Фиторемедиационный способ очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами
PHYTOREMEDIATION METHOD FOR CLEANING HEAVY METAL CONTAMINATED SOILS

Изобретение относится к области экологии и природопользования и может быть использовано для очистки почв на территориях урбанизированных и промышленных агломераций, а также почв сельскохозяйственного назначения, с целью снижения содержания в них токсичных концентраций тяжелых металлов, поступивших в результате хозяйственной деятельности человека.
Проблема очистки и реабилитации почв территорий различного назначения, загрязненных тяжелыми металлами, в настоящее время является крайне актуальной в сфере природопользования и природовосстановления. Однако на сегодняшний день не существует однозначных подходов к ее решению. Среди известных способов очистки почв от тяжелых металлов описаны механические, физико-химические, химические и биологические приемы. Механический способ очистки почв основан на изымании загрязненного слоя почвы на глубину до 0,5 м и замещении его экологически чистой почвой, выбранной с незагрязненных территорий [1, 2]. Недостатком такого способа является высокая стоимость работ, которая оценивается до 2,5 млн. евро за 1 га. Физико-химические способы очистки почв от тяжелых металлов основаны на использовании процессов сорбции, десорбции, ионного обмена и осуществляются путем внесения в почву адсорбентов-мелиорантов и цеолитов [3, 4, 5]. Химические способы основаны на использовании извести и фосфорных удобрений для перевода металлов в труднорастворимые соединения, промывке почв, экстракции солей металлов растворителями, процессах выщелачивания, внесении органических веществ и связывания металлов в комплексные соединения и др. [6, 7]. К недостаткам этих способов относится их высокая стоимость, сложность в исполнении, временный характер эффекта, возникновение нежелательных побочных эффектов, в том числе, негативное влияние на физико-химические показатели почв, создание депонирующих сред, определяющих отложенные негативные последствия, опасность вторичного загрязнения окружающей среды. Биологические способы очистки почв от тяжелых металлов основаны на использовании растений, а именно, их способности поглощать и аккумулировать металлы в корнях и надземных частях растений. Общими преимуществами биологической очистки почв являются относительно низкая себестоимость работ, не нарушающих сложение почвы, возможность проведения очистки in situ, безопасность работ для окружающей среды.
Из известных способов биологической очистки почв от тяжелых металлов наиболее актуальными и близкими к заявляемому изобретению являются способы с использованием технологии фиторемедиации [8-11], предполагающей извлечение металлов из загрязненных почв корнями высаживаемых на них растений с последующим переносом и аккумуляцией металлов в надземных частях растений, подлежащих утилизации. В то же время в вопросе выбора растений для целей биологической очистки почв и методологии ее проведения нет единого подхода
Известен фиторемедиационный способ очистки почв от тяжелых металлов, основанный на использовании растений - гипераккумуляторов, которые специфически накапливают значительные количества тяжелых металлов в надземных частях этих растений без выраженных признаков фитотоксичности, например, ярутки Thlaspi caerulescens [12], алиссума Alyssum sp. [13] или низкорослой покровной травы артраксона щетинистого (Arthraxon hispidus) (Thunb.) Makino [14]. Недостаток данного способа - низкие темпы роста и малая биомасса растений-гипераккумуляторов, их узкая специализация на гипераккумуляцию только 2-3-х тяжелых металлов, в частности, Cd и Zn растениями ярутки [12], Ni и Со растениями алиссума [13] и Zn, Pb, As растениями артраксона [14], а также произрастание гипераккумуляторов в пределах несвойственных для России климатических зон.
Известен также фиторемедиационный способ очистки почв, основанный на использовании сельскохозяйственных растений, таких как кукуруза и пшеница [15] или сафлор [16]. Недостатком указанного способа является неприемлемость его использования для очистки загрязненных почв в условиях мегаполиса и климатические ограничения.
Известен фиторемедиационный способ очистки почв, основанный на использовании декоративных растений, таких как бархатцы {French marigold, Tagetes) [17, 18], а также бальзамин Balsamine) и папоротник нефролепис (Nephrolepis auriculata) [19] для очистки почв, загрязненных кадмием [17, 18], а также медью и медьсодержащими материалами [19]. Недостаток данного способа - эти растения имеют малую биомассу и предназначены для извлечения только одного вида металла.
Известен фиторемедиационный способ очистки почв, основанный на использовании генетически модифицированных растений или трансгенов, обладающих повышенной металл-аккумулирующей способностью, например, трансгенной петунии [20] или генетически модифицированной горчицы сарептской Brassica juncea [21] для целей извлечения нескольких металлов - Cr, Mo, Cd, U. Недостатком данного способа является применение ген модифицированных растений, запрещенных к культивированию на территории РФ.
Известен также способ фиторемедиационный очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, с использованием некоторых дикорастущих растений, проявляющих способность к аккумуляции металлов, в частности, одуванчика лекарственного Taraxacum officinale Wigg. [22]. Недостатком данного способа является малая эффективность очистки почв от тяжелых металлов и значительные трудозатраты.
Из описанных фиторемедиационных способов очистки почв наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является способ, основанный на высеве на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, семян нескольких видов дикорастущих растений из семейств сложноцветных, бобовых и злаковых с последующим многократным скашиванием их на стадии вегетационного периода, высушиванием и удалением с поверхности почв [23], выбранный в качестве прототипа.
Недостатком известного способа, выбранного в качестве прототипа, является относительно низкая аккумуляционная способность надземных частей высеваемых растений в отношении накопления ими тяжелых металлов, таких как цинк, медь, марганец и хром, а также ограниченность его использования для очистки урбанизированных территорий ввиду присутствия в рекомендуемой травяной смеси злостного сорняка бодяка полевого, дающего большое количество семян, разнос которых может привести к быстрому засорению сопредельных территорий.
Заявленное изобретение свободно от перечисленных выше недостатков.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение количества тяжелых металлов, извлекаемых из загрязненных почв, а также их состава.
Указанный технический результат достигается тем, что при высеве присущих данной местности дикорастущих видов растений, типичных и доминирующих для данного локального региона, в их отношении определяют металл-аккумулирующую способность по концентрациям тяжелых металлов и коэффициентам их переноса в системе «почва-корни-надземная часть растений» при уровнях загрязненности конкретных почв, а также их индикаторную идентификацию с целью дальнейшего их использования в качестве фиторемедиаторов.
В основу заявляемого изобретения положена концепция обеспечения биологической очистки почв и грунтов от тяжелых металлов за счет комплекса биогеохимических процессов, протекающих в системе «ризосфера - корни - надземная часть растений» и включающих 2 последовательных этапа - 1) поглощения тяжелых металлов из почвы и их связывания в корневой системе и 2) переноса металлов из корней в побег и их аккумуляции в надземных частях растений. При этом под ризосферой подразумевается часть почвы, прилегающая к корням растения и испытывающая непосредственное воздействие корневых выделений и почвенных микроорганизмов, и способствующая миграционной активности тяжелых металлов. Оценка наряду с металл-аккумулирующей способностью надземных частей растений металл- аккумулирующей способности их корней и установление коэффициентов переноса металлов в системе «ризосфера - корни - надземная часть растений» позволит при выборе индикаторных видов для целей фиторемедиации учитывать вклад корневой системы растений в биосорбцию тяжелых металлов, извлекаемых из почвы и грунтов. При этом в ризосфере в ходе сезонного перегнивания корней, остающихся в почве после скашивания надземной массы, происходит трансформация металлов, иммобилизованных корнями, в биологически более доступные формы, что является фактором, способствующим их более активному поглощению и переносу в надземную часть растений при повторном высеве растений для целей фиторемедиации.
Сущность предлагаемого изобретения базируется на основе генетически детерминированных молекулярных механизмов поглощения и восходящего транспорта ионных и хелатированных форм тяжелых металлов в растениях, функционирующих у разных видов растений с разной эффективностью, в результате чего загрязняющие металлы поглощаются и связываются корнями и переносятся в надземную часть с разной интенсивностью у разных видов растений
Использование такого механизма позволяет существенно увеличить как количество поглощаемых тяжелых металлов, так и их состав. Такой результат может быть осуществлен за счет распространения естественно произрастающих индикаторных видов металл-аккумулирующих растений, свойственных данному локальному региону, а также более эффективного воздействия индикаторной растительности на почвы и удаления из них широкого спектра загрязняющих тяжелых металлов, включая Zn, Cu, Pb, Mn, Со, Ni, Cr.
Кроме того, указанный выше технический результат достигается тем, что в заявленном фиторемедиационном способе очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, загрязненные почвы засеваются видами растений, присущими данной местности и обладающими максимальными коэффициентами извлечения и выноса в надземную биомассу загрязняющих металлов, свойственных данному локальному региону.
Для достижения указанного технического результата в соответствии с заявленным изобретением на подлежащей очистке от тяжелых металлов территории выбирают участок размером не менее 100 кв.м, определяют в почве этого участка концентрации тяжелых металлов, выделяют на нем естественно произрастающие и доминирующие виды растений, после чего в их корнях и надземных частях определяют аккумулирующую способность по концентрациям тяжелых металлов и коэффициентам их переноса в системе «почва-корни-надземная часть растений», выбирают индикаторные виды растений на основе полученной аккумулирующей способности по наибольшим показателям аккумуляции тяжелых металлов и максимальным значениям коэффициентов их переноса в надземные части растений, после чего по этим показателям выбирают их в качестве фиторемедиаторов
Сущность заявленного фиторемедиационного способа очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, иллюстрируется Фиг. 1 - Фиг. 4.
На Фиг. 1 представлены результаты определения содержания тяжелых металлов в корнях и надземных частях индикаторных растений в виде зависимости, построенной в координатах: X - тяжелые металлы, Y -концентрации тяжелых металлов в сухой биомассе надземной части и корней у разных видов растений, мг/кг сухой биомассы
-1
-1
На Фиг. 2 представлены результаты расчетов в виде зависимости, построенной в координатах X - металлы, Y - коэффициенты переноса металлов в системе «почва-корень» у разных видов растений, мг⋅кг/мг-кг
-1
-1
На Фиг. 3 представлены результаты расчетов в виде зависимости, построенной в координатах X - металлы, Y - коэффициенты переноса металлов в системе «почва-надземная часть» у разных видов растений, мг⋅кг/мг⋅кг
-1
-1
На Фиг. 4 представлены результаты расчетов в виде зависимости, построенной в координатах X - металлы, Y - коэффициенты переноса металлов в системе «корень-надземная часть» у разных видов растений, мг⋅кг/мг⋅кг
Как показано на Фиг. 1, металлы, поступающие в растения из загрязненной почвы, распределяются в них неравномерно и аккумулируются преимущественно в корнях. Показано также, что выбранные растения накапливают загрязняющие металлы с разной интенсивностью.
Как показано на Фиг. 2, эффективность извлечения и переноса металлов, измеренная в системе «почва-корень», различается у отобранных видов растений и у клевера больше, чем у мать и мачехи, а минимальна у одуванчика.
Как видно из Фиг. 3, коэффициенты переноса металлов из почвы в надземную часть растений варьируют в пределах 0,3-0,8 и в отношении Mn, Zn, Cu, Pb и Ni наиболее высоки у клевера, а в отношении Cr и Со - у мать и мачехи.
Как показано на Фиг. 4, коэффициенты переноса металлов в системе «корень -надземная часть растения» варьируют в широких пределах от 0,04 до 1,47 и по одним металлам (Mn, Zn, Cu, Ni) намного выше у одуванчика, а по другим (Pb, Cr и Со) - у одуванчика и мать и мачехи.
Заявленное изобретение иллюстрируется, помимо Фиг. 1 - Фиг. 4, также Таблицами 1 и 2.
Таблица 1 иллюстрирует полученные заявленным способом результаты оценки содержания тяжелых металлов в почвах исследованных территорий, мг/кг.
Таблица 2 иллюстрирует полученные заявленным способом результаты расчета потенциальной металл-аккумулирующей способности надземной части индикаторных видов растений, кг/кв. км.
Сущность заявленного фиторемедиационного способа очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, состоит в том, что очистка происходит непосредственно на месте и осуществляется с использованием видов растений, присущих данной местности и выбранных в качестве индикаторных для их интенсивного распространения на всей поверхности очищаемых почв локального региона. В процессе роста и вегетации растений загрязняющие тяжелые металлы поглощаются корневой системой в количествах, зависящих от их концентраций в почве и от видовых особенностей растений, связываются корнями и переносятся в надземную часть растений с коэффициентами переноса, свойственными выбранному виду индикаторного растения. Сезонное перегнивание остающихся в почве корней обеспечивает трансформацию связанных ими металлов в биологически более доступные формы, что является фактором, способствующим более эффективному усвоению и переносу металлов в надземные части растений при повторном высеве растений.
На территории, подлежащей очистке от тяжелых металлов, высеянные растения доводят до стадии вегетационного периода и проводят скашивание и сбор зеленой массы. Эту процедуру повторяют периодически по мере отрастания надземной части растений. Чем выше по концентрации содержание загрязняющих металлов в почве, тем большее количество скашиваний зеленой массы необходимо проводить, что, в свою очередь, повышает эффективность очистки почв от загрязняющих веществ. В результате предлагаемое изобретение приводит к снижению трудозатрат и удешевлению мероприятий, проводимых на загрязненных участках, особенно на территории большой площади.
Заявленный способ был апробирован на урбанизированной территории Ленинградской области на почвах, загрязненных по Zn, Cu, Pb, Cr, Mn, Ni, Со. Заявленный способ осуществляется в 5 этапов.
На первом этапе осуществляется отбор и подготовка к анализу проб почв на территории, подлежащей очистке от загрязнения тяжелыми металлами.
2
В процедуре отбора проб основным параметром является репрезентативность пробы, т.е. ее соответствие структуре и составу изучаемого объекта. При оценке общего загрязнения пробные площадки размером не менее 100 м намечают по координатной сетке, указывая их номера и координаты. С каждой площадки отбирают по пять точечных проб по типу конверта. Отбор проводят на глубине 0-20 см. Объединенная проба, состоящая из смеси проб, должна иметь массу не менее 1 кг. Пробы отбирают лопатой и помещают в мешочки из полиэтилена или ткани. Отобранные пробы нумеруют и регистрируют в журнале, указывая место, глубину отбора, тип грунта или почвы, вид загрязнения и дату отбора. Затем пробы, освобожденные от камней и корней растений, рассыпают равномерным слоем на ровной поверхности и высушивают в темноте при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния, после чего просеивают через сито с диаметром отверстий 1 мм и упаковывают в пакеты из плотной бумаги. Отобранные пробы хранят в охлажденном или замороженном состоянии (до -20°С). Для определения в отобранных образцах почв валового содержания тяжелых металлов методом химико-аналитического анализа (например, атомно-эмиссионной спектроскопии) их передают в химико-аналитическую лабораторию.
На втором этапе проводится отбор и подготовка к анализу образцов видов растений, естественно произрастающих и доминирующих на подлежащей очистке территории.
Отбор образцов растений проводится на тех же пробных площадках, что и отбор почв и грунтов. Отбираются образцы видов растений, произрастающих на всех пробных площадках, что позволяет считать эти виды преобладающими и представительными для данного загрязненного региона. При отборе растительных образцов пробы корней и надземных частей растений отбирают раздельно. Из точечных проб составляют объединенную пробу массой 1 -1,5 кг. Пробы корней освобождают от частиц почвы, все пробы помещают в полиэтиленовые пакеты и доставляют в лабораторию.
В лаборатории сырые растительные пробы извлекают из пакетов и тщательно промывают водой. При наличии на поверхности растений налипших частиц их отмывают сначала водопроводной, а затем дистиллированной водой. Незагрязненные растения промывают только дистиллированной водой. Растительные пробы слегка промокают фильтровальной бумагой (не отжимая, чтобы не выдавить содержимое клеток) и помещают в сухом помещении на листы фильтровальной бумаги для высушивания. При температуре 20°С и низкой влажности воздуха пробы высыхают за 2-3 дня. При высокой влажности воздуха и низкой температуре в помещении рекомендуется дополнительный обдув проб сухим воздухом. При наличии в лаборатории специальных сушильных шкафов пробы помещают в шкаф, разместив их в кюветах (не металлических) и оставляют при температуре +60°С на 12-24 ч до полного высушивания. Высушенный растительный материал измельчают до порошкообразного состояния с помощью специальных электрических измельчителей или растирают вручную в агатовых либо фарфоровых ступках.
Следующим этапом подготовки растительных проб к анализу является взятие навесок и переведение изучаемых образцов в раствор, что необходимо для определения содержания металлов с использованием химико-аналитических методов. Этого достигают озолением растительного материала, т.е. освобождением его от органической матрицы. Современные методы анализа содержания химических элементов позволяют использовать для анализа либо непосредственно сухую золу растений, либо растворы, получаемые как растворением зольного остатка в кислотах, так и в результате мокрого озоления растительного материала с помощью концентрированных кислот.
На третьем этапе проводится определение концентраций тяжелых металлов в отобранных образцах растений, и оценка коэффициентов их переноса в системе «почва -корни - надземная часть растений»,
На этом этапе осуществляемых действий с применением сертифицированного метода атомно-абсорбционной спектрофотометрии проводится установление для каждого из отобранных на исследуемой площади видов растений концентраций тяжелых металлов в корнях и в надземных частях растений. Далее проводится оценка коэффициентов аккумуляции металлов в корнях и надземных частях отобранных видов растений относительно концентраций соответствующих металлов в исследуемых почвах и установление коэффициентов их переноса из корней в надземную часть растений.
На четвертом этапе осуществляется выбор индикаторных видов растений для их дальнейшего распространения с целью фиторемедиационной очистки загрязненной территории.
На основании результатов определения аккумулирующей способности доминирующих видов растений по наибольшим показателям аккумуляции в них тяжелых металлов и максимальным значениям коэффициентов их переноса в надземные части растений устанавливают индикаторные виды растений и выбирают их в качестве фиторемедиаторов для интенсивного распространения на загрязненной территории.
На пятом этапе проводят высев семян индикаторных видов растений, выбранных в качестве фиторемедиаторов, доведение их до стадии вегетационного периода, скашивание и сбор зеленой массы.
Высев семян индикаторных растений с целью фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами, проводят весной. Этот период удобен тем, что запас влаги в почвах обеспечивает оптимальный водный режим для поступления тяжелых металлов из почвы в корни растений и переноса в надземную часть растений. Далее растения доводят до стадии вегетационного периода и проводят скашивание и сбор зеленой массы. Эту процедуру повторяют периодически по мере отрастания надземной части растений.
Результаты апробации заявленного способа реализованы в виде конкретных примеров.
Ниже приведены примеры конкретной апробации заявленного фиторемедиационного способа очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами.
Пример 1.
2
2
3
3
Цель эксперимента: установить концентрации тяжелых металлов (Mn, Zn, Cu, Cr, Pb, Со, Ni) в почвах на урбанизированной территории Ленинградской области, загрязненной тяжелыми металлами, и установить показатели аккумуляции этих металлов в корнях и надземных частях растений, произрастающих на данной территории. Для этого на исследуемой территории был выбран участок размером 100 м, на котором были размечены 3 опытных учетных участка, покрытые травянистой растительностью, площадью 1 м каждый. На каждом опытном участке методом конверта отобраны пробы почвы на глубине до 20 см. Усредненные пробы почв массой 50 г высушивали в сушильном шкафу в течение 5 часов при 105°С. Далее 10 г воздушно-сухой почвы, измельченной и пропущенной через сито с отверстиями 2 мм, подвергали химическому разложению при нагревании с использованием 50 см HNO(1:1) для определения в почвенных пробах валового содержания тяжелых металлов. С этой целью полученные вытяжки фильтровали и проводили определение тяжелых металлов в фильтратах методом атомно-эмиссионного анализа с индуктивно-связанной плазмой на ICPE-9000 (Shimadzu, Япония).
3
4
В ходе эксперимента на опытных участках в преобладающем количестве были выделены 3 вида естественно произрастающих и доминирующих растений - мать и мачеха Tussilago fdrfara, одуванчик лекарственный Taraxacum officinale и клевер луговой Trifolium pratense. Пробы корней и надземных частей этих растений были отобраны сопряженно с пробами почв на тех же учетных участках размером 1 м каждый для проведения химического анализа. Растения извлекали из почвы полностью, разделяли их на надземную часть и корни, которые аккуратно отмывали от почвы водопроводной, а затем -дистиллированной водой. Отобранные пробы корней и надземных частей растений каждого вида массой до 300-500 г сырого веса фиксировали в термостате при 105°С в течение 1 часа и далее высушивали при 70°С в течение 24 часов. Высушенные пробы измельчали до порошкообразного состояния, отбирали из них навески массой 0,5 г, которые подвергали мокрому озолению смесью концентрированных кислот HNO: HClO в объемном отношении 4:1 при 160°С. Содержание тяжелых металлов в пробах, полученных в результате озоления, определяли методом атомно-эмиссионного анализа с индуктивно-связанной плазмой на ICPE-9000 (Shimadzu, Япония).
На основании анализа проб почв, отобранных с опытных участков, были установлены концентрации в них тяжелых металлов, усредненные значения которых приведены в Таблице 1. Из Таблицы 1 следует, что почва на опытных участках урбанизированной территории, выбранной для эксперимента, загрязнена по ряду тяжелых металлов. При этом превышение в ней валовых концентраций таких металлов как Pb, Zn и Cu относительно регламентированных величин ПДК составило соответственно 7,87; 3,67 и 1,72 раза.
Результаты анализа содержания тяжелых металлов в пробах растений, отобранных на опытных участках, представлены на Фиг. 1, где показано, что металлы, поступающие в растения из загрязненной почвы, распределяются в них неравномерно и аккумулируются преимущественно в корнях. Показано также, что выбранные растения накапливают загрязняющие металлы с разной интенсивностью. Содержание металлов в биомассе корней в целом отвечало общему порядку: Mn>Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>Со. При этом концентрации Mn, Zn, Cr, Pb, Со и Ni в корнях клевера были заметно выше, чем в корнях других видов растений, тогда как аккумуляция Си была одинаково высокой в корнях клевера и мать и мачехи. В надземной биомассе наибольшие концентрации Zn, Си и РЬ были установлены в листьях клевера (соответственно 184; 71 и 37 мг/кг сухой биомассы), а максимум концентрации Cr (135 мг/кг) - в листьях мать и мачехи. Различия в уровнях накопления отдельных металлов в корнях и в надземной биомассе оказались более выражены у клевера и менее - у одуванчика.
Пример 2.
Цель эксперимента- установить соответствие естественно произрастающих и доминирующих на выбранном участке загрязненной территории видов растений требованиям, предъявляемым к растениям, используемым для фиторемедиации. В качестве оценочного критерия данного соответствия были рассчитаны коэффициенты, характеризующие эффективность передвижения и накопления металлов в интегральной системе «почва - корни - надземная часть растений». Расчет коэффициентов проведен на основании результатов определения концентраций тяжелых металлов в почве (мг/кг) и в корнях и надземной части растений (мг/кг сухой биомассы), по которым построены графики, отраженные на Фиг. 2 - Фиг. 4.
На Фиг. 2 показано, что эффективность извлечения и переноса металлов, измеренная в системе «почва-корень», различается у отобранных видов растений и снижается в ряду клевер - мать и мачеха - одуванчик.
Как показывают результаты расчета, коэффициенты переноса большинства металлов в системе «почва-корень» в растениях клевера и мать и мачехи существенно превышают 1,0, достигая в отношении Cu и Cr у клевера 3,6 и 3,5, а у мать и мачехи соответственно 3,5 и 2.3, что указывает на высокую способность этих растений, естественно произрастающих на загрязненных почвах, извлекать и аккумулировать тяжелые металлы на уровне корней. Коэффициенты переноса других металлов из почвы в корни также выше у клевера и в отношении Mn, Zn, Со, Ni составляют от 1,5 до 2,5. Наименьшие показатели извлекаемости корнями растений показаны для Pb, что согласуется с известными представлениями о низкой биологической доступности этого металла.
На Фиг. 3 показано, что большинство тяжелых металлов, загрязняющих почвы на исследуемой урбанизированной территории, накапливаются в надземных частях естественно произрастающих и доминирующих на этой территории видах растений с разной интенсивностью, и коэффициенты их переноса в системе «почва - надземная часть» варьируют в пределах 0,3-0,8. Эффективность перемещения ряда металлов (Zn, Cu, Pb, Ni) из почвы в надземные части растений выше у клевера, в отношении Cr и Со наиболее высокие коэффициенты их переноса из почвы в надземную часть растений показаны для мать и мачехи. Коэффициенты переноса РЬ и Ni из почвы в надземную часть растений оказались ниже, чем других металлов.
На Фиг. 4 показано, что коэффициенты переноса металлов в системе «корень - надземная часть растения» варьируют в широких пределах от 0,04 до 1,47 и в отличие от коэффициентов переноса «почва-корень» по одним металлам (Mn, Zn, Cu, Ni) они намного выше у одуванчика, а по другим (Pb, Cr и Со) - у одуванчика и мать и мачехи.
В целом, исходя из оценки коэффициентов переноса металлов в системе «почва-корни-надземная часть растений» можно заключить, что коэффициенты переноса «почва-корень» и «почва-надземная часть растений» имеют большую индикаторную значимость, а для исследованного нами типа загрязненности почв тяжелыми металлами растения клевера обладают наибольшим потенциалом для фиторемедиационного способа их очистки. Пример 3.
Цель эксперимента - установить потенциальную металл- аккумулирующую способность индикаторных видов растений, естественно произрастающих на загрязненных территориях. Эксперимент состоял в расчете аккумуляции тяжелых металлов надземными частями растений, выраженной в кг с 1 кв км загрязненной территории, на примере исследованной территории, исходя из экспериментально установленных содержаний металлов в надземных частях индикаторных видов растений и с учетом имеющихся в литературе сведений о минимальной и максимальной урожайности зеленой биомассы травянистых растений, а именно, от 600 до 1000 центнеров с га при содержании воды 79% [23].
Как показали результаты апробации, при установленном уровне загрязненности почв тяжелыми металлами растения клевера при максимальном урожае зеленой биомассы 1000 ц/га могут извлечь и аккумулировать в надземной части в сумме до 1509,4 кг металлов, растения мать-и-мачехи- до 1461,6 кг, а растения одуванчика- до 1291,5 кг металлов с загрязненной территории площадью 1 кв км, что отражено в Таблице 2, в которой показано, что при исследованных уровнях загрязненности почв наиболее высокие показатели потенциальной биоаккумуляции металлов в надземных частях индикаторных видов растений установлены в отношении Mn, Zn, Cu, Cr.
Как показали многочисленные примеры апробации, результаты экспериментов подтверждают указанный технический результат увеличения как количества тяжелых металлов, извлекаемых из загрязненных почв, так и их состава при высеве на них присущих данной местности дикорастущих видов растений, типичных для данного локального региона. Таким образом, растения, естественно произрастающие и доминирующие на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, обладают высоким потенциалом для их использования в целях фиторемедиационной очистки этих почв от загрязняющих металлов. Выбор растений для дальнейшего высева должен определяться на основании установления показателей аккумуляции тяжелых металлов в надземных частях растений и коэффициентов их переноса в системе «почва-корни-надземная часть растений» по максимальным значениям этих показателей.
Источники информации
1. Гришина А.В., Иванова В.Ф. Транслокация тяжелых металлов и приемы детоксикации почв (грунтов) // Агрохимический вестник. 1997. №3. С. 36-41.
2. Кирейчева Л.В., Глазунова И.В. Методы детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами // Почвоведение. 1995. №7. С. 892-896.
3. Орлов Д.С., Василевская В.Д. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв // Почвоведение. 1992. №6. С. 36-38.
4. Кандыба Е.В., Фатеева A.M. Биологические препараты и почвенное плодородие // Агрохимический вестник. 1997. №2. С. 7-9.
5. Цицишвили Г.В. Исследование природных цеолитов // Адсорбенты, их получение, свойства и применение. 1985. Л.: Наука. С. 121-125.
6. Графская Г.А., Величко В.А. Эффективность мелиорантов на загрязненных тяжелыми металлами почвах // Химия в сельском хозяйстве. 1998. №1. С. 37-38.
7. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. 1987. Л.: Химия. 141 с.
8. Salt D.E., Blaylock М., Kumar P.B.A.N., Dushenkov V., Ensley B.D., Chet L., Raskin I. Phytoremediation: A novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants// Biotechnology. 1995. V. 13, N 2. P. 468-474.
9. Pilon-Smits E. Phytoremediation// Annu. Rev. Plant Biol. 2005. V.56. P. 15-39.
10. Буравцев, Крылова, 2005. Современные технологические схемы фиторемедиации загрязненных почв //Сельскохозяйственная биология. 2005. N. 5. С. 67-74.
11. Галиулин Р.В., Галиулин Р.А. Особенности фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв // Агрохимия. 2010. N 11. С. 81-85.
12. Патент US 7049492 B1 «Thlaspi caerulescens subspecies for cadmium and zinc recovery)). Авторы- Yin-Ming Li, Rufus L. Chaney, Roger D. Reeves, J. Scott Angle, Alan J.M. Baker.
13. Патент US 5711784 «Method for phytomining of nickel, cobalt and other metals from soil». Авторы - Rufus L. Chaney, Jay Scott Angle, Alan J.M. Baker, Yin-Ming Li.
14. Патент CN 104174638 «Method for treating antimony, arsenic, lead and zinc-polluted soil or water body by using hyperaccumulator Arthraxon hispidus». Авторы - Yuan Yi Ning; Lu Ming.
15. Патент UA 76416 «Фiтopeмeдiaцiйний cnociб очищения грунтiв вiд важких металiв». Авторы - Корж О.П., Савченко И.Г., Гура Н.О.
16. Патент RU 2365078 С1 «Способ очистки почв от тяжелых металлов». Автор-Постников Д.А.
17. Патент CN 103480625 «Method for restoring Cd-polychlorinated dibenzofurans polluted soil by utilizing French marigold)). Авторы - Zhang Xingli, Zhou Qixing, Shi Honglei, Gao Yuanyuan/.
18. Патент CN 103191915 «Method for remediating soil polluted with cadmium-polychlorinated biphenyl compounds)). Авторы - Lin Maohong, Zhou Qixing, Su Hui, Zhou Ruiren, Gao Yuanyuan.
19. Патент CN 102886377 «New application of French marigold, Balsamine and Nephrolepis auriculata on repairing contaminated soil». Автор - Jing Yande.
20. Патент CN 101768603 «Cultivating method of transgenic petunia capable of removing environmental pollutants efficiently)). Авторы - Hu Jiangqin, Pang Jiliang, Wang Lilin, Xiang Taihe, Zhang Daoxiang.
21. Патент US 6576816 «Heavy metal phytoremediation». Авторы - Terry Norman, Pilon-Smits Elizabeth, Zhu Yong Liang.
22. Патент RU 2231944 C2 «Способ биологической очистки почв». Авторы - Лукаткин А.С., Башмаков Д.И.
23. Патент RU 2229203 «Фиторемедиационный способ очистки почв от тяжелых металлов». Авторы - Ревин В.В., Самкаева Л.Т., Кудряшова В.И. (прототип).