CC BY
32
УДК 631.4, 502.521:504.5 Г. Ф. Рахманова
ВЛИЯНИЕ НАНОСТРУКТУРНОЙ ВОДНО-БЕНТОНИТОВОЙ СУСПЕНЗИИ НА АГРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ
Ключевые слова: нанотехнологии, бентонит, серая лесная почва, девонская нефть, вика посевная.
Установлено увеличение содержания органического углерода до 1,70% и суммы поглощенных оснований на 3,46,1 мг-экв./100 г, снижение гидролитической кислотности на 0,09-0,20 мг-экв./100 г при использовании нано-структурной водно-бентонитовой суспензии и бентонита в почве без загрязнения по сравнению с соответствующими контрольными вариантами. При 3% загрязнении девонской нефтью выявлено уменьшение токсического воздействия углеводородов на некоторые агрохимические свойства серой лесной почвы при применении наноструктурной водно-бентонитовой суспензии и бентонита. Эффективность применения нанострук-турной водно-бентонитовой суспензии была выше, чем бентонита во всех вариантах опыта.
Keywords: nanotechnology, bentonite, grey forest soil, Devonian oil, vetch.
Increasing of content of the organic carbon by 1.70% and sum of absorbed bases by 3.4-6.1 mg Eq./100 g, decreasing of the hydrolytic acidity by 0.09-0.20 mg Eq./100 g was measured after usage nanostructured water-bentonite suspension and bentonite in soil without contamination in comparison with the corresponding control options. The reduction of toxic impact of oil hydrocarbons on some agrochemical soil properties was observed after using nanostructured wa-ter-bentonite suspension and bentonite. Efficiency of applying the nanostructured bentonite-water suspension was higher than the bentonitein all variants of the experiment.
Введение
Нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность на территории Российской Федерации является основным источником загрязнения окружающей среды углеводородами (УВ) и продуктами их переработки [1]. Проблема загрязнения земель УВ остро стоит в Республике Татарстан (РТ), где площадь нефтедобывающих территорий составляет 3492,8 тыс. га (51,5% общей площади республики) [2].
Нефтяное загрязнение оказывает многопрофильное воздействие на биогеоценозы, вызывая быструю отрицательную ответную реакцию. При разливах нефти на длительное время нарушается нормальное функционирование почвенной системы: резко меняется интенсивность и направленность окислительно-восстановительных процессов, ухудшаются агрофизические, агрохимические свойства, снижаются показатели микробиологической активности, что обуславливает потерю плодородия и отчуждение земель из сельскохозяйственного оборота. В зависимости от уровня загрязнения наблюдается деградация растительного покрова и обеднение биологического разнообразия растительного сообщества. Кроме того, УВ нефти и продукты их трансформации способны образовывать токсичные соединения, обладающие канцерогенной, тератогенной и мутагенной активностью. В настоящее время решение проблемы очистки почвенного покрова от загрязнений нефтью относится к числу приоритетных.
Под влиянием физических, биологических, геохимических и других факторов среды происходит естественное самоочищение почвы, однако процесс протекает крайне медленно. В результате возникает необходимость разработки новых и совершенствование существующих технологий восстановления нефтезагрязненных земель.
На сегодняшний день мировая практика проведения рекультивационных работ располагает раз-
личными способами очистки почв от нефти и нефтепродуктов. Большинство из них являются дорогостоящими и сложными в реализации, поэтому особый интерес представляют доступные, эффективные и экономически рентабельные методы, основанные на внесении сорбентов. В этой связи большой практический интерес вызывают широко распространенные в РТ природные минералы с выраженной сорбционной активностью [3].
В литературе представлены данные о применении бентонитов, фосфоритов, цеолитов и др. при мелиорации почв и в качестве удобрений [4, 5, 6]. В.О. Ежковым с соавторами (2014) предложен способ получения наноструктурных минералов, изучены физико-химические свойства, выявлены существенные различия в их строении по сравнению с макроаналогами [7]. В работах А.Х.Яппарова, Л.В. Коваленко (2014), А.КЬ Yapparov et а1. (2015), N.L.Sharonova et а1. (2015) установлен положительный эффект применения полученных наноструктурных минералов при выращивании растений и использовании в качестве мелиорантов [3, 5, 6]. Перспективно изучение наноструктурных минералов в качестве средств для рекультивации загрязненных УВ земель и оценка их воздействия на почвенно-растительные системы.
Целью работы являлось изучение влияния наноструктурной водно-бентонитовой суспензии (НВБС) на агрохимические свойства нефтезагрязненной серой лесной почвы.
Экспериментальная часть
Исследования проводили в полевых условиях на базе опытного поля ФГБНУ «Татарский НИИАХП» в Тюлячинском районе РТ. Объекты исследования -серая лесная почва, девонская нефть, бентонит, наноструктурная водно-бентонитовая суспензия, вика посевная.
Перед закладкой опыта почва имела следующую агрохимическую характеристику: содержание органического углерода - 1,62% по методу Тюрина в модификации ЦИНАО; рН солевой вытяжки (рНсол.) - 6,72 по методу ЦИНАО; гидролитическая кислотность (Нг) - 0,75 мг-экв./100 г почвы по методу Кап-пена в модификации ЦИНАО; сумма поглощенных оснований ^п0) - 29,8 мг-экв./100 г почвы по методу Каппена, щелочно-гидролизуемый азот (Кщел.) -102,0 мг/г по методу Корнфилда; Р2О5 - 136,0 мг/кг и К20 - 116,0 мг/кг по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО.
Бентонит Тарн-Варского месторождения РТ имел следующий химический состав (%): SiO2 -66,6; ТЮ2 - 0,6; А1203 - 17,04; Fe2O3 - 5,5; МпО -0,03; СаО - 0,8; М^О - 1,5; №2О - 0,2; К20 - 2,6; Р2О5 - 0,1; SO3 - 0,4; органический остаток - 5,1. Минеральный состав, %: монтмориллонит - 80,082,0; гидрослюда - 6,0-8,0; каолинит - 6,0 и кварц -5,0-7,0.
НВБС изготовили в Научно-исследовательском инновационно-прикладном центре «Наноматериалы и нанотехнологии» ФГБОУ ВПО Казанского национального исследовательского технологического университета методом ультразвукового воздействия на исходный бентонит при частоте 18,5 кГц (±10%). Наноструктурную форму минерала стабилизировали деионизированной водой в концентрации 1:4 [8].
Исследования проводили при 0 и 3% нефти по схеме: 1) контроль-1 (без растений); 2) контроль-2 (с растениями); 3) внесение бентонита в почву (без растений) в дозе 12 т/га; 4) предпосевная обработка семян бентонитом в дозе 1,25 кг/т; 5) внесение НВБС в почву (без растений) в дозе 0,3 т/га; 6) предпосевная обработка семян НВБС в дозе 1,25 кг/т.
Почвенные образцы анализировали в Испытательном центре ФГБНУ «Татарский НИИАХП».
Результаты и их обсуждение
Углерод входит в состав как органических, так и неорганических соединений почвы, а также может поступать экзогенно. В контрольных вариантах без загрязнения содержание органического углерода в почве составило 1,62-1,63%. При заделке НВБС в почву и предпосевной обработке семян НВБС установлено увеличение содержания органического углерода до 1,68-1,70%. В других вариантах существенных отличий в содержании органического углерода не выявлено.
При применении бентонита в обычном и нано-структурном виде содержание ^ел. увеличивалось на 2,9-10,8% по сравнению с исходной почвой, при этом наибольшие значения были выявлены при использовании НВБС. Содержание подвижного фосфора и обменного калия в почве существенно не изменялось.
По результатам анализов почвенных образцов наблюдали изменение реакции почвенной среды. При предпосевной обработке семян вики посевной НВБС кислотность (рНсол.) составила 6,98 ед., сдвиг показателя в сторону нейтрализации- 0,11 ед., при предпосевной обработке семян бентонитом - 6,99
ед., сдвиг показателя в сторону нейтрализации -0,12 ед. по сравнению с контрольным вариантом с растениями. Также внесение НВБС в почву без растений способствовало сдвигу рН сол. в сторону нейтрализациина 0,17 ед., внесение бентонита - на 0,18 ед. по сравнению с соответствующим контролем.
Гидролитическая кислотность почвенной среды в вариантах использования НВБС и бентонита в качестве средств предпосевной обработки семян была ниже на 0,13 и 0,09 мг-экв./100 г по отношению к контролю с растениями. В случае внесения веществ в почву в качестве мелиорантов величина гидролитической кислотности снизилась к контролю без растений: при НВБС - на 0,20 мг-экв./100 г, при использовании бентонита - на 0,11 мг-экв./100 г.
Применение НВБС и бентонита также способствовало увеличению суммы поглощенных оснований. Наибольшее значение этого показателя было получено в варианте с предпосевной обработкой семян НВБС и составило 31,4 мг-экв./100 г почвы, что выше значения контрольного варианта с растениями на 4,0 мг-экв./100 г; при предпосевной обработке семян бентонитом - 31,3 мг-экв./100 г почвы (выше контроля с растениями на 3,4 мг-экв./100 г). В вариантах заделки в почву сумма поглощенных оснований возросла на 6,1 мг-экв./100 при использовании НВБС и на 3,7 мг-экв./100 при внесении бентонита по сравнению с контролем без внесения изучаемых веществ.
В исследованиях Т.Х. Ишкаева с соавторами (2007) также выявлено положительное влияние бентонитов, создающее благоприятную реакцию почвенной среды, на пищевой, водный и биологический режимы почв, что положительно отражалось на урожаях и качестве продукции [4].
Загрязнение почвы девонской нефтью в дозе 3% сопровождалось существенным изменением параметров почвы. За счет экзогенного поступления значительно возрастало общее содержание органического углерода в серой лесной почве до 3,66-3,84%. Наименьшие показатели были выявлены при использовании НВБС в качестве средства для предпосевной обработки семян, наибольшие - в контроле без растений. Данные о существенном возрастании органического углерода при разливах нефти в почве описаны в работах Н.П. Солнцевой (1998), Е.А. Полян-сковой (2011), Е.В. Просянникова (2012) и др. [9].
Перестройка в нефтезагрязненной почвенной системе обуславливала различие в содержании не только углерода, но и других макроэлементов. При загрязнении нефтью содержание ^ел по вариантам опыта увеличилось на 2,0-16,7%.по сравнению с исходной почвой. Наибольшие значения показателя были выявлены в вариантах с предпосевной обработкой семян НВБС и бентонитом.
Наряду с изменением азотного режима, в нефте-загрязненной почве происходило уменьшение содержания подвижных форм фосфора и обменного калия. Содержание Р2О5 по вариантам опыта снижалось на 6,6-9,6% к исходной почве, К2О - на 10,316,1%. В работе М.Ю. Гилязов с соавторами (2009) приводятся данные о снижении содержания по-
движного фосфора и обменного калия вследствие обволакивания почвенных частиц нефтяной пленкой, затрудняющей переход питательных элементов в почвенный раствор [12].
При нефтезагрязнении изменялись и другие агрохимические свойства серой лесной почвы. Так, в результате нефтяного загрязнения показатель рНсол. повышался с 6,72 до 7,10 единиц, что соответствовало нейтральной и слабощелочной реакции среды. Уменьшение кислотности и появление щелочности Ф.Х. Хазиев (1981) связывает с заменой ионов водорода в почвенном поглощающем комплексе на ионы натрия [10].
В результате нефтезагрязнения снижалась гидролитическая кислотность почв во всех вариантах опыта. В контрольном варианте без растений при 3% нефти значение Hr снизилось на 0,21 мг-экв./100 г; при выращивании вики - на 0,16 мг-экв./100 г по сравнению с соответствующим контролем без загрязнения.
В случае предпосевной обработки семян вики НВБС и бентонитом при выращивании на нефтеза-грязненной почве показатель Hr снизился на 0,06 и на 0,13 мг-экв./100 г к аналогичному варианту без загрязнения; на 0,19 и 0,22 мг-экв./100 г к контролю с растениями при 0% нефти соответственно.
Заделка веществ в загрязненную почву без растений также способствовало снижению гидролитическая кислотности: в случае НВБС - на 0,25 мг-экв./100 г; бентонита - на 0,28 мг-экв./100 г к соответствующему незагрязненному контролю без растений. В сравнении с аналогичными вариантами без загрязнения снижение составило 0,05 мг-экв./100 г при НВБС и 0,17 мг-экв./100 г при внесении бентонита.
При наличии УВ нефти в почве возрастала сумма поглощенных оснований. Наибольшее значение показателя 31,4 мг-экв./100 г отмечено в варианте с применением НВБС как при заделке в почву, так и при предпосевной обработке семян: увеличение к соответствующим контрольным вариантам составило 5,6 и 3,5 мг-экв./100 г. В случае бентонита также выявлено повышение, но в меньшей степени - 5,1 и 3,1 мг-экв./100 г к аналогичным контролям. Подобные тенденции в отношении возрастания суммы поглощенных оснований при загрязнении нефтью установлены в исследованиях Е.А. Полянсковой (2011), С.Ю. Шарковой (2011) и др. [9, 11]. Однако по сравнению с вариантами применения НВБС и бентонита в незагрязненной почве сумма поглощенных оснований была ниже на 0,3-3,1%.
Исходя из полученных данных, применение НВБС было более эффективно в отношении нейтрализации отрицательного действия нефти на агрохимические показатели по сравнению с бентонитом как в случае заделки сорбентов в почву, так и при предпосевной обработке семян. По-видимому, это обусловлено увеличением объема и площади контактной сорбционной поверхности наноструктурно-го бентонита, что способствовало более интенсивному взаимодействию с изучаемыми объектами (почвой, нефтью, семенами растений). В работе Еж-ковой А.М. с соавторами (2015) установлено, что
под действием ультразвука происходило раскидывание крупных частиц бентонита и их измельчение до 5,0-100,0 нм, а также образование активных химических связей в межпакетных пространствах лен-точно-слоистых структур, при этом площадь поверхности возрастала в 5,00-10,0 раз по сравнению с нативной формой [8, 13].Одним из возможных механизмов снижения токсического воздействия УВ на почву, по-видимому, является их сорбция, реализующаяся за счет проникновения молекул поллю-танта в межслоевые пространства наноструктурного бентонита, в то время как свободные химические активные структуры удерживают УВ в его составе.
Заключение
Таким образом, использование НВБС и бентонита как при внесении в почву без загрязнения в качестве мелиорантов, так и при предпосевной обработке семян вики посевной способствовало улучшению некоторых агрохимических свойств серой лесной почвы: увеличилось содержание органического углерода до 1,70% и сумма поглощенных оснований на 3,4-6,1 мг-экв./100 г, снизилась гидролитическая кислотность на 0,09-0,20 мг-экв./100 г по отношению к соответствующим контрольным вариантам. При этом эффективность использования НВБС при заделке в почву в дозе 0,3 т/га была выше, чем бентонита в дозе 12 т/га.
Под влиянием загрязнения девонской нефтью на уровне 3% установлено изменение содержания органического углерода, реакции почвенной среды рНсол., азотного, фосфатного и калийного режимов серой лесной почвы.
Применение бентонита и НВБС (с наилучшими результатами) способствовало улучшению состояния нефтезагрязненной серой лесной почвы по агрохимическим показателям: снизилась гидролитическая кислотность на 0,19-0,28 мг-экв./100 г, увеличилась сумма поглощенных оснований на 3,1-5,6 мг-экв./100 г по сравнению с соответствующими контрольными вариантами. Содержание органического углерода при использовании НВБС в вариантах с загрязнением было наименьшим.
Литература
1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2014 году». - Электрон.дан. - 2014. - URL: http://www.mnr.gov.ru/upload/iblock/b27/gosdoklad_2015. pdf (22.09.2016).
2. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2015 году». - Электрон.дан. - 2015. - URL: http://eco .tatarstan.ru/rus/gosdoklad-2015 .htm(22.09.2016).
3. А.Х. Яппаров, Л.В. Коваленко, Научное обоснование получения наноструктурных и нанокомпозитных материалов и технологии их использования в сельском хозяйстве. Центр инновационных технологий, Казань, 2014. 304 с.
4. Т.Х. Ишкаев, Ш.А. Алиев, И.А. Яппаров, Агроэкологи-ческие аспекты комплексного использования местных сырьевых ресурсов и нетрадиционных агроруд в сельском хозяйстве. Центр инновационных технологий, Казань, 2007. 234 с.
5. A.Kh. Yapparov, L.M.-Kh. Bikkinina, I.A. Yapparov, Sh.A. Aliev, A.M. Ezhkova, V.O. Ezhkov, R.R. Gazizov, Eura-sianSoilScience, 48, 10, 1149-1158 (2015).
6. N.L. Sharonova, A.Kh. Yapparov, N.Sh. Khisamutdinov, A.M. Ezhkova, I.A. Yapparov, V.O. Ezhkov, I.A. Degtyare-va, E.V. Babynin, NanotechnologiesinRussia, 10, 7-8, 651661 (2015).
7. В.О. Ежков, А.Х. Яппаров, Е.С. Нефедьев, А.М. Ежко-ва, И.А. Яппаров, А.П. Герасимов, Вестник Казанского технологического университета, 17, 11, 41-44 (2014).
8. A.M. Ezhkova, A.Kh. Yapparov, V.O. Ezhkov, I.A. Yapparov, N.L. Sharonova, I.A. Degtyareva, N.Sh. Khisamutdinov, L.M.Kh. Bikkinina, Nanotechnologiesin-Russia, 10, 1-2, 120-127 (2015).
9. В.А. Мязин. Дисс. канд. биол. наук, Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН, Апатиты, 2014. 159 с.
10. Ф.Х. Хазиев, Ф.Ф. Фатхиев, Агрохимия, 1, 10, 102-111 (1981).
11. С.Ю. Шаркова, Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского, 1, 25, 610-613 (2011).
12. М.Ю. Гилязов, А.Х. Яппаров, И.А. Гайсин, Приемы рекультивации нефтезагрязненных почв Республики Татарстан, Казань, 2009. 244 с.
13. А.Х. Яппаров, И.А. Дегтярева, И.А. Яппаров, А.М. Ежкова, А.Я. Хидиятуллина, Технология получения экологически безопасной продукции сельского хозяйства при биорекультивации нефтезагрязненных почв аборигенными углеводородокисляющими микроорганизмами и наноструктурированными бентонитами. Центр инновационных технологий, Казань, 2011. 218 с.
© Г. Ф. Рахманова - научный сотрудник отдела почвенной биологии, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения», [email protected].
© G. F. Rakhmanova - researcher of a department of soil biology,Federal state budgetary scientific institution «Tatar scientific research Institute of agricultural chemistry and soil science», [email protected].
