The efficacy of ameliorants for remediation of soils contaminated with heavy metals, in a lab experiment

Abstract

The effectiveness of remediators in detoxification of soils contaminated with heavy metals was studied in a lab experiment. The objects of the study were the soils of the southern tundra, functioning under conditions of anthropogenic impact: Haplic Gleysols (Gelic) and Histic Fluvisols (Oxyaquic). The chemical ability of remediants to bind metals (Ni and Cu), transferring them to a sedentary state in comparison with the reference variants (without any addition of remediants), was evaluated. In experiments, remediants were used in three doses (D1, D2, D3): shungite; diatomite, glauconite and bentonite. To assess the immobilization of Ni and Cu in soils, acid-soluble (CR) forms (extraction of 1 n. HNO₃), mobile forms (ammonium acetate buffer solution with pH 4.8), water-soluble forms of Ni and Cu (1:20 aqueous extract) were determined by inductively coupled plasma mass spectrometry. The effectiveness of soil detoxification during the application of remediants was evaluated by the phytotoxic effect in an express phytoassay with standardized tests (Brassica rapa CrGC and Avena sativa) represented by higher plants. A decrease in the proportion of mobile forms of Ni and Cu by 50% or more in Haplic Gleysols (Gelic) was revealed with the addition of any dose of ameliorants. The greatest effect of reducing mobility was exerted by shungite and diatomite at a dose of D1 — up to 15% Ni and Cu for Histic Fluvisols (Oxyaquic) soil. The use of the selected remediants in the indicated amounts did not reveal a phytotoxic effect on the tests in the experiment.

References

1. Указ Президента РФ № 645 от 26 октября 2020 г. «О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года». 2. Указ Президента РФ № 818 от 02.11.2023 «О развитии природоподобных технологий в Российской Федерации». 3. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л., 1987. 4. Амангусова Л.А., Захарова В.С., Калугин Ю.А. Оценка методов обезжелезивания оборотных технологических растворов // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 2. 5. Апакашев Р.А., Валиев Н.Г., Усманов А.И. и др. Эффективность природных сорбентов при адсорбции ионов тяжелых металлов // Известия ТулГУ. 2021. № 4. 6. Барахов А.В., Минкина Т.М., Манджиева С.С. и др. Инактивация Cu в загрязненных почвах с использованием гранулированного активированного угля и диатомита // Тезисы докладов VIII съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева и Школы молодых ученых по морфологии и классификации почв. ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН. 2021. Ч.3. 7. Бондаренко Л.С., Магомедов И.С., Терехова В.А. и др. Нанокомпозиты на основе магнетита и активированного угля: синтез, сорбционные свойства, биодоступность // Прикладная химия. 2020. Т. 93, вып. 8. 8. Бурцева Е.И., Петрова А.Н. Экологические проблемы северных территорий Якутии в условиях промышленного освоения и глобального потепления // Успехи современного естествознания. 2017. № 5. 9. Вассерман И.М. Производство минеральных солей. Л., 1962. 10. Вишневая Ю.С., Попова Л.Ф. Оценка экологического состояния и степени загрязнения тяжелыми металлами почв Арктики // Вестн. МГОУ. Сер. Естественные науки. 2016. № 2. 11. Водяницкий Ю.Н. Экотоксикологическая оценка опасности тяжелых металлов и металлоидов в почве // Агрохимия. 2012. № 2. 12. ГОСТ 26213-91 Почвы. Методы определения органического вещества. 13. ГОСТ 28268-89 Почвы. Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания растений. 14. ГОСТ Р ИСО 22030-2009 Качество почвы. Биологические методы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений. 15. Дзеранов А.А., Самбрано Гари С.К., Батаков А.Д. и др. Стимулирующий фитоэффект Fe3O4-активированного угля при комбинированном загрязнении почвы антибиотиком ципрофлоксацином и медью // Проблемы агрохимии и экологии. 2023. № 4. 16. Ильин В.Б., Сысо А.И. Тяжелые металлы и радионуклиды в почвах естественных и антропогенных ландшафтов Западной Сибири // Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде. Семипалатинск, 2002. 17. Ильин В.Б. Геохимическая ситуация на территории Обь-Иртышского междуречья // Почвоведение. 2007. № 12. 18. Карпухин А.И., Касатиков В.А. Комплексные соединения гумусовых кислот с ионами металлов в генезисе почв и питании растений. М., 2007. 19. Герасимова М.И., Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д. и др. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, 2004. 20. Ковалева Е.И., Гучок М.В., Ледовских С.С. и др. Аспекты вовлечения отходов бурения в процессы почвообразования // Экология и промышленность России. 2019. Т. 23, № 8. 21. Копцик Г.Н. Современные подходы к ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы) // Почвоведение. 2014. № 7. 22. Копцик Г.Н., Копцик С.В., Смирнова И.Е. и др. Влияние деградации и ремедиации почв техногенных пустошей на поглощение элементов питания и тяжелых металлов растениями в Кольской Субарктике // Почвоведение. 2021. № 8. 23. Копцик С.В., Копцик Г.Н. Оценка современных рисков избыточного накопления тяжелых металлов в почвах на основе концепции критических нагрузок (обзор) // Почвоведение. 2022. № 5. 24. Куликова А.Х. Кремний и высококремнистые породы в системе удобрения сельскохозяйственных культур. Ульяновск, 2013. 25. Куликова А.Х., Тойгильдин А.Л., Цаповская О.Н. Питательный режим и биологическая активность почвы в зависимости от загрязнения медью и роль диатомита как детоксиканта // Аграрная наука. 2022. № 1. 26. Ладонин Д.В. Сравнительная оценка адсорбции редкоземельных элементов некоторыми типами почв // Почвоведение. 2019. № 10. 27. Ладонин Д.В., Решетников С.И., Нежданова Л.К. Активность ионов меди в загрязненных и фоновых почвах в условиях модельного эксперимента // Почвоведение. 1994. № 8. 28. Линник П.Н., Зубко А.В. Гумусовые вещества как важный фактор в миграции металлов в системе донные отложения – вода // Экологическая химия. 2007. Т. 16, № 2. 29. Матыченков В.В., Бочарникова Е.А., Аммосова Я.М. Влияние кремниевых удобрений на растения и почву // Агрохимия. 2002. № 2. 30. Методические рекомендации по выявлению деградированных и загрязненных земель. 1995. 31. Мосин О.В Математическая модель взаимодействия минералов шунгита и цеолита с водой // СОК. 2015. № 8. 32. Национальный Атлас почв Российской Федерации. М., 2011. 33. Обухов А.И., Плеханова И.О. Атомно-абсорбционный анализ в почвенно-биологических исследованиях. М., 1991. 34. Плеханова И.О., Золотарева А.О. Оценка и нормирование экологического состояния почв, загрязненных тяжелыми металлами // Агрохимия. 2021. № 7. 35. Плеханова И.О., Куликов В.О., Шабаев В.П. Влияние ризосферных бактерий на продуктивность растений пшеницы и поступление элементов из загрязненных почв // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2023. № 3. 36. ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 «Методика измерения массовой доли нефтепродуктов в почве и донных отложениях методом ИК-спектрометрии. Количественный химический анализ почв». 37. ПНД Ф 16.2.2:2.3.71-2011: Количественный химический анализ почв. Методика измерений массовых долей металлов в осадках сточных вод, донных отложениях, образцах растительного происхождения спектральными методами 38. Попова Л.Ф., Никитина М.В., Андреева Ю.И. и др. Тяжелые металлы в почвах Евро-Арктических территорий // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2019. Т. 62, вып. 3. 39. Природные сорбенты. Материалы Сессии АН СССР. Науч. совет по синтезу, изучению и применению адсорбентов. Отв. ред. В. Т. Быков. М., 1967. 40. Пукальчик М.А., Терехова В.А., Якименко О.С. и др. Сравнение ремедиационных эффектов биочара и лигногумата на почвы при полиметаллическом загрязнении // Теоретическая и прикладная экология. 2016. № 2. 41. Сазонов А.Д., Комаров Р.С., Передера О.С. Разлив нефтепродуктов в Норильске 29 мая 2020 года: предполагаемые причины и возможные экологические последствия // Экология. Экономика. Информатика. Сер. Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. 2020. Т. 1, № 5. 42. СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». 43. Сергеева Ю.Д., Кирюшина А.П., Калеро В.К. и др. Сравнение эффективности микро- и наночастиц нульвалентного железа при детоксикации техногенно загрязненной почвы // Почвоведение. 2023. Т. 56, № 2. 44. Соколов Ю.И. Арктика: к проблеме накопленного экологического ущерба // Арктика: экология и экономика. 2013. № 2. 45. Сысо А.И., Соколов Д.А., Сиромля Т.И. и др. Антропогенная трансформация свойств почв ландшафтов Таймыра // Почвоведение. 2022. № 5. 46. Терехова В.А., Прудникова Е.В., Кирюшина А.П. и др. Фитотоксичность тяжелых металлов в дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренности // Почвоведение. 2021. № 6. 47. Трофимов С.Я., Аммосова Я.М., Орлов Д.С. и др. Влияние нефти на почвенный покров и проблема создания нормативной базы по влиянию нефтезагрязнения на почвы // Вестн. Моск. ун-та. Сер.17. Почвоведение. 2000. № 2. 48. ТУ 08.12.22-012-01424676-2019 «Глинопорошки бентонитовые для производства буровых растворов». 49. ТУ 5761-001-59266087-2005 «Диатомит измельченный». 50. Фролов В.Т. Литология. Кн. 2. М., 1993. 51. Южанин К.И., Сырчина Н.В., Кулаков В.Н. и др. Влияние глауконитсодержащих отходов обогащения фосфоритов на подвижность тяжелых металлов в почвах // III Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Технологии переработки отходов с получением новой продукции». Киров, 2021. 52. Bolan N., Adriano D., Curtin D. Soil acidification and liming interactions with nutrient and heavy metal transformation and bioavailability // Advances in Agronomy. 2003. Vol. 78. 53. FAO. World Reference Base for Soil Resources Rome. 2015. 54. Kovaleva E.I., Guchok M.V., Terekhova V.A., Demin V.V., Trofimov S.Ya. Drill cuttings in the environment: possible ways to improve their properties // Journal of Soils and Sediments. 2021. Vol. 21. 55. Maharana M., Manna M., Sardar M. et al. Heavy metal removal by low-cost adsorbents // Environmental Chemistry for a Sustainable World. 2021. Vol. 49. 56. Mosin O.V., Ignatov I.I. The structure and composition of natural carbonaceous fullerene containing mineral shungite // International Journal of Advanced Scientific and Technical Research. 2013. Vol. 6(3). 57. Mucha A.P., Almeida C.M.R., Bordalo A.A. et al. Exudation of organic acids by a marsh plant and implications on trace metal availability in the rhizosphere of estuarine sediments // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2005. Vol. 65, № 1. 58. Park J.H., Lamb D., Paneerselvam P. et al. Role of organic amendments on enhanced bioremediation of heavy metal (loid) contaminated soils // Journal of Hazardous Materials. 2011. Vol. 185, № 2. 59. Temminghoff E.J.M., Van der Zee S.E.A.T.M., de Haan F.A.M. Copper mobility in a copper-contaminated sandy soil as affected by pH and solid and dissolved organic matter // Environmental Science and Technology. 1997. Vol. 31. 60. Young S.D. Chemistry of heavy metals and metalloids in soils // Heavy Metals in Soils. 2013.