L'utilisation de nouvelles méthodes pour nettoyer les sols urbanisés des métaux lourds

DANS ET. Savich, docteur en sciences agronomiques, professeur, S.L. Belopukhov, docteur en sciences agricoles, professeur, D.N. Nikitochkin, candidat en sciences agricoles, Université agraire d'État russe - Académie agricole de Moscou. KA Timiriazev; UN V. Filippova, docteur en sciences biologiques, professeur, Université agraire d'État d'Orenbourg

La pollution des sols urbains réduit la qualité de vie de la population, car les particules de poussière transportées par le vent pénètrent dans le corps humain, entraînant des problèmes de santé. La filtration des polluants, ou leur cumul, dépend des propriétés du sol et de sa saturation en polluants. Les questions de nettoyage des sols urbains ont été débattues par la communauté scientifique, des mesures ont été proposées pour le changement périodique des sols urbanisés, l'utilisation de micropréparations liant les métaux lourds, etc. Il convient de noter que toutes les études qui améliorent la qualité des sols urbains ont leur place.

La purification biologique des sols urbains à partir de métaux lourds a ses propres caractéristiques. La purification des sols urbains des métaux lourds peut être réalisée en les aliénant du sol par des plantes vertes. Dans le même temps, pour un développement plus poussé du processus, il est nécessaire de sélectionner les conditions de croissance et les espèces végétales. Différentes plantes ont une résistance inégale à certains types de pollution, qui est déterminée par les caractéristiques des processus métaboliques qui s'y déroulent. Ainsi, selon E.M. Ivanova et al., en comparant la résistance au sulfate de cuivre de trois graminées - herbe cristalline, trèfle rouge et colza - le trèfle a montré la plus grande résistance. Dans le même temps, la toxicité du cuivre pour les plantes était largement déterminée par sa capacité à se lier aux groupes BN de protéines et à modifier facilement son état redox, générant formes actives l'oxygène et provoquant un état de stress oxydatif.

But et méthodes de recherche. Lors de l'étude des possibilités de phytoremidia, des expériences ont été menées pour étudier les possibilités d'élimination des métaux lourds par les plantes.

Dans l'expérience n°1, le but de l'étude était d'identifier l'influence de la composition du sol sur le développement des plantes qui y sont cultivées, l'élimination de certains éléments (N, Fe, Mn, Mg) avec les plantes, l'évaluation des plantes qui accumulent le maximum et le minimum accumulent divers microéléments. Les composants des sols étudiés étaient du sable de quartz, de la tourbe, de la zéolithe imprégnée d'une solution de NPK, un sol sodo-podzolique (prélevé dans un parc forestier à Moscou), un sol contaminé par divers toxiques (prélevé au bord de la route). Des plantes de cresson, de radis, de pâturin des prés et de fétuque ont été cultivées sur les sols obtenus.

rouge pendant 1 à 1,5 mois. Ensuite, les semis obtenus ont été analysés à l'aide de données d'analyse chimique (la teneur en éléments de manganèse, de zinc, de magnésium, de fer), ainsi que de données sur la longueur des tiges et des racines des semis cultivés (les valeurs de pH de l'étude sols variait de 6,4 à 7,1).

Résultats de recherche. Le développement maximal des tiges a été noté dans la variante contenant 10 g de zéolithe, 30 g de tourbe, 30 g de sable et 30 g de terre contaminée. Les options les plus favorables à la formation de la masse, la longueur des tiges et des racines sont différentes. Ceci, apparemment, est associé à la fois à la présence de différentes substances de croissance dans les variantes et à la formation d'un ensemble de propriétés physico-chimiques, hydro-physiques et structurales-chimiques des sols favorables à divers processus individuels.

meilleur développement plantes par leur poids a été noté dans la variante contenant 25 g de tourbe, 25 g de zéolithe, 25 g de sable et 25 g de terre contaminée. Dans le même temps, l'optimum pour le développement de différentes plantes est noté sur différents sols.

L'élimination du zinc des sols due à la régénération biologique est indiquée dans le tableau 1.

L'élimination du zinc des sols dépend de la composition du sol et des plantes cultivées. Plus d'élimination était dans la culture, qui a une masse végétative plus élevée. De toute évidence, nourrir les plantes avec des nutriments augmentera l'élimination des métaux lourds par les plantes. Dans le même temps, la fétuque et le pâturin ont montré l'élimination la plus élevée de mg de zinc par plante. L'élimination du zinc dans les sols avec ajout de tourbe était de 46,5 + 13,4 mg / récipient, et dans les sols sans tourbe - 38,4 + 14,0.

L'élimination maximale du zinc des sols pollués (mg/récipient) a été réalisée par le radis, le minimum - par la laitue (tableau 2).

1. Élimination du zinc des sols par les cultures individuelles (n = 8)

Culture Élimination du zinc

mg/vaisseau 100 mg/g plante 100

Cresson 16,5±4,7 50,0

Radis 109,2±28,7 67,0

Pâturin 22,3±5,6 82,6

Fétuque 32,6±8,5 90,5

2. Élimination du zinc par les plantes, mg/vaisseau 102

Plantes variantes

laitue radis pâturin fétuque

zéolite > 10% (option 1) 7,7±6,4 75,5±3,7 18,9±2,2 42,3±26,9

zéolite< 10% (вариант 2 и 4) 15,4±6,5 112,8±39,9 20,9±6,8 22,0±4,7

L'introduction de zéolithe dans le sol à plus de 10% (25%) par rapport à l'introduction de 10% de zéolithe a conduit à la fixation du zinc dans le sol et à une moindre élimination du zinc par les plants de laitue et de radis (mg/récipient) (les différences ne sont pas significatives pour le pâturin et la fétuque).

Dans l'expérience n° 2, nous avons étudié l'élimination du plomb, du cadmium, du fer et du zinc des sols par des semis de vesce et d'avoine. Les objets d'étude étaient des sols pollués. Pour augmenter la mobilité des métaux lourds dans les sols, les échantillons ont été versés avec 0,001 m d'EDTA à 60% HP, puis des semis y ont été cultivés pendant 10 jours. A la fin de la période de croissance, les métaux lourds ont été extraits des semis avec HCl 0,1 N puis dosés sur un spectrophotomètre d'absorption atomique. Selon les données obtenues, l'élimination des métaux lourds des sols par les plantes diffère pour les sols différents niveaux contamination, comme le montre le tableau 3.

3. Élimination des métaux lourds par les plantes

Degré de contamination Élimination, mg/100 g

Faible Augmenté 0,85±0,38 1,95±0,55 2,9±0,81 6,7±2,8 6,1±1,9 21,4±5,4 74±±63

4. Élimination des métaux lourds des sols par les semis de vesce et d'avoine (mg/100 g de plantes)

Semis Pb Cd Fe Zn

Vika 1,0±0,4 7,1±2,5 8,5±3,1 2,9±1,0

Avoine 0,7±0,2 3,0±1,0 11,4±3,8 2,1±0,6

La vesce et l'avoine différaient dans leur capacité à extraire les métaux lourds des sols.

À en juger par les données obtenues, la vesce a extrait plus de plomb, de cadmium, de zinc du sol et d'avoine - fer.

Une série d'expériences a montré que la purification des sols urbains à partir de formes mobiles de métaux lourds peut être réalisée non seulement avec l'utilisation de sorbants, avec la précipitation de métaux lourds sous forme de sédiments peu solubles, avec l'utilisation de l'électrorécupération du sol , et avec beaucoup de succès à l'aide de phytoobjets. Il est évident que l'élimination des métaux lourds des sols par les plantes (ou micro-organismes, champignons) dépend du degré de mobilité des toxiques dans le sol et augmente lorsque les conditions sont créées pour le développement intensif des plantes. Étant donné que différentes plantes résistent à la fois à une certaine nature et à un certain degré de pollution, pour la purification biologique des sols urbains à partir de métaux spécifiques, il convient également de sélectionner des conditions sélectives pour leur extraction (y compris les modifications des propriétés physico-chimiques des sols et la sélection de cultures amélioratrices).

Dans l'une des expériences, le développement des semis a été étudié sur des échantillons de sol prélevés dans divers quartiers de Moscou. Dans les échantillons, la valeur du pH de la suspension aqueuse a été déterminée ; la longueur des racines et des tiges des semis et leur poids ont été évalués. Faire pousser des plantes à

l'humidité optimale a duré 10 jours. Les données obtenues sont présentées dans le tableau 5.

5. Développement de semis sur les sols des parcs et des zones fortement polluées

Superficie Masse Racines Tiges

Périphérique de Moscou, v. 1 Squares, v. 6, 8 0,8 1,7±0,1 2,7 5,2±1,2 7,3 11,6±1,5

Comme le montrent les données présentées, sur des sols fortement pollués près du périphérique de Moscou, les plantes se sont développées bien pire que dans les parcs de la ville.

D'un point de vue théorique, ajouter au sol solution nutritive devrait améliorer le développement des plantes, et l'introduction de plomb dans le sol, au contraire, aggraver leur développement. Dans l'expérience, la solution nutritive et du Pb(CH3COO)2 ont été ajoutés selon les variantes.

L'ajout de plomb aux sols pollués a entraîné la suppression complète des plantes et, sur les sols des jardins publics, il a réduit leur masse, réduit la longueur des racines et des tiges. Parallèlement, l'introduction d'une solution nutritive dans le sol a amélioré le développement des plantes sur les sols pollués et n'a pratiquement pas modifié le développement sur les sols des jardins publics.

Dans l'expérience suivante, l'influence de la vesce, de l'ivraie et de la moutarde blanche sur la teneur en métaux lourds du sol a été évaluée. Malgré le fait que les plantes ont absorbé une certaine quantité de métaux lourds des sols, le contenu de leurs formes mobiles dans les sols n'a pas diminué en raison de l'excrétion de complexones par les plantes à travers le système racinaire et de l'influence des produits de décomposition des résidus organiques sur la mobilité. de métaux lourds.

Théoriquement, lorsque KNO3 est introduit dans le sol (lors de l'arrosage du sol), le développement des plantes devrait s'améliorer et, par conséquent, leur élimination des métaux lourds du sol devrait augmenter. Cependant, cela augmentera également la force ionique de la solution, et donc la solubilité des précipités. L'influence des plantes sur la solubilité des sédiments dans le sol augmentera également. En relation avec ce qui précède, la teneur totale en métaux lourds dans les sols au cours d'une telle régénération biologique devrait diminuer, tandis que la teneur en formes mobiles peut augmenter. Des processus similaires se produisent également lorsque les sols sont irrigués avec de l'EDTA (complexone pour les métaux polyvalents). Cependant, ce réactif n'est pas une source de nutrition des plantes, et son effet sur la solubilité des précipitations est supérieur à celui de KNO3, mais moindre sur le développement des plantes. Les modèles théoriques considérés sont également illustrés par les données du tableau 6.

Ainsi, il existe différentes manières d'éliminer les formes mobiles de métaux lourds de la couche supérieure du sol, dont la priorité est déterminée par les conditions pédologiques, lithologiques, hydrologiques et les opportunités économiques spécifiques. en outre

Fig. 6. Influence de l'introduction de KNO, EDTA dans les sols et la culture des plantes sur la teneur en formes mobiles de métaux lourds dans les sols (n=10-30)

Variante C<1 Си Ми

Vetch Yugo3 EDTA Ryegrass Mustarde blanche KZH) 3 + Vetch + Ryegrass + moutarde EDTA + Vetch + Ryegrras + Moutarde 1,10 ± 0,21 0,95 ± 0,10 0,81 ± 0D0 0,78 ± 0D9 1,20 ± 0,18 1,08 ± 0,21 0,28 ± 0,13 0,0 0,51 ± 0,08 ± 0,21 0,28 ± 0,13 0,0 0,51 ± 0,16 0,21 0,28 ± 0,13 0,0 0,51 ± 0,16 ±0.11 0.55±0.06 3.60 ±0.4 0.79±0.16 1.17±0.53 0.70±0.16 3.90±1D 2.72±0.8 3.60±1.1 1.70±0.5 1 .10±0.2 323.5±47.5 167.7±18.3 332.1±38.9 230.7±43.2 237.5±36.5 212.7 ±35,1 113, 8±42,3 72,4±31,0 373,5±77,2 332,0±67,1 77,9±31,7

aux méthodes connues, de notre point de vue, il convient d'ajouter ce qui suit :

1) lessivage des métaux lourds avec des solutions de teint jusqu'à une certaine profondeur puis leur sédimentation là-bas, suivi d'un lavage du sol avec des solutions contenant des carbonates, des phosphates, qui ont un environnement alcalin;

2) élimination des sols grâce à la phytoremédiation et à l'absorption des métaux lourds par les champignons tout en créant les conditions d'une plus grande bioproductivité ;

3) la régulation des constantes d'échange dans le système sol-racines ; racines - la partie aérienne des plantes en raison du régime nutritionnel;

4) application pour la phytoremédiation des espèces et variétés végétales ayant une plus grande capacité de sorption des racines aux métaux lourds ;

5) l'utilisation de sorbants à action prolongée pour la sorption des métaux lourds,

prise en compte des constantes d'équilibre dans le système sol - métal lourd et absorbant - métal lourd ;

6) une diminution de l'entrée des métaux lourds dans les végétaux lorsque les complexones sont introduits dans les sols à partir des déchets agricoles, qui forment des complexes stables de haut poids moléculaire avec les métaux ;

7) électro-amélioration des sols lors de la création de conditions pour augmenter la mobilité des métaux lourds;

8) création de barrières géochimiques dans le profil du sol qui empêchent leur entrée dans les plantes, leur migration vers les eaux souterraines et leur évaporation des sols.

Le choix d'une stratégie lors de l'utilisation d'un ensemble de mesures pour améliorer l'état des sols urbains, parfois appelés sols urbains, n'est possible qu'en effectuant un calcul physico-chimique et en prédisant les processus en cours pour des sols, des plantes et des conditions spécifiques. environnement.

Littérature

1. Kholodova V.P., Volkov K.S., Kuznetsov V.V. Adaptation aux fortes concentrations de sels de cuivre et de zinc dans les graminées cristallines et possibilité de leur utilisation pour la phytoremédiation // Physiologie végétale. 2005. T. 52. C, 848-858.

2. Ivanova E.M., Volkov K.S., Kholodova V.P., Kuznetsov V.V. Nouvelles vittes végétales prometteuses dans la phytoremédiation des territoires contaminés par le cuivre // Bulletin de l'Université de l'Amitié des Peuples de Russie. Série "Agronomie et élevage". 2011. N° 2. S. 28-37.

3. Clemens D. Accumulation de métaux toxiques. Réponses à l'exposition et mécanismes de tolérance chez les plantes, Biochem., 2006, v. 88, p. 1707-1719.

4. Kramer U. Hyper-accumulation de métaux dans les plantes, Ann. Tour. Plant Biol., 2010, v. 10, p. 517-534.

5. Savich V.I., Belopukhov C.JI., Nikitochkin, Filippova A.V. Nouvelles méthodes de purification des sols à partir de métaux lourds / Actes de l'Université agraire d'État d'Orenbourg. 2013. N° 4. S, 216-218.

L'introduction d'acide borique dans le sol en raison de la participation du bore à la formation de composés complexes de métaux avec des dérivés de polysaccharides - pectine et rhamnogalacturonan II lors de la formation d'un réseau dans la matrice de la paroi cellulaire augmente considérablement l'élimination des plantes par les métaux lourds des remèdes du sol. Il existe une méthode de purification biologique du sol des métaux lourds à l'aide de remèdes végétaux. Dans la méthode de phytoremédiation proposée, l'acide borique est introduit dans le sol à faible dose de 0110 kg ha, ce qui permet d'augmenter la...

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La méthode de purification biologique des sols à partir de métaux lourds.

1. Brève description du développement.

L'introduction d'acide borique dans le sol, en raison de la participation du bore à la formation de composés complexes de métaux avec des dérivés de polysaccharides - pectine et rhamnogalacturonan-II lors de la formation d'un réseau dans la matrice de la paroi cellulaire, augmente considérablement l'élimination de métaux lourds du sol par les plantes-remédiantes.Ce principe a été utilisé dans le développement d'une méthode de phytoremédiation des sols contaminés par des métaux lourds. La méthode est conçue pour protéger et restaurer les ressources naturelles, est respectueuse de l'environnement et peu coûteuse.

2. Avantages du développement et de la comparaison avec des analogues.

Il existe une méthode de purification biologique du sol des métaux lourds à l'aide de plantes correctives. Dans la méthode de phytoremédiation proposée, l'acide borique est introduit dans le sol à faible dose (0,1-1,0 kg/ha), ce qui permet de décupler l'élimination des métaux lourds des sols pollués par les plantes dépolluantes et de réguler l'élimination de certains métaux du sol.

3. Zones d'utilisation commerciale du développement.

Phytoremédiation des sols contaminés par des métaux lourds à l'aide d'acide borique pour cibler des valeurs critiques : 1) en agriculture (pour l'agriculture, l'horticulture, l'élevage) ; 2) dans la construction paysagère (pour l'utilisation récréative des terres); 3) dans l'économie municipale (pour l'organisation des espaces de loisirs dans les territoires restaurés) ; 4) dans des zones naturelles spécialement protégées (pour assurer les conditions d'existence d'espèces rares et menacées).

4. Forme de protection de la propriété intellectuelle.

Reçu Brevet d'invention n° 2342822 "Méthode de purification biologique des sols à partir de métaux lourds" en date du 01/10/2010

Développeur - FGBUN IL KarRC RAS.

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Brève description

Les polluants sont des substances d'origine anthropique qui pénètrent dans l'environnement en quantités dépassant le niveau naturel de leur absorption.
La pollution des sols est un type de dégradation anthropique, dans lequel le contenu substances chimiques dans les sols soumis à des impacts anthropiques, dépasse le niveau de fond régional naturel. L'excès de contenu de certains produits chimiques dans l'environnement humain en raison de leur ingestion à partir de sources anthropiques est un danger pour l'environnement.

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Avec l'expansion de la surveillance environnementale de l'état des sols, les méthodes de détermination de la teneur en composés HM solubles dans l'acide (HCI 1 N, HNO3 1 N) ont commencé à être largement utilisées. On leur donne souvent le nom de "teneur brute conditionnelle en HM". L'utilisation de solutions diluées d'acides minéraux comme réactifs n'assure pas la décomposition complète de l'échantillon, mais permet le transfert de l'essentiel des composés d'éléments chimiques d'origine technogénique. dans la solution.

Les formes mobiles de HM comprennent des éléments et des composés de la solution du sol et de la phase solide du sol, qui sont dans un état d'équilibre dynamique avec les éléments chimiques de la solution du sol. Pour déterminer les HM mobiles dans les sols, des solutions faiblement salines sont utilisées comme extractant, avec une force ionique proche de la force ionique des solutions naturelles du sol : (0,01–0,05 M CaCI 2, Ca(NO 3) 2, KNO 3). La teneur en composés potentiellement mobiles des éléments contrôlés dans les sols est déterminée dans un extrait de 1 N. NH4CH3COO à différentes valeurs de pH. Cet extractant est également utilisé avec l'ajout d'agents complexants (0,02–1,0 M EDTA).

Pour l'analyse, les couches supérieures du sol (0–10 cm) sont le plus souvent sélectionnées, parfois la répartition des polluants dans le profil du sol est analysée. Les horizons supérieurs jouent le rôle de barrière géochimique aux flux de substances provenant de l'atmosphère. Dans les conditions du régime des eaux de lessivage, les polluants peuvent pénétrer profondément et s'accumuler dans les horizons illuviaux, qui servent également de barrières géochimiques.

Le critère sanitaire et hygiénique de la qualité de l'environnement est la concentration maximale admissible (MPC) de produits chimiques dans les objets environnementaux. Le MPC correspond à la teneur maximale d'un produit chimique dans les objets naturels qui n'entraîne pas d'impact négatif (direct ou indirect) sur la santé humaine (y compris les conséquences à long terme).

L'effet toxique de divers produits chimiques sur les organismes vivants est caractérisé par un indicateur sanitaire général, qui est souvent utilisé comme indicateur LD-50 (dose létale), qui montre la masse de la substance qui a pénétré dans le corps des animaux de laboratoire (souris, rats ) et a causé la mort de 50 % d'entre eux. La dimension de cet indicateur est en mg de substance/kg de masse de l'animal de laboratoire. Les contacts directs d'une personne avec le sol sont insignifiants et se font indirectement par l'intermédiaire d'autres composants : sol - plante - personne ; sol - plante - animal - homme ; sol - air - homme; sol - eau - homme. La détermination des MPC dans les sols se réduit à la détermination expérimentale de la capacité de ces substances à maintenir la concentration de substances acceptable pour les organismes vivants dans l'eau, l'air et les plantes en contact avec le sol. C'est pourquoi le CPM des produits chimiques pour les sols est fixé non seulement en fonction de l'indicateur sanitaire général, comme il est d'usage pour d'autres milieux naturels, mais également en fonction de trois autres indicateurs : translocation, migration des eaux et migration de l'air.

L'indicateur de translocation est déterminé par la capacité des sols à fournir la teneur en produits chimiques à un niveau acceptable dans les plantes (radis, laitue, pois, haricot, chou, etc. servent de cultures tests).

En conséquence, les eaux migratoires et l'air migratoire sont déterminés par la capacité des sols à garantir que la teneur de ces substances dans l'eau et l'air n'est pas supérieure au MPC. Cependant, les normes sanitaires et hygiéniques de qualité des sols ne sont pas sans inconvénients ; le principal est que les conditions de l'expérience modèle pour déterminer le MPC et les conditions naturelles sont très différentes.

L'une des étapes pour résoudre le problème de la réglementation environnementale a été une approche basée sur la détermination de la charge admissible sur le sol, en tenant compte de ses propriétés tampons, qui assurent la capacité du sol à limiter la mobilité des produits chimiques venant de l'extérieur, la capacité pour s'auto-purifier. De telles approches sont développées en Russie et dans d'autres pays.

Mais il est très difficile de développer des MPC pour chaque type de sol. Il est conseillé de développer des normes chimiques pour les associations sol-géochimie, unies par la communauté des propriétés physiques et chimiques de base qui déterminent leur résistance à la pollution chimique.

À l'étape suivante, pour un certain nombre d'éléments chimiques, des AEC (concentrations environ admissibles) de ces éléments ont été développées pour des sols qui diffèrent par les propriétés les plus importantes (acidité et composition granulométrique). Ils ont été élaborés non pas sur la base d'une méthode expérimentale standardisée, mais sur une généralisation des informations disponibles sur la relation entre le niveau de charge des sols, l'état des sols et les milieux adjacents.

Tableau 3

Liste des principaux produits chimiques polluants du sol pour lesquels des concentrations maximales admissibles ont été déterminées

Matières	MAC dans le sol, mg/kg	Classe de danger
Manganèse
Formaldéhyde
Benz(a)pyrène
Acétaldéhyde

4 Méthodes pour nettoyer le sol des métaux lourds

La capacité de convertir les métaux en une forme mobile est à la base des méthodes de purification des sols par lavage, extraction, lessivage chimique, électrodialyse et traitement électrocinétique. Les métaux sont retirés du sol sous forme de solutions, qui sont traitées par échange d'ions, précipitation de réactifs, évaporation, séparation membranaire, précipitation électrochimique, électrodialyse pour obtenir des résidus solides de petit volume, pouvant être éliminés dans des décharges, lieux d'élimination de substances dangereuses.

Lors du choix d'une méthode d'extraction des métaux, leur quantité dans le sol, la composition et la dispersion de la phase solide sont prises en compte. Les métaux qui sont sous forme d'échange sont extraits par des solutions salines associées à des carbonates-solutions d'acides, à des oxydes de fer et de manganèse-agents réducteurs chimiques, à des matières organiques-solutions d'agents complexants, sous forme de sulfures-agents oxydants chimiques.

Dans les méthodes biologiques pour augmenter la mobilité des métaux lourds, des micro-organismes et des plantes sont utilisés pour les extraire du sol. La mobilité des métaux augmente :

• résultant de la biominéralisation de substances organiques contenant des métaux.
• au cours de réactions oxydatives se produisant avec la participation de micro-organismes dans les processus de biolixiviation;
• à la suite de changements de pH, Еh de l'environnement du sol au cours des processus biologiques;
• dans la formation de complexes métalliques solubles avec des substances organiques synthétisées et excrétées par des micro-organismes et des racines de plantes ;
• dans la bioréduction des métaux par des substances organiques dans des conditions anoxygéniques ;
• à la suite du transfert des métaux sous une forme volatile lors de la méthylation et de la transalkylation.

La fixation des métaux lourds dans le sol réduit leur disponibilité pour les plantes et leur migration à travers les chaînes alimentaires.

L'une des options pour réduire la biodisponibilité des métaux lourds est l'introduction d'absorbants dans le sol.

A partir de divers absorbants d'origine naturelle et artificielle, zéolithes, bentonites, argile rouge, cendres, phosphates, tourbe, fumier, compost, boues d'étang, biomasse de micro-organismes sur divers supports, déchets de laine, soie, déchets contenant du tanin et des fibres sont utilisés. Exigences générales pour les absorbants : pH 6,0-7,5, disponibles et relativement bon marché.

Une technologie, appelée Bio Metal Sludge Reactor (BMSR), conçue pour traiter les sols, les boues, les déchets solides, utilise la bactérie Ralstonia metallidurans. Les bactéries solubilisent les métaux avec des sidérophores synthétisés et adsorbent les métaux sur la surface cellulaire avec des protéines de la membrane externe induites par les métaux, des polysaccharides de la paroi cellulaire et des peptidoglycanes. Les bactéries sont résistantes aux métaux lourds. Les métaux sont éliminés de la cellule par antiport avec des protons, ce qui conduit à l'accumulation d'ions OH - dans l'espace périplasmique, à l'alcalinisation du milieu extérieur et à la formation de carbonates et de bicarbonates. Les ions métalliques exportés du cytoplasme forment des carbonates et des bicarbonates à des concentrations sursaturées sur la surface cellulaire et autour de la cellule et cristallisent sur les métaux liés aux cellules qui servent de centres de cristallisation. Il en résulte un rapport métal/biomasse élevé (0,5 à 5,0). Ces bactéries éliminent les métaux de la solution dans la phase tardive de croissance exponentielle ou dans la phase stationnaire de croissance, ce qui est pratique pour l'extraction de métaux à partir de sols contaminés par des méthodes ex situ. Les bactéries ont des propriétés particulières qui entraînent un faible taux de sédimentation des cellules bactériennes par rapport aux particules organiques et argileuses du sol. Cela permet de séparer les particules de sol et les cellules avec le métal absorbé par la méthode de précipitation. Les bactéries à métaux adsorbés, qui se trouvent dans la phase aqueuse après séparation, sont facilement éliminées de celle-ci par flottation ou floculation.

5 Informations générales sur Ralstonia metallidurans

Fig.1 Image de Ralstonia metallidurans

Structure cellulaire et métabolisme

R. metallidurans est une bactérie gram-négative en forme de bâtonnet. Ainsi, ils partagent les caractéristiques structurelles des bactéries Gram-négatives, telles que les parois cellulaires contenant du peptidoglycane, les membranes externes contenant des lamelles et les espaces périplasmiques.

R. metallidurans a la capacité d'utiliser divers substrats comme source de carbone. Il peut se développer de manière autotrophe en utilisant l'hydrogène moléculaire comme source d'énergie et le dioxyde de carbone comme source de carbone. De plus, en présence de représentants de nitrate, il peut se développer de manière anaérobie. Ils ne poussent pas sur le fructose et sa température de croissance optimale est de 30 C.

Écologie

En raison de sa capacité à résister à l'action des métaux toxiques, l'utilisation de cette caractéristique dans les domaines de la restauration biologique a été étudiée.

Pathologie

Il a été constaté que R.metallidurans n'est pas pathogène pour l'homme.

Application en biotechnologie

R. metallidurans s'est avéré capable de produire des enzymes qui peuvent être utilisées pour fabriquer des piles à combustible. Ces enzymes sont capables d'oxyder l'hydrogène, ce qui peut éventuellement conduire à la production d'électricité.

6 Technologie pour nettoyer le sol des métaux lourds

Lors du nettoyage à l'aide de la technologie BMSR, le sol contaminé est introduit dans un réacteur à flux avec un agitateur, dans lequel de l'eau et des nutriments (acétate-5g/l, azote-0,5g/l, phosphore-0,05g/l) sont fournis, des bactéries sont introduits (à raison de 10 8 cellules/ml). Le sol est pré-fractionné pour éliminer les gros agglomérats, les débris, etc. La taille des particules dans le réacteur ne doit pas dépasser 2 mm. Le pH est maintenu à 7,2. Le temps de séjour hydraulique dans le réacteur est de 10 à 20 heures.

Pendant le traitement, les métaux contaminants sont transférés des particules de sol aux parois bactériennes. Après traitement dans le réacteur, les boues sont déposées dans un puisard, dans lequel de l'eau est ajoutée. En présence de bactéries, les particules de sol ont de bonnes propriétés de sédimentation et se déposent dans le puisard en 1 à 2 heures. Les bactéries contenant des métaux restent en suspension, qui du puisard pénètre dans le décanteur (décanteur). Un floculant y est ajouté, après quoi les boues de biomasse peuvent être déshydratées et séchées. La teneur en métaux de la biomasse des bactéries est : Zn-8-25, Pb-3-5, Cd-0,16-0,25. Cette biomasse peut être incinérée par traitement pyrométallurgique pour produire des cendres à haute teneur en métaux valorisables par lixiviation, ou avec stockage ultérieur des cendres dans une décharge. La teneur en métaux lourds dans le sol nettoyé est réduite de 5 à 10 fois. Les sols traités avec des bactéries à pH neutre à l'aide de la technologie BMSR peuvent être réutilisés. Les eaux usées contiennent de très faibles concentrations de métaux et peuvent être recyclées.

Calcul du processus de bioremédiation des sols à partir de métaux lourds.

Des échantillons de sol ont été prélevés sur un site de 6 ha à une profondeur de 9 cm (0,09 m). La teneur en plomb est de 50 mg/kg.

1. Détermination du volume de sol contaminé.

V p \u003d S p × H

V p \u003d 6000 m 2 × 0,09 \u003d 540 m 3

2.Poids du sol contaminé.

R n = V n × d

R p \u003d 540 m 3 × 1,2 t / m 3 \u003d 648 t

3. Poids total des métaux lourds.

1 kg de terre - 2,5 g HM

1 tonne de terre - 2500 kg HM

640 t sol - x kg ML

x = 640 t × 2,5 t = 320 t

L'IBU des microorganismes Ralstonia metallidurans est de 8 m 3 /t ML.

x m 3 - 640 t

Réglez la quantité d'amophos.

Pour 1 t HM - 24 kg AMF

R AMP = 320 × 24 = 7680 kg AMP

Solubilité de l'AMP = 18 kg/m 3 .

Volume d'eau.

1 m 3 H 2 O - 18 kg AMP

x m 3 H 2 O -104,8 kg

V dans \u003d 104,8 / 18 \u003d 5,82 t

7680 t + 5,82 t = 7686 t

Sélection du site

Hersage du sol

Transport pour assainissement

Meulage jusqu'à 2 mm

bactéries

Chargement dans le bioréacteur

Nutriments

règlement

floculant

carafe

Déshydratation

traitement pyrométallurgique

Stockage sur les lieux de sépulture

Fig.2 Schéma technologique de bioremédiation des sols à partir de métaux lourds.

UDC 546.621.631

NETTOYAGE DES SOLS DES MÉTAUX LOURDS1

I.A. Vezentsev, MA Trubitsyne,

L.F. Goldovskaya-Piristaya, N.A. Volovicheva

Université d'État de Belgorod, 308015, Belgorod, st. Victoire, 85

[courriel protégé]

Les résultats de l'étude de la capacité des argiles de la région de Belgorod à absorber les ions Pb (II) et Cu (II) de l'eau et des extraits de sol tampon sont présentés. Au cours de l'expérience, le rapport optimal argile:sol a été établi, auquel l'élimination des métaux lourds du sol est la plus efficace.

Mots clés Mots clés : sorbants argileux, sol, activité de sorption, montmorillonite, métaux lourds.

L'utilisation industrielle des métaux lourds est très diversifiée et répandue. C'est pourquoi la phytotoxicité et l'accumulation nocive dans les sols sont généralement observées à proximité des entreprises. Les métaux lourds s'accumulent dans les horizons supérieurs d'humus du sol et sont lentement éliminés lors du lessivage, de la consommation par les plantes et de l'érosion. L'humus et l'environnement alcalin du sol contribuent à l'absorption des métaux lourds. La toxicité de métaux lourds tels que le cuivre, le plomb, le zinc, le cadmium, etc. pour les cultures agricoles dans des conditions naturelles se traduit par une diminution du rendement des cultures commerciales dans les champs.

Il existe plusieurs méthodes de réhabilitation des sols contaminés par des métaux lourds et autres polluants :

Enlèvement de la couche contaminée et son enfouissement ;

Inactivation ou réduction de l'effet toxique des polluants à l'aide de résines échangeuses d'ions, substances organiques qui forment des composés chélates ;

Chaulage, application d'engrais organiques qui absorbent les polluants et réduisent leur pénétration dans les plantes.

L'introduction d'engrais minéraux (par exemple, le phosphate, réduit l'effet toxique du plomb, du cuivre, du zinc, du cadmium);

Cultiver des cultures tolérantes à la pollution.

Actuellement dans la pratique mondiale pour le raffinage écologique sols fertiles Les adsorbants minéraux aluminosilicates sont de plus en plus utilisés: diverses argiles, zéolites, roches contenant des zéolites, etc., qui se caractérisent par une capacité d'absorption élevée, une résistance aux influences environnementales et peuvent servir d'excellents supports pour fixer divers composés en surface lors de leur modification.

Matériels et méthodes de recherche

ce travail est une continuation d'études antérieures sur les argiles du district de Gubkinsky de la région de Belgorod, en tant que sorbants potentiels pour nettoyer les sols fertiles des métaux lourds.

1 Le travail a été soutenu par la Fondation russe pour la recherche fondamentale, projet n° 06-03-96318.

Dans ce travail, des argiles de la suite Kyiv du gisement Sergievsky dans le district de Gubkinsky ont été utilisées comme sorbants, qui différaient par la composition et les propriétés des matériaux : K-7-05 (couche intermédiaire) et K-7-05 YuZ (couche inférieure) . Les échantillons de sol K-8-05 et n ° 129, prélevés sur le territoire de la région industrielle de Gubkinsko-Starooskolsky, ont été utilisés comme objets de nettoyage. Des études préliminaires ont montré que les argiles du gisement de Sergievsky absorbent bien les ions cuivre et plomb des solutions aqueuses modèles. Par conséquent, d'autres études ont été menées avec de l'eau et des extraits tampons du sol.

L'extrait aqueux a été préparé selon la procédure standard. L'essence de la méthode réside dans l'extraction des sels solubles dans l'eau du sol avec de l'eau distillée dans un rapport sol/eau de 1: 5. La concentration en ions métalliques a été déterminée par la méthode photocolorimétrique sur un instrument KFK-3-01 selon les méthodes appropriées pour chaque métal.

L'extrait tampon du sol a été préparé selon la méthode standard de l'Institut Central des Services Agrochimiques. Agriculture(CINAO) à l'aide d'une solution tampon acétate-ammonium de pH 4,8. Cet extractant est accepté par le service agrochimique pour l'extraction des oligo-éléments disponibles pour les plantes. La concentration initiale des formes mobiles de cuivre et de plomb disponibles pour les plantes dans l'extrait tampon a été déterminée par spectrométrie d'absorption atomique.

La sorption des ions cuivre et plomb a été réalisée à température constante (20°C), en conditions statiques pendant 90 minutes. Le rapport sorbant : sorbate était de : 1 : 250 ; 1:50 ; 1:25 ; 1:8 et 1:5.

La discussion des résultats

Une étude de l'extrait aqueux, qui a été préparé pendant 4 heures, a montré que la concentration de composés de cuivre solubles dans l'eau est insignifiante et s'élève à 0,0625 mg/kg (en termes d'ions Cu2). Les composés de plomb solubles dans l'eau n'ont pas été détectés.

La concentration initiale d'ions de métaux lourds dans les extraits tampons des sols était : pour le sol K-8-05 : Cu2+ 2,20 mg/kg, Pb2+ 1,20 mg/kg ; pour le sol n° 129 : Cu2+ 4,20 mg/kg, Pb2+ 8,30 mg/kg.

Les résultats de la détermination du degré de purification du sol K-8-05 avec les argiles K-7-05 (couche intermédiaire) et K-7-05 YuZ (couche inférieure) sont présentés dans le tableau 1.

Tableau 1

Le degré de purification de l'extrait tampon du sol K-8-05, masse, %

Taux de sorbant : sorbate Argile K-7-05 (couche intermédiaire) Argile K-7-05 YuZ (couche inférieure)

Cu2+ Pb2+ Cu2+ Pb2+

1: 250 45,5 33,3 54,5 33,3

1: 50 70,5 45,8 68,2 58,3

1: 25 72,3 58,3 79,5 58,3

1: 8 86,4 75,0 87,3 83,3

1: 5 95,5 83,3 95,5 83,3

Les résultats présentés dans le tableau 1 montrent qu'avec une augmentation du rapport sorbant: sorbate de 1: 250 à 1: 5, le degré de purification de l'extrait tampon à partir d'ions cuivre avec de l'argile K-7-05 passe de 45,5 à 95,5. %, et des ions plomb - de 33,3 à 83,3 %.

Le degré de purification de l'extrait tampon avec l'argile K-7-05 YuZ avec la même augmentation du rapport est passé de 54,5 à 95,5 % (pour Cu2+) et de 33,3 à 83,3 % (pour Pb2+).

Notez que la concentration initiale des ions cuivre était supérieure à celle des ions plomb. Par conséquent, le nettoyage de l'extrait tampon des ions cuivre avec ces argiles est plus efficace que des ions plomb.

Tableau 2

Le degré de purification de l'extrait tampon du sol n ° 129 avec de l'argile K-7-05 (couche intermédiaire), poids. %

Ratio de sorbant : Cu2+ sorbate +

1: 250 39,3 66,7

Remarque : avec l'argile K-7-05 YuZ, l'expérience n'a pas été réalisée, faute d'une quantité suffisante de l'échantillon.

Les résultats présentés dans le tableau 2 montrent que le degré de purification de l'extrait tampon du sol n ° 129 avec de l'argile K-7-05 avec une augmentation du rapport sorbant: sorbate de 1: 250 à 1: 5 passe de 39,3 à 93,0 % (pour les ions cuivre) et de 66,7 à 94,0 % (pour les ions plomb).

Il est à noter que dans ce sol la concentration initiale en ions cuivre était inférieure à celle des ions plomb. Par conséquent, nous pouvons supposer que l'efficacité de la purification des ions cuivre de ce sol n'est pas pire que celle des sols K-8-05.

Pour clarifier le mécanisme de sorption des métaux lourds, nous avons évalué la composition et l'état du complexe échangeur d'ions des roches argileuses de la région de Belgorod. Il a été établi que la capacité d'échange cationique des échantillons étudiés varie de 47,62 à 74,51 meq/100 g d'argile.

Une étude approfondie des propriétés acido-basiques des argiles a été réalisée. La détermination de l'acidité active a confirmé que toutes les argiles ont un caractère alcalin. Dans le même temps, le pH de l'extrait de sel des mêmes échantillons est compris entre 7,2 et 7,7, ce qui indique que ces argiles ont une certaine part d'acidité échangeable. Quantitativement, cette valeur est de 0,13-0,22 mmol-eq/100 g d'argile et est due à la faible teneur en protons échangeables suffisamment mobiles. La valeur de la somme des bases échangeables fluctue dans une fourchette assez large de 19,6 - 58,6 mmol-equiv / 100 g d'argile. Compte tenu des données obtenues, une hypothèse a été formulée selon laquelle la capacité de sorption des échantillons d'argile étudiés vis-à-vis des métaux lourds est largement déterminée par les processus d'échange d'ions.

Du travail effectué, les conclusions suivantes peuvent être tirées.

Avec une augmentation du rapport sorbant: sorbate de 1: 250 à 1: 5, le degré de purification du sol augmente: de 40 à 95% (pour les ions cuivre) et de 33 à 94% (pour les ions plomb) lors de l'utilisation d'argile du gisement Sergievsky (K-7-05) comme sorbant.

Les argiles étudiées sont un sorbant plus efficace pour les ions cuivre que pour les ions plomb.

Il a été établi que le rapport optimal argile: sol est de 1: 5. Avec ce rapport, le degré de purification du sol est de:

Pour les ions cuivre, environ 95% (wt.)

Pour les ions plomb, environ 83% (wt.)

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PURIFICATION PAR SORPTION DES SOLS DES MÉTAUX LOURDS A.I. Vesentsev, M. A. Troubitsin, L.F. Goldovskaya-Peristaya, N.A. Volovicheva

Université d'État de Belgorod, 85 rue Pobeda, Belgorod, 308015 [courriel protégé]édu. fr

Les résultats de l'étude de la capacité des argiles de la région de Belgorod à absorber les ions Pb(II) et Cu(II) de l'eau et des extraits de sol tampon sont présentés. Au cours de l'expérience, le rapport optimal argile: sol avec la purification la plus efficace des métaux lourds est établi.

Mots clés : sorbants argileux, sol, activité de sorption, montmorillonite, métaux lourds.

La détérioration des conditions environnementales a un impact négatif sur le sol - en raison de la pollution, les rendements sont réduits et un effet toxique se manifeste.

En raison de l'auto-épuration du sol, les substances nocives sont progressivement éliminées, mais ce processus prend assez de temps et, en outre, le taux de processus de pollution dans l'environnement technogénique dépasse considérablement le taux des processus d'auto-épuration.

Par conséquent, des méthodes de purification artificielle du sol sont activement utilisées.

Pour nettoyer le sol de la pollution, diverses méthodes technologiques ont été développées et de nouvelles sont régulièrement introduites. Tout d'abord, les méthodes les plus respectueuses de l'environnement et les plus sûres doivent être utilisées pour nettoyer le sol, sans oublier l'efficacité et les coûts financiers.

Méthodes de nettoyage des sols

Si nous considérons les méthodes de nettoyage des sols contaminés, nous pouvons les répartir selon le principe d'action dans les catégories suivantes:

• méthodes de nettoyage chimique.
• méthodes de nettoyage physique.
• méthodes de nettoyage biologique.

Méthodes physiques de nettoyage des sols

1) Nettoyage électrochimique.

Il est utilisé pour éliminer les hydrocarbures contenant du chlore, divers produits pétroliers, les phénols du sol. Quelle est la base de la méthode de nettoyage électrochimique ? En mouvement courant électrique l'électrolyse de l'eau, l'électrocoagulation, les réactions d'oxydation électrochimique et d'électroflottation s'effectuent à travers le sol. L'état d'oxydation du phénol se situe entre 70 et 90 %.

Le niveau qualitatif de désinfection des sols lors du nettoyage électrochimique approche cent pour cent (le chiffre minimum est de 95%). La méthode permet également d'éliminer du sol des éléments nocifs tels que le mercure, le plomb, l'arsenic, le cadmium, les cyanures, etc.

Les inconvénients de la méthode incluent un coût assez élevé (100-250 $ pour 1 m³ de sol).

2) Nettoyage électrocinétique.

Il est utilisé pour nettoyer le sol des cyanures, du pétrole et des dérivés du pétrole, des métaux lourds, des cyanures, des éléments chlorés organiques. Les types de sols auxquels le nettoyage électrocinétique peut être appliqué avec succès sont argileux et limoneux, partiellement ou complètement saturés d'humidité.

La technologie est basée sur l'utilisation de procédés tels que l'électrophorèse et l'électroosmose. Le niveau de contrôle et d'impact sur les processus de nettoyage des sols est assez élevé. La méthode nécessite l'utilisation de réactifs chimiques ou de solutions tensioactives.

L'efficacité du nettoyage électrocinétique des sols est de 80 à 99 %. Le coût est légèrement inférieur à celui du nettoyage électrochimique (100-170 $ par 1 m³ de sol).

Méthodes chimiques de nettoyage des sols

1) Méthode de lavage.

Les technologies de nettoyage chimique des sols impliquent l'utilisation de solutions tensioactives ou d'agents oxydants forts (oxygène et chlore actifs, solutions alcalines). Fondamentalement, la méthode est utilisée pour nettoyer le sol de l'huile. L'efficacité de la méthode de lavage peut atteindre 99%.

Une fois le sol dégagé, il peut être remis en culture.

Parmi les inconvénients des méthodes chimiques de purification des sols, on peut noter une longue durée (1 à 4 ans en moyenne) et une quantité importante d'eau polluée, qui doit également être nettoyée avant d'être rejetée dans l'environnement.

Méthodes biologiques de nettoyage des sols

1) Phytoextraction.

La technologie de nettoyage des sols contaminés par des substances nocives par phytoextraction consiste à cultiver certains types de plantes sur des sols contaminés.

La phytoextraction démontre de beaux résultats lors du nettoyage du sol des composés de cuivre, de zinc et de nickel, ainsi que du cobalt, du plomb, du manganèse, du zinc et du chrome. Pour éliminer la grande majorité de ces éléments du sol, il est nécessaire de prévoir plusieurs cycles de cultures végétales.

À la fin du processus de phytoextraction, les plantes doivent être récoltées et brûlées. Les cendres obtenues après incinération sont considérées comme des déchets dangereux et doivent être éliminées.

Une autre méthode biologique consiste à augmenter de manière ciblée l'activité de la microflore spécifique du sol, impliquée dans la décomposition de l'huile. Il est également acceptable d'ajouter certaines cultures microbiennes au sol.

En conséquence, des conditions favorables sont créées pour les micro-organismes qui utilisent les produits pétroliers et le pétrole.
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