Фиторемедиация как перспективный метод очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами

Термин «фиторемедиация» (фито - растение, ремедиация - возмещение ущерба) возник совсем недавно. Американский ученый И. Раскин применил его впервые в 1994 г. (Raskin, 1994). «По словам самого Раскина, началом фиторемедиации можно считать те времена, когда человек начал осушать болота, применяя целенаправленную рассадку деревьев, обладающих требуемыми характеристиками» (Квеситадзе и др., 2005). Фиторемедиация сегодня представляет собой способ выведения токсикантов из почв, грунтов, вод с использованием растений и микроорганизмов (Chaney et al., 1997; Salt et ah, 1998). Фитореме- диационные технологии эффективны при детоксикации больших площадей почв, в результате чего происходит постепенное удаление загрязняющих веществ, при этом структура и свойства почвы остаются незатронутыми.

Часто при оздоровлении почв совместное действие микроорганизмов и растений носит симбиотический характер. Однако микроорганизмы уступают растениям тем, что ввиду их более ускоренного метаболизма и быстрой адаптации токсиканты вновь выводятся из клеток, несмотря на высокую аккумулирующую способность к поллютантам отдельных таксономических групп микроорганизмов, и остаются в почве. В конечном счете все это не способствует ремедиации почв. Растения же способны своими корневыми системами аккумулировать токсиканты и транспортировать их в надземные органы, тем самым очищая почву.

Технологии фиторемедиации базируются на различных методологических подходах и во многом зависят от поставленной перед ними задачи. Природа токсиканта, его концентрация, сам объект, нуждающийся в ремедиации, определяют форму и разнообразие возможных фиторемедиационных технологий. Естественно, не следует рассматривать фиторемедиацию как абсолютно всемогущее средство, способное быстро и дешево избавить объект от любой формы загрязнения. Так, например, растения не могут ассимилировать полихлорированные бифенилы и диоксины - соединения, которые в последнее время все больше загрязняют биосферу.

Современная фиторемедиация располагает двумя стратегиями использования растений для детоксикации ТМ в почвах (Прасад, 2003; Salt et al., 1998). Одна основана на использовании металлспецифичных растений- сверхнакопителей, которые в огромных количествах избирательно поглощают один или два металла (Salt et al., 1998; Palmer et al., 2001). Вторая стратегия предполагает применение высокопродуктивных растений, которые формируют большую надземную биомассу и способны к сравнительно невысокой аккумуляции широкого спектра тяжелых металлов (Титов и др., 2007; Greger, 1999).

Сегодня в фиторемедиационной технологии можно выделить такие инструменты, как: фитоэкстракция, ризофильтрация, ризодеградация, фитодеградация, фитоволотализация (испарение при помощи растений), гидравлический контроль и др.

Перед применением какой-либо из экофитотехнологий проводят предварительное тщательное исследование объекта, нуждающегося в ремедиации. В первую очередь необходимо определить характер токсичного соединения, загрязняющего объект, установить его концентрацию и глубину проникновения в почву. Затем стоит выявить почвенные характеристики: тип почвы, примерное количество осадков в период фиторемедиации, наличие и глубину залегания грунтовых вод. В конечном итоге по полученным данным выбирается метод фиторемедиации, в том числе и селективный отбор растений и микроорганизмов, которые требуются для каждой конкретной технологии (Квеситадзе и др., 2005).

Для очистки почв, зараженных тяжелыми металлами, обычно используется фитоэкстракция. Технология этого метода заключается в следующем: корнями растений вместе с питательными веществами поглощаются как органические, так и неорганические токсиканты (в т. ч. тяжелые металлы) и осуществляется их последующий транспорт в надземные органы растений. По завершении фазы роста и процессов транслокации надземные органы растений удаляются и подлежат соответствующей переработке. Растения следует отбирать экспериментально, исходя из фиторемедиационных особенностей самих растений и почвенно-климатических характеристик участка почвы, подлежащего восстановлению. При очистке почв парников эта технология оказалась особенно эффективной (Kumar, 1995).

После подобной обработки зараженного объекта фитомасса растений может служить источником для выделения тяжелых металлов. Для этого расте- ния-ремедиаторы сжигают и из золы восстанавливают тяжелые металлы. Известны и другие случаи утилизации фитомассы, полученной после фитоэкстракции. Биомассу растений содержащую Se, использовали как добавку в корм животным при условии, что она не токсична (Salt, Smoth, 1998). Биомассу растений, содержащую цинк и медь, можно использовать в качестве удобрений для почв, испытывающих нехватку цинка и меди как эссенциальных микроэлементов (Неведров, 20146).

Эффективность фитоэкстракции для каждого конкретного случая должна определяться на основе полученных данных. Она может быть оценена по продолжительности её применения от начала до достижения полного восстановления зараженных почв, что в среднем занимает 10-20 лет с учетом того, что уровень загрязнения почвы не будет токсичным для роста растений-фиторемедиаторов. Время, затраченное на очистку, будет в первую очередь зависеть от степени загрязненности почв, от свойств этих почв и используемых растений.

Естественно, биомасса растений, содержащих повышенную концентрацию тяжелых металлов, должна быть соответствующим образом переработана. Часто выделение тяжелых металлов из золы обходится дороже их себестоимости, в таком случае фитомассу сжигают или используют для компоста в зависимости от содержания токсиканта (Raskin, Kumar, 1994).

Важным критерием при определении эффективности растений, используемых в фитоэкстракции, является так называемый коэффициент фитоэкстракции. На основе данных зарубежных авторов известно, что оценкой аккумулирующей способности растений по отношению к ТМ служит понятие «фитоэкстрагирующий потенциал» (ФЭП). Его величина зависит от мобильности тяжелых металлов в почве и доступности их для растительных организмов (Saraswat,. Rai, 2009; Е.С.Н.Е.Т. Lucassen et al., 2010). ФЭП растения составляют следующие параметры:

  • 1) биоконцентрационный фактор (БКФ) (или коэффициент биологического накопления) - отношение концентрации металла в корнях растения к его содержанию в почве;
  • 2) транслокационный фактор (ТФ)- отношение концентрации металла в побегах к его содержанию в корнях (Saraswat, Rai, 2009).

Именно по этим коэффициентам осуществляется селекция растений для фитоэкстракции (Квеситадзе и др., 2005).

В отношении к тяжёлым металлам некоторые растения обладают свойствами супераккумуляции. Примером является горчица сарептская (Brassica jun- сеа), в клетках и межклетниках которой накапливается от 1 до 1,7 % цинка (Banuelos, Meek, 1989; Salt, 1998; Ernst, 2000). Многие растения семейства крестоцветных обладают высокой аккумулирующей способностью к целому ряду тяжёлых металлов, также обнаружены гипераккумуляторы и среди других семейств. Аграриям-практикам хорошо знаком широкий спектр растений (около 400 разных видов), депонирующих токсичные металлы, такие как Zn, Ni, Se, Со, Си, Mn, Pb (Baker, Mcrath, 1995). На сегодняшний день для свинца известно 30 видов растений-гипераккумуляторов, для кобальта - 26, меди - 24, цинка- 18, марганца - 8, кадмия - 1 (Cunningham, 1996; Brooks, 1998; ЕРА. Introduction..., 2000; Assun9ao, 2003).

Природные сверхнакопители ТМ. Растения-гипераккумуляторы имеют ограниченные пределы накопления ТМ в своих органах, для каждого металла порог аккумуляции индивидуален. Данные растения преодолевают большинство физиологических барьеров, препятствующих поступлению металлов в побеги. Сверхнакопители ТМ проявляют толерантность к их токсическому действию (Таблица 1.3).

Таблица 1.3

Растения, используемые для фитоэкстракции тяжёлых металлов (Квеситадзе и др., 2005)

Растение

Тяжелый металл

Литература

Brassica juncea

Pb, Cr (VI), Cd, Cu, Ni, Zn, Sr, B, Se

(Kumar, 1995), (Raskin, 1994),(Salt, 1995)

Thlapsi caerulescens

Ni, Zn

(Brown, 1994)

Thlapsi rotundifolium ssp. Cepaeifolium

Pb

(Kumar, 1995)

Alyssum wulfenianum

Ni

(Reeves, 1983)

Hibiscus cannabinus

Se

(Banuelos, 1997)

Populus

As, Cd

(Pierzynski, 1994)

Sorghum vulgare, Helianthus annuus

Cs, Sr

(Adler, 1996)

Medicago sativa, Zea mays

Pb, Zn, Hg, Ni

(EPA. Introduction..., 2000)

Е.И. Кошкин (2010) сообщает, что «в природе растения- гипераккумуляторы чаще всего приурочены к зонам сильного загрязнения металлами или же к местностям, где содержание металлов в почвах необычайно высоко. Первыми наземными растениями, описанными как сверхнакопители тяжелых металлов, были представители рода Thlapsi, которые имеют способность к накоплению цинка, кадмия и свинца, а также представители рода Alys- sum, накапливающие никель. Значительный интерес представляют аккумулятор цинка (Thlapsi caerulescens), аккумулятор свинца (Armeria maritime) и два африканских вида растений (Aeolanthus biformifolius и Hawnaniastrum katangense), способные накапливать медь и кобальт» (Кошкин, 2010). Хронологически позднее были описаны гипераккумуляторы селена и свинца - Brassica juncea и Brassica nigra (Кошкин, 2010).

Очень часто в качестве накопителей выступают и обычные полевые культуры - подсолнечник и фасоль. Растения-сверхнакопители произрастают в основном на загрязненных металлами почвах и депонируют их в побегах до содержания, на 1-3 порядка превышающего концентрации металлов в органах произрастающих рядом растений не гипераккумуляторов. В литературе описано сверхнакопление (% от биомассы надземных органов) для таких металлов как кадмий (до 0,2 %), кобальт (до 1,2 %), никель (до 3,8 %) и цинк (до 4 %) (Кошкин, 2010; Tangahu, 2011).

Все данные, отражающие накопление ТМ растениями, подтверждают целесообразность современных экологических фитотехнологий (Salt, 1998).

В технологическом плане приемы фитоэкстракции делят на два разных способа - индуцированную и непрерывную (Salt, 1995). В первом методе используются специальные хелатирующие агенты, которые образуют с металлами растворимые комплексы. Классическим примером хелаторов служат ЭГТА (для кадмия), ЭДТА (для свинца), цитрат (для урана). Тяжёлый металл, находящийся в составе такого комплекса, легко усваивается растениями и интенсивно транспортируется по сосудам ксилемы в побеги растений. Непрерывная технология фитоэкстракции отличается долгосрочностью. В основе этого способа лежит применение растений-супераккумуляторов (Квеситадзе и др., 2005).

Следует отметить, что индуцированная фитоэкстракция это более развитый технологический прием, популярный с коммерческой точки зрения (Huang, 1997). В свою очередь непрерывная фитоэкстракция довольно успешно применяется в случаях загрязнения почвы такими металлами, как ртуть, цинк, мышьяк, кадмий, никель, хром (Kumar, 1995).

Важным детоксикационным процессом, безусловно, является связывание металлов с органическими соединениями, существенно влияющими на их токсичность (Kumar, 1995).

К числу специфических факторов, безусловно определяющих экологический потенциал растений, должна быть отнесена способность растений извлекать из почвы и водоемов соединения неметаллов и разбавлять их в воздухе. Примером могут служить растения, накапливающие и не накапливающие селен. Они удаляют данный элемент из почвы транспортом через надземные и подземные органы и превращением в летучие соединения (H2Se) с последующим испарением листьями и разбавлением в воздухе.

Важнейшей особенностью метода фиторемедиации является его экономическая выгода по сравнению с механическими, химическими и другими реме- диационными технологиями. По данным литературных источников (Huang, 1997), восстановление одного акра земли (0,4 га) почвы, загрязненного ртутью до глубины 50 см, стоит от 400 000 до 1 700 000 американских долларов, такая же площадь той же степени и глубины загрязнения с использованием технологии фиторемедиации обходится в среднем в 80 000 американских долларов.

В целом фиторемедиация как метод очистки почв в виду своей малой изученности и невысокой степени внедрения в практику экологических технологий занимает не самое высокое место в рейтинге популярных технологий детоксикации загрязненных почв. Однако при дальнейшем изучении и разработке технологий фиторемедиации как рентабельной и экологически чистой технологии она непременно будет превалировать над физико-химическими методами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >