Scientific journal

Scientific Review. Biological science

ISSN 2500-3399

ПИ №ФС77-57454

В настоящее время во всем мире уделяется особое внимание выращиванию экологически чистой продукции, воспроизводству плодородия почв, улучшению экологического состояния, а также экологической чистоте сельскохозяйственной продукции. Исследования, направленные на изучение экологического загрязнения почв, проводимые в таких странах, как США, Россия, Китай, Япония, направлены на изучение аккумуляции подвижных форм токсикантов в почвенном покрове, определение загрязненных точек окружающей среды, что в конечном итоге направлено на получение высоких и качественных урожаев с сельскохозяйственных культур.

Во многих странах мира уделяется большое внимание экологической оценке сельскохозяйственных угодий, путем определения содержания тяжелых металлов и остаточных количеств хлорорганических пестицидов. В этом плане совершенствуются агротехнологии определения токсичных элементов, привносимых через атмосферный воздух, минеральные удобрения, атмосферные осадки и аккумулирующихся в почвенном покрове, а также технологии снижения содержания аккумулированных токсикантов. Наряду с исследованиями влияния токсикантов на почвенные свойства, исследования влияния токсичных элементов на микробиологическое состояние почв также являются актуальными.

На сегодняшний день разработка критериев оценки степени деградации и токсичности почвенного покрова, а также методов воспроизводства плодородия почв, загрязненных тяжелыми металлами, являются одним из актуальных вопросов. В целом все методы снижения токсического воздействия почв, содержащих большое количество тяжелых металлов, можно разделить на профилактические меры и методы устранения существующего загрязнения. Путем применения мер по защите почв и растений от загрязнения тяжелыми металлами, совершенствования технологии производства, создания закрытых технологических систем, а также контроля над внесением промышленных отходов в почву в качестве удобрений и мелиорантов, можно предотвратить загрязнения.

Цель исследования:

1. Снижение содержания подвижных форм токсичных веществ в орошаемых почвах, их воздействия на почвенную среду, экологическое и агрохимическое состояние, а также увеличение способности самовосстановления почв.

2. Внедрение агротехнологии очистки почв от подвижных форм токсикантов путем аккумуляции их растениями на ослабленные, низкоплодородные, техногенно-загрязненные почвы, фермерских хозяйств.

Задача исследования – уменьшение миграции токсичных веществ в почвах и повышение самоочищающейся способности почв путем определения содержания токсичных тяжелы металлов в почвах и растениях на почвах, находящихся под техногенным прессингом.

В настоящее время загрязнению пахотных земель токсичными тяжелыми металлами посвящено множество исследований.

На территории Пермского края проведено многоцелевое геохимическое картирование масштаба 1: 1 000 000 (МГХК-1000) с литогеохимическим опробованием по почвам (при участии одного из авторов). Спектральным анализом в пробах почв определялись 34 элемента (Mn, Ni, Co, V, Ti, Cr, Zr, W, Mo, Cu, Zn, Pb, Sn, Ag, Au, Bi, Cd, Sb, As, P, Be , Ba, Ge, Ga, Nb, Pt, Y, Hf, Sr, Ta, Tl, Tе, Li, Sc), из которых установлено 25 элементов. Не обнаружены: Au, Bi, Sb, As, P, Pt, Ta, Tl, Tе (Sb, As, Bi обнаружены только в техногенных почво-грунтах г. Перми). В пробах донных осадков определялись 23 элемента (Mn, Ni, Co, V, Ti, Cr, Zr, Mo, Cu, Zn, Pb, Sn, Ag, Bi, Be, Ba, Ga, Nb, Sc, Y, Sr, Hg, U) [1].

В обоих нефтегазовых районах наиболее опасными являются элементы: Pb, Cu, Cr, Ti, Ba, Mn, Co. Все они имеют высокий фон и создают контрастные аномалии [2].

Эколого-гигиенические исследования населенных пунктов, расположенных на территории отработанных рудников Баймакского района Республики Башкортостан, выявили, что содержание металлов в почвенном покрове превышает ПДК Cu, Zn, Ni, Mn, Pb, Cd, а также региональный геохимический фон по валовому содержанию Fe и Co. Максимальные концентрации элементов отмечены в почвах пос. Тубинск. В валовой форме основными загрязнителями почвы являются: Fe (45 %), Zn (14 %), Co (10 %), Cu (8 %), Cd (8 %), в подвижной – Fe (43,0 %), Cu (24,0 %), Zn (13 %) и Ni (6 %) [3].

В статье представлены результаты определения содержания тяжелых металлов (или оксидов металлов) и мышьяка в пробах атмосферного аэрозоля и почв северного Таджикистана, отобранных в 2013–2019 гг. В результате исследовании стронций (376,8 ppm), цинк (2159,5 ppm), медь (118,8 ppm), оксид марганца. (796,7 частей на миллион) и ванадия (124,3 частей на миллион) по измерениям в 2013 г.; самое высокое содержание мышьяка (23,7 ppm) – измерено в 2014 г.; никель (66,7 г / т), хром (112 г / т) и оксид титана (0,67%) – в 2015 г.; свинец (124,7 ppm) и кобальт (19,9 ppm) – в 2017 г. Найдены измеренные концентрации в пробах почвы веществ первого (мышьяк, свинец, цинк) и второго класса опасности (медь, никель, кобальт, хром), превышающие уровни соответствующих максимально допустимых значений для многих точек отбора проб. Обсуждаются возможные источники загрязнения тяжелыми металлами и мышьяком, преимущественно антропогенного происхождения (автомобильный транспорт, металлургические предприятия, открытые хвостохранилища и т.д.) [4].

При невысоких концентрациях тяжелых металлов наблюдаемые в растениях изменения не нарушают основные физиологические процессы и их согласованность, а иногда даже вызывают активизацию части из них. Очевидно, существующие у растений механизмы адаптации во многих случаях позволяют им обеспечивать функционирование таких процессов, как фотосинтез, дыхание, водный обмен, на достаточном для поддержания жизнедеятельности уровне и благодаря этому успешно расти и развиваться [5].

Загрязнение тяжелыми металлами представляет большую опасность для людей и других живых организмов, поскольку тяжелые металлы часто имеют способность накапливаться в организме в больших количествах. Наиболее распространенным автомобильным топливом является бензин, который представляет собой высокотоксичное соединение, то есть тетраэтилсвинец, который содержит свинец, один из тяжелых металлов, попадающих в почву. К наиболее вредным элементам относятся ртуть, свинец, кадмий, цинк, мышьяк.

Никотин служит основным источником миграции металла во флоэме, поэтому медь, никель, кобальт и цинк, как правило, пытаются присоединиться к миграции железа во флоэме. В настоящее время для очистки и восстановления загрязненных почв от токсичных элементов используются следующие технологии.

Проводимые нами исследования направлены на определение степени, до которой могут аккумулироваться токсичные элементы только в растениях, путем биологической ремедиации – методом фиторемедиации, который занимает ведущее место среди технологий очистки загрязнений, и на поиск растений, гипераккумулирующих большое количество токсичных веществ в виде биосферного комплекса. Для очистки окружающей среды от токсичных соединений используются растения, а именно фиторемидиационные технологии [6].

Из приведенного выше обзора литературы видно, что экологическое состояние почв, сохранение их экологических функций, степень загрязнения окружающей среды, в том числе почв, движение токсикантов вдоль трофической цепи и влияние их на жизнь человека представляют большой интерес для науки. В то же время проблемы загрязнения ландшафта под воздействием техногенных и агрономических факторов орошаемых почв не полностью решены, причины и объемы движения токсикантов по трофической цепи «почва – вода – растение» не определены, количество технологий, разработанных для уменьшения остаточного количества пестицидов и токсичности тяжелых металлов очень мало и не используется в сельском хозяйстве.

Результаты исследования и их обсуждение

При определении исходного экологического состояния почв основное внимание уделено тяжелым металлам. Объектом исследования являются лугово-сероземные почвы Гузарского района Кашкадарьинской области, и были изучены токсичные элементы в почве.

В наших исследованиях были определены подвижные формы таких тяжелых металлов, как Cr, Ni, Cd и Pb, и ПДК этих элементов равен: для Cd – 0,5 мг/кг, для Cr – 6 мг/кг, для Ni – 4 мг/кг и для Pb – 10 мг/кг.

В почвах 1-го разреза содержание свинца в 0–30 см слое составляет 14,0 мг/кг, в 30–50 см слое – 12,0 мг/кг, в 50–80 см слое – 13,0 мг/кг, что превышает допустимые нормы в 1,4, 1,2 раза, а в 50–80 см слое отмечено превышение ПДК в 1,3 раза. В 0–30 см слое 3-го разреза содержание свинца превышает ПДК в 1,5 раза, и этот показатель уменьшается вниз по профилю. Во всех разрезах наблюдается аккумуляция элемента в больших количествах в средних слоях и уменьшение его содержания вниз по профилю почв (таблица).

Отмечено, что подвижные формы хрома и никеля, так же как и кадмия, аккумулируются в нижних слоях почвенного профиля, в нормах, превышающих ПДК. Так, в 0–30 см слое 1-го разреза отмечено превышение ПДК в 1,16 раза, а в 50–80 см слое их содержание составляет в среднем 34,5 мг/кг. Наблюдается снижение их содержания вниз по профилю, до предельно допустимых величин, отмечено содержание во всех разрезах на уровне ПДК, а в 1-м разрезе наблюдается увеличение 1,17→1,23→1,1 раза от 30–50 см до 80–100 см в остальных разрезах отмечено колебание от 41 мг/кг до 26,7 мг/кг, а в среднем 15,5–18,8 мг/кг (таблица).

Кадмий распространен во всех почвенных разрезах равномерно, и наблюдается увеличение его концентрации в почвах, а именно на третьем горизонте 1-го разреза его содержание составляет 0,75 мг/кг, что превышает ПДК в 1,5 раза.

Содержание тяжелых металлов в почвах, мг/кг

Примечание. Результаты статистического анализа пяти образцов поперечного сечения, взятых из образцов почвы.

Аккумуляция тяжелых металлов в растениях

На пилотном участке после озимой пшеницы в почву было внесено 20 т навоза и 10 т остатков соломы, также при орошении были инокулированы штаммы микроорганизмов и 80000 штук дождевых червей.

После проведения агрономических мероприятий, в июле, августе и сентябре было посеяно просо. Просо, используемое для аккумуляции тяжелых металлов, не использовалось в сельском хозяйстве, т.е. в течение 25–30-дневного вегетационного периода его собирали вместе с корнями и закапывали в специальных могильниках.

Для изучения выноса тяжелых металлов из почв при помощи проса были проведены химические анализы растений, собранных в трех повторностях. Растения были отобраны в среднем из пяти точек всех вариантов. Было обнаружено, что тяжелые металлы в растениях с контрольных вариантов накапливались в 1-й период посадки в следующих количествах: Ni – 7,4 мг/кг, Cr – 39,5 мг/кг, Pb – 7,2 мг/кг, Cd – 0,32 мг/кг, а в оставшиеся периоды наблюдается снижение содержания никеля.

Из научной литературы известно, что хром аккумулируется в больших количествах только в растениях, выращенных без органических соединений. Установлено, что накопление хрома в растениях на контрольных почвах в несколько раз больше. К примеру, в контрольном варианте в 1 кг проса при первом посеве содержится 39,5 мг/кг, при втором посеве – 36,4 мг/кг и при третьем посеве – 33,7 мг/кг.

После проведения агрономических мероприятий, без внесения органических соединений, в составе почвы отмечено снижение содержания хрома, которое в 1–2 раза меньше ПДК. Если в одном килограмме сухой массы растения содержится в среднем 30 мг хрома, то на гектаре пахотного слоя этот показатель составляет 3 900 000 кг. В результате аккумуляции хрома растениями было вынесено 130 г хрома из почвы. В ходе эксперимента было извлечено 372,85 г хрома из почв при помощи трехкратного посева растений (рис. 1). С варианта, на котором были проведены агромероприятия, вынос хрома по срокам посева составляет 25,7 → 29,4 → 28,6 мг/кг.

Содержание никеля в исходном почвенном варианте составило 29,0 мг/кг, а на 2-м варианте, где проведены агромероприятия, отмечено наибольшее накопление никеля. В течение первого посева проса количество вынесенного никеля составило 29,7 мг/кг, во втором посеве отмечено увеличение выноса никеля до 35,6 мг/кг, а в третьем посеве – до 39,3 мг/кг.

Отмечено положительное влияние проса на вынос из почв никеля. Если в контрольном варианте наблюдалось снижение его количества в следующем порядке убывания на 7,4 → 6,7 → 5,7 мг/кг по срокам, то положительный вынос никеля в эти сроки на удобренных вариантах приведен выше (рис. 1, 2).

Установлено, что свинец накапливается в небольших количествах из-за его низкого запаса в удобрениях и почвах. Отмечено, что накопление в просе свинца аналогично никелю в зависимости от сроков высева и составляет 7,2 → 8,7 → 6,2 мг/кг. Во втором варианте накопление этого элемента в растениях выглядит следующим образом: 14,5 → 13,7 → 9,5 = 37,7 мг/кг (рис. 1).

Однако отмечено минимальное накопление кадмия в просе относительно других элементов. Отмечено, что только при первом посеве растениями было аккумулировано 0,32 мг/кг элемента, а в остальных сроках посева аккумуляция кадмия была идентичной никелю.

Основываясь на вышеупомянутых литературных данных, можно заключить, что просо, используемое для очистки токсичных элементов, таких как кадмий, может использоваться в качестве корма для животных в сельском хозяйстве. После проведенных агрономических мер было установлено, что растения накапливают меньше свинца и кадмия, однако накопление кадмия в почве происходит следующим образом:

– на контрольном варианте, без внесения удобрений – при первом посеве просо аккумулирует кадмий в количестве 0,33 мг/кг, при втором посеве – 0,28 мг/кг, при третьем посеве – 0,18 мг/кг.

Он участвовал в процессе фиторемедиации, и при очистке почвы было вынесено в общей сложности до 0,79 мг/кг элемента.

В процессе фиторемедиации растения выносят от 0,41 → 0,39 → 0,59 мг/кг кадмия в варианте с применением органических удобрений, штаммов микроорганизмов и дождевых червей, что превышает контрольный вариант на 0,60 мг/кг (1,39 мг / кг).

Заключение

Отмечено значительное снижение содержания тяжелых металлов ниже ПДК и улучшение агрохимического состояния почв после биологической очистки и восстановления питательных веществ, находящихся в состоянии стресса.

Рис. 1. Участие проса в процессе аккумуляции тяжелых металлов, 2018 г. Примечание: первый вариант – контроль, без дополнительных удобрений + сохранена пористость почвы; Второй вариант – 20 т навоза + 10 т сена + штаммы микроорганизмов + высаженные на пористой почве

Рис. 2. Содержание тяжелых металлов в почвах после проведения оздоровительных мероприятий

Нами рассмотрено накопление никеля и хрома в качестве аккумулятора (накопителя) в просе, и было доказано, что растение накапливает, хоть и в малых их количествах, свинец и кадмий из почв.

В результате проведения фиторемедиации значительно увеличился вынос тяжёлых металлов растением просо, а содержание тяжёлых металлов в почвах уменьшилось следующим образом: 104,6—83,7—37,7—1,39 мг/кг (Ni – Cr – Pb – Cd). На контрольном варианте эти показатели представляют следующий ряд: 109,6 – 19,8 – 22,1 – 0,79 мг/кг (Cr – Ni – Pb – Cd).

Отмечено превышение предельно допустимых концентраций подвижных форм свинца в 2,0 раза на орошаемых луговых, лугово-сероземных и сероземно-луговых почвах, где был внедрен инновационный проект, где после проведения агромероприятий наблюдалось снижение в среднем в пределах 2,68–6,69 мг/кг.

Метод снижения уровня загрязнённости орошаемых лугово-серозёмных почв (оздоровление почв) изученного региона был также применён на серозёмно-луговых почвах, где получены аналогичные результаты. В связи с этим для улучшения экологического состояния почв, уменьшения отрицательной нагрузки на них тяжёлых металлов, увеличения урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур, на загрязненных тяжелыми металлами почвах необходимо проведение фиторемедиации почв.