Очистка почвогрунта микроорганизмами от тяжелых металлов. Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов. При ненадлежащем лечении возможен летальный исход

УДК 546.621.631

СОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ПОЧВ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ1

А.И. Везенцев, М.А. Трубицын,

Л.Ф. Г олдовская-Перистая, Н.А. Воловичева

Белгородский государственный университет, 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85

[email protected]

Представлены результаты исследования способности глин Белгородской области поглощать ионы РЬ (II) и Си (II) из водной и буферной почвенных вытяжек. В ходе эксперимента установлено оптимальное соотношение глина: почва, при котором очистка почвы от тяжелых металлов наиболее эффективна.

Ключевые слова: глинистые сорбенты, почва, сорбционная активность, монтмориллонит, тяжелые металлы.

Промышленное использование тяжелых металлов весьма многообразно и распространено широко. Именно потому фитотоксичность и вредная аккумуляция в почвах, как правило, наблюдается вблизи предприятий. Тяжелые металлы накапливаются в верхних гумусовых горизонтах почвы и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Гумус и щелочная среда почвы способствуют поглощению тяжелых металлов. Токсичность таких тяжелых металлов, как медь, свинец, цинк, кадмий и др. для сельскохозяйственных культур в природных условиях выражается в понижении урожая коммерческих культур на полях .

Существует несколько методов рекультивации почв, зараженных тяжелыми металлами и другими поллютантами:

Удаление загрязненного слоя и его захоронение;

Инактивация или снижение токсического действия поллютантов с помощью ионообменных смол, органических веществ, образующих хелатные соединения;

Известкование, внесение органических удобрений, сорбирующих поллютанты и снижающих их поступление в растения.

Внесение минеральных удобрений (например фосфатных, снижает токсическое действие свинца, меди, цинка, кадмия);

Выращивание культур, устойчивых к загрязнению .

В настоящее время в мировой практике для экологического рафинирования плодородных почв все большее применение находят минеральные алюмосиликатные адсорбенты: различные глины, цеолиты, цеолитсодержащие породы и т.д., которые характеризуются высокой поглотительной способностью, устойчивостью к воздействиям окружающей среды и могут служить прекрасными носителями для закрепления на поверхности различных соединений при их модифицировании .

Материалы и методы исследования

Данная работа является продолжением ранее проведенных исследований глин Губкинского района Белгородской области, как потенциальных сорбентов для очистки плодородных почв от тяжелых металлов .

1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 06-03-96318.

В данной работе в качестве сорбентов использовали глины киевской свиты Сергиевского месторождения Губкинского района, различные по вещественному составу и свойствам: К-7-05 (средний слой) и К-7-05 ЮЗ (нижний слой). В качестве объектов очистки были использованы образцы почв К-8-05 и №129, отобранные на территории Губ-кинско-Старооскольского промышленного района. Предварительные исследования показали, что глины Сергиевского месторождения хорошо поглощают ионы меди и свинца из модельных водных растворов . Поэтому дальнейшие исследования были проведены с водной и буферной вытяжкой из почвы.

Водную вытяжку готовили по стандартной методике. Сущность метода заключается в извлечении водорастворимых солей из почвы дистиллированной водой при отношении почвы к воде 1: 5 . Концентрацию ионов металлов определяли фотоколори-метрическим методом на приборе КФК-3-01 по соответствующим методикам для каждого металла .

Буферную вытяжку из почвы готовили по стандартной методике Центрального института агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО) с помощью ацетатно-аммонийного буферного раствора с рН - 4,8. Этот экстрагент принят агрохимической службой для извлечения доступных растениям микроэлементов . Исходная концентрация подвижных, доступных растениям форм меди и свинца в буферной вытяжке была определена методом атомно-абсорбционной спектрометрии.

Сорбцию ионов меди и свинца проводили при постоянной температуре (20 °С), в статических условиях в течение 90 минут. Соотношение сорбент: сорбат составляло: 1: 250; 1: 50; 1: 25; 1: 8 и 1: 5.

Обсуждение результатов

Проведенное исследование водной вытяжки, которую готовили в течение 4-х часов, показало, что концентрация водорастворимых соединений меди незначительна и составляет 0,0625 мг/кг (в пересчете на ионы Си2). Водорастворимые соединения свинца не обнаружены.

Исходная концентрация ионов тяжелых металлов в буферных вытяжках из почв составила: для почвы К-8-05: Си2+ 2,20 мг/кг, РЬ2+ 1,20 мг/кг; для почвы № 129: Си2+ 4,20 мг/кг, РЬ2+ 8,30 мг/кг.

Результаты определения степени очистки почвы К-8-05 глинами К-7-05 (средний слой) и К-7-05 ЮЗ (нижний слой) представлены в таблице 1.

Таблица 1

Степень очистки буферной вытяжки из почвы К-8-05, масс, %

Соотношение сорбент: сорбат Глина К-7-05 (средний слой) Глина К-7-05 ЮЗ (нижний слой)

Си2+ РЬ2+ Си2+ РЬ2+

1: 250 45,5 33,3 54,5 33,3

1: 50 70,5 45,8 68,2 58,3

1: 25 72,3 58,3 79,5 58,3

1: 8 86,4 75,0 87,3 83,3

1: 5 95,5 83,3 95,5 83,3

Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что с увеличением соотношения сорбент: сорбат от 1: 250 до 1: 5 степень очистки буферной вытяжки от ионов меди глиной К-7-05 возрастает от 45,5 до 95,5 %, а от ионов свинца - от 33,3 до 83,3%.

Степень очистки буферной вытяжки глиной К-7-05 ЮЗ с таким же увеличением соотношения возрастала от 54,5 до 95,5 % (для Си2+) и от 33,3 до 83,3 % (для РЬ2+).

К сведению, исходная концентрация ионов меди была больше, чем ионов свинца. Следовательно, очистка буферной вытяжки от ионов меди указанными глинами более эффективна, чем от ионов свинца.

Таблица 2

Степень очистки буферной вытяжки из почвы №129 глиной К-7-05 (средний слой), масс. %

Соотношение сорбент: сорбат Си2+ +

1: 250 39,3 66,7

Примечание: с глиной К-7-05 ЮЗ опыт не был сделан, по причине отсутствия достаточного количества образца.

Результаты, представленные в таблице 2, показывают, что степень очистки буферной вытяжки из почвы №129 глиной К-7-05 с возрастанием соотношения сорбент: сорбат от 1: 250 до 1: 5 увеличивается от 39,3 до 93, 0 % (для ионов меди) и от 66,7 до 94,0 % (для ионов свинца).

Следует обратить внимание, что в этой почве исходная концентрация ионов меди была меньше, чем ионов свинца. Поэтому можно считать, что эффективность очистки от ионов меди данной почвы не хуже, чем почвы К-8-05.

Для уточнения механизма сорбции тяжелых металлов нами была проведена оценка состава и состояния ионообменного комплекса глинистых пород Белгородской области. Установлено, что катионо-обменная емкость изученных образцов варьирует в пределах от 47,62 до 74,51 мэкв/100 г глины.

Проведено комплексное исследование кислотно-основных свойств глин. Определение активной кислотности подтвердило, что все глины имеют щелочной характер. В тоже время рН солевой вытяжки этих же образцов находится в пределах 7,2-7,7, что указывает на обладание этими глинами определенной долей обменной кислотности. Количественно эта величина равна 0,13-0,22 ммоль-экв/100 г глины и обусловлена незначительным содержанием достаточно подвижных обменных протонов. Величина суммы обменных оснований колеблется в достаточно широких пределах 19,6 - 58,6 ммоль-экв/100 г глины. С учетом полученных данных сформулирована гипотеза, что сорбционная способность изученных образцов глин в отношении тяжелых металлов в значительной степени определяется процессами ионного обмена.

Из проведенной работы можно сделать следующие выводы.

С возрастанием соотношения сорбент: сорбат от 1: 250 до 1: 5 степень очистки почв увеличивается: от 40 до 95% (по ионам меди) и от 33 до 94 % (по ионам свинца) при использовании глины Сергиевского месторождения (К-7-05) в качестве сорбента.

Исследованные глины являются более эффективным сорбентом по отношению к ионам меди, чем к ионам свинца.

Установлено, что оптимальное соотношение глина: почва составляет 1: 5. При таком соотношении степень очистки почвы составляет:

Для ионов меди порядка 95 % (мас.)

Для ионов свинца порядка 83,% (мас.)

Список литературы

1. Бингам Ф.Т., Коста М., Эйхенбергер Э. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. - М.:Мир, 1993. - 368 с.

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

3. Алексеев Ю.В., Лепкович И.П. Кадмий и цинк в растениях луговых фитоценозов // Агрохимия.- 2003.- № 9. - С. 66 - 69.

4. Dayan U., Manusov N., Manusov E., Figovsky O. On lack of interdependency between the abiotic and antropeic factors/// International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE, 2006.-№ 3(35). - P. 34 - 40.

5. Везенцев А.И., Голдовская Л.Ф., Сиднина Н.А., Добродомова Е.В. Зеленцова Е.С. Определение кинетических зависимостей сорбции ионов меди и свинца породами Белгородской области // Научные ведомости БелГУ. Серия Естественные науки.- 2006.-№3 (30), вып.2. - С.85-88

6. Голдовская-Перистая Л.Ф., Везенцев А.И., Сиднина Н.А., Зеленцова Е.С. Исследование валового содержания и содержания подвижных форм кадмия в почвах Губ-кинско-Старооскольского промышленного района // Научные ведомости БелГУ. Серия «Естественные науки».- 2006.-№ 3(23), вып.4. - С.65-68.

7. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства.- М.:ЦИНАО, 1992.-61с.

8. Г осударственный контроль качества вод. - М.: ИПК. Изд-во стандартов, 2001. - 690 с.

SORPTION PURIFICATION OF SOILS FROM HEAVY METALS A.I. Vesentsev, M.A. Troubitsin, L.F. Goldovskaya-Peristaya, N.A. Volovicheva

Belgorod State University, 85 Pobeda Str., Belgorod, 308015 vesentsev@bsu. edu. ru

Results of research of ability of clays of the Belgorod region to absorb ions Pb (II) and Cu (II) from water and buffer soil extracts are presented. During experiment of the optimum ratio clay: ground with most effective purification from heavy metals is established.

Key words: clay sorbents, soil, sorption activity, montmorillonite, heavy metals.

При загрязнении почв и растительности тяжелыми металлами используют такие приемы :

1) Ограничение поступления тяжелых металлов в почву . При планировании применения удобрений, мелиорантов, пестицидов, осадков сточных вод необходимо учитывать содержание в них тяжелых металлов и буферную емкость используемых почв. Ограничение доз, обусловленное экологическими требованиями, является необходимым условием экологизации земледелия.

Поступление тяжелых металлов в растения может быть уменьшено за счет изменения питательного режима, при создании конкуренции за поступление в корни токсикантов и катионов удобрений, при осаждении тяжелых металлов в корне в виде труднорастворимых осадков.

2) Удаление тяжелых металлов за пределы корнеобитаемого слоя достигается следующими приемами:

Удалением загрязненного слоя почвы;

Засыпкой загрязненного слоя чистой землей;

Выращиванием культур, поглощающих ТМ и удалением с поля их растительной массы;

Промывкой почв водой и водорастворимыми (чаще органическими) соединениями, образующими с тяжелыми металлами водорастворимые комплексные соединения, в качестве органических лигандов используют продукты из отходов с/х производства;

Промывкой почв раствором для выщелачивания ТМ из верхних горизонтов на глубину 70-100 см и затем осаждения их на этой глубине, в виде трудно растворимых осадков (за счет последующей промывки почв реагентами, содержащими анионы, образующие с тяжелыми металлами осадки).

3) Связывание ТМ в почве в малодиссоциируемые соединения . Уменьшение поступления тяжелых металлов в растения может быть достигнуто их осаждением в почве в виде осадков карбонатов, фосфатов, сульфидов, гидроокисей; с образованием малодиссоциирующих комплексных соединений с большой молекулярной массой. Наилучшим способом, обеспечивающим существенное снижение содержания тяжелых металлов в растениях, является совместное внесение навоза и извести. Наиболее эффективными мероприятиями, приводящими к снижению подвижности свинца в почвах, является глинование (внесение цеолита) и совместное внесение извести и органических удобрений. Применение полного комплекса химических мелиорантов (органических и минеральных удобрений, извести и органики) на 10-20% снижает в почве содержание поливалентных металлов.

4) Адаптивно-ландшафтные системы земледелия, как фактор оптимизации экологической обстановки при загрязнении почв ТМ.

Различные виды и сорта культур накапливают в растительной продукции неодинаковое количество ТМ. Это обусловлено селективностью к ним корневых систем отдельных растений и особенностью их процессов метаболизма. ТМ в большей степени накапливаются в корнях, меньше в вегетативной массе и генеративных органах. При этом отдельные группы культур селективно накапливают и определенные токсиканты. Подбор культур для выращивания на почвах определенной степени и характера загрязнения является наиболее простым, дешевым и достаточно эффективным способом оптимизации использования загрязненных почв.

Фиторемедиация

Микроорганизмы не способны удалять из почвы и воды вредные для здоровья людей тяжелые металлы (мышьяк, кадмий, медь, ртуть, селен, свинец, а также радиоактивные изотопы стронция, цезия, урана и другие радионуклиды. Растения способны извлекать из окружающей среды и концентрировать в своих тканях различные элементы. Растительную массу не составляет особого труда собрать и сжечь, а образовавшийся пепел или захоронить, или использовать как вторичное сырье.

Метод очистки окружающей среды с помощью растений был назван фиторемедиацией – от греческого "фитон" (растение) и латинского "ремедиум" (восстанавливать).

Фиторемедиация - комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений.

История

Первые простейшие методы очистки сточных вод - поля орошения и поля фильтрации - были основаны на использовании растений.

Первые научные исследования были проведены в 50-х годах в Израиле, однако активное развитие методики произошло только в 80-х годах XX века.

Растение воздействует на окружающую среду разными способами, основные из них:

· ризофильтрация - корни всасывают воду и химические элементы необходимые для жизнедеятельности растений;

· фитоэкстракция - накопление в организме растения опасных загрязнений (например, тяжёлых металлов );

· фитоволатилизация - испарение воды и летучих химических элементов (As, Se) листьями растений;

· фитотрансформация:

1. фитостабилизация - перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму (снижает риск распространения загрязнений);

2. фитодеградация - деградация растениями и симбиотическими микроорганизмами органической части загрязнений;

· фитостимуляция - стимуляция развития симбиотических микроорганизмов, принимающих участие в процессе очистки. Главную роль в деградации загрязнений играют микроорганизмы. Растение является своего рода биофильтром, создавая для них среду обитания (обеспечение доступа кислорода, разрыхление грунта. В связи с этим, процесс очистки происходит также вне периода вегетации (в нелетний период) с несколько сниженной активностью.

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 78, № 3, с. 247-249

ИЗ РАБОЧЕЙ ТЕТРАДИ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ

Статья посвящена описанию простого в исполнении и щадящего почву способа её очистки от тяжёлых металлов - фитоэкстракции, заключающейся в посеве и выращивании в течение определённого периода времени специально подобранных видов сельскохозяйственных растений на загрязнённых участках для извлечения из почвы металлов корневой системой и накопления их в надземной биомассе.

Р. В. Галиулин, Р. А. Галиулина

Тяжёлые металлы представляют собой большую группу химических элементов с атомной массой более 50 у.е. В почву они попадают различными путями: в составе газопылевых выбросов, атмосферных осадков, поливных вод, загрязнённых промышленными стоками и т.д. Человек может получить "свою долю" тяжёлых металлов не только напрямую с вдыхаемым воздухом и почвенной пылью, но и через продукты питания, производимые на загрязнённых сельскохозяйственных угодьях. Пагубное влияние тяжёлых металлов на человека состоит в том, что ряд их соединений характеризуется высокой токсичностью и канцерогенностью. Особенно опасны выбросы металлургических производств, вызывающие повышение заболеваемости и смертности от злокачественных новообразований, среди которых первое место занимает рак лёгких . В этой связи проблема очистки почв от тяжёлых металлов становится актуальной для территорий так называемых экологически неблагополучных регионов, к числу которых можно отнести Челя-

Авторы работают в Институте фундаментальных проблем биологии РАН. ГАЛИУЛИН Рауф Валиевич -доктор географических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории функциональной экологии. ГА-ЛИУЛИНА Роза Адхамовна - научный сотрудник той же лаборатории.

бинскую область. Этот регион занимает одно из ведущих мест в стране по концентрации промышленного производства. Загрязнение воздушного бассейна и территорий вокруг предприятий чёрной металлургии достигает десятков километров . По данным космических съёмок, техногенное загрязнение земель области тяжёлыми металлами охватывает 29.5 тыс. км2 при её общей площади 87.9 тыс. км2.

Между тем известны различные способы очистки почв от тяжёлых металлов, среди которых особый интерес вызывает фитоэкстракция . Она заключается в посеве и выращивании в течение определённого периода времени на загрязнённых участках специально подобранных видов сельскохозяйственных растений для извлечения из почвы тяжёлых металлов корневой системой и накопления их в надземной биомассе, в последующем утилизируемой. При этом коэффициент накопления металлов в растениях повышают благодаря внесению в почву эффекторов фитоэкстракции. Данная технология считается простой в исполнении, щадящей почву и экономически целесообразной по сравнению с механическими и физико-химическими подходами. Так, механические способы связаны со срезанием наиболее загрязнённого поверхностного слоя и его размещением на свалках (секвестрирование), или перемешиванием с менее загрязнёнными глубже лежащими слоями почвы посредством плантажной вспашки (разбавление), или покрытием его "привозной" чистой почвой (землевание). Физико-химические методы очистки основаны на промывке почвы специальными реагентами для извлечения из неё тяжёлых металлов (хемоэкстракция) или её очистки посредством воздействия на загрязнённый слой постоянного электрического тока через электроды (электрокинетическая ремедиация).

Как показывают наблюдения, для фитоэкстракции лучше использовать специально подобранные виды сельскохозяйственных растений, чем растения-гипераккумуляторы из числа диких

ГАЛИУЛИН, ГАЛИУЛИНА

видов, таких как ярутка синеватая (Thlaspi caer-ulescens), бурачок стенный (Alyssum murale), резуха Галлера (Cardaminopsis halleri) и др. Они хотя и накапливают в десятки раз больше металлов, чем другие растения, но отличаются низкой скоростью роста и небольшой надземной биомассой. Между тем фитоэкстракция, как и любой другой подход к очистке почвы, имеет ряд своих особенностей.

Содержание тяжёлых металлов в почве загрязнённого участка должно быть приемлемым для растений, то есть не вызывать у всходов выраженных фитотоксических симптомов (обесцвечивание, пигментация и пожелтение листьев, задержка роста и др.), что будет характеризовать их толерантность к тяжёлым металлам и одновременно способность поглощать последние корневой системой и перемещать в надземную биомассу за счёт потока, создаваемого испарением воды листовой поверхностью растений.

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, удобными для уборки и непривлекательными для домашних и диких животных, чтобы не вызывать случаи отравления насыщенной тяжёлыми металлами надземной биомассой.

Для повышения накопления в растениях тяжёлых металлов необходимо применять так называемые эффекторы фитоэкстракции в виде комплек-сонов из числа полиаминополиуксусных кислот, таких как этилендиаминтетрауксусная (ЭДТА), дигидроксиэтилэтилендиаминдиуксусная (Д ДД А), диэтилентриаминпентауксусная (ДТПА), этилен-бис(оксиэтил ентриамин)тетрауксусная (ЭТТА), этилендиаминдигидроксифенилуксусная (Э ДФ А), циклогексан-транс -1,2-диаминтетрауксусная (ЦДТА) и др. Эти вещества способны образовывать прочные водорастворимые внутрикомплекс-ные соединения со многими металлами, повышать растворимость, подвижность металлов в почве, а следовательно, их поглощение корневой системой и накопление в надземной биомассе. Обычно эффекторы фитоэкстракции в виде водных растворов их солей вносят под растения в фазу достижения ими максимальной надземной биомассы. Данный приём позволяет производить кратный посев и возделывание растений в течение одного вегетационного сезона, а значит, сократить время очистки почв от тяжёлых металлов. Необходимо также отметить, что при внесении эффекторов фитоэкстракции в почву надо избегать дождливых дней для уменьшения риска загрязнения грунтовых вод тяжёлыми металлами вследствие

возрастания их содержания в почвенном растворе и миграции по почвенному профилю.

Очистку почвы от тяжёлых металлов необходимо проводить вплоть до достижения соответствующих санитарно-гигиенических нормативов, то есть предельно допустимых концентраций (ПДК) или ориентировочно допустимых концентраций (ОДК). При этом экономически целесообразным для фитоэкстракции считается период продолжительностью 5-10 лет. Завершающим этапом фитоэкстракции является жатва, сбор и утилизация загрязнённой тяжёлыми металлами надземной биомассы растений, так как уборка всей корневой биомассы, первоначально насыщаемой тяжёлыми металлами, практически невозможна. Надземная биомасса растений в дальнейшем может быть использована для извлечения из неё цветных металлов путем её предварительного высушивания, озоления и последующей специальной обработки.

О перспективности приведённого выше способа очистки почв от тяжёлых металлов свидетельствуют результаты вегетационного опыта с горчицей сизой, или сарептской (Brassica juncea), и выщелоченным чернозёмом из сельскохозяйственного угодья в окрестностях Челябинска. Данный вид горчицы широко используется в практике очистки почв от тяжёлых металлов. В опыте моделировалась ситуация, связанная с накоплением меди и никеля в течение нескольких лет в почве участка, находящегося в зоне влияния предприятий металлургии и энергетики Челябинска. Выбор этих металлов для опыта не случаен, так как медь и никель наряду с хромом, цинком, свинцом и кадмием относятся к основным загрязнителям почв в мире. Почву обрабатывали водными растворами солей меди и никеля в количествах по 100 мг/кг, затем производили посев семян горчицы и наблюдали за ростом и развитием растений в течение нескольких недель. По достижении горчицей максимальной надземной биомассы под растения вносили наиболее часто применяемый на практике эффектор фитоэкстракции ЭДТА в виде водного раствора её натриевой соли в дозах от 1 до 10 ммоль/кг. Спустя неделю надземную биомассу горчицы срезали, высушивали, анализировали содержание меди и никеля в ней. Как оказалось, с увеличением дозы ЭДТА коэффициенты накопления тяжёлых металлов, то есть отношения содержания металлов в растении и почве (потенциал очистки почвы) возрастали относительно контроля (без внесения ЭДТА) для меди в 2.8-43.6 раза, для никеля - 1.8-25.3 раза (табл. 1).

Расчёты, проведённые с использованием экспоненциальной зависимости, показали, что кратность посева и выращивания горчицы с применением эффектора фитоэкстракции значительно сокращает время очистки почвы от тяжёлых ме-

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 78 < 3 2008

ОЧИСТКА ПОЧВ ОТ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ПОМОЩЬЮ РАСТЕНИЙ

Таблица 1. Значения коэффициентов накопления меди и никеля для горчицы сизой (отношения содержания металлов в растении и почве) в зависимости от доз ЭДТА, внесённых в почву

Cu и Ni, по 100 мг/кг 0.09 0.21

То же + ЭДТА, 1 ммоль/кг 0.25 0.37

» , 5 ммоль/кг 1.20 2.51

» , 10 ммоль/кг 3.92 5.32

Коэффициент накопления

Таблица 2. Время достижения исходной фоновой концентрации меди (31.6 мг/кг) и никеля (63.5 мг/кг) в почве при кратном посеве и выращивании горчицы сизой в течение одного вегетационного сезона и внесении ЭДТА

Вариант однократный двукратный

Cu и Ni, по 100 мг/кг 14.9 22.5 7.4 11.3

То же + ЭДТА, 1 ммоль/кг 7.4 8.8 3.7 4.4

» , 5 ммоль/кг 6.6 7.9 3.3 3.9

» , 10 ммоль/кг 5.8 6.9 2.9 3.4

В заключение хотелось бы отметить, что насущной задачей сегодняшнего дня является реализация данного способа для планомерного возвращения дефицитных пахотных земель в севообороты после их очистки с помощью растений на территориях экологически неблагополучных регионов. Без сомнения, крупномасштабное осуществление фитоэкстракции, как и любого другого способа очистки почв, имеет смысл при условии прекращения массированного техногенного загрязнения земель тяжё

ГАЛИУЛИН Р.В., ГАЛИУЛИНА Р.А. - 2012 г.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ очистки почв от тяжелых металлов включает выращивания растений фитомелиорантов на загрязненных почвах с последующим их удалением. В качестве растения - фитомелиоранта используют сафлор. Семена сафлора высевают в загрязненную почву из расчета 20-22 кг/га, доводят взрослые растения до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, после чего фитомелиорант полностью удаляют из почвы. Обеспечивается полное поглощение ионов тяжелых металлов. 3 табл.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при проведении специальных мероприятиях по снижению содержания в загрязненных почвенных ценозах токсичных концентраций тяжелых металлов с целью восстановления или улучшения агрохимических показателей, необходимых для получения экологически безопасной продукции.

В настоящее время отечественными и зарубежными исследователями ведется поиск растений - гипераккумулянтов, свойства которых позволяют эффективно извлекать тяжелые металлы из загрязненной почвы .

В литературных источниках сообщается, что рекультивация грунтов или очистка их от загрязнений с помощью растений является сравнительно новым методом (десять лет), экологическим и прогрессивным. Он позволяет исключить или ограничить перенос тяжелых металлов по цепочке от человека к грунтам и грунтовым водам без ущерба для окружающей среды .

В аналоговых работах авторами показано, что в целях фиторемедиации загрязненных почв (очистка при помощи растений) используют следующие растения - аккумулянты: ракитник, редька масличная, амарант и даже дикорастущие растения .

Наиболее близким аналогом к изобретению по совокупности основных существенных признаков является способ очистки почв от тяжелых металлов путем выращивания растений - фитомелирантов на загрязненных почвах с последующим их полным удалением из почвы (см. RU 2282508 , Кл. A01B 79/02, 27.0.2006).

К недостаткам аналоговой работы следует отнести изучение только одного загрязнителя - цезия, не указан коэффициент биологического накопления загрязнителя по используемым культурам, нет четкого понятия о сроке уборки, поскольку использовались культуры разных групп технологических требований и биологии развития.

Задачей изобретения является улучшение экологического состояния естественных и культурных биогеоценозов за счет снижения содержания токсичных концентраций тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почв.

Технический результат - более полное поглощение ионов тяжелых металлов (свинец, кадмий и медь) из почвенного раствора при создании оптимального покрытия растениями сафлора загрязненной площади.

По сущности поставленная задача достигается тем, что на загрязненных почвах возделывают сафлор, семена высевают из расчета 60-80 растений на м 2 (20-22 кг/га) с последующим доведением и полным удалением растений до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев.

Предлагаемая норма высева обеспечивает полный охват корневой системой растения по объему загрязненной почвы. При меньшей норме высева охват не полный, а при большей норме снижается резко продуктивность надземной массы и, как следствие, общий вынос тяжелых металлов растениями сафлора.

Пример конкретного выполнения

Опыты проводились на территории очистных сооружений г.Истры.

Проводили весенний посев растений вручную с последующей заделкой граблями.

Пробы почв отбирали до посева и сразу после уборки сафлора.

Уборку проводили, доведя развитие растений до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев.

Полученные результаты в ходе выполнения эксперимента в полевых условиях убедительно доказывают, что сафлор может быть отнесен к растениям - гипераккумулянтам тяжелых металлов.

Интересно отметить, что, как правило, при выращивании на загрязненных почвах, даже у гипераккумулянтов, содержание таких металлов, как свинец, кадмий и медь в растительных образцах по надземной части не превышает 1,2; 0,5-1 и 10-12 мг/кг сухой массы соответственно (табл.1).

На основании представленных результатов и данных по содержанию тяжелых металлов (подвижная форма) в почве произведен расчет коэффициента биологического накопления (поглощения) (табл.2).

Как известно, если у растений даже по надземной массе коэффициент биологического накопления токсикантов больше единицы, то данный вид может быть отнесен к гипераккумулянтам, в рассматриваемом примере высокий КБН TA достигнут и по корневой части опытных растений.

Анализ биопродуктивности растений в фазу цветения не выявил проявления токсичного влияния загрязненной почвы на рост и развитие сафлора - средняя сухая масса стеблей составила 557 г, корней - 143 г см 2 соответственно. Посев семян проводится вручную из расчета 60-80 растений на 1 кв. м.

При загущенном посеве, свыше 80 раст./м 2 , отмечали снижение продуктивности надземной массы в среднем на 16%, растения отставали в росте, корневая система сафлора имела меньшую массу, видимо при уплотнении посевов у растений сафлора проявляется аллелопатия - взаимное угнетение роста и развития.

Результаты испытании сафлора при использовании в качестве фитомелиоранта убедительно доказывают высокую эффективность аккумулирующей способности растений для снижения содержания тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почвы.

Способ очистки включает следующие мероприятия:

Подготовка почвы к посеву;

Посев фитомелиоранта из расчета 60-80 раст./м 2 (20-22 кг/га), глубина заделки семян 4-5 см;

Доводят развитие растений сафлора до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, затем полностью удаляют их из загрязненной почвы.

Предлагаемый способ позволяет существенно повысить эффективность фитосанации, и при установлении авторского права дает основание для разработки ТУ различных схем фитореабилитации загрязненных территорий.

Источники информации

1. Баран С., Кжывы Е. Фиторемедиация почв, загрязненных свинцом и кадмием, при помощи ракитника / Влияние природных и антропогенных факторов на социоэкосистемы, 2003. № 2. - С.39-44.

3. Жадько С.В., Дайнеко Н.М. Накопление тяжелых металлов древесными породами улиц г.Гомеля. // Изв. Гомел. гос.ун-та, 2003. № 5. - С.77-80.

4. Кудряшова В.И. Аккумуляция ТМ дикорастущими растениями. - Саранск - 2003 г. - С.10, 18, 50, 78.

5. Rakotosson Voahirana. Les metaux lourds et la phytorenediation: l"etat de l"art. // Eau, ind., nuisances. 2003. № 260. - C.45-48.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ очистки почв от тяжелых металлов путем выращивания растений - фитомелиорантов на загрязненных почвах с последующим их удалением, причем в качестве растения - фитомелиоранта используют сафлор, семена сафлора высевают в загрязненную почву из расчета 20-22 кг/га, доводят взрослые растения до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, после чего фитомелиорант полностью удаляют из почвы.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ очистки почв от тяжелых металлов включает выращивания растений фитомелиорантов на загрязненных почвах с последующим их удалением. В качестве растения - фитомелиоранта используют сафлор. Семена сафлора высевают в загрязненную почву из расчета 20-22 кг/га, доводят взрослые растения до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, после чего фитомелиорант полностью удаляют из почвы. Обеспечивается полное поглощение ионов тяжелых металлов. 3 табл.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при проведении специальных мероприятиях по снижению содержания в загрязненных почвенных ценозах токсичных концентраций тяжелых металлов с целью восстановления или улучшения агрохимических показателей, необходимых для получения экологически безопасной продукции.

В настоящее время отечественными и зарубежными исследователями ведется поиск растений - гипераккумулянтов, свойства которых позволяют эффективно извлекать тяжелые металлы из загрязненной почвы .

В литературных источниках сообщается, что рекультивация грунтов или очистка их от загрязнений с помощью растений является сравнительно новым методом (десять лет), экологическим и прогрессивным. Он позволяет исключить или ограничить перенос тяжелых металлов по цепочке от человека к грунтам и грунтовым водам без ущерба для окружающей среды .

В аналоговых работах авторами показано, что в целях фиторемедиации загрязненных почв (очистка при помощи растений) используют следующие растения - аккумулянты: ракитник, редька масличная, амарант и даже дикорастущие растения .

Наиболее близким аналогом к изобретению по совокупности основных существенных признаков является способ очистки почв от тяжелых металлов путем выращивания растений - фитомелирантов на загрязненных почвах с последующим их полным удалением из почвы (см. RU 2282508, Кл. A01B 79/02, 27.0.2006).

К недостаткам аналоговой работы следует отнести изучение только одного загрязнителя - цезия, не указан коэффициент биологического накопления загрязнителя по используемым культурам, нет четкого понятия о сроке уборки, поскольку использовались культуры разных групп технологических требований и биологии развития.

Задачей изобретения является улучшение экологического состояния естественных и культурных биогеоценозов за счет снижения содержания токсичных концентраций тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почв.

Технический результат - более полное поглощение ионов тяжелых металлов (свинец, кадмий и медь) из почвенного раствора при создании оптимального покрытия растениями сафлора загрязненной площади.

По сущности поставленная задача достигается тем, что на загрязненных почвах возделывают сафлор, семена высевают из расчета 60-80 растений на м 2 (20-22 кг/га) с последующим доведением и полным удалением растений до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев.

Предлагаемая норма высева обеспечивает полный охват корневой системой растения по объему загрязненной почвы. При меньшей норме высева охват не полный, а при большей норме снижается резко продуктивность надземной массы и, как следствие, общий вынос тяжелых металлов растениями сафлора.

Пример конкретного выполнения

Опыты проводились на территории очистных сооружений г.Истры.

Проводили весенний посев растений вручную с последующей заделкой граблями.

Пробы почв отбирали до посева и сразу после уборки сафлора.

Уборку проводили, доведя развитие растений до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев.

Полученные результаты в ходе выполнения эксперимента в полевых условиях убедительно доказывают, что сафлор может быть отнесен к растениям - гипераккумулянтам тяжелых металлов.

Интересно отметить, что, как правило, при выращивании на загрязненных почвах, даже у гипераккумулянтов, содержание таких металлов, как свинец, кадмий и медь в растительных образцах по надземной части не превышает 1,2; 0,5-1 и 10-12 мг/кг сухой массы соответственно (табл.1).

На основании представленных результатов и данных по содержанию тяжелых металлов (подвижная форма) в почве произведен расчет коэффициента биологического накопления (поглощения) (табл.2).

Как известно, если у растений даже по надземной массе коэффициент биологического накопления токсикантов больше единицы, то данный вид может быть отнесен к гипераккумулянтам, в рассматриваемом примере высокий КБН TA достигнут и по корневой части опытных растений.

Анализ биопродуктивности растений в фазу цветения не выявил проявления токсичного влияния загрязненной почвы на рост и развитие сафлора - средняя сухая масса стеблей составила 557 г, корней - 143 г см 2 соответственно. Посев семян проводится вручную из расчета 60-80 растений на 1 кв. м.

При загущенном посеве, свыше 80 раст./м 2 , отмечали снижение продуктивности надземной массы в среднем на 16%, растения отставали в росте, корневая система сафлора имела меньшую массу, видимо при уплотнении посевов у растений сафлора проявляется аллелопатия - взаимное угнетение роста и развития.

Результаты испытании сафлора при использовании в качестве фитомелиоранта убедительно доказывают высокую эффективность аккумулирующей способности растений для снижения содержания тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почвы.

Способ очистки включает следующие мероприятия:

Подготовка почвы к посеву;

Посев фитомелиоранта из расчета 60-80 раст./м 2 (20-22 кг/га), глубина заделки семян 4-5 см;

Доводят развитие растений сафлора до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, затем полностью удаляют их из загрязненной почвы.

Предлагаемый способ позволяет существенно повысить эффективность фитосанации, и при установлении авторского права дает основание для разработки ТУ различных схем фитореабилитации загрязненных территорий.

Источники информации

1. Баран С., Кжывы Е. Фиторемедиация почв, загрязненных свинцом и кадмием, при помощи ракитника / Влияние природных и антропогенных факторов на социоэкосистемы, 2003. №2. - С.39-44.

3. Жадько С.В., Дайнеко Н.М. Накопление тяжелых металлов древесными породами улиц г.Гомеля. // Изв. Гомел. гос.ун-та, 2003. №5. - С.77-80.

4. Кудряшова В.И. Аккумуляция ТМ дикорастущими растениями. - Саранск - 2003 г. - С.10, 18, 50, 78.

5. Rakotosson Voahirana. Les metaux lourds et la phytorenediation: l"etat de l"art. // Eau, ind., nuisances. 2003. №260. - C.45-48.

Способ очистки почв от тяжелых металлов путем выращивания растений - фитомелиорантов на загрязненных почвах с последующим их удалением, причем в качестве растения - фитомелиоранта используют сафлор, семена сафлора высевают в загрязненную почву из расчета 20-22 кг/га, доводят взрослые растения до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, после чего фитомелиорант полностью удаляют из почвы.