Экология/2.Экологические и метеорологические

проб­лемы  больших городов и промышленных зон 

К.с.-х.н., доц. Яковишина Т.Ф., студ. Столярова К.Н., студ. Яковенко О.А.

Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры

Перспективы использования фиторемедиации на загрязненных тяжелыми металлами почвах урбанизированных территорий

 

В результате агрохимического мониторинга в Днепропетровской области выявлено около 30 % загрязненных тяжелыми металлами (ТМ) почв преимущественно урбанизированных территорий [1] частично утративших плодородие с бедной растительностью и опасностью ветровой эрозии. Современные темпы урбанизации приводят к интенсивному воздействию человека на окружающую среду, как самого мегаполиса, так и обширных пространств вокруг, превышающих его территорию в 20-50 раз (М.Н.Строганова, 1997). На территории Ленинского района г.Днепропетровска функционируют следующие промышленные предприятия: Днепропетровский лакокрасочный завод им.Ломоносова, Днепротяжмаш, Днепропетровский металлургический завод им.Петровского, Днепропетровский коксохимический завод и др. Эти предприятия выбрасывают в окружающую среду целый ряд веществ, среди которых наиболее опасными являются ТМ. Состояние природно-урбанизированной среды, прежде всего, зависит от количества и состава выбросов в атмосферный воздух, сбросов сточных вод, складирования отходов. Урбоэкосистема характеризуется возникновением новых типов искусственно созданных систем в результате деградации, уничтожения или замещения природных экосистем.

Почвы Ленинского района г. Днепропетровска представлены антропогенно преобразованными урбаноземами, которые частично сохранили черты зональных почв Северной Степи Украины – черноземов обыкновенных. И хотя почвы урбанизированных территорий не подходят под классическое определение почвы, как природного естественно-исторического тела, однако они являются биокосной многофазной системой, состоящей из твердой, жидкой и газовой фаз с непременным участием живого вещества, и способны выполнять целый ряд экологических функций, среди которых в условиях техногенного прессинга важнейшей является депонирование ТМ. Не смотря на то, что изучаемые урбаноземы обладают средней степенью буферности (В.Б.Ильин, 1995) их возможности по снижению токсичности ТМ за счет закрепления педогенними фосфатами, образования сложных органических комплексов и т.д., что способствует уменьшению подвижности, не безграничны, поэтому сложившаяся неблагоприятная экологическая ситуация требует проведения мероприятий по восстановлению городских почв. На выбор метода детоксикации влияет содержание ТМ в почве. Как показали результаты исследований урбаноземы Ленинского района г.Днепропетровска в значительной мере загрязнены Cd, Pb, Zn, Cu и Cr. Свыше 18 % территории относится к сильной степени загрязнения (содержание ТМ > ПДК), 43 % - средней (2,0-5,0 ПДК) и 39 % - слабой (1,0-2,0 ПДК) по В.Б.Ильину (1995).

В настоящее время уже разработан целый ряд мероприятий по физической, химической и биологической детоксикации почв, загрязненных подвижными формами ТМ, благодаря которым токсичность данных загрязнителей может быть существенно снижена или устранена. Однако эти общепринятые технологии очистки почв вызывают целый ряд проблем: требуют больших капиталовложений (внесение сорбент-мелиорантов); возникновение нежелательных побочных эффектов (формирование фронта рН при электрохимической ремедиации); опасность вторичного загрязнения окружающей среды (промывка загрязненного слоя почвы может привески к попаданию ТМ в грунтовые воды). Большинство методов по физической и химической детоксикации ТМ в почве затруднительно использовать для очистки территорий, где плодородие почв имеет большое значение. В районах с пересекающимися промышленностью и сельскохозяйственной деятельностью более выгодно использовать фиторемедиацию – технологию восстановления почв при помощи растений и ассоциированных с ними микроорганизмов. Современные технологии по фиторемедиации почвы могут основываться на разных методологических подходах, как то: фитоэкстракция, ризофильтрация, фитодеградация, фитостабилизация и др.

Выбор той или иной технологии обуславливается результатами анализа: места подлежащего восстановлению (источниками загрязнения, типом почвы, наличием грунтовых вод, количеством осадков в период вегетации и за год) и загрязнителем (типом токсичного соединения, концентрацией, глубиной проникновения по почвенному профилю).

Фитоэкстракция представляет собой технологию непрерывного выращивания растений, способных извлекать и концентрировать в надземной биомассе значительное количество ТМ с последующей их переработкой [2], путем озоления собранной биомассы и тогда зола растений становится источником цветных металлов или же если извлечение из золы обходится дороже их себестоимости – компостированием.

Помимо общих требований к фиторемедиации, фитоэкстракция имеет также свои особенности:

1) содержание ТМ в почве загрязненного участка должно быть приемлемым для растений, т.е. не вызывать у всходов выраженных фитотоксических эффектов (обесцвечивание, пигментация и потемнение  листьев, задержка роста);

2) растения, используемые для очистки почвы, должны отличаться высокой скоростью роста и производить большую надземную биомассу, иметь глубоко разрастающуюся корневую систему, высокую сопротивляемость к болезням и вредителям, быть отзывчивыми к обычной агротехнике, не привлекательными для животных и людей во избежание случаев отравления;

3) для повышения степени накопления ТМ в надземной биомассе растения следует применять эффекторы фитоэкстракции (ЭДТА, ДДДА, ДТПА и др.), которые за счет образования прочных водорастворимых внутри комплексных соединений и с металлами будут повышать их подвижность в почве, что особенно актуально для таких высокобуферных почв, как черноземы;

4) очистку почвы следует проводить до соответствия содержания ТМ в восстановленной почве нормам ПДК [3].

Уже сейчас удалось выявить растения – гипераккумуляторы ТМ, способные накапливать в своей надземной биомассе до 5 % металла в пересчете на сухое вещество. Большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных – близких родственников капусты и горчицы; так сарептская горчица является эффективным накопителем Pb, Cu и Ni, в значительных количествах свинец способены выносить из почвы кукуруза и сорное растение – амброзия. Хорошими фитоэкстрагентами ТМ являются одуванчик лекарственный, полынь обыкновенная [4],  люцерна, подсолнечник, сорго, среди злаков – яровой ячмень и овес [5], овощных культур – петрушка, укроп, салат [6].

При загрязнении почвы свыше 5 ПДК и подвижности 60-70 % от валового содержания целесообразно выращивать гипераккумуляторы в сочетании с внесением эжекторов фитоэкстракции.

Ризофильтрация основана на биологических особенностях растений создавать вокруг корневой системы микросреду, способствующую концентрации и проникновению веществ в растительный организм (Б.Харсенбаев, 2007). Требованиям ризофильтрации (быстрый рост, интенсивное накопление биомассы, мощная корневая система) хорошо отвечают широколиственные однодольные многолетние растения, хорошо растущие в условиях теплого и холодного климата.

В настоящие время фитодеградация применяется только, как правило, для обезвреживания органических загрязнителей почвы за счет способности растений совместно с почвенной микрофлорой осуществлять ферментативное расцепливание сложных органических веществ и переводить их в менее токсичные формы. Хорошими фитодеградаторами алифатических, ароматических и полициклических углеводородов, пестицидов и фенолов являются среди однолетних травянистых растений – овсянница, хрен, люцерна; а среди древесных – дуб, тополь, ива, кипарис. По отношению к ТМ исследование следует сосредоточить на совмещении выращивания фитодеградатора со стимуляцией активности кислотообразующих бактерий с целью понижения рН почвенной среды и увеличения подвижности ТМ.

Фитодеградацию следует применять при средней степени загрязнения в 2,0-5,0 ПДК при относительно небольшой подвижности ТМ, как к примеру в урбаноземах Ленинского района до 30 % от валового содержания.

Противоположностью выше изложенным подходом к фиторемедиации является фитостабилизация – выращивание толерантных к ТМ растений с целью уменьшения подвижности металлов и, как следствие, риска дальнейшего загрязнения окружающей среды путем выщелачивания ТМ в грунтовые воды или распространение их ветровой и водной эрозией почв.

Толерантность растений к ТМ связана с активизацией у них комплекса защитных механизмов, среди которых выделяют внешние – не связанные с жизнедеятельностью растительного организма, а являющиеся следствием свойств почвы, способных уменьшать поток ионов ТМ в растение и внутренние, т.е. те, которыми обладает само растение. Толерантность сельскохозяйственных культур определяется как их биологическими особенностями, так и степенью токсичности ТМ.

Характер распределения ТМ в биомассе растений корни – надземная часть – зерно свидетельствует о наличии следующих защитных механизмов: на границе корень – стебель и стебель – органы  запасания ассимилятов. Способность корневой системы задерживать избыточное количество ионов ТМ обусловлена совокупным действием морфологических структур и химических реакций неспецифической природы, таких как поясок Каспари, обменная емкость корней, инактивация органическими соединениями, способными образовывать с ТМ малоподвижные соединения, депонированные в вакуоли. Разные уровни накопления ТМ в корнях, стеблях, листьях и репродуктивных органах могут объясняться разными путями поступления, а именно: в вегетативные органы – апоплазматическим путем, который проходит по свободному пространству клеточных оболочек и межклеточников по принципу диффузии и с потоком воды с растворенными в ней веществами, а в репродуктивные органы – симплазматическим, носящим случайный характер, и по непрерывной симплазме между клетками по плазмадесмам. Биофильтр симплазмы защищает растения от бесконтрольного накопления ТМ в зерне.

Механизм толерантности растений (внутренние защитные приспособления по Дж. Антоновичу (1971) заключается в следующем:

1) компартментация ТМ в клеточных стенках или вакуолях, связывание их тиолсодержащими белками, пептидами и органическими кислотами;

2) связывание ТМ 2+ металлотионеинами и фитохелатинами, которые посредством меркаптидных комплексов осуществляют детоксикацию;

3) усиление экскреции ТМ2+ из растений при гуттации и отторжении вегетативных органов;

4) развитие в организме растений адаптивных изменений, а именно: поиск альтернативных метаболических реакций, изменение структуры ферментов.

Внешние защитные приспособления не связаны с жизнедеятельностью растительного организма и являются следствием буферных свойств почвы, способных уменьшить поток ионов ТМ2+ из почвенного раствора в растения, в случае с черноземом обыкновенным это наличие органического вещества, содержание подвижного фосфора, рН и т.д. Создание агрохимических фонов, обеспечивающих реакцию среды в почве, близкую к нейтральной, и увеличивающих содержание подвижных форм фосфора и калия, так же усиливает физиологические барьерные функции растений по отношению к ТМ.

Фитостабилизация является идеальным вариантом при слабой степени загрязнения почв ТМ и невысокой подвижности, как к примеру в нашем случае до 7 %. Хорошими фитостабилизаторами являются просо и некоторые кормовые травы, однако в условиях урбанизированной среды следует отдать предпочтение декоративной растительности.

Подытожив выше изложенное, следует отметить, что фиторемедиация наиболее эффективной и экономически выгодной метод очистки почв урбанизированных территорий от ТМ, т.к. она способствует не только удалению или консервации на длительный период времени загрязнителей, но и препятствует выщелачиванию почв и улучшению их плодородия. Подходить к методу фиторемедиации следует дифференцировано степени загрязнения и подвижности ТМ в почве.

Литература:

1.     Экологические основы прородопользования / Под ред. Н.В.Грицана. – Дн-вск.: ИППЭ НАН Украины, 1998. – 409 с.

2.     Галиулин Р.В, Галиулина Р.А. Фитоэкстракция тяжелых металлов из за-грязненных почв // Агрохимия. – 2003. - №3. – С. 77-85.

3.     Галиулин Р.В, Галиулина Р.А. Очистка почв от тяжелых металлов с помощью растений // Вестник Российской академии наук. – 2008. – Т. 78. - № 3. – С. 247-249.

4.     Башмаков Д.И., Лукаткин А.С. Аккумуляция тяжелых металлов некото-рыми высшими растениями в разных условиях местообитания // Агро-химия. – 2002. - №9. – С. 66-71.

5.     Яковишина Т.Ф. Детоксикация загрязненных тяжелыми металлами черноземов обыкновенных северной Степи Украины: Дис. … канд. с.-х. наук: 03.00.16. – Днепропетровск, – 2006. – 226 с.

6.     Плеханова И.О., Кутукова Ю.Д., Обухов А.И. Накопление тяжелых ме-таллов сельскохозяйственными растениями при внесении осадков сточ-ных вод // Почвоведение. – 1992. - №12. – С. 1530-1536.