Оценка эффективности и экологичности сорбент-ориентированного метода восстановления загрязненных тяжелыми металлами и металлоидами почв

Загрязнение природных экосистем тяжелыми металлами и металлоидами (HMM) – это главным образом результат антропогенной деятельности. Именно поэтому в настоящее время разрабатываются технологии, направленные на ограничение подвижности HMM и уменьшение сроков протекания химических реакций по переводу поллютантов из подвижной в неподвижную форму. Решение проблемы рекультивации всегда предполагает выбор наиболее перспективного и эффективного вида рекультивационных работ, а также обоснование приоритизации земель, подлежащих рекультивации. В части эффективности и перспективности популярность приобретает сорбент-ориентированный метод, основанный на принципе «зеленой» утилизации техногенных отходов в качестве сырья для создания композитных сорбентов нового типа в целях рекультивации нарушенных земель. Зарубежная практика в качестве обоснования необходимости и приоритизации рекультивационных работ использует различные методики оценки экологических рисков. Цель текущего исследования – апробировать имеющиеся распространенные методики оценки рисков причинения экологического ущерба и оценить эффективность и «экологичность» разрабатываемых авторских композитных сорбентов с позиции оценки и сравнения уровней возникновения потенциальных экологических рисков/рисков нанесения экологического ущерба после их (сорбентов) применения.

Задачи: 1) рассмотреть теоретические аспекты HMM: сформулировать определение, рассмотреть генезис HMM, исследовать вопрос токсичности HMM и выявить наиболее распространенные методики оценки экологических рисков HMM; 2) апробировать имеющиеся методики оценки экологических рисков HMM; 3) оценить эффективность и «экологичность» разрабатываемых авторских композитных сорбентов с позиции оценки и сравнения уровней возникновения потенциальных экологических рисков/рисков нанесения экологического ущерба после их (сорбентов) применения.

Объект исследования: горный отвод Левихинского рудника (зона экологического бедствия) как экосистема нарушенных земель, в составе которой присутствуют промышленные отвалы, содержащие HMM.

Гипотеза исследования: доказать возможность «зеленой утилизации» техногенных отходов в качестве сырья для композитных сорбентов, используемых для рекультивации нарушенных земель, без увеличения рисков причинения экологического ущерба природной среде. В результате проведённых экспериментов наибольшую эффективность продемонстрировали сорбенты торф/осадки водоподготовки (пропорция при естественной влажности: 20/80, %), торф/диатомит/осадки водоподготовки (пропорция при естественной влажности: 5/15/80, %), где суммарная эффективность превышала 89 %. У сорбента торф/диатомит (пропорция при естественной влажности: 25/75, %) наблюдается суммарная эффективность 67,7 %. Оцениваемые риски ER и EH после применения авторских композитных сорбентов, в состав которых входят осадки водоподготовки, снижались в среднем на 89,5 и 88 % соответственно.

1. Чаплыгин Н.Н., Галченко Ю.П., Папичев В.И. и др. Экологические проблемы геотехнологий: новые идеи, методы и решения. М.: ООО Издательство «Научтехлитиздат». 2009. 320 с.

2. Наумов И.В. Исследование пространственных диспропорций в процессах нарушения и рекультивации земельных ресурсов в России. Известия УГГУ. 2019;(4):142–151. https://doi.org/10.21440/2307-2091-2019-4-143-152

3. Chiampo F., Zacchini M. Environmental restoration of metal-contaminated soils. Applied Sciences. 2021;11(22):10805. https://doi.org/10.3390/app112210805

4. Ворончихина Е.А. Рекультивация нарушенных ландшафтов: теория, технологии, региональные аспекты: монография. Пермь; 2010. 165 с.

5. Zhu J., Wang P., Lei M.-J., Zhang W.-L. Polyhydroxyl-aluminum pillaring improved adsorption capacities of Pb2+ and Cd2+ onto diatomite. Journal of Central South University. 2014;21:2359–2365. https://doi.org/10.1007/s11771-014-2188-9

6. Юрак В.В., Усманов А.И. Подходы к восстановлению нарушенных горно-металлургическим комплексом земель. Устойчивое развитие горных территорий. 2023. В печати.

7. Mishra M., Mohan D. Bioremediation of contaminated soils: an overview. In: Rakshit A., Abhilash P., Singh H., Ghosh S. (eds) Adaptive Soil Management: From Theory to Practices. Springer, Singapore; 2017. https://doi.org/10.1007/978-981-10-3638-5_16

8. Singh A., Prasad S.M. Remediation of heavy metal contaminated ecosystem: an overview on technology advancement. International Journal of Environmental Science and Technology. 2015;12:353–366. https://doi.org/10.1007/s13762-014-0542-y

9. Ignatyeva M., Yurak V., Pustokhina N. Recultivation of post-mining disturbed land: review of content and comparative law and feasibility study. Resources. 2020;9(6):73. https://doi.org/10.3390/resources9060073

10. Ермаков А.С., Ермакова А.Я. Восстановление нарушенного почвенного покрова отрицательного воздействия от промышленных предприятий. Научный вестник МГГУ. 2014;(1):24 –29.

11. Marques J.P., Rodrigues V.G.S., Raimondi I.M., Lima J.Z. Increase in Pb and Cd Adsorption by the application of peat in a tropical soil. Water, Air, & Soil Pollution. 2020;231:136. https://doi.org/10.1007/s11270-020-04507-z

12. Яконовская Т.Б., Жигульская А.И. Особенности оценки экономической безопасности предприятий торфодобывающей отрасли тверского региона России (обзор отрасли). Горные науки и технологии. 2021;6(1):5–15. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-1-5-15

13. Игнатьева М.Н., Юрак В.В., Душин А.В., Стровский В.Е. Техногенные минеральные образования: проблемы перехода к циркулярной экономике. Горные науки и технологии. 2021; 6(2):73–89. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-2-73-89

14. Апакашев Р.А., Малышев А.Н., Лебзин М.С. Исследование физико-химических свойств осадков водоподготовки для «зеленой» почвенной утилизации. Известия Уральского государственного горного университета. 2022;(3):117–124.

15. Букин А.В., Моторин А.С., Игловиков А.В. Cоздание рекультивационной смеси на основе осадка водоподготовки няганьской грэс и торфа. Агропродовольственная политика России. 2016;(12):70–75.

16. Hàkanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control. A sedimentological approach. Water Research. 1980;14(8):975–1001. https://doi.org/10.1016/0043-1354(80)90143-8

17. Baran A., Wieczorek J., Mazurek R. et al. Potential ecological risk assessment and predicting zinc accumulation in soils. Environmental Geochemistry and Health. 2018;40:435–450. https://doi.org/10.1007/s10653-017-9924-7

18. Wu Q., Leung J.Y.S., Geng X. et al. Heavy metal contamination of soil and water in the vicinity of an abandoned e-waste recycling site: Implications for dissemination of heavy metals. Science of the Total Environment. 2015;506–507:217–225. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.10.121

19. Pan X.-D., Wu P.-G., Jiang X.-G. Levels and potential health risk of heavy metals in marketed vegetables in Zhejiang, China. Scientific Reports. 2016;6:20317. https://doi.org/10.1038/srep20317

20. Старицына И.А., Беличев А.А. Анализ использования нарушенных земель Свердловской области. Аграрный вестник Урала. 2018;4:31–36.

21. Ali H., Khan E. What are heavy metals? Long-standing controversy over the scientific use of the term ‘heavy metals’ – Proposal of a comprehensive definition. Toxicological & Environmental Chemistry. 2018;100:6–19. https://doi.org/10.1080/02772248.2017.1413652

22. Селезнев А.А., Климшин А.В. Тяжелые металлы в грунтах на территории г. Екатеринбурга. Известия Уральского государственного горного университета. 2020;(1):96–104. https://doi.org/10.21440/2307-2091-2020-1-96-104

23. Семенов А.И., Кокшаров А.В., Погодин Ю.И. Содержание тяжелых металлов в почве г. Челябинска. Медицина труда и экология человека. 2015;(3):184–191.

24. Писарева А.В., Белопухов С.Л., Савич В.И. и др. Миграция тяжелых металлов от очага загрязнения в зависимости от взаимосвязей в ландшафте. Вестник технологического университета. 2017;20(6):160–163.

25. Bou Kheir R., Greve M., Greve M. et al. Comparative GIS tree–pollution analysis between arsenic, chromium, mercury, and uranium contents in soils of urban and industrial regions in Qatar. Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration. 2019;4:10. https://doi.org/10.1007/s41207-019-0099-8

26. Mikkonen H.G., Dasika G., Drake J.A. et al. Evaluation of environmental and anthropogenic influences on ambient background metal and metalloid concentration in soil. Science of the Total Environment. 2018;624:599–610. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.12.131

27. Ali H., Khan E., Ilahi I. Environmental chemistry and ecotoxicology of hazardous heavy metals: environmental persistence, toxicity, and bioaccumulation. Journal of Chemistry. 2019;2019:6730305 https://doi.org/10.1155/2019/6730305

28. Raffa C.M., Chiampo F., Shanthakumar S. Remediation of metal/metalloid-polluted soils: a short review. Applied Sciences. 2021;11:4134. https://doi.org/10.3390/app11094134

29. Wuana R.A., Okieimen F E. Heavy metals in contaminated soils: a review of sources, chemistry, risks and best available strategies for remediation. International Scholarly Research Network. 2011;2011:402647. https://doi.org/10.5402/2011/402647

30. Dutta S., Mitra M., Agarwal P. et al. Oxidative and genotoxic damages in plants in response to heavy metal stress and maintenance of genome stability. Plant Signaling & Behavior. 2018;13(8):e1460048 https://doi.org/10.1080/15592324.2018.1460048

31. Kinuthia G.K., Ngure V., Beti D. et al. Levels of heavy metals in wastewater and soil samples from open drainage channels in Nairobi, Kenya: Community health implication. Scientific Reports. 2020;10:8434. https://doi.org/10.1038/s41598-020-65359-5

32. Carlon C. (Ed.) Derivation methods of soil screening values in Europe. A review and evaluation of national procedures towards harmonization. Ispra: European Commission, Joint Research Centre; 2007. 306 p.

33. He Z., Shentu J., Yang X. et al. Heavy Metal Contamination of Soil: Sources, Indicators, and Assessment. Journal of Environmental Indicators. 2015;9:17–18.

34. Касьяненко А.А. Контроль качества окружающей среды. М.: Российский университет дружбы народов; 1992. 136 с.

35. Апакашев Р.А., Лебзин М.С., Юрак В.В., Малышев А.Н. Гибридные сорбенты – мелиоранты для рекультивации загрязненных мышьяком почв. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(11–1):18–28. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_111_0_18

36. Fedorov S., Zavyalov S., Yurak V. Ore minerals in technogenic wastes of the levikhinsky mine (Middle Urals) In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. International Science and Technology Conference “Earth Science”, ISTC EarthScience 2022. 2022;988(2):032088. https://doi.org/10.1088/1755-1315/988/3/032088