Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Значительная часть почвенного покрова природно-техногенных и техногенных экосистем представлена деградированными почвами и ТПО. Их состав, свойства и экологические функции существенно нарушены по сравнению с естественными почвами. В одной из наших работ [1] дана оценка биологической активности ТПО на примере литостратов и органолитостратов придорожных пространств автомагистралей внегородских территорий, пролегающих в Тюменской области. Фитотестирование этих ТПО показало низкую биологическую активность и их неудовлетворительное экологическое состояние. В исследованных грунтах была выявлена высокая изменчивость интенсивности эмиссии СО2 на разных участках дорог и снижение активности фермента каталазы по сравнению с грунтами внутригородских придорожных территорий. Низкое содержание органического вещества и гумуса, а также кислая и слабокислая среда ТПО обуславливают увеличение подвижности ионов свинца и кадмия.

В настоящей работе исследована возможность повышения биологической активности и оптимизация экологических свойств ТПО путем внесения в них органических материалов.

В качестве источников органического вещества для ТПО нами изучены коро-древесные отходы целлюлозно-бумажного производства.

При подготовке древесины к производству бумаги на целлюлозно-бумажных комбинатах образуются КДО, обладающие IV классом опасности для объектов окружающей среды и размещаемые в больших объемах на короотвалах.

Отходы деревообработки представляют собой древесные остатки, состоящие из фракций разного размера, обладающие различным характером и степенью разложения, которое протекает за счет естественных микробиологических процессов трансформации органических остатков растительного происхождения.

Накопление больших объемов КДО, оказывающих негативное влияние на объекты окружающей среды (грунтовые воды, почвенный покров), требует разработки способов их безопасной утилизации, переработки и рационального использования [2]. Повышение биологической активности ТПО и снижение подвижности токсичных элементов, относящихся к важнейшим факторам устойчивости придорожных экосистем и к их снитарно-гигиеническим функциям, имеет особенно большое значение в решении геоэкологических задач в природоохранных зонах водоемов вблизи автомагистралей.

Цель исследования: изучение влияния КДО на биологическую активность ТПО придорожных пространств вне городских территорий в пределах водоохранных зон. В ходе работы были изучены химические свойства КДО. В модельных экспериментах методом фитотестирования исследовано воздействие КДО на биологическую активность ТПО и подвижность в них ионов кадмия и свинца.

Новизной и практической значимостью работы является исследование возможностей использования органогенных отходов целлюлозно-бумажной промышленности для повышения устойчивости техногенных грунтов в водоохранных зонах, прилегающих к автомагистралям внегородских территорий.

Материалы и методы исследования

Образцы ТПО придорожных пространств были отобраны в июле 2017 г. вблизи (удаление 5 м от края дорожного полотна) автомобильных дорог Тюменской области. Вдоль исследуемых трасс в местах пересечения водоохранных зон малых и средних рек было заложено 7 участков для отбора образцов ТПО. На каждом участке отбирали по пять точечных проб грунта на расстоянии 1 м друг от друга и объединяли в смешанный образец массой по 0,5 кг. Исследуемые грунты относились к группе натурфабрикатов: подгруппы литостратов (участки № 1, 2, 5, 7) и органолитостратов (участки № 3, 4, 6) [3]. Образцы перед хранением высушены до воздушно-сухого состояния, находились на хранении в сухих, темных, прохладных условиях в плотно закрытой таре, что обеспечило стабильность их состава и свойств и репрезентативность исследований в модельных экспериментах.

Образцы КДО отбирали из короотвалов целлюлозно-бумажного производства из слоев с разной глубиной: слой № 1 – 0 – 3,5 м, слой № 2 – 3,5 – 5,5 м, слой № 3 – 5,5 – 9 м, слой № 4 – более 9 м. Для исследований с помощью сита отбирали фракцию КДО размером менее 2 мм.

Исследуемые ТПО и КДО послужили материалами для постановки модельных экспериментов по оценке оптимизации биологической активности и снижению подвижности токсичных элементов

Постановка эксперимента с КДО. В каждый из семи вариантов ТПО (по участкам отбора) вносили дозу КДО из слоя № 3 (глубина 5,5–9,0 м) с оптимальными агрохимическими свойствами, фракция размером менее 2 мм из расчета 5 и 15 % по массе, тщательно перемешивали, увлажняли и выдерживали 1 сутки. В подготовленный грунт высевали семена кресс-салата по 0,5 г в каждый вариант и проводили полив дистиллированной водой. В качестве контроля использовали вермикулит и полив раствором Кнопа.

Анализ химических свойств КДО проводили стандартными методами: содержание общего азота – методом Къельдаля, содержание фосфатов – методом Кирсанова, содержание органического углерода – методом Тюрина. Содержание ионов кальция и магния в водных вытяжках определяли методом пламенной фотометрии.

Оценку биологической активности исследуемых ТПО, КДО и их смесей проводили в соответствии с методикой «Способ оценки биологической активности и токсичности почв и техногенных почвогрунтов» патент № 2620555. В качестве тест-культуры применяли кресс-салат (Lepidium sativum L.), в контрольном варианте проростки выращивали на вермикулите с подкормкой раствором Кнопа. Подвижность ионов свинца и кадмия анализировали в водных вытяжках с помощью ионселективных электродов на иономере «Экотест-120». Подвижность ионов металла выражали отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации соответствующего иона (-lоg[Cd2+]) и (-lоg[Pb2+]).

Анализы проводили в лабораториях физиологии и биохимии растений кафедры физиологии растений и экологии почв ПГНИУ.

Статистическую обработку данных проводили в программе Past 3.16 методами описательной статистики, дисперсионного и корреляционного анализа. Достоверность опыта оценивали по критерию Стьюдента, достоверность различий между вариантами проверяли с помощью показателя наименьшей существенной разности (НСР).

Результаты исследования и их обсуждение

В образцах КДО анализировали актуальную, обменную и гидролитическую кислотность. Уровень кислотности во многом определяет характер микробиологических процессов, влияет на подвижность токсичных металлов, на рост и развитие растений. Исследованные КДО по уровню актуальной кислотности являются сильнокислыми (табл. 1). Данные по обменной кислотности (рНKCl) и гидролитической кислотности (табл. 1) показывают необходимость в известковании КДО для устранения избыточной кислотности и оптимизации физико-химических свойств.

Для оценки состава, качества и степени разложения органогенных субстратов, например торфа или КДО, используется содержание органического углерода, азота и их соотношение. Данные агрохимического анализа КДО приведены в табл. 2.

Содержание органического углерода служит показателем обеспеченности грунта органическим веществом и энергией, необходимыми для функционирования биологической фазы и обеспечивающих устойчивость субстрата к неблагоприятным факторам. Для наиболее плодородных почв и грунтов характерно содержание органики на уровне 40–50 % [4]. В образах исследованных КДО доля органического углерода находилась в пределах от 17,6 до 29,1 %.

Содержание азота показывает степень разложения органических остатков в грунтах и определяет их агрохимическую ценность. Высокое содержание азота было характерно для верхних и средних слоев большинства скважин исследованных короотвалов. В КДО соотношение азота к углероду сильно варьировало в диапазоне от 1:32 до 1:75 в связи с разной долей органического углерода Оптимальным является отношение С:N не более 1:40 [4]. При последующем разложении КДО можно ожидать постепенного повышения содержания общего азота и оптимизации его соотношения с углеродом.

Таблица 1

Показатели кислотности КДО

Таблица 2

Химический состав КДО

Агрохимическую ценность КДО определяет также содержание фосфора, который является одним из важнейших минеральных элементов питания растений. Для почв Нечерноземной полосы оптимальное содержание подвижного фосфора составляет 100–150 мг/кг почвы [4]. В исследованных КДО установлен очень высокий уровень содержания подвижных фосфатов, близкий к оптимальным значениям обеспеченности субстратов фосфором (табл. 2).

Необходимыми для нормального роста и развития растений являются элементы кальций и магний. Кальций регулирует структурное состояние почвогрунтов и играет важную роль в формировании их агрофизических и агрохимических свойств, устраняет негативное влияние избыточной кислотности, токсичных элементов, обеспечивает устойчивость к эрозии. В исследуемых КДО содержание кальция на 25–50 % ниже нормального уровня, который в обеспеченных почвах составляет 420– 750 мг/кг [4], что требует дополнительного внесения кальция (известковая или доломитовая мука) для улучшения химических и физических свойств.

При использовании субстратов короотвала в качестве почвогрунтов наиболее оптимальными являются верхние (0–3,5 м) и средние (3,5–7,5 м) слои. Глубинные слои (более 9 м) могут использоваться для производства компостов и других органических удобрений, т.е. требуют дополнительной переработки.

Фитотестирование исследуемых КДО показало их удовлетворительное состояние по росту (снижение на 26 % относительно контроля) и по биомассе (снижение на 26 % относительно контроля).

В исследуемые ТПО были внесены дозы КДО в размере 5 и 15 % по массе и проведено фитотестирование биологической активности полученных субстратов.

Как видно из табл. 3, наблюдалось достоверное увеличение роста и биомассы тест-культуры (проростки кресс-салата) на ТПО из группы литостратов некоторых участков (№ 1, 2 и 5) после добавления КДО в обеих дозировках. На участке № 7 изменение ростовых показателей вызвано внесением КДО только в размере 15 %. На остальных участках, относящихся к органолитостратам, внесение КДО не приводило к увеличению роста и биомассы тест-культуры. Таким образом, наибольший эффект в плане повышения биологической активности следует ожидать от внесения КДО в грунты обедненные органическим веществом, например абралиты и литостраты.

Низкая доля органического вещества, высокая кислотность, пониженная биологическая активность обуславливают высокую подвижность токсичных металлов и их негативное токсическое действие на экологическое состояние придорожных территорий и вызывают опасность загрязнения прилегающих экосистем [5, 6].

В дополнение к фитотестированию в исследуемых ТПО изучено влияние внесения КДO на поведение токсичных элементов: свинца и кадмия. Подвижность свинца и кадмия выражали отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации ионов в водной вытяжке (-lоg[Pb2+], -lоg[Cd2+]), т.е. увеличение значений логарифма концентрации свидетельствует о снижении содержания водорастворимых форм ионов, т.е. об уменьшении их подвижности и фитотоксичности. При внесении КДО в исследуемые ТПО на всех участках, за исключением № 6 и 7, наблюдалось снижение подвижности ионов свинца.

В то же время подвижность ионов кадмия, обладающих меньшим сродством к органическому веществу по сравнению со свинцом, достоверно не изменилась при внесении КДО в образцы ТПО из всех исследуемых участков (табл. 4). Вероятно, подвижность ионов кадмия в ТПО может быть ограничена внесением известковых материалов на фоне внесения органогенных субстратов, что входит в программу наших дальнейших исследований.

Таблица 3

Ростовые показатели и биомасса тест-культуры на исследованных ТПО до и после внесения КДО

Таблица 4

Подвижность ионов свинца и кадмия в исследованных ТПО до и после внесения КДО

Заключение

Таким образом, установлено, что внесение КДО в техногенные поверхностные образования приводит к повышению их биологической активности и достоверному снижению подвижности свинца на большинстве исследуемых участков придорожных пространств. В ТПО из группы органолитостратов внесение КДО не вызывает эффективного увеличения биологической активности, однако приводит к снижению подвижности ионов свинца.

В качестве практических рекомендаций можно предложить следующее:

– для повышения биологической активности ТПО и снижения подвижности ионов свинца в придорожных пространствах вблизи водоохранных зон оптимальными свойствами обладают срединные слои короотвалов целлюлозно-бумажного производства (глубина 5,5–9,0 м) по сравнению с верхними и более глубокими слоями;

– для внесения необходимо использовать фракции КДО диаметром менее 2 мм в дозах 5 и 15 % (по массе) ТПО придорожных пространств, относящихся к литостратам, т.е. обладающих резким дефицитом органического вещества.

В целом внесение органогенных отходов целлюлозно-бумажной промышленности в минеральные техногенные грунты можно рассматривать в качестве одной из мер управления современными ландшафтами, направленной на улучшение санитарно-гигиенического состояния водоохранных зон вблизи автомагистралей.

Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках темы фундаментальных научных исследований «Антропогенная трансформация пойменных экосистем Обь-Иртышского бассейна» (№ АААА-А19-119012190088-0).