Вміст важких металів у відходах кролеферми та їх екологічно безпечна утилізація

Анотація

Наведено результати досліджень вмісту важких металів (кадмію, кобальту, хрому, міді, заліза, марганцю, нікелю, свинцю та цинку) у відходах кролеферми гної кролів та екологічну оцінку його утилізації (шляхом вермикомпостування) за вмістом цих елементів. За величинами концентрації у гної кролів важкі метали розмішувалися у такій послідовності: марганець > залізо > цинк > мідь > свинець > хром > нікель > кобальт > кадмій. При цьому встановлено досить високі рівні марганцю (перевищення ГДК у ґрунті в 1,9 раза) та цинку (перевищення ГДК у ґрунті у 3,9 раза). Концентрація інших важких металів не перевищувала ГДК. Під час використання гною із кролеферми потрібно враховувати наявність у ньому високих концентрацій цинку та марганцю.

Ключові слова: важкі метали, кролеферма, гній, вермикультура, субстрат.

Аннотация

Бездиль Р.В., Пушкарёва-Бездиль Т.Н., Щетина М.А. Содержимое тяжелых металлов в отходах кролефермы и их экологически безопасная утилизация

Приведены результаты исследований содержания тяжелых металлов (кадмия, кобальта, хрома, меди, железа, марганца, никеля, свинца и цинка) в отходах кролефермы навозе кроликов и экологическая оценка его утилизации (путем вермикомпостирования) по содержанию этих элементов. По величинам концентрации в навозе кроликов тяжелые металлы размещались в следующей последовательности: марганец > железо > цинк > медь > свинец > хром > никель > кобальт > кадмий. При этом установлены достаточно высокие уровни марганца (превышение ПДК в почве в 1,9 раз) и цинка (превышение ПДК в почве в 3,9 раз). Концентрация других тяжелых металлов не превышала ПДК. При использовании навоза из кролефермы необходимо учитывать наличие в нем высоких концентраций цинка и марганца.

Ключевые слова: тяжелые металлы, кролеферма, навоз, вермикультура, субстрат.

Annotation

Bezdil R. V., Pushkariova-Bezdil T.M., Shchetyna M.A. The Content of Heavy Metals in Rabbit Farm Waste and their Environmentally Safe Utilization

The results of studies of the content of heavy metals such as cadmium, cobalt, chromium, copper, iron, manganese, nickel, lead and zinc in the rabbit farm waste manure of rabbits and environmental assessment of its utilization (by vermicompost) by the content of these elements are given. By the magnitude of concentrations in rabbit manure heavy metals were placed in the following order: manganese> iron> zinc> copper> lead> chrome> nickel> cobalt> cadmium. Thus relatively high levels of manganese (maximum permissible concentration in soil is in 1.9 times) and zinc (maximum permissible concentration in soil is 3.9 times) are determined. The concentration of other heavy metals did not exceed MPC. When using manure from a rabbit farm the presence of a high concentration of zinc and manganese must be taken into account.

Keywords: heavy metals, rabbit farm, manure, vermiculture, substrate.

Нині в Україні виробляють небагато кролятини, у 15 областях країни не зафіксовано виробництва жодної тонни. Однак стимулом до широкого розвитку кролівництва, його швидкого розповсюдження є успіхи у м'ясному кролівництві країн Європи і досягнення цієї галузі в Україні у 70-80 роках ХХ ст., коли Україна виробляла 6-8 % світового обсягу продукції і 60-80 % колишнього союзного. Середньорічне виробництво кролятини становило 5-6 кг на 1 мешканця. Прикладом відродження цієї галузі можуть слугувати найбільші кролеферми України, зокрема ферма, що функціонує на території Манківського р-ну Черкаської обл. На сьогодні у ТОВ "Кролікофф" утримується до 50 тис. голів, загалом по Україні до 1 млн голів [8].

Проте відновлення великомасштабного тваринництва в Україні ставить перед науковцями та практиками серйозні проблеми у галузі збереження екологічної чистоти навколишнього середовища поблизу підприємств з виробництва тваринницької продукції. Нагальною потребою у функціонуванні тваринницьких комплексів є утилізація і перероблення гною. По-перше, економічно невигідно складувати багато відходів і зберігати її визначений час; по-друге, ця проблема зумовлена високими витратами на повне перероблення; по-третє, відсутній відповідний комплекс машин і обладнання, призначеного для перероблення великого обсягу відходів. Внаслідок цього відбувається нагромадження їх на території ферм, розмноження і поширення патогенних мікроорганізмів, забруднення атмосферного повітря сірководнем, аміаком, молекулярним азотом та іншими токсикогенними неагресивними сполуками, а також важкими металами.

До важких металів відносять понад 40 елементів, що мають атомну масу більше 50 [1]. У періодичній системі Д.І. Менделєєва вони починаються зі Sc. Найбільш поширеними важкими металами є: Pb, Cd, Hg, Cu, Zn, Sn, V, Cr, Mo, Mn та Ni. Нерідко дослідники проводять спільне вивчення важких металів і металоїдів у ґрунтах, об'єднуючи їх в одну групу, яка охоплює 58 хімічних елементів з атомною масою понад 50. У періодичній системі елементів група важких металів і металоїдів розпочинається з ванадію і закінчується ураном. Варто зазначити, що металоїдами називають елементи, що мають спільні властивості, характерні як для металів, так і для неметалів. До металоїдів відносять такі елементи, як As, F, Sb, Bi, Ge, Po та ін. [3, 16].

Забруднення ґрунтів марганцем особливо істотне поблизу цементних заводів. Марганець у ґрунтах знаходиться у вигляді дво-, триі чотиривалентного іона. Сполуки марганцю добре розчинні, особливо за кислої реакції середовища. У ґрунті марганець може заміщувати обмінні основи Ca2+ і Mg2+, а у ґрунтовому розчині утворює комплекси з органічною речовиною (в основному з фульвокислотами). З гідроксидами заліза марганець утворює залізомарганцеві конкреції [3].

Токсична дія марганцю на людину та теплокровних пов'язана з ураженням ЦНС, де він спричиняє органічні зміни екстрапірамідального характеру, у тяжких випадках паркінсонізм. В основі екстрапірамідальної недостатності в разі хронічного отруєння марганцем лежить ураження дофамінергічної системи мозку. Пригнічення біосинтезу катехоламінів пов'язане з впливом марганцю на окислювальні ферменти, локалізовані на мітохондріях, де нагромаджується марганець. Збій у біосинтезі катехоламінів має вплив на поведінку і зміни з боку психіки, в разі хронічного отруєння марганцем. Але марганець є і політропною отрутою, що вражає також легені, серцево-судинну і гепатобіліарну системи, впливає на еритропоез, ембріогенез, спричиняє алергічний і мутагенний ефекти [11].

Через широкомасштабне забруднення довкілля свинцем (Pb), верхні горизонти більшості ґрунтів збагачені цим елементом. Кларк свинцю в ґрунтах світу становить 10 мг/кг [4]. Рівень ГДК свинцю для ґрунтів дорівнює 32 мг/кг [13]. До основних джерел забруднення ґрунтів свинцем відносять автотранспорт і кольорову металургію, при цьому 11 % від загальних викидів свинцю це виробництво заліза, сталі, феросплавів. У ґрунтах свинець менш рухливий, ніж інші важкі метали. За нейтральної і лужної реакції середовища рухливість свинцю значно знижується. Свинець добре закріплюється органічною речовиною ґрунту. Крім цього, цей елемент у ґрунтах хемосорбується у формі фосфатів, гідроксидів і карбонатів. Дослідники із США встановили високий позитивний зв'язок між вмістом свинцю і заліза в ґрунтах [3].

Свинець токсично діє на такі системи організму: нервову, гемопоетичну, ендокринну, сечовидільну, репродуктивну, епітеліальну, кісткову [17]. Основна частина свинцю, яка надходить в організм тварин і людини (до 90 %), депонується у кістковій тканині, де може акумулюватися у значних концентраціях внаслідок тривалого періоду напіввиведення (5-20 років). В інших тканинах і крові обмін свинцю перебігає значно швидше, тривалість його перебування у них після надходження в організм не перевищує кількох днів [10].

Ванадій, переважно, рівномірно розподілений за профілем. Кларк ванадію у ґрунтах світу дорівнює 100 мг/кг [4]. Рівень ГДК за ванадієм у ґрунтах становить 150 мг/кг [13]. Поведінку ванадію в ґрунтах вивчено мало. Відомо, що ванадій добре асоціюється органічною речовиною. Цей елемент має високий прямий зв'язок із вмістом заліза, що було встановлено на ґрунтах США. Окрім цього, існує прямий зв'язок із вмістом калію і марганцю у ґрунті [3].

Ванадій є нейротоксичною і геморагічно-ендотеліотоксичною отрутою з нефротоксичним, гепатотоксичним, лейкоцитотоксичним і гематоксичним компонентами. У разі інтоксикації ванадієм виникають захворювання органів дихання, порушення функції печінки, ураження клубочкової і канальцевої систем нирок. Ванадій негативно впливає також на серцево-судинну та центральну нервову системи. Безпосередній механізм дії ванадію полягає у гальмуванні процесів тканинного дихання [14].

Основні джерела забруднення ґрунтів цинком, за даними Pacyna D.M. [22], це цинкоплавильні заводи (60 %). Так, у верхньому горизонті ґрунту на відстані 500 м від цинкоплавильного заводу виявлено 14125 мг/кг цинку. Кларк цинку у ґрунтах світу, за А.П. Виноградовим 50 мг/кг [4]. Цинк є найбільш розчинним елементом у ґрунті. З гумусом цей елемент утворює стійкі сполуки. Адсорбція цинку ґрунтом залежить від рН. У лужному середовищі цинк адсорбується за механізмом хемосорбції, а у кислому середовищі відбувається катіонно-обмінне поглинання. Якнайповніше цинк адсорбується оксидами заліза. Не випадково у ґрунтах США було встановлено високий зв'язок цинку із змістом заліза [3].

У разі парентерального надходження в організм великої дози сполук цинку відбувається розлад функцій нирок, розвивається катар слизової оболонки шлунково-кишкового тракту та виразки шлунка. За тривалого надходження також спостерігають схуднення, розлад діяльності серця та ниркову недостатність [18]. Вміст хрому у ґрунтах в основному визначається його вмістом у ґрунтоутворювальній породі. Кларк хрому для ґрунтів світу дорівнює 200 мг/кг. До основних техногенних джерел надходження хрому відносять металургійну і хімічну промисловість. У кислих ґрунтах хром практично нерухомий, а за рН 5,5 випадає в осад [3].

Надлишок хрому в організмі людини може спричиняти ракові захворювання, астму, порушення вуглеводневого обміну [6]. Особливістю поширення міді у ґрунтах є акумулювання цього елемента поверхневими горизонтами, що спричинено техногенним впливом на довкілля та біоакумуляцією. Кларк міді в ґрунтах світу становить 20 мг/кг. ГДК цього елемента для ґрунтів України становить 55 мг/кг [3, 9, 13].

У ґрунтах мідь переважно міститься у валовій формі і є малорухомим елементом. Основна частина міді у ґрунтах пов'язана з оксидами заліза і марганцю. При цьому мідь тісніше асоціюється з марганцем, ніж із залізом. Гумінові кислоти утворюють з міддю стійкі полімери. За лужної реакції середовища спостерігають найменшу розчинність міді [1, 3]. Концентрація міді в довкільному середовищі, а саме у ґрунті, може бути лімітуючим фактором розвитку багатьох організмів. Як нестача, так і надлишок міді в організмі спричиняють захворювання у тварин і рослин. Наприклад, відомий факт захворювання домашніх тварин анемією через нестачу у ґрунті пасовищ сполук міді; ця ж причина зумовлює у рослин затримку утворення хлорофілу.

У ґрунті сполуки міді пригнічують активність нітрофікуючих бактерій, затримуючи мінералізацію азоту, і цим самим знижують врожай сільськогосподарських культур; спричиняють хлороз у рослин, а також загибель дощових черв'яків (у цьому випадку порушується структура ґрунту, порушується його водопроникність, погіршується водно-повітряний режим) [6]. Мідь відносять до групи високотоксичних металів. Солі міді, в разі потрапляння до організму, руйнують еритроцити; спричиняють розлад нервової системи, нирок та печінки, зниження імунобіологічної реактивності [6].

Вміст нікелю у ґрунтах переважно залежить від насиченості цим елементом ґрунтоутворювальних порід. Проте у більшості випадків рівень нікелю у ґрунтах пов'язаний з масштабами техногенного забруднення. Кларк нікелю у ґрунтах світу становить 40 мг/кг. Рівень ГДК нікелю у ґрунтах України відповідає значенню 85 мг/кг [9, 13].

Нікель потрапляє у ґрунт внаслідок промислових викидів та спалювання палива. Високий вміст нікелю від 2000 до 10000 мг/кг мають міські осади стічних вод та гальваношлами. Нікель у ґрунтах утворює сполуки з органічною речовиною у формах легкорозчинних хелатів. Внутрішньопрофільна міграція нікелю відбувається у двовалентній формі. Варто зазначити, що до 30 % нікелю у ґрунтах пов'язано з оксидами заліза і марганцю [3]. Токсичний ефект нікелю реалізується на клітинному і субклітинному рівнях (зниження активності низки металоферментів, порушення синтезу білка, РНК і ДНК).

Канцерогенну дію нікелю (за депонування його в тканинах) можна узагальнити так: інгібування активності бенз (а) піренгідроксилази і ферментів детоксикації канцерогенів; пригнічення активності природних кіллерів; формування комплексу білок-нікель-ДНК; розрив молекул ДНК з порушенням транскрипції, зокрема індукції синтезу РНК; індукція хромосомних пошкоджень; поява хромосомних мутацій, активація онкогенів; розвиток метапластичних, диспластичних і неопластичних процесів (рак різної локалізації) [19].

Сполуки миш'яку арсенати легко фіксуються органічними та мінеральними компонентами ґрунтів. Кларк миш'яку у ґрунтах світу, за А.П. Виноградовим [4] становить 5 мг/кг. Мінімальну концентрацію миш'яку встановлено для піщаних ґрунтів. Його максимальні кількості виявлено в алювіальних ґрунтах та у ґрунтах, багатих на органічну речовину. Основним джерелом техногенного миш'яку є миш'яковмісні відвали руди. Варто зазначити, що одна тонна викидів підприємств кольорової металургії містить до 3 кг As. У ґрунтах миш'як може знаходитись у трьохі п'ятивалентній формі. При цьому п'ятивалентний миш'як адсорбується міцніше, ніж тривалентний миш'як. У кислих умовах (до рН 4,7) із збільшенням рН розчинність миш'яку зменшується, а з подальшим збільшенням показника рН середовища вона зростає [3].

У разі контакту з клітинами життєво важливих органів миш'як, блокуючи сульфгідрильні групи ферментів, гальмує окислювально-відновні процеси, що виявляється різким порушенням їхньої функції і мікроструктури. Внаслідок дефіциту енергії АТФ різко знижується тонус стінок судин і капілярів, що призводить до падіння кров'яного тиску й ослаблення серцево-судинної діяльності [6].

Кадмій негативно впливає на біохімічні процеси та фізіологічні функції в організмі тварин і людини. Особливістю шкідливої дії кадмію є швидке його засвоєння організмом і повільне виведення, що призводить до кумуляції цього металу в тканинах. Кадмій нагромаджується переважно у печінці і нирках [20] і має тривалий період напіввиведення (до 30 років), тобто, у прикладному аспекті можна вважати, що для тварин депонування кадмію в організмі є пожиттєвим. Токсичний ефект кадмію найбільш виражений для нирок [17] і кісткової тканини. У нирках кадмій спричиняє дисфункцію нефронів, що призводить до пригнічення зворотного всмоктування амінокислот, глюкози, фосфору і олігопептидів. У кістковій тканині під впливом кадмію порушуються процеси кальцифікації. Кадмій спричиняє онкологічні захворювання, може бути причиною виникнення мутацій, руйнування ланцюга ДНК, хромосомних аберацій. Кадмій впливає на трансмембранну передачу гормональних сигналів у клітинах [21], репродуктивну функцію і процеси пероксидного окиснення в організмі. Він змінює активність протеїнкінази С і мітоген-протеїнкінази, порушує метаболізм циклічної АМР [23]. Низькі дози кадмію в організмі тварин стимулюють апоптоз клітин, у разі збільшення дози кадмію у клітинах починаються некротичні зміни [10].

Отже, з утворенням надлишкового вмісту важких металів у природному середовищі, проблема забруднення ними ґрунтів набула актуальності, адже сполуки цих елементів характеризуються великою токсичністю за низьких концентрацій, акумулюються в окремих ланках трофічного ланцюга і створюють реальну небезпеку існуванню живих організмів [7].

У практиці годівлі кролів деякі важкі метали (метали-мікроелементи) широко використовують як незамінні елементи живлення. У біогенний колообіг при цьому залучаються також метали, які здійснюють чітко виражений вплив на організм цих тварин (мідь, свинець, цинк). Дослідження показників міграції важких металів у діяльності біотехнологічних систем з виробництва продукції кролівництва, якими є потужні кролеферми, дають змогу з'ясувати деякі питання щодо інтенсивності колообігу важких металів та екологічної ситуації у зоні діяльності кролеферм.

Мета роботи визначення вмісту важких металів (кадмію, кобальту, хрому, міді, заліза, марганцю, нікелю, свинцю та цинку) у відходах кролеферми гної кролів та екологічна оцінка його утилізації (шляхом вермикомпостування) за вмістом цих елементів.

Об'єкт дослідження гній кролів, різні види субстратів після вермикомпостування.

Предмет дослідження визначення вмісту важких металів (кадмію, кобальту, хрому, міді, заліза, марганцю, нікелю, свинцю та цинку) у гної кролів та різних видів субстратів після вермикомпостування.

Методика досліджень. Дослідження проведено у ТОВ "Кролікофф" (Манківський р-н, Черкаська обл.) у 2012 р. Це господарство є спеціалізованим підприємством із виробництва м'яса кролів. ТОВ "Кролікофф" забезпечене сучасним обладнанням, зокрема електронним клімат-контролем у приміщенні. Кожна тварина (кролі породи "Hylpus") має окрему клітку, у всіх приміщеннях сучасні системи вентиляції.

Після народження і вибракування кроленята утримуються з самкою (підсисний період) 35 днів. Протягом року отримують 6-7 окролів від однієї кролематки і вирощується в середньому 55-58 голів молодняку. Щільність посадки молодняку до досягнення ним 77-85 днів по 6-7 особин у клітці. Годівлю кролів здійснюють повноцінними комбікормами, отриманими на власному заводі ТОВ "Кролікофф" [5].

Проведено відбір зразків посліду із гноєсховища, яке розташоване за межами виробничої зони кролеферми. Відбір зразків гною із гноєсховища здійснювали один раз на квартал протягом року. Також для порівняння (на вміст важких металів після перероблення субстратів червоним гнойовим черв'яком) проводили дослідження із вермикомпостами: № 1 кролячий гній (100 %); № 2 вичавки із плодів яблук (50 %) + кролячий гній (40 %) + солома (10 %); № 3 вичавки із плодів яблук (50 %) + кролячий гній (25 %) + солома (25 %). Відібраний матеріал висушували до абсолютно сухої речовини за температури 105 °С, потім спалювали у муфельній печі за температури не вище 450 °С. Золу зразків розчиняли підігріванням у 6 н розчині соляної кислоти, розбавляли бідистильованою водою, фільтрували й отриманий фільтрат використовували для визначення вмісту кадмію, кобальту, хрому, міді, заліза, марганцю, нікелю, свинцю та цинку. Концентрацію важких металів у підготовлених кислотних витяжках визначали методом полуменевої атомно-абсорбційної спектрофотометрії на приладі АА8-3 [15]. Отримані показники концентрації металів статистично обробляли.

Результати досліджень та їх обговорення. Гній на кролефермі формується завдяки екскрементам кролів, решткам кормів та іншим домішкам. кролеферма утилізація гній екологічний

З господарського погляду, практичний інтерес становлять показники концентрації важких металів у гної із гноєсховища, який можуть безпосередньо вносити у ґрунти сільськогосподарських угідь як органічне добриво. Під час функціонування кролеферми протягом року може нагромадитись близько 2200 т гною [2]. Виходячи з цього, у складі гною будуть міститися такі концентрації важких металів (кг): кадмію 0,022; кобальту 0,44; хрому 6,93; міді 61,5; заліза 4177; марганцю 6530; нікелю 3,9; свинцю 10,1 та цинку 871,9. Отримані величини вмісту важких металів вимагають раціонального використання гною як добрива для забезпечення екологічного благополуччя у зоні функціонування кролеферми.

Показники концентрації важких металів у гної кролів наведено у табл., де дані щодо вмісту важких металів у гної подано в розрахунку на абсолютно суху речовину. За величинами концентрації у гної (див. табл.), метали розміщувалися у такій послідовності: марганець > залізо > цинк > мідь > свинець > хром > нікель > кобальт > кадмій.

У нашому досліді у субстраті № 1 (кролячий гній) після вермикомпостування виявлено зниження вмісту важких металів, наприклад, свинцю на 8,7 %, заліза на 6 %, міді на 5,4 %, хрому на 5,1 %, марганцю на 3,8 %, нікелю на 3,4 % та цинку на 3,3 %. Найбільше достовірне значення зафіксовано щодо зниження вмісту кобальту на 25 % (Р<0,001).

Не знизився вміст кадмію, однак, треба зазначити, що вміст цього важкого металу у вихідному субстраті (гної із гноєсховища) було найнижчим.

Щодо перевищення значень ГДК важких металів у ґрунтах [9], було зафіксовано перевищення тільки за двома елементами за марганцем (у 1,9 раза) та за цинком (у 3,9 раза).

Табл. 1 Вміст важких металів у гної кролів кролеферми та вермикомпостах, М, мг/кг абсолютно сухої речовини