ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 7, с. 804-815
= ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 504.054:631.416
ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЫЛИ В ОРГАНОГЕННОМ ГОРИЗОНТЕ Al-Fe-ГУМУСОВОГО ПОДЗОЛА
(ПОЛЕВОЙ ЭКСПЕРИМЕНТ)*
© 2015 г. И. В. Лянгузова1, Д. К. Гольдвирт2, И. К. Фадеева2
ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН, 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 2 2 "Горнометаллургическая компания "Норильский никель", 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., 11 e-mail: irina@lya.spb.ru Поступила в редакцию 04.04.2014 г.
С помощью метода растровой электронной микроскопии с рентгеноспектральным микроанализом установлено, что частицы озоленного материала органогенного горизонта почвы контрольного и экспериментального участков представлены, в основном (более 85%), различными почвообразующи-ми минералами и оксидами железа (в частности, магнетитом). В органогенном горизонте Al-Fe-гуму-сового подзола (Albic Rustic Podzol) экспериментального участка 10—15% частиц представлены полиметаллической пылью шарообразной формы, которые сохранились без существенной трансформации в течение 14 лет после их внесения. Валовое содержание Cu, Pb, As и Ni в органогенном горизонте почвы экспериментального участка в 22—100 раз, а Zn и Fe в 2—5 раз больше по сравнению с контролем. Порядок расположения химических элементов по их валовому содержанию в образцах контрольного и экспериментального участков различается. Доля доступных для растений форм соединений тяжелых металлов (Ni, Cu, Co), переходящих в вытяжку 1.0 M HCl, составляет в среднем 20—30% от их валового содержания в почве. Свыше 80% кислоторастворимых форм тяжелых металлов сконцентрировано в органогенном горизонте загрязненной подзолистой почвы, который является биогеохимическим барьером на пути поллютантов вглубь почвенного профиля. Прочное закрепление тяжелых металлов в органогенном горизонте и их слабая миграция в минеральные слои почвы в значительной мере тормозят процессы самоочищения загрязненной почвы.
Ключевые слова: техногенные соединения тяжелых металлов, загрязнение окружающей среды, Al-Fe-гумусовый подзол, Albic Rustic Podzol, растровая электронная микроскопия с рентгеноспектральным микроанализом, рентгенофлуоресцентный анализ, атомно-абсорбционная спектрометрия.
DOI: 10.7868/S0032180X15050056
ВВЕДЕНИЕ
В России черная и цветная металлургия являются самыми загрязняющими окружающую среду отраслями, на долю которых приходится около 40% валовых выбросов вредных веществ, в том числе по твердым веществам около 26% и по газообразным — 23—34% [18, 40, 42]. В состав атмосферных выбросов комбинатов цветной металлургии входят, в основном, диоксид серы и полиметаллическая пыль, содержащая тяжелые металлы. Например, на разных этапах технологического цикла комбината "Североникель" (Мурманская обл.) в атмосферу поступает мелкодисперсная полиметаллическая пыль, содержащая смесь сульфидов и оксидов металлов: халькозина Си28, халько-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований ОБН РАН "Биологические ресурсы России".
пирита СиБе82, пирротина Ре788(№х), пентландита (N1, Бе)988, ковеллина Си8, куприта Си20, тенори-та СиО, а также металлических никеля и меди [3]. Кроме соединений тяжелых металлов, в металлургической пыли присутствуют оксиды железа, силикаты кальция, магния, алюминия. Тонкие фракции обогащены соединениями свинца, цинка и мышьяка [3, 43]. В зависимости от размера и массы частиц, направления и силы ветра, а также других метеорологических факторов, пыль, содержащая металлы, оседает на почвы, кроны деревьев, кустарников и кустарничков; цветковые растения, мхи и лишайники; крыши зданий и др. Частицы полиметаллической пыли могут вступать в различные химические реакции как с органическими компонентами, так и абиотическими ингредиентами субстратов, участвовать в метаболизме растений и лишайников, и многочисленных микробо-
и зооценозов. В результате всех этих взаимодействий происходит трансформация частиц пыли, которые могут оказывать острое токсическое воздействие на живые организмы и приводить к загрязнению почвы [4, 10, 13-15, 35, 49-51, 53-55].
В зоне воздействия атмосферных выбросов комбинатов цветной металлургии наблюдается нарушение наземных экосистем вплоть до полной их деградации с формированием техногенных пустошей, где происходит деградация подзолов в абра-земы альфегумусовые [5, 7, 10-13, 19-20, 23-26, 37, 42, 48, 52].
Однако в условиях аэротехногенного загрязнения окружающей среды сернистым ангидридом совместно с полиметаллической пылью невозможно разделить токсическое воздействие диоксида серы и тяжелых металлов на лесные экосистемы. В связи с этим в фоновом районе Кольского полуострова, где отсутствуют визуально наблюдаемые повреждения растений, был заложен полевой эксперимент по изучению влияния тяжелых металлов на растительные сообщества и почвы.
Целью данной работы является исследование трансформации частиц полиметаллической пыли в органогенном горизонте Al-Fe-гумусового подзола (Albic Rustic Podzol), а также оценка миграции кислоторастворимых форм никеля, меди и кобальта по почвенному профилю.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Территория Кольского полуострова представляет собой северный предел существования лесных биогеоценозов на границе северо-таежной и лесотундровой подзон. На равнинной территории преобладают низкопродуктивные лишайниковые и кустарничково-зеленомошные еловые и сосновые леса. Почвы в районе исследования представлены Al-Fe-гумусовыми подзолами, развитыми на ледниковых моренных песчаных отложениях [33]. Для исследуемых почв сосновых лесов характерно простое строение почвенного профиля с маломощной грубогумусной подстилкой гор. A0), ясно выраженным, но небольшим по мощности подзолистым гор. A2 и горизонтом вмывания (Bhf), содержащим достаточно высокое количество иллювиированного гумуса [5]. Верхняя часть профиля в пределах органогенного горизонта отличается сильнокислой реакцией (рН водной вытяжки 3.9-4.5), высокой гидролитической кислотностью, невысоким содержанием калия, фосфора и низким содержанием азота. Региональной особенностью исследуемых почв является преобладание обменного магния над количеством кальция [5]. По гранулометрическому составу исследуемые почвы относятся к супесям песчаным.
В 1992 г. в сосняке лишайниковом на незагрязненной территории Кольского полуострова были
заложены контрольный и экспериментальный участки (67°51'00" N, 31°24'30" E) общей площадью 0.2 га. За период с 1992 по 1997 гг. на поверхность снегового покрова экспериментального участка площадью 0.1 га вручную было рассеяно 43.3 кг полиметаллической пыли, отобранной с электрофильтров цеха рудной электроплавки комбината "Североникель" (г. Мончегорск, Мурманская обл.). Следовательно, общая доза полиметаллической пыли на экспериментальном участке составила 433 кг/га. В состав пыли, использованной для рассыпания на экспериментальном участке, входили: Ni — 1.3—2.1%, Cu - 1.3-1.8%, Co - 0.06-0.09%, Fe - 11.2-13.0%, Si - 14.1-17.6%, Ca - 1.0-2.3%, Mg - 2.3-5.1%, Zn - 0.8-1.4%, Al - 1.3-3.8%, Pb - 0.015-0.35%, Cr - 0.08%, As - 0.1-0.33%, Se - 0.03%, V - 0.003%, Mn - 0.07%, W - 0.05%, Ti - 0.05-0.16%, Mo - 0.03%, Cd - 0.02% [2, 18].
Рассыпание полиметаллической пыли на экспериментальном участке привело к пространственно очень неравномерному загрязнению Al-Fe-гумусового подзола и разрушению напочвенного покрова. В 2011 г. было заложено 10 учетных площадок размером 50 х 50 см в местах с наиболее разрушенным напочвенным покровом, где проективное покрытие мохово-лишайникового яруса не превышало 10%. На всех учетных площадках были отобраны образцы по горизонтам почвы. В качестве контрольного использовали образец органогенного горизонта почвы, отобранный на незагрязненном полиметаллической пылью участке.
Валовое содержание химических элементов определяли в контрольном и четырех наиболее типичных образцах органогенного горизонта почвы экспериментального участка после их сухого озоления на рентгенофлуоресцентном анализаторе "X-Suprime8000" фирмы "OXFORD Instruments Analytical" с использованием метода фундаментальных параметров. Методом растровой электронной микроскопии с рентгеноспек-тральным микроанализом проанализированы микрочастицы этих же образцов почвы. Исследование проводили на аналитическом комплексе на базе сканирующего электронного микроскопа марки "VEGAII LMH" фирмы "Tescan" и системы энергодисперсионного микроанализа марки "INCA ENERGY" фирмы "OXFORD Instruments Analytical". Использовали следующие параметры работы прибора: ускоряющее напряжение -20 кВ, интегральное количество импульсов -300000, увеличение - до 2000 крат. В процессе пробоподготовки от каждого образца отбирали около 0.1 г вещества, помещали в одноразовую пластиковую пробирку емкостью 1.5 мл, заливали 1 мл этилового спирта и обрабатывали игольчатым ультразвуковым диспергатором при частоте 20 кГц в течение 5 мин. Непосредственно в процессе диспергирования из взвеси с помощью
А
«
ч
о д
«
£ 30
(U
t« 25
ю 25 О 20
15
Рис. 1. Изображение частиц образца 2 (электронная микроскопия, вторичные электроны). Стрелками указаны шарообразные частицы сохранившейся полиметаллической пыли.
микропипетки отбирали аликвоту объемом 0.1 мл и наносили на поверхность предметного столика электронного микроскопа с предварительно нанесенной одноразовой токопроводящей углеродной липкой пленкой. После испарения спирта частицы располагались на поверхности предметного столика в виде монослоя и на них наносилось токопроводящее углеродное покрытие. Из материала каждого образца была исследована совокупность объемом не менее 1000 частиц. В процессе исследования проб осуществляли классификацию частиц по типам, имеющим характерный элементный состав. При этом для целей классификации на первое место помещали основные элементы, далее — второстепенные и примесные элементы. В скобках указывали элементы, которые могут отсутствовать в частице, отнесенной к определенному типу.
Анализ кислоторастворимых форм Ni, Cu, Co (вытяжка 1.0 M HCl) во всех отобранных по горизонтам образцах проводили методом атомно-аб-сорбционной спектрометри
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.