КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-77-00077

НазваниеАнализ процессов первичного почвообразования для оценки эффективности ремедиации на серпентиновых геохимических барьерах в импактных зонах медно-никелевых предприятий Арктической зоны

РуководительСлуковская Марина Вячеславовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Кольский научный центр Российской академии наук", Мурманская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-209 - Биогеохимия и органическая геохимия

Ключевые словасерпентин, медь, никель, Арктика, Субарктика, злаки, технозём, сорбция, нейтрализация, фракции тяжелых металлов, макроэлементы, органический углерод, гуминовые кислоты, углерод микробной биомассы

Код ГРНТИ87.29.31


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Последняя версия Почвенной классификации (WRB, 2015) выделяет технозёмы (Technosol) как отдельный тип почв. Большинство исследований техноземов фокусируются на городских или заброшенных территориях, а также промышленных отвалах, не имеющих высокого уровня загрязнения. Кроме того, абсолютное большинство результатов получено для климатических условий бореальной и субтропической зоны с высокими темпами почвообразовательного процесса при отсутствии острого дефицита тепла, влаги и питательных элементов. Принципиально иные условия складываются для зоны арктического и субарктического климата. Создание качественного растительного покрова в неблагоприятных климатических условиях Арктической зоны РФ сопряжено с такими проблемами, как короткий вегетационный период с низкими температурами, частые и обильные осадки, сильные ветра, дефицит и бедность почвенных ресурсов, отсутствие торфоразработок как источников насыпного грунта, необходимость мероприятий по повышению плодородия городских почв (Иванова и др., 2012; Вихман и др., 2008). Исследования, проводимые для северных территорий, позволяют выявить некоторые общие закономерности, однако прямая экстраполяция результатов на арктические территории, загрязненные тяжелыми металлами и подверженные их постоянным эмиссиям, невозможна. Основными негативными факторами выбросов предприятий цветной металлургии являются содержащиеся в них кислотообразующие компоненты и соединения тяжелых металлов в высоких концентрациях. В условиях закисления металлы более растворимы и подвижны (McBride, 1994; Sposito, 2016), что обусловливает высокую фитотоксичность тяжелых металлов в почве (Adriano, 2001). В Кольской Субарктике, в настоящее время, несмотря на 5-8 кратное снижение атмосферных эмиссий по сравнению с концом 1990-х гг., уровень загрязнения верхнего горизонта почвы в импактной зоне остается крайне высоким - до 6 г/кг меди и 9 г/кг никеля (Кашулина, 2017; Lyanguzova et al., 2018). По мнению исследователей, восстановительные процессы в импактной зоне возможны только при снижении загрязнения верхнего горизонта почвы, поскольку снижение эмиссий не привело к улучшению состояния нижнего яруса наземного покрова и восстановлению лесного яруса (Евдокимова и др., 2011; Lyanguzova et al., 2018). Традиционно для ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами, применяется известь или другие карбонатные материалы. Проведенный около 15 лет масштабный эксперимент по рекультивации техногенной пустоши в районе комбината Кольской ГМК (площадка Мончегорск) (Сухарева, Исаева, 2016; Копцик и др. 2015, 2016) с добавлением извести к почве либо перекрытием хемозёмов торфяной почвой показал неустойчивость растительного покрова вблизи комбината (0-2 км). Таким образом, создание щелочного, сорбционно активного корнеобитаемого слоя, по-видимому, является практически единственным способом восстановления почвенно-растительного покрова на закисленных и загрязненных ТМ территориях в высоких широтах. Научная новизна проекта определяется уникальной ситуацией района и места проведения исследования в импактных зонах действующих в течение многих десятилетий комбинатов цветной металлургии в Арктической зоне, на территории которых имеются технозёмы, сформированные с использованием серпентиновых и карбонатитовых горнопромышленных отходов, а также песка в качестве контрольного материала. Будут изучены экспериментальные площадки, заложенные в Субарктике на хемозёме по подзолу (1.5 км от комбината, с 2010 г.) и хемоземе по торфяной почве (0.7 км от комбината, с 2011 г.), а также в Арктике на хемоземе по подзолу (3 км от комбината, с 2014 г.). Данные участки являются уникальными объектами, на которых в настоящее время возможно получение важных данных о ключевых моментах восстановительных сукцессий почвенного, растительного и микробного компонентов биогеоценозов. Точечные исследования в последние два вегетационных сезона показали начало почвообразовательного процесса, в частности, накопление органического углерода от полного его отсутствия до 1.5%. В настоящее время необходимо проведение комплексного мониторинга с выявлением индикаторов эффективности ремедиации с геохимической и токсикологической точки зрения и изучением особенностей ранних стадий почвообразования в экстремальных природно-антропогенных условиях. В ходе выполнения проекта будет проводиться сравнение техноземов и растительности, произрастающих на шести видах горнопромышленных отходов и материале сравнения (песок). Серпентинсодержащие материалы являются наиболее перспективными, поскольку, помимо кислотонейтрализующих свойств, они обладают сорбционной активностью по отношению к тяжелым металлам (Кременецкая и др., 2012; Федотова и др., 2017; Slukovskaya et al., 2018; Cao et al., 2019). Новизна и комплексность проекта предполагает оценку эффективности ремедиации и восстановительной сукцессии по совокупности параметров: изучению фракционного состава тяжелых металлов и аэротехногенных микрочастиц на геохимических барьерах, анализу индикаторов ранних стадий почвообразовательного процесса на технозёмах (накопление органического углерода и др. макрокомпонентов), устойчивости растительного покрова к токсичному действию меди и никеля (накоплению ТМ корневыми системами растений, физиологическому состоянию растений), а также анализу состояния микробного сообщества и общих процессов почвообразования (эмиссия диоксида углерода, функционирование микробных сообществ в почве). Проект предполагает анализ особенностей ранних стадий восстановительной сукцессии, ремедиации и почвообразования при экстремально высоких уровнях загрязнения и деградации экосистем в условиях Арктического региона и выявление индикаторов эффективности этих процессов. Полученные в ходе выполнения проекта результаты являются актуальными для фундаментальной науки, поскольку они позволят 1) изучить процессы первичного почвообразования в техноземах в условиях сурового арктического климата; 2) проанализировать особенности миграции и трансформации тяжелых металлов в системе технозем-травянистая растительность в условиях крайне высокого исходного загрязнения почвы и атмосферы; и 3) предложить индикаторы эффективности ремедиации, основанные на анализе процессов почвообразования и развития экосистемы. Актуальность и своевременность решения данной проблемы также обусловлена следующими причинами: 1) наличие на техногенных пустошах участков ремедиации, имеющих возраст, являющийся наиболее подходящим для изучения ранних стадий почвообразования - 5...10 лет и созданных при непосредственном участии руководителя и участников коллектива проекта 2) отсутствие существенного сдвига в естественном восстановлении растительности на многих участках техногенных пустошей, несмотря на некоторое снижение выбросов комбинатов за последние 20 лет и общее потепление климата (Доклады о состоянии окр. среды Мурманской обл., 1999-2017; Lyanguzova et al., 2018; Доклад об особенностях климата РФ, 2019). 3) отсутствие альтернативных экономически эффективных и готовых к масштабированию технологий.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты: 1) С помощью химических методов последовательного фракционирования и электронно-сканирующей микроскопии впервые будут определены формы нахождения тяжелых металлов в исходных хемоземах (по подзолистой и торфяной почвам - наиболее распространенным типам почв в регионе), а также на песчаных, карбонатитовых и пяти видах серпентиновых геохимических барьеров в импактных зонах двух медно-никелевых комбинатов, расположенных в разных климатических зонах. 2) Будут выявлены ведущие факторы и механизмы закрепления металлов на серпентиновых геохимических барьерах (технозёмах), определена роль органического вещества и растительного покрова в снижении миграции токсичных соединений. 3) Будет определен питательный статус техноземов через 10 лет после их формирования и через 4 года после прекращения внесения комплексного NPK-удобрения, что является индикатором перехода искусственно созданных фитоценозов к самостоятельному функционированию и ассимиляционному этапу восстановительной сукцессии. 4) Будут определены индикаторы почвообразовательного процесса, связанные с накоплением органического углерода и функционированием микробных сообществ, выявлены особенности ранних стадий закрепления гумуса на неорганических материалах в условиях аэротехногенного загрязнения. 5) Будет проведена оценка физиологического состояния растительного покрова (по параметрам фотосинтетической активности) и микробного сообщества (по показателям эмиссии диоксида углерода и микробного метаболического коэффициента qCO2). 6) Будет проведена интегральная оценка эффективности серпентиновых материалов для ремедиации техногенных пустошей и создания техноземов, выделены наиболее перспективные варианты с точки зрения минерального состава и термообработки. Все предполагаемые к получению результаты являются уникальными и представляют интерес для мирового научного сообщества. В результате выполнения проекта будет получено научное обоснование технологии ремедиации, способствующей снижению техногенного воздействия эмиссий тяжелых металлов предприятиями цветной металлургии и оздоровлению деградировавшей окружающей среды. Многолетнее сотрудничество с руководством комбинатов (в рамках хозяйственных договоров) позволяет надеяться на масштабирование технологии и проведение ремедиации наиболее проблемных участков (как минимум - сильнозагрязненных торфяных почв водосборной территории) в Мурманской области. Изучение сорбционных и мелиорирующих свойств серпентинсодержащих материалов будет способствовать расширению возможностей утилизации горнопромышленных отходов в природоохранных технологиях и почвенном конструировании на загрязненных территориях.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Исследованы щелочные геохимические барьеры, созданные 5-9 лет назад на торфяной почве и подзоле вблизи медно-никелевых предприятий Мурманской области в природно-климатических зонах Субарктики и Арктики. Содержание металлов в разных фракциях варьировало между участками, однако в целом, торфяные почвы накапливали значительно большее количество металла по сравнению с подзолами. Осуществлен подбор адекватной методики анализа подвижных фракций тяжелых металлов в торфяных почвах и почвосмесях на основе торфяной почвы. Показано, что обработка кислых торфяных почв аммонийно-ацетатным буфером (ААБ) с pH 4.65–4.8 является наиболее подходящей для определения подвижных форм меди и других металлов. Трехкратная обработка торфяной почвы растворами (водой и ААБ) привела к значительному увеличению содержания химических элементов в водорастворимой и обменной фракциях. Также показана перспективность использования слабых небуферных кислот для экстракции обменной фракции металлов: содержание металлов во фракции, экстрагированной 0.1 н. HNO3, соответствовало содержанию металлов в обменной фракции после трехкратной обработки AAБ. Таким образом, обосновано изменение схемы последовательного фракционирования по Тессиеру для оценки геохимической подвижности металлов в сильно загрязненной торфяной почве и торфосмесях: (1) трехкратная обработка дистиллированной водой; (2) однократная экстракция AAБ; (3) экстракция 0.1 н. HNO3; (4) извлечение фракции, связанной с (гидр)оксидами Fe/Mn; и (5) экстракция фракции, связанной с органическим веществом. Среди них фракции 1-3 являются актуально (т.е. фактически) подвижной формой, фракции 4-5 - потенциально подвижной формой. Проведено исследование закрепления и миграции тяжелых металлов и макроэлементов на серпентиновых геохимических барьерах с помощью метода последовательного фракционирования. Актуальная кислотность серпентиновых насыпных слоев находилась в щелочном диапазоне, почвы под ними – в нейтральном, тогда как песка и почвы под ним – в кислом. Содержание водорастворимой фракции металлов в верхних слоях не превышало 1 мг/кг, единственным исключением был вариант с серпентинито-магнезитом, где исходное содержание Ni было достаточно высоким вследствие минералогических особенностей. Сорбционные свойства минеральных материалов позволили не только аккумулировать металлы в насыпных слоях, но и снижать содержание наиболее токсичных подвижных фракций Ni, и Cu в нижележащей почве. Органическое вещество в верхних слоях связывало значительную долю Cu (30-50%) и Ni (30-60%). Связывание Cu с помощью (гидр)оксидов Fe/Mn обусловлено главным образом минеральным составом отходов. Серпентинито-магнезит был наиболее благоприятным материалом для снижения содержания обменной фракции меди. Вариант с песком имел значительно более высокую долю обменной фракции меди и никеля по сравнению со щелочными вариантами, следовательно, он демонстрировал слабую способность нейтрализовать подвижные соединения этих металлов. Варианты с карбонатами и серпентинами демонстрировали противоположные закономерности в отношении распределения Ni между геохимическими фракциями: Ni был преимущественно связан с (гидр)оксидами Fe/Mn в вариантах с карбонатитовыми отходами и с органическим веществом - в вариантах с серпентинсодержащими отходами. Варианты с серпентинами также содержали наибольшую долю Ni в остаточной фракции, которая практически неподвижна в окружающей среде. Геохимические барьеры нейтрализовали и накапливали соединения металлов, поступающие из выбросов Cu-Ni комбината в течение 5-8 лет эксперимента. Суммарное содержание потенциально подвижных фракций (связанная с органическим веществом, (гидр)оксидами Fe/Mn и остаточная фракция), характеризующее содержание металла, осажденного в слабо- и нерастворимых соединениях на щелочном геохимическом барьере, составляло 27-130 мг/кг меди, и 350-1080 мг/кг никеля. Для песка этот показатель составлял 18 мг/кг для меди и 55 мг/кг для никеля. Таким образом, серпентинит-магнезитовый вариант был наиболее эффективным для накопления обоих металлов, тогда как эффективность карьерного песка в качестве геохимического барьера была самой низкой. Содержание потенциально подвижных фракций в смесях с термоактивированными материалами было в 2-3 раза выше, чем в насыпных геохимических барьерах, что связано с присутствием торфяной почвы в этих вариантах. В то же время, содержание обменной фракции в вариантах с добавлением термоактивированных материалов было в 4-6 раз ниже, чем в исходной торфяной почве для меди, и в 1.5 раза – для никеля. Содержание обоих тяжелых металлов было выше, чем в насыпных вариантах, однако в вариантах с термоактивированными материалами были более высокие содержания обменного магния, который является одним из основных лимитирующих факторов развития растительности на территории техногенных пустошей и в окружающих пустошь экосистемах. Термоактивированные варианты имели максимальное содержание суммы магния и кальция, а серпентинито-магнезит – минимальное. Накопление органического вещества минеральными материалами и образование органоминеральных комплексов привело к заметному изменению внешнего вида и структуры исходного минерального материала, что является индикатором протекания почвообразовательного процесса. Отмечены следующие изменения в структуре минерального материала: 1) исходный однородный песчаный материал стал слабо агрегированным и структурированным по всей высоте насыпного слоя; 2) верхний 2-см слой, исходно в основном состоящий из вермикулита, приобрел темный цвет вследствие аккумуляции органического вещества; 3) слабая дифференциация почвенного профиля, что является признаком первичных почв. Участие вермикулита в органо-минеральных взаимодействиях было наиболее заметно в варианте серпентиновых (вермикулит-лизардитовых) отходов. Исследование шлифов с помощью оптического микроскопа показало, что в областях, прилегающих к поверхностям зерен вермикулита, наблюдались тонкие скопления, состоящие из глины, органо-минеральных соединений и мелких пылевых частиц. Наиболее массивные скопления обнаружены в местах нахождения органических остатков, что свидетельствует об участии продуктов разложения органического материала в их образовании. На отдельных поверхностях зерен обнаружены тонкие темные органо-минеральные пленки, что свидетельствует о микроагрегации материала за счет органо-минеральных соединений и небольшого количества глинистой плазмы. Присутствие глинистого минерала вермикулита в серпентиновых (вермикулит-лизардитовых) отходах следует рассматривать как причину более выраженного накопления органо-минерального материала в этом типе первичных почв по сравнению с другими вариантами. Частичная минерализация корневых проводящих тканей отмечена в вариантах с насыпным слоем из горнопромышленных отходов, что является следствием влияния окислительно-восстановительных условий на подвижность железа. Обнаружено формирование темных кристаллов в корнях растений в вариантах с серпентинито-магнезитом на обоих экспериментальных участках. Сочетание высокого содержания водорастворимого железа и окислительно-восстановительных условий представляется наиболее вероятной причиной образования кристаллов пирита. Пиритизация растительных остатков и аккумуляция пирита корнями растений является нетривиальным и интересным наблюдением, которое характеризует протекающий почвообразовательный процесс в щелочных условиях. Анализ почв и геохимических барьеров с помощью сканирующей электронной микроскопии показал, что данный метод позволяет исследовать локальные аномалии в торфе. Сканирование участков торфяной почвы показало содержание меди около 1%, а железа – 1.5%, что соответствует химическому составу торфяной почвы пустоши. Исследование геохимических барьеров из серпентиновых материалов не обнаружило закрепления меди и никеля на поверхности растительных остатков. При этом, химический состав растительного остатка, находящегося в стадии деструкции, подтверждает предположения о пиритизации проводящих тканей, которые были сделаны в микроморфологических исследованиях шлифов. В то же время присутствует приуроченность фрагментов с высокими концентрациями меди и никеля к минеральным частицам, что, очевидно, является следствием сорбционных свойств материалов, содержащих серпентиновые минералы. На растительных остатках фрагменты с высоким содержанием меди (0.33%) и никеля (0.18%) были единичны и также приурочены к минеральным частицам, агрегированным с растительными тканями. Таким образом, результаты исследований растительных остатков и минерального материала, сделанных с помощью оптической микроскопии, СЭМ и аналитических методов хорошо согласуются и позволяют сделать общий вывод о том, что разложение растительных остатков частично идет по пути пиритизации вследствие щелочных условий субстратов и присутствия железа; медь и никель, а также кобальт, в первичных почвах преимущественно обнаружены на минеральных серпентинсодержащих частицах, что свидетельствует о протекании процессов сорбции этих металлов на геохимических барьерах; в субстратах присутствуют угольные частицы, попадающие из атмосферы, что необходимо учитывать при анализе общего и органического углерода почв. Оценка токсичности сконструированных почв по индикаторам состояния экосистем показала, что фотосинтетическая активность растений не полностью согласуется с эмиссией диоксида углерода, что связано большим влиянием влажности на последний показатель, а также вкладом микробного сообщества в его значения. Так, фотосинтетическая активность растений была более чувствительна к климатическому фактору, тогда как эмиссия СО2 – к фактору загрязнения, поскольку участок в Заполярном имеет меньшее загрязнение, по сравнению с Мончегорском. В то же время, экспериментальные площадки на участке с торфяной почвой имели разную влажность, что позволяет оценить влияние данного фактора на эмиссии диоксида углерода. Варианты с лизардитом имели не только наибольшую эмиссию, но объемную влажность (55-56%), что может быть важным фактором, частично нивелирующим негативное влияние высокого содержания обменных форм металлов. При разработке технологии ремедиации важным является вопрос о лимитирующих факторах почвы и почвосмесей. Для обоснования технологии необходимо установить оптимальное соотношение между торфяной почвой и вносимым щелочным материалом, которое, с одной стороны, обеспечивало бы отсутствие токсичности почвосмеси, а с другой – было благоприятным с точки зрения влажности. Для оценки влияния влажности заложен полевой эксперимент с разной долей торфяной почвы в почвосмеси. Результаты первого года полевого эксперимента показали, что вариант с 50% разбавлением торфяной почвы пироксеновым продуктом являлся наилучшим с точки зрения как продуктивности растений, так и функционирования микробного сообщества. Проведение работ по ремедиации наиболее токсичной торфяной почвы техногенной пустоши путем перемешивания минеральных материалов в пропорции 1:1-2:1 с последующим формированием растительного покрова из злаковых растений является реалистичным, экономически рентабельным и эффективным способом восстановления растительности на территориях с загрязненным и деградировавшим почвенным покровом. https://goarctic.ru/work/gazony-v-arktike-zapolyarnye-uchenye-vyrashchivayut-yarkuyu-zelen-na-promyshlennykh-otkhodakh/ https://nplus1.ru/material/2019/11/22/technozem https://phys.org/news/2019-11-soil-scientists-manmade-wasteland.html https://www.youtube.com/watch?v=6i6Q7GEYkbU

 

Публикации

1. - Газоны в Арктике: заполярные ученые выращивают яркую зелень на промышленных отходах goarctic.ru — Портал про развитие Арктики, Статья на интернет-ресурсе от 2 мая 2020 г. (год публикации - ).

2. - "Озеленяя Арктику" - лекция в рамках научно-популярного лектория КНЦ РАН (информация о результатах проекта РНФ - с 21:45) Кольский научный центр РАН, официальный YouTube-канал, Дата премьеры - 20 апреля 2020 г. (год публикации - ).

3. Петрова А.Г., Слуковская М.В., Корнейкова М.В., Иванова Л.А., Кременецкая И.П. Применение пироксенового продукта обогащения вермикулит-лизардитовых отходов для ремедиации торфяной почвы в импактной зоне Кольской ГМК Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН, 17, 437-441 (год публикации - 2020).

4. Слуковская М.В., Васенёв В.И., Иващенко К.В., Долгих А.В.,Новиков А.И., Кременецкая И.П., Иванова Л.А., Губин С.В. Organic matter accumulation by alkaline constructed soils in heavily metal-polluted area of Subarctic zone Journal of Soils and Sediments, (2021) Volume 21, Number 5, 2071-2088 (год публикации - 2020).

5. Слуковская М.В., Кременецкая И.П., Дрогобужская С.В., Иванова Л.А., Новиков А.И., Мосендз И.А. Serpentine-reached mining wastes as a geochemical barrier for the soil remediation under the ongoing Cu-Ni pollution in the Russian Arctic Abstract of the General Assembly of European Geoscience Union, Vienna, Austria, - (год публикации - 2020).

6. Слуковская М.В., Кременецкая И.П., Дрогобужская С.В., Новиков А.И. Sequential Extraction of Potentially Toxic Metals: Alteration of Method for Cu-Ni Polluted Peat Soil of Industrial Barren Toxics, 8(2), 39 (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Исследовано состояние экосистем на геохимических барьерах, сформированных с использованием горнопромышленных отходов для ремедиации техногенной пустоши, образовавшейся вследствие деятельности медно-никелевого комбината в Субарктике. Растительный покров сформирован 7-10 лет назад с использованием злаковых растений и слоя вспученного вермикулита, нанесенного на щелочные материалы барьеров для улучшения прорастания семян. Исследованы экосистемы на двух экспериментальных участках – на подзоле абрадированном и торфяной почве. Растительный покров характеризовался 80-100% проективным покрытием с диффузно-сомкнутым характером смыкаемости травостоя, большой биомассой надземных органов (400-580 г/м2 воздушно-сухой массы). Влажность растений на участке с подзолом (52-54%) была существенно ниже по сравнению с участком с торфяной почвой (60-61%), что связано с высоким положением данного участка в мезорельефе. Растительный покров на песке, который был использован в качестве материала сравнения, был крайне угнетен, имел проективное покрытие не более 20%, при этом биомасса листьев составляла 50 г/м2, высота растений не превышала 15 см, генеративные органы в конце вегетационного сезона отсутствовали. Показатель Fv/Fm, характеризующий максимальный фотохимический квантовый выход фотосистемы II растений, является наименее чувствительным к световым и температурным флуктуациям, в связи с чем он был выбран для оценки фотосинтетической активности растений. Данный показатель имеет теоретический максимум, равный 0.83. Фотосинтетическая активность растений в большинстве вариантов на серпентиновых геохимических барьерах в середине и конце вегетационного сезона отличалась незначительно и имела близкие к теоретическому максимуму значения Fv/Fm 0.75-0.8. Измерение температуры и влажности почв с помощью регистраторов iButton показало, что растительный покров, сформированный на геохимическом барьере, существенно сглаживал колебания температуры и влажности. Температуры ниже +10 °С на участке с растительностью были зарегистрированы 10 сентября, тогда как на исходном подзоле техногенной пустоши - в начале августа на поверхности подзола и в середине августа - на глубине 7 см. Растительный покров существенно стабилизирует температуру почвы, увеличивает влажность, частично нивелирует высокие и низкие стрессовые значения температур, что, в свою очередь, способствует стабильному развитию микробного сообщества и разложению растительных остатков. Исходные подзол и торфяная почва техногенной пустоши имели крайне низкие значения эмиссии СО2 в течение вегетационного периода, в целом коррелировавшие с влажностью почвы и составлявшие 10-50 мгС м-2 час-1 для подзола и 90-460 – для торфяной почвы. Эмиссии СО2 на геохимических барьерах с растительным покровом различались для экспериментальных участков как по абсолютным значениям, так и по динамике в течение сезона. На подзоле максимальные значения эмиссий были отмечены в июле (более 800 мгС м-2 час-1), а на торфяной почве - в июне (1600 мгС м-2 час-1 для карбонатитовых отходов и 2500 для серпентинито-магнезита), а минимум – в июле (330 и 680 соответственно). Вариант с песком имел наименьшие среди опытных участков значения эмиссий в течение всего вегетационного сезона. Эмиссии в сентябре имели промежуточные значения между июнем и июлем на обоих участках, несмотря на минимальные температуры почв в этот период, не превышавшие 6 °С. В целом экспериментальные участки на торфяной почве характеризовались высокими значениями эмиссии СО2 в начале лета, что, по-видимому, связано с интенсивным разложением органического вещества после периода снеготаяния. Содержание наиболее лабильного аммонийного азота в исходном подзоле составляло менее 1 мг/кг в сентябре, а в июне было ниже предела обнаружения метода. В исходной торфяной почве, наоборот, оно было очень высоким и составляло 30–46 мг/кг. В июне в экспериментальных вариантах вносили комплексное удобрение в количестве 6 г азота на 1 м2. Для большинства вариантов содержание аммонийного и нитратного азота в начале и конце вегетационного периода было примерно равным и составляло менее 2 мг/кг, т.е. практически весь внесенный азот в период с июня по сентябрь поступил в круговорот и был утилизирован или переведен экосистемами в связанное состояние. Исходный подзол характеризовался крайне низкой (1 балл) степенью обеспеченности калием и средней (4 балла) обеспеченностью фосфором. Обеспеченность торфяной почвы обоими питательными элементами составляла 4 балла. Обеспеченность серпентиновых геохимических барьеров фосфором и калием составляла 4-6 баллов в большинстве вариантов. Исходное содержание органического углерода (Сорг) в минеральных материалах составляло 0.30-0.74%. Ежегодное образование биомассы надземных и подземных частей растений и далее растительного опада является основным источником органического углерода для геохимических барьеров. Содержание Сорг было достоверно положительно связано с суммарной биомассой за годы эксперимента и составляло 1.3-2.0% в вариантах с горнопромышленными отходами и 1.2% в варианте с песком. Отмечено положительное влияние ремедиации на микробные свойства почвы. Геохимические барьеры имели высокое содержание углерода микробной биомассы (Смик) и микробную активность (БД), близкие к оптимальным значения микробного метаболического коэффициента (qCO2). Верхние слои почв на участке с подзолом, имевшим более низкий уровень загрязнения и более благоприятные условия почвообразовательного процесса, имели более высокую доступность углерода для микробов по сравнению с вариантами на торфяном участке. На участке c подзолом Смик был в 2-3 раза выше, а qCO2 был в 2-3 раза ниже в верхних слоях геохимических барьеров по сравнению с исходной почвой. На участке с торфяной почвой самый низкий Смик и самый высокий qCO2 среди первичных почв были обнаружены в верхнем слое в варианте с песком, что указывает на стрессовые условия для развития микробного сообщества в этом варианте. Доступность углерода для микробов в верхнем слое почвы под карбонатитовыми и серпентиновыми отходами на участке с подзолом увеличилась в 2.6 и 5 раз соответственно по сравнению с верхним слоем исходной почвы. На участке с торфяной почвой в условиях избытка органического вещества доступность Сорг для микроорганизмов снижалась с глубиной из-за сложности его разложения в этом типе почвы. Проведен анализ функционального профиля микробного сообщества, показывающий наличие разных физиологических групп микроорганизмов. Выделены четыре группы микроорганизмов: потребляющие карбоновые кислоты, углеводы, аминокислоты и фенольные кислоты. Исходные почвы (подзол и торф) характеризовались низкой активностью. Функциональная активность микроорганизмов в геохимических барьерах увеличивалась, за исключением варианта с песком, в котором она была даже ниже, чем в исходных торфяной почве и подзоле. В геохимических барьерах на участке с подзолом присутствовали все группы микроорганизмов, при этом следует отметить большее увеличение отклика на фенольные кислоты в варианте с серпентиновыми отходами, что свидетельствует о большей способности микробного сообщества к разложению сложных органических веществ в почве этого варианта. Геохимические барьеры через 7-10 лет после формирования растительного покрова на полностью минеральном материале, имели микробное сообщество, характеризующееся высоким разнообразием, причем в большинстве вариантов были представлены все функциональные группы микроорганизмов, включая группу, разлагающую сложные органические соединения. Также отмечено существенное увеличение численности микромицетов, являющихся основными деструкторами органического вещества в экосистемах. Функциональная активность, разнообразие микробного сообщества и численность микромицетов в первичных почвах зависели как от степени загрязнения, так и от минерального состава горнопромышленных отходов. Данные показатели были выше на участке с подзолом, находящемся на большем удалении от медно-никелевого комбината, по сравнению с участком с торфяной почвой. Среди вариантов на одном участке функциональные показатели микробного сообщества были выше в геохимическом барьере из серпентинито-магнезита. Геохимические барьеры из серпентинсодержащих материалов имели наиболее благоприятные условия для развития микробного сообщества, они отличались большим разнообразием микроорганизмов, большей функциональной активностью в целом и большей долей группы, отвечающей за разложение фенольных соединений. Содержание никеля и меди в надземных органах растений было на два порядка выше, чем содержание других металлов, например кобальта и свинца, при этом содержание меди было немного выше, чем никеля. По сравнению с фоновыми условиями, содержание свинца и кобальта было превышено почти на два порядка, а меди и никеля – на три порядка. Эксперимент по оценке поверхностного загрязнения не показал существенного влияния аэротехногенной пыли в содержании меди и никеля в надземных органах растений. Таким образом, основным местом локализации металлов, по-видимому, становятся растительные клетки, а источником металлов в надземных органах растений является транспорт из почв, на которых произрастают злаковые сообщества. Содержание никеля (г/кг) во всех вариантах эксперимента уменьшалось в ряду колос (0.3-0.5) > корень (0.1-0.3) > лист (0.05-0.15). Содержание меди в варианте с песком соответствовало такому же ряду – колос (0.48) > корень (0.22) > лист (0.18), а в вариантах с горнопромышленными отходами ряд был следующим (г/кг): корень (0.26-0.47) > колос (0.17-0.34) > лист (0.07). Основной целью конструирования технозёмов являлась ремедиация территории и снижение миграции металлов, в связи с чем растительный покров в первую очередь рассматривается с точки зрения функции фитостабилизации поллютантов при сохранении жизнеспособности злаковых сообществ. Важным положительным моментом является то, что корневые системы в вариантах с горнопромышленными отходами являлись главными органами, накапливающими медь, и, тем самым, способствующими её закреплению в технозёмах. Накопление никеля в корневых системах было в два раза меньше, чем меди, что связано как с его меньшей концентрацией в подвижной форме, так и с меньшим физиологическим значением для растений, и, соответственно, частичной блокировкой транспорта в растительных тканях. В колосьях накапливалось чуть больше никеля, чем в корнях. Корни играют главную роль в фитостабилизации металлов вследствие их гораздо большей массы и удельной поверхности, чем колосьев. В то же время наличие генеративных органов свидетельствует об относительно благополучном состоянии злаков в условиях мультиэлементного загрязнения. Слабая гумификация в северных условиях также способствует длительному закреплению металлов и снижению миграции в окружающей среде. Оценка поверхностного загрязнения растений металлами показала относительно небольшой вклад в их общем содержании, что делает возможной гипотезу о транспорте металлов в листья по симпласту, а в колосья – по апопласту. Таким образом, растительный покров из злаковых растений, сформированный на техноземах, состоящих из горнопромышленных отходов, выполняет функцию фитостабилизации металлов в условиях продолжающегося поступления металлов в техноземы из аэротехногенных пылей. Изучены сорбционные свойства термоактивированных серпентинсодержащих материалов. Наличие щелочного потенциала и сорбционно активной фазы являются благоприятными характеристиками, позволяющими использовать термосерпентины для иммобилизации металлов высокозагрязненных почв. В результате нейтрализации избыточной кислотности и добавлении адсорбционно активного материала при внесении термоактивированных серпентинов в почву с высоким уровнем загрязнения металлами происходит снижение их геохимической подвижности за счет уменьшения доли наиболее подвижной обменной фракции и увеличения доли наиболее прочно связанной фракции, которая экстрагируется азотной кислотой с концентрацией более 1 моль/л. Дополнительное снижение токсичности почвы происходит за счет увеличения содержания кальция и магния. Наглядным результатом мелиоративных мероприятий с применением термоактивированных серпентинов является формирование на экспериментальной площадке искусственного фитоценоза из злаковых растений с высокой продуктивностью, устойчиво произрастающего в течение 10 лет в условиях продолжающегося аэротехногенного загрязнения. Результаты исследований представлены в докладе на конференции генеральной ассамблеи Европейского общества Наук о Земле EGU 2021, Smart and Sustainable Cities 2020 и Плаксинские чтения 2020. По результатам работ опубликовано 4 статьи, в том числе 3 статьи в журналах Q1, одна статья находится на рецензии. Также результаты проекта представлены в публикации на сайте Кольского научного центра РАН: https://www.ksc.ru/press-sluzhba/novosti/novosti-nauki/chudes-ne-byvaet-no-my-poprobuem/

 

Публикации

1. - Чудес не бывает, но мы попробуем "Дважды Два Апатиты", городская новостная газета, 30 октября 2020 г. (год публикации - ).

2. Иванова Л.А., Слуковская М.В., Кременецкая И.П., Горбачева Т.Т. Пора озеленять Арктику. Инновационные газонные технологии для создания травяного покрова различного назначения в условиях Заполярья Издательство Кольского научного центра РАН, г. Апатиты, 37 c. (год публикации - 2020).

3. Кременецкая И.П., Иванова Л.А., Числов М.В., Зверева И.А., Васильева Т.Н., Марчевская В.В., Семушин В.В., Слуковская М.В. Physicochemical transformation of expanded vermiculite after long-term use in hydroponics Applied Clay Science, 198, 105839 (год публикации - 2020).

4. Слуковская М.В., Кременецкая И.П., Мосендз И.А., Иванова Т.К., Дрогобужская С.В., Иванова Л.А., Новиков А.И., Широкая А.А. Thermally activated serpentine materials as soil additives for copper and nickel immobilization in highly polluted peat Environmental Geochemistry and Health, опубликована 12.04.2022 (год публикации - 2022).

5. Слуковская М.В., Кременецкая И.П., Новиков А.И., Иванова Т.К., Дрогобужская С.В. Heat-treated serpentine-reached materials: application for sorption of heavy metals and remediation of industrially polluted peat soil EGU General Assembly 2021, online, 19-30 Apr 2021, EGU21-7051 (год публикации - 2021).

6. Слуковская М.В., Мосендз И.А., Петрова А.Г., Марковская Е.Ф., Кременецкая И.П., Иванова Л.А., Терещенко С.В., Шибаева Д.Н. Оценка эффективности применения пироксенит-вермикулит-сунгулитового зернистого продукта для ремедиации почвы Материалы Международной конференции “Инновационные процессы комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья” (Плаксинские чтения – 2020), 21-26 сентября 2020 — Апатиты : ФИЦ КНЦ РАН, 2020. — 367 с.: ил., с. 355-357 (год публикации - 2020).

7. Тарасова Е.А., Дрогобужская С.В., Тапиа-Пицарро Ф., Морев Д.В., Брыков В.А., Довлетярова Э.А., Слуковская М.В., Наварро-Вилларроэль К., Пальцева А.А., Неаман А.А. Vermiculite-Lizardite Industrial Wastes Promote Plant Growth in a Peat Soil Affected by a Cu/Ni Smelter: a Case Study at the Kola Peninsula, Russia Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 20, 1588 (год публикации - 2020).


Возможность практического использования результатов
Результаты проекта научно обосновывают масштабирование экономически рентабельной технологии ремедиации техногенных пустошей с высоким уровнем мультиэлементного загрязнения тяжелыми металлами. Основными компонентами такой технологии являются щелочные отходы горнодобывающей промышленности и вспученный вермикулит. Такой подход позволяет создавать устойчиво функционирующие экосистемы в условиях Арктической зоны РФ, препятствующие развитию эрозионных процессов, дальнейшей деградации почв, загрязнению всех сред обитания, в том числе рыбохозяйственных водоёмов и подземных водных источников. Сформированные геохимические барьеры, с одной стороны, являются основой для восстановления растительности в условиях продолжающейся аэротехногенной нагрузки, а с другой - способствуют депонированию металлов, препятствуя их миграции в окружающую среду. Однозначная фиксация протекания процессов первичного почвообразования через 10 лет после инициации восстановительной сукцессии в экстремальных природно-климатических и техногенных условиях позволяет оценивать технологию как эффективную в долгосрочной перспективе. В то же время, множество проведенных в рамках проекта анализов исходных почв техногенной пустоши подтверждает невозможность самовосстановления экосистем на данной территории в ближайшие десятилетия, что свидетельствует о необходимости проведения масштабных работ по ремедиации в связи с близостью территории техногенной пустоши к городским поселениям и её ежедневным неблагоприятным влиянием на условия проживания тысяч людей.