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

Исследованы процессы первичного почвообразования и функционирования 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, почвы которых представлены абрадированным подзолом и торфяной почвой. Растительный покров и геохимические барьеры в течение эксперимента были подвержены экстремальному аэротехногенному загрязнению (например, за зиму 2020/2021 гг. в пробе снега, отобранного на торфяном экспериментальном участке, обнаружены концентрации Ni около 2 мг/л и Cu 3 мг/л). В этих условиях растительный покров имел высокие биометрические показатели: проективное покрытие 80-100%, большую биомассу надземных органов (400-580 г/м2 воздушно-сухой массы). Фотосинтетическая активность растений, проанализированная с помощью портативного флуориметра FluorPen 100, в большинстве вариантов на серпентиновых геохимических барьерах 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 существенно стабилизирует данные показатели, увеличивает влажность, частично нивелирует высокие и низкие стрессовые значения температур, что, в свою очередь, способствует стабильному развитию микробного сообщества и разложению растительных остатков. Эмиссия СО2 измерялась с помощью инфракрасного газоанализатора AZ-77532. Исходные подзол и торфяная почва техногенной пустоши имели крайне низкие значения в течение вегетационного периода, составлявшие 10-50 мгС м-2 час-1 для подзола и 90-460 – для торфяной почвы. В целом эмиссия СО2 коррелировала с влажностью почвы, измеренной с помощью влагомера ML3ThetaProbe. 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 максимальные значения были отмечены в июне (2500), а минимум – в июле (680). Эмиссии в сентябре имели промежуточные значения между июнем и июлем на обоих участках, несмотря на температуры почв в этот период, не превышавшие 6 °С. В целом экспериментальные участки на торфяной почве характеризовались высокими значениями эмиссии СО2 в начале лета. Содержание азота в аммонийной форме в исходном подзоле составляло менее 1 мг/кг. В торфяной почве, наоборот, оно было очень высоким и составляло 30–46 мг/кг. В июне в экспериментальных вариантах вносили комплексное удобрение, тем не менее, для большинства вариантов содержание аммонийного и нитратного азота в начале и конце вегетационного периода было примерно равным и составляло менее 2 мг/кг. Исходный подзол характеризовался крайне низкой степенью обеспеченности подвижным калием и средней обеспеченностью фосфором, а торфяная почва – средним уровнем обеспеченности обоими макроэлементами. Серпентиновые геохимические барьеры имели средний и высокий уровень обеспеченности фосфором и калием. Исходное содержание органического углерода (Сорг) в щелочных минеральных материалах составляло 0.30-0.74%. Ежегодное образование 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%. Геохимические барьеры имели высокое содержание углерода микробной биомассы (Смик) и базальное дыхание, близкие к оптимальным значения микробного метаболического коэффициента (qCO2) и доступность органического углерода микроорганизмам. 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 торфяным участком. На участке c подзолом Смик был в 2-3 раза выше, а qCO2 - в 2-3 раза ниже в верхних слоях геохимических барьеров по сравнению с исходной почвой. Доступность углерода для микробов в слое почвы под горнопромышленными отходами на участке с подзолом увеличилась в 3-5 раз по сравнению с верхним слоем исходной почвы пустоши. На участке с торфяной почвой в условиях избытка органического вещества доступность Сорг для микроорганизмов снижалась с глубиной из-за сложности разложения органического вещества. Анализ функционального профиля микробного сообщества показал 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. Геохимические барьеры через 7-10 лет после формирования растительного покрова на минеральных материалах техногенного происхождения 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. При этом функциональная активность, разнообразие микробного сообщества и численность микромицетов зависели как от степени загрязнения, так и от минерального состава горнопромышленных отходов. Накопление органического вещества минеральными материалами и образование органоминеральных комплексов привело к заметному изменению внешнего вида и структуры исходного материала, что является индикатором 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) произошла 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 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. Пиритизация растительных остатков и аккумуляция пирита корнями растений является интересным наблюдением, характеризующим почвообразовательный процесс в щелочных условиях. Химический состав растительного материала, находящегося в стадии деструкции, проанализированный с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), подтверждает предположения о пиритизации проводящих тканей, которые были сделаны в микроморфологических исследованиях шлифов. Обнаружена приуроченность фрагментов с высокими концентрациями меди и никеля к минеральным частицам, что, очевидно, является следствием сорбции серпентиновыми минералами. 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. 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, никель и кобальт в первичных почвах преимущественно обнаружены на серпентиновых частицах, что свидетельствует об осаждении этих металлов минералами геохимических барьеров. 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 обе исходные почвы были кислыми. 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 особенностей минерального состава. Сорбционные свойства минеральных материалов позволили не только аккумулировать металлы в насыпных слоях, но и снизить содержание наиболее токсичных подвижных фракций Ni и Cu в нижележащей почве. Органическое вещество в верхних слоях барьеров аккумулировало значительную долю Cu (30-50%) и Ni (30-60%). Связывание Cu (гидр)оксидами Fe/Mn обусловлено главным образом минеральным составом отходов. Серпентинито-магнезит был наиболее благоприятным материалом для снижения содержания обменной фракции меди. Варианты с серпентинами также содержали наибольшую долю Ni в остаточной фракции, которая практически неподвижна в окружающей среде. Геохимические барьеры накопили металлы, поступающие из выбросов медно-никелевого комбината в течение 7-10 лет эксперимента, и нейтрализовали их токсическое действие на растения. Суммарное содержание потенциально подвижных фракций (связанная с органическим веществом, (гидр)оксидами Fe/Mn и остаточная фракция), характеризующее содержание металлов, осажденных в составе мало- и нерастворимых соединений на щелочных геохимических барьерах, составляло 27-130 мг/кг меди, и 350-1080 мг/кг никеля. 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 отмечены более высокие содержания обменного магния. Недостаток доступного растениям магния 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. 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 условиям, содержание свинца и кобальта было превышено почти на два порядка, а меди и никеля – на три порядка. Не было выявлено существенного вклада поверхностного загрязнения аэротехногенной пылью в содержание 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), а содержание меди – в ряду: 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 стабилизации поллютантов при сохранении жизнеспособности экосистем. 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. Результаты исследований представлены в докладе на конференции генеральной ассамблеи Европейского общества Наук о Земле EGU 2020 и 2021, Smart and Sustainable Cities 2020, Плаксинские чтения 2020 и Ферсмановской научной сессии 2020. По результатам работ опубликовано 4 статьи, в том числе 3 статьи в журналах Q1. Результаты проекта представлены в СМИ: ttps://goarctic.ru/work/gazony-v-arktike-zapolyarnye-uchenye-vyrashchivayut-yarkuyu-zelen-na-promyshlennykhotkhodakh/ 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 https://www.ksc.ru/press-sluzhba/novosti/novosti-nauki/chudes-ne-byvaet-no-my-poprobuem/