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.

Химический состав почв различных территорий неоднороден и распространение содержащихся в почвах химических элементов по территории неравномерное. Так, например, находясь преимущественно в рассеянном состоянии, тяжелые металлы способны образовывать локальные связи, где их концентрации во многие сотни и тысячи раз превышают кларковые уровни.

Ряд химических элементов необходим для нормального функционирования организма. Их недостаток, избыток или дисбаланс может вызывать болезни, называемые микроэлементозами 1 , или биогеохимическими эндемиями, которые могут быть как природными так и техногенными. В их распротранении важная роль принадлежит воде, а также пищевым продуктам, в которые химические элементы попадают из почвы по пищевым цепочкам.

Опытным путем установлено, что на процентное содержание ТМ в растениях влияет процентное содержание ТМ в почве, атмосфере, воде (в случае водорослей). Также было замечено, что на почвах с одним и тем же содержанием тяжелых металлов одна и таже культура дает разный урожай, хотя и климатические условия тоже совпадали. Тогда была обнаружена зависимость урожайности от кислотности почв.

Наиболее изученными представляются загрязнения почв кадмием, ртутью, свинцом, мышьяком, медью, цинком и марганцем. Рассмотрим загрязнение почв этими металлами отдельно для каждого. 2

Кадмий (Cd)

Содержание кадмия в земной коре составляет примерно 0.15 мг/кг. Кадмий концентрируется в вулканических (в кол-ве от 0.001 до 1.8 мг/кг), метаморфических (в кол-ве от 0.04 до 1.0 мг/кг) и осадочных породах (в кол-ве от 0.1 до 11.0 мг/кг). Почвы, сформированные на основе таких исходных материалов, содержат 0.1‑0.3; 0.1 - 1.0 и 3.0 - 11.0 мг/кг кадмия соответственно.

В кислых почвах кадмий присутствует в форме Cd 2+ , CdCl + , CdSO 4 , а в известковых почвах - в форме Cd 2+ , CdCl + , CdSO 4 , CdHCO 3 + .

Поглощение кадмия растениями существенно падает при известковании кислых почв. В этом случае увеличение pH снижает растворимость кадмия в почвенной влаге, равно как и биодоступность почвенного кадмия. Так содержание кадмия в свекольных листьях на известковых почвах было меньше содержания кадмия в таких же растениях на неизвесткованных почвах. Сходный эффект быд показан для риса и пшеницы -->.

Отрицательное влияние увеличения pH на кадмиевую доступность связано с понижением не только растворимости кадмия в фазе почвенного раствора, но и корневой активности, влияющей на абсорбцию.

Кадмий довольно мало подвижен в почвах, и, если добавлять кадмий‑содержащий материал на ее поверхность, основное его количество остается нетронутым.

Методы для удаления загрязнений из почвы включают либо удаление самого загрязненного слоя, либо удаление кадмия из слоя, либо покрытие загрязненного слоя. Кадмий может быть превращен в комплексные нерастворимые соединения доступными хелатообразующими агентами (например, этилендиаминтетрауксусной кислотой). .

Из-за относительно быстрого поглощения кадмия из почвы растениями и низкого токсического действия обычно встречающихся его концентраций, кадмий может накапливаться в растениях и поступать в звенья пищевой цепи быстрее чем свинец и цинк. Поэтому наибольшую опасность для здоровья человека при внесении в почву отходов представляет кадмий.

Процедура для минимизации количества кадмия, способного входить в пищевую цепь человека из загрязненных почв, - это выращивание на данной почве растений, не используемых в пищу или таких культур, которые абсорбируют малые количества кадмия.

В целом культуры на кислых почвах абсорбируют больше кадмия, чем таковые на нейтральных или щелочных почвах. Поэтому известкование кислых почв - это эффективное средство снижения количества абсорбированного кадмия.

Ртуть (Hg)

Ртуть находится в природе в виде паров металла Hg 0 , образующихся при ее испарении из земной коры; в виде неорганических солей Hg(I) и Hg(II), и в виде органического соединения метилртути СН 3 Hg + , монометил- и диметил производных СН 3 Hg + и (CH 3) 2 Hg.

Ртуть накапливается в верхнем горизонте (0-40 см) почвы и слабо мигрирут в более глубокие ее слои. Соединения ртути относятся к высокостабильным веществам почвы. Растения, произрастающие на загрязненной ртутью почве, усваивают значительное количество элемента и накапливают его в опасных концентрациях, либо не произрастают.

Свинец (Pb)

По данным опытов, проводимых в условиях песчаной культуры с внесением пороговых для почв концентраций Hg (25 мг/кг) и Pb (25 мг/кг) и превышающие пороговые в 2-20 раз, растения овса до определенного уровня загрязнения растут и развиваются нормально. По мере увеличения концентрации металлов (для Pb начиная с дозы 100 мг/кг) изменяется внешний вид растений. При экстремальных дозах металлов растения погибают через три недели с начала опытов. Содержание металлов в компонентах биомассы в порядке убывания распределено следующим образом: корни - надземная часть - зерно.

Суммарное поступление свинца в атмосферу (а следовательно частично и на почву) от автотранспорта на территории России в 1996 году оценивалось примерно в 4.0 тыс. т, в том числе 2.16 тыс. т. вносил грузовой транспорт. Максимальная нагрузка по свинцу приходилась на Московскую и Самарскую области, за которыми следуют Калужская, Нижегородская, Владимирская области и другие субъекты Российской Федерации, расположенные в центральной части Европейской территории России и Северного Кавказа. Наибольшие абсолютные выбросы свинца отмечались в Уральском (685 т), Поволжском (651 т) и Западно-Сибирском (568 т) регионах. А наиболее неблагоприятное воздействие выбросов свинца отмечалось в Татарстане, Краснодарском и Ставропольском краях, Ростовской, Московской, Ленинградской, Нижегородской, Волгоградской, Воронежской, Саратовской и Самарской областях (газета “Зеленый мир”, специальный выпуск №28, 1997 г.).

Мышьяк (As)

Мышьяк находится в окружающей среде в виде разнообразных химически устойчивых форм. Его два главных состояния окисления: As (III), и As (V). В природе распространен пятивалентный мышьяк в виде разнообразных неорганических соединений, хотя и трехвалентный мышьяк легко обнаруживается в воде, особенно в анаэробных условиях.

Медь (Cu)

Природные медные минералы в почвах включают сульфаты, фосфаты, оксиды и гидроксиды. Медные сульфиды могут образовываться в плохо дренируемых или затопляемых почвах, где реализуются восстановительные условия. Медные минералы обычно слишком растворимы, чтобы оставаться в свободно дренируемых сельскохозяйственных почвах. В загрязненных металлом почвах, однако, химическая среда может контролироваться неравновесными процессами, приводящими к накоплению метастабильных твердых фаз. Предполагается, что и в восстановленных, загрязненных медью почвах могут находиться ковеллин (CuS) или халькопирит (CuFeS 2).

Следовые количества меди могут содержаться в виде отдельных сульфидных включений в силикатах и могут изоморфно замещать катионы в филлосиликатах. Несбалансированные по заряду глинистые минералы неспецифически абсорбируют медь, а вот оксиды и гидроксиды железа и марганца показывают очень высокое специфическое сродство к меди. Высокомолекулярные органические соединения способны быть твердыми абсорбентами для меди, а низкомолекулярные органические вещества склонны образовывать растворимые комплексы.

Сложность состава почв ограничивает возможность количественного разделения медных соединений на конкретные химические формы. указывает на -->Наличие большой массы медных конгломератов находится и в органических веществах, и в оксидах Fe и Mn. Внесение медьсодержащих отходов или неорганических солей меди повышает концентрацию соединений меди в почве, способных к экстрагированию сравнительно мягкими реагентами; таким образом, медь может находиться в почве в виде лабильных химических форм. Но легко растворимый и заменяемый элемент - медь - образует малое количество форм, способных к поглощению растениями, обычно менее 5% от общего содержания меди в почве.

Токсичность меди увеличивается с увеличением pH почвы и при низкой катионообменной емкости почвы. Обогащение медью за счет экстракции происходит только в поверхностных слоях почвы, и зерновые культуры с глубокой корневой системой не страдают от этого.

Окружающая среда и питание растений могут повлиять на фитотоксичность меди. Так, например, медная токсичность для риса на равнинных землях отмечалась явно, когда растения поливали холодной, а не теплой водой. Дело в том, что микробиологическая активность подавляется в холодной почве и создает те востановительные условия в почве, которые бы способствовали осаждению меди из раствора.

Фитотоксичность по меди происходит изначально от избытка в почве доступной меди и усиливается кислотностью почвы. Поскольку медь сравнительно малоподвижна в почве, почти вся попадающая в почву медь остается в верхних слоях. Внесение органических веществ в загрязненные медью почвы может снизить токсичность благодаря адсорбции растворимого металла органическим субстратом (при этом ионы Cu 2+ превращаются в менее доступные для растения комплексные соединения) либо повышением мобильности ионов Cu 2+ и вымыванием их из почвы в виде растворимых медьорганических комплексов.

Цинк (Zn)

Цинк может находиться в почве в виде оксосульфатов, карбонатов, фосфатов, силикатов, оксидов и гидроксидов. Эти неорганические соединения метастабильны в хорощо дренируемых сельскохозяественных угодьях. По-видимому, сфалерит ZnS является термодинамически преобладающей формой как в восстановленных, так и в окисленных почвах. Некоторая ассоциация цинка с фосфором и хлором налицо в восстановленных, загрязненных тяжелыми металлами осадках. Следовательно, сравнительно растворимые соли цинка должны встречаться в богатых металлами почвах.

Цинк изоморфно замещается другими катионами в силикатных минералах, он может быть окклюдирован или соосажден с гидроксидами марганца и железа. Филлосиликаты, карбонаты, гидратированные оксиды металлов, а также органические соединения хорощо абсорбируют цинк, при этом используются и специфические, и неспецифические места связывания.

Растворимочть цинка повышается в кислых почвах, а также при комплексообразовании с низкомолекулярными органическими лигандами. Восстанавливающие условия могут уменьшать растворимость у цинка из-за образования нерастворимого ZnS.

Фитотоксичность цинка обычно проявляется при контакте корней растения с избыточным по цинку раствором в почве. Транспорт цинка через почву происходит посредством обмена и диффузии, причем последний процесс доминирует в почвах с низким содержанием цинка. Обменный транспорт более значителен в высокоцинковых почвах, в которых концентрации растворимого цинка сравнительно стабильны.

Мобильность цинка в почвах повышается в присутствии хелатообразователей (природных или синтетических). Увеличение концентрации растворимого цинка, вызванное образованием растворимых хелатов, компенсирует понижение мобильности, обусловленное увеличением размера молекулы. Концентрации цинка в тканях растений, его общее поглощение и симптомы токсичности положительно коррелируют с концентрацией цинка в растворе, омывающем корни растения.

Свободный ион Zn 2+ преимущественно абсорбируется корневой системой растений, поэтому образование растворимых хелатов способствует растворимости данного металла в почвах, а эта реакция компенсирует пониженную доступность цинка в хелатной форме.

Исходная форма металлического загрязнения влияет на потенциал токсичности по цинку: доступность цинка для растения в удобряемых почвах с эквивалентным общим содержанием этого металла уменьшается в ряду ZnSO 4 >отстой>мусорный компост.

Большинство опытов по загрязнению по почвы Zn-содержащим отстоем не показало падение урожая или явную их фитотоксичность; все же их долговременное внесение с высокой скоростью способно повредить растениям. Простое внесение цинка в виде ZnSO 4 вызывает понижение роста культур в кислых почвах, в то время как многолетнее внесение его в почти нейтральные почвы проходит незамеченным.

Токсичность уровней в сельскохозяественных почвах цинк достигает, как правило, из-за поверхностного цинка; он обычно не проникает на глубину более 15-30 см. Глубокие корни определенных культур могут избежать контакта с избыточным цинком благодаря их расположению в незагрязненной подпочве.

Известкование почв, загрязненных цинком, понижает концентрацию последнего в полевых культурах. Добавки NaOH или Ca(OH) 2 понижают токсичность цинка в овощных культурах, выращенных на высокоцинковых торфяных почвах, хотя в данных почвах поглощение цинка растениями весьма ограничено. Вызванную же цинком недостаточность по железу можно устранить при помощи внесения хелатов железа или FeSO 4 в почву либо прямо на листья. Физическое удаление или захоронение загрязненного цинком верхнего слоя вообще может позволить избежать токсичного воздействия металла на растения.

Марганец

В почве марганец находится в трех состояниях окисления: +2 , +3 , +4 . По большей части этот металл ассоциирован с первичными минералами или со вторичными металлоксидами. В почве общее количество марганца колеблется на уровне 500 - 900 мг/кг.

Растворимость Mn 4+ чрезвычайно мала; трехвалентный марганец очень нестоек в почвах. Большая часть марганца в почвах присутствует в виде Mn 2+ , в то время как в хорошо аэрируемых почвах большая часть его в твердой фазе присутствует в виде оксида, в котором металл находится в степени окисления IV; в плохо же аэрируемых почвах марганец медленно восстанавливается микробной средой и переходит в почвенный раствор, становясь таким образом высокомобильным.

Растворимость Mn 2+ увеличивается значительно при низких значениях pH, но при этом поглощение марганца растениями падает.

Марганцевая токсичность часто имеет место там, где общий уровень марганца от среднего до высокого, pH почвы довольно низкий и кислородная доступность для почвы тоже низка (т.е. имеются восстановительные условия). Чтобы устранить действие перечисленных условий, pH почвы следует увеличивать с помощью известкования, потратить усилия на улучшение почвенного дренажа, уменьшить поступление воды, т.е. в целом улучшить структуру данной 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.

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.

Поступление тяжелых металлов в растение регулируется органическим веществом почвы. При взаимодействии ТМ с органической составляющей почвы образуются соли гуминовых кислот, металлы вовлекаются в малоподвижные (плохо доступные растениям) комплексные соединения. Происходит процесс нейтрализации токсичных ТМ, поступающих в почву, поэтому существенное влияние на способность почвы к самоочищению оказывает прочность связей ТМ - органическое вещество почвы (Соколов, Черников, 2008).

Наземные экосистемы, в частности почва, являются основной производительной силой промышленного сырья и продуктов питания для человека. Качественная продукция не должна содержать токсические концентрации ТМ. Такую продукцию можно получить, возделывая культуры только на почвах с нормальным содержанием этих элементов.

Почвы, содержащие ТМ в количествах превышающих ПДК, требуют обязательной детоксикации. Мероприятия по приведению ТМ в загрязненных почвах к фоновым концентрациям крайне необходимы как для оздоровления почвенного покрова и получения качественной аграрной продукции, так и для предотвращения загрязнения ТМ грунтовых вод, которое происходит в результате миграции ТМ вниз по почвенному профилю (Соколов, Черников, 2008; Постников, 2009).

Разработки способов детоксикации загрязненных ТМ почв ведутся давно. В.А. Королёв пишет: «Все методы очистки грунтов можно разделить на три группы:

• 1) методы удаления (изъятия) токсичных соединений из грунта (промывка, экстракция и выщелачивание, электрохимическое и электрокинетическое удаление);
• 2) методы локализации (закрепления) токсикантов в пределах почвенного горизонта (механические защитные экраны (барьеры), химическая иммобилизация);
• 3) методы деструкции загрязнений (подавления токсичности) в массиве грунта (газовая и химическая нейтрализация, гидролитическое разложение, окисление, микробиологическая деструкция)» (Королёв, 2001).

Д.С. Орлов выделяет три группы методов очистки и обезвреживания почв от загрязнений ТМ: механические, химические и агротехнические (Орлов, Васильевская, 1994).

Технология электрохимического метода очистки загрязненных тяжелыми металлами почв основана на переносе ТМ под действием постоянного электрического поля, первостепенную роль при этом играют процессы электроосмоса и электрофореза. При применении электрокинетической технологии представляется возможным с достаточной точностью контролировать и управлять процессами очистки, что является явным преимуществом данного метода. Силовые линии электрического поля перемещают тяжелые металлы в ходе процесса очистки и распределяют их по расположению электрода, причем скорость процесса регулируется напряженностью поля.

Электроды устанавливаются в почве на расстоянии 2-5 метров друг от друга и погружаются на глубину 2 метров. В зависимости от природы извлекаемого токсиканта устанавливаются следующие параметры электрокинетиче- ского процесса: напряженность поля, плотность тока, напряжение на электродах. Исходные концентрации контоминантов в почвах могут быть уменьшены в 5-10 раз. Эффективность очистки достаточно высокая (около 90 %), но такие показатели очистки достигаются только при применении химических реагентов или растворов поверхностно активных веществ. Стоимость электрокинетической очистки почв довольно высока и составляет 130-150 долларов США за 1 м 3 (Новиков).

Химическая детоксикация почв основана на химическом осаждении ТМ в результате помещения токсичной почвы в реактор с реакционно-способной смесью (100 мг/кг сероводорода в азоте, известь, сульфат натрия, оксиды железа, органический углерод). Преимущества данной технологии в том, что она применима для почв с различными физико-химическими свойствами. Эффективность способа зависит от рационально подобранного взаимодействия реа- гент-экотоксикант. В результате обработки почвы реакционной смесью возможна фиксация 90% ТМ. Явным недостатком является то, что почву невозможно очистить на месте, требуется ее сбор и перемещение в реактор.

Существуют так же химические методы очистки загрязненных ТМ почв, позволяющие вносить реакционную смесь непосредственно на загрязненную площадь, при этом пахотный слой очищаемой почвы не оказывает значительного влияния на функционирование экосистемы в целом.

Одним из таких методов является способ очистки черноземов от тяжелых металлов, который отличается тем, что в качестве сорбирующей реагентной смеси применяется органоминеральный компост. При приготовлении компоста смешиваются следующие реагенты: перегной крупнорогатого скота, фосфо- гипс, суперфосфат простой. Сочетание данных компонентов зависит от уровня содержания щелочных металлов и должно соответствовать следующим долям в % от общей массы:

• фосфогипс 10,0-15,0;
• суперфосфат простой 0,8-1,0;
• перегной крупнорогатого скота 84,0-89,2.

Доза внесения смеси составляет 100-110 т/га. Необходимым параметром является содержание в смеси органического вещества - около 20 % с реакцией среды (pH) 6,0-6,5. Полученную реагентную смесь заделывают в почву культиваторами на глубину 0,25 м. По истечении 4-5 лет внесение органоминерального компоста в почву повторяют снова (Патент РФ № 2492944, 2013).

Данный метод обладает спектром недостатков. Способ не решает проблему удаления поллютантов из почв, а лишь на время (4-5 лет) переводит подвижные формы ТМ в почве в труднодоступные для растений. Также происходит снижение активности всех микроэлементов, что негативно сказывается на плодородии почвы. Наиболее явным и основным недостатком химического метода очистки по сравнению с другими является внесение вторичных загрязнителей в очищаемую почву. В состав реакционных смесей, применяемых в процессе ремедиации, входят различные химикаты, которые аккумулируются почвенным покровом и могут вызвать вторичное загрязнение поллютантами другой природы.

Биологические методы очистки почв, а в частности фиторемедиация, в некоторой мере решают две основные проблемы: они более экономичны и не требуют внесения в почву специальных смесей, растворов, реагентов (вторичные загрязнители отсутствуют). В последнее время все чаще используются способы восстановления экосистем при помощи живых растений. Ученые считают перспективным применение растений в целях очистки почв от ТМ и радионуклидов (Ebbs et al, 2008; Kramer, 2000).

Фиторемедиация представляет собой выращивание в течение установленного временного периода на загрязненном участке специально подобранных видов растений-гипераккумуляторов, накапливающих тяжелые металлы корневой системой и переносящих их в надземную биомассу (Квеситадзе и др., 2005; Титов и др., 2007; Chaney et al., 1997, Salt, et al., 1998). При подборке растений- ремедиаторов основополагающую роль играет аккумулирующая способность по отношению к тяжелым металлам (Прасад, 2003; Квеситадзе и др., 2005; Титов и др., 2007). По способности накапливать ТМ все растения условно делят на:

• гипераккумуляторы - растения, способные выживать в почвах с высоким содержанием токсикантов (ТМ) и сорбировать их в большом количестве в своих органах за счет защитных физиологических механизмов к избытку ТМ;
• аккумуляторы - растения, способные накапливать металлы в больших количествах в надземной биомассе при невысоком их содержании в почве;
• индикаторы - растения, накапливающие ТМ таким образом, что содержание металла в растении равно его содержанию в экотопе;
• исключители (эксклюдеры) - устойчивые к ТМ растения, которые сохраняют низкую концентрацию ТМ в побегах при высоком уровне загрязнения экотопа (Baker, 1981; Antosiewicz, 1992; Saraswat, Rai, 2009).

Термин «гипераккумулятор» был предложен Чейни (Chaney, 1983, 1997) для обозначения растений, накапливающих свыше 1000 мг/кг абсолютно сухой массы РЬ, 10 000 - Zn; 100 - Cd (Титов и др., 2007). Умеренными аккумуляторами называют растения, в органах которых концентрации тяжелых металлов довольно высокие, но не достигают установленного порога (Титов и др., 2007).

Так же принято считать, что растения, у которых транслокационный фактор или коэффициент транслокации (отношение содержания металла в побегах к его содержанию в корнях) больше единицы, являются гипеаккумуляторами, в то время как не являющиеся гипераккумуляторами растения имеют более высокое содержание металла в корнях, чем в побегах (Титов и др., 2007).

A.J.M. Baker пишет: «У металлофитов имеются значительные различия как в накоплении тяжелых металлов, так и в концентрациях ТМ, переносимых ими, а так же явно отличаются пороги токсичности. Но все же существуют растения, у которых концентрации тяжелых металлов в побегах существенно превосходят токсичные. Такие растения при выращивании на загрязненных почвах накапливают ТМ в своих надземных органах значительно больше, нежели обычные растения, произрастающие в этом же месте» (Baker, 1994).