УДК 546.621.631
СОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ПОЧВ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ1
А.И. Везенцев, М.А. Трубицын,
Л.Ф. Г олдовская-Перистая, Н.А. Воловичева
Белгородский государственный университет, 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85
Представлены результаты исследования способности глин Белгородской области поглощать ионы РЬ (II) и Си (II) из водной и буферной почвенных вытяжек. В ходе эксперимента установлено оптимальное соотношение глина: почва, при котором очистка почвы от тяжелых металлов наиболее эффективна.
Ключевые слова: глинистые сорбенты, почва, сорбционная активность, монтмориллонит, тяжелые металлы.
Промышленное использование тяжелых металлов весьма многообразно и распространено широко. Именно потому фитотоксичность и вредная аккумуляция в почвах, как правило, наблюдается вблизи предприятий. Тяжелые металлы накапливаются в верхних гумусовых горизонтах почвы и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Гумус и щелочная среда почвы способствуют поглощению тяжелых металлов. Токсичность таких тяжелых металлов, как медь, свинец, цинк, кадмий и др. для сельскохозяйственных культур в природных условиях выражается в понижении урожая коммерческих культур на полях .
Существует несколько методов рекультивации почв, зараженных тяжелыми металлами и другими поллютантами:
Удаление загрязненного слоя и его захоронение;
Инактивация или снижение токсического действия поллютантов с помощью ионообменных смол, органических веществ, образующих хелатные соединения;
Известкование, внесение органических удобрений, сорбирующих поллютанты и снижающих их поступление в растения.
Внесение минеральных удобрений (например фосфатных, снижает токсическое действие свинца, меди, цинка, кадмия);
Выращивание культур, устойчивых к загрязнению .
В настоящее время в мировой практике для экологического рафинирования плодородных почв все большее применение находят минеральные алюмосиликатные адсорбенты: различные глины, цеолиты, цеолитсодержащие породы и т.д., которые характеризуются высокой поглотительной способностью, устойчивостью к воздействиям окружающей среды и могут служить прекрасными носителями для закрепления на поверхности различных соединений при их модифицировании .
Материалы и методы исследования
Данная работа является продолжением ранее проведенных исследований глин Губкинского района Белгородской области, как потенциальных сорбентов для очистки плодородных почв от тяжелых металлов .
1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 06-03-96318.
В данной работе в качестве сорбентов использовали глины киевской свиты Сергиевского месторождения Губкинского района, различные по вещественному составу и свойствам: К-7-05 (средний слой) и К-7-05 ЮЗ (нижний слой). В качестве объектов очистки были использованы образцы почв К-8-05 и №129, отобранные на территории Губ-кинско-Старооскольского промышленного района. Предварительные исследования показали, что глины Сергиевского месторождения хорошо поглощают ионы меди и свинца из модельных водных растворов . Поэтому дальнейшие исследования были проведены с водной и буферной вытяжкой из почвы.
Водную вытяжку готовили по стандартной методике. Сущность метода заключается в извлечении водорастворимых солей из почвы дистиллированной водой при отношении почвы к воде 1: 5 . Концентрацию ионов металлов определяли фотоколори-метрическим методом на приборе КФК-3-01 по соответствующим методикам для каждого металла .
Буферную вытяжку из почвы готовили по стандартной методике Центрального института агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО) с помощью ацетатно-аммонийного буферного раствора с рН - 4,8. Этот экстрагент принят агрохимической службой для извлечения доступных растениям микроэлементов . Исходная концентрация подвижных, доступных растениям форм меди и свинца в буферной вытяжке была определена методом атомно-абсорбционной спектрометрии.
Сорбцию ионов меди и свинца проводили при постоянной температуре (20 °С), в статических условиях в течение 90 минут. Соотношение сорбент: сорбат составляло: 1: 250; 1: 50; 1: 25; 1: 8 и 1: 5.
Обсуждение результатов
Проведенное исследование водной вытяжки, которую готовили в течение 4-х часов, показало, что концентрация водорастворимых соединений меди незначительна и составляет 0,0625 мг/кг (в пересчете на ионы Си2). Водорастворимые соединения свинца не обнаружены.
Исходная концентрация ионов тяжелых металлов в буферных вытяжках из почв составила: для почвы К-8-05: Си2+ 2,20 мг/кг, РЬ2+ 1,20 мг/кг; для почвы № 129: Си2+ 4,20 мг/кг, РЬ2+ 8,30 мг/кг.
Результаты определения степени очистки почвы К-8-05 глинами К-7-05 (средний слой) и К-7-05 ЮЗ (нижний слой) представлены в таблице 1.
Таблица 1
Степень очистки буферной вытяжки из почвы К-8-05, масс, %
Соотношение сорбент: сорбат Глина К-7-05 (средний слой) Глина К-7-05 ЮЗ (нижний слой)
Си2+ РЬ2+ Си2+ РЬ2+
1: 250 45,5 33,3 54,5 33,3
1: 50 70,5 45,8 68,2 58,3
1: 25 72,3 58,3 79,5 58,3
1: 8 86,4 75,0 87,3 83,3
1: 5 95,5 83,3 95,5 83,3
Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что с увеличением соотношения сорбент: сорбат от 1: 250 до 1: 5 степень очистки буферной вытяжки от ионов меди глиной К-7-05 возрастает от 45,5 до 95,5 %, а от ионов свинца - от 33,3 до 83,3%.
Степень очистки буферной вытяжки глиной К-7-05 ЮЗ с таким же увеличением соотношения возрастала от 54,5 до 95,5 % (для Си2+) и от 33,3 до 83,3 % (для РЬ2+).
К сведению, исходная концентрация ионов меди была больше, чем ионов свинца. Следовательно, очистка буферной вытяжки от ионов меди указанными глинами более эффективна, чем от ионов свинца.
Таблица 2
Степень очистки буферной вытяжки из почвы №129 глиной К-7-05 (средний слой), масс. %
Соотношение сорбент: сорбат Си2+ +
1: 250 39,3 66,7
Примечание: с глиной К-7-05 ЮЗ опыт не был сделан, по причине отсутствия достаточного количества образца.
Результаты, представленные в таблице 2, показывают, что степень очистки буферной вытяжки из почвы №129 глиной К-7-05 с возрастанием соотношения сорбент: сорбат от 1: 250 до 1: 5 увеличивается от 39,3 до 93, 0 % (для ионов меди) и от 66,7 до 94,0 % (для ионов свинца).
Следует обратить внимание, что в этой почве исходная концентрация ионов меди была меньше, чем ионов свинца. Поэтому можно считать, что эффективность очистки от ионов меди данной почвы не хуже, чем почвы К-8-05.
Для уточнения механизма сорбции тяжелых металлов нами была проведена оценка состава и состояния ионообменного комплекса глинистых пород Белгородской области. Установлено, что катионо-обменная емкость изученных образцов варьирует в пределах от 47,62 до 74,51 мэкв/100 г глины.
Проведено комплексное исследование кислотно-основных свойств глин. Определение активной кислотности подтвердило, что все глины имеют щелочной характер. В тоже время рН солевой вытяжки этих же образцов находится в пределах 7,2-7,7, что указывает на обладание этими глинами определенной долей обменной кислотности. Количественно эта величина равна 0,13-0,22 ммоль-экв/100 г глины и обусловлена незначительным содержанием достаточно подвижных обменных протонов. Величина суммы обменных оснований колеблется в достаточно широких пределах 19,6 - 58,6 ммоль-экв/100 г глины. С учетом полученных данных сформулирована гипотеза, что сорбционная способность изученных образцов глин в отношении тяжелых металлов в значительной степени определяется процессами ионного обмена.
Из проведенной работы можно сделать следующие выводы.
С возрастанием соотношения сорбент: сорбат от 1: 250 до 1: 5 степень очистки почв увеличивается: от 40 до 95% (по ионам меди) и от 33 до 94 % (по ионам свинца) при использовании глины Сергиевского месторождения (К-7-05) в качестве сорбента.
Исследованные глины являются более эффективным сорбентом по отношению к ионам меди, чем к ионам свинца.
Установлено, что оптимальное соотношение глина: почва составляет 1: 5. При таком соотношении степень очистки почвы составляет:
Для ионов меди порядка 95 % (мас.)
Для ионов свинца порядка 83,% (мас.)
Список литературы
1. Бингам Ф.Т., Коста М., Эйхенбергер Э. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. - М.:Мир, 1993. - 368 с.
2. Галиулин Р.В., Галиулина Р.А. Фитоэкстракция тяжелых металлов из загрязненных почв // Агрохимия.- 2003.- №3. - С. 77 - 85.
3. Алексеев Ю.В., Лепкович И.П. Кадмий и цинк в растениях луговых фитоценозов // Агрохимия.- 2003.- № 9. - С. 66 - 69.
4. Dayan U., Manusov N., Manusov E., Figovsky O. On lack of interdependency between the abiotic and antropeic factors/// International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE, 2006.-№ 3(35). - P. 34 - 40.
5. Везенцев А.И., Голдовская Л.Ф., Сиднина Н.А., Добродомова Е.В. Зеленцова Е.С. Определение кинетических зависимостей сорбции ионов меди и свинца породами Белгородской области // Научные ведомости БелГУ. Серия Естественные науки.- 2006.-№3 (30), вып.2. - С.85-88
6. Голдовская-Перистая Л.Ф., Везенцев А.И., Сиднина Н.А., Зеленцова Е.С. Исследование валового содержания и содержания подвижных форм кадмия в почвах Губ-кинско-Старооскольского промышленного района // Научные ведомости БелГУ. Серия «Естественные науки».- 2006.-№ 3(23), вып.4. - С.65-68.
7. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства.- М.:ЦИНАО, 1992.-61с.
8. Г осударственный контроль качества вод. - М.: ИПК. Изд-во стандартов, 2001. - 690 с.
SORPTION PURIFICATION OF SOILS FROM HEAVY METALS A.I. Vesentsev, M.A. Troubitsin, L.F. Goldovskaya-Peristaya, N.A. Volovicheva
Belgorod State University, 85 Pobeda Str., Belgorod, 308015 vesentsev@bsu. edu. ru
Results of research of ability of clays of the Belgorod region to absorb ions Pb (II) and Cu (II) from water and buffer soil extracts are presented. During experiment of the optimum ratio clay: ground with most effective purification from heavy metals is established.
Key words: clay sorbents, soil, sorption activity, montmorillonite, heavy metals.
Внесение в почву борной кислоты благодаря участию бора в формировании комплексных соединений металлов с производными полисахаридов пектином и рамногалактуронаномII при формировании сети в матрице клеточной стенки значительно повышает вынос растениямиремедиантами тяжелых металлов из почвы. Существует способ биологической очистки почвы от тяжелых металлов с помощью растенийремедиантов. В предлагаемом способе фиторемедиации в почву вносится борная кислота в низких дозах 0110 кг га что позволяет в десятки раз увеличить вынос...
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
Способ биологической очистки почв от тяжелых металлов.
1. Краткое описание разработки.
Внесение в почву борной кислоты, благодаря участию бора в формировании комплексных соединений металлов с производными полисахаридов пектином и рамногалактуронаном-II при формировании сети в матрице клеточной стенки, значительно повышает вынос растениями-ремедиантами тяжелых металлов из почвы. Этот принцип использован при разработке способа фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами. Способ разработан для защиты и восстановления природных ресурсов, является экологически чистым, мало-затратным.
2. Преимущества разработки и сравнение с аналогами.
Существует способ биологической очистки почвы от тяжелых металлов с помощью растений-ремедиантов. В предлагаемом способе фиторемедиации в почву вносится борная кислота в низких дозах (0,1-1,0 кг/га), что позволяет в десятки раз увеличить вынос растениями-ремедиантами тяжелых металлов из загрязненной почвы и регулировать вынос из почвы определенных металлов.
3. Области коммерческого использования разработки.
Фиторемедиация загрязненных тяжелыми металлами почв с использованием борной кислоты до целевых критических значений: 1) в сельском хозяйстве (для земледелия, садоводства, животноводства); 2) в ландшафтном строительстве (для рекреационного землепользования); 3) в городском хозяйстве (для организации зон отдыха на восстановленных территориях); 4) на особо охраняемых природных территориях (для обеспечения условий существования редких и исчезающих видов).
4. Форма защиты интеллектуальной собственности.
Получен Патент на изобретение № 2342822 «Способ биологической очистки почв от тяжелых металлов» от 10.01.2010 г.
Разработчик ФГБУН ИЛ КарНЦ РАН.
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 19057. | Определение массовой доли тяжелых металлов в пробах почв Тульской области | 345.6 KB | |
| Состояние окружающей природной среды является важнейшим фактором определяющим жизнедеятельность человека и общества. Высокие концентрации многих химических элементов и соединений обусловленные техногенными процессами обнаружены в настоящее время во всех природных средах: атмосфере воде почве растениях. Почва - особое природное образование обладающее рядом свойств присущих живой и неживой природе; состоит из генетически связанных горизонтов образуют почвенный профиль возникающих в результате преобразования поверхностных... | |||
| 12104. | Способ очистки почв от нефтепродуктов | 17.65 KB | |
| Разработан биотехнологический метод очистки и ремедиации почв при нефтехимическом загрязнении. Определены периоды очищения почв высоких широт от некоторых нефтепродуктов: газового конденсата дизельного топлива мазута машинного масла. Очищение окультуренной подзолистой почвы агрозем от легких углеводородов происходит в течение одного вегетационного периода. | |||
| 5040. | Изучение экологической обстановки в местах проживания населения посредством обнаружения ионов тяжелых металлов в растениях, как маркера экологического благополучия | 38.04 KB | |
| В большинстве случаев речь идет о поглощении малых доз свинца и накоплении их в организме пока его концентрация не достигает критического уровня необходимого для токсического проявления. Пища является доминирующим источником поступления свинца в организм человека во всех возрастных группах населения. Важным источником поступления свинца в организм младенцев и детей младшего возраста может быть отравленный организм матери в следствие молоко или же попадание в организм пищи содержащей загрязненную почву пыли или старой свинцовой... | |||
| 12178. | Способ очистки вод от нефти и нефтепродуктов | 17.17 KB | |
| Изобретение относится к очистке сточных вод от нефти и нефтепродуктов. Он отличается тем что иммобилизация бактерий флокулами происходит непосредственно в очищаемой воде а бактерии для очистки воды от нефтепродуктов выделяются из местных природных сред загрязненных нефтепродуктами для повышения сорбционной емкости. Предлагаемый способ позволяет достигнуть ПДК нефтепродуктов для рыбохозяйственных водоемов. | |||
| 12011. | Порошковые препараты наночастиц благородных металлов и способ их получения | 23.55 KB | |
| В общем случае методы синтеза наночастиц благородных металлов делятся на две категории: методы основанные на диспергировании объемного образца и методы основанные на синтезе коллоидных частиц из солей и или кислот с использованием химических восстановителей или облучения. Вне зависимости от способа получения препараты наночастиц благородных металлов представляют собой водные суспензии которые имеют ограниченный срок хранения. Реализация данного подхода предусматривает следующие основные этапы: синтез наночастиц стабилизацию биосовместимым... | |||
| 13336. | Определение содержания кислоторастворимых форм металлов (свинец, медь, цинк, никель, железо) в пробах почв Тульской области методом атомно-абсорбционной спектроскопии | 343.76 KB | |
| Высокие концентрации многих химических элементов и соединений обусловленные техногенными процессами обнаружены в настоящее время во всех природных средах: атмосфере воде почве растениях. Почва особое природное образование обладающее рядом свойств присущих живой и неживой природе; состоит из генетически связанных горизонтов образуют почвенный профиль возникающих в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под совместным воздействием воды воздуха и организмов... | |||
| 19135. | Оценка состояния плодородия почв и динамики изменения агрохимических показателей, проведение крупномасштабного агрохимического обследования почв хозяйства «Хомутинка» Нижнеомского района Омской области | 23.02 MB | |
| Очень низкие объемы применения минеральных и органических удобрений, прекращение работ по химической мелиорации, продолжающаяся эрозия, упрощение рекомендуемых обработок почвы, использование тяжелой сельскохозяйственной техники ведут к усилению деградации почв. В отдельных случаях плодородие пахотных земель приближается к критическому уровню, что в конечном итоге отрицательно сказывается на эффективности растениеводства. | |||
| 3781. | Индивидуальные и коллективные средства радиационной, химической и биологической защиты | 163.76 KB | |
| Средства индивидуальной и коллективной защиты предназначены для сохранения боеспособности личного состава и обеспечения выполнения боевых задач в условиях применения противником оружия массового поражения, а также в условиях воздействия неблагоприятных и поражающих факторов внешней среды | |||
| 1026. | Разработка предложений по совершенствованию контроля качества тяжелых бетонных смесей на предприятии ООО «ПКФ Стройбетон | 150.4 KB | |
| Во втором разделе описывается существующие технологии контроля качества бетона на различных этапах его использования: при погрузке транспортировке укладке уходе за бетоном. Показатели качества бетона и бетонной смеси. Приготовление бетонной смеси и ее использование в строительстве. | |||
| 12277. | Использование местного функционального сырья для повышения биологической ценности сухарных изделий | 83.84 KB | |
| Использование местного функционального сырья для повышения биологической ценности сухарных изделий Специальность: 5А321001 Технология производства и переработки пищевых продуктов Технология хлебопекарного макаронного и кондитерского производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание академической степени магистра Научный руководитель: к. Бухара 2013 2 Задание по... | |||
Краткое описание
Загрязняющие вещества – это вещества антропогенного происхождения, поступающие в окружающую среду в количествах, превышающих природный уровень их поступления.
Загрязнение почв – вид антропогенной деградации, при которой содержание химических веществ в почвах, подверженных антропогенному воздействию, превышает природный региональный фоновый уровень. Превышение содержания определенных химических веществ в окружающей человека среде за счет их поступления из антропогенных источников представляет экологическую опасность.
Прикрепленные файлы: 1 файл
С расширением экологического контроля состояния почв широко стали применять методы определения содержания кислоторастворимых (1 н. HCI, 1 н. HNO3) соединений ТМ. Нередко им присваивают название «условноваловое содержание ТМ» Применение в качестве реагентов разбавленных растворов минеральных кислот не обеспечивает полного разложения пробы, но позволяет перевести в раствор основную часть соединений химических элементов техногенного происхождения.
К подвижным формам ТМ относят элементы и соединения почвенного раствора и твердой фазы почвы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с химическими элементами почвенного раствора. Для определения подвижных ТМ в почвах в качестве экстрагента применяют слабо солевые растворы, с ионной силой, близкой к ионной силе природных почвенных растворов: (0,01–0,05М СаCI 2 , Са(NO 3) 2 , KNO 3). Содержание потенциально подвижных соединений контролируемых элементов в почвах определяют в вытяжке 1 н. NH4CH3COO при разных значениях рН. Используют этот экстрагент и с добавлением комплексообразователей (0,02–1,0 М ЭДТА).
Для анализа чаще всего отбирают верхние слои почвы (0–10 см), иногда анализируется распределение загрязняющих веществ в почвенном профиле. Верхние горизонты играют роль геохимического барьера на пути потока веществ, поступающих из атмосферы. В условиях промывного водного режима загрязняющие вещества могут проникать вглубь и накапливаться в иллювиальных горизонтах, которые также служат геохимическими барьерами.
Санитарно-гигиеническим критерием качества окружающей среды служит предельно допустимая концентрация (ПДК) химических веществ в объектах окружающей среды. ПДК соответствует максимальному содержанию химического вещества в природных объектах, которое не вызывает негативного (прямого или косвенного) влияния на здоровье человека (включая отдаленные последствия).
Токсическое действие различных химических веществ на живые организмы характеризуют общесанитарным показателем, в качестве которого часто используют показатель ЛД-50 (летальная доза), который показывает массу вещества, поступившего в организм подопытных животных (мышей, крыс) и вызвавшего гибель 50 % из них. Размерность этого показателя – мг вещества/кг массы подопытного животного. Прямые контакты человека с почвой несущественны и происходят опосредованно через другие компоненты: почва – растение – человек; почва – растение – животное – человек; почва – воздух – человек; почва – вода – человек. Определение ПДК в почвах сводится к экспериментальному определению способности этих веществ поддерживать допустимую для живых организмов концентрацию веществ в контактирующих с почвой воде, воздухе, растениях. Именно поэтому ПДК химических веществ для почв устанавливается не только по общесанитарному показателю, как это принято для других природных сред, а еще и по трем другим показателям: транслокационному, миграционному водному и миграционному воздушному.
Транслокационный показатель определяют по способности почв обеспечивать содержание химических веществ на допустимом уровне в растениях (тест-культурами служат редис, салат, горох, фасоль, капуста и др.).
Соответственно миграционный водный и миграционный воздушный определяют по способности почв обеспечивать содержание этих веществ в воде и воздухе не выше ПДК. Однако санитарно-гигиенические нормативы качества почв не лишены недостатков; основной из них состоит в том, что условия модельного эксперимента определения ПДК и естественные условия сильно отличаются.
Одним из этапов решения проблемы экологического нормирования был подход, основанный на определении допустимой нагрузки на почву с учетом ее буферных свойств, обеспечивающих способность почвы ограничивать подвижность поступающих из вне химических веществ, способность к самоочищению. Такие подходы развиваются в России и в других странах.
Но разработать ПДК для каждого типа почв очень трудно. Целесообразна разработка нормативов химических веществ для почвенно-геохимических ассоциаций, объединенных общностью основных физико-химических свойств, определяющих их устойчивость к химическому загрязнению.
На следующем этапе для ряда химических элементов были разработаны ОДК (ориентировочно допустимые концентрации) этих элементов для почв, различающихся по важнейшим свойствам (по кислотности и гранулометрическому составу). Разработаны они были не на основе стандартизованного экспериментального метода, а на обобщении имеющихся сведений о взаимосвязи между уровнем нагрузки на почвы, состоянием почв и сопредельных сред.
Таблица 3
Список основных химических веществ, загрязняющих почву, для которых определены предельно допустимые концентрации
Вещества |
ПДК в почве, мг/кг |
Класс опасности |
Марганец |
||
Формальдегид |
||
Бенз(а)пирен |
||
Ацетальдегид |
||
4 Методы очистки почвы от тяжелых металлов
На способности переводить металлы в подвижную форму основаны методы очистки почв промывкой, экстракцией, химическим выщелачиванием, электродиализом, электрокинетической обработкой. Металлы удаляются из почвы в виде растворов, которые перерабатываются методами ионного обмена, реагентного осаждения, упаривания, мембранного разделения, электрохимического осаждения, электродиализа с получением твердых остатков с малым объемом, подходящим для размещения на свалках, местах захоронения вредных веществ.
При выборе метода извлечения металлов учитывают их количество в почве, состав и дисперсность твердой фазы. Металлы, которые находятся в обменной форме, извлекаются растворами солей, связанные с карбонатами-растворами кислот, с оксидами железа и марганца-химическими восстановителями, с органическим веществом-растворами комплексообразователей, в виде сульфидов-химическими окислителями.
В биологических методах повышения подвижности тяжелых металлов для их извлечения из почвы используют микроорганизмы и растения. Подвижность металлов повышается:
- в результате биоминерализации органических веществ, содержащих металлы.
- в ходе окислительных реакций, протекающих с участием микроорганизмов в процессах биовыщелачивания;
- в результате изменения рН, Еh почвенной среды при протекании биологических процессов;
- при образовании растворимых комплексов металлов с органическими веществами, синтезируемыми и выделяемыми микроорганизмами и корнями растений;
- при биовосстановлении металлов органическими веществами в аноксигенных условиях;
- в результате перевода металлов в летучую форму при метилировании и трансалкилировании.
Фиксированиие тяжелых металлов почвой понижает их доступность для растений, миграцию по пищевым цепям.
Один из вариантов снижения биодоступности тяжелых металлов-внесение в почву сорбентов.
Из различных сорбентов природного и искусственного происхождения используются цеолиты, бентониты, красная глина, зола, фосфаты, торф, навоз, компост, прудовый ил, биомасса микроорганизмов на различных носителях, отходы шерсти, шелка, отходы, содержащие таннин и клетчатку. Общие требования к сорбентам: рН 6,0-7,5,доступные и относительно дешевые.
В одной из технологий,названной Bio Metal Sludge Reactor (BMSR), разработанной для очистки почв, ила, твердых отходов, используются бактерии Ralstonia metallidurans. Бактерии солюбилизируют металлы с помощью синтезируемых веществ-сидерофоров и сорбируют металлы на клеточной поверхности с помощью индуцируемых металлами белков внешней мембраны, полисахаридов и пептидогликанов клеточной стенки. Бактерии устойчивы к тяжелым металлам. Металлы удаляются из клетки путем антипорта с протонами, что приводит к накоплению ионов ОН - в периплазматическом пространстве, защелачиванию внешней среды и образованию карбонатов и бикарбонатов. Ионы металлов, экспортированные из цитоплазмы, образуют на клеточной поверхности и вокруг клетки карбонаты и бикарбонаты в пересыщенных концентрациях и кристаллизуются на клеточно-связанных металлах, служащих центрами кристаллизации. Это приводит к высокому соотношению металла и биомассы (от 0,5 до 5,0). Такие бактерии удаляют металлы из раствора в поздней фазе экспоненциального роста или в стационарной фазе роста, что удобно для извлечения металлов из контаминированных почв методами ex situ. Бактерии имеют особые свойства, которые обуславливают низкую скорость осаждения бактериальных клеток по сравнению с органическими и глинистыми частицами почвы. Это позволяет разделять почвенные частицы и клетки с поглощенным металлом методом осаждения. Бактерии с сорбированными металлами, находящиеся после разделения в водной фазе, легко удаляются из последней флотацией или флокуляцией.
5 Общие сведения о Ralstonia metallidurans
Рис.1 Изображение Ralstonia metallidurans
Структура клетки и метаболизма
R. Metallidurans- грамотрицательные бактерии, имеющие форму жезла. Таким образом, они имеют структурные особенности грамотрицательных бактерий, такие, как стенки ячеек, содержащих пептидогликан, внешние мембраны, содержащие пластинки и периплазматическое пространства.
R. metallidurans имеет возможность использовать различные субстраты как источник углерода. Он может расти автотрофно, используя молекулярный водород как источник энергии и углекислый газ в качестве источника углерода. Кроме того, в присутствии представителей нитрата, он может расти анаэробно. Они не растут на фруктозе и его оптимальная температура роста-30 C.
Экология
За счет своей способности выдерживать действие токсичных металлов, было изучено использование этой особенности в областях биологического восстановления.
Патология
Было установлено, что R.metallidurans не является для человека патогенной.
Применение в биотехнологии
В R. metallidurans была обнаружена способность производить ферменты, которые могут быть использованы в создании топливных элементов. Эти ферменты способны окислять водород, что в конечном итоге может привести к производству электроэнергии.
6 Технология очистки почвы от тяжелых металлов
При проведении очистки по технологии BMSR загрязненная почва вносится в реактор проточного типа с мешалкой, в который подается вода и питательные вещества (ацетат-5г/л, азот-0,5г/л, фосфор-0,05г/л), вносятся бактерии (в количестве 10 8 кл/мл). Почва предварительно фракционируется для удаления крупных агломератов, дебриса и т.п. Размер частиц в реакторе должен быть не более 2 мм. Показатель рН поддерживается на уровне 7,2. Гидравлическое время пребывания в реакторе составляет от 10 до 20 часов.
В ходе обработки загрязняющие металлы переносятся из почвенных частиц на бактериальные стенки. После обработки в реакторе шлам осаждается в отстойнике, в который добавляется вода. В присутствии бактерий частицы почвы имеют хорошие седиментационные свойства и осаждаются в отстойнике в течение 1-2 часов. Содержащие металлы бактерии остаются в суспензии, которая из отстойника поступает в осадительный танк (декантатор). Внего добавляется флокулянт, после чего осадок биомассы может быть обезвожен и высушен. Содержание металлов в биомассе бактерии составляет: Zn-8-25, Pb-3-5, Cd-0,16-0,25. Эта биомасса может быть сожжена пирометаллургической обработкой с получением золы с высоким содержанием металлов, которые могут быть извлечены выщелачиванием, или с последующим складированием золы на местах захоронения. Содержание тяжелых металлов в очищенной почве уменьшается в 5-10 раз. Почва, обработанная бактериями при нейтральном рН по технологии BMSR, может быть использована повторно. Отработанная вода содержит очень низкие концентрации металлов и может быть рециркулирована.
Расчет процесса биоремедиации почвы от тяжелых металлов.
С участка площадью 6 га были взяты пробы почвы с глубины 9 см (0,09 м). Содержание свинца составляет 50 мг/кг.
1.Определение объема загрязненной почвы.
V п = S п × Н
V п = 6000 м 2 × 0,09 = 540 м 3
2.Вес загрязненной почвы.
Р п = V п × d
Р п = 540 м 3 × 1,2 т/м 3 = 648 т
3.Общий вес тяжелых металлов.
1 кг почвы - 2,5 г ТМ
1 т почвы - 2500 кг ТМ
640 т почвы – х кг ТМ
х = 640 т × 2,5 т = 320 т
ИБЕ микроорганизмов Ralstonia metallidurans составляет 8 м 3 /т ТМ.
х м 3 – 640 т
Устанавливаем количество амофоса.
Для 1 т ТМ – 24 кг АМФ
Р АМФ = 320× 24 =7680 кг АМФ
Растворимость АМФ = 18 кг/м 3 .
Объем воды.
1 м 3 Н 2 О – 18 кг АМФ
х м 3 Н 2 О -104,8 кг
V в = 104,8 /18 = 5,82 т
7680 т + 5,82 т = 7686 т
Выбор участка
Боронование почвы
Транспортировка на ремедиацию
Измельчение до 2 мм
Бактерии
Погрузка в биореактор
Питательные вещества
Отстаивание
Флокулянт
Декантатор
Обезвоживание
Пирометаллургическая обработка
Складирование на местах захоронения
Рис.2 Технологическая схема биоремедиации почвы от тяжелых металлов.
Способы очистки почв от загрязнений подразделяют на физические, химические, физико-химические и биохимические.
Рассмотрим один из видов очистки - биохимические. Этот вид очистки становиться всё более популярным. В свою очередь данный метод делиться на следующие виды: биовентилирование, грибковые технологии, использование ила, фиторемедиацию .
Биовентилирование
Биовентилирование используется за рубежом для удаления из почв нефти и нефтепродуктов. В теле загрязненного грунта бурятся скважины, в которые подается воздух. Этот метод увеличивает скорость биологического разложения, которая сдерживается недостатком кислорода в грунте. Так же метод может сочетаться с технологией откачки грунтовых испарений. В таком варианте часть скважин может использоваться для закачки воздуха, а остальная часть наоборот для откачивания образовавшихся испарений и далее идет очистка от летучих загрязняющих веществ .
Грибковые технологии
При грибковом методе очистки почв от загрязнений производят заселение различными грибковыми культурами. Этот способ пригоден для разрушения тех токсических веществ, которые трудно разлагаются, в том числе полиароматические, углеводороды типа полихлорированных дефинилов. Метод так возможен и в принципе продолжается в зимних условиях. Происходит снижение концентрации.
Метод может нести смешанный характер. Например в США разработан метод восстановления почв носит комбинированный характер, который включает в себя биохимические и физические методы очитки. При этом сам процесс идёт в несколько стадий .
Использование ила
Данный вид очистки относят к сельскому хозяйству. При этом метод используется для очистки разливов нефти и нефтепродуктов.
Состав содержит нефтеокисляющие микроорганизмы, удобрение и адсорбент. В качестве нефтеокисляющих микроорганизмов используют активный ил. В качестве удобрения используют навоз и производят рыхление загрязненной почвы.
Данный вид очистки позволяет достигать экологически чистый состав для очистки почвы, при этом происходит повышение экономичности метода.
Существуют некоторые недостатки метода: узкая область применения, происходит очищение только поверхностного слоя почвы, проведению метода мешают повышенные температуры, сложность состава и его начальное приготовления и сложность в выборе состава компонентов их соотношения .
Фиторемедиация
Фиторемедиация - (в переводе с греческого «фитон» - растение, и талинского «ремедиум» - восстанавливать) способ очистки почв с помощью зелёных растений .
Для того чтобы обезвредить почву от различных видов загрязнителей (например от тяжелых металлов), используют различные микроорганизмы.
Но они не способны удалять из почвы тяжелые металлы.
Лучше всего извлекают из почвы и накапливают в своих тканях тяжелые металлы - зелёные растения. После растительность можно сжечь, а остатки пепла захоронить или использовать в качестве вторичного сырья.
Метод имеет большую эффективность и экономически выгоден. Но это выяснилось уже после, как обнаружили растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов, которые имеют способность накапливать в своих листьях элементы. При проведении расчетов выяснилось, что гипераккумуяторы в десять раз больше способны накапливать тяжелые металлы, чем обычные растения.
Использовать растения-гипераккумуляторы начали в начале 80-х годов. Но при этом существовали сложности метода в том, что биомасса этих растений была невелика и в том, что не была разработана технология выращивания.
Большую часть дикорастущих растений-гипераккумуляторов относят к семейству крестоцветных (капуста, горчица).
Но многие тяжелые металлы растения плохо усваивают. Потому что тяжелые металлы находятся в виде малорастворимых соединений.
Но проблему удалось решить уже после, когда обнаружили, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют вещества, образующие с металлами устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Но человек, к сожалению, еще мало знаком с механизмом накопления тяжелых металлов.
Успешные эксперименты с веществами стимуляторами предполагают, что растения усваивают малорастворимые соединения тяжелых металлов в результате того, что их корневая система выделяет в почву природные вещества-комплексообразователи (например, фитосидерофоры).
Но лучше всего изучены фитосидерофоры ячменя и кукурузы - это кислоты. Предполагается, что в роли фитосидерофоров играют белки, которые способны связывать тяжелые металлы и делать тем самым доступными для растений.
Для того чтобы тяжелые металлы стали доступными для растений необходимо, чтобы в мембранах корневых клеток был повышен фермент редуктаза. Так же для доступности тяжелых металлов немалую роль может играть и корневая микрофлора.
Механизм переноса тяжелых металлов из корневой части растения в наземные, меньше всего изучен. Одно ясно, что малорастворимые соли тяжелых металлов перемещаются по сосудистой системе в виде комплексных соединений (например, с органическими кислотами).
Перспектива развития метода фиторемедиации возможно ожидать тогда, когда при помощи методов генной инженерии будут созданы такие растения, которые будут способны более эффективно накапливать в себе тяжелые металлы .
При загрязнении почв и растительности тяжелыми металлами используют такие приемы :
1) Ограничение поступления тяжелых металлов в почву . При планировании применения удобрений, мелиорантов, пестицидов, осадков сточных вод необходимо учитывать содержание в них тяжелых металлов и буферную емкость используемых почв. Ограничение доз, обусловленное экологическими требованиями, является необходимым условием экологизации земледелия.
Поступление тяжелых металлов в растения может быть уменьшено за счет изменения питательного режима, при создании конкуренции за поступление в корни токсикантов и катионов удобрений, при осаждении тяжелых металлов в корне в виде труднорастворимых осадков.
2) Удаление тяжелых металлов за пределы корнеобитаемого слоя достигается следующими приемами:
Удалением загрязненного слоя почвы;
Засыпкой загрязненного слоя чистой землей;
Выращиванием культур, поглощающих ТМ и удалением с поля их растительной массы;
Промывкой почв водой и водорастворимыми (чаще органическими) соединениями, образующими с тяжелыми металлами водорастворимые комплексные соединения, в качестве органических лигандов используют продукты из отходов с/х производства;
Промывкой почв раствором для выщелачивания ТМ из верхних горизонтов на глубину 70-100 см и затем осаждения их на этой глубине, в виде трудно растворимых осадков (за счет последующей промывки почв реагентами, содержащими анионы, образующие с тяжелыми металлами осадки).
3) Связывание ТМ в почве в малодиссоциируемые соединения . Уменьшение поступления тяжелых металлов в растения может быть достигнуто их осаждением в почве в виде осадков карбонатов, фосфатов, сульфидов, гидроокисей; с образованием малодиссоциирующих комплексных соединений с большой молекулярной массой. Наилучшим способом, обеспечивающим существенное снижение содержания тяжелых металлов в растениях, является совместное внесение навоза и извести. Наиболее эффективными мероприятиями, приводящими к снижению подвижности свинца в почвах, является глинование (внесение цеолита) и совместное внесение извести и органических удобрений. Применение полного комплекса химических мелиорантов (органических и минеральных удобрений, извести и органики) на 10-20% снижает в почве содержание поливалентных металлов.
4) Адаптивно-ландшафтные системы земледелия, как фактор оптимизации экологической обстановки при загрязнении почв ТМ.
Различные виды и сорта культур накапливают в растительной продукции неодинаковое количество ТМ. Это обусловлено селективностью к ним корневых систем отдельных растений и особенностью их процессов метаболизма. ТМ в большей степени накапливаются в корнях, меньше в вегетативной массе и генеративных органах. При этом отдельные группы культур селективно накапливают и определенные токсиканты. Подбор культур для выращивания на почвах определенной степени и характера загрязнения является наиболее простым, дешевым и достаточно эффективным способом оптимизации использования загрязненных почв.
Фиторемедиация
Микроорганизмы не способны удалять из почвы и воды вредные для здоровья людей тяжелые металлы (мышьяк, кадмий, медь, ртуть, селен, свинец, а также радиоактивные изотопы стронция, цезия, урана и другие радионуклиды. Растения способны извлекать из окружающей среды и концентрировать в своих тканях различные элементы. Растительную массу не составляет особого труда собрать и сжечь, а образовавшийся пепел или захоронить, или использовать как вторичное сырье.
Метод очистки окружающей среды с помощью растений был назван фиторемедиацией – от греческого "фитон" (растение) и латинского "ремедиум" (восстанавливать).
Фиторемедиация - комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений.
История
Первые простейшие методы очистки сточных вод - поля орошения и поля фильтрации - были основаны на использовании растений.
Первые научные исследования были проведены в 50-х годах в Израиле, однако активное развитие методики произошло только в 80-х годах XX века.
Растение воздействует на окружающую среду разными способами, основные из них:
· ризофильтрация - корни всасывают воду и химические элементы необходимые для жизнедеятельности растений;
· фитоэкстракция - накопление в организме растения опасных загрязнений (например, тяжёлых металлов );
· фитоволатилизация - испарение воды и летучих химических элементов (As, Se) листьями растений;
· фитотрансформация:
1. фитостабилизация - перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму (снижает риск распространения загрязнений);
2. фитодеградация - деградация растениями и симбиотическими микроорганизмами органической части загрязнений;
· фитостимуляция - стимуляция развития симбиотических микроорганизмов, принимающих участие в процессе очистки. Главную роль в деградации загрязнений играют микроорганизмы. Растение является своего рода биофильтром, создавая для них среду обитания (обеспечение доступа кислорода, разрыхление грунта. В связи с этим, процесс очистки происходит также вне периода вегетации (в нелетний период) с несколько сниженной активностью.
