti korijena, što utječe na apsorpciju.
Kadmij je prilično malo pokretljiv u tlu, a ako se na njegovu površinu doda materijal koji sadrži kadmij, većina ostaje netaknuta.
Metode za uklanjanje kontaminanata iz tla uključuju ili uklanjanje samog kontaminiranog sloja, uklanjanje kadmija iz sloja ili prekrivanje kontaminiranog sloja. Kadmij se može pretvoriti u složene netopljive spojeve dostupnim kelirajućim agensima (npr. etilendiamintetraoctena kiselina). .
Zbog relativno brzog unosa kadmija iz tla u biljke i niske toksičnosti uobičajenih koncentracija, kadmij se može akumulirati u biljkama i ući u hranidbeni lanac brže od olova i cinka. Stoga kadmij predstavlja najveću opasnost za ljudsko zdravlje prilikom unošenja otpada u tlo.
Postupak za smanjivanje količine kadmija koji može ući u ljudski prehrambeni lanac iz kontaminiranog tla je uzgoj neprehrambenih usjeva ili usjeva koji apsorbiraju male količine kadmija u tlu.
Općenito, usjevi uzgojeni na kiselim tlima apsorbiraju više kadmija nego oni uzgojeni na neutralnim ili alkalnim tlima. Stoga je kalcizacija kiselih tala učinkovit pravni lijek smanjujući količinu apsorbiranog kadmija.
Merkur (Hg)
Živa se u prirodi nalazi u obliku metalne pare Hg 0 koja nastaje njezinim isparavanjem iz zemljine kore; u obliku anorganskih soli Hg(I) i Hg(II), te u obliku organskog spoja metilžive CH 3 Hg +, monometil i dimetil derivata CH 3 Hg + i (CH 3) 2 Hg.
Živa se nakuplja u gornjem horizontu (0-40 cm) tla i slabo migrira u njegove dublje slojeve. Živini spojevi su vrlo stabilne tvari u tlu. Biljke koje rastu na tlu zagađenom živom apsorbiraju značajne količine elementa i nakupljaju ga u opasnim koncentracijama ili ne rastu.
Olovo (Pb)
Prema pokusima provedenim u uvjetima pjeskovitog uzgoja s unošenjem u tlo graničnih koncentracija Hg (25 mg/kg) i Pb (25 mg/kg) i prekoračenjem graničnih koncentracija za 2-20 puta, biljke zobi normalno rastu i razvijaju se do određeni stupanj kontaminacije. Kako koncentracija metala raste (za Pb počevši od doze od 100 mg/kg), na izgled bilje. Pri ekstremnim dozama metala, biljke umiru unutar tri tjedna od početka pokusa. Sadržaj metala u komponentama biomase raspoređen je silaznim redoslijedom na sljedeći način: korijenje - nadzemni dio - zrno.
Ukupni unos olova u atmosferu (a time i djelomično u tlo) iz motornog prometa u Rusiji 1996. godine procijenjen je na približno 4,0 tisuća tona, uključujući 2,16 tisuća tona teretnog prometa. Najveće opterećenje olovom dogodilo se u regijama Moskva i Samara, a zatim slijede regije Kaluga, Nižnji Novgorod, Vladimir i drugi sastavni dijelovi Ruske Federacije koji se nalaze u središnjem dijelu europskog teritorija Rusije i Sjeverni Kavkaz. Najveće apsolutne emisije olova zabilježene su u regijama Ural (685 t), Volga (651 t) i Zapadni Sibir (568 t). A najnepovoljniji utjecaj emisija olova zabilježen je u Tatarstanu, Krasnodarskom i Stavropolskom području, Rostovu, Moskvi, Lenjingradu, Nižnjem Novgorodu, Volgogradu, Voronježu, Saratovu i Samarskoj regiji (novine Zeleni svijet, posebno izdanje br. 28, 1997.).
Arsen (As)
Arsen se nalazi u okoliš u različitim kemijski stabilnim oblicima. Njegova dva glavna oksidacijska stanja su As(III) i As(V). Peterovalentni arsen je uobičajen u prirodi u obliku raznih anorganskih spojeva, iako se trovalentni arsen lako otkriva u vodi, posebno u anaerobnim uvjetima.
Bakar(Cu)
Prirodni minerali bakra u tlu uključuju sulfate, fosfate, okside i hidrokside. Bakreni sulfidi mogu nastati u slabo dreniranim ili poplavljenim tlima gdje postoje redukcijski uvjeti. Minerali bakra obično su previše topljivi da bi ostali u slobodno drenirajućim poljoprivrednim tlima. Međutim, u tlima zagađenim metalima, kemijsko okruženje može se kontrolirati neravnotežnim procesima koji dovode do nakupljanja metastabilnih čvrstih faza. Pretpostavlja se da kovelit (CuS) ili kalkopirit (CuFeS 2) također mogu biti prisutni u obnovljenim tlima onečišćenim bakrom.
Količine bakra u tragovima mogu se pojaviti kao izolirane sulfidne inkluzije u silikatima i mogu izomorfno zamijeniti katione u filosilikatima. Glineni minerali neuravnoteženog naboja apsorbiraju bakar nespecifično, ali oksidi i hidroksidi željeza i mangana pokazuju vrlo visok specifični afinitet prema bakru. Organski spojevi visoke molekularne težine mogu biti čvrsti apsorbenti za bakar, dok organske tvari niske molekularne težine teže stvaranju topljivih kompleksa.
Složenost sastava tla ograničava mogućnost kvantitativnog odvajanja bakrenih spojeva u specifične kemijske oblike. ukazuje -->Prisutnost velike mase bakrenih konglomerata nalazi se kako u organskim tvarima tako iu Fe i Mn oksidima. Unošenjem otpada koji sadrži bakar ili anorganskih bakrenih soli povećava se koncentracija bakrenih spojeva u tlu koji se mogu ekstrahirati s relativno blagim reagensima; Dakle, bakar može biti prisutan u tlu u obliku labilnih kemijskih oblika. Ali lako topljivi i zamjenjivi element - bakar - stvara malu količinu oblika koje biljke mogu apsorbirati, obično manje od 5% ukupnog sadržaja bakra u tlu.
Toksičnost bakra raste s povećanjem pH tla i kada je kapacitet kationske izmjene tla nizak. Obogaćivanje bakra ekstrakcijom događa se samo u površinskim slojevima tla, a žitarice s dubokim korijenskim sustavom od toga ne pate.
Okoliš i ishrana biljaka mogu utjecati na fitotoksičnost bakra. Na primjer, toksičnost bakra za nizinsku rižu jasno je uočena kada su biljke zalijevane hladnom umjesto toplom vodom. Činjenica je da je mikrobiološka aktivnost u hladnom tlu potisnuta i stvara one redukcijske uvjete u tlu koji bi pospješili taloženje bakra iz otopine.
Fitotoksičnost bakra javlja se u početku zbog viška dostupnog bakra u tlu i pojačava se kiselošću tla. Budući da je bakar relativno neaktivan u tlu, gotovo sav bakar koji uđe u tlo ostaje u gornjim slojevima. Dodavanje organskih tvari tlima onečišćenim bakrom može smanjiti toksičnost zbog adsorpcije topljivog metala na organski supstrat (u ovom slučaju ioni Cu 2+ se pretvaraju u složene spojeve manje dostupne biljci) ili povećanjem pokretljivosti Cu 2+ iona i njihovo ispiranje iz tla u obliku topljivih organobakrenih kompleksa.
cink (Zn)
Cink može biti prisutan u tlu u obliku oksosulfata, karbonata, fosfata, silikata, oksida i hidroksida. Ovi anorganski spojevi su metastabilni u dobro dreniranom poljoprivrednom zemljištu. Čini se da je sfalerit ZnS termodinamički dominantan oblik i u reduciranim i u oksidiranim tlima. Određena povezanost cinka s fosforom i klorom očita je u smanjenim sedimentima kontaminiranim teškim metalima. Stoga bi se relativno topljive soli cinka trebale naći u tlima bogatim metalima.
Cink je izomorfno zamijenjen drugim kationima u silikatnim mineralima i može se okludirati ili koprecipitirati s hidroksidima mangana i željeza. Filosilikati, karbonati, hidratizirani metalni oksidi i organski spojevi dobro apsorbiraju cink, koristeći i specifična i nespecifična mjesta vezivanja.
Topivost cinka povećava se u kiselim tlima, kao i tijekom stvaranja kompleksa s organskim ligandima niske molekulske mase. Redukcijski uvjeti mogu smanjiti topljivost cinka zbog stvaranja netopljivog ZnS.
Fitotoksičnost cinka obično se javlja kada korijenje biljke dođe u dodir s otopinom u tlu koja sadrži višak cinka. Prijenos cinka kroz tlo odvija se izmjenom i difuzijom, pri čemu je potonji proces dominantan u tlima s niskim sadržajem cinka. Metabolički transport je značajniji u tlima s visokim sadržajem cinka, u kojima su koncentracije topljivog cinka relativno stabilne.
Mobilnost cinka u tlu povećava se u prisutnosti kelirajućih tvari (prirodnih ili sintetskih). Povećanje koncentracije topljivog cinka uzrokovano stvaranjem topljivih kelata kompenzira smanjenje pokretljivosti uzrokovano povećanjem veličine molekule. Koncentracije cinka u biljnom tkivu, ukupni unos i simptomi toksičnosti u pozitivnoj su korelaciji s koncentracijom cinka u otopini koja kupa korijenje biljke.
Slobodni Zn 2+ ion dominantno apsorbira korijenski sustav biljaka, stoga stvaranje topivih kelata pospješuje topljivost ovog metala u tlu, a ova reakcija kompenzira smanjenu dostupnost cinka u kelatnom obliku.
Početni oblik onečišćenja metalom utječe na potencijal toksičnosti cinka: dostupnost cinka biljci u gnojenim tlima s ekvivalentom opći sadržaj ovog metala smanjuje se redom ZnSO 4 >mulj>kompost smeća.
Većina pokusa onečišćenja tla muljem koji sadrži Zn nije pokazala smanjenje prinosa niti njihovu očitu fitotoksičnost; ipak, njihovo dugotrajno upoznavanje sa velika brzina može oštetiti biljke. Jednostavna primjena cinka u obliku ZnSO 4 uzrokuje smanjenje rasta usjeva u kiselim tlima, dok dugotrajna primjena u gotovo neutralnim tlima prolazi nezapaženo.
Cink doseže toksične razine u poljoprivrednim tlima obično iz površinskog cinka; obično ne prodire dublje od 15-30 cm duboko korijenje određenih usjeva može izbjeći kontakt s viškom cinka zbog njihovog položaja u nezagađenom podzemlju.
Kalciranje tala onečišćenih cinkom smanjuje koncentraciju potonjeg u usjevima. Dodaci NaOH ili Ca(OH) 2 smanjuju toksičnost cinka u povrtnim kulturama koje se uzgajaju na tresetnim tlima s visokim sadržajem cinka, iako je u tim tlima unos cinka u biljke vrlo ograničen. Nedostatak željeza uzrokovan cinkom može se ukloniti dodavanjem kelata željeza ili FeSO 4 u tlo ili izravno u lišće. Fizičkim uklanjanjem ili zakopavanjem gornjeg sloja kontaminiranog cinkom mogu se u potpunosti izbjeći toksični učinci metala na biljke.
Mangan
U tlu se mangan nalazi u tri oksidacijska stanja: +2, +3, +4. Uglavnom je ovaj metal povezan s primarnim mineralima ili sa sekundarnim metalnim oksidima. U tlu se ukupna količina mangana kreće od 500 do 900 mg/kg.
Topivost Mn 4+ je izuzetno niska; trovalentni mangan je vrlo nestabilan u tlima. Najveći dio mangana u tlima prisutan je u obliku Mn 2+, dok je u dobro prozračenim tlima najveći dio u čvrstoj fazi prisutan u obliku oksida, u kojem je metal u oksidacijskom stanju IV; u slabo prozračenim tlima, mangan se polako obnavlja pomoću mikrobne okoline i prelazi u otopinu tla te tako postaje vrlo pokretljiv.
Topivost Mn 2+ značajno se povećava pri niskim pH vrijednostima, ali se smanjuje usvajanje mangana u biljkama.
Toksičnost mangana često se javlja tamo gdje su ukupne razine mangana umjerene do visoke, pH tla prilično nizak, a dostupnost kisika u tlu niska (tj. postoje redukcijski uvjeti). Da bi se otklonili učinci ovih uvjeta, potrebno je kalciranjem povećati pH tla, nastojati poboljšati drenažu tla, smanjiti protok vode, tj. općenito poboljšati strukturu danog tla.
