Направление: «Глинистые минералы, кислотно-основная буферность почв, подвижные соединения Al, Fe и Si в почвах, сорбционные свойства почв» (проф., д.б.н. Т.А. Соколова, проф., д.б.н. И.И. Толпешта, н.с., к.б.н. И.В. Топунова)

Тема: «Оценка устойчивости основных компонентов почвенного покрова южной тайги к воздействию кислотных и основных реагентов: профильный и ландшафтный подходы. Количественная оценка вклада отдельных буферных реакций в формирование кислотно-основной буферности  в разных генетических горизонтах почв южно-таежных ландшафтов».

Вклад отдельных факторов, контролирующих устойчивость к воздействию кислот и оснований, выявляется и количественно оценивается для основных генетических горизонтов почв, занимающих различные позиции в геохимических ландшафтах южной тайги: в подзолистых и торфянисто-подзолисто-глееватых почвах плакорных позиций, в подзолистых почвах, занимающих склоновые позиции, и в аллювиальных перегнойно-глеевых и дерново-глеевых почвах, развитых в поймах ручьев.

Для этого в почвах определяются основные химические свойства, содержание и минералогический состав тонких фракций и показатели кислотно-основной буферности  по данным непрерывного потенциометрического титрования. На основании корреляционных зависимостей между свойствами почв и буферностью к кислоте и основанию в разных интервалах значений рН определяются факторы, контролирующие устойчивость различных почв и горизонтов к воздействию кислот и оснований, и этим факторам дается количественная оценка.

При изучении буферности почв к кислотам особое внимание уделяется реакциям катионного обмена и протонирования зависимых от рН сорбционных центров на поверхности глинистых минералов, а при изучении буферности к основаниям – реакциям депротонирования на поверхности глинистых минералов, на поверхности частиц оксидов-гидроксидов Fe и на органическим веществе. Детально изучается роль накопления соединений Ca, Fe и Al в почвах геохимически подчиненных позиций (пойм ручьев) в формирование кислотно-основной буферности.

Тема: «Изучение специфики кислотно-основных свойств, сорбционных характеристик и состава глинистых минералов в ризосфере различных видов деревьев в лесных биогеоценозах».

Совместное функционирование корневых систем растений и свойственной ризосфере микробиоты приводит к существенному изменению почвенных свойств в ризосфере. В частности, показано, что в ризосфере снижается величина рН, возрастает обменная кислотность, интенсифицируются процессы выветривания минералов.

В связи с этим для подзолистых почв лесных биогеоценозов южной тайги проводится сравнительный анализ ряда химических почвенных свойств, минералогического состава тонкодисперсных фракций и устойчивости к воздействию кислот и оснований почвы в ризосфере ели и во внеризосферной зоне. Аналогичные исследования проводятся и под другими лесными культурами.

Тема: «Изучение процессов выветривания глинистых минералов в подзолистых и болотно-подзолистых почвах методом физического моделирования в полевых условиях».

Метод полевого физического моделирования выветривания минералов является главным инструментом для выявления и оценки скорости современных процессов трансформационных изменений глинистых минералов почвах. При проведении таких исследований порошки минералов  помещают в разные генетические горизонты почв на сроки, измеряемые месяцами и первыми годами. До начала эксперимента и после его окончания определяют химический состав и кристаллохимические особенности минерала и оценивают направление и скорость изменения кристаллической решетки.

Такие модельные полевые опыты с биотитом, смектитом и вермикулитом проводятся на подзолистых и болотно-подзолистых почвах. Особый интерес представляет оценка изменений в структуре биотита и искусственно приготовленного почвенного хлорита за сравнительно короткие промежутки времени, измеряемые месяцами, поскольку в результате трансформационных изменений именно этих минералов в течение вегетационного сезона в почвах могут формироваться буферные системы в отношении калия и алюминия.

Тема: «Исследование возможности использования исходных и модифицированных глинистых минералов в качестве сорбентов при очистке природных сред от различных видов загрязнений».

Очистка почв, вод и других природных сред от различных видов загрязнения, в том числе и от загрязнения нефтепродуктами, может осуществляться с помощью глинистых минералов благодаря их уникальным свойствам. Среди них, в первую очередь, следует назвать: (1) способность к сорбции веществ, благодаря высокой дисперсности и особенностям строения кристаллических решеток; (2) каталитическое действие во многих химических реакциях; (3) благоприятное влияние на функционирование почвенной биоты, в том числе и микроорганизмов – деструкторов нефти.

Сорбционные свойства природного глинистого материала  модифицируют в зависимости от конкретной цели его дальнейшего использования. Модификация  направлена на увеличение пористости и удельной поверхности  минералов, изменение структуры межпакетного пространства лабильных минералов, а также  на приданияе гидрофобных свойств их поверхности. Для этого применяются различные реагенты: кислоты, основания, сурфактанты, триметил-хлор-силан, алкил-аммонийные ионы и другие соединения четвертичных аминов, соединения Al и Fe, которые в определенных условиях способны образовывать колоннообразные структуры гидроксидов в межпакетных пространствах лабильных минералов, и другие. Глинистые минералы, модифицированные органическими катионами, получили название «органоглин».

Способность  глинистых минералов к сорбции неполярных органических соединений резко возрастает при модификации органическими катионами, что приводит к увеличению гидрофобности и органофильности. Такими катионами являются, прежде всего,  четвертичные аммоний-катионы. Их влияние на сорбционные свойства органо-глин зависит от многих факторов, в том числе – от длины цепочки. При использовании  четвертичных аммоний-катионов с длинными цепочками, например гексадецилтриметил-аммония, они сначала частично, а потом полностью занимают межпакетное пространство в смектитах. Экспериментально показано, что с увеличением длины цепочки возрастает способность органоглин к поглощению фенолов, трихлорофенолов и пентахлорфенолов.

Глинистые минералы, преимущественно смектиты, модифицированные четвертичными аммоний-катионами, используются для удаления  из воды масел, смазочных материалов и нефти, а также для удаления токсинов, образуемых циано-бактериями, в водотоках и водохранилищах. Даже небольшая добавка модифицированных глинистых минералов в обычные глинистые изоляционные барьеры обеспечивает герметичность в отношении неполярных органических соединений в течение более 100 лет.

В лаборатории минералогии кафедры химии почв начаты исследования по оценке возможности использования глинистых минералов в качестве сорбентов для очистки почв и грунтов от нефтепродуктов.

Список литературы по вопросам минералогии почв и по некоторым вопросам химии почв

Список публикаций сотрудников кафедры