К вопросу о ремедиации территорий, загрязненных мышьякосодержащими соединениями

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. ЭКОЛОГИЯ

Заключительный пятый этап подразумевает разработку научных основ моделирования системы лесоводственно-рекреацион-ной оценки природных комплексов республик и областей на территории Среднего Поволжья, прогноз последствий нерегламентированного использования рекреационных объектов. Для этого необходимы рекомендации специалистов по снижению отрицательного влияния высоких рекреационных нагрузок [1-5 и др.].

Библиографический список

1. Мальков, Ю.Г. Мониторинг лесных экосистем / Ю.Г. Мальков, В.А. Закамский. - Йошкар-Ола: МарГТУ 2006. - 212 с.

2. Аглиуллин, Ф.В. Состояние и рекреационная емкость прибрежных лесов озер национального парка «Марий Чодра» / Ф.В. Аглиуллин, В.А. Закамский, С.А. Денисов // Йошкар-Ола: МарГТУ 2000.

- 63 с.

3. Воскобойникова, Н.Н. Роль экологического туризма в развитии экономики проблемных регионов России / Н.Н. Воскобойникова, Е.М. Анохина // Туризм и региональное развитие. - Смоленск: Изд-во «Универсум», 2002. - С. 353-354.

4. Демаков, Ю.П. Теоретические и практические аспекты устойчивого природопользования: управление, принципы организации природно-хозяйственных систем, ландшафтное планирование / Ю.П. Демаков, Л.К. Казаков, В.П. Чижова и др.

- Йошкар-Ола, 2004. - 404 с.

5. Закамский, В.А. Основные аспекты в решении проблемы рекреационного лесопользования для

Республики Марий Эл и Среднего Поволжья/ Актуальные проблемы рекреационного лесопользования. Международная научная конференция / В.А. Закамский. - М.:Т-во научных изданий КМК, 2007. - С. 112-114.

6. Закамский, В.А. Лесоводственно-рекреационная оценка воздействия рекреации на лесные экосистемы в местах массового отдыха вдоль реки Волга Марийского Заволжья (г. Волжск - плотина Чебоксарской ГЭС) / В.А. Закамский, А.В. Кусакин, Т.А. Конюхова и др. // Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. - 189 с.

7. Конюхова, Т.А. К вопросу о путях развития экологического туризма для Республики Марий Эл / В.А. Закамский, Т.А. Конюхова // Современное состояние окружающей среды в Республике Марий Эл и здоровье населения: Материалы 2-ой научно-практ. конф./ ред.: А.Л. Азин, О.В. Воскресенская; сост.: Н.Ю. Данилова, Л.В. Васютина. - Йошкар-Ола: Нац. б-ка им. С.Г. Чавайна, 2004. - С. 42-44.

8. ОСТ 56-100-95 Стандарты отрасли. Методы и единицы измерения рекреационной нагрузки на лесные природные комплексы. - Введен 09.01.95. -12 с.

9. Сахбиева, Л.А. Оптимизация рекреационного природопользования в национальном парке «Нижняя Кама» / Роль особо охраняемых природных территорий в решении экологических проблем: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции / Л.А. Сахбиева, В.А. Закамский.

- Йошкар-Ола, 2008. - С. 58-61.

10. Туризм и региональное развитие / Л.Ю. Мажар

- Материалы II Международной научно-практической конференции. - Смоленск: Изд-во: «Универсум», 2002. - 420 с.

К ВОПРОСУ о РЕМЕДИАЦИИ ТЕРРИТОРИЙ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ

мышьякосодержащими соединениями

И.М. ЯННИКОВ, первый зам. нам. ГУ МЧС РФ по Удмуртской Республике, каяд. техп. наук, Н.В. КОЗЛОВСКАЯ, доц. Ижевского ГТУ, капд. биол. паук,

М.В. ТЕЛЕГИНА, доц. Ижевского ГТУ, капд. техп. паук,

М.С. ПУПКОВА, асп. Ижевского ГТУ

Ускоренное развитие химической промышленности в ХХ в. объясняется стремлением компенсировать нехватку традиционно используемых природных материалов и продуктов, а также создать новые синтетические вещества, превосходящие природные соединения по потребительским свойствам либо отличающиеся более широким спектром областей применения. Эти вполне естественные в усло-

maritel.@mail.ru

виях непрерывного роста населения планеты устремления обратной стороной имеют усиление «химического пресса» на все живое.

Пожалуй, наиболее страшной проблемой современности является химическое загрязнение окружающей среды и повсеместное распространение токсикантов, а также отсутствие действенных методик и технологий для решения данных задач.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010

53

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. ЭКОЛОГИЯ

Актуальность этого вопроса подтверждается наличием на территории нашей страны семи некогда сверхсекретных объектов, где было сосредоточено до 40 тысяч тонн боевых отравляющих веществ: пос. Горный

- в Саратовской области, Кизнер и Камбарка

- в Удмуртии, пос. Марадыковский - в Кировской, Почеп - в Брянской, Леонидовка - в Пензенской, Щучье - в Курганской области.

Мышьяк, входящий в состав иприта и люизита, является одним из самых опасных химических экотоксикантов, поскольку имеет широкое распространение в объектах окружающей среды и вызывает тяжелые последствия в живых системах.

К сожалению, процессы производства, хранения и частичного уничтожения накопленных запасов химического оружия осуществлялись на низком уровне безопасности. В местах производства иприта и люизита концентрация мышьяка в почве в настоящее время в среднем составляет до 10 ПДК, а в местах, где осуществлялся перелив опасных веществ (ОВ) или уничтожение боеприпасов, превышение предельно допустимых концентраций мышьяка в почве составляет до нескольких десятков тысяч раз. Вопросы мониторинга и методы работы с уже существующим загрязнением на данных объектах до настоящего времени изучены явно недостаточно.

Основное требование к проектируемым системам мониторинга состоит в обеспечении требуемой достоверности контроля (вероятности обнаружения) загрязняющих веществ в зонах техногенного влияния объектов, выявления объективной (выраженной в количественных показателях) оценки окружающей среды. Это отражает современную тенденцию развития понятия мониторинга от пассивной системы наблюдения за состоянием объекта (окружающей среды) к модельному исследованию, сочетающему систему наблюдений (измерений анализов) с прогностической моделью взаимодействия объект

- окружающая среда [1].

На сегодняшний день в мире созданы методики удаления мышьяка из почвы с использованием генетически модифицированной сои (Индия), эйхорнии (Великобритания), некоторых видов папоротников (Фло-

рида, Япония). Проблема их использования

- в малой предсказуемости поведения данных биосистем в условиях, отличных от мест разработки, что может свести к нулю эффективность указанных методов.

В настоящее время изучается возможность использования генетической инженерии для резкого повышения количества мышьяка, извлекаемого из почвы.

Генетически измененные растения способны очищать окружающую среду гораздо эффективнее, чем «обычные». В ходе экспериментов, недавно проведенных в США и Великобритании, выяснилось, что генномо-дифицированные тополя поглощают почти в десять раз больше токсинов из грунтовых вод, чем деревья, растущие в естественной среде.

Фиторемедиация (способ очистки окружающей среды при помощи растений) таит в себе огромный потенциал по очистке загрязненной мышьяком почвы. После того как растения абсорбируют токсичные вещества, они накапливают их в своей надземной части. Таким образом, большая часть мышьяка, ранее находившаяся в почве, может быть удалена путем скашивания таких растений.

Принципиальная схема ремедиации территорий поэтапно представляет собой:

- посев семян фитомелиорантов в начале вегетации (весной);

- скашивание в конце вегетации (в начале осени);

- утилизация насыщенной мышьяком фитомассы с возможным выделением чистого мышьяка (компостирование, сбраживание).

Очищенная биомасса может быть использована в качестве органического удобрения [2, 3].

В целях получения достоверной и оперативной информации о масштабах и характере воздействия химически опасных объектов на окружающую среду нами с 2005 г. проводится серия экспериментов в лабораторных и полевых условиях с использованием идентификационного полигона, с помощью которого моделируются различные сценарии развития нештатных ситуаций на объекте в реальных условиях с определением зависимостей «доза

- эффект» и «время - реакция». С помощью данного полигона возможно не только изучение

54

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. ЭКОЛОГИЯ

трансформации экологических и эколого-социальных систем, но и разработка схем, систем и конкретных технологий ремедиации и рекультивации земель, подвергшихся трансформации, по каждому конкретному поллютанту [4, 5, 6].

На полигоне возможно выявление наиболее чувствительных индикаторов с последующим созданием индикационных экологических шкал, которые помогают оценить степень загрязнения участка местности до проведения лабораторного анализа.

Для решения данной задачи на экспериментальные площадки полигона вносился мышьякосодержащий раствор в определенных концентрациях. В ходе наблюдений оценивались следующие показатели: динамика изменений состояния растительности (внешний вид, размеры, обилие, видовой состав растений) и динамика валового содержания мышьяка в почве (его перемещение в пределах почвенного профиля).

Также установлена нелинейность реакции биообъектов на действие загрязнителя. Токсический эффект в организме не прямо пропорционален дозе внесенного раствора, растение «не видит» определенных дозировок загрязнителя. В таблице [7] приведен пример изменения количества видов растений на контрольной площадке при различных значениях предельно допустимой концентрации (ПДК), а на рис. 2 - динамика общего проективного покрытия на экологическом полигоне в зависимости от дозы внесенного раствора.

Классическими методами такие зависимости на указанном объекте выявлены не были. В условиях полигона можно оценивать влияние малых и сверхмалых доз загрязняющих веществ, которые не учитываются инструментальными и классическими методами, поскольку являются для них подпороговыми и не вызывают моментального отклика ни у датчиков, ни у большинства организмов. Данное воздействие может иметь кумулятивный эффект, проявляющийся в способности постепенно накапливать мышьяк в почве и живых тканях, вызывая токсические эффекты во втором, третьем поколениях [8].

Эксперименты, проведенные при воздействии элементов мышьяковистых соединений (трансформация люизита), доказали, что

внесение As на уровне ПДК дает токсический эффект, свойственный малым дозам, в т.ч. по отдаленным последствиям, особенно для последующих поколений. На рис. 1 приведена динамика изменения общего проективного покрытия (ОПП) на экологическом полигоне (ЭП) в зависимости от дозы внесенного раствора

По итогам экспериментов во временной динамике ответной реакции биосистем нами выделены два периода. Первый - период стресса, который характеризуется парадоксальной («двухфазной») зависимостью отклика биологического объекта на воздействие (внесение р-ра As). В течение этого времени биосистема находится в состоянии токсического шока. Второй - период начала восстановления параметров биосистемы. Он характеризуется переходом парадоксальной зависимости «доза-эффект» к нормальной, обратно пропорциональной в общем виде.

В ходе исследований на идентификационном полигоне выявлены виды растений, устойчивые к мышьяковистому загрязнителю, то есть накапливающие в тканях мышьяк без нарушения жизненно важных функций организма. Эти виды перспективны в качестве фитомелиорантов на этапе конверсии объекта по уничтожению химического оружия [5, 9].

Наиболее устойчивыми к загрязнению, сохранившими способность полноценно расти, развиваться и размножаться в условиях повышенного содержания мышьяка в почве, оказались: Melilotus officinalis - донник лекарственный; Medicago falcate - люцерна серповидная; Chamenerion angustifolium

- кипрей узколистный; Achillea millefolium

- тысячелистник обыкновенный; Puccinellia distans - бескильница расставленная; Picris hieracioides - горлюха ястребинковая.

Необходимо отметить, что бескильни-ца расставленная обладает голофильностью, т.е. может служить эффективным фитореме-диантом на техногеннозасоленных и осолон-цованных почвогрунтах, что нередко встречается в районах нефтедобычи и в условиях городской застройки. Эти же виды растений, не теряя жизнеспособности, накапливают в биомассе мышьяк, изымая его из почвы, т.е. работают как эффективные фиторемедианты на загрязненных участках.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010

55

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. ЭКОЛОГИЯ

Таблица

Изменения количества видов растений при различных значениях ПДК

Количество видов исходное Количество ПДК

1 ПДК 1,5 ПДК 2 ПДК 2,5 ПДК

20 15 11 16 8

08.2005 09.2005 10.2005 06.2005 07.2006 08.2006

Рис. 1. Динамика ОПП, %, на ЭП, в зависимости от дозы внесенного раствора: 1 - 1 ПДК, 1,5 - 1,5 ПДК, 2 - 2 ПДК, 2,5 - 2,5 ПДК, 3 - 3 ПДК, KONTROL - контрольная площадка

1 ПДК 1,5 ПДК 2 ПДК 2,5 ПДК ЗПДК KONTROL Дозировка As на ЭП

Рис. 2. Валовое содержание мышьяка в биомассе взрослых особей растений

На рис. 2 показано изменение валового содержания мышьяка в биомассе взрослых особей донника лекарственного, кипрея узколистного, люцерны серповидной, горлюхи ястребинковой, бескильницы расставленной в зависимости от дозы внесенного раствора.

Это позволяет нам считать указанные виды перспективными как в качестве фито-

мелиорантов в схемах биологической рекультивации, так и в качестве тест-объектов для проведения мониторинга участков возможного загрязнения среды мышьякосодержащими соединениями.

Аналогичные эксперименты проводились с семенами и сеянцами сосны обыкновенной (Pirns sylvestris). При оценке при-

56

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. ЭКОЛОГИЯ

роста модельных деревьев всех возрастов на трех физиологических уровнях отмечено затормаживание прироста нижних ветвей пропорционально дозе загрязнителя и усиление роста средних и верхних ветвей.

Для оценки влияния мышьякосодержащих соединений на вегетативную сферу сосны были собраны шишки с модельных деревьев всех возрастов. Отмечено проявление защитной реакции растительного организма, предотвращающей появление генетически, анатомически и физиологически неполноценных семян. При оценке динамики прорастания семян характерно сохранение двухфазного вида зависимости «доза-эффект».

При исследовании реакции липы мелколистной (Tilia cordata L.) на различные концентрации мышьяксодержащего раствора определена зависимость токсического эффекта от дозы раствора в двухфазной форме в течение первых 7 суток, далее растительный организм выходит из состояния острого токсического шока и зависимость приобретает нормальную форму.

Таким образом, определены растения, которые можно использовать в качестве биоиндикаторов и фиторемедиантов. Применение идентификационного полигона позволит определить параметры растений в зависимости от дозы внесенного загрязнителя с учетом конкретных условий местности. Именно это даст возможность моделировать возможные сценарии развития ситуации на объекте с учетом подпороговых значений выбросов мышь-косодержащих соединений

Целью следующих экспериментов, проводимых с 2008 г, является оценка действия гелий-неонового лазера на рост и развитие растений при мышьяковистом загрязнении почвы. Этому послужили уникальные свойства лазерного луча (монохроматичность, энергия и мощность, направленность и когерентность излучения, возможность получения сверхкоротких длительностей импульсов и перестройки частоты во всем диапазоне от ультрафиолетовой до инфракрасной областей спектра).

Опыты, проведенные в НИИ клеточных культур г. Новосибирска (О.О. Тимина) и американскими учеными Д. Мандоли и У Бриггс, показывают, что лазерное облучение

может быть полезно растениям и увеличивает их продуктивность и жизнестойкость.

Мышьякосодержащие органические соединения в почве трансформируются до неорганических арсенатов (соли Н^О4) и арсенитов (соли Н^О3), поэтому для моделирования мышьяковистого загрязнения в проведенных экспериментах был использован водный раствор арсенита кальция -Са3(АsО3)2 различных концентраций.

В ходе эксперимента №1 на основе общепринятых методик было проведено изучение свойств лазерного излучения как биопротектора (длина волны 0.63 мкм, длительность облучения одного образца 30 секунд) путем наблюдения за реакцией Allium сера

L., на присутствие мышьяка в растворе в 5 вариантах концентрации мышьяка - контроль (0 мг/л), 10 мг/л, 30 мг/л, 50 мг/л, 100 мг/л в лабораторных фарфоровых стаканах емкостью 250 мл, в трехкратной повторности.

Наиболее ярко эффект воздействия лазера наблюдался на образцах с высоким содержанием арсенита кальция. Подвергавшиеся облучению растения имели более длительный срок жизни, чем контрольные, более эффективно восстанавливались и меньше подвергались некрозу тканей.

Таким образом, положительное влияние гелий-неонового лазера было подтверждено.

Для проведения эксперимента №2 брались модельные ветви тополя (Populus sp.) как одного из наиболее устойчивых к антропогенному воздействию древесных растений. В соответствии с общепринятыми методиками использовался водный раствор арсенита кальция - Са3(AsО3)2, кратно фоновым значениям (Ф) для Удмуртии, в четырехкратной повторности для каждой концентрации. Периодически проводилось облучение образцов гелий-неоновым лазером ЛГН - 207А №1063 мощностью 1,8 мВт, длина волны 0,63 мкм, измеритель мощности ИМ 1-1 №11-84;, характеристики лазера не изменялись.

Через 7 дней после закладки эксперимента у 10 % листьев появились яркожелтые пятна и деформации контура в виде ожога, у 8 % начался некроз от центральной жилки. Понизился общий тонус растений, начали подсыхать верхушки.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010

57

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. ЭКОЛОГИЯ

Рис. 3. Скорость роста и развития облученных модельных ветвей по отношению к контролю

Рис. 4. Динамика усыхания почек на облученных МВ по сравнению с данными предыдущей серии, % от общего количества. Обозначения: контроль - контрольные МВ с содержанием As в растворе на уровне фона, 10ф - 1- превышение фона, 20 фонов - 20-кратное превышение фона, 10ф+л - 10-кратное превышение фона + облучение, 20ф - 20-кратное превышение фона + облучение

На десятый день исследований наблюдался ярко выраженный ромбовидный некроз тканей от центральной жилки на всех концентрациях (10-40Ф). Процент ожоговых деформаций увеличился. На 30Ф появились новые почки для листьев и корней, одновременно и новые корневые образования, наблюдалось нарушение апикального доминирования (развитие боковых почек). Усыхание ветвей шло с верхушки, увеличилась кривизна веток по сравнению с контролем.

Через 12 дней после начала эксперимента 2/3 модельных ветвей были облучены гелий-неоновым лазером. Через 4 дня после облучения наблюдалось снятие общего стресса, восстановление хлорофилла на малых концентрациях от центральной жилки, на больших концентрациях - пятнами по листовой пластинке (рис. 3). Начали распускаться листовые почки, наблюдалась полиферация на стволе как компенсация воздействия. У некоторых образцов началось

58

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. ЭКОЛОГИЯ

возобновление функций (оживание стволов с верхушки).

К началу третьей недели эксперимента после повторного облучения произошло обновление корневой системы и как следствие - пролиферация почек на частях модельных ветвей, находящихся в водном растворе [10].

Результатами исследований доказано, что тополь бальзамический в полной мере подходит на роль биоиндикатора мышьяковистого загрязнения. При проведении аналогичных экспериментов с черенками липы мелколистной (Tilia cordata L.) стимулирующая и защищающая роль лазерного излучения более заметна на модельных ветвях (МВ), которые были подвержены воздействию более высокой концентрации загрязнителя. На рис. 4. приведена динамика усыхания почек на облученных МВ по сравнению с данными предыдущей серии, % от общего количества.

Как видно, свойства излучения данного типа как биопротектора полностью подтвердились: растительные объекты менее страдают от токсического шока, и восстановление параметров происходит быстрее.

Таким образом, в ходе всех проведенных экспериментов:

- подтверждена целесообразность применения идентификационного полигона, позволяющего моделировать возможные сценарии развития ситуации на объекте с учетом подпороговых значений выбросов мышьякосодержащих соединений;

- установлены для конкретных условий растения, которые можно использовать в качестве фиторемедиантов;

- определено положительное влияние лазерного облучения на жизнеспособность и развитие растений, подвергшихся воздействию мышьякосодержащих соединений, что позволит использовать данный метод для повышения эффективности фиторемедиации загрязненных территорий в ходе эксплуатации и конверсии химически опасных объектов.

Библиографический список

1. Чупис, В.Н. Экологический мониторинг объектов уничтожения химического оружия. Опыт создания

и перспективы развития / В.Н. Чупис // Теоретическая и прикладная экология. - 2007. - № 2. -С. 35-41.

2. Янников, И.М. Новые подходы к организации мониторинга объектов по хранению и уничтожению химического оружия / И.М. Янников // Вестник МЧС Удмуртской Республики. - Ижевск. - 2008.

- № 2(010). - С. 24-27.

3. Янников, И.М. Вопросы восстановления территорий в период конверсии объектов уничтожения химического оружия / И.М. Янников, М.В. Телегина // Труды XXVIII Российской школы. - М.: РАН, 2008. - Т. 2. С. 236-243.

4. Янников, И.М. Анализ методов организации флористического мониторинга вокруг химически опасных объектов / И.М. Янников // Вестник ИжГТУ - Ижевск. - 2007. - № 2. - С. 135-138.

5. Янников, И.М. Выявление спектра травянистых растений, перспективных в качестве фитомелиорантов при загрязнении почвы мышьяковистыми соединениями / И.М. Янников, Т.Г. Габричидзе, Т.Л. Зубко и др. // Вестник ИжГТУ - 2007. - №2.

- С. 138-140.

6. Янников, И.М. Анализ эффективности наиболее распространенных фитомелиорантов при мышьяковистом загрязнении почвы / И.М. Янников, Н.В. Козловская, Т.Л. Зубко // Сборник статей 5-й Всероссийской научно-практической конференции «Экология человека: концепция факторов риска, экологической безопасности и управления рисками». - Пенза, 2008. - С. 189-191.

7. Янников, И.М. Новые подходы к организации контроля загрязнений и аварийных выбросов в районах размещения объектов по хранению и уничтожению химического оружия / И.М. Янников // Экология урбанизированных территорий. - 2008.

- № 2. - С. 106-110.

8. Янников, И.М. Изучение влияния мышьякосодержащих соединений и возможность организации прогнозирования на химически опасном объекте / И.М. Янников, Т.Г. Габричидзе, Т.Л. Зубко // Интеллектуальные системы в производстве.

- Ижевск. - 2007. - №1. - С. 113-118.

9. Габричидзе, Т.Г. Трансформация почвенно-растительного покрова под влиянием мышьякосодержащих соединений и возможность мониторинга / Т.Г. Габричидзе, И.М. Янников, Т.Л. Зубко и др. // Интеллектуальные системы в производстве.

- 2007. - № 2(8). - С. 203-207.

10. Янников, И.М. Оценка эффективности гелий-неонового лазера как компонента экобиозащитных систем при загрязнении почвы соединениями мышьяка / И.М. Янников, В.А. Алексеев, Т.Л. Зубко и др. // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2009. -№ 1(15). - С. 186-190.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010

59