Сільське господарство/3. Землеробство, ґрунтознавство та агрохімія

К.с.-г.н., доц. Яковишина Т.Ф.

Державний вищий навчальний заклад

“Придніпровська державна академія будівництва та архітектури”

Перспективи використання біогумусу для детоксикації важких металів в ґрунті

Екологічно обґрунтованим, технологічно доцільним в умовах сучасного землеробства рішенням проблеми детоксикації важких металів в ґрунті є використання органічних добрив і, насамперед, біогумусу. Впровадження цього агрозаходу дасть змогу отримати високоякісну, а головне екологічно безпечну продукцію рослинництва, яка буде конкуренто здатною на світовому ринку.

Біогумус є продуктом переробки органічних добрив методом вермикомпостування за допомогою гібриду каліфорнійського червоного черв’яка, який має перевагу перед традиційними органічними добривами (гній, курячий послід, тощо), а саме: не містить насіння бур’янів, має специфічний склад мікрофлори та елементи мінерального живлення рослин в доступних формах. Біогумус, який використовували в мікропольовому досліді, містив: гумусу – 12,0%, органічних речовин – 20%, обмінного азоту – 0,9%, Р₂О₅ – 13%, К₂О – 0,7%, при рН – 7,2. На 1 гр добрива приходилось близько 20 млрд. колоній ґрунтових мікроорганізмів. Отже, використання біогумусу сприятиме також не тільки усуненню токсичності за рахунок зв’язування катіонів важких металів в органічні комплекси, а й відновленню родючості ґрунту та підтримці біологічно стабільних агроценозів.

Мікропольові досліди проводились на чорноземі звичайному малогумусному важкосуглинковому в агроценозі проса сорту Миронівське 51 при рівні техногенного навантаження в 5 ГДК по Cd, Pb та Zn. Біогумус вносили перед посівну культивацію в дозі 1,0 ц/га, з послідуючою заробкою в ґрунт на глибину орного шару.

Під впливом біогумусу підвищувався вміст рухомого фосфору в ґрунті на 12,6 – 16,5% (метод Чірикова) та ступені рухомості фосфатів в ґрунтовому розчині до 10,2% (метод Карпінського і Зам’ятіної), що відповідає рівню незабрудненого ґрунту і пояснюється як прямою дією цього органічного добрива за рахунок додаткового внесення фосфору та мобілізацією його з ґрунтових запасів підорних горизонтів, так і опосередковано, конкуренцію із педогенними фосфатами за взаємодію з катіонами важких металів.

Взаємодія катіонів важких металів з органічною речовиною ґрунту відбувається за рахунок іонообмінних процесів, адсорбції на поверхні, хелатуванні, реакцій коагуляції та пептизації. Основними продуктами взаємодії виступають гумати, фульвати та хелатні сполуки. Утворенню хелатних комплексів сприяє наявність в структурі полімерних ланцюгів гумусових речовин функціональних груп, які беруть участь в координації металів. Взаємодія важких металів з гумусовими речовинами може супроводжуватись появою, як водорозчинних та і, навпаки, слабко розчинних у воді сполук. Адсорбовані на поверхні ґрунтових колоїдів, катіони важких металів здатні утворювати комплексні сполуки з фульвокислотами і в цій формі переходити в ґрунтовий розчин. Водонерозчинні гумінові кислоти ще активніше взаємодіють з важкими металами та виводять їх з розчину в тверду фазу ґрунту. Згодом гумінові кислоти сорбуються високодисперсними мінеральними часточками і, як наслідок, токсиканти закріплюються в їх плівках, що призводе до утворення мікроагрегатів. Модель зв’язку молекули гумінової кислоти з дисперсним мінералом кристалічної структури за N.Senesi (1992) представлена на рис. 1 [1].

Розчинність органомінеральних компонентів залежність від хімічної природи та співвідношення компонентів і визначається реакцією ґрунтового середовища. Гумінові кислоти в більшій мірі сприяють утворенню нерозчинних у воді сполук з важкими металами в порівнянні до фульвокислот, тому ґрунти з гуматним типом гумусу до яких відноситься і чорнозем звичайний мають значно вищу буферну здатність до усунення фітотоксичності металів.

сірин

міцела

лігнін

протеїн

катіон металу

целюлоза

Рис.1. Знаходження катіонів важких металів в комплексі гумінової кислоти

з високодисперсним глинистим мінералом

Примітка: • катіон важкого металу

Комплексоутворення важких металів з гумусовими кислотами відбувається за рахунок специфічної адсорбції, а саме, взаємодії катіону важкого метала (ВМ²⁺) з донорами електронів молекули гумусової кислоти. Найбільш вірогідні донори атоми О, N та донорні групи ОН є складовою таких функціональних груп гумінових кислот, як карбоксильна, фенольна і можливо кетонна та амінна.

Реакції гумусових кислот з важкими металами практично завжди супроводжуються появою в розчині протонів [2]:

COOH COO

R + ВМ²⁺ R ВМ + H⁺

OH O

Швидкість взаємодії важких металів з гумусовими кислотами визначається окислювально-відновлювальним потенціалом і стійкістю комплексів, які утворилися. Стійкість сполук важких металів підвищується з лужністю ґрунтового середовища, проте інтервали значень (lg) за Д.С. Орловим (1990) змінюються в широких межах.

Також на величини констант стійкості впливають ґрунтові умови, методи виміру та вибрані значення молекулярних мас. Міграційна здатність і доступність рослинам фульватних комплексів металів знижується зі збільшенням молекулярних мас. Тривале використання органічних добрив сприяє підвищенню густини негативного заряду ґрунтово вбирного комплексу та більш інтенсивному селективному поглинанню ґрунтом двохвалентних катіонів важких металів.

Внаслідок вище означених процесів при внесенні біогумусу в дозі 1,0 ц/га вміст рухомих форм важких металів в ґрунті зменшився практично вдвічі хоча рівня контролю (незабруднений ґрунт) не досягав.

Ефективність детоксикації важких металів в ґрунті безпосередньо відбивалась на врожайності та якості зерна проса сорту Миронівське 51. Приріст врожаю зерна становив 3,0-3,5 ц/га порівняно до забруднених варіантів і був на рівні контролю (зерно, отримане з незабруднених ділянок) (рис. 2).

Рис. 2. Врожайність зерна проса сорту Миронівське 51 при впровадженні агрозаходу з детоксикації важких металів

Надходження катіонів важких металів в рослини проса обмежувалось запропонованим агрозаходом, ефективність якого підвищувалась також завдяки активізації внутрішніх захисних механізмів самої рослини, адже толерантність проса до токсичної дії важких металів добре відома [3]. Забруднення орного шару ґрунту важкими металами в дозі 5 ГДК сприяло підвищенню в товарній частині проса вмісту Zn – 8,1 раз, Pb – 11,8 раз, Zn – 22,5 раз порівняно до незабрудненого варіанта. Проте при застосуванні біогумусу вміст Cd, Pb та Zn не виходив за межі ГДК.

Підсумовуючи вище викладене, слід зазначити, що застосування біогумусу для детоксикації техногенно забруднених ґрунтів забезпечує надійне зв’язування катіонів важких металів в недоступні рослинам органічні комплекси, сприяє відновленню родючості ґрунту та біологічно стабільних агроценозів і, як наслідок, отриманню екологічно безпечної продукції рослинництва.

Литература:

1. Senesi N. Metal-humic substance complex in the environment / N.Senesi // Biogeochemistry of trace metals Ed. D.C.Adriano. Boca Raton, 1992. P. 429-496.

2. Химия ТМ, As и Mo в почвах / Под ред. Н.Г.Зырина, Л.К.Садовниковой. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985. – 208с.

3. Яковишина Т.Ф. Детоксикация загрязненных тяжелыми металлами черноземов обыкновенных северной Степи Украины: дис. … кандидата с.-х. наук : 03.00.16 / Яковишина Татьяна Федоровна. – Днепропетровск, – 2006. – 226 с.