Оценка содержания тяжелых металлов в подзолистой почве различного гранулометрического состава при внесении активного ила как основы наноудобрения (отход целлюлозно-бумажной промышленности)

ВВЕДЕНИЕ                                промышленность занимает ведущее место, при этом потребляет 18% заготовленного древесного сырья,

На сегодняшний день в составе лесопромыш-   а доля ее продукции в составе товарной продукции ленного комплекса России целлюлозно-бумажная лесного комплекса составляет 42,0% [1]. В то же

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ время функционирование данной промышленности сопровождается образованием различных отходов, а также выбросами и сбросами загрязняющих веществ в окружающую среду. Загрязнение природы целлюлозно-бумажными предприятиями влияет на промышленность, сельское, лесное, рыбное и жилищно-коммунальное хозяйство, а также здоровье населения.

Ситуацию, сложившуюся с обращением с отходами, можно определить как критическую. Ежегодно в России образуется до 7 млрд. т отходов, и лишь 2 из них используются как вторичное сырье, при этом отходы целлюлозно-бумажной промышленности составляют 15% [2]. Одним из видов отходов является активный ил, формирование которого происходит в результате биологической очистки промышленных стоков на предприятиях целлюлознобумажной промышленности, который, как правило, складируется в отстойниках. В состав активного ила входят микроорганизмы, минеральные частицы, органические остатки, белки, азот и фосфор [3, 4].

В то же время в мировой практике ведения сельского хозяйства накопилось определенное количество проблем, вызванных ростом численности населения, изменением климата, деградацией почвенного покрова, снижением урожайности сельскохозяйственных культур, использованием синтетических удобрений, усложняющих ситуацию. Для решения данных проблем предлагается применение нанотехнологий, направленных на поддержание устойчивого сельского хозяйства путем производства удобрений по индивидуальному заказу с запланированными свойствами. Применение нанотехнологий в виде наноудобрений представляет собой инновационную, эффективную и экологически чистую альтернативу синтетическим удобрениям. Такие удобрения используются для улучшения питания растений, повышения эффективности использования питательных веществ, а также улучшения микробиома и плодородия почвы [5–7].

Механизм работы наноудобрений основан на том, что питательные вещества, применяемые отдельно или в комбинации, связываются с наноразмерными адсорбентами, которые высвобождают питательные вещества очень медленно по сравнению с обычными удобрениями [8, 9]. Основными составляющими компонентами таких удобрений могут быть водоросли [10, 11], биоуголь [12, 13], остатки биомассы растений [14, 15], биополимеры [16], остатки сточных вод, однако к их использованию необходимо подходить с осторожностью, поскольку они могут содержать высокие концентрации тяжелых металлов [17–19].

В рамках рационального использования природных ресурсов и вторичного использования от-

ходов благодаря своему составу активный ил при определенных технологических решениях возможно использовать для производства наноудобрений, поскольку он уже является основой для создания различных почвогрунтов и биопрепаратов [20–22]. Однако иногда в составе активного ила могут содержаться токсичные соединения, тяжелые металлы, патогены, которые могут оказать отрицательное влияние на плодородие почвы и жизненное состояние растений [23, 24]. В связи с чем целью наших исследований явилось изучение влияния внесения активного ила в качестве удобрения на содержание тяжелых металлов в подзолистой почве различного гранулометрического состава, находящейся в сельскохозяйственном использовании.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Исследования проводились в условиях модельного опыта в вегетационных сосудах. Предварительно высушенный до воздушно-сухого состояния гумусово-аккумулятивный горизонт пахотной подзолистой почвы различного гранулометрического состава (глинистый, суглинистый, песчаный) просеяли через сито диаметром 1 мм, далее в дозах 1; 2,5; 5 и 10% от веса сухой почвы (1 кг) вносили отход целлюлозно-бумажной промышленности – активный ил – и тщательно перемешивали. После почву увлажняли до уровня 70% от полной влагоемкости и инкубировали при постоянной температуре (23оС) и периодическом перемешивании в течение 90 суток. Отбор проб на определение валовых и подвижных форм тяжелых металлов (Fe, Mn, Cu, Zn, Ti, Al, Ni, Co, Cr, Pb, Cd, Mo) был проведен по завершении инкубации.

Определение валового содержания тяжелых металлов проводили атомно-абсорбционным методом с измерением на спектрофотометре АА-7000 (Shimadzu, Япония), подвижных форм – с использованием ацетатно-аммонийного буферного раствора методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой [25].

Предельно допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве приводятся согласно Постановлению…(2021).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Особенности природно-климатических условий Республики Карелия способствовали формированию большого разнообразия почв, среди которых преобладают примитивные слаборазвитые, подзолистые, дерновые, болотные и аллювиальные. Подзолистые почвы являются наиболее распространенными,

СИСТЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ и, в свою очередь, они подразделяются на две группы в зависимости от гранулометрического состава: сформировавшиеся на песках, супесях и на суглинках, глинах. В целом подзолистые почвы характеризуются кислой реакцией среды и низким естественным плодородием, но, несмотря на это, активно используются под пашню. Распахивание и окультуривание подзолистых почв в первую очередь приводит к резкому снижению содержания органического вещества. Происходит вынос с урожаем и вымывание в нижележащие горизонты элементов минерального питания растений (азота, подвижных форм фосфора и калия), что приводит к необходимости их регулярного внесения в почву в виде удобрений. В качестве альтернативных источников органических и минеральных удобрений в регионе используется навоз крупного рогатого скота, а в последнее время рассматриваются варианты применения отходов деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной

промышленности, одним из которых и является активный ил [23].

Анализ содержания валовых форм тяжелых металлов (Fe, Mn, Cu, Zn, Ti, Al, Ni, Co, Cr, Pb, Mo) по всем вариантам опыта в подзолистой почве различного гранулометрического состава (глинистый, суглинистый, песчаный) и различных дозах внесения активного ила показал, что существенного увеличения, а также превышения предельно или ориентировочно допустимых концентраций не произошло. Исключение составило только содержание Cd, относящееся к первому классу опасности, где итоговая концентрация по всем вариантам превышало ПДК с максимальным значением в 2,5 раза (табл. 1). Повышение содержания Cd во всех вариантах опыта зависело от дозы внесения активного ила, при этом коэффициент корреляции составил для глинистой подзолистой почвы – 0,6; для суглинистой – 0,9 и для песчаной – 0,6. Однако следует отметить, что

Таблица 1

Изменение содержания валовых форм тяжелых металлов в подзолистой почве различного гранулометрического состава