Современные технологические схемы фиторемедиации загрязненных почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Современные технологические схемы фиторемедиации загрязненных почв

В.Н. Буравцев, Н.П. Крылова

Рассматриваются современные методы фиторемедиации почв, загрязненных токсичными тяжелыми металлами и загрязнителями органического происхождения. Охарактеризованы основные технологические приемы фиторемедиации. Описаны достижения в области фиторемедиации почв в различных странах. Дана оценка растений-фиторемедиантов.

Идея фиторемедиации -- использования зеленых растений для удаления загрязнений из окружающей среды или превращения последних в безвредные соединения -- возникла в прошлом столетии и постепенно внедряется как природоохранная технология. Технологические схемы фиторемедиации загрязненных почв, разработанные за рубежом в 90-е годы ХХ века, существенно не обновлялись в последнее время, но возросло число исследований генофонда природных кормовых угодий, интродукции новых видов фиторемедиантов, усилился поиск стимуляторов этого процесса. Методы фиторемедиации разрабатывают и внедряют в Болгарии, США, Великобритании, Испании, Канаде, Китае, Мексике, Новой Зеландии и других странах. Значительный вклад в развитие технологий фиторемедиации внесли работы отечественных исследователей по аккумуляции тяжелых металлов дикорастущими и культурными растениями (Самарский государственный университет, Мордовский государственный университет), а также использованию растений в биореставрации почв, загрязненных высокотоксичным ракетным топливом (1-4). По данным экологов, целью управления агросистемой, подвергшейся техногенному загрязнению, должна быть реабилитация почв, исключение их дальнейшего загрязнения (5).

Обсуждая технологии фиторемедиации загрязненных земель, исследователи подчеркивают важную роль растений -- индикаторов загрязнения и растений-фиторемедиантов, а также симбиоза высших растений-фиторемедиантов и микроорганизмов, способствующего деструкции и трансформации загрязняющих веществ. Зеленое растение рассматривается как поглотительная и фильтрационная система, приводимая в движение солнечной энергией и обладающая способностью не только абсорбировать, но и разлагать загрязнители (6-9).

Корневая система растений, поглощая элементы, соединения, экстракты, транслоцирует их и активно удерживает, выполняя заданные биопрограммы. Внутренняя среда и поверхность многих растений являются убежищем для микроорганизмов, которые также могут участвовать в ремедиации. Перечисленные свойства растений сочетаются с распространением микоризы, что усиливает их контакт с почвой, стимулируя обменные процессы (6, 7, 10, 11).

Минимальная аккумуляция металлов характерна для травянистых и древесных ксерофитов, средняя (или максимальная) -- для мезофитов. Травянистые гигрофиты характеризуются максимальной аккумуляцией природных элементов, древесные -- техногенных соединений (6, 9, 12).

Как показывает зарубежный опыт, в современном процессе фиторемедиации обобщенно можно выделить следующие основные технологические приемы (этапы) на основе использования растений (9, 13):

-- фитоэкстракция -- удаление тяжелых металлов или органических соединений посредством накопления их в надземной массе растений, подлежащей уборке;

-- фитодеградация -- использование симбиоза растений с микроорганизмами для разрушения органических загрязнителей;

-- ризофильтрация -- всасывание корнями растений (адсорбция) загрязнителей (главным образом металлов) из загрязненных водоисточников и водоемов;

-- фитостабилизация -- ослабление биологической активности загрязнителей окружающей среды;

-- фитоиспарение -- испарение надземной частью растений загрязнителей или поглощение и удаление последних из воздуха.

По данным Salt с соавт., список перспективных травянистых растений-фиторемедиантов включает более 30 видов (табл.).

Список растений, пригодных для фиторемедиации (цит. по 13)

В течение последнего десятилетия ощутимый прогресс достигнут в области фитоэкстракции тяжелых металлов. Почвы, сформировавшиеся на участках, богатых рудами металлов, резко превышают допустимые стандарты безопасности; при этом они нередко характеризуются разнообразием флоры (8, 12-14).

Рис. 1 - Технологическая схема фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами (цит. по 14): 1 -- транслокация в надземную биомассу; 2 -- уборка надземной массы (скашивание); 3 -- переработка скошенной массы для очистки от металлов и окультуривание осваиваемой территории; 4 -- поглощение корнями; 5 -- стабилизация содержания металлов в корнях; 6 -- стабилизация содержания металлов в материнской породе; 7 -- удаление из почвы (десорбция)

Многие растения заболоченных местообитаний, которые изменяют рН ризосферы, обогащают кислородом анаэробную зону и ослабляют эрозию почвы, рекомендуется использовать для фиторемедиации территорий промышленных разработок прошлых лет (8, 12, 14). Удаление тяжелых металлов-загрязнителей надзем-ной массой и корнями фиторемедиантов может быть осуществлено по схеме, представленной на рис. 1 (14).

Совместные исследования по оценке отзывчивости растений бобовых, зерновых и масличных культур на загрязнение почвы тяжелыми металлами были проведены учеными Великобритании и Китая. В полевых и вегетационных опытах изучали чувствительность растений вики посевной, вики мохнатой, кукурузы, пшеницы, рапса к загрязнению почвы одновременно несколькими тяжелыми металлами: кадмием, хромом, цинком, свинцом, медью и марганцем. Установлено, что при повышении степени загрязнения почвы урожайность растений этих сельскохозяйственных культур снижается. Наибольшая чувствительность к загрязнению тяжелыми металлами отмечена у растений пшеницы и бобовых культур. На загрязненных почвах снижение массы сухого вещества у растений вики посевной, пшеницы, вики мохнатой, рапса и кукурузы достигало соответственно 169, 123, 113, 93 и 68 % (15).

По результатам этих наблюдений, выращивание кукурузы и рапса на почвах, загрязненных одновременно несколькими тяжелыми металлами, более безопасно, чем пшеницы или бобовых. Кукуруза признана пригодной для фиторемедиации слабозагрязненных почв. Максимальное содержание марганца, цинка и кадмия в надземной массе выявлено у растений кукурузы, хрома -- рапса, меди -- вики мохнатой, свинца -- пшеницы. Выращивание пшеницы на загрязненных кадмием и медью почвах связано с бульшим риском загрязнения продуктов питания тяжелыми металлами, чем возделывание кукурузы (15).

Одним из наиболее труднодоступных элементов, которые накапливаются в растениях, является свинец. В США высокий потенциал поглощения и аккумулирования свинца отмечен у растений кендыря (Apocynum sp.) и амброзии (Ambrosia sp). Интенсивность накопления и поглощения свинца этими растениями существенно варьирует в зависимости от химических свойств почвы.

Необходимо также учитывать, что большинство металлов (особенно свинец) содержится в почве в различных формах, не все из которых в одинаковой степени поглощаются растениями. Для того чтобы обеспечить максимальный вынос свинца, необходима сбалансированность обеспечения растений питательными веществами для формирования биомассы и биодоступности свинца. Поглощение свинца усиливается до максимума при пониженном рН и невысоком содержании доступного фосфора. Современные исследования направлены на оптимизацию баланса между питательными веществами почвы и биоактивностью свинца с целью максимального выноса последнего (16).

В Мексике в опытах на гидропонике исследовали способность растений фасоли обыкновенной, овса посевного и люцерны посевной извлекать из почвы свинец и кадмий. Все три сельскохозяйственные культуры признаны потенциально пригодными для фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами. Максимальное накопление кадмия отмечено у растений овса, минимальное -- фасоли. В корнях изученных растений кадмия накапливалось существенно больше, чем в листьях.

В Испании при изучении фиторемедиации почв, загрязненных свинцом и кадмием, установлено, что для оптимальной фитоэкстракции загрязняющих элементов из почвы необходимо контролировать температуру и оценивать оптимальные показатели в каждом конкретном местообитании (10, 11).

За последние годы в ряде стран пристально изучали и внедряли фиторемедиацию на основе посадок комплекса декоративных растений и овощных культур (США, Мексика, Новая Зеландия). Определенного внимания заслуживает технология, разработанная в Новой Зеландии с целью подбора культур, пригодных для очистки почв, загрязненных таллием, и оценки возможности выращивания на этих почвах овощей, безопасных для здоровья человека (17). При этом 11 видов овощных культур и декоративное растение иберис (Iberis intermedia), характеризующиеся высокой аккумулирующей способностью, выращивали в вегетационных условиях при содержании таллия в концентрациях 0,7 и 3,7 мг/кг (17). Наиболее пригодными для очистки почв от таллия признаны растения ибериса, которые достаточно 5 раз подряд высадить на участке, чтобы содержание таллия в почве снизилось с 1 до 0,1 мг/кг. Для того чтобы достигнуть аналогичного результата с помощью, например, рапса или капусты, растения необходимо высаживать соответственно 9 или 30 раз.

Содержание таллия варьирует от 400 до 1 мг/кг сухой массы соответственно у растений ибериса и овощной фасоли. В больших количествах таллий накапливается также в растениях брункресса, редиса, репы, кочанной капусты. Допустимое содержание таллия в продуктах питания составляет 2 мг/кг сухой массы. При выращивании на почвах, содержащих 0,7 мг/кг таллия, гигиеническим нормативам питания удовлетворяли растения овощной фасоли, томата, репчатого лука, гороха и латук-салата, а при концентрации 3,7 мг/кг -- только овощной фасоли и томата; свекла, редис, шпинат, репа и брункресс для употребления в пищу были не пригодны. Следовательно, на основании этих данных овощные культуры не могут быть использованы в качестве фиторемедиантов (17).

Загрязнители, которые замедляют выщелачивание почвы, рекомендуется нейтрализовать посредством активации деятельности корневой системы растений (18-20). По данным, полученным в Ратгерском университете (штат Нью Джерси, США), для интенсификации процесса фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами, наряду с выращиванием растений-гипераккумуляторов в почву следует вносить вещества, образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые водорастворимые комплексные соединения, например этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА). Внесение ЭДТА в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, способствовало повышению содержания тяжелых металлов в стеблях горчицы сарептской до 1600 мг/кг сухой массы. Предполагается, что усвоение растениями труднорастворимых соединений тяжелых металлов стимулирует особые корневые выделения, названные комплексообразователями (18-21).

Опыты, проведенные в Австрии и Великобритании, свидетельствуют о том, что ключевыми факторами в технологиях фиторемедиации почв являются правильный выбор растений-аккумуляторов и воздействие на ризосферу последних веществами, повышающими подвижность тяжелых металлов. Наибольшая фиторемедиационная активность выявлена при использовании амаранта и внесении в почву ЭДТА (20).

Определенную роль в повышении доступности для растений труднорастворимых соединений играют восстановительные ферменты, находящиеся в клетках корней, а также прикорневая микрофлора (18-21).

В последние годы определенное внимание привлекли работы с использованием растений подсолнечника в качестве фиторемедиантов, способных накапливать тяжелые металлы не только в стеблях и листьях, но и в корнях. Показано, что растения отдельных сортов подсолнечника, выращиваемые в специальной фильтрационной системе, активно поглощают из воды загрязняющие вещества, производя на 1 м2/мес до 1,5 кг сухого вещества корневой массы. Для укоренения растений подсолнечника был создан искусственный почвенный слой мощностью в несколько сантиметров и через него к корням поступали минеральные соли. Основная масса корней подсолнечника формировалась под слоем искусственной почвы в проточной воде, поглощая из нее тяжелые металлы (22).

Исследования болгарских ученых подтвердили, что растения подсолнечника обладают высоким потенциалом экстракции тяжелых металлов в корнях и очень низкой степенью их перемещения в надземные органы (стебли, листья, цветы и плоды) (цит. по 22). Эти признаки определяют пригодность подсолнечника для ризофильтрации объектов, загрязненных стоками промышленных предприятий. В этой работе для определения выноса тяжелых металлов успешно применяли лазерную спектроскопию.

Ряд исследователей подчеркивают, что проростки растений, выращиваемых на гидропонике, обладают большим детоксикационным потенциалом и способностью избирательного поглощения тяжелых металлов (2, 18, 21, 22).

При проведении мероприятий по предотвращению эрозии или ее последствий фиторемедиация в комплексе с инженерными сооружениями обеспечивает стабилизацию насыпей, укрепление берегов каналов, надводных береговых террас.

Для создания устойчивого к эрозии растительного покрова часто требуется несколько циклов фиторемедиации. Технология такого процесса предусматривает залужение загрязненных участков специально подобранными видами трав в качестве промежуточной меры «улучшающего воздействия». Зеленые растения также используют для нейтрализации загрязненной материнской породы после применения специальных методов улучшения.

С учетом накопленных данных в настоящее время большой интерес представляет сбор дополнительных сведений по физиологии, молекулярной генетике, абсорбции и транслокации тяжелых металлов, а также устойчивости растений к воздействию последних (9, 13, 19).

Рис. 2 - Технологическая схема фиторемедиации почв, загрязненных органическими соединениями (цит. по 14): 1 -- расщепление в надземной биомассе; 2 -- транслокация к побегам; 3 -- расщепление в корнях; 4 -- корневая адсорбция/абсорбция; 5 -- уборка, удаление, уничтожение; 6 -- заделка в гумус; 7 -- десорбция из почвы; 8 -- микробиологический распад

фиторемедиация почва растение металл

В США проводятся долголетние опыты по оценке пригодности кормовых злаков и бобовых для фиторемедиации почв, загрязненных органическими загрязнителями (рис. 2). Одновременно уделяется внимание разработке технологии по очистке почв, загрязненных пестицидами, с использованием водных растений: уруть, элодея канадская, спироделла (9, 13, 19).

Заслуживает внимания опыт США по использованию фильтрующих полос из растений в качестве одной из мер по ограничению поступления агрохимикатов в грунтовые воды (22). В лабораторных условиях сравнивали адсорбцию и десорбцию гербицида флуометурона 2 в образцах почвы из-под посевов хлопчатника и 3-летних растений трипсакума ежевидного (Tripsacum dactiloides), выращиваемых на узкой (0,6 м) фильтрующей полосе. Глубина отбора образцов -- 0-15 см, почва -- тяжелосуглинистая, содержание гумуса в образцах почвы с пашни и фильтрующей полосы -- соответственно 2,7 и 3,5 %, рН -- 6,9 и 6,7. Максимальное содержание флуометурона 2 примерно в 2 раза превышало рекомендованную полевую норму 1,7 кг/га; время взаимодействия раствора гербицида с почвой составляло 24 ч. При увеличении концентрации флуометурона 2 увеличивалась его адсорбция в обоих образцах почвы, причем почва с фильтрующей полосы адсорбировала большее количество гербицида. Общее количество десорбированного флуометурона 2 составляло 48-79 %, большая часть которого (50-59 %) высвобождалась в течение первого цикла десорбции. Установлено, что фильтрующие полосы с посевами трипсакума ежевидного способствуют адсорбции флуометурона 2 почвой и уменьшают его вымывание поверхностным стоком (22).

Для фиторемедиации почв, загрязненных гербицидами изоксабеном и оризолином, в США изучают возможность использования декоративных древесных растений -- ивы белой, ивы тонкостолбиковой и итеа виргинской (23).

В целом накопленный отечественный и зарубежный опыт фиторемедиации подтверждает, что в условиях катастрофической деградации почв от эрозии, загрязнения тяжелыми металлами и вредными органическими соединениями необходим поиск новых экономически доступных технологий оздоровления и стабилизации плодородия почвенного покрова. Применение фиторемедиации на деградированных землях требует разработки детальной агротехнической программы. С учетом опасности вторичного загрязнения после проведения фиторемедиации большое значение имеет разработка системы севооборотов с участием кормовых трав, способствующих поддержанию плодородия почвы. В связи с этим особого внимания заслуживают севообороты с высоким содержанием бобовых трав, в том числе короткоротационные (24).

Известно, что разработка технологий фиторемедиации требует участия специалистов в области генетики, молекулярной биологии, экологии, луговодства, агролесомелиорации, инженерных дисциплин (13, 14).

Некоторые исследователи определяют ремедиацию как альтернативу экологическому земледелию. Оценка потенциала растений и его рациональное использование способствуют внедрению новых технологий по освоению сельскохозяйственных угодий, если они генетически малопродуктивны или деградировали в результате урбанизации, загрязнения токсичными соединениями и т.д.

Способность растений к транспирации большого количества влаги играет важную роль в фиторемедиации и достаточно широко используется за рубежом для обезвоживания осадка сточных вод и уменьшения загрязнения стекающей воды. В условиях заболоченных земель биотическая активность стимулирует повышение щелочности, концентрации сульфидных ионов и органических остатков; при этом ионы металлов осаждаются, а очищенная вода уносится стекающими потоками. Потенциально фиторемедиация приемлема в различных природных зонах, учитывая богатый генофонд фиторемедиантов в России (12, 14, 18, 22).

При выборе территорий для фиторемедиации определяющими факторами служат безопасность для населения и необходимость предотвращения загрязнения водоисточников (6, 9, 14).

Итак, растения-фиторемедианты должны обладать следующими свойствами: адаптированность к экологическим условиям конкретного региона и местообитания, включая рельеф, почвы и климат (низменные, равнинные участки, склоновые земли, низкогорье и т.д.); устойчивое формирование фитомассы, обеспечивающей максимальный вынос токсикантов; интенсивное поглощение корнями и перемещение (транслокация) вредных соединений, элементов, экстрактов; симбиоз с микроорганизмами. Большое значение для развития фиторемедиации имеет поиск и внедрение безвредных соединений -- стимуляторов процесса фиторемедиации. Метод фиторемедиации не требует больших затрат, прост в практическом осуществлении, применим в любых экологически неблагоприятных зонах. Однако следует учитывать, что растения-ксерофиты пока менее пригодны для этой цели по сравнению с мезофитами.

Литература

1. Башмаков Д.И., Лукаткин А.С. Аккумуляция тяжелых металлов некоторыми высшими растениями в разных условиях местообитания. Агрохимия, 2002, 9: 66-71.

2. Галиулин Р.В., Галиулина Р.Р. Профилактика загрязнений ландшафтов тяжелыми металлами: фиторемедиация сточных вод. Агрохимия, 1999, 3: 84-91.

3. Ермаков Е.И., Панова Г.Г. Основы экологически гармоничной биореставрации химически загрязненных почв. Докл. РАСХН, 2000, 5: 18-21.

4. Кудряшова В.И. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими растениями. Автореф. канд. дис. Саранск, 2003.

5. Миркин Б.М., Суюндуков Я.Т., Хазнахметов Р.М. Управление в агроэкосистеме. Экология, 2002, 2: 103-107.

6. Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., Павловский В.А. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими и культурными растениями в степном Поволжье. Самара, 1998.

7. Baker A.J.M., M c Grath S.P. The possibility of in situ heavy metal decontamination of polluted soils using crops of metal-accumulating plants. In: Resource. Conservation and Recycling. USA, 1994, 11: 41-49.

8. Cunningham S.D., Berti W.R., Huang J.W. Phytoremediation of contaminated soils. Trends Biotechnology, 1995, 13: 393-397.

9. Salt D.E., Blaylocr M., Kumar N.P. e.a. Phytoremediation: A novel strategy for removal of toxic metals from environment using plants. Biotechnology, 1995, 13: 468-474.

10. Вaghour M., Moreno D.A., Villora G. e.a. Root zone temperature affects the phytoextraction of Ba, Cl, Sn, Pt and Rb, using potato plants (Solanum tuberosum L. var. spunta) in the field. J. Environ. Sci. Health., 2002, A37, 1: 71-84.

11. Baghour M, Moreno D.A., Villora G. e.a. Phytoextraction of Cd and physiological effects in potato plants (Solanum tuberosum var. spunta): importance of root temperature. J. Agr. Food Chem., 2001, 49: 356-363.

12. Cunningham S.D., O w D.W. Promises and prospects of phytoremediation. Plant Physiology, 1996, 110, 3: 715-719.

13. Salt D.E., Smith R.D., Raskin I. Phytoremediation. In: Ann. Review and Plant Molecular Biology, 1998, 49: 643-668.

14. Cunningham S.D., Berti W.R. Remediation of contaminated soils with green plants. Cell. Dev. Biol., 1993, 29: 207-212.

15. Wang Q., Liu X., Cui Y. e.a. Response of legume and non-legume crop species to heavy metals with multiple metal contamination. J. Environ. Sci. Health, 2002, A37, 1: 611-621.

16. Pinero J.L.H., Maiti R.K., Star M.V. e.a. Potential use of Phaseolus vulgaris L., Avena sativa L. and Medicago sativa in the removal of lead and cadmium from soils. Crop Research., 2002, 24, 3: 449-452.

17. La Coste C., Robinson B., Brooks R. Uptake of tallium by vegetables: its significance for human health, phytoremediation, and phytomining. J. Plant Nutrition, 2001, 24, 8: 1205-1215.

18. Dushenko v V., Kumar P.B., Motto H. e.a. Rhizofiltration: The use of plants to remove heavy metals from aqueous streams. Environ. Sci. Technol., 1995, 29, 5: 1239-1245.

19. Guerinot M.L., Salt D.E. Fortified foods and phytoremediation. Two sides of the same coin. Plant Physiol., 2001, 125, 1: 164-167.

20. Puschenreiter M., Stoger G., Lombi E. e.a. Phytoextraction of heavy metal contaminated soils with Thlaspi goesingense and Amaranthus hybridus: Rhizospere manipulation using EDTA and ammonium sulfate. J. Plant Nutriton Soil Sci., 2001, 164: 615-621.

21. Raskin I., Kumar P.B., Dushenkov S. e.a. Bioconcentration of heavy metals by plants. Current Opinion in Biotechnology, 1994, 5: 285-290.

22. Vassi l e v A. Metal phytoextraction: state of art and perspectives. Bulgarian J. of Agr. Sci., 2002, 8: 125-140.

23. Baz M., Fernandez R.T. Evaluating woody ornamentals for use in herbicide phytoremediation. J. Amer. Soc. Hort. Sci., 2002, 127, 6: 991-997.

24. Чемурлиев О.Г., Голеухин С.Н. Короткоротационные севообороты на орошаемых землях Нижнего Поволжья и их агроэкологические особенности. В сб.: Поволжский вестник. Волгоград, 1999: 280-284.

Summary

Modern technological scheme of phytoremediation of contaminated soil (review)

V.N. Buravtsev, N.P. Krylova

The authors consider the some modern approached to phytoremediation of soil contaminated by toxic heavy metals and organic pollutants. The main technological ways of phytoremediation were characterized. The achievements in the field of soil phytoremediation in different countries were described. The estimation of the plants-phytoremediators was given.

Размещено на Allbest.ru