Российские ученые нашли способ восстановления почвы после загрязнения тяжелыми металлами

Почвоведы проверили эффективность различных сорбентов для восстановления почв, загрязненных тяжелыми металлами. Выяснилось, что дорогостоящий и сложный для производства гранулированный активированный уголь по эффективности практически не отличается от дешевого и доступного биоугля, который можно производить из сельскохозяйственных отходов. Статья об исследовании, выполненном при поддержке гранта Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликована в журнале Plants.

Тяжелые металлы — самые распространенные загрязнители почв, рассеивающиеся на километры вокруг металлургических заводов и тепловых станций, которые сжигают уголь. Поступая в почву, они образуют множество соединений, среди которых наибольшую опасность несут слабосвязанные («подвижные») соединения — обменные, комплексные и специфически сорбированные формы. Их трудно удалить из почвы, так как они не разлагаются естественным путем и не подвергаются микробной деградации.

В небольших количествах микроэлементы необходимы растениям, и их используют в качестве микроудобрений, но при высоких концентрациях они могут оказывать токсическое действие. Например, избыток тяжелых металлов замедляет всхожесть семян и рост растений, делает их более уязвимыми к болезням. Из почвы по пищевой цепочке загрязняющие вещества передаются другим живым организмам. В организме человека тяжелые металлы накапливаются и становятся причиной возникновения различных болезней.

Восстанавливают загрязненные почвы обычно с помощью сорбентов или специальных стабилизирующих добавок. Эти соединения за счет своей структуры «захватывают» тяжелые металлы и не дают им воздействовать на растения. Однако при выборе сорбента необходимо учитывать не только то, насколько эффективно он способен связывать вредные вещества «в пробирке», но и то, как он ведет себя в почве.

Ученые из Южного федерального университета совместно с коллегой из Тульского государственного педагогического университета имени Л. Н. Толстого  исследовали подвижность в почве меди и цинка — одних из самых распространенных загрязнителей на юге России. Почвоведы провели эксперимент, вырастив яровой ячмень на загрязненных черноземных почвах. Содержание тяжелых металлов превышало в пять и десять раз ориентировочно допустимые концентрации химических веществ: эти концентрации имитировали уровни загрязнения вблизи химических предприятий.

Ученые внесли в сосуды с почвой соли меди и цинка и через определенное время проанализировали, какие соединения образуют эти металлы. Затем авторы исследовали эффективность двух видов сорбентов — гранулированного активированного угля и биоугля, добавляя их по 1%, 2,5% или 5% от массы почвы. После того, как посаженный в сосуды ячмень вырос и созрел, ученые измерили содержание различных соединений меди и цинка в тканях растений и в почвах.

«Мы установили, что после попадания в почву металлов содержание мобильных их соединений — опасных с экологической точки зрения — увеличивается в почве до 57%. Медь в почве образует комплексные формы с органическим веществом, что увеличивает ее биодоступность для растений. Цинк активно усваивается растениями из почвы за счет обменных и специфически сорбируемых соединений. Добавление в почву гранулированного активированного угля и биоугля способствовало снижению содержания в ней слабосвязанных соединений металлов, особенно в наиболее подвижных формах — обменных и комплексных», — рассказала Марина Бурачевская, один из авторов статьи, руководитель проекта по гранту РНФ, ведущий научный сотрудник Южного федерального университета.

Гранулированный активированный уголь, в отличие от других углеродных сорбентов, после температурной обработки сырья проходит стадию активации, которая позволяет получить рекордно большую площадь пор, а значит, и высокую эффективность. Однако из этого же следует высокая стоимость и сложность производства этого сорбента, в отличие от биоугля, который можно производить из сельскохозяйственных отходов с помощью термического разложения. Оказалось, что на эффективность использования сорбентов больше влияла их доза, чем тип.

«Благодаря своей высокопористой структуре сорбенты помогают стабилизировать и инактивировать тяжелые металлы в почве. С их помощью можно предотвратить распространение загрязнения, увеличить плодородие земли и улучшить рост растений. Мы показали, что дорогостоящий и сложный для производства гранулированный активированный уголь по эффективности практически не отличается от дешевого и доступного биоугля», — заключила Марина Бурачевская.

Рисунок: Микроструктура поверхности биоугля (a) и гранулированного активированного угля (b).
Фотографии сделаны с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Источник: Burachevskaya et al. / Plants, 2021