Фиторемедиация тяжёлых металлов осадков сточных вод сельскохозяйственными культурами в агроэкосистемах с лёгкими дерново-подзолистыми почвами

Фиторемедиация тяжёлых металлов осадков сточных вод сельскохозяйственными культурами в агроэкосистемах с лёгкими дерново-подзолистыми почвами

Н.К. Сюняев, к.б.н, профессор, М.В. Тютюнькова, к.б.н, О.И. Сюняева, к.б.н., профессор, Калужский филиал ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА; А.В. Филиппова, д.б.н, профессор ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Нетрадиционные виды удобрений находят всё большее применение в сельскохозяйственном производстве, и особенно, осадки сточных вод разного генезиса [1]. Это важный момент в соблюдении природных циклов. Осадки сточных вод (ОСВ) отличаются своим разнообразным химическим составом, в том числе содержанием тяжёлых металлов (ТМ). Также известно о специфическом воздействии на организмы различных видов и концентраций ТМ. В настоящее время накоплен обширный материал по способности разных культур поглощать тяжёлые металлы (ТМ), однако недостаточно информации о транслокации ТМ ОСВ в различные растения при увеличении содержания ТМ в почве и изменении её химических, физических и биологических свойств. При наличии такой информации можно маневрировать культурами на почвах с использованием осадков сточных вод с целью получения экологически безопасной продукции [2, 3].

Накопление ТМ в растениях зависит от буферных и сорбционных способностей почв и от толерантности самих растений, т. е. их способности связывать ТМ в конъюгаты в вегетативных органах, в том числе и в корневых системах, и переводить соединения металлов в физиологически неактивное состояние. Диапазон толерантности растений зависит от видовой принадлежности, свойств и токсичности металла. Возможно приоритетными факторами, снижающими содержание ТМ в растениях, являются защитные механизмы, которые формируются в культурах [4].

Количественной характеристикой способности отдельных культур или их частей к поглощению ТМ является коэффициент использования ТМ из ОСВ и ООСВ (КИМо).

Целью нашего исследования явилось изучение масштабов поступления ТМ в сельскохозяйственные культуры (на примере ячменя, картофеля и овса) в условиях применения осадков сточных вод различной влажности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучить продуктивность сельскохозяйственных культур при применении осадков сточных вод.

2. Рассчитать вынос ТМ урожаем сельскохозяйственных культур.

3. Рассчитать коэффициенты использования тяжёлых металлов из осадков сточных вод сельскохозяйственными культурами.

Материал и методы исследования. Основными объектами исследования явились: 1) почва — дерново-подзолистая супесчаная; 2) сельскохозяйственные растения — овёс сорта Привет, ячмень сорта Эльф, картофель сорта Лосунак; 3) осадки сточных вод — после механического обезвоживания на центрифугах с флокулянтами (ООСВ или КЕК) и подсушенные в естественных условиях на иловых площадках в течение 10 лет и более (ОСВ).

Научно-исследовательская работа проводилась в течение 3 лет на экспериментальном участке кафедры сельскохозяйственной радиологии и экологии при опытном поле Калужского филиала РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева с внесением дозы осадка — 10 т/га.

Схема опыта включала следующие варианты: I - контроль (без ОСВ); II - ОСВ - 10 т/га по сухому веществу (СВ); III — ООСВ — 10 т/га по СВ.

Анализы почвенных и растительных образцов и осадков проводили стандартными, лицензированными и сертифицированными методами в лабораториях ООО «ИЛКППЭ», ФГУ центра химизации и радиологии «Калужский», центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора в г. Калуге, ОСК ГП «Калугаоблводока-нал». Критерием для оценки фиторемедиации ОСВ культурными растениями использовали коэффициент использования тяжёлых металлов из ОСВ (КИМо) (%), который определяли по формуле:

КИМо

где КИМо — коэффициент использования тяжёлых металлов из ОСВ;

В — вынос тяжёлых металлов с урожаем (ц/га); Ктм — концентрация ТМ в пахотном слое (подв. форма), кг/га.

Вынос тяжёлых металлов с урожаем рассчитывали по формуле:

В=

где В — вынос тяжёлых металлов с урожаем, ц/га; У — урожайность, ц/га;

Ктм — концентрация ТМ в пахотном слое (подв. форма), кг/га.

Погодные условия в значительной степени оказали влияние на формирование урожая в эксперименте. Температура воздуха за время проведения опытов была различна. Осадки по годам проведения

опытов распределились неравномерно. Несмотря на это, органическая система удобрений обеспечила получение достоверных прибавок урожая. Расчёты КИМо, выноса ТМ с урожаем сельскохозяйственных культур и концентрации ТМ в пахотном слое почвы проводились по разности указанных величин в контрольной и опытных делянках.

Результаты исследования. Нами установлено, что по способности аккумуляции ТМ зерном овса выявлен следующий убывающий ряд для ОСВ и ООСВ: Zn>Ni>Cr>Cu>Pb>Cd (рис. 1). Если сравнивать эти варианты, то при применении ООСВ содержание ТМ в зерне овса ниже. Это связано с меньшим содержанием ТМ в осадках и подвижностью ТМ.

ОСВ ООСВ

РЬ

Си

Са

N1

Zn

Сг

Рис. 1 - Содержание ТМ в растениях овса

при применении осадков сточных вод

Исходя из полученных нами данных, по способности аккумуляции ТМ зерном ячменя установлен следующий убывающий ряд для ОСВ и ООСВ: Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd (рис. 2).

Сравнение вариантов показало, что при применении ООСВ накопление ТМ в зерне ячменя ниже, чем у других культур.

Исходя из полученных нами данных, установлен следующий убывающий ряд для ОСВ и ООСВ по способности аккумуляции ТМ клубнями картофеля: Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd (рис. 3). Если сравнивать эти варианты, то при применении ООСВ содержание ТМ в клубнях картофеля ниже, как и при возделывании других сельскохозяйственных культур.

Результаты расчётов КИМо (средние значения за 3 года) представлены на рисунках 4 и 5.

В результате наших исследований получены следующие закономерности:

«о

к0,7

46

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

РЬ

Си

Са

N1

Zn

Сг

Рис. 2 - Содержание ТМ в зерне ячменя

при применении осадков сточных вод

ОСВ ООСВ

РЬ

Си

са

N1

Zn

Сг

Рис. 3 - Содержание ТМ в клубнях картофеля при применении осадков сточных вод

% .--

0,4

овёс ячмень картофель

г   '

РЬ

Си

Са

N1

Zn

Сг

Рис. 4 - КИМо сельскохозяйственными культурами при внесении ООСВ

% 0,45

0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

овёс

ячмень

картофель

РЬ

Си

Са

N1

Zn

Сг

Рис. 5 - КИМо сельскохозяйственными культурами при внесении ОСВ

1) установлены убывающие ряды для варианта ООСВ: для картофеля - Си>Са^п>РЬ>№=Сг, для овса — №^п>Сг>Са>Си>РЬ, для ячменя — Zn>Ni>Cd>Cu>Cr>Pb;

2) установлены следующие убывающие ряды для варианта ОСВ: для картофеля — Zn=Ni>Cu>Cd>Pb>Cr, для овса — Ni>Zn>Cr = Cd = Cu>Pb, для ячменя — Zn>Ni>Cu>Cd=Cr>Pb;

3) по способности поглощать ТМ сельскохозяйственные культуры располагаются в следующие ряды:

РЬ, Са, Си — картофель>ячмень>овёс;

№ — овёс>ячмень>картофель;

Ъа. — ячмень>картофель>овёс;

Сг — картофель> овёс> ячмень.

Анализируя КИМо картофеля, нельзя выявить чёткой зависимости поглощения ТМ, что объясняется особенностью данной культуры.

Если сравнивать два рисунка, то КИМо на варианте ОСВ < КИМо на варианте ООСВ. Это объясняется небольшой разницей выноса ТМ и значительной разницей подвижных форм ТМ в почве.

В результате исследования установлены различные количественные характеристики фито-ремедиации (КИМ ОСВ и ООСВ) различными сельскохозяйственными культурами на лёгких и малоплодородных дерново-подзолистых почвах. Эти эмпирические значения фиторемедиации следует учитывать при прогностических расчётах изменения содержания ТМ в подобных почвах

при применении осадков сточных вод разного технологического генезиса в качестве удобрения и устранения экологических рисков.

Литература

1. Сюняев Н.К. Комплексная оценка эффективности использования отходов быта и производства в сельском хозяйстве: монография /Н.К. Сюняев, H.H. Лазарев, О.И. Сюняева, М.В. Тютюнькова. М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2015. 252 с.

2. Белопухов C.JI. Массоперенос никеля в агроэкосистеме с дерново-подзолистой супесчаной почвой при длительном применении осадков сточных вод / C.JI. Белопухов, Н.К. Сюняев, М.В. Тютюнькова, О.И. Сюняева // Агрохимия. 2017. №5. С, 86-90.

3. Сюняев Н.К, Филиппова A.B., Тютюнькова М.В. Мониторинг кадмия в агроэкосистеме в условиях длительного применения осадков сточных вод // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 1 (63). С, '177-181.

4. Сюняев Н.К. Проблемы загрязнения почв Калужской области в условиях применения нетрадиционных видов удобрений / Н.К. Сюняев, О.И. Сюняева, М.В. Тютюнькова, A.B. Филиппова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. № 1 (33). С. 221 — 223.