Введение к работе
Актуальность темы. Антропогенные радионуклиды и химические элементы, относимые к группе тяжелых металлов, рассматриваются среди наиболее опасных веществ, загрязняющих биосферу. Искусственные радионуклиды поступают в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия и радиационных аварий, при нормальном функционировании предприятий ядерного топливно-энергетического цикла. Попав в почвы, они становятся их компонентами и вовлекаются в биогеохимические процессы (Клеч-ковский В.М., Гулякин И.В., Юдинцева Е.В., Алексахин P.M.). Неуклонное повышение содержания в почве, растениях, сельскохозяйственной продукции растительного и животного происхождения тяжелых металлов (ТМ) является следствием возрастающей техногенной нагрузки на биосферу. Среди техногенных загрязняющих веществ ТМ занимают особое положение, поскольку не подвергаются какой-либо физико-химической или биологической деградации. Аккумулируясь в поверхностном слое почв и изменяя их свойства, они в течение длительного времени остаются доступными для поглощения корнями растений и активно включаются в миграцию по трофическим цепочкам (Добровольский Г.В., 1983; Алексеев Ю.В., 1987; Ильин В.Б., 1991; Кабата-Пендиас А., 1989). Антропогенная деятельность (тепловая энергетика на ископаемом органическом топливе, транспорт, металлургическая промышленность, добыча полезных ископаемых, сельскохозяйственная практика) заметно влияет на биогеохимические циклы многих ТМ, как правило, повышая их доступность для живых организмов (Driscoll et al., 1994).
Знание и понимание механизмов сорбции почвами, особенностей взаимодействия ионов с почвенными компонентами, возможность прогнозирования накопления радионуклидов и ТМ растениями в изменяющихся условиях имеют большое значение для сельскохозяйственной науки и практики. С этими вопросами напрямую связаны дозы внутреннего облучения от инкорпорированных радионуклидов и фитотоксические эффекты тяжелых металлов. Оценка биологической доступности элементов для растений необходима как для оптимизации сельскохозяйственного производства на дефицитных по этим элементам почвах, так и для оценки опасности избыточного накопления металлов растениями из почв с техногенным загрязнением.
Цель исследования. С использованием единых и новых методологических и экспериментальных подходов изучить сорбционное и ионообменное поведение в почвах и корневое поглощение ячменем представителей двух групп опасных загрязняющих веществ - радионуклидов Со и 137Cs и тяжелых металлов Со, Си, Zn.
Задачи исследования. В условиях комплексных экспериментов:
1. Определить количественные показатели селективной сорбции 137Cs (емкость специфической сорбции FES, коэффициент селективности ионного обмена Cs-K и потенциал селективной сорбции RIP) для распространенных почв, некоторых минералов и природных минеральных сорбентов.
-
Изучить селективную сорбцию Со, Си, Zn дерново-подзолистой сред-несуглинистой почвой, определить сорбционную емкость почвы и коэффициенты селективности ионного обмена Ме-Са, где Me = Со, Си или Zn.
-
Дать сравнительный анализ применимости двух моделей, разработанных для описания связывания ионов полифункциональными и полидисперсными сорбентами (модель полифункционального ионообменника и смеси двух идеальных обменников), для оценки гетерогенности сорбционной поверхности исследуемых почв и минералов.
-
Оценить влияние рН на основные показатели (коэффициент межфазного распределения, формы нахождения, переход из почвы в растения), характеризующие подвижность и биологическую доступность радионуклидов 6 Со, 137Cs и металлов Си, Zn, Со в дерново-подзолистой почве.
-
В комплексных экспериментах с выращиванием ячменя сорта Зазер-ский-85 на дерново-подзолистой почве, загрязненной Со, Си, Zn в широком интервале их концентраций (от фоновых уровней до значений, вызывающих угнетение растений и их гибель) изучить:
влияние общей концентрации металла в почве на содержание его подвижной и кислоторастворимой формы и долговременную динамику двух форм;
характер зависимости между накоплением Со, Си, Zn в разных органах растений ячменя (листья, стебли, солома и зерно), уровнем загрязнения почвы и содержанием подвижной формы металла.
Научная новизна работы: Впервые определены значения показателей селективной сорбции Cs (емкость специфической сорбции FES, коэффициент селективности обмена KC(Cs/K) и потенциал селективной сорбции RIP) для распространенных на территории РФ почв, некоторых минералов и природных минеральных сорбентов. Установлено, что в зависимости от значения FES исследованные почвы и минералы располагаются в ряд: дерново-подзолистая песчаная ~ лугово-болотная < серая лесная < дерново-подзолистая среднесуглинистая ~ чернозем выщелоченный ~ чернозем южный. При использовании агрегированного параметра RIP различия между почвами и отдельными минералами выражены значительно сильнее, чем в случае, когда для характеристики сорбционной способности используется только FES. Последовательность расположения по величине RIP хорошо согласуется с группировкой почв по гранулометрическому составу, принятой в сельскохозяйственной радиологии.
Показано, что снижение рН в интервале 6,59-4,65 мало влияет на формы нахождения в дерново-подзолистой почве и переход в растения 137Cs, но является одним из основных факторов, регулирующих сорбцию и биологическую доступность ^Со.
Впервые исследована долговременная (2 года) динамика двух форм нахождения Со, Си и Zn, поступивших в дерново-подзолистую почву в виде растворимых соединений. Показано, что с увеличением количества внесенно-
го металла относительная доля кислоторастворимой формы быстро возрастает, достигая 70-90%, но практически не меняется в течение двухлетнего периода его нахождения в почве. Доля подвижной формы зависит от природы металла и снижается в последовательности Си > Со > Zn, а по скорости уменьшения ее содержания со временем металлы образуют ряд Со > Си > Zn. Впервые изучена сорбция Со, Си и Zn дерново-подзолистой почвой с использованием для описания связи между растворенной и адсорбированной формой 4 моделей, включая классические выражения изотерм сорбции Ленгмюра и Фрейндлиха и модели ионного обмена. Проведен анализ сопоставимости информации, получаемой на их основе, и показано, что выводы о поведении Со, Си и Zn в сорбционных и обменных процессах, сделанные с использованием разных моделей, могут не совпадать.
Теоретическая и практическая значимость результатов исследований: FES и RIP расширяют весьма ограниченный выбор показателей, характеризующих физико-химическое состояние 137Cs, и могут использоваться при группировке почв по степени их устойчивости к радиоактивному загрязнению, прогнозе эффективности применения минеральных удобрений и сорбентов в целях ограничения перехода радионуклида из почвы в растения, а также в моделях, описывающих поведение 137Cs в агроэкосистемах.
Экспериментальные исследования динамики форм Со, Си, Zn необходимы для оценки скорости закрепления почвенными компонентами фракции металлов, поступающей из техногенных источников («старение» в почвах).
Выявленные зависимости между общим содержанием или подвижной формой металла в почве и накоплением его в растениях позволяют заключить, что применение КН в целях оценки и прогноза биологической доступности может быть оправдано для дефицитных в отношении рассматриваемых элементов почв, но имеет ограниченную применимость в условиях техногенного загрязнения, когда содержание ТМ в почвах возрастает на порядки по сравнению с уровнем локального фона.
Результаты выполненных исследований расширяют теоретические представления о поведении радионуклидов 137Cs, 60Со и тяжелых металлов Со, Си и Zn в сорбционных и ионообменных процессах в почве, механизмах сорбции и факторах, регулирующих корневое поглощение их растениями. Полученные новые экспериментальные данные могут быть использованы при решении практических вопросов, связанных с оптимизацией сельскохозяйственного производства на территориях с техногенным загрязнением.
Основные положения, выносимые на защиту:
показатели сорбционной способности почв и природных минеральных сорбентов в отношении 137Cs, установленные с использованием новых методологических и экспериментальных подходов, базирующихся на теории селективной сорбции цезия;
роль рН в регулировании сорбционного поведения в почве и корневого поглощения растениями радионуклидов 137Cs и ^Со;
- характер зависимости показателей физико-химического состояния и биологической доступности Со, Си и Zn от общего содержания и времени нахождения металла в почве при уровнях загрязнения, меняющихся в широком интервале концентраций.
Апробация работы и публикации: Основные положения работы и результаты исследований докладывались на 1-ой Международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами», Тула, 30-31 октября 2003 г.; Международной научно-практической конференции «Производство экологически безопасной продукции растениеводства и животноводства», Брянск, 2004 г.; 2-ой Международной геоэкологическая конференция «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами», Тула, 2004 г.; 6-ой Международной научной конференции «Экология человека и природа», Плес, 2004 г.; Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» Москва, РУДН, 2004 г.; I Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» Москва, МГУ, 2004; 5-ой Международной научной конференции (Сахаровские чтения) «Экологические проблемы XXI века» Республика Беларусь, г. Гомель, 2005 г.; The 2n International Conference on Radioactivity in the Environment, 2-6 October 2005, Nice, France; Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» Москва, РУДН, 2006; International conference "Soil protection strategy — needs and approaches for policy support. Pulawy, Poland, 2006; Конференции «Научно-практическое обеспечение комплексного развития сельскохозяйственного производства Калужской области» Калуга, 2006; II Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» Москва, МГУ, 2007.
Основные результаты диссертации опубликованы в 20 научных публикациях в виде научных статей и тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 132 стр. печатного текста, включает введение, 6 глав, заключение и выводы. Работа содержит 10 таблиц, 22 рисунка и список литературы из 128 наименований.
