научная статья по теме ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ОСТАТКОВ ХЛОРСОДЕРЖАЩИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ В ПОЧВАХ И ПОЧВЕННО-ГРУНТОВЫХ ВОДАХ ПРИ УЧАСТИИ FE 0 Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ОСТАТКОВ ХЛОРСОДЕРЖАЩИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ В ПОЧВАХ И ПОЧВЕННО-ГРУНТОВЫХ ВОДАХ ПРИ УЧАСТИИ FE 0»

АГРОХИМИЯ, 2015, № 7, с. 85-94

= ОБЗОРЫ

УДК 632.122.2:631.41:641.432:546.72

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ОСТАТКОВ ХЛОРСОДЕРЖАЩИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ В ПОЧВАХ И ПОЧВЕННО-ГРУНТОВЫХ ВОДАХ ПРИ УЧАСТИИ Fe0

© 2015 г. Ю.Н. Водяницкий

Московский государственный университет, факультет почвоведения 119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 12, Россия E-mail: yu.vodyan@mail.ru

Поступила в редакцию 26.03.2015 г.

В сельском хозяйстве применяют различные хлорорганические препараты: пестициды, инсектициды, регуляторы роста растений, фумиганты и др. Вследствие наличия хлора эти соединения -опасные поллютанты, загрязняющие почвы, почвенно-грунтовые и поверхностные воды. Для деградации остатков хлорорганических препаратов используют металлическое железо Fe0, которое представляет собой дешевый восстановитель. В анаэробной среде восстанавливают активность корродированного металлического железа железоредуцирующие анаэробные бактерии. В ряде стран получены положительные результаты деградации хлорорганических соединений. Ключевые слова: обезвреживание остатков, хлорорганические сельскохозяйственные препараты, почвы, почвенно-грунтовые воды, Fе0.

ВВЕДЕНИЕ

В сельском хозяйстве применяют различные хлорорганические препараты. Среди них пестициды (метолахлор, атразин и др.), инсектициды (ДДТ и его разновидности), десиканты (пентахлорфе-нол), фумиганты (четыреххлористый углерод) и другие препараты. В связи с наличием хлора в их составе эти соединения, оставаясь в почве и накапливаясь в результате аварий, становятся опасными поллютантами и загрязняют почвы, почвен-но-грунтовые и поверхностные воды [1].

В мировом сельском хозяйстве ежегодно используют несколько млн. т пестицидов. До и после Второй мировой войны широко применяли Аз-со-держащие пестициды, затем их стали заменять на хлорорганические. К пестицидам 3-го поколения относятся фосфорорганические соединения с коротким периодом жизни. Но хлорорганические препараты применяют до сих пор, а главное - они уже успели сильно загрязнить окружающую среду.

В США очень распространен метолахлор (хлор-ацетомидный гербицид). Содержание метолахло-ра и некоторых других пестицидов Национальная служба США определяет в водных скважинах,

анализируя состояние воды в более 6 млн. частных и общественных скважин и колодцев [2]. Метолахлор обнаружен в концентрации >0.03 мкг/л в 60 тыс. скважин, а также в поверхностных водах 14 штатов с максимальным содержанием 138 мкг/л [3]. Метолахлор относят к слаботоксичным (3-й класс опасности), но он является тератогенным, мутагенным и канцерогенным веществом; места, загрязненные им, требуют ре-медиации.

Одним из первых хлорорганических инсектицидов был ДДТ. Уже в 1950-1960-х гг. было установлено, что ДДТ и другие хлорорганические инсектициды аккумулируются в живых организмах [4, 5], что привлекло внимание к методам ускорения их деградации инсектицидов.

Другой источник загрязнения почвенно-грунто-вых вод - это хлорсодержащие регуляторы роста растений. Для ускорения созревания и подсушивания целых растений используют пентахлорфенол, который относится к группе десикантов, синтетических ингибиторов. Этот широко используемый десикант весьма опасен [6], особенно когда его остатки попадают в почвенно-грунтовые воды.

Еще один хлорсодержащий источник загрязнения - тетрахлорид углерода ^О^, попадающий в почву после его использования в качестве фу-

миганта [7]. Установлено вредное действие СС14 на печень, почки и нервную систему человека. Тетрахлорид углерода включен в Монреальский протокол для последующего запрещения к производству [4]. Это вещество выявлено в 425 местах из 1662, представленных в Национальном приоритетном списке загрязнения Агентства по охране окружающей среды США [7], где его содержание значительно превышало ПДК - 5 мкг/л [8]. Это тяжелое, нерастворимое в воде соединение, которое при осаждении ниже уровня грунтовых вод образует малопроницаемый слой [9].

Остатки хлорорганических препаратов способны разлагаться естественным путем за счет адсорбции, деградации и трансформации в почве (особенно водонасыщенной), но при высокой концентрации поллютантов скорость разложения резко снижается.

Поэтому внимание привлекли неорганические редуктанты, среди которых самые дешевые - восстановленные соединения железа [10]. Деградация хлорорганических соединений наиболее эффективна в анаэробных условиях [11]. Характерно, что в Китае в рисовниках содержание хлороформа и других токсических хлор-углеводородов значительно меньше, чем в почвах плакоров [12]. Это объясняется биогенным восстановительным дехлорированием хлорпестицидов в затапливаемых почвах при участии железа. Процесс дехлорирования инициируют диссимиляционные железоре-дуцирующие бактерии, образуется Fe2+, которое выступает восстановителем хлорпестицидов. Однако подвижное восстановленное железо за годы эксплуатации выщелачивается из рисовника [13], и дефицит легко редуцируемого Fe тормозит процесс восстановительного дехлорирования.

Имеет значение и то, что почва часто загрязнена не одним, а разными видами поллютантов, включая избыток минеральных удобрений, что еще сильнее затрудняет естественную очистку. Особенно опасна высокая концентрация органических поллютантов, затрудняющая микробиологическую активность как главный механизм естественного разложения [14, 15]. В этом случае требуются методы ремедиации почв и почвенно-грунтовых вод.

Хлорсодержащие сельскохозяйственные препараты устойчивы в аэробной среде автоморфных почв, но способны к деградационному восстановлению в анаэробных условиях. Поэтому создают восстановительные условия в загрязненных почвах и почвенно-грунтовых водах. Для этого используют сильные неорганические и органические восстановители. К первым относится нуль-

валентное железо, ко вторым - органическое вещество, доступное микроорганизмам [16].

В почвах тяжелого гранулометрического состава органические поллютанты надолго закрепляются, препятствуя сельскохозяйственному применению земель. Традиционные методы очистки загрязненных почв дорогие и низко экологические. Чтобы понизить концентрацию поллютантов и тем самым ускорить их естественную деградацию, загрязненные почвы снимают и разбрасывают тонким слоем на чистых пахотных и непахотных почвах, либо, наоборот, загрязненные земли покрывают сверху чистой почвой. Оба приема предполагают порчу (хотя бы частичную) чистых участков земли, кроме того, операции с переносом больших объемов почвы оказываются дорогими. Изредка применяют еще более дорогой и совсем не экологический метод прокаливания почвы, загрязненной органическими поллютанта-ми [16]. В настоящее время обращают внимание на разрушение органических поллютантов in situ путем стимулирования естественных деградаци-онных процессов.

Другие проблемы возникают при загрязнении почв легкого гранулометрического состава. Их удерживающая способность низкая, и органические поллютанты легко проникают в глубину, загрязняя почвенно-грунтовые воды. Традиционные технические решения основаны на откачке загрязненных вод с последующей их очисткой. Это обходится слишком дорого [8, 17]. Гораздо дешевле стоит создание искусственных проницаемых барьеров, которые широко применяют, в частности, для очистки почвенно-грунтовых вод от хлорсодержащих препаратов. Средняя цена ремедиации объекта с технологией "откачки-очистки" составляла 4900 тыс. долларов, а одного искусственного барьера - только 730 тыс. $ [18].

Активно стимулирует восстановление хлор-органических поллютантов металлическое или нуль-валентное железо (Fe0). Его применяют как активный редуктант для очистки почв и почвенно-грунтовых вод от хлорорганических поллютан-тов [7, 19]. Деградацию некоторых хлорорганиче-ских сельскохозяйственных препаратов ускоряют с помощью Fe0 уже в полевых условиях, деградацию других пока исследуют в лаборатории. В разных странах уже накопилось много экспериментального материала. Данные исследований влияния Fe0 на деградацию хлорорганических сельскохозяйственных препаратов в почвах и почвенно-грунтовых водах требуют обобщения и осмысливания.

Цель работы - обобщить сведения об участии Fe0 в деградации хлорсодержащих сельскохозяйственных препаратов в почвах и почвенно-грун-товых водах.

ОСНОВЫ ДЕХЛОРИЗАЦИИ ХЛОРОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ КОРРОЗИИ Fe0

Абиотическая коррозия Fe0 и судьба хлорорга-нических поллютантов в почвах. В почве хлорор-ганические поллютанты со временем адсорбируются гумусом или корнями растений, а из легких почв выщелачиваются и попадают в грунтовые и поверхностные воды, создавая опасность для рыб, животных и человека [5]. Часто опасность представляет не только остаточное содержание химикатов, но и их метаболиты, разнообразие которых чрезвычайно велико. Устойчивость пестицидов возрастает с увеличением их концентрации в почве [20]. Со временем хлорсодержащие химикаты в почве "стареют", их биологическая активность уменьшается, а постепенное закрепление органическим веществом повышает устойчивость поллютантов к деградации [21].

Для деградации хлорорганических поллютан-тов используют металлическое железо, представляющее собой умеренный восстановитель. Для реакции окисления: Fe0 - 2е- = Fe2+ величина Е0 = -0.47 В. У других металлов, Zn и особенно А1, восстановительный потенциал выше: для реакции Zn0 - 2е- = Zn2+ величина Е0 = -0.76 В, для реакции А10 - 3е- = А13+ величина Е0 = -1.66 В [22]. Но эти металлы дороже и для ремедиации почв и почвенно-грунтовых вод, где требуются большие объемы восстановителя, их не используют.

Нуль-валентное железо реагирует с растворенным кислородом и водой согласно реакции [23]:

2Fe0 + 4Н+ + О2 ^ 2Fe2+ + 2Н2О,

Fe0 + 2Н2О ^ Fe2+ + Н2 + 2ОН-.

Это классические электрохимические реакции коррозии, в которых железо окисляется в присутствии кислорода и воды. Начиная с 1990-х гг. процесс коррозии используют для борьбы с опасными химикатами в почве и почвенно-грунтовых водах [24, 25]. В настоящее время этот метод уже широко применяется для очистки почвенно-грун-товых вод от хлорорганических поллютантов в ЕС и особенно в США [23].

Данные реакции происходят абиотически; в общем виде

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