Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состав, свойства, технологии получения гуминовых препаратов и опыт их применения в целях восстановления почв, загрязненных тяжелыми металлами и радионуклидами 12
1.1. Свойства гумусовых кислот, как основного компонента гуминовых препаратов 12
1.1.1. Общая характеристика гумусовых кислот 12
1.1.2. Взаимодействие гумусовых кислот с металлами 17
1.2. Характеристика основных источников и технологий получения гуминовых препаратов 23
1.2.1. Основные типы сырья для получения гуминовых препаратов 23
1.2.2. Основные технологии производства гуминовых препаратов 30
1.3. Анализ опыта использования гуминовых препаратов в целях восстановления и детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами 39
1.4. Анализ опыта использования гуминовых препаратов в целях восстановления и детоксикации почв, загрязненных радионуклидами 47
Глава 2. Гуминовые препараты и методы исследования их влияния на основные показатели экологического состояния техногенно-измененных серых лесных почв 53
2.1. Объект и предмет исследований 53
2.2. Методы проведения исследований 58
2.2.1. Методика получения гуминовых препаратов разными технологиями 58
2.2.2. Методы исследования структурно-группового состава гуминовых препаратов 63
2.2.3. Методы исследования химического состава гуминовых препаратов 65
2.3. Методика закладки и проведения вегетационных экспериментов 66
2.4. Методы исследования биологической активности и фитотоксичности почвы в экспериментах 68
2.5. Методы исследования химических свойств техногенно-измененных серых лесных почв в экспериментах 69
2.6. Расчет интегральных показателей экологического и химического состояния почвы 70
Глава 3. Результаты исследования свойств различных гуминовых препаратов и оценка их влияния на экологическое состояние техногенно-измененных серых лесных почв 71
3.1. Структурно-групповой и химический состав гуминовых препаратов 71
3.2. Влияние гуминовых препаратов на химические свойства техногенно измененных серых лесных почв 80
3.3. Влияние гуминовых препаратов на содержание подвижных форм тяжелых металлов и удельную активность цезия-в техногенно-измененных серых лесных почвах 92
3.4. Влияние гуминовых препаратов на биологическую активность и фитотоксичность техногенно-измененных серых лесных почв 100
3.5. Изменение интегральных показателей состояния техногенно измененных серых лесных почв под влиянием
гуминовых препаратов 118
Глава 4. Оценка экономической эффективности применения различных гуминовых препаратов в целях восстановления техногенно-измененных серых лесных почв 123
Выводы 126
Практические рекомендации
Список сокращений и условных обозначений 129
Список литературы
- Взаимодействие гумусовых кислот с металлами
- Методика получения гуминовых препаратов разными технологиями
- Методы исследования химических свойств техногенно-измененных серых лесных почв в экспериментах
- Влияние гуминовых препаратов на биологическую активность и фитотоксичность техногенно-измененных серых лесных почв
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из наиболее опасных для окружающей среды последствий антропогенной деятельности является загрязнение почв различными поллютантами (тяжелыми металлами, радионуклидами, пестицидами, нефтепродуктами, нитратами и др.). Почвенные загрязнители интенсивно мигрируют в другие природные среды, активно накапливаются в звеньях трофической цепи экосистемы, обладают мутагенным, канцерогенным, тератогенным, эмбрио-, гонадо- и общетоксическим действием, представляя собой существенную угрозу для живых организмов, в том числе и для человека.
Особенно актуальна указанная проблема для почв староосвоенных регионов России, в течение длительного времени подвергавшихся интенсивному техногенному воздействию. Ярким примером таковых могут служить серые лесные почвы. Практически во всех регионах распространения данных почв (Центральный, СевероКавказский, Приволжский, Уральский и Сибирский федеральные округа РФ) наблюдается превышение в них фоновых концентраций различных загрязнителей, в том числе и тяжелых металлов, представляющих большую опасность для окружающей среды и здоровья человека. Причем вокруг крупных городов, техногенных объектов, автомагистралей формируются зоны устойчивого загрязнения почвы данными поллютантами, уровень которого по величине суммарного показателя концентрации (Zc) характеризуется как «опасный» и «чрезвычайно опасный».
Помимо этого, после аварии на Чернобыльской АЭС большие площади серых лесных почв Европейской части РФ подверглись загрязнению цезием-137. Данный радионуклид является одним из основных дозообразующих элементов, характеризуется длительным периодом полураспада, легко включается в биологический круговорот, интенсивно мигрирует по трофической цепи экосистем и активно накапливается в тканях живых организмов.
Высокая опасность последствий загрязнения почв тяжелыми металлами и радионуклидами для компонентов окружающей среды и здоровья человека требует проведения комплексных научно обоснованных практических мероприятий по восстановлению, детоксикации и охране техногенно-измененных почв.
В аспекте развития и внедрения «зелёных» технологий все более актуальным становится вопрос использования для детоксикации загрязненных природных сред, включая и почвы, экологически чистых природных соединений, в том числе и широко распространенных в биосфере – гуминовых веществ. Так, на данный момент в научной литературе приводятся многочисленные сведения о высокой эффективности применения гуминовых препаратов на основе торфа в целях восстановления техногенно-измененных почв (Перминова И.В., 2000;
4 Н.А. Куликова, 2008; Wilson W.S., 1997; Gondar D., 2006). Растущий интерес к гуминовым препаратам стимулирует совершенствование технологий их производства. Как альтернатива традиционным химическим технологиям развиваются инновационные кавитационные, которые позволяют получать продукт с более высокими качественными показателями. Однако в настоящее время недостаточно изучены вопросы, касающиеся свойств данных препаратов, эффективности их применения для восстановления техногенно-измененных почв по сравнению с уже существующими, полученными традиционным способом гуминовыми препаратами.
В этой связи научный поиск и разработка практических мер, направленных на восстановление почв как важнейшего компонента экосистем, подверженных интенсивному техногенному воздействию, с использованием различных гуминовых препаратов, не только представляет теоретический интерес, но и имеет важное практическое значение.
Цель исследования оценить влияние гуминовых препаратов, полученных с применением различных технологий, на экологическое состояние техногенно-измененных серых лесных почв.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
получить гуминовые препараты с применением традиционной технологии
щелочной экстракции и инновационной технологии ультразвуковой кавитации;
изучить структурно-групповой и химический состав исследуемых гуминовых
препаратов;
проанализировать изменение основных химических свойств и показателей
биологической активности серых лесных почв, загрязненных тяжелыми металлами и радионуклидами, при внесении в них гуминовых препаратов, полученных с применением различных технологий;
изучить изменение концентрации подвижных форм тяжелых металлов в
техногенно-измененной серой лесной почве при внесении гуминовых препаратов;
провести экономическую оценку эффективности применения различных
гуминовых препаратов для целей восстановления загрязненных серых лесных почв.
Объект исследования гуминовые препараты на основе низинного торфа, полученные, как по классической технологии щелочной экстракции, так и по инновационной технологии ультразвукового кавитационного диспергирования, а также их сочетании.
Предмет исследования влияние внесения анализируемых гуминовых препаратов в серые лесные почвы, загрязненные тяжелыми металлами и радионуклидами, на различные показатели их экологического состояния.
Научная новизна. Впервые выявлена специфика структурно-группового и химического состава гуминовых препаратов, полученных с применением принципиально разных технологий
5 щелочной экстракции и ультразвуковой кавитации. Установлены особенности последействия гуминовых препаратов на содержание подвижных форм тяжелых металлов, химические свойства и биологическую активность техногенно-измененных серых лесных почв в зависимости от химического состава препаратов и технологии их получения. Выявлены преимущества применения гуминовых препаратов, полученных кавитационным методом, по сравнению с щелочно-экстрагируемыми препаратами в целях восстановления загрязненных серых лесных почв.
Положения диссертации, выносимые на защиту:
особенности структурно-группового и химического состава гуминовых
препаратов в зависимости от технологии их получения;
последействие гуминовых препаратов, полученных с применением различных
технологий на химические свойства и показатели биологической активности техногенно-измененных серых лесных почв;
изменение концентрации подвижных форм тяжелых металлов в загрязненной
серой лесной почве при внесении различных гуминовых препаратов.
Практическая значимость. Полученные результаты укрепляют научную базу применения гуминовых препаратов для решения прикладных экологических задач в области детоксикации серых лесных почв, загрязненных тяжелыми металлами и радионуклидами. Предложенные практические рекомендации могут использоваться природоохранными службами и агентствами с целью управления функционированием искусственных экосистем, подверженных интенсивному техногенному воздействию. Материалы работы могут найти применение в рамках преподавания ряда дисциплин при реализации учебного процесса по направлению подготовки бакалавриата 05.03.06 «Экология и природопользование».
Апробация. Основные результаты диссертационной работы были доложены и
обсуждены на 17-ти Международных, Всероссийских, Межрегиональных научных
конференциях и форумах, основные из которых: Международный агроэкологический форум
(Санкт-Петербург, 2013); Международная научно-практическая конференция молодых ученых
«Индикация состояния окружающей среды: теория, практика, образование» (Москва, 2014);
Международная научно-практическая конференция «Перспективные направления
исследований в изменяющихся климатических условиях» (Саратов, 2014); Всероссийская научно-практическая конференция «Экология и безопасность в техносфере: современные проблемы и пути решения» (Юрга, 2014); Международная научно-практическая конференция «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы» (Москва, 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 5 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Участие в проектах. Исследования проводились в рамках реализации проектов, поддержанных грантами РФФИ: № 14-05-97502 р_центр_а; № 14-35-50748 мол_нр; № 15-35-51115 мол_нр; № 16-45-620162 р_а.
Структура и объем работы. Содержание работы изложено на 161 странице. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложений. Материалы диссертации проиллюстрированы 20 таблицами и 32 рисунками. Список литературы включает 235 источников, из которых 42 – на иностранных языках.
Благодарност и. Автор выражает глубокую признательность за постоянное внимание к работе и неоценимую помощь в проведении исследований научному руководителю кандидату биологических наук, доценту С.В. Гальченко. Автор также искренне благодарит за поддержку и помощь, оказанные при выполнении работы, доктора сельскохозяйственных наук, профессора Е.С. Иванова; доктора сельскохозяйственных наук, профессора Ю.А. Мажайского; доктора экономических наук, академика МАНЭБ, директора ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации и информатизации агрохимического обеспечения сельского хозяйства» Н.Т. Сорокина и его сотрудников.
Взаимодействие гумусовых кислот с металлами
Варьирование содержания основных элементов в составе гумусовых кислот обусловлено различиями природных условий их образования. Однако выделяются определённые закономерности в их элементом составе, так, содержание углерода ГК в среднем выше, чем ФК, относительно содержания кислорода прослеживается обратная зависимость, ГМК характеризуются максимальным содержанием углерода и минимальным кислорода, наибольшее содержание азота присуще ГК (Попов А.И., 2004).
Помимо конституционных элементов (С, Н, О, N, S) в составе гумусовых кислот практически всегда присутствуют фосфор, кремний, кальций и микроэлементы.
Данные элементного состава гумусовых кислот служат основанием для оценки их структуры и некоторых свойств, таких как степень окисленности, степень бензоидности, плотность и т.д. (Перминова И.В., 2000).
Однако для наиболее полного описания свойств и структуры гумусовых кислот помимо характеристики элементного состава необходимо привести также структурно-групповой анализ их строения.
В настоящее время для описания структуры молекул гумусовых кислот широко используются такие понятия как «каркас» и «периферия», которые соответствуют употребляемым ранее «негидролизуемая» и «гидролизуемая» части, понимая, соответственно, под «каркасом» ароматический углеродный скелет, а под «периферией» алифатические структурные фрагменты, в том числе углеводно-пептидный комплекс (Орлов Д.С., 1990; Stevenson, F. J.; 1994).
В состав алифатической части гумусовых кислот входят аминокислоты, аминосахара, углеводы, карбоновые кислоты и др. Структура ароматического «каркаса» гумусовых кислот изучена еще не полностью, на данный момент имеются сведения, что его основу составляют конденсированные ароматические и гетероциклические кольца бензола, фурана, нафталина, антрацена, пиррола, индола, пиридина, тиофена, хинолина и т. п. (Александрова, Л.Н., 1980; Пономарева В.В., Плотникова Т.А., 1980; Попов А.И., 2004). В настоящее время существует несколько усредненных структурных формул молекул гумусовых кислот (Куликова Н.А., 1999), но наиболее часто авторами приводится гипотетическая структурная модель, предложенная Д. Кляйнхемпелем, которая приведена на рисунке 1. Гипотетическая структура почвенных гумусовых кислот (по Д. Кляйнхемпелю) (Перминова И.В., 2000) Соотношение ароматических и алифатических фрагментов определяет гидрофобно-гидрофильные свойства гумусовых кислот, так, принято считать, что ароматическая часть обусловливает их гидрофобные свойства, алифатическая, в особенности углеводные фракции, напротив, гидрофильные.
Необходимо отдельно рассмотреть характер и соотношение функциональных групп в составе молекул гумусовых кислот. Данная информация служит основанием не только для более детального анализа баланса структурных фрагментов гумусовых кислот, но и позволяет проанализировать их реакционную способность. На данный момент в составе молекул гумусовых кислот обнаружено более десяти типов различных функциональных групп, среди которых наиболее характерны карбоксильные, гидроксильные (спиртовые, фенольные и гидрохинонные), метоксильные, карбонильные (альдегидные, кетонные и хинонные), азотсодержащие (аминные, амидные, иминные) и некоторые другие функциональные группы (Данченко Н.Н., 1997). Функциональные группы в молекуле гумусовых кислот могут быть присоединены как к ароматическим кольцам, так и к алифатическим цепочкам.
В структуре гумусовых кислот преобладают кислородсодержащие функциональные группы (их массовая доля составляет 30-35%), в первую очередь, карбоксильные (СООН) и гидроксильные (ОН), водород которых активно вступает в реакции замещения, что и обуславливает кислотные свойства и емкость катионного обмена гумусовых кислот. Именно различиями в соотношении основных функциональных групп объясняются отличия величины емкости поглощения гумусовых кислот, выделенных из разнообразных источников (E. A. Ghabbour, G. Davies, 2001; Орлов Д.С., 2005).
Как правило, фульвокислоты содержат значительно больше кислородсодержащих функциональных групп по сравнению с гуминовыми кислотами. Так, в молекулах фульвокислот почти все количество кислорода сосредоточено в функциональных группах, тогда как в гуминовых кислотах порядка 30-40 % приходится на другие структурные компоненты, в том числе на кислородсодержащие гетероциклы (Карпюк Л.А., 2008).
По мнению многих авторов, взаимодействие гумусовых кислот с минеральными компонентами, в том числе комплексообразование с металлами осуществляется по большей части за счет карбоксильных функциональных групп, что позволяет рассматривать их содержание как одну из основных характеристик металло-гумусового взаимодействия (Орлов Д.С., 1990; Тейт Р., 1991; Данченко Н.Н., 1997; Куликова Н.А., 2008; Безуглова О.С., 2009; Muscolo A., 2013).
Наличие большого ароматического «каркаса» и алифатической «периферии», содержание широкого спектра функциональных групп позволяет рассматривать гумусовые кислоты как высокореакционные вещества, активно вступающие в различные химические взаимодействия (ионные, донорно-акцепторные, окислительно-восстановительные, гидрофобные и т.д.) с широким классом как неорганических, так и органических соединений. В аспекте практического использования препаратов на основе гумусовых кислот в природоохранных целях особый интерес представляет их взаимодействие с различными токсикантами, результатом которого в большинстве случаев является изменение характера поведения загрязнителей в окружающей среде. В рамках данной работы необходимо рассмотреть более детально механизмы и закономерности взаимодействия гумусовых кислот с металлами.
Методика получения гуминовых препаратов разными технологиями
Жидкостные дозаторы щелочи и коагулянтов подключались к сети сжатого воздуха для создания постоянного давления в дозаторах с целью равномерно-постоянной выдачи жидких агентов в реактор и промежуточную емкость. Водоподготовка для процесса производства гуминовых препаратов осуществлялась с использованием устройства, стабилизирующего воду по ионному составу и блока фильтров очистки сетевой водопроводной воды от механических включений, масляных примесей, соединений хлора и др. Схема установки водоподготовки представлена на рисунке 10. 1 блок фильтров водоподготовки; 2 блок ионообменной подготовки воды; 3 реактор экстракции; 4 промежуточная емкость; 5 фильтрующее устройство; 6 мерная емкость - дозатор для щелочи; 7 мерная емкость - дозатор для коагулянтов Рисунок 10 Схема системы водоподготовки и водоснабжения реактора Принцип работы стабилизирующего устройства в составе системы водоподготовки основан на замещении ионов солей в составе обрабатываемой воды ионами натрия (Na+) и хлора (Cl-) при последовательном пропуске ее через катионообменную и анионообменную смолы.
Подготовленная таким образом, ионизированная и очищенная вода подавалась в реактор экстракции, далее включались трубчатые электронагреватели и осуществлялся нагрев воды в реакторе. При достижении температуры воды 80 С в реактор равномерно вводилась подготовленная торфяная суспензия с включением барботажного устройства.
При производстве «Гумата калия» к обрабатываемой торфяной суспензии через жидкостный дозатор добавлялась щелочь – гидроксид калия (КОН), отвечающий нормативным требованиям. При использовании технологии ультразвукового диспергирования подготовленная и нагретая в реакторе до 45С однородная гидратизированная суспензия торфа подавалась в ультразвуковой диспергатор, генерация ультразвука в котором осуществлялась при помощи газоструйных генераторов, работающих от сети. Схема газоструйного ультразвукового генератора представлена на рисунке 11. корпус; 2 фильера; 3 стержень; 4 - преобразователь; 5 резонатор; 6 штуцер подачи сжатого воздуха; 7 штуцер подачи суспензии торфа; 8 штуцер выходной; С кольцевой паз; К камера
Перистальтическим шланговым насосом приготовленная в реакторе суспензия торфа под давлением подавалась в диспергатор через штуцер к кольцевому пазу и на лепестковый резонатор.
При прохождении торфяной суспензии через кольцевой зазор происходит ее обработка звуковым сигналом, поступающим от акустического преобразователя на лепестковый резонатор. Данные процессы сопровождаются образованием в зазоре кавитационного поля большой силы, которое и воздействует на водно-торфяную суспензию, что приводит к преобразованию сырья. При повторном прохождении суспензии торфа через кольцевой зазор происходит более глубокая ее обработка.
После завершения процесса экстракции, полученные балластные продукты подавались на фильтрующее устройство многоступенчатой очистки (приложение Б). На первой ступени осуществлялась грубая очистка препаратов от нерастворимых включений, где в качестве фильтра использовалась металлическая сетка с размером ячеек 0,7 мм. Вторая ступень очистки служила для отфильтровывания остатков взвешенных частиц, суглинков, волокно-волосяных и иных включений, где в качестве фильтра применялась полипропиленовая сетка с размером ячеек 0,25 мм. На третьей ступени осуществлялась тонкая очистка препарата от мелкодисперсных илисто-глинистых частиц размером 5-50 мкм, где фильтром являлась хлориновая ткань (по ТУ РФ-17-3810-69).
Очищенные указанным образом гуминовые препараты подавались на разливочно-фасовочное устройство.
Для изучения структурно-группового состава полученных исследуемых гуминовых препаратов применялся метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса на ядрах углерода-13 (ЯМР 13С). Для проведения исследований все гуминовые препараты были разделены на растворимую часть и осадок с помощью центрифугирования (10 000 об./мин. х 10 мин.). Супернатант, содержащий растворенные гуминовые вещества, был обессолен пропусканием через катионообменную смолу Amberlite IR 120, и затем высушен на роторном испарителе.
Выделение гуминовых веществ из водорастворимой части препаратов осуществлялось с использованием твердофазной экстракции на картриджах Agilent Bond Elute PPL (объёмом 60 мл) согласно методике (Перминова И.В., 2000). Через подготовленный картридж – промытый двойными объёмами метанола и дистиллированной воды, подкисленной 0,1 М НСl до значения рН 2, – пропускали раствор гуминовых веществ, подкисленный до рН 2. После сорбции гуминовых веществ картридж снова промывали двойным объёмом дистиллированной воды, подкисленной до рН 2, и высушивали. Сорбированные гуминовые вещества смывали с картриджа двойным объёмом смеси метанола и 25% раствора аммиака в соотношении 1:1. Метанольно-аммиачный раствор гуминовых веществ упаривали на роторном испарителе.
Для проведения исследований, выделенных гуминовых веществ, методом спектроскопии ЯМР 13С навеску высушенного обессоленного образца массой 45 мг растворяли в 0,6 мл 0,3 М NaOD/D2O. Раствор после отделения осадка помещали в 5 мм ампулу для ЯМР. Спектры ЯМР регистрировали на спектрометре Avance-400 фирмы Bruker (Германия). Для регистрации спектров ЯМР 13С применяли импульсную последовательность CPMG, при этом для исключения ядерного эффекта Оверхаузера широкополосная развязка от протонов была отключена на период релаксационной задержки (методика INVGATE). Время релаксационной задержки составило 7,8 с, общее число прохождений 5000, время эксперимента занимало порядка 12 ч.
Полученные спектры умножали на спадающую экспоненту для отсечения «шума», подвергали преобразованию Фурье и фазировали, выравнивая базовую линию, с использованием программного обеспечения MestreC. Интегрирование спектров осуществляли при помощи программного обеспечения Geltreat, разработанного А.В. Кудрявцевым.
Интегрирование спектров ЯМР 13С осуществляли согласно общепризнанной методике (Перминова И.В., 2000) по спектральным интервалам (миллионные доли), приведенным в таблице 5.
Методы исследования химических свойств техногенно-измененных серых лесных почв в экспериментах
Установлено, что в наибольшей степени повышению содержания общего азота в эксперименте, способствует препарат «Ультрагумат» в дозе 0,02 % раствора. Как уже было указано ранее (глава 3, параграф 3.1), препарат «Ультрагумат» характеризуется наиболее высокой концентрацией общего азота среди анализируемых препаратов, по причине чего, его использование в максимальной мере способствует обогащению азотом цезий-содержащей серой лесной почвы.
В комплексе мелиоративных мероприятий, направленных на улучшение радиоэкологического состояния почв, важная роль отводится регулированию азотного режима почвы, поскольку недостаток азота приводит к снижению прироста фитомассы, уменьшению эффекта «ростового разбавления» и, как следствие, увеличению накопления радионуклидов в растениях. При этом, как правило, применение повышенных доз азотных удобрений способствует подкислению почвенного раствора и усилению процессов поступления радионуклидов в фитомассу. В связи с чем, ряд исследователей рекомендует использовать на почвах, подверженных радиоактивному загрязнению, нетрадиционные формы азотных удобрений. Так, специалисты Белорусского государственного технологического университета предлагают применять в данных случаях медленнодействующие гуматы с добавлением сульфата аммония (Агеец В.Ю., 2001). Полученные нами данные свидетельствуют, что исследуемые гуминовые препараты способствует обогащению азотом серой лесной почвы, содержащей изотоп цезия-137, и при этом, как уже отмечалось ранее, положительно влияют на уровень кислотности ее среды. Приведенные результаты экспериментальных исследований вкупе с данными литературных источников позволяют рассматривать анализируемые гуминовые препараты как альтернативу традиционным азотным удобрениям, используемым на радиоактивно загрязненных почвах.
Одним из необходимых элементов питания растений и обязательным компонентом химического состава почв является фосфор. Фосфор – жизненно необходимый элемент, содержащийся в нуклеиновых кислотах, фосфолипидах и других важнейших биологических соединениях. В почве фосфор входит в состав различных органических (фосфатиды, нуклеопротеиды и др.) и минеральных соединений (ортофосфаты, апатиты, фосфориты и др.).
На почвах подверженных загрязнению тяжелыми металлами и радионуклидами наблюдается изменение их фосфорного режима, в основном за счет снижения содержания подвижных соединений фосфора, по причине образования труднорастворимых соединений с поллютантами. В тоже время, на данном явлении основан один из приемов восстановления загрязненных почв – фосфоритование. Внесение в загрязненную почву фосфорных удобрений приводит к образованию малоподвижных ортофосфатов тяжелых металлов и, соответственно, снижению их миграционной активности и биодоступности. В связи с указанными обстоятельствами, в вегетационных экспериментах на всех вариантах опыта фотоэлектроколориметрическим методом определялось содержание в почве подвижных соединений фосфора.
Полученные экспериментальным путем данные, представленные на рисунке 15, позволили сделать вывод о неодинаковом влиянии анализируемых гуминовых препаратов на содержание подвижных соединений фосфора в серой лесной почве, загрязненной тяжелыми металлами.
Так, увеличению содержания подвижных форм фосфора в эксперименте способствуют препараты «Гумат калия» в дозе 0,01 % раствора, «Эдал-КС» в дозе 0,02 % раствора и «Питер-Пит» в двух экспериментальных дозах. Существенного влияния препарата «Ультрагумат» на данный химический показатель не отмечено. Наибольший положительный эффект в последействии оказывает препарат «Питер Пит», внесение которого в дозах 0,01 % и 0,02 % растворов, позволяет повысить концентрацию подвижного фосфора по сравнению с контролем на 26 % и 67 % соответственно. Данное обстоятельство, обусловлено тем, фактом, что среди анализируемых гуминовых препаратов «Питер-Пит» характеризуется максимальным содержанием общего фосфора, в десятки раз превышающем таковое в других экспериментальных препаратах. Поскольку одним из факторов, оказывающим блокирующее действие на подвижность тяжелых металлов, является увеличение содержания подвижного фосфора в почве, то внесение фосфорсодержащих препаратов, способствующих увеличение данного показателя, в нашем случае это препарат «Питер-Пит», можно расценивать как прием мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами.
Результаты вегетационного опыта № 2, представленные на рисунке 16, показали, что содержание подвижного фосфора в эксперименте изменяется в зависимости от использования того или иного гуминового препарата и его дозы.
Влияние гуминовых препаратов на биологическую активность и фитотоксичность техногенно-измененных серых лесных почв
Оценка экономической эффективности получения и применения анализируемых в ходе проведения исследований гуминовых препаратов производилась по ряду критериев на основе данных, полученных на базе ФГБНУ ВНИМС. Первоначально была проведена сравнительная оценка экономической эффективности производства гуминовых препаратов по традиционной технологии щелочной экстракции и инновационной технологии ультразвуковой кавитации, полученные при этом данные приведены в таблице 18. Таблица 18 – Сравнительная оценка экономической эффективности применения различных технологий производства гуминовых препаратов (Сорокин К.Н., 2015) Показатель Ед. изм. Технология Технология щелочной ультразвуковой экстракции кавитации Капитальные затраты тыс. руб. 300,00 650,00 Эксплуатационные затраты:Годовой расход электроэнергии тыс. кВт ч 19,30 3,10 Затраты на материалы сырье и др. ресурсы тыс. руб. 920,70(с учетомщелочи) 209,30 Повышение производительности труда раз – 2,00 Исходя из приведенных данных, следует, что технология ультразвуковой кавитации характеризуется по сравнению с щелочной технологией большей производительностью и меньшей энерго- и ресурсоемкостью. Данный эффект обусловлен следующими причинами: высокой автоматизированностью технологической линии ультразвуковой кавитации, которая не требует задействования большого числа рабочих и позволяет повысить производительность труда; сокращением энергозатрат ввиду использования менее энергоемкого оборудования и снижения температуры нагрева торфяной суспензии в 2,5 раза; исключением из технологического процесса щелочи; снижением продолжительности технологического процесса.
Кроме того, препарат «Ультрагумат», полученный ультразвуковой кавитацией, характеризуется значительно более высокой концентрацией активного компонента – гуминовых и фульвокислот по сравнению с щелочно-экстрагируемым «Гуматом калия», что позволяет снизить общий расход при его применении (таблица 19), что делает препарат более привлекательным и экономически выгодным для потенциального потребителя.
Как уже было отмечено, по причине высокой концентрации гуминовых и фульвовых кислот в составе препарата «Ультрагумат» для него характерен минимальный расход для приготовления рабочего раствора. Препараты, имеющие более низкие концентрации гумусовых кислот («Гумат калия», «Эдал-КС»), характеризуются высоким расходом для приготовления рабочего раствора.
Исходя из вышесказанного, технология ультразвуковой кавитации позволяет получать более дешевый препарат по сравнению с технологией щелочной экстракции, данное обстоятельство объясняется рядом технологически обусловленных причин, описание которых приведено выше.
В ходе проведенных исследований было выявлено, что помимо препарата «Ультрагумат» положительное влияние на экологическое состояние техногенно-измененных серых лесных почв оказывает препарат «Питер-Пит», но при этом его товарная стоимость в 2,3 раза выше чем у «Ультрагумата» и по причине меньшей концентрации гуминовых и фульвокислот несколько больше расход.
Таким образом, экспериментально установлено, что препарат «Ультрагумат» характеризуется высокой эффективностью, низкой товарной стоимостью и минимальным рабочим расходом среди анализируемых препаратов. Ввиду указанных обстоятельств применение препарата «Ультрагумат» весьма привлекательным с экономической точки зрения.
1. Исследованные гуминовые препараты, обладают типичным для торфяных гуминовых веществ структурно-групповым составом, характеризуются амфифильным строением и не имеют выраженных, существенных структурных отличий между собой.
2. Изученные гуминовые препараты значительно различаются по содержанию основных химических компонентов, что по большей части обусловлено технологией их получения. Отличительной чертой препаратов, произведенных с применением кавитационной технологии является высокая концентрация в них активного вещества гуминовых и фульвовых кислот, превышающая таковую в щелочно-экстрагируемых препаратах в 2-3 раза.
3. Внесение гуминовых препаратов в техногенно-измененную серую лесную почву, способствует оптимизации ее химических свойств. Наиболее выраженный эффект наблюдается при использовании препаратов, полученных с применением кавитационной технологии («Ультрагумат», «Питер-Пит»). При внесении данных препаратов отмечается увеличение содержания общего азота (до 33 %), обогащение почвы подвижными соединениями фосфора (до 67%) и калия (до 35 %).
4. Проведенная экологическая оценка показала, что под воздействием препаратов, полученных на основе технологии щелочной экстракции («Гумат калия», «Эдал-КС») преимущественно происходит увеличение подвижности тяжелых металлов в техногенно-измененной почве, а произведенных по технологии ультразвуковой кавитации («Питер-Пит», «Ультрагумат»), напротив, отмечается снижение содержания подвижных форм тяжелых металлов от 15 до 50 % на различных вариантах опыта.
5. Все анализируемые гуминовые препараты при внесении в техногенно-измененную серую лесную почву, нивелируют токсичное действие высоких концентраций тяжелых металлов (по Zс – «опасный»), повышают активность ее целлюлозолитического комплекса, проявляя, тем самым, детоксифицирующие свойства. Однако в отношении протеолитической и уреазной активности почвы данного эффекта не отмечено. Воздействие гуминовых препаратов на показатели биологической активности, серой лесной почвы с невысоким уровнем содержания изотопа цезия-137, выражается в стимуляции процессов целлюлолиза, протеолиза, гидролиза мочевины. При этом наиболее эффективны препараты, полученные по технологии ультразвуковой кавитации – «Ультрагумат» и «Питер-Пит».
6. Комплексная оценка экологического состояния техногенно измененных серых лесных почв, проведенная на основе расчета интегральных показателей, показала, что по совокупности анализируемых параметров отчетливый положительный эффект отмечен при внесении препаратов, полученных по технологи ультразвуковой кавитации – «Ультрагумат» и «Питер Пит», подтвердив, тем самым, полученные экспериментальным путем данные.
7. С экономической точки зрения технология ультразвуковой кавитации, являясь более производительной и менее энерго- и ресурсоемкой по сравнению с щелочной технологией, позволяет производить препарат «Ультрагумат» с наиболее низкой товарной стоимостью среди изученных препаратов. Ввиду чего, практические меры по восстановлению почв, подверженных интенсивному техногенному воздействию, основанные на применении данного препарата, не только эффективны с экологической точки зрения, но и экономически целесообразны и выгодны.