Исследование влияния почвогрунтов, полученных из отходов целлюлозно-бумажной промышленности на фитотоксичность земель, загрязненных тяжелыми металлами при их рекультивации

Особое внимание на сегодняшний день уделено проблемам восстановления нарушенных земель. Под нарушенными понимаются земли, утратившие хозяйственную ценность или загрязняющие окружающую среду в результате производственной деятельности, природных катаклизмов или других воздействий, например, карьеры, отвалы, свалки, эрозия и техногенные провалы. Их рекультивация — восстановление в состояние, пригодное для их использования, в том числе путем устранения последствий загрязнения почвы, является обязательным процессом.

В России нарушенные земли характерны для всех категорий земель — более 40% составляют земли промышленности, а нарушенные земли сельскохозяйственного назначения составляют 19,1%, что определяет потери сельского хозяйства

Одним из крупнейших аномальных источников загрязнения почв тяжелыми металлами является промплощадка бывшего аккумуляторного завода «Востсибэлемент», расположенная в природно-техногенном комплексе района верхней части Братского водохранилища МО «г. Свирск» Иркутской области. На промплощадке бывшего аккумуляторного завода «Востсибэлемент», площадью 33 га находятся развалины цехов (более — 100 тыс. куб. м.), загрязненный техногенный почвогрунт (110 тыс. куб. м) и неустановленные отходы (около 20 тыс. куб. м.). При этом превышение ПДК в почве по подвижным формам меди составило более 80 ПДК, цинка более 20 ПДК, а основного токсичного компонента — свинца — в более чем 1500 ПДК

Таким образом, крайне актуальной задачей является поиск способов рекультивации почв, загрязненных аномально высокими концентрациями тяжелых металлов. Одним из таких способов может являться использование вымороженных лигнинсодержащих осадков целлюлозно-бумажной промышленности в качестве сорбентов в отношении тяжелых металлов с целью их иммобилизации

С апреля по ноябрь 2025 г. аккредитованной лабораторией экологического мониторинга природных и техногенных сред ФГБОУ ВО «ИРНИТУ» совместно с администрацией МО «г. Свирск» были выполнены опытно-промышленные испытания рекультивации нарушенных земель промплощадки бывшего аккумуляторного завода «Востсибэлемент» с использованием почвогрунта-сорбента, полученного из отходов ОАО «Байкальский ЦБК»

Космический снимок территории промплощадки бывшего аккумуляторного завода «Востсибэлемент», МО «г. Свирск» Иркутской области: 1 – участок № 1; 2 – участок № 2

составлено авторами из космического снимка Яндекс

DOI:10.60797/IRJ.2026.166.8.1

Загрязненный почвогрунт опытных делян промплощадки был обработан тремя различными способами:

– обработка полученным почвогрунтом-сорбентом в соотношении 1:0,1 (П);

– обработка раствором гумата (1:0,05) (Г);

– совместная обработка полученным почвогрунтом-сорбентом и гуматами в соотношения 10:1:0,2 (П+Г).

Также, на контрольные и обработанные деляны высаживалось просо посевное (Panicum miliaceum).

Определение валовых форм металлов в загрязненном почвогрунте и золе растений осуществлялось согласно методики ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98 «Количественный химический анализ почв. Методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой». Определение подвижных форм металлов в почве осуществлялось согласно ПНД Ф 16.1:2.3:3.50-08 «Количественный химический анализ почв. Методика выполнения измерений массовых долей подвижных форм металлов (цинка, меди, никеля, марганца, свинца, кадмия, хрома, железа, алюминия, титана, кобальта, мышьяка, ванадия) в почвах, отходах, компостах, кеках, осадках сточных вод атомно-эмиссионным методом с атомизацией в индуктивно-связанной аргоновой плазме».

Для оценки динамики поглощения растениями тяжелых металлов использовался коэффициент биологического поглощения (КБП), который показывает, во сколько раз содержание элемента в золе растения больше, чем в подстилающей его косной среде (почва, техногенно преобразованный грунт, горная порода)

– первая группа — элементы энергичного накопления (КБП = 10–100);

– вторая группа — сильного накопления (КБП = 1–10);

– третья группа — слабого накопления и среднего захвата (КБП = 0,1–1);

– четвертая группа — элементы слабого и очень слабого захвата (КБП = 0,001–0,1).

На основе значений КБП для количественного выражения общей способности растений к концентрированию тяжелых металлов рассчитывали биогеохимическую активность (БХА), которая показывает суммарную степень поглощения всех определяемых в растении химических элементов, т.е. насколько активно растение поглощает химические элементы из почвы и рассчитывается как сумма КБП по всем исследуемым элементам.

Для установления специфики растений в поглощении тяжелых металлов также рассчитывали коэффициент биогеохимической подвижности (КБХП) (индекс аккумуляции – количественный показатель перехода химических элементов из почвы в растение), который точнее отражает реальную биодоступность элементов и определяется как отношение содержание элемента в золе растений к содержанию подвижных форм данного элемента в почве. Для расчета фоновых значений КБП и КБХП была отобрана фоновая проба почвы, не подверженная воздействию источников загрязнения, на которой также был выращен просо посевное.

В табл. 1 приведены полученные результаты по содержанию тяжелых металлов в исследуемых объектах — участок № 1 (У-1), участок № 2 (У-2) и золе растений, а также в фоновой пробе почвы (Ф). Также в таблице приведены значения КБП, БХА, КБХП и ΣКБХП с указанием рядов содержания металлов.

Как видно из таблицы 1, наиболее загрязненным является участок № 1 с превышением свинца до 1335 ОДК, меди 18,4 ОДК, никеля 7,4 ОДК, цинка 5,0 ОДК. Участок № 2 также существенно загрязнен тяжелыми металлами — свинца до 45 ОДК, цинка 3,7 ОДК, никеля 2,4 ОДК, меди 1,7 ОДК. При этом ряд содержания металлов в фоновой почве имеет следующий вид Fe>Mn>Cr>Zn>Cu>Ni>Pb, что является типичным распределением для незагрязненных почв. Для загрязненных участков № 1 и № 2 ряд содержания металлов имеет следующий вид: Fe>Pb>Mn>Cr>Cu>Zn>Ni и Fe>Pb>Mn>Zn>Cr>Cu>Ni соответственно, что говорит об аномально высоком в них содержании свинца. При этом содержание свинца в золе растений превышает фоновые значения на участках № 1 и № 2 в 554 и 111 раз соответственно, меди в 8,9 и 9,6 раз соответственно, цинка в 9,7 и 10,4 раз соответственно, никеля в 18,3 и 8 раз соответственно, хрома в 9,6 и 2,4 раз соответственно.

Как видно из таблицы 1, значение БХА участка № 2 в 3,5 раза выше фонового, что говорит об активном поглощении растениями тяжелых металлов, содержащихся в почвогрунтах участка № 2. При этом относительно низкое значение БХА участка № 1 может говорить о том, что на данном участке ввиду аномального содержания тяжелых металлов срабатывают биохимические защитные механизмы, которые снижают избыточное поступление ТМ в растения, что подтверждается исследованиями различных авторов

Как видно из таблицы 1, элементом сильного накопления (КБП > 1) в загрязненных почвогрунтах является цинк, а также медь на участке № 2. По содержанию подвижных форм тяжелых металлов, как и в случае с валовым содержанием, наиболее загрязненным является участок № 1 с превышением свинца 4883 ПДК, меди до 94,7 ПДК, никеля до 6,5 ПДК, цинка до 5,1 ПДК. Участок № 2 также существенно загрязнен подвижными формами свинца — до 103 ПДК. При этом ряд содержаний подвижных форм тяжелых металлов фоновой пробы (Fe>Mn>Zn>Pb>Cu>Cr>Ni) имеет типичное распределение содержания металлов, тогда как в исследуемых загрязненных почвогрунтах наблюдается несвойственное почвам нахождение свинца в начале ряда.

Как видно из таблицы 1, в ряду КБХП, как в фоновой пробе, так и в загрязненных почвогрунтах свинец находится в конце ряда и значения КБХП по свинцу в загрязненных пробах участка № 1 и №2 значительно ниже значений КБПХ фоновой почвы — в 56,7 и 6,3 раз соответственно. Это может быть объяснено тем, что растения вырабатывают барьерные механизмы, препятствующие высокому поглощению и дальнейшему накоплению тяжелых металлов, особенно таких особо токсичных, как свинец в своей наземной части. Так как почвогрунт участка № 1 значительно загрязнен тяжелыми металлами, то наблюдается схожая с КБП картина — значение ΣКБХП участка даже ниже ΣКБХП фона за счет барьерной защиты растений. Аналогичные результаты были получены другими авторами

В ранее проведенных исследованиях, авторами было установлено, что для аномально загрязнённых участков целесообразно предварительное применение воздушной сепарации тонкодисперсных частиц металлического свинца, содержание которого в почвогрунте достигает более 5%

В табл. 2 приведены результаты по расчету КБП и КБХП на делянах участка № 2 после их рекультивации обработкой тремя различными способами: 1 — обработка полученным почвогрунтом-сорбентом в соотношении 1:0,1 (П), 2 — обработка раствором гумата (1:0,05) (Г), 3 — совместная обработка полученным почвогрунтом-сорбентом и гуматами в соотношения 10:1:0,2 (П+Г).

Как видно из таблицы 2, наименьшее значение БХА наблюдается на деляне, совместно обработанной полученным почвогрунтом-сорбентом и гуматами (П+Г). Также наблюдается снижение концентрации свинца в золе растений участка № 2 до и после рекультивации в 2,1 раз, меди в 1,3 раза, цинка в 1,8 раз. Наименьшее значение ΣКБХП наблюдается на деляне, обработанной полученным почвогрунтом-сорбентом и гуматами (П+Г), которое снижается в 2,1 раза, а содержание подвижного свинца снижается в 5,9 раз, что говорит о его эффективной иммобилизации. Так же как и в случае с КБП наблюдается резкое увеличение КБХП при использовании для рекультивации только одного гумата.

На рис. 2 представлена гистограмма значений КБП почвогрунтов участка № 2 до и после рекультивации.

Рисунок 2 - Гистограмма значений КБП почвогрунтов участка № 2 до и после рекультивации

DOI:10.60797/IRJ.2026.166.8.4

Как видно из рис. 2, использование полученного почвогрунта-сорбента совместно с гуматами позволяет значительно снизить поглощение токсичных тяжелых металлов растениями и увеличить поглощение таких ключевых микроэлементов, необходимых для фотосинтеза, образования хлорофилла и дыхания растений, как марганец и железо. Наблюдается резкое увеличение КБП в случае использование для рекультивации только гумата, что можно объяснить как снижением водородного показателя почвогрунтов и увеличением подвижности тяжелых металлов, так и тем, что использование гумата повышает устойчивость растений к токсическому воздействию тяжелых металлов, что способствует снижению барьерной защиты и увеличению наземной биомассы, в которой активно накапливаются тяжелые металлы.

Также была проведена оценка средней массы растений, выращенных на деляне участка № 2 до и после рекультиваци. Для нерекультивированной деляны (контроль) средняя масса наземной части одного растения составила 0,19 г, для деляны с почвогрунтом-сорбентом — 1,13 г, для деляны почвогрунт-сорбент + гуматы — 1,63 г, для деляны, обработанной гуматами — 1,91 г. (рис. 3).

Образцы просо посевного, выращенного на исследуемых делянах

а) до рекультивации; б) обработка полученным почвогрунтом-сорбентом; в) обработка раствором гумата; г) совместная обработка полученным почвогрунтом-сорбентом и гуматами

DOI:10.60797/IRJ.2026.166.8.5

Наибольшую среднюю массу на одно растение имеют образцы, выращенные при обработке только гуматами, что, возможно, происходит за счет более активного поглощения тяжелых металлов в наземную часть биомассы растений. Однако, по сравнению с выращенным на деляне с совместной обработкой полученным почвогрунтом-сорбентом и гуматами, растение начинает быстрее засыхать и погибать.

Проведенные исследования выявили, что исследуемые почвогрунты промплощадки бывшего аккумуляторного завода «Востсибэлемент» — аномально загрязненный тяжелыми металлам почвогрунт третьего класса опасности (участок № 1) и почвогрунт со средней степенью загрязнения тяжелыми металлами четвертого класса опасности (участок № 2) имеют следующий ряд содержания металлов: Fe>Pb>Mn>Cr>Cu>Zn>Ni и Fe>Pb>Mn>Zn>Cr>Cu>Ni соответственно, что говорит об аномально высоком в них содержании свинца. Содержание свинца в золе растений превышает фоновые значения на участках № 1 и № 2 в 554 и 111 раз соответственно, меди в 8,9 и 9,6 раз соответственно, цинка в 9,7 и 10,4 раз соответственно, никеля в 18,3 и 8 раз соответственно, хрома в 9,6 и 2,4 раз соответственно, что говорит о миграции тяжелых металлов в биомассу растений. Однако стоит отметить, что БХА почвогрунтов наиболее загрязненного участка ниже фонового, что, предположительно, связано с барьерной функцией, которая блокирует высокое поступление тяжелых металлов в надземную биомассу растений, т.е. растения вырабатывают механизмы устойчивости к накоплению тяжелых металлов. БХА и ΣКБХП участка № 2 превышает фоновые в 3,5 и 8,8 раз соответственно.

После проведения опытно-промышленных испытаний по рекультивации посредством обработки загрязненных участков различными было установлено, что наименьшее значение БХА наблюдается на деляне, обработанной полученным почвогрунтом-сорбентом и гуматами, сопровождающееся снижением концентрации свинца в золе растений по сравнению с исходным почвогрунтом участка № 2 в 2,1 раз, меди в 1,3 раза, цинка в 1,8 раз. Исследования показали, что наиболее оптимальным является рекультивация почвогрунтов со средней степенью загрязнения тяжелыми металлами посредством их совместной обработки полученным почвогрунтом-сорбентом и гуматами в соотношения 10:1:0,2, что позволяет значительно снизить степень подвижности тяжелых металлов, их поступление и накопление в биомассе растений, а также увеличить биомассу растений без снижения их защитной барьерной функции.