Есимов Б.К. к.б.н., доцент

Жаксыбаев М.Б. к.б.н., ассоц. профессор

Майматаева А.Д. ст. преподаватель, магистр биологии

Кауынбаева Э. преподаватель, магистр биологии

Казахский национальный педагогический университет имени Абая

Казахстан, г Алматы

Технология создания растительного покрова на техногенных образованиях

Преобразующая деятельность человека на поверхности Земли приобрела масштабы геологических процессов. По данным известного ученого-почвоведа В.А.Ковды [1] размеры техногенных трансформаций сравнимы с количеством вещества, вовлеченным в исторически сложившиеся биохимические циклы. Так, если биомасса суши равна ~ 3 (10¹² -10¹³) т, годичный фотосинтез – (10¹⁰ – 10¹¹) т, круговорот зольных органогенов и азота – 10¹⁰ т, а выемка горных пород достигает 5*10⁹ т. Эти расчеты демонстрируют, что планета земля оказывается перед угрозой экологического кризиса из –за засорения атмосферы и экосистемы обитания человека вредными выбросами продуктов сгорания природного газа, нефти , каменного и бурого углей, горючих сланцев, а именно: оксидами азота и серы, частицами золы, сажи, тонкой пыли [2].

Одним из источников пылевыбросов в атмосферу являются техногенные образования и нарушенные земли. Снижения пылевыбросов можно достичь созданием почвенно-растительного покрова на техногенных образованиях и восстановлением его на нарушенных землях.

Первичное (зачаточное) почвообразование на техногенных образованиях протекает при участии низших растительных организмов, где первыми поселяются, синтезирующие углекислоту и азот атмосферы, водоросли и азотфиксирующие бактерии, а затем актиномицеты, лишайники и мехи. В результате жизнедеятельности и отмирания микроорганизмов и низших растений, образуются гумусоподобные вещества, типа фульвокислот, обусловливающие разложение первичных минералов и образование вторичных органо-минеральных соединений [3].

Задачи исследователей в настоящее время заключаются в поддержании существующих процессов самовосстановления через активизацию средообразующей деятельности живого вещества посредством улучшения экологического фона корнеобитаемых горизонтов [4].

Восстановление земель предполагает целенаправленное воздействие на формирующиеся биоценозы техногенных ландшафтов, с целью образования биологически активной среды прежде всего за счет повышения продуктивности растительного покрова при помощи биотехнологических, агротехнических и химических методов. С экологической точки зрения, биотехнологический метод восстановления техногенных ландшафтов является наиболее прогрессивным и перспективным.

Биотехнический метод восстановления техногенных ландшафтов предусматривает посадку (посев) культурных или дикорастущих растений на поверхностном слое пород или внесение в этот слой культур микроорганизмов.

В результате создания растительного покрова происходит глубинное (объемное) связывание минеральных частиц техногенного материала в пределах укрепляемого слоя и экранирование поверхности от внешних воздействий. В этом эффект укрепления создается в результате склеивающего действия продуктов жизнедеятельности микроорганизмов (бактерий, низших растений) или вследствие армирующего действия корневой системы растений. Кроме того, наземная часть биомассы, покрывающая защищаемую поверхность, предотвращает непосредственное воздействие на эту поверхность воздушных и водных потоков или предельно снижает их скорость вблизи поверхности. Ослабляется проявление температурного контраста, связанное с суточными колебаниями температуры окружающей среды. И, наконец, даже при неравномерном зарастании поверхности, такие участки служат просто механическим препятствием для частиц грунта, перемещаемых с незаросших участков, и тем самым предотвращают вынос продуктов эрозии в окружающую среду, атмосферу.

В настоящее время известно несколько способов формирования растительного покрова на техногенных ландшафтах. Создание почвенного слоя, почвенных структур из техногенного материала возможно с помощью химических мелиорантов, в качестве которых предпочтительны высокополимерные соединения, в частности, поликомплексные композиции, внесение которых в мелиоративный слой позволяет быстро создать высокоструктурную почву с высокой гидроаккумуляционной способностью и стабильными агрохимическими характеристиками. Для создания почвенного покрова необходим выбор оптимального ассортимента трав для конкрентных природно-климатических условий, агрохимических и агрофизических свойств техногенного образования. В последнее время предпочтение отдается диким почвокровным растениям (разрастающимся по поверхности, а не в высоту), не требующим особо благоприятной среды. Имеется тенденция к использованию почвенных водорослей для повышения стойкости почвогрунтов и формирования почвенного слоя в песках. Исследование ведутся в направлении разработки рациональных способов гидропосева трав для закрепления горизонтальных и пологих поверхностей формирования гибких или жестких конструктивных элементов (плит, матов, крупных гранул) из питательных грунтотравяных смесей с последующей механизированной укладкой этих элементов на крутонаклонные поверхности.

Альтернативой существующему методам восстановления почв является способ фиторемедиации [5,6] для удаления металлов из почв за счет аккумуляции металлов растениями. Особенно это важно для бедных растительностью горных районов, так как при этом улучшается ландшафт. За счет растительности уменьшается распространение тяжелых металлов в результате ветровой эрозии, выноса ливневыми водами и инфильтрации. Выращенные растения могут быть переработаны обычными методами или размещены в малых объемах.

Эта новая система может помочь извлечь токсичные металлы из почвы техногенных образований и тем самым уменьшить вред, наносимый окружающей среде, здоровью животных и человека.

Однако, многообразие почвенно-климатических условий каждого месторождения требует индивидуального подхода и поиска оригинального решения, обеспечивающего наиболее высокой экологический и экономический эффект.

В Институте горного дела на протяжении ряда лет проводятся исследования по разработке способов создания растительного покрова на техногенных образованиях [7-9].

В настоящее статье приведены результаты лабораторных исследований по созданию растительного покрова на складе отходов обогащения хризотил-асбестовых руд АО «Костанайские минералы». Изучен химический, агрегатный состав, климатические условия, обследована флора окружающих земель.

Для проведения лабораторных испытаний были отобраны

пробы с поверхности хвостохранилища и с глубины 20 см; аналогично были отобраны пробы с поверхности и с глубины 20 см прилегающей к складу почвы. Пробы были подвергнуты химическому и гранулометрическому анализу. Результаты анализа приведены в таблицах 1,2.

Таблица 1- Результаты анализа проб отходов обогащения хризотил-асбестовых руд

Наиме- нование проб	Гранулометр. состав %			Химический состав, %
	0+2	-2+10	10+15	SiO2	Fe2O3	Al2O3	MgО	CaO	FeO	K2O Na2O	Тяж.мет
хвосты с поверхн	5	10	5	37,0	1,9	0,8	39,1	1,09	0,9	0,32	0,3
с глубины 20 см	85	10	5	40,9	5,4	1,4	41,6	1,6	2,7	0,3	0,32

Примечание: пробы содержат до 0,3 – 0,8% свободного асбеста.

^* - тяжелые металлы присутствуют в виде MnO, Cr₂O₃, NiO, CoO.

Таблица 2 - Результаты анализа почв прилегающих к складу отходов

Наименова- ние проб	Содержание тяжелых металлов мг/кг
	Со	Zn	Cu	Ni	Mn	V	Pb	Cr
на почве	30,0	60-80,0	40-50	50-80	800,0	150,0	10-20	80-100
в почве	30,0	60-100,0	40-50	60-80	800,0	150,0	20-30	80-150,0

Как видно из результатов, приведенных в таблицах, отходы обогащения представляют собой тонкодисперсный материал на 85 % состоящий из класса 0+2. Содержание алюминия, железа, кальция не превышает 1,6–5,45%, а тяжелых металлов (марганца, хрома, никеля, кобальта) достигает 0,3-0,32%.

Анализ почв, прилегающих к хвостохранилищу, показал, что содержание тяжелых металлов изменяется в широких пределах и зависит от глубины отбора проб загрязняющих веществ. Содержание их на поверхности почв превышает содержание в почвах, кроме меди и ванадия, для которых они практически одинаковы.

С целью подбора вида растений для создания растительного покрова на поверхности хвостохранилища, обследована флора окружающих земель. Обследование показало, что часть территории, наиболее засушливой, заняты злаковыми дикорастущими растениями (донник белый, желтый), полынниками; пониженные места – солянками различных видов.

Изучение климатических условий показало, что в теплое время года выпадает 206 мм осадков, а в среднем за год выпадает 265 мм осадков. Большая часть осадков приходится на июль – октябрь. Период комфортной погоды начинается с 10 мая и продолжается 62 дня с температурой воздуха 15-24⁰С. В этот же период регистрируются пыльные бури до 23 дней. Исходя из этих данных, было проведено планирование экспериментальных исследований по созданию растительного покрова на поверхности хвостохранилища.

В основу планирования положены результаты анализа водной вытяжки проб хвостов обогащения, проведенные в «Институте почвоведения» им.У.Успанова РГП «НПЦЗХ им. Бараева» МСХ РК.

Результаты анализа показали, что испытуемый материал относится к слабозасоленному виду почв с выраженной щелочностью. Общая щелочность в НСО₃ составляет 1,5-1,9 мг-экв. Присутствие сульфат-ионов и хлора не значительно. Отмечается значительное содержание ионов магния до 2,8-2,9 мг- экв. Эти данные послужили основанием для определения параметров технологии подготовки семян и определения ассортимента посевного материала.

Лабораторные исследования по оценке фитотоксичности образцов с хвостов обогащения проводили по известной методике Б.П.Строганова [10] в вегетационных сосудах емкостью 0,5л. методом биотестирования. Исследовались семена житняка и полыни черной, обработанные гуматом натрия, обогащенного микроэлементами, которые проращивали в термостате на исследуемом субстрате в соответствии с требованиями ГОСТов (ГОСТ 12038-66, ГОСТ 12040-66).

Влажность субстрата поддерживали по массе утром и вечером на уровне 90% от его наименьшей влагоемкости. Экспозиция опыта 19 суток.

Как видно из результатов испытаний приведенных в таблице 3, отходы обогащения хризотил-асбестовых пород (контроль) оказывают высокое ингибирующее воздействие на рост испытуемых культур и вызывают гибель всходов растений на 3 сутки.

Обработка семян этих растении водным раствором гуминового препарата (ГП) с концентрацией 1,0-1,5% показала, как это видно из представленных данных, увеличение процента всхожести, незначительное увеличение высоты растений и значительное повышение срока выживаемости растений в сутках. Срок выживаемости проростков полыни увеличился почти в 6 раз. Изменение концентрации гуминового препарата от 1,0 до 1,5% для обработки семян на примере житняка не оказало влияния на выживаемость проростков этого растения. В обоих случаях растения погибли через 7 суток. Отсутствие питательной среды вызывает гибель растений в короткие сроки, исчисляемые сутками.

Высокая токсичность продукта техногенеза обусловливает необходимость проведения дополнительных исследований по детоксикации субстрата путем применения веществ – инактиваторов.

Для проведения лабораторных испытаний по подбору инактиваторов подготовлены следующие компоненты: дефеко-сатурационный осадок (отход производства сахара), гипс, и гумат натрия, и составлены варианты композиций.

Таблица 4-Результаты испытаний биотестирования семян обработанных гуминовым препаратом (ГП) различных концентраций

Культура	Вариант испытаний	Всхожесть, %	Средняя высота, см	Выживаемость, в сутках
1	2	3	4	5
Житняк	Контроль	00,0	1,0	3
	1% р-р ГП	13,0	1,0	7
	1,5% р-р ГП	16,0	1,0
Полынь	Контроль	9,0	1,0	3
	1,5% р-р ГП	15,0	1,5	17
	2,0% р-р ГП	21,0	1,5

Варианты композиций субстрата

1. Порода + гумат натрия 5% от массы породы;

2. Порода + ГП – 10% от массы породы;

3. Порода + ГП – 20% от массы породы;

4. Порода + ГП – 30% от массы породы;

5. Порода + ГП – 40% от массы породы;

6. Порода + ГП – 50% от массы породы;

7. Порода + дефекат 10% от массы породы;

8. Порода + дефекат – 20% от массы породы;

9. Порода + дефекат – 30% от массы породы;

10. Порода + гипс 10% от массы породы;

11. Порода + гипс 20% от массы породы;

12. Порода +гипс – 30% от массы породы;

Результаты испытаний показали, что наибольший стимулирующий эффект на прорастание и всхожесть семян оказывает присутствие дефеката в субстрате (таблица 4).

Таблица 4- Результаты испытаний по детоксикации исследуемого субстрата

Вариант	Всхожесть семян, %	Ср. высота растений на 17-е сутки, см	Признаки угнетения роста и развития растений
Порода+гумат-натрия 5% от массы породы	20	1,8	Полная гибель в фазе 1-го листа
Порода + дефекат -10% от массы породы	44	6,8	Полная гибель в фазе 2-го листа
Порода + дефекат - 20% от массы породы	64	7,8	Полная гибель в фазе 2-3-х листьев
Порода + дефекат - 30% от массы породы	80	6,3	Полная гибель в фазе 2-3-х листьев

Анализируя результаты проведенных лабораторных исследований можно полагать, что испытанные агроприемы могут стать основой для новой технологии создания растительного покрова на складе отходов обогащения хризотил – асбестовых руд.

Список использованной литературы

1. Ковда В.А. Почвенный покров, его улучшение, использование и охрана. М.: 1981. 182 с.

2. Козин Л.Ф., Волков С.В. Водородная энергетика и экология.-Киев,Наукова думка, 2002.- 304 с.

3. Плюснин И.И. Мелиоративная почвоведение.- М.:Колос, 1971.-415 с.

4. Мельников Н.Н., Месяц С.П. Концепция оптимизации экологического состояния горнопромышленных регионов. «Освоение недр и экологические проблемы – взгляд в ХХ1 век» Материалы Международной конференции. М.: 2001. 197-204 с.

5. Тасекеев М. Биоремедиация токсичных промышленных отходов // Промышленность Казахстана, 2004, № 10.- С.59-63.

6. Баран С., Кживы Е. Фитомелиорация почв, загрязненных свинцом и кадмием при помощи ракитника. //Влияние природных и антропогоненных факторов на соц.экосистемы. 2003. 39-44.

7. Строганов Б.П. Физиологические основы солеустойчивости растений. М.: 1962. – 325 с.

8. Жалгасулы Н., Черний Г.М., Сарсембекова А.С. Сборник «Отходы: пути предотвращения и минимизации», Алматы, 2004.

9. Сарсембекова А.С. Кен өндіретін кәсіпорындардың техногендік аумақтарындағы экологиялық жағдайды жақсарту// Сб.материалов 2-Межд.научн.практконференций «Современное состояние и персективы развитии горнодобывающих отраслей промышленности», Рудный, 2004.-316-317 беттер.

10. Жалгасулы Н., Черний Г.М., Исмаилова А.А. и др. Биотехническая рекультивация техногенных образований // Промышленность Казахстана, 2011, № 4.-С.58-60.