УДК 631.893.99
ПОДВИЖНОСТЬ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
М. В. Тютюнькова,
к. б. н., доцент, Калужский государственный университет им. К. Э. Циолковского,
tyutyunkova@mail.ru,
С. Д. Малахова,
к. б. н., доцент, svetlana-kalug1@mail.ru,
Е. В. Демьяненко,
к. с.-х. н., доцент, vaselevs61@mail.ru, Калужский филиал РГАУ—МСХА им. К. А. Тимирязева
В условиях дерново-подзолистой супесчаной почвы изучено изменение содержания подвижных форм тяжелых металлов при применении различных осадков сточных вод и представлены ряды устойчивости комплексов ионов металлов с различными лигандами.
In conditions of soil change of the maintenance of mobile forms of heavy metals is studied at application of various deposits of sewage and numbers of stability of complexes of ions of metals with various ligands are presented.
Ключевые слова: осадки сточных вод (ОСВ), тяжелые металлы (ТМ), дерново-подзолистая супесчаная почва, лиганды, ряды, подвижность.
Keywords: deposits of sewage, heavy metals, soil, ligands, numbers, mobility.
По ориентировочной оценке общее количество осадков сточных вод (ОСВ) на станциях России составляет свыше 10 млн т по сухому веществу. Из существующих методов утилизации ОСВ наиболее надежным и экологически выгодным является использование их для повышения плодородия почвы и продуктивности сельскохозяйственных культур. Однако основным фактором, сдерживающим широкое применение ОСВ в сельском хозяйстве, является наличие в них тяжелых металлов (ТМ), влияние которых на почву, растения и качество продукции недостаточно изучено и обосновано.
Общее содержание ТМ в почвах дает представление лишь о потенциальной опасности загрязнения, которая может реализоваться при определенных условиях. В растения из почвы поступают только мобильные соединения химических элементов, поэтому важно знать подвижность ТМ ОСВ. Попавшие в почву ТМ в составе ОСВ прежде претерпевают различные трансформации. Один из основных процессов — закрепление органическим веществом почвы. Способность почвы связывать ТМ в малоподвижные и малодоступные для живых организмов формы и обеспечивать низкие концентрации их в почвенном растворе можно рассматривать как буферную способность. Подвижность ТМ в почве тесно связана с количественным и качественным составом органического вещества и реакцией среды почвенного раствора [1, 2].
Целью исследований явилось — оценка влияния ОСВ на изменение подвижности ТМ в дерново-подзолистой супесчаной почве.
Условия и методика. Исследования проводились на Опытном поле Калужского филиала РГАУ — МСХА К. А. Тимирязева в 2006—2008 гг.
Основные объекты исследования: дерново-подзолистая супесчаная почва на водно-ледниковых отложениях, подстилаемая мореной; осадки сточных вод — после механического обезвоживания на центрифугах с флокулянтами (ООСВ) и подсушенные в естественных условиях на иловых площадках в течение 10 и более лет (ОСВ).
Схема полевого опыта включала следующие варианты: 1) контроль; 2) 10 т/га ОСВ по сухому веществу (СВ);
3) 10 т/га ООСВ по СВ. Площадь опытной делянки — 5 м2. Расположение делянок — одноярусное, систематическое. Повторность опытов — трехкратная.
Доза внесения ОСВ установлена с учетом требований СанПиН 2.1.7.573—96 и по результатам полевых исследований агроэкологичес-кой эффективности различных доз ОСВ [3—5].
Подвижные формы ТМ извлекали ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН = 4,8 при взбалтывании суспензии 1 ч и настаивании в течение суток. Анализ вытяжки производили на атомно-абсорбционном спектрофотометре ААБ-30 [3].
Результаты. В результате исследований получены данные по изменению содержания подвижных форм ТМ (кадмия, цинка, свинца, хрома, никеля и меди) при внесении ОСВ и ООСВ в почву (рис. 1, 2).
Погрешность эксперимента составляет ±0,05 %.
Подвижность кадмия постоянно возрастает. Это, по-видимому, связано с разложением органического вещества осадков и воздействием кислотно-основных свойств почв на труднорастворимые соединения кадмия.
Поведение хрома в почвах определяется формой его соединений. Так, Сг3+ в кислой среде инертен (при рН 5,5 он почти полностью выпадает в осадок), его соединения в почвах считаются весьма стабильными [2]. С другой стороны, Сг6+ довольно активен и легко мобилизуется как в кислых, так и в щелочных почвах. Используемые в исследованиях инс-
Рис. 1. Изменение содержания подвижных форм ТМ в почве при внесении ОСВ
Рис. 2. Изменение содержания подвижных форм ТМ в почве при внесении ООСВ
трументальные методы не позволяют разделить хром по степени окисления. Поэтому нами представлены суммарные данные по содержанию хрома. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что подвижные формы хрома находятся на низком уровне, что говорит о преобладании по всей видимости форм Сг3 . Если проследить изменение содержания подвижных форм хрома, то сначала происходит увеличение их содержания, а затем уменьшение. Это свидетельствует вначале об уменьшении связи ТМ с органическим веществом осадков, а затем о закреплении их в форме труднорастворимых соединений в почве.
Применение осадков оказало существенное влияние на содержание цинка, меди, никеля, свинца в почве. При рассмотрении изменения содержания их подвижных форм в почве при внесении ОСВ были отмечены такие же закономерности, что и у хрома.
По содержанию подвижных форм ТМ в почве можно построить следующий убывающий ряд: Сё > 7п > N1 > Си > РЬ > Сг.
Меньшее значение подвижных форм ТМ в ООСВ по сравнению с ОСВ свидетельствует о том, что ТМ в ООСВ находятся в более связанном состоянии, чем в ОСВ, но далее идет интенсивное разложение органического вещества ООСВ, о чем свидетельствует больший прирост подвижных форм ТМ.
Обсуждение результатов. Большое значение на содержание подвижных форм ТМ в почве при внесении ОСВ имеет форма существования их в этих осадках.
ТМ — наиболее распространенная группа токсичных, инертных к биохимическому окислению загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах. Накопление ТМ в активном иле происходит за счет: флокуляционных
48
Эволюция и динамика геосистем
№ 5, 2012
Ряды устойчивости комплексов ионов металлов с различными лигандами [7]
Лиганд Доноры МЕ < Мп < Ее < Со < N1 < Си
Оксалат О, О са Еп РЬ
Глицин N. О са РЬ Еп
Гистидин N =N са РЬ Еп
Этилендиамин N. N са Еп РЬ
Меркаптоэтиленамин N. Я Еп са РЬ
Имидазол =N Еп са
Аммиак NN3 Еп са
Гидроксид-ион ОН- са Еп РЬ
свойств активного ила, при этом немаловажную роль играет биополимерный гель; легкого связывания ТМ с органическими веществами ила.
Известен ряд устойчивости комплексов с мо-нодентантным лигандом по Ирвингу—Уильям-су для двухвалентных металлов: < Мп < < Ге < Со < N1 < Си > 7п независимо от того, какой именно лиганд участвует в комплексо-образовании. Бингам Ф. Т., Коста М., Эйхен-бергер и др. использовали часть приведенного ряда устойчивости от магния до меди, чтобы уметь сравнивать устойчивость соединений разнообразных ионов металлов (таблица) [7].
Для нескольких сочетаний донорных атомов таблица свидетельствует об относительной прочности связи двухвалентных ионов металлов типа 7п2+, Сё2+, РЪ2+. Кислородный до-норный атом лиганда является менее всех влияющим, азотный — средне, а донорный атом серы — наиболее влияющим типом донорного атома.
Характер рядов устойчивости показывает
(таблица), что в присутствии сульфгидриль-
2 +
ной группы прочность связи 7п становится
2 +
такой же, как у N1 . Для случаев с 2-меркап-тоэтиленамином обнаруживается также сравнительное увеличение силы связывания для
Сё2+ и РЪ2+ с лигандом, содержащим сульф-гидрильный донор. Большинство монодентан-
тных лигандов связывают Сё2+ сильнее, чем
2+
7п2 . Возможно, из-за малого размера образующегося хелатного кольца, недостаточного для сравнительно большого иона свя-
зывается более сильно с лигандами, имеющими донорные атомы О и N а при введении Б-донора в хелатообразующее кольцо Сё2+ становится более сильно связывающим ионом металла. Можно, пользуясь данными таблицы, построить убывающий ряд ТМ, например, для меркаптоэтиленамина (так как сера наиболее влияющий тип донора): РЪ > Си > Сё > N1 > 7п.
Исходя из этого можно сделать вывод, что от РЪ к 7п происходит уменьшение связи ТМ с этим лигандом в ОСВ, а следовательно, возрастает % их подвижности при внесении в почву. Следует отметить, что данный ряд построен только для одного лиганда и не точно совпадает (обратно) с экспериментально полученным рядом, для кадмия. Но если построить ряды с другими лигандами, то в них связь с кадмием будет менее прочной, как и в экспериментальном ряду: Сё > 7п > N1 > Си > РЪ > Сг.
Таким образом, чем более связан ТМ в осадках, тем меньше % подвижности его в почве.
Библиографический список
1. Золотарева Б. Н. Миграция и трансформация экзогенных форм соединений тяжелых металлов в почвах (натурное моделирование) / / Тяжелые металлы в окружающей среде: материалы международного симпозиума 15—18 октября 1996 г., Пущино, 1997. С. 15—24.
2. Кабата—Пендиас А. Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
3. СаНПин 2.1.7.573—96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения». МЗ России, 1997 г.
4. Сюняев Н. К., Малахова С. Д., Сюняева О. И., Тютюнькова М. В. Агроэкология осадков сточных вод города Калуги. — Калуга: ФГОУ ВПО РГАУ—МСХА имени К. А. Тимирязева, 2008. — 150 с.
5. Сюняев Н. К., Тютюнькова М. В., Торшин С. П. и др. Прогноз изменения содержания ТМ в системе почва—растение при применении осадков сточных вод. М.: ФГОУ ВПО РГАУ—МСХА имени К. А. Тимирязева, 2008. — 138 с.
6. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М., ЦИНАО, 1992.
7. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов: Пер. с англ. / Под ред. X. Зигеля, А. Зигель. — М.: Мир, 1993. — 368 с., ил.
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.