Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Изучены разновозрастные хвосты обогащения лопаритовых руд, лежалые и текущего производства. Определены их инженерно-геологические характеристики, установлен гранулометрический, минеральный, химический состав. Хвосты относятся к мелким и среднезернистым пескам, варьируют от плотных грунтов до грунтов средней плотности. При высыхании поверхности хвостохранилищ в летний период вследствие ветровой эрозии велика вероятность пыления хвостов. В составе хвостов обогащения преобладают (в порядке убывания): нефелин, полевые шпаты, эгирин. В примесных количествах обнаружены: апатит, содалит, лопарит. Основными минералами-концентраторами редкоземельных элементов (РЗЭ) в хвостах являются: лопарит, стронциевый апатит, эвдиалит. Хвосты обогащения и тонкодисперсный материал хвостов характеризуются повышенным содержанием Zn, Sr, Mn и РЗЭ лёгкой группы, что позволяет отнести эти элементы к числу приоритетных загрязняющих веществ. Радионуклидный анализ установил Ra-Th характер радиоактивности. По величине эффективной удельной активности (Аэфф) природных радионуклидов хвосты относятся к I категории отходов, тонкодисперсный материал хвостов (–0.071 мм) – к II категории отходов. Часть полученных результатов опубликована в журнале «Записки Горного Института» (Q1). На основе химического анализа отобранных проб почв рассчитаны суммарные показатели загрязнения (СПЗ) тяжёлыми металлами (ТМ) и РЗЭ. Для большей части проб установлено превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) по Zn до четырёх раз, по Mn и V до полутора раз, разовые превышения ПДК по Ni и Pb до полутора раз. Выявлено повышенное содержание элементов, входящих в состав минералов разрабатываемого месторождения и отходов обогащения, а также U и Th. Расчётные значения СПЗ по ТМ для части проб соответствуют допустимой категории загрязнения. СПЗ для проб почв, отобранных на западе относительно первого поля, на юге и юго-западе составили 16.8, 28.0 и 29.1 соответственно, относятся к умеренно опасной категории загрязнения. Расчётные значения СПЗ по РЗЭ лёгкой группы для проб, отобранных на западе относительно второго поля, соответствуют допустимой категории загрязнения. СПЗ для проб почв, отобранных на западе относительно первого поля, севере и юго-востоке составили 18.8, 20.7 и 21.6 соответственно (умеренно опасная категория загрязнения), для проб, отобранных на востоке относительно первого поля, юго-западе и юге составили 32.9, 64.7 и 73.8 (опасная категория загрязнения). Последовательным фракционированием отобранных проб почв определено содержание биодоступных форм ТМ и РЗЭ. Установлено превышение ПДК по Zn для западных площадок. Отобраны и проанализированы пробы древесных (берёза, ива) и травянистых (луговик) растений. Валовые содержания Ca, Mg и, в большинстве случаев, Mn в древесных растениях района исследования ниже среднеевропейских, что свидетельствует о низких содержаниях данных элементов в биодоступной форме. Вместе с тем, в надземной биомассе древесные растения содержат большие количества Al, Th и РЗЭ лёгкой группы. Луговик характеризуется повышенным, в сравнении с фоновыми значениями, содержанием Al, Th, Zr и РЗЭ лёгкой группы. Береза накапливает Ca, Mg, ива – Ca. Оба рассмотренных вида древесных растений аккумулируют Zn в надземной части растений: коэффициент бионакопления (КБ) для берёзы варьировал от 1.05 до 2.31, для ивы – от 1.1 до 4.5. Для луговика отмечено отсутствие КБ, превышающих единицу, для любого из элементов. Низкие значения КБ РЗЭ обусловлены небольшими содержаниями элементов в биодоступных формах. Транслокационный коэффициент рассчитывали для луговика. Установлено, что происходит активное накопление и перенос важных биогенных элементов: Ca, K, Mg, Si, необходимых для существования и функционирования растений, а также Zn. Содержания ТМ и РЗЭ, а также Th в частях отобранных проб луговика распределяются как: корни > листья > колосья. Проведено расширенное исследование химического состава поверхностных вод и донных отложений (ДО) озер, в разной степени подверженных влиянию предприятия по добыче и переработке редкометалльных руд. Повышенные концентрации ТМ и РЗЭ выявлены в пробах воды и ДО озер, принимающих сточные воды предприятия и загрязненных за счет пыления хвостохранилищ. Так, среднее содержание суммы РЗЭ в поверхностных слоях ДО оз. Ильма и Ловозеро (в устье р. Сергевань) достигает 561 и 736 мг/кг соответственно, а для ДО оз. Кривое этот показатель составил 74 мг/кг. При оценке суммарного загрязнения ТМ и РЗЭ ДО оз. Ильма и Ловозеро значение потенциального экологического риска достигает значений, соответствующих уровню загрязнения «умеренный экологический риск» (RIИльма = 174, RIЛовозеро = 186). Корреляционный анализ позволил установить основные фазы, содержащие ТМ и РЗЭ в ДО оз. Ильма и Ловозеро (устье р. Сергевань). Результаты опубликованы в журнале Water (Q1). Проведены долгосрочные эксперименты, моделирующие действие закисленных атмосферных осадков на выщелачивание экологически опасных элементов из хвостов обогащения. Растворение кристаллической решетки основных минералов, входящих в состав хвостов, сопровождалось ростом концентраций в результирующих растворах ионов Si, Al, Na, K и закономерно протекало интенсивнее при увеличении концентрации кислот, подаваемых в перколяторы. Под действием растворов неорганических кислот в раствор активно переходили как ТМ, так и РЗЭ. Методом РФА подтверждено растворение нефелина, определён состав новообразованных фаз в нижней части перколяторов, в которые осуществляли подачу растворов серной кислоты: тенардит и двенадцативодный сульфат алюминия-калия. Результаты серии экспериментов, оценивающей влияние различных выщелачивающих агентов на мобилизацию ТМ и РЗЭ из хвостов, оказались качественно схожими для средней пробы и тонкодисперсного материала. Выщелачивание материала хвостов талой и озёрной водой не выявило значимых отличий от действия дистиллированной воды, что можно объяснить близкими значениями рН растворов. Лимонная кислота, смесь органических кислот в максимальной концентрации и почвенная вытяжка оказывали более значимое влияние на разрушение алюмосиликатов. Высокий уровень высвобождения Zn при воздействии почвенной вытяжки косвенно указывает на преобладание не комплексообразования с органическими лигандами, а катионного обмена. Для РЗЭ отмечается интенсивное выщелачивание лимонной кислотой, при сравнительно невысоком уровне для почвенной вытяжки. Можно предположить, что превалирующую роль в процессе будут иметь процессы комплексообразования с органическими лигандами. С целью подбора сорбентов для выявленных загрязняющих веществ были проведены несколько серий экспериментов как с традиционными сорбентами ТМ, так и реагентами, которые можно получить из отходов горнопромышленного комплекса Мурманской области. Лучшие результаты очистки были достигнуты с применением термоактивированного брусита (99.99%), брусита (99.52%), обожжённого вермикулита (28.65%) и опоки (7.45%). Результаты очистки модельных растворов от других элементов были качественно схожи, что объясняется схожим поведением в растворах ионов РЗЭ и ТМ. Использование брусита позволяет значительно снизить содержание металлов в поровых растворах и повысить содержание Mg, поскольку основным механизмом действия реагента является ионный обмен. Для опоки можно отметить некоторое снижение эффективности очистки, вероятно, вызванное десорбцией металлов по истечении трёх часов взаимодействия. Однако опока, являясь по своей природе кремнистым минералом, может впоследствии повысить содержание Si, необходимого для роста и развития высших растений. Вермикулит, обладающий промежуточными значениями эффективности очистки, при использовании в рекультивационных мероприятиях позволит снизить содержание загрязняющих веществ, повысить влагоёмкость технозёмов, разрыхлить поверхность за счёт слоистой структуры. В следующем году в лабораторных и полевых экспериментах по проведению рекультивационных мероприятий либо по биологическому закреплению пылящих участков хвостохранилища будут опробованы все три реагента.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проведена интегральная оценка токсичности средней пробы хвостов обогащения лопаритовых руд и отделённой тонкой фракции (-0.071 мм) методом фитотестирования в элюатном и контактном исполнении с использованием стандартных тест-культур: овёс посевной Avena sativa L., редис Raphanus sativus и пшеница мягкая Tríticum aestívum. Установлен фитотоксический эффект, который оказывает водная вытяжка тонкой фракции хвостов на Avena sativa L. Проведена оценка пригодности хвостов к рекультивации, в том числе определены неблагоприятные характеристики для произрастания растений и самозарастания поверхности хвостохранилища. Низкое содержание глинистых частиц, повышенный уровень рН водной вытяжки, низкая гигроскопическая влажность, повышенное содержание подвижных форм Al определены как главные факторы, затрудняющие проведение биологической рекультивации. Для определения пределов толерантности высших растений контактным методом в искусственной почве, загрязнённой монокомпонентными растворами солей Ce, La, Zn, Cu, Sr, Mn, проращивали семена Raphanus sativus и Tríticum aestívum. По итогам проведённого фитотестирования отмечено снижение надземной биомассы относительно контроля для наибольшей концентрации Се и первого разбавления. Из рассматриваемых металлов наиболее выраженное негативное действие на тест-культуры выявлено для Mn. Для Sr и Zn фитотоксический эффект не настолько яркий. В почве с содержанием Cu до 20ПДК семена тест-культур проросли без явных отличий от более низких уровней загрязнения, визуально можно отметить пожелтение ростков. Для установления пределов толерантности высших растений к РЗЭ и ТМ элюатным методом были приготовлены растворы с заданным содержанием металлов. Дополнительно для Cе и La была оценена фитотоксичность согласно существующей методике Allium-теста без предварительного проращивания луковиц Allium cepa L. Результаты элюатного фитотестирования выявили фитотоксическое действие на Avéna satíva L.концентрированных растворов La и Ce. Из рассматриваемых ТМ наибольшее негативное воздействие обнаружено для Cu, далее по мере уменьшения угнетающего действия можно расположить в ряд Zn, Sr, Mn.Закономерно, раствор, приготовленный из смеси солей металлов, также оказывает сильное фитотоксическое действие на Avéna satíva L. Анализ результатов Allium-теста: изменение клеток апикальной меристемы образцов нативных растворов, утолщение и пожелтение корневого чехлика, в совокупности со значительным замедлением роста корней по результатам микроскопического и элюатного исследования однозначно указывает на фитотоксическое действие La и Ce. В первой серии экспериментов по оценке возможности применения различных растений для фитостабилизации хвостохранилища почву загрязняли однокомпонентными растворами солей металлов, в грунт высеивали семена овсяницы красной (Festuca rubra L.), овсяницы луговой (Festuca pratensis Huds.), овса посевного (Avena sativa L.), рапса ярового (Brássica nápus), клевера лугового (Trifolium praténse) и редиса (Raphanus sativus) как представителей стандартных тест-культур и аборигенных растений разных видов – однодольные и двудольные. Во второй серии эксперимента семена Festuca rubra L., Festuca pratensis Huds., райграса пастбищного (Lolium perenne), тимофеевки луговой (Phleum pratense) высеивали в контейнеры с почвой, загрязнённой поликомпонентными растворами металлов. В эксперименте использовали нативный раствор, разбавленный в 5, 10 и 20 раз. Все эксперименты проводились в трёх повторностях. Результаты статистически обработаны. Рассчитывали среднее арифметическое и стандартное отклонение. Значимость различий по вариантам проверялась однофакторным дисперсионным анализом (p<0.05). Все статистические расчеты проводились в Microsoft Excel 2010. Надземную и подземную биомассу высушивали, измельчали и передавали на анализ. Контроль и качество анализа обеспечивались одновременным разложением и анализом аттестованных стандартных образцов: травосмесь ТР-1 (ГСО 8922-2007; СО КООМЕТ 0066-2008-RU). Средство измерения - масс-спектрометр ELAN 9000 (PerkinElmer, США). Метод анализа - ИСП-МС. Погрешность измерения не превышала 0.5 % при p = 0.95. На основе полученных результатов рассчитывали коэффициенты биоаккумуляции (КБ) – как отношение концентрации металла в тканях растения к концентрации металла в почве и транслокации (КТ) – как отношение концентрации в побегах к концентрации в корнях. Сделаны выводы о возможности применения рассматриваемых растений для очистки загрязнённых территорий за счёт фитостабилизации либо фитоэкстракции металлов растениями. По итогам двух серий экспериментов можно отметить, что изученные виды растений могут быть использованы для фитостабилизации редкометалльного хвостохранилища ввиду низкого значения КТ < 1 для РЗЭ. Для ряда культур можно отметить коэффициенты КТ > 1, что указывает на переход металлов в надземную часть растений, однако значения КТ не слишком велики, чтобы можно было выделить растения-гипераккумуляторы ТМ. В лабораторных условиях осуществлен эксперимент по подбору пылеподавителей для закрепления пылящих участков хвостохранилищ. Основное внимание уделено реагентам отечественного производства, поскольку приобретение зарубежных реагентов в условиях санкций затруднительно. Определена кинетика набора прочности покрытий, образованных связующими реагентами. Проведена оценка изменения водопроницаемости обработанных хвостов и растворимости полимеризовавшихся плёнок реагентов. Установлено, что связующий реагент показал лучшие прочностные характеристики в сравнении с битумной эмульсией, образовав покрытие, устойчивое к замораживанию и оттаиванию, что позволяет рекомендовать его так же для нанесения на пылящие участки хвостохранилища в осенний период для предупреждения пыления после схода снежного покрова весной. По итогам комплекса лабораторных и полевых исследований выбран реагент и оптимальный режим создания прочного полимерного покрытия для пылеподавления пылящих поверхностей. Проведены лабораторные и полевые эксперименты по применению выбранных реагентов (брусита, вермикулита и опоки) в качестве мелиорантов. В лабораторных условиях был проведен эксперимент по созданию одновидового сеяного фитоценоза (Festuca rubra L.) на техногрунте хвостохранилища. В условиях полевого эксперимента в июне 2023 г. были заложены опытные площадки (Festuca rubra L., Festuca pratensis Huds., Lolium perenne и Trifolium praténse - данные культуры являются традиционными составляющими травосмесей для рекультивации нарушенных территорий в условиях Субарктики и Арктики) на выведенном из эксплуатации хвостохранилище. Анализ полученных в ходе лабораторных экспериментов результатов показал, что внесение мелиорантов оказало стимулирующее действие на высоту растений и прирост надземной зелёной биомассы (p < 0.05). Результаты листовой диагностики Festuca rubra L. продемонстрировали в ходе эксперимента активное накопление основных элементов питания K, Ca, Mg, Si в надземной части растений и снижение доступности Al и Na для растений во всех опытных вариантах. Наибольший эффект был достигнут в вариантах 2 (вермикулит+опока) и 3 (вермикулит+брусит). Анализ отобранных с экспериментальных площадок на хвостохранилище проб растений показал качественно схожие результаты: отмечено снижение доступности Na, Al, La, Ce для растений во всех опытных вариантах. Наибольший эффект достигнут при внесении опоки и брусита в смеси с вермикулитом. Подтверждена эффективность внесения добавок в виде смесей вермикулита с Mg и Si-содержащими реагентами в хвосты обогащения для улучшения питательного режима, снижения токсичности Al, что способствует устойчивой фитостабилизации техногрунта. Также обосновано применение Festuca rubra L. в качестве посевного материала ввиду её металлорезистентности, что в значительной степени влияет на успех фиторемедиационных мероприятий. Часть результатов опубликована в журналах Toxics (Q1), Eurasian Soil Science (Q2), Journal of Mining Science (Q4).