научная статья по теме КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ ИОНОВ РТУТИ (II) С ГУМИНОВЫМИ КИСЛОТАМИ ТУНДРОВЫХ ПОЧВ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ ИОНОВ РТУТИ (II) С ГУМИНОВЫМИ КИСЛОТАМИ ТУНДРОВЫХ ПОЧВ»

ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 3, с. 283-294

ХИМИЯ ПОЧВ

УДК 631.417.8

КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ ИОНОВ РТУТИ (II) С ГУМИНОВЫМИ

КИСЛОТАМИ ТУНДРОВЫХ ПОЧВ* © 2014 г. Р. С. Василевич, В. А. Безносиков, Е. Д. Лодыгин, Б. М. Кондратенок

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, 167982, Сыктывкар, ГСП-2, ул. Коммунистическая, 28 е-таП: vasilevich.r.s@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 18.03.2013 г.

Изучены механизмы взаимодействия ионов ртути (II) с препаратами гуминовых кислот (ГК), выделенных из органогенных горизонтов поверхностно-глеевых почв (НарИс 81а§по8о1 (ОеИс, $Шс)) кустарниковой тундры и тундровых торфянисто-глеевых мерзлотных почв (Ш81ю Сгуо8о1 (Яеёис-1адшс, $Шс)) мохово-лишайниковой тундры. Особенности взаимодействия ионов ртути (II) с гумино-выми кислотами обусловлены молекулярным строением ГК, концентрационными диапазонами элемента и параметрами среды. Связывание ионов ртути (II) в устойчивые комплексные соединения наиболее эффективно происходит в диапазоне значений рН 2.5—3.5. При концентрации элемента менее 0.50 мкмоль/дм3 основными комплексообразующими центрами ГК являются аминокислотные функциональные группы периферической части молекул. В диапазоне концентраций 0.25—0.50 ммоль/дм3 вступают во взаимодействие пирокатехиновые, салицилатные и фенольные группы ядерной части молекул, при более высоких концентрациях ионов ртути (II) 0.50—5.0 ммоль/дм3 основным процессом, протекающим в системе, является физическая сорбция гидроксокомплексов ртути поверхностью ГК.

Ключевые слова: тундровые почвы, гуминовые кислоты, функциональные группы, ионы ртути (II), комплексообразование, гуматы ртути.

DOI: 10.7868/S0032180X14030113

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение ртутью арктических экосистем представляет реальную проблему последних десятилетий. В работах Arctic Monitoring and Assessment Programm отмечается: "Ртуть, свинец и кадмий — наиболее опасные тяжелые металлы, загрязненность которыми природной среды Арктики представляет серьезную угрозу" [27, 28]. В арктические экосистемы ежегодно транспортируется около 200—300 т ртути и ее соединений от антропогенных и природных источников [27, 34, 38]. Исследования почв, озерных отложений и тканей организмов животных показали, что современное содержание ртути в Арктике в среднем втрое выше, чем в доиндустриальную эпоху [30, 35]. Согласно существующим моделям переноса ртути, большая ее часть достигает Арктики по воздуху [27]. Имеются данные, диагностирующие локальное антропогенное загрязнение соединениями ртути почв района Воркуты [9]. Во многих случаях содержание ртути в органогенных горизонтах почв превышает фоновые значения [10].

* Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 13-04-00070-а, проекта Президиума УрО РАН № 12-У-4-1003 и программы Президиума РАН — № 12-П-4-1008.

Нахождение форм ртути в природных объектах сильно зависит от рН среды, характера и концентрации анионов, формирующих стабильные комплексы с ртутью [16]. Основным геохимическим барьером ртути в почвах являются органогенные горизонты, что связано с высоким содержанием гумусовых веществ [4].

Гумусовые вещества (ГВ) — важнейшие природные комплексообразующие соединения. Различающиеся по растворимости группы ГВ, фуль-вокислоты (ФК) и гуминовые кислоты (ГК), выполняют противоположные геохимические функции. ФК увеличивают миграционную способность элементов в земной коре, а ГК представляют собой мощный геохимический барьер [6]. Наличие карбоксильных, гидроксильных, карбонильных групп в сочетании с ароматическими структурами обеспечивает способность ГК образовывать прочные соединения с ионами металлов, чем определяется их глобальная геохимическая роль [13]. Эти свойства во многом определяют санитарно-экологическое состояние не только почв, но и всех объектов окружающей среды [17, 23, 25].

Суровые климатические условия тундры, слабая интенсивность микробиологических процессов определяют низкую способность тундровых экосистем к самоочищению от токсических веществ [8]. Слабая изученность строения и свойств ГК тундровых почв, их аккумулятивных характеристик по отношению к ртути, с одной стороны, а также способность ртути образовывать наиболее устойчивые комплексные соединения с высокомолекулярной совокупностью ГВ, с другой, обусловливают выбор данного элемента для оценки эффективности геохимического барьера гуминовых кислот тундровых почв. Детальное изучение процессов комплексообразования и связывания поллютантов гумусовыми веществами позволит прогнозировать загрязнение окружающей среды тундровых экосистем в условиях усиления антропогенного воздействия.

Цель работы — оценить эффективность связывания ионов ртути (II) гуминовыми кислотами тундровых почв и определить механизмы ком-плексообразования в зависимости от структурно-функциональных параметров ГК, содержания элемента и рН среды.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проведены в Большеземельской тундре Воркутинского р-на Республики Коми с распространением массивно-островной многолетней мерзлоты [7]. Территория представляет полого-увалистую равнину, покрытую чехлом покровных пылеватых суглинков мощностью менее 10 м [15].

В европейской тундре выражены две подзоны: мохово-лишайниковая и кустарниковая тундры. Климат умеренно континентальный, среднегодовая температура воздуха по метеостанции г. Воркута — минус 5.8°С, среднесуточная сумма положительных температур составляет около 1000°С, среднегодовое количество осадков — 550 мм. В теплый период года преобладают ветры северного и северо-западного направления, в холодные месяцы (сентябрь—апрель) — южного и юго-западного направления [2].

Объекты исследований — плакорные почвы: тундровые поверхностно-глеевые, тундровые по-верхностно-глеевые освоенные (кустарниковая тундра); тундровые торфянисто-глеевые мерзлотные, тундровые торфяно-глеевые мерзлотные (мо-хово-лишайниковая тундра). Тундровые поверх-ностно-глеевые почвы (НарИе 81а§по8о1 (ОеИе, 8Ше)) характеризуются морфологически слабо-дифференцированным профилем с двумя уровнями оглеения: в верхней части минеральной толщи — элювиально-глеевый и в нижней — глу-бинно-глеевый горизонты; с залеганием много-летнемерзлых покровных суглинков на глубине

около 120 см от поверхности. Тундровые поверх-ностно-глеевые освоенные почвы в осенне-зимний период накапливают больший запас холода по сравнению с целинными аналогами, вследствие меньшей мощности снежного покрова. Тундровым торфянисто- и торфяно-глеевым мерзлотным почвам (Histic Cryosol (Reductaquic, Siltic)) свойственно наличие поверхностной торфяной подстилки (10—30 см) и четко выраженного глеевого тиксотропного горизонта; минеральная толща малой мощности; слабодифференцирован-ный почвенный профиль; деформация почвенного профиля, вызванная перемещением насыщенных влагой горизонтов при оттаивании и замерзании. Вечная мерзлота залегает на глубине от 55 до 80 см [1,20]. Общая характеристика почвообразования, морфологические, физико-химические показатели почв представлены в работе Безносикова с соавт. [3].

Методы исследований. Препараты гуминовых кислот выделены из органогенных горизонтов тундровых почв по методике, рекомендованной Международным обществом по изучению гумусовых веществ IHSS [40].

Определение элементного состава препаратов ГК выполнено на CHNSO- анализаторе ЕА 1110 (Carlo-Erba, Италия) в соответствии с аттестованными методиками КХА МВИ № 88-17641-942009, № 88-17641-116-2011. Общее содержание углерода в растворах определяли на анализаторе TOC-VCPA/CPN (Shimadzu, Япония). Спектры 13С-ЯМР воздушно-сухих препаратов ГК регистрировали на спектрометре JNM-ECA 400 (JEOL, Япония). Аминокислотный состав 6 моль/дм3 HCl вытяжки выполнен методом жидкостной хроматографии на ионообменных смолах (анализатор аминокислот ААА 339) согласно аттестованной методике КХА МВИ № 88-17641-97-2010.

Значения сорбционных емкостей препаратов ГК к ионам ртути (II) в модельном эксперименте были получены в промежуточных условиях прецизионности (согласно ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002) в составе двух серий измерений. Препараты ГК были подвергнуты диспергированию и пропусканию через сито диаметром ячеек 0.1 мм. В экспериментах навески воздушно-сухих ГК 50 мг обрабатывали растворами нитрата ртути (II) с концентрацией от 0.000025 до 5.0 ммоль/дм3. Исходный раствор нитрата ртути 5.0 ммоль/дм3 готовили растворением нитрата ртути (II) марки ч.д.а. в 0.001 моль/дм3 HNO3, рабочие растворы Hg(NO3)2 — разбавлением исходного 0.001 моль/дм3 HNO3. В процессе эксперимента значение pH поддерживали равное 3.0 ± 0.1. Суспензии перемешивали в течение 24 ч, затем осадок отделяли фильтрованием через гидрофильный мембранный фильтр Durapore с диаметром пор 0.22 мкм (Millipore), отбирали аликвотные части растворов для дальнейшего определения концентрации ионов ртути (II).

Таблица 1. Элементный состав гуминовых кислот почв

Горизонт, Массовая доля, % Мольное отношение элементов

глубина, см С N H O H : C О : С С : N

O,0-9 * O, 0-9

O, 0-10 T, 10-20

A0, 0-5

A дер, 0-5

Тундровая торфянисто-глеевая мерзлотная почва

54.2 ± 1.7

55.1 ± 1.8

52.7 ± 1.7

54.2 ± 1.7

54.4 ± 1.7 52.6 ± 1.7

3.35 ± 0.22 4.09 ± 0.27

4.7 ± 0.4 5.5 ± 0.5

38 ± 4 35 ± 4

1.03 1.21

Тундровая торфяно-глеевая мерзлотная почва 4.16 ± 0.28 5.5 ± 0.5 38 ± 4 1.25

3.72 ± 0.25 5.4 ± 0.5 37 ± 4 1.19

Тундровая поверхностно-глеевая почва 4.33 ± 0.29 | 5.1 ± 0.5 | 36 ± 4 | 1.12 Тундровая поверхностно-глеевая освоенная почва 5.8 ± 0.4 I 5.6 ± 0.5 I 36 ± 4 I 1.28

0.52 0.48

0.54 0.51

0.50

0.51

18.84 15.69

14.77 16.99

14.66

10.57

* Данные для "гидролизного" образца.

Эффективную сорбцию ионов ртути (II) препаратами ГК оценивали по разности исходной и конечной концентраций элемента в растворе. Определение равновесной концентрации ртути проводили методом "холодного пара" на атомно-абсорбционном анализаторе ртути РА-915+ (Люмэкс, Россия) с применением аттестованной методики М-01-42-2006. Погрешность метода измерения не превышает ±25% (Р = 95%).

Для изучения кинетики взаимодействия ионов ртути (II) с ГК тундровой торфянисто-глеевой мерзлотной почвы готовили три серии смесей с молярной концентрацией

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком