Способ фиторемедиации почв, загрязненных полихлорированными бифенилами
METHOD FOR PHYTOREMEDIATION OF SOILS CONTAMINATED WITH POLYCHLORINATED BIPHENYLS

Предлагаемое изобретение относится к биотехнологиям для ликвидации последствий загрязнений и может быть использовано при биоремедиации почв, загрязненных полихлорированными бифенилами (ПХБ). ПХБ относятся к классу стойких органических загрязнителей. На территории Российской Федерации ПХБ производились до 1993 года и широко использовались в качестве компонента электроизоляционных масел при производстве электросилового и теплообменного оборудования. В результате несовершенства производственных процессов произошло загрязнение большого числа территорий в местах производства и применения ПХБ, а также прилегающих к ним земельных участков. В настоящее время источниками загрязнения почв ПХБ служат вышедшее из употребления оборудование, содержащее остатки ПХБ, а также отходы производства, атмосферные выбросы при сжигании отходов без соблюдения температурных режимов.
Известен способ термического обезвреживания ПХБ-содержащих отходов в плазменной дуге при температуре выше 4000°С, при которой степень разложения ПХБ достигает 99,9999% (Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 9-2020 «Утилизация и обезвреживание отходов термическими способами», с. 61-62).
Недостатками данного способа являются необходимость изъятия и транспортировки загрязненной почвы с земельного участка к месту расположения установки для термического обезвреживания, большие энергозатраты для создания высокотемпературного режима для обезвреживания ПХБ в плазменной дуге и риск загрязнения атмосферы соединениями, образующимися в отходящих дымовых газах.
Известен способ очистки загрязненных сред от ПХБ путем восстановительного разложения (Пат. RU №2090272, В08В 3/08, C10G 49/18, опубл. 1997 г.). Способ заключается во внесении в загрязненную ПХБ среду карбонатов, бикарбонатов или гидроокисей щелочных либо щелочноземельных металлов с последующим обезвоживанием смеси путем нагревания и дополнительным нагреванием до температуры 200-400°С. Такой прием приводит к образованию в среде ионов водорода, способствующих эффективному восстановительному разложению ПХБ.
Недостатками данного способа являются также необходимость изъятия и транспортировки загрязненной почвы с земельного участка и техническая сложность реализации процесса разложения.
Известны способы фиторемедиации почв, содержащих загрязнители различной природы, с использованием растений-аккумуляторов (Соловьянов А.А. Реабилитация объектов накопленного вреда в Европе и США / Научный журнал Российского газового общества. 2017, №4, С. 49-57). В работе (Атлас растений-фиторемедиантов / под ред. Л.В. Панченко. - Саратов: Научная книга. - 2015. - 559 с.) представлены 257 растений из 43 семейств, являющихся перспективными для фиторемедиации почв, загрязненных различными веществами, в климатических условиях Российской Федерации. Однако в работе отмечается, что при использовании растений-аккумуляторов для биоремедиации почв с уровнем загрязнения выше 10 предельно допустимых концентраций (ПДК) для загрязняющих веществ наблюдается угнетение роста растений.
Недостатком всех описанных способов фиторемедиации является относительно невысокий уровень загрязнения, при котором возможно использовать растения-аккумуляторы без угнетения их роста.
6
7
Наиболее близким к предлагаемому и принятому за прототип является способ биоремедиации почв, загрязненных ПХБ, путем внесения в почву биомассы штамма бактерий Rhodococcus wratislaviensis КТ112-7 в дозах 10-10 кл./г почвы на фоне внесения гумматов в виде препарата «Гумиком» в концентрации 0,01-1,0% в пересчете на сухую массу почвы (Пат RU №2563660, В09С 1/10, А01В 79/02, C05F 11/00, опубл. 2015 г.). Способ апробировался на ПХБ-загрязненных почвах, отобранных на земельном участке, загрязненном ПХБ в результате деятельности производственного объекта. Через 3 месяца после обработки почвы биомассой бактериального штамма R. wratislaviensis КТ112-7 на фоне внесения препарата «Гумиком» в дозах 0,1 или 1,0% удалось достичь снижения в почве концентрации ПХБ в 1,4 и 1,6 раз соответственно.
6
Одним из недостатков данного способа является температурный оптимум роста штамма R. wratislaviensis КТ 112-7 - 28°С. То есть, для эффективной деструкции ПХБ в почве с помощью данного штамма необходимо поддержание температуры окружающей среды, близкой к температурному оптимуму роста бактерий, что ограничивает применение данного способа на территории с умеренным климатом в теплое время года. Кроме того, положительный эффект очистки почвы данным способом доказан только для низких уровней загрязнения почвы ПХБ. Через 3 месяца после обработки почвы штаммом R. wratislaviensis из расчета 10 кл./г на фоне внесения 0,1% препарата «Гумиком» концентрация ПХБ в почве снизилась с 1,13 до 0,80 мг/кг, т.е. в 1,4 раза (на 40%).
2
Устранить указанные выше недостатки позволяет предлагаемый способ фиторемедиации почв, загрязненных полихлорированными бифенилами, включающий внесение в загрязненную почву рекультивантов в виде субстрата, содержащего микроорганизмы, и стимулирующей деструкцию загрязнителя добавки, в котором на поверхность загрязненного участка последовательно вносят рекультивант №1 - осадок хозяйственно-бытовых сточных вод после сбраживания, и рекультиванта №2 - гранулы фосфорсодержащего удобрения, полученного пиролизом этих осадков, в равном весовом соотношении общей дозой 0,8-1,6 кг/м, затем проводят глубокое рыхление, дискование и увлажнение до наивысшей влагоемкости (НВ) с последующим еженедельным рыхлением и увлажнением, а через 1-1,5 месяца на участке высаживают саженцы высших растений. В качестве высших растений используют саженцы ивы прутовидной (Salix viminalis) и тополя черного (Populus nigra).
Предлагаемый способ фиторемедиации почв, загрязненных ПХБ, лишен указанных выше недостатков. Он не предусматривает изъятие загрязненной почвы с земельного участка и ее транспортировку, при этом не образуются выбросы, загрязняющую окружающую среду, не требуется поддержания высоких температур для эффективной деструкции ПХБ в почве, его можно применять на высоко загрязненных почвах (10 ПДК и выше), а также не требуется большого количества энергетических ресурсов.
Технический результат достигается за счет использования нового рекультиванта, глубокого рыхления и дискования почвы на загрязненном участке и высаживания высших растений семейства ивовые: ивы прутовидной (Salix viminalis) и тополя черного (Populus nigra).
В качестве компонентов рекультиванта используют осадки хозяйственно-бытовых сточных вод, полученные при очистке сточных вод и сбраживании в метантенках, и фосфорсодержащее удобрение в виде гранул, произведенное из тех же осадков хозяйственно-бытовых сточных вод путем пиролиза, которые вносятся в почву последовательно.
Для получения нового рекультиванта оба компонента последовательно вносят на загрязненной участок в соотношении 1:1, а потом запахивают в загрязненную почву путем рыхления и дискования. Осадки хозяйственно-бытовых сточных вод содержат большое количество биофильных элементов фосфорсодержащего удобрения являются как сорбентом загрязнителя, так и удобрением для роста высаживаемых на загрязненном участке высших растений. А последующее рыхление, дискование и увлажнение способствуют активизации аборигенных микроорганизмов.
Одновременное выращивание ивы прутовидной (S. viminalis) и тополя черного (P. nigra) обусловлено типом их корневой системы. Ива прутовидная имеет мочковатую, а тополь черный - поверхнустую корневую систему. Комбинирование данных типов древесных насаждений позволяет охватить наибольшую площадь загрязненного участка для контакта поглощающей загрязнитель корневой системы растений с почвой.
Предлагаемый способ фиторемедиации почв, загрязненных ПХБ, осуществляют следующим образом:
2
На загрязненный земельный участок вносят новый рекультивант в дозе 0,8-1,6 кг/м, затем производят глубокое рыхление (до 50 см), дискование и увлажнения до НВ почвы с целью активации самоочищающейся способности почвы за счет насыщения кислородом воздуха и равномерного распределения нового рекультиванта в почвенном слое. После чего в течение 1-1,5 месяцев почву не подвергают обработке. По прошествии этого времени на очищаемой территории высаживают саженцы высших растений - ивы прутовидной (S. viminalis) и тополя черного (P. nigra) возрастом 0,5-1 год с плотностью размещения 1-2 дерева на квадратный метр. Далее, не менее 3 месяцев, осуществляют увлажнение загрязненного земельного участка для поддержания роста высших растений.
На фиг. 1 представлена схема высадки саженцев тополя черного и ивы прутовидной.
Пример 1. конкретного осуществления предлагаемого способа:
Для определения оптимальной дозы внесения рекультиванта изменение уровня фитотоксичности почвы в зависимости от дозы внесения исследовали на почве с концентрацией ПХБ 4527 мг/кг (превышение установленной относительно допустимой концентрации для почвы составляет >226 тыс.раз).
Фитотоксичность почвы оценивали экспресс-методом, по степени гибели семян клевера белого (ползучего) (Trifolium repens)., описанном в работе (Vasilyeva G, Kondrashina V, Strijakova Е. et al. Express-phytotest for choosing conditions and following process of soil remediation // Environmental Geochemistry and Health, 2020, DOI: 10.1007/s10653-020-00727-8). Для анализа почву помещали в объеме 40 г. в чашки Петри. На поверхность почвы высевали по 35 семян клевера белого (ползучего) и увлажняли до 80% предельной полевой влагоемкости, затем чашки Петри закрывали и инкубировали при комнатной температуре и постоянном освещении в течение 5-7 суток, после чего подсчитывали число проросших семян и подсчитывали фитотоксичность почвы в процентах от средней всхожести семян клевера. Результаты изменения фитотоксичности почвы в зависимости от дозы внесения рекультиванта и времени представлены в таблице 1.
Примечание. В таблице приведены средние величины из 3-х повторностей, а в скобках даны стандартные отклонения от среднего.
2
2
Резкое снижение уровня фитотоксичности наблюдалось при дозе внесения рекультиванта 0,8 кг/м. С увеличением дозы рекультиванта наблюдалось незначительное снижение уровня фитотоксичности по отношению к дозе 0,8 кг/м.
Пример 2.
Исследования проводили в условиях микрополевого эксперимента. Образцы почвы массой 200 кг были отобраны в разных местах длительно загрязненной ПХБ территории, находящейся рядом с промышленным предприятием. Исходный уровень содержания ПХБ в двух усредненных почвенных образцах составил 227,2±11,3 и 4526,3±0,2 мг/кг, что соответствует превышению установленной ОДК для почвы (0,02 мг/кг) более чем в 11 тыс. и 226 тыс. раз соответственно.
2
Почву помещали в лизиметры площадью 0,1 м (по 35 кг на сосуд), в результате чего глубина слоя загрязненной почвы составляла 30 см.
2
Далее в почву вносили рекультивант в дозе 0,8 кг/м, почву перемешивали для равномерного распределения рекультиванта и увлажняли, после чего в течение 1 мес. поддерживали оптимальный водно-воздушный режим в почве для активации аборигенной микрофлоры.
Затем в лизиметры высаживали по одному саженцу ивы прутовидной (S. viminalis) или тополя черного (P. nigra). Каждый вариант опыта закладывал в 3-х повторностях. Возраст саженцев 6 месяцев. Высшие растения выращивали в лизиметрах в течение 3 календарных месяцев. Почву в лизиметрах периодически увлажняли. Таким образом, процесс ремедиации загрязненной ПХБ почвы занял 4 месяца. Результаты проведенного эксперимента представлены в таблице 2.
Таким образом, предлагаемый способ фиторемедиации почв, загрязненных полихлорированными бифенилами, позволяет без значительных трудо- и энергозатрат в достаточно короткий срок снизить фитотоксичность почвы, осуществив высокую степень очистки даже сильно загрязненных почв.