Экологическая оценка влияния вермикультуры на содержание тяжелых металлов и их подвижность в вермикомпостах на основе лузги гречихи, дефеката, шлака и цеолитов

Вве^ение. Наука и практика наряду с поиском глобальных путей уменьшения негативного влияния токсичных веществ на агроэкосистемы все большее внимание сосредотачивают на проблемах утилизации, переработки органо-минеральных отходов и использования питательных макро- и микроэлементов и энергии, зало^енных в них. Использование вермикультуры для решения этой проблемы является перспективным, так как в результате биотехнологической переработки отходов производится не только ценное органо-минеральное удобрение – биогумус, но и изменяется уровень содер^ания и степень подви^ности металлов в вермикомпостах [1].

Одним из экологических факторов, лимитирующих применение удобрительных свойств отходов производства в растениеводстве, и особенно в овощеводстве, является содер^ание в них тя^елых металлов. ^нализ вермикомпостов на основе органических и минеральных отходов и природных цеолитов показал пригодность исследуемых отходов для биотехнологической переработки и получения органо-минерального удобрения с высокими агрохимическими свойствами [2]. Доказано влияние вермикомпостирования и исходного сырья на содер^ание валовых и подви^ных форм тя^елых металлов, при этом аккумуляция тя^елых металлов зависит от микроэлементного состава исходного субстрата и действия червя [3].

Цель иссле^ований состояла в том, чтобы установить агроэкологическую эффективность переработки органических и минеральных отходов производства свеклосахарной, металлургической и пищевой промышленности, коммунального хозяйства методом вермикомпостирования, определить уровни содер^ания валовых и подви^ных форм тя^елых металлов в составе вермикомпостов, оценить удобрительные свойства полученных вермикомпостов.

Услови^, материалы и мето^ы. Опыт и лабораторные исследования эффективности метода вермикомпостирования в переработке отходов производства (лузга гречихи, дефекат, шлак, цеолит) проводили на кафедре земледелия, агрохимии и агропочвоведения ФГБОУ ВО Орловский Г^У.

Состав отходов производства: лузга гречихи – отход при шелушении гречихи: Химический состав (%): сухое вещество – 89,8; белок – 2,1-3,1; крахмал – 1,0-1,3; ^ир – 0,4-0,7; сырой протеин – 10,3; сырая клетчатка – 15,1; зола – 1,5-2,5; клетчатка – 40-70; кальций – 0,2; калий – 0,44; фосфор – 0,31; магний – 0,13 г; ^елезо – 0,89 г; цинк – 0,086; плотность – 130-145 кг/м3; дефекат, дефекационная грязь, отход свеклосахарного производства, содер^ащий известь. Выход дефекационной грязи 8-12% от массы перерабатываемой свеклы. В све^ей дефекационной грязи около 40% воды. Подсушенный до сыпучего состояния (вла^ность 25-30%) дефекат содер^ит (%): извести углекислой (с примесью едкой) – 60-75; органических веществ – 10-15; азота – 0,2-0,7; фосфора (Р2О5) – 0,2-0,9; калия (К2О) – 0,5-1; некоторое количество магния, серы и микроэлементов. Шлак – солевые отсевы алюминиевого шлака (О^О «Мценский завод алюминиевого литья», г. Мценск), выпускаемых по ГОСТу 1639-79. Химический состав (%): ^1 – 2,82; ^12О3 – 16,26; Si – 4,90; Mg – 1,74; Fe – 1,70; Mn – 0,15; Zn – 0,64; SO4 – 0,28; Cu – 0,66; Ca – 0,2; Na – 2,42; К – 3,74; Cl – 2,00; Cd – 0,004; Ti – 0,085; Sn – 0,018; рНвод. – 8; цеолит – Хотынецкого месторо^дения (химический состав (%): SiO2 – 72,85; TiO2 – 0,57; ^12О3 – 10,41; Fe2O3 – 3,64; СаО – 1,52; К2О – 1,70). Емкость катионного обмена достигает 600 мэк/100 г, рНвод. – 8,3.

Варианты опыта:

• 1.    Лузга гречихи + дефекат + шлак (60:20:20).

• 2.    Лузга гречихи + дефекат + шлак + цеолит (40:35:10:15).

Опыт заложен в деревянных ящиках размером 50 x 50 x 25 см. Для вермикомпостирования использовали гибрид красного Калифорнийского червя (Eisenia Andrei), который обычно ^ивeт в умеренном климате. Bзрослая особь достигает 8-9 см в длину, 3-5 мм в диаметре и 0,5-1 г массы. Продол^ительность ^изни 16 лет. За год одна пара червей мо^ет дать 3000 особей. Он гермафродит, плодовит, оплодотворение в оптимальных условиях происходит ка^дые семь суток, начиная с 90-го дня ^изни.

В переработанной червями, смешанной с кишечной слизью, зeмле повышается содер^ание кальция, магния, аммиака. Многие соединения переводятся в более доступную форму для растений.

Отобранные образцы вермикомпостов анализировали по общепринятым методикам: микробиологический анализ (Звягинцев Д.Г., 1991) [4], содер^ание валовых и подви^ных форм тя^елых металлов – aтомно-абсорбционным методом (ИСО 8288), (ГОСТ 30178).

Результаты и обсуждение. Исследованиями установлено значительное влияние вермикультуры на валовое содер^ание тя^елых металлов и образование их подви^ных форм. Так, в вермикомпосте нa основе лузги гречихи, дефеката и шлака (60:20:20) содер^ание валового свинца колеблется от 26,23 до 52,88 мг/кг, кадмия – от 2,38 до 5,17. Baловое содер^ание в вермикомпосте тя^елых металлов, таких как медь, изменяется в пределах 101-134 мг/кг, количество цинка составляет 166-423 мг/кг, никеля – 31-70,5 мг/кг, хрома – 18-42,8 мг/кг, марганца – 66-89 мг/кг и содер^ание кобальта изменяется в пределах 1,73-6,58 мг/кг (табл. 1). При этом в вaловом содер^ании свинца, кадмия, меди и цинка нe установлено превышения ПДК по этим металлам для этого вида органических удобрений [5].

Таблица 1 – Baловое содер^ание тя^елых металлов в вермикомпостах (мг/кг) (среднее 2015-2016 гг.)

Вермиком-пост	Pb	Cd	Cu	Zn	Ni	Cr	Co	Mn	Hg	As
лузга гречихи + дефекат + цеолит + шлак (40:35:10:15)	70,81 80,47*	2,78 5,25	76,50 82	335,65 577	57,22 71,70	79,63 28,6	1,68 6,48	105,1 186	0,029	1,82 3
лузга гречихи + дефекат + шлак (60:20:20)	52,88 26,23	2,38 5,17	101,31 134	166,35 423	31,37 70,48	42,80 18,8	1,73 6,58	66,12 89	0,034	0,51 2
ТУ**	750	20	1000	2500
ПДК	250	10	750	750	200	250	24	550	2,1	5,0

Примечание: * – в знaменателе данные 2015 г.; ** – Орлов и др., 1995; Орлов, Садовникова, 1995 [6].

Уменьшение массовой доли лузги гречихи в составе субстрата и введения в него природного цеолита и увеличение доли минеральной компоненты в исходном субстрате приводит к изменению валового содер^ания тя^елых металлов. В составе этого типа вермикомпоста валовое количество свинца увеличивается до 70-80,5 мг/кг и в 1,9 раза превышает валовое количество свинца в вермикомпосте из лузги гречихи с дефекатом. Валовое количество кадмия изменяется в пределах 2,78-5,25 мг/кг, что в среднем за два года исследований составляет 4,02 мг/кг и в 1,2 раза превышает количество кадмия в вермикомпосте, где отсутствует цеолит. Валовое содер^ание цинка остается высоким и колеблется в пределах 335,7-577 мг/кг и превышает в 1,55 раза количество цинка в вермикомпосте с большей в 1,5 раза массовой долей лузги гречихи и в 1,75 раза меньшей массовой долей дефеката в составе субстрата. Содер^ание валовой меди несколько сни^ается и составляет 76,5-82 мг/кг. В содер^ании валовых форм никеля, хрома и марганца наблюдается некоторое увеличение в сравнении с валовым количеством этих металлов в компосте из лузги гречихи, дефеката и шлака примерно в 1,3; 1,7 и 1,87 раза соответственно. Следует отметить, что и в этом виде вермикомпоста не установлено превышения валовых количеств тя^елых металлов относительно предельно допустимых концентраций для этого вида удобрения. По валовому содер^анию исследуемые тя^елые металлы образуют ряд в порядке уменьшения концентрации: Zn>Mn>Cu>Pb>Ni>Cr>Co> Cd>As>Hg для вермикомпоста на основе субстрата из лузги гречихи, дефеката, шлака и цеолита (40:35:15:10). Для вермикомпоста из лузги гречихи, дефеката и шлака (60:20:20) тя^елые металлы по их валовому количеству образуют следующий ряд: Zn>Cu>Mn>Ni>Pb>Cr>Co>Cd>As>Hg.

Количество подви^ных форм исследуемых тя^елых металлов в вермикомпостах резко сни^ается в сравнении с их валовым содер^анием (табл. 2).

Таблица 2 – Содер^ание подви^ных форм тя^елых металлов в вермикомпостах (мг/кг) (среднее 2015-2016 гг.)

Вермикомпост	Pb	Cd	Cu	Zn	Ni	Cr	Co	Mn	Hg	As
лузга гречихи + дефекат + цеолит + шлак (40:35:10:15)	4,16 8,64*	0,53 0,64	2,44 12,0	28,37 18,3	2,75 2,03	3,83 0,28	0,08	62,0 43	не обн.	не обн.
лузга гречихи + дефекат + шлак (60:20:20)	3,57 5,34	0,48 0,42	4,51 7,8	17,20 15,7	1,12 2,41	1,51 0,33	0,09	8,19 44	не обн.	не обн.

Примечание: * – в знаменателе данные 2015 г.

В вермикомпосте из субстрата на основе лузги гречихи в сочетании с дефекатом и шлаком (60:20:20) количество подви^ных форм свинца составило 11,27% от его валового содер^ания в среднем за годы исследований или 4,46 мг/100 г, подви^ность кадмия достигала 13,51% от его валового содер^ания (0,45 мг/100 г), степень подви^ности цинка и меди была примерно одинакова и составила 5,23% по меди и 5,58% по цинку от их валовых количеств (табл. 3).

Таблица 3 – Степень подви^ности форм тя^елых металлов в вермикомпостах (% от валового содер^ания)

Вермикомпост	Pb	Cd	Cu	Zn	Ni	Cr	Co	Mn
лузга гречихи +	6,40*	0,59	7,22	23,33	2,39	2,06	0,08	52,5
дефекат + цеолит + шлак(40:35:10:15)	8,46**	14,68	9,11	5,11	3,71	3,,81	1,96	36,08
лузга гречихи +	4,46	0,45	6,16	16,45	1,77	0,92	0,09	26,09
дефекат + шлак (60:20:20)	141,,4267	13,51	65,,1263	156,,5485	3,48	02,,9929	2,16	2363,,0694

Примечание: * – мг/100 г в среднем за 2015-2016 гг.; ** – % от валового содер^ания.

Степень подви^ности марганца была наибольшей, она достигала 33,64% от валового его количества. Содер^ание подви^ных форм никеля, хрома и кобальта составило 3,48-2,16% от валового содер^ания этих металлов. Такая закономерность в изменении степени подви^ности тя^елых металлов характерна и для вермикомпоста, полученного из субстрата на основе лузги гречихи, дефеката, шлака и цеолита (40:35:15:10). Следует отметить, что наличие цеолита обуславливает сни^ение степени подви^ности свинца на 2,81%, но несколько повышает подви^ность кадмия, меди, марганца и хрома.

По валовому содер^анию в составе вермикомпостов тя^елых металлов выявлен логический ряд в порядке уменьшения их концентрации – Zn>Mn>Cu>Pb>Ni>Cr>Co>Cd>As>Hg. По количеству подви^ных форм тя^елых металлов мо^но составить следующий ряд в порядке убывания их концентрации: Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd>Co для обоих типов исследуемых вермикомпостов [7].

Сочетание в субстрате лузги гречихи с дефекатом, шлаком и цеолитом в значительной степени обусловило изменение микробиологических свойств вермикомпостов. Так, наибольшая численность физиологических групп микроорганизмов установлена в вермикомпосте на основе лузги гречихи, дефеката, шлака и цеолита - 599141,7 x 10 3 КОЕ/г. При этом численность микроорганизмов, использующих минеральные формы азота была практически одинаковой с численностью микроорганизмов, использующих доступное органическое вещество (КОЕ на МП^). Данное соотношение обусловило значение коэффициента минерализации близкое к единице – 1,08. В вермикомпосте на основе лузги гречихи, дефеката и шлака общая численность микроорганизмов незначительно сни^ается, но соотношение групп микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, и микроорганизмов, использующих органические формы азота, увеличивается, что подтвер^дается увеличением коэффициента минерализации до 1,23 (табл. 4). В вермикомпостах на основе лузги гречихи, дефеката, шлака (60:20:20), и особенно в вермикомпосте из лузги гречихи, дефеката, шлака и цеолита (40:35:15:10) установлена уравновешенность процессов минерализации синтеза органических веществ.

Таблица 4 – Численность микроорганизмов в вермикомпостах на основе отходов производства

н I го о, го 00	Численность микроорганизмов в вермикомпостах (10 3 КОЕ/г абсолютно сухого вещества)									р о О 5 ф со Т S S I ° го. ф g ф о 5	I
	ф   ” s Ф т 5 ” о о £ >, го ° < 2 го с ^ I и О ГО 5 ° е	Использующие минеральные формы азота на К^^			Целлюлозоразрушающие на среде Гетчисона				ф о: ф о го ГО Ф I с - го ю 1—
		ф ф 3" ю О	в том числе		ф ф 3" ю О	в том числе
			ф 1— ГО ш	6 го < S		ф 1— ГО ш	J3 ю 1—	6 го < S
1	226872 44,44	278384 54,53	19563 6	82748	5055,3 0,99	643,9	-	4411,4	210,1 0,04	510521,4	1,23
2	283880 47,38	307839 51,38	22529 2	82547	7164,0 1,19	694,6	11,6	6457,8	258,7 0,04	599141,7	1,08

Примечание: 1 – Лузга гречихи +дефекат+шлак (60:20:20); 2 – Лузга гречихи +дефекат+шлак +цеолит (40:35:15:10).

Выво^ы. Внедрение биотехнологического метода переработки отходов производства обеспечивает значительное сни^ение подви^ных форм тя^елых металлов в компостах, повышая тем самым их удобрительные свойства и пригодность их внесения для санации загрязненных тя^елыми металлами почв.

Экологические свойства вермикомпостов определяются составом исходных компонентов, в первую очередь использованием шлака и в меньшей степени использованием цеолита и дефеката.

Доказана возмо^ность использования шлаковых отходов металлургического производства в количестве не более 15-25% от общей массы субстрата для вермикомпостирования.

Микробоценозы вермикомпостов на основе отходов производства и природных цеолитов отличаются ме^ду собой по общей численности микроорганизмов (510,5-599,1 х 106 кл/г) и сбалансированности микробного сообщества по численности аммонификаторов (КОЕМП^) и автохтонных микроорганизмов (КОЕК^^).