Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1. История открытия и исследования гуминовых веществ, их образование в природе 7
1.2. Выделение гуминовых веществ, их состав и функциональные группы, модели строения 10
1.3. Функции гуминовых веществ в биосфере 16
1.4. Состояние качества почв г.Москвы, методы определения степени загрязнения и рекультивации городских почв 20
1.5. Детоксицирующие свойства гуминовых веществ.
Перспективы использования гуминовых препаратов в рекультивации городских земель 33
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 40
2.1. Определение общего углерода 40
2.2. Метод контроля эффективности действия гуминовых веществ 49
2.3 Определение атразина в присутствии гуминоподобных веществ методом офВЭЖХ 50
2.4. Характеристика гуминовых соединений с помощью ИК-спектроскопии 51
2.5. Отбор проб почв 55
2.6 Определение тяжелых металлов в почвах 56
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.
Глава 3. СОСТАВ И ДЕТОКСИЦИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ 64
3.1. Идентификация гуминовых соединений методами химического анализа и ИК-спектроскопии 64
3.2. Защитное действие гуматов на растения в присутствии гербицида 72
3.3. Удаление гербицида из жидкой среды почвенным грибом-продуцентом гуминоподобных соединений 75
3.4. Принципиальная схема получения гуминоподобных соединений с
помощью почвенного гриба-продуцента 80
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ НА ТЕРРИТОРИИ ГОРОДА МОСКВЫ. ГУМИНОВЫЕ УДОБРЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВА ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ДЕГРАДИРОВАВШИХ ПОЧВ 85
4.1. Оценка состояния почв г. Москвы и выявление зон наиболее перспективных для рекультивации с помощью гуминовых веществ 85
4.1.1. Геохимическая оценка состояния почвы 85
4.1.2. Химическая характеристика почв 91
4.1.3. Агрогеохимическая характеристика почв 104
4.1.4. Загрязнение почв тяжелыми металлами 114
4.2. Гуминовые удобрения и перспектива их использования для рекультивации деградировавших почв на территории г.Москвы 127
4.2.1 Внесение гуминовых веществ - один из наиболее перспективных путей рекультивации деградировавших почв 127
4.2.2. Виды гуминовых удобрений, их характеристика, рекомендации по их использованию на территории г.Москвы 132
ВЫВОДЫ 152
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154
- История открытия и исследования гуминовых веществ, их образование в природе
- Определение атразина в присутствии гуминоподобных веществ методом офВЭЖХ
- Идентификация гуминовых соединений методами химического анализа и ИК-спектроскопии
Введение к работе
Актуальность темы:
Одной из наиболее актуальных проблем современной экологии является защита окружающей среды от негативного влияния техногенных факторов. Ухудшение состояния городских ландшафтов, атмосферы, воды в городских водоемах неразрывно связано с процессами деградации почв. Деятельность по облагораживанию городских почв становится не только важнейшей задачей по улучшению экологического состояния мегаполисов, но и составной частью в решении проблемы сохранения здоровья городского населения.
В Москве техногенные процессы почвообразования стали преобладающими, формируя специфические группы почв и сложный почвенный покров. В пределах Садового кольца и промышленных зон Москвы 80% территории «запечатаны». Негативное влияние на химико-физические свойства урбаноземов оказывает подтопление, как следствие изменения гидро-геологических условий Москвы, одной из причин которого является утечка водонесущих коммуникаций. Актуальной также остается борьба с последствиями применения противогололедных смесей. В последние годы загрязнение почвенного покрова в черте города Москвы существенно возросло в связи с резким увеличением автотранспорта, деятельностью промышленных предприятий, энергетических установок, коммунально-бытовой сферы.
В итоге не только ухудшается качество почвы, но и образуется дополнительный источник загрязнения подземных и поверхностных вод,
происходит гибель зеленых насаждений, а открытые участки почвы становятся источником вторичного загрязнения атмосферного воздуха, что, в конечном итоге, приводит к ухудшению здоровья москвичей.
Постоянное загрязнение наносит большой ущерб естественному гуминовому слою городской почвы, являющемуся основой для нормального функционирования растительного покрова. В силу интенсивного воздействия техногенных факторов естественное восстановление гуминового слоя в городских условиях практически невозможно.
В связи с этим особенно актуальной становится разработка мер по увеличению содержания гумуса в городских почвах, причем, в первую очередь- ' в тех районах, которые особенно важны для экологического благополучия г.Москвы. Одним из наиболее перспективных путей решения этой задачи является внесение гуминовых веществ в почву. Гуминовые препараты снижают и нейтрализуют действие токсикантов в почвах, способствуют возрождению и развитию плодородия почвы. Актуальность исследования путей применения гуминовых удобрений на территории Москвы связана также с поиском альтернатив дорогостоящим методам рекультивации деградировавших почв города и необходимостью решения широкого круга задач по его экологическому оздоровлению.
Цель и задачи исследования:
Целью работы были выявление на основе данных мониторинга почв в Москве зон, подвергшихся наибольшему загрязнению и наиболее нуждающихся в применении гуминовых веществ и обобщение опыта применения гуминовых удобрений на территории города.
В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
исследование детоксицирующих свойств гуминовых веществ;
изучение влияния гуматов на биопродуктивность почв;
оценка общего состояния и степени деградации почв на территории г.Москвы;
выявление зон, подвергшихся наибольшему загрязнению по содержанию тяжелых металлов и токсичных органических веществ;
обобщение опыта применения гуминовых удобрений на территории г.Москвы;
разработка рекомендаций по внесению гуминовых препаратов в почвы, подвергшиеся наибольшей деградации на территории города.
Научная новизна исследования: На основе анализа данных мониторинга изменения качества почв в городе впервые определены зоны, остро нуждающиеся в рекультивации путем внесения гуминовых веществ и высоко значимые для экологического благополучия Москвы. В результате экспериментальных исследований получены новые данные о детоксицирующих свойствах гуминовых веществ. Обобщен опыт применения гуминовых удобрений на территории города, выявлены апробированные и наиболее перспективные виды гуминовых препаратов для использования в городских условиях.
Практическая значимость:
Обоснована эффективность использования гуминовых веществ в ходе озеленительных работ и в процессе рекультивации почв города. Результаты проведенных исследований предназначены для использования в процессе рекультивации почв города при реализации программы первоочередных мероприятий по оздоровлению почв г.Москвы. В работе приведена характеристика зон на территории гМосквы, содержащих тяжелые металлы и иные токсичные вещества в количествах, значительно превышающих ПДК, а также даны рекомендации по использованию гуминовых препаратов для облагораживания и рекультивации почв в этих зонах.
Выработанные рекомендации по внесению гумусовых веществ в городские почвы, подвергшиеся антропогенному воздействию, представляют практическую ценность и для других крупных мегаполисов, где остро стоит проблема рекультивации деградирующих почв. Прежде всего они могут быть использованы для замены дорогих способов рекультивации на более эффективные и экономичные, основанные на внесении гуминовых веществ в городские почвы.
История открытия и исследования гуминовых веществ, их образование в природе
Гуминовые вещества - это особая группа высокомолекулярных темноокрашенных веществ. Они получаются в процессе разложения органических остатков в почве путем конденсации продуктов распада и гниения отмерших растительных и животных тканей, или, иными словами, в процессе гумификации. Гуминовые вещества могут содержаться в почвах, торфах, углях, других природных телах. Они накапливают элементы питания и энергию, участвуют в миграции катионов, снижают негативное действие токсичных веществ, влияют на развитие организмов и тепловой баланс планеты [67,60,63], Количество углерода, связанного в гуминовых кислотах почв, торфа, углей, почти в четыре раза превосходит количество углерода, связанного в органическом веществе всех растений и животных на земном шаре. Но гуминовые вещества - не просто отходы жизненных процессов, они являются естественными и важнейшими продуктами совместной эволюции минеральных веществ и растительного мира Земли. Они устойчивы, высокомолекулярны, полидисперсны, содержат различные функциональные группы, в том числе фрагменты аминокислот, полисахаридов, ароматических соединений.
Как отмечает ведущий отечественный исследователь гуминовых веществ Д.С.Орлов: «На планете Земля общее количество органического углерода в биосфере оценивается величиной 2-3 " 1012 т. Большая часть органического углерода приходится на сушу, и в первую очередь на почвенный гумус. В результате фотосинтеза ежегодно связывается около 5x1010 т углерода из атмосферы, а при отмирании организмов в виде опада на поверхность почвы поступает около 4х1010 т. Часть опада минерализуется до С02 и НгО, но его значительная доля превращается в гуминовые вещества (ГВ) - по разным источникам, от 0,6 до 2,5x109 т углерода в год. Образование гуминовых веществ не просто утилизация органических остатков, которая необходима в биосфере. Важнее то, что при этом возникает новый класс природных соединений, не существующих в живых организмах, но необходимых для существования и обеспечения непрерывности современных жизненных форм» [67].
Честь открытия гуминовых веществ (от лат. humus - земля, почва) принадлежит немецкому ученому Ф. Ахарду (F. Achard). В 1786 году он впервые выделил их из торфа, определяя их, как горючую органическую материю, получаемую из торфа. Знаменитый шведский химик Я. Берцелиус в "Учебнике химии" ("Lehrbuch der Chemie", 1839) посвятил им несколько разделов, описал состав и происхождение этих соединений, дал подробную характеристику их взаимодействия с катионами металлов. В XIX веке классические химики много писали о гуминовых кислотах, гумине, креновых и апокреновых кислотах (последние теперь называют фульвокислотами). Со второй половины XX века интерес к гуминовым веществам возрастает. Большой вклад в изучение гуминовых веществ внесли русские и советские ученые, преимущественно почвоведы: И.В. Тюрин, М.М. Кононова, С.С. Драгунов, Л.Н. Александрова, Д-С. Орлов, многие исследователи зарубежных стран, в их числе В. Фляйг (ФРГ), Ф. Дюшофур (Франция), Т. Хаяси (Япония), М. Шнитцер (Канада), Ф. Стевенсон (США), М.Х.Б. Хейес (Англия) и др. В 70 - 80-е годы в исследованиях гуминовых веществ стало наблюдаться смещение в сторону химической науки. Основное внимание химики уделили им в связи с экологическими проблемами. При изучении загрязнения почвы и воды оказалось необходимым учитывать влияние соединений гумуса, которые очищают среду, активно взаимодействуя с загрязняющими веществами. Был сделан исключительно важный вывод о том, что гумус в почве и, особенно, в воде — основной природный фактор, связывающий тяжелые металлы, углеводороды и пестициды.
Была проведена предварительная классификация гумусовых соединений, при этом главным признаком классификации был выбран их элементный состав. Важный вклад на этом этапе внесла канадская школа Мориса Шнитцера, который применил практически все известные химические методы для анализа гумусовых соединений, а также школа Вольфганга Цихмана (Геттингенский университет), в 1980 году написавшего фундаментальную монографию о гумусе.
В 1981 году было принято решение о создании Международного общества по изучению гуминовых веществ (International Humic Substances Society - IHSS), первым президентом общества был избран Р.Л. Малколм (RX.Malcolm), США. Первая Международная конференция состоялась в 1983 году в штате Колорадо (США). Теперь такие встречи проходят регулярно.
Тем не менее, наиболее заметную роль в быстром продвижении этих исследований в конце прошлого века сыграла советская школа почвоведения. Опубликованная в 1990 году итоговая монография Д.С. Орлова «Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации» [60] подняла исследование гуминовых веществ на качественно новый уровень.
К настоящему времени разработаны методы выделения гуминовых веществ из различных природных объектов, определены их химический состав, важнейшие свойства, изучено влияние на почвы, растения, микроорганизмы, рыб, животных. Выявлены возможности использования
гуминовых веществ при производстве различных фильтров, для приготовления красителей, буровых растворов. В продаже появились растворы, паеты и порошки гуматов, которые обладают высокой физиологической активностью. Источниками для получения такого рода препаратов служат почвы, торф, сапропели, бурые угли. Эффективность значительной части этих препаратов получила экспериментальное подтверждение.
Отметим работы по гуминовым удобрениям Л.А. Христевой (Днепропетровск), положившей начало этому направлению, получившему развитие в работах С.С. Драгунова, М.М. Кононова и других ученых. [19, 20,21,22]. В последние годы во многих городах производят различные препараты: Москве, Владимире, Туле. Производятся они и в странах СНГ: в Минске, Ашхабаде, Баку, Днепропетровске, а также в странах дальнего зарубежья.
Определение атразина в присутствии гуминоподобных веществ методом офВЭЖХ
В связи с тем, что непосредственным показателем состояния почв является рост и развитие выращиваемых на них культур, в экспериментальной части дипломного проекта использовался метод высаживания проросших семян на перлитовый песок. Метод дает возможность имитировать поэтапные обработки растений веществами, используемыми в эксперименте. Вначале семена (по 100 штук) биотестов (семена газонной травы овсяницы красной, отличающейся быстрым откликом на всхожесть) помещали в стаканчики емкостью 75 мл. и заливали исследуемым регулятором роста («Идеал») в концентрациях, рекомендуемых на этикетке (6 мл на 1 л воды). Повторность 2-х кратная. Через одни сутки семена по 15 штук раскладывали вдоль диаметра в чашки Петри, набитые перлитовым песком (7 грамм) и заливали 50 мл раствора испытуемого гербицида (атразин). Чашки помещали вертикально в термостат (температура 26 С). Учет проводили на пятые сутки роста. Снижение или увеличение длины корней и проростков по сравнению с контролем, считали показателем токсического или стимулирующего эффекта исследуемых веществ.
1. Анализ проб проводили при скорости потока 0,5 мл/мин. при длине волны 254 нм, время выхода атразина составляет 15 мин.
2. Культуральную жидкость отфуговали на центрифуге MPW-310 в течение 15 минут при 15000 об/мин.
3. Из отфугованной пробы отбирали 1 мл культуральной жидкости, и добавляли к нему 2мл ацетонитрила и дистиллированной воды в соотношении 55:45.
4. К полученному раствору добавляли 2мл. дистиллированной воды.
5. Полученную пробу вводили в колонку С1S и получали хроматограмму.
Калибровка:
1. Для количественного определения атразина готовили стандартные растворы действующего вещества в ацетонитриле в соотношении с водой 55:45 и содержанием атразина в концентрациях 4 и бмкг/мл.
2. Из раствора атразина с концентрацией 1мг/мд приготовили раствор с концентрацией ЮОмкг/мл, а затем из последнего готовили растворы с концентрациями 4мкг/мл и 6 мкг/мл.
3. Количественное определение в пробах проводили методом сравнения со стандартом по высоте пиков.
4. Стандартные растворы хранили в холодильнике.
Метод инфракрасной спектрометрии (ИКС) позволяет работать с почвой и ее компонентами без применения каких-либо химических операций, то есть без нарушения ее естественного состояния, и исследовать не только растворы, но и любые фазы почвы - от твердой до газообразной.
Метод ИКС основан на взаимодействии исследуемого вещества с электромагнитными колебаниями в диапазоне длин волн от 0,75 до 100 мк. Обычно используется более узкий участок спектра - от 2 до 25 мк, а в практике почвенных исследований ограничиваются пока еще более узким интервалом - 2,5 до 15 мк. Каждое индивидуальное вещество обладает способностью поглощать электромагнитные колебания, но поглощение происходит не равномерно по всему диапазону длин волн, а дискретно: преимущественно поглощается колебание с определенными и специфическими для каждого вещества значениями длин волн.
Те участки спектра, в которых обнаруживается более сильное поглощение, называют полосами поглощения. По выбору длин волн в максимумах полос поглощения можно охарактеризовать качественные особенности вещества (его строение), а по степени поглощения колебаний при определенных значений длин волн можно судить о количестве вещества или отдельных его составляющих.
ИК- спектры обычно изображают в виде графика, откладывая по оси ординат пропускание, поглощение или оптическую плотность, а по оси абсцисс - частоту колебания, длину волны или волновые числа- см"1. Для удобства сопоставления целесообразно получать спектры сравниваемых веществ в равных концентрациях. Внешний вид спектра зависит от характера вещества, его чистоты и агрегатного состояния. Почвы в целом, глинистые минералы, гумусовые вещества дают спектры, состоящие из набора широких полос, и различать в них колебания отдельных атомных групп намного сложнее.
Подготовка образцов для снятия ИК спектров.
При работе используют кюветы, приготовленные из солевых пластин (NaCl). Стеклянные кюветы для этой цели не пригодны, поскольку стекло интенсивно поглощает ИК — излучение. Длина рабочего слоя между пластинами кювет регулируется толщиной прокладочного кольца. Солевые пластины частично или полностью растворяются в воде, поэтому в качестве растворителя использовался четыреххлористый углерод.
При изучении гуминовых веществ чаще всего производят съемку твердых образцов. Если исследуемый материал способен образовывать прозрачные тонкие пластинки или пленки, подготовка образца не составляет труда и легко получить вполне удовлетворительные ИК — спектры. Любые порошки сильно рассеивают ИК - излучение, и съемка спектров становится практически не возможной, если не использовать специальные иммерсионные среды (вазелиновое масло), в котором исследуемый порошок диспергирован в виде тонкой взвеси.
Для приготовления такого образца препарат гумусового вещества в количестве 20 — 40 мг растирают в агатовой ступке, после чего добавляют 0,4 - 0,5 мл Вазелинового масла и продолжают растирать полученную смесь до образования однородной суспензии. Каплю такой суспензии наносят на солевую пластинку (NaCl), а сверху накрывают второй такой же пластинкой. Обе пластинки разделяет тонкая (около 15 мкм) кольцеобразная прокладка из фольги. Собранную таким образом кювету с исследуемой суспензией зажимают в оправу, следя за тем, чтобы суспензия была равномерно распределена по всему объему. В качестве эталона для сравнения используют другую такую же кювету, заполненную чистым вазелиновым маслом. Однако в последние годы этот метод используется реже. При исследовании некоторых почвенных компонентов, например, восков и смол препарат может быть нанесен просто на поверхность солевой пластины в виде тонкого слоя.
Идентификация гуминовых соединений методами химического анализа и ИК-спектроскопии
Известно, что гуминовые соединения состоят из гуминовых кислот, фульвокислот и негидролизуемого остатка. В ходе экспериментальных исследований было проведено фракционирование гуминовых веществ в образцах лиственного опада методом Тюрина.
Содержание углерода в последовательных вытяжках из лиственного опада % к лиственному опаду. %С0бЩ,
Лиственный опад является исходным материалом для получения гуматов в частности по способу вермикультивирования. Поэтому представляло интерес исследовать его параллельно с гуматами, с тем чтобы исключить возможность фальсификации препаратов гуматов путем экстракции необработанного опада. Представляло также интерес выяснить различия в составе гуматов и отходов лигнина, щелочные экстракты которого также могут предлагаться на рынке как суррогаты гуматов.
Из приведенных в таблицах данных видно, что в лиственном опаде содержание фракций гуминовых веществ минимально, а соотношение гуминовых кислот к фульвокислотам составляет 0,6-0,8%. Приведенные данные свидетельствуют о том, что лиственный опад не содержит гуминовых веществ, а является источником их образования в процессе разложения под действием почвенной биоты
Этим же методом проводили фракционирование коммерческих образцов гуминовых удобрений «Гумат Na», «Тверской», «Идеал», «Гуми». Затем выделенные фракции гуминовых кислот были доведены до постоянного веса при температуре 60 С для проведения качественного анализа методом инфракрасной спектроскопии рис. № 1,2,3. В результате получены характерные длины волн для выделенной фракции, которые сведены в таблицу 10.
Следует отметить, что во всех исследованных образцах наблюдаются полосы поглощения соответствующие волновым числам, приведенным в таблице 10. Полученные данные свидетельствуют о том, что коммерческие образцы идентичны по своему составу и содержат группы, характерные для гуминовых веществ.
В процессе разложения лиственного опада под действием почвенных микроорганизмов первоначально происходит освобождение лигнинов. Визуально лигнины похожи на гуматы. Поэтому были прописаны спектры лигниноподобных веществ рис.№ 4. Для этого исследуемый образец обработали серной кислотой и отфуговали. Отфугованный осадок высушили при температуре 60С, а затем прописывали ИК - спектр. Наиболее характерные длины волн приведены в таблице 11.
Из литературных данных известно, что гуминовые вещества способствуют повышению биопродуктивности почв [47]. Известно, что угнетенное состояние почв, в первую очередь отражается на росте и развитии выращиваемых культур. Также экспериментально было показано, что гуминовые вещества способствуют снижению содержания пестицидов в почвах и растениях [78]. Для оценки биопротекторных свойств гуминовых веществ в работе был проведен эксперимент по прорастанию семян газонной травы овсяницы красной на перлитовом песке.
Первоначально был проведен опыт для определения концентрации гербицида (атразина), подавляющей рост и развитие растений. Индикатором влияния атразина служили длина проростков и корней. В ходе эксперимента выяснилось, что концентрация атразина полностью ингабирующая рост и развитие растений составила 10 мг/кг почвы.
Следующий этап эксперимента заключался в том, чтобы изучить защитные свойства гуминовых веществ. С этой целью были выбраны концентрации атразина 5, 7, 10 мг/кг. Эксперимент проводили по методике, описанной в главе «Материалы и методы исследования». Предварительную обработку семян проводили в воде и гуминовом удобрении «Идеал». Концентрация гуминового удобрения при замачивании семян составило 6 мл/л, что соответствует концентрации рекомендуемой на упаковке. Повторность опыта двухкратная. Полученные результаты приведены в гистограммах №5,6.
Исходя из полученных данных можно сделать вывод о том, что внесение пестицидов в указанных концентрациях угнетают рост и развитие растений по сравнению с контролем. Однако, при проращивании биотестов в присутствии гуминового удобрения наблюдалась стимуляция роста и развития растений, что подтверждает способность развивающихся растений противостоять угнетающему действию атразина. Из приведенных выше гистограмм видно, что гуминовое удобрение "Идеал" снижает токсическое действие атразина, оказываемое на длину проростков на 21%, а на длину корней - на 23%. Следует отметить, что применение гуминовых удобрений вместе со средствами защиты ратений привело к стимуляции роста как корневой системы, так и проростков, что подтверждает литературные данные [78]. Возможно, что обработка удобрением "Идеал" привела к повышению интенсивности физиологических процессов, что способствовало устойчивости растений к негативному воздействию атразина и более интенсивной его детоксикации.
