Научный журнал
Научное обозрение. Биологические науки
ISSN 2500-3399
ПИ №ФС77-57454

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОРОШАЕМЫХ ПОЧВ И ИХ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА

Каримов Х.Н. 1 Узаков З.З. 1 Хушмуродов Ж.П. 1 Усмонова Д.А. 1 Маллаева Д.А. 1
1 Научно-исследовательский институт почвоведения и агрохимии
В настоящее время расширяются исследования экологического состояния почвы и изменения состава почвы, а также экологического ухудшения агрохимического состояния почвы и загрязнения сельскохозяйственной продукции. В сельском хозяйстве почве, воде, атмосферному воздуху, флоре и фауне наносится огромный ущерб от токсичных элементов. Выброс отходов приводит к чрезмерному накоплению тяжелых металлов в почве, стрессу питательных веществ и гумуса в почве, изменениям в механизме поглощения питательных веществ растениями, а также миграции тяжелых металлов. В статье определены подвижные формы таких элементов, как Cr, Ni, Cd, Pb, изучен вынос из почвы проростками проса, а также их аккумуляция на различных растениях. На вариантах, где проводились агромероприятия, в процессе выращивания проса, в результате выноса растительностью аккумулированных тяжелых металлов, отмечено следующее снижение содержания подвижных форм: при аккумуляции 104,6 → 83,7 → 37,7 → 1,39 (Ni → Cr → Pb → Cd) мг/кг, отмечено, что этот показатель на почвах контрольного варианта выглядит в виде 109,6 → 19,8 → 22,1→ 0,79 или Cr → Ni → Pb → Cd.
почва
растение
вода
дождевые черви
штаммы микроорганизмов
тяжелые металлы
навоз
листья
остатки сена
орошение
просо
фиторемедиация
1. Даль Л.И. Картографирование и оценка экологических рисков южной части Пермского края // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 3 (59) С. 544-550.
2. Даль Л.И. Эколого-геохимическая оценка почвенного покрова нефтегазовых районов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 11. (55). С. 729–732.
3. Семенова И.Н., Рафикова Ю.С., Суюндуков Я.Т., Рафиков С.Ш., Биктимерова Г.Я. Эколого-гигиеническая оценка загрязнения почв территорий отработанных рудников тяжелыми металлами (на примере Башкирского Зауралья) // Современные проблемы науки и образования. 2017. № 1. С. 128.
4. Рахматов М.Н., Маслов В.А., Абдуллаев С.Ф. Динамика распределения тяжелых металлов и мышьяка в пылевом аэрозоле и почвах Северного Таджикистана // Химическая безопасность. 2019. Т. 3. № 2. С. 78–93.
5. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения // Петрозаводск, 2014. C. 197.
6. Singh S.N. Amitosh Verma. Phytoremediation of Air Pollutants // En vironmental Bioremediation Technologies. 2007. P. 293–314.

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

№ разреза

Глубина разреза, см

Подвижные формы, мг/кг

Cr

Ni

Cd

Pb

1

1–5

0–30

13,88 ± 3,91

6,8 ± 2,17

0,392 ± 0,16

12,66 ± 2,88

2

30–50

14,58 ± 2,67

8,02 ± 1,99

0,396 ± 0,043

12,06 ± 2,36

3

50–80

15,5 ± 3,27

4,2 ± 0,70

0,482 ± 0,16

11,08 ± 2,87

4

80–100

18,8 ± 1,60

5,22 ± 1,89

0,304 ± 0,09

7,14 ± 1,74

5

100–120

16,8 ± 5,25

5,97 ± 2,22

0,29 ± 0,19

7,07 ± 1,86

6

120–150

17,13 ± 2,20

6,47 ± 1,68

0,34 ± 0,15

5,73 ± 1,80

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.

Doc15.pdf

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

Doc16.pdf

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.


Библиографическая ссылка

Каримов Х.Н., Узаков З.З., Хушмуродов Ж.П., Усмонова Д.А., Маллаева Д.А. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОРОШАЕМЫХ ПОЧВ И ИХ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА // Научное обозрение. Биологические науки. – 2021. – № 2. – С. 34-40;
URL: https://science-biology.ru/ru/article/view?id=1229 (дата обращения: 09.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074