Минерал серпентин помогает восстанавливать загрязненные почвы

Ученые Кольского научного центра РАН и Полярно-альпийского ботанического сада-института имени Н. А. Аврорина РАН (Апатиты) смогли восстановить почвы вокруг комбината цветной металлургии в Субарктике, сообщает пресс-служба Российского научного фонда. В этом им помог термоактивированный минерал серпентин, полученный из отходов горнодобывающей промышленности. Полевой эксперимент проводится менее чем в километре от действующего предприятия и продолжается уже десять лет — за это время удалось снизить содержание подвижных токсичных веществ до 20 % от исходного значения. Метод ученых помог озеленить участок пустоши, которая была лишена растительности на протяжении десятилетий.

Многолетняя работа крупных производств в таких городах, как Норильск, Заполярный или Мончегорск, сильно загрязнила экосистемы на расстоянии нескольких десятков и даже сотен километров и в ряде случаев привела к образованию пустошей. «Так произошло из-за высоких уровней техногенного загрязнения и сурового климата. Тяжелые металлы накопились в почве до критических уровней, растительный покров деградировал, а в ближайшей зоне и вовсе исчез. Почвы здесь бедны, эродированы и токсичны, и это не дает растительности восстановиться даже после снижения выбросов. Поэтому вопросы ремедиации почв имеют большое значение для регионов Арктической зоны России», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Марина Слуковская, старший научный сотрудник лаборатории природоподобных технологий и техносферной безопасности Кольского научного центра РАН.

Исследователи ФИЦ КНЦ РАН и Полярно-альпийского ботанического сада-института имени Н. А. Аврорина РАН уже более десяти лет проводят уникальный эксперимент вблизи медно-никелевого комбината. Ученые использовали глинистые минералы серпентины, которые получили из отвалов горнодобывающих предприятий России. Серпентин представляет собой водный силикат магния, и его химический состав и кристаллическая структура позволяет ему иммобилизировать (по сути захватить и обездвижить) тяжелые металлы. Обжиг при температурах 500–700 °С позволяет его активировать: кристаллическая решетка частично разрушается, структура становится менее стабильной, но при этом повышается химическая активность и способность к нейтрализации токсичных соединений тяжелых металлов.

Для эксперимента были термически обработаны два вида серпентинов из горнопромышленных отходов предприятий Мурманской и Оренбургской областей — ортохризотил и лизардит, которые имеют немного разные структуру и свойства. Минеральные порошки измельчили до размера частиц менее 0,5 мм и обожгли при температурах 650–800 °С. Затем их внесли в количестве 5 % по объему в сильно загрязненный верхний слой торфяной почвы возле комбината, где растительности не было уже несколько десятилетий. Экспериментальные участки застелили рулонным газоном: такой метод посадки продиктован суровыми климатическими условиями пустоши и сильным ветром — иначе трава просто не смогла бы прорасти. Также был подготовлен контрольный участок — с рулонным газоном, но без внесения серпентиновых материалов. Наблюдения за полигонами и изучение химических свойств почвосмесей продолжались десять лет; раз в сезон ученые вносили комплексное удобрение.

Общий вид экспериментальных участков в начале десятого вегетационного периода и их заселение аборигенными видами. Источник: Slukovskaya et al./Environ. Geochem. Health, 2022

На контрольном участке высаженная растительность погибла уже в первый сезон. На экспериментальном полигоне в первые пару лет злаки развивались слабо из-за высокой щелочности почвосмеси, однако спустя время она немного снизилась, и растения начали не только активно расти, но и распространяться за пределы изначальной территории, вовлекая в свои сообщества семена аборигенных травянистых видов. Медленная скорость растворения серпентинов позволяет этим минералам долгое время сохранять щелочные свойства, что необходимо для длительной защиты экосистем от токсических загрязнений комбината. Кроме того, магний, кальций и кремний, которые являются макроэлементами, также постепенно растворяются из этих минералов и используются растениями, что крайне необходимо им при произрастании на деградированных и загрязненных почвах.

Во время эксперимента металлургический комбинат не прекращал свою работу, и тем не менее за десять лет удалось значительно уменьшить долю наиболее опасных подвижных фракций металлов, которые легко попадают в живые организмы, включаются в обменные процессы и оказывают токсическое действие. Концентрации меди и никеля упали на 50–70 %, железа — на 30 %, цинка — на 80 %. Вместе с тем стало больше ионов магния и кальция, которые являются естественными составляющими обменных процессов биологических цепочек. Кроме того, оценивались параметры почвенного дыхания — для этого авторы измеряли выделение CO₂. На участках с внесением термически обработанного серпентина данный параметр был существенно выше, что говорит о восстановлении почвенного плодородия.

В рамках работы были проведены и лабораторные исследования взаимодействия между серпентинами и жидкостями с высокими концентрациями меди и никеля, частично моделирующими условия почвенного раствора. В природных условиях неминуемо происходит гидратация минерала, то есть его насыщение водой, поэтому ученые на протяжении месяца сравнивали сорбционные свойства обожженного серпентина и обожженного гидратированного минерала. Выяснилось, что в долгосрочной перспективе нет влияния воды на его способность иммобилизировать токсические вещества.

«В многолетнем эксперименте мы продемонстрировали эффективность подхода к восстановлению сильно загрязненных почв с использованием термоактивированного серпентина. Его применение даже в небольших количествах позволяет не только связать загрязняющие вещества и предотвратить их распространение на новые территории, но и восстановить растительный покров на территориях, которые пострадали от техногенного воздействия. В прошлом году мы получили новый грант Российского научного фонда, в рамках которого изучаем сорбционные и мелиоративные свойства серпентиновых минералов, влияние условий обжига на кристаллическую структуру и химическую активность серпентинов, а также различные аспекты применения материалов на их основе для повышения устойчивости растений в условиях абиотического стресса», — подводит итог Марина Слуковская.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы на страницах журнала Environmental Geochemistry and Health.