Sorption of mobile species of heavy metals by polymer materials under model contamination of zonal agricultural soils in Tula oblast

Abstract

In a model experiment, the effect of polymer sorbents of different origins on the content of mobile species of heavy metals (HM) in zonal soils of the East European Plain was examined in a case study using soils of the Tula Region. Both synthetic and natural sorbents were used: hydrolyzed polyacrylonitrile (HYPAN), a binary structure of HYPAN and potassium humate (Humate “Sakhalinsky”), and a fungi mycelium powder (Micosorbent A). The experiment was conducted on four types of agricultural soils (Umbric Albeluvisols, Greyic Phaeozems, Voronic Chernozems) sampled in the Tula region in 2024 and spiked with Cu+2, Zn+2, Pb+2, and Cd+2 salts in 6 threshold limit values (TLV). It has been established that the same sorbent showed a significantly different remediation effect on different soil types with the same level of metal contamination: copper was bind from 30% on Voroic Chernozems to 50% on Greyic Phaeozems soils. For lead, the highest percent of mobile species to total was observed in Umbric Albeluvisoils (72%) and the lowest in Voronic Chernozems (56%). The application of Alternaria alternata mycelium had an effective effect on the sorption of zinc and cadmium in the studied soils: up to 70% in Voroic Chernozems for cadmium and up to 85% in Umbric Albeluvisoils for zinc.

References

1.    Авцын А.П., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С. Микроэлементы в организме человека: (этиология, классификация, органопатология). М., 1991. 496 с.
2.    Азнабаева Р.В. Содержание тяжёлых металлов (Pb, Co, Cu, Zn) в почвах сельскохозяйственного назначения Чекмагушевского района РБ // Экология и природопользование: прикладные аспекты: Материалы IX Международной научно-практической конференции / Башкирский государственный педагогический университет. Т. 1. Уфа, 2019. С. 16–19.
3.    Беляцкий В.Н. Основы методов атомно-абсорбционной и атомно-эмиссионной спектроскопии. Минск, 2015. 47 с.
4.    Березкин В.Ю., Волкова В.Д., Дегтярёв А.П. и др. Влияние полимерных материалов на подвижные формы тяжелых металлов при разном уровне полиметаллического загрязнения дерново-подзолистой почвы // Вестн. Российского ун-та дружбы народов. Сер.: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2025. Т. 33, № 3. С. 366–379.
5.    Водяницкий Ю.Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах. М., 2008. 86 с.
6.    Ермаков В.В. Концепция биогеохимических провинций А.П. Виноградова и её развитие // Геохимия. 2017. № 10. С. 875–890.
7.    Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989.439 с.
8.    Калеро Э.В.К., Березкин В.Ю. Влияние природных сорбентов на почвы, загрязненные различными дозами тяжёлых металлов // Почва как компонент биосферы: актуальные проблемы в условиях изменений климата. Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 120-летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР В.А. Ковды / ИФХиБПП РАН. Пущино: 2024. С.126-127.
9.    Ковальский В.В. Геохимическая экология. М., 1974. 299 с.
10.    Королева О.В., Куликова Н.А., Алексеева Т.Н. и др. Сравнительная характеристика грибного меланина и гуминоподобных веществ, синтезируемых Cerrenamaxima 0275 // Прикладная биохимия и микробиология. 2007. Т. 43, № 1. С. 69–76.
11.    Корочкина Е.А. Влияние микроэлементов цинка, кобальта, йода, селена, марганца, меди на здоровье и продуктивные качества животных // Генетика и разведение животных. 2016. № 3. С. 69–73.
12.    Новоскольцева О.А., Панова И.Г., Киушов А.А. и др. Бинарные почвенные мелиоранты из синтетического полимера и природного мульчирующего агента // Высокомолекулярные соединения. 2025. Сер. Б. Т. 67, № 4. С. 283–290. https://doi.org/10.7868/S2412985225040054
13.    Панова И.Г., Ильясов Л.О., Ярославов А.А.Поликомплексные рецептуры для защиты почв от деградации // Высокомолекулярные соединения. 2021. Сер. С. Т. 63, № 2. С. 232–244. https://doi.org/10.31857/S2308114721020060
14.    Панова И.Г., Хайдапова Д.Д., Ильясов Л.О. и др. Полиэлектролитные комплексы гуматов калия и поли(диаллилдиметиламмоний хлорида) для закрепления песчаного грунта // Высокомолекулярные соединения. Сер. Б. 2019. Т. 61, № 6. С. 1–6. https://doi.org/10.1134/S230811391906010X
15.    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. С. 273–282. https://doi.org/10.1134/S1064229322602037
16.    Скугорева С.Г., Кантор Г.Я., Домрачева Л.И.Биосорбция тяжелых металлов микромицетами: особенности процесса, механизмы, кинетика // Теоретическая и прикладная экология. 2019. № 2. С. 14–31. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2019-2-014-031
17.    Теория и практика химического анализа почв / Под ред. Л.А. Воробьевой. М., 2006. 400 с.
18.    Терехова В.А. Микромицеты в экологической оценке водных и наземных экосистем. М., 2007. 215 с.
19.    Терехова В.А., Якименко О.С., Сергеева Ю.Д. и др. Биодиагностика эффектов полимерных мелиорантов на агродерново-подзолистую почву при полиметаллическом загрязнении по реакции растений и микроорганизмов // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2025. № 2. С. 73–83. https://doi.org/10.55959/MSU0137-0944-17-2025-80-2-73-83
20.    Федосеева Е.В., Терехова В.А.Ремедиационный потенциал водных грибов // Тр. Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН. 2023. № 103(106). С. 5. https://doi.org/10.47021/0320-3557-2023-50-71
21.    Якименко О.С., Нестеров П.В., Степанов А.А. и др. Влияние гуматов калия, ксантановой камеди и бинарных композиций на их основе на свойства дерново-подзолистой почвы в модельных экспериментах // Почвы и окружающая среда. 2025. Т. 8, № 1. С. e302–e302.0–71.https://doi.org/10.31251/pos.v8i1.302
22.    Delgado M.Z., Aranda F.L., Hernandez-Tenorio F. et al. Polyelectrolytes for tnvironmental, agricultural, and medical applications // Polymers. 2024. Vol. 16, № 10. Р. 1434. https://doi.org/10.3390/polym16101434
23.    Duffus J.H. «Heavy metals» — A meaningless term? // Pure and Applied Chemistry. 2002. 74(5). P. 793–807. https://doi.org/10.1351/pac200274050793
24.    Gadd G.M. Biosorption: critical review of scientific rationale, environmental importance and significance for pollution treatment // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2009. Vol. 84. P. 13–28. https://doi.org/10.1002/jctb.1999
25.    Gadd G.M., Rhee Y.J., Stephenson K. et al.Geomycology: metals, actinides and biominerals // Environmental Microbiology Reports. 2012. Vol. 4, № 3. P. 270–296. https://doi.org/10.1111/j.1758-2229.2011.00283.x
26.    Janos P., Vavrova J., Herzogova L. et al. Effects of inorganic and organic amendments on the mobility (leachability) of heavy metals in contaminated soil: a sequential extraction study // Geoderma. 2010. Vol. 159,№ 3–4. P.335–341. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2010.08.009
27.    Kulikova N.A., Perminova I.V. Interactions between humic substances and microorganisms and their implications for nature-like bioremediation technologies // Molecules. 2021. Vol. 26, № 9. P. 2706. https://doi.org/10.3390/molecules26092706
28.    Kulikova N.A., Stepanova E.V., Koroleva O.V. Mitigating activity of humic substances: direct influence on biota // In: Use of humic substances to remediate polluted environments: from theory to practice / I.V. Perminova, K. Hatfield, N Hertkorn (eds.). Netherlands, 2005. https://doi.org/10.1007/1-4020-3252-8_14
29.    Liu R., Meng X., Mo C. et al. Melanin of fungi: From classification to application // World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2022. Vol. 38, № 12. P. 228. https://doi.org/10.1007/s11274-022-03415-0
30.    Milan P., França D., Balieiro A.G. et al. Polymers and its applications in agriculture // Polímeros. 2017. Vol. 27. Р. 256–266. http://dx.doi.org/10.1590/0104-1428.09316
31.    Micheal H.S.R., Thyagarajan D., Govindaraj M. et al. Biosorption of halophilic fungal melanized membrane–PUR/melanin polymer for heavy metal detoxification with electrospinning technology // Environmental Technology. 2024. Vol. 45, № 27. Р. 5865–5877. https://doi.org/10.1080/09593330.2024.2310034
32.    Muñoz-Torres P., Cárdenas-Ninasivincha S., Aguilar Y. Exploring the agricultural applications of microbial melanin // Microorganisms. 2024. Vol. 12, № 7. P. 1352. https://doi.org/10.3390/microorganisms12071352
33.    Pourret O., Bollinger J.C. “Heavy metals”— what to do now: to use or not to use? // Science of the Total Environment. 2017. Vol. 610. P. 419–420. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.043
34.    Puoci F., Iemma F., Spizzirri U.G. et al. Polymer in agriculture: А review // Am. J. Agric. Biol. Sci. 2008. Vol. 3, № 1. Р. 299–314. https://doi.org/10.3844/ajabssp.2008.299.314
35.    Tran-Ly A.N., Ribera J., Schwarze F.W.M.R. et al. Fungal melanin-based electrospun membranes for heavy metal detoxification of water // Sustainable Materials and Technologies. 2020. Vol. 23. P. e00146.  https://doi.org/10.1016/j.susmat.2019.e00146
36.    Yakimenko O., Pozdnyakov L., Kadulin M. et al. Effects of binary polymer-humic soil amendments on soil carbon cycle and detoxication ability of heavy metal pollution // Chemical and Biological Technologies in Agriculture. 2024. Vol. 11, № 1. P. 174. https://doi.org/10.1186/s40538-024-00679-6