Зависимость перехода тяжелых металлов в системе компост из ТБО - раствор от рН экстрагента

Переход тяжелых металлов в системе компост из ТБО - раствор зависел от рН экстрагента. В таблице 7.2 представлены содержания фракций РЬ, 7п, Си, N1, Со, Бе, Мп и БЬ в компосте, экстрагируемых растворами с различной кислотностью.

Примечание: варианты: 1 - свежий компост из ТБО; 2 - компост из ТБО годичной выдержки

Принимая максимальное содержание кислоторастворимых соединений металла за 100%, можно рассчитать их экстрагируемую долю для каждого значения рН (табл. 7.3).

Примечание: варианты: 1 — свежий компост из ТБО; 2 — компост из ТБО годичной выдержки

В условиях нейтральной реакции среды (рН экстрагента 6,4) наиболее интенсивно в раствор из компостов переходили БЬ и N1 — до 43 и 25% соответственно. Следовательно, можно говорить о том, что эти элементы могут наиболее интенсивно мигрировать по почвенному профилю. Значительный переход (более 20%) РЬ, 7п, Си, Со и Бе в раствор начинался при рН экстрагента 1,2, а Мп — при рН 1,8.

Переход тяжелых металлов в раствор зависел также от срока выдержки компоста. Экстрагируемая доля 7п и Мп в интервале рН 6,4—1,8, Си, N1, РЬ и БЬ в интервале рН 6,4—1,2, Бе в интервале рН 6,4—0,8 в варианте 2 была существенно ниже, чем в варианте 1 (табл. 7.3). Вероятно, это связано с возрастанием количества комплексов данных металлов с гумусовыми кислотами, которые образовались в процессе трансформации органического вещества компоста. Следовательно, при хранении компоста биодоступность тяжелых металлов будет снижаться.

Установлено (Gel chromatography..., 1995), что гуминоподобные вещества в компосте из ТБО характеризуются присутствием двух главных групп соединений: с молекулярной массой >70000 и с молекулярной массой 8000, а также, что в процессе созревания компоста увеличивается сложность органического вещества.

Зависимость перехода Zn, Cu, Mn, Ni, Pb, Fe и Sb в раствор от рН экстра-гента можно описать уравнением сигмоиды:

А =--- + А₂, (7.1)

^rpH - рН₀^{л 2}

1 + exp

8pH

где: А — количество элемента в компосте, переходящее в раствор при определенном рН экстрагента, мг/кг; А₁ — концентрация элемента в компосте (мг/кг); А₂ — экстрагируемое количество элемента при рН 6,4; рН — величина рН экстрагента; рН₀ — величина рН, при которой концентрация элемента в растворе равна (А₁ + А₂)/2; 8рН — параметр, характеризующий крутизну кривой изменения концентрации элемента в растворе: чем меньше 8рН, тем больше крутизна и резче переход от А₁ к А₂ (рис. 7.1, табл. 7.4).

Наибольшая крутизна кривых (8рН) выявлена для 7п и Со, для других элементов она в 10—40 раз меньше (табл. 7.4). Для Бе, Мп, 7п, Си, Со и N1 крутизна практически не зависела от срока выдержки компоста, что указывает на стабильность химических форм их существования в компостах разного срока выдержки. В то же время для БЬ крутизна кривой выщелачивания элемента из свежего компоста оказалась в 3 раза выше, а для РЬ в 3 раза ниже, чем крутизна кривой выщелачивания из компоста годичной выдержки.

Величина рНо (табл. 7.4), являющаяся точкой перегиба на кривых рисунка 7.1, изменяется в небольших пределах как для элементов, так и относительно срока выдержки компостов.

По экстрагируемости в интервале рН 6,4-1,8 металлы, содержащиеся в компосте, можно расположить в ряд:

БЬ > N1 > Мп > Си > 7п > Бе > РЬ > Со.

Увеличение уровня кислотности экстрагента в интервале рН от 1,2 до 0,1 сопровождалось изменением интенсивности окраски фильтратов от светло-бурой до бурой. Изменение светопропускания фильтратов в зависимости от рН кстрагента представлено в таблице 7.5.

Примечание: варианты: 1 - свежий компост из ТБО; 2 - компост из ТБО годичной выдержки

Именно в интервале рН от 1,2 до 0,1 наблюдали самый интенсивный переход РЬ, 7п, Си, Со и Бе в раствор (табл. 7.2). Вероятно, в компосте эти элементы в основном связаны с органическим веществом и переходят в раствор в составе комплексных соединений. Это предположение подтверждается наличием тесной корреляции между светопропусканием фильтратов и экстрагируемой долей тяжелых металлов (табл. 7.6).

Примечание: варианты: 1 - свежий компост из ТБО; 2 - компост из ТБО годичной выдержки

Сравнение валового содержания и максимальных кислоторастворимых концентраций тяжелых металлов (табл. 7.1, 7.2), показало, что в процессе дозревания компоста доля кислоторастворимых соединений большинства ТМ снижается. Кислоторастворимые соединения составили (% от валового содержания), в свежем компосте: 7п - 100, Си - 65, Мп - 77, Бе - 89, РЬ - 79; в компосте годичной выдержки: 7п - 81, Си - 43, Мп - 70, Бе - 100, РЬ - 62. Для предотвращения загрязнения почв при расчете допустимых доз внесения компоста из ТБО необходимо использовать значения валовых концентраций тяжелых металлов.

Из рассмотренных химических элементов особый интерес представляет сурьма. Данных о поведении сурьмы в системе почва - растение крайне мало. Единичные исследования миграции Sb в почвах не дают представления о закономерностях её поведения в агроценозе. Обобщенная информация о поведении Sb в окружающей среде представлена в обзоре С. Е. Витковской и В. Ф. Дричко (1998).

Согласно классификации Дж. Вуда (Wood, 1974), Sb относится к очень токсичным элементам и включена в программу национального мониторинга загрязнения почв на территории России (Зырин и др., 1985; Пинский, 1988; Ильин, 1991). Сурьма немногим менее опасна, чем мышьяк. Все ее соединения весьма ядовиты, особенно те, степень окисления которых равна 3.

Сурьма не считается жизненно необходимым металлом, но известно, что её растворимые формы активно извлекаются растениями из почв (Алексеев, 1987; Рафель, Попов, 1988; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Сурьма является неполным химическим аналогом фосфора. Химическое родство элементов-аналогов предопределяет сходство их биологического поведения в системе почва - растение: интенсивность сорбции почвой и растениями микро- и ультрамикроэлементов зависит от интенсивности сорбции макроэлемента-аналога (Юдинцева, Гулякин, 1968; Кист, 1973; Дричко, Цветкова, 1990).

Так как фосфор является одним из основных элементов питания растений, то его химические аналоги, представляющие опасность для здоровья человека и животных (Sb, As), требуют особого внимания.

Наши исследования показывают (Витковская, Дричко, 2001), что поступление Sb в растения зависит от концентрации фосфора в почве или растворе:

снижение накопления Sb на фоне возрастающих доз фосфорных удобрений наблюдали до определенной концентрации Р в почве (11 мг/100 г подвижного Р₂О₅) или растворе (130 мг/л). Дальнейшее увеличение дозы фосфора влекло за собой увеличение КН Sb растениями. Установлено также (Витковская и др., 1997) наличие тесной корреляции между накоплением Р и Sb растениями.

Рядом исследований установлено, что сурьма, подобно другим тяжелым металлам и мышьяку, аккумулируется в корневой системе растений, поступая в фотосинтезирующие органы в ограниченных количествах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Наши исследования также показали (Витковская, 1996; Вит-ковская и др., 1998), что концентрация сурьмы в корнях растений существенно выше, чем в надземной массе.

Результаты исследований состояния радиоизотопа Sb в воде, загрязненной продуктами ядерных взрывов (Радиоактивное загрязнение... , 1970), свидетельствуют, что Sbнаходится в растворах практически целиком в виде анионов (85%). Катионы и коллоиды составили 8,5 и 6,5% соответственно. Отмечается, что растворимость соединений изотопов Sb в воде имеет минимум в области pH равный 7. Авторы предполагают, что здесь проявляются амфотер-ные свойства сурьмы, которая в кислой области может присутствовать в виде трех - или пятивалентных ионов, а в щелочной области - в виде аниона SbO₄ образующего с металлами первой группы хорошо растворимые соединения. Известно более 3000 органических соединений сурьмы (Fowler, Goering. 1991).

По данным С. В. Овсянниковой (1992), ^lzJSb в почвах республики Беларусь после Чернобыльского выброса находилась преимущественно в прочно-связанном состоянии. Изменения соотношения химических форм элемента во времени не наблюдалось.

По нашим данным, при внесении раствора Sb в дерново-подзолистую среднесуглинистую почву, через год в вытяжку Кирсанова переходило менее 5% от внесенного количества. С увеличением содержания подвижных фосфатов в почве количество десорбированной сурьмы снижалось. Вероятно, это связано с процессами хемосорбции (Витковская, 1996). Можно предполагать, что при внесении компоста из ТБО в почву сурьма будет сорбироваться твердой фазой и поступать в фотосинтезирующие органы растений в очень ограниченном количестве.

Никель в верхних горизонтах почв находится в основном в связи с органическом веществом, в том числе в составе легкорастворимых хелатов (Bloom-field, 1981; Ковда, 1985). Однако никель, связанный с оксидами железа и марганца, также составляет значительную часть от валового содержания элемента (Norrish, 1975). Многие простые соли никеля хорошо растворимы в воде. Комплексные соли с аммиаком также хорошо растворимы. Гидроокись никеля выпадает в осадок при рН 6-8 и выше. При более низком рН Ni(OH)₂ переходит в раствор. В тех случаях, когда элемент не полностью связан с хелатными комплексами, в почвенном растворе могут существовать такие его формы как Ni , NiOH+, HNiO₂^- и Ni(OH)₃. Как правило, растворимость никеля в почвах находится в обратной зависимости от величины рН (Garrels, Christ, 1965). Наши исследования показывают, что нейтрализация почвенной кислотности влечет за собой снижение уровня биодоступности никеля (Изосимова и др., 2004).