1.5 Мұнаймен ластанған топырақтарды фиторемедиация процестерімен қайта қалпына келтіру әдістері

Топырақтың мұнаймен контаминациясы ластанудың ерекше түрі болып табылады, себебі ол топырақтың өнімділігін сипаттайтын барлық негізгі қасиеттерін (физикалық, химиялық, биологиялық және морфологиялық) түбегейлі өзгертеді, оның сіңірімділік қасиеті өзгеріп, азот пен фосфордың жылжымалы қосылыстары күрт төмендеп кетеді. Экологиялық таза технология ретінде, жаңа әр түрлі әдістер қолданылып, мұнайға төзімді өсімдіктер қауымдастығын пайдаланылады [37, 38]. Ремедиация әдістері табиғатты қорғау технологияларының ең маңызды секторларының бірі болып табылады, яғни ластанған топырақты поллютанттардан тазарту.

Қоршаған ортада органикалық поллютанттардың негізгі шығу көзі антропогенді және олар көптеген ағзаларға жат (ксенобиотик) болып келеді; олардың көбісі токсинді, ал кейбіреулері канцерогенді.

Бейорганикалық поллютанттар табиғи түрде атмосфера және жер қыртысында кездеседі, ал адамдардың қызметі қоршаған ортаның ластануына алып келетін бейорганикалық поллютанттардың босап шығуына мүмкіндік туғызуда. Бейорганикалық поллютанттардың жойылып кетуі мүмкін емес, алайда фиторемедиация қоршаған ортаны осындай поллютанттардан тұрақтандыру және өсімдіктер ұлпаларында оқшаулау жолдары арқылы тазалай алады. Фиторемедиация бейорганикалық поллютанттармен қатар өсімдіктердегі макроэлементтерді (нитарттар, фосфаттар), микроэлементтерді (Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn), өсімдіктер үшін маңызы жоқ элементтерді (Cd, Co, F, Hg, Se, Pb, V, W) және радиоактивті изотоптарды (U₂₃₈, Cs₁₃₇ және Sr₉₀) тазалауда кең қолданылуы мүмкін [39].

Алайда өнеркәсіпті дамыған елдерде қазіргі кезде көмірсутекті ластанудан тазартудың ең болашағы зор (перспективалы) әдісі болып фиторемедиация табылады. Фиторемедиация – бұл топырақты өсімдіктер көмегімен тазарту. Бұл әдістің негізгі артықшылығы – басқа әдістермен салыстырғанда ең жоғары экономикалық тиімділігі.

Микробиологиялық әдістермен салыстырғанда фиторемедиация әдісі су қоймалары үшін тиімді, ал өсімдіктерді топырақты тазартуда қолданған тиімдірек.

Алғашында фиторемедиация топырақты тазарту әдісі ретінде ауыр металды жою үшін жасалған. Өсімдіктің кейбір түрлері қорғасын, сынап, цинк иондарын басқаларға қарағанда ондаған, тіпті жүздеген мың есе көбірек жұтып және жинақтауға қабілетті.

Бұл жаңалық оңай шешім табуға мүмкіндік жасады. Енді топырақты тазалау үшін бар-жоғы оған қажет өсімдік түрін сеуіп тастау, ал маусым соңында ауыр металдар «өнімін» жинап алып, арнайы көшуге шығару.

Топырақтан асыл металдарды алу жайлы ұсынысы бұл әдістің қызықты дамуы болды. Себебі, кейбір өсімдіктер, соның ішінде жай қырыққабат жерден, күміс пен платинаның тамыр жүйесіне ғана тиесілі барлық иондарын «табу» арқылы көп мөлшерде өзінде жинақтауға қабілетті екені анықталады.

Бізді қызықтырған «жас» бағыт қатарындағы болашағы зор, одан әрі дамуда үлкен мүмкіндігі бар бағыт болып өсімдіктер көмегімен көмірсутекті ластануды тазарту табылады.

Ластаушыларды өсімдіктерден тазалаудың негізгі төрт әдісі белгілі:

• фитодеградация;

• фитобулану процесі;

• ризодеградация;

• фитотұрақтандыру.

Фитотұрақтандыру жинақтау немесе жер асты сулар мен топырақтан ластаушы заттарды өсімдіктер арқылы иммобилизациялау болып табылады. Сонымен қатар әртүрлі процестердің механизмі болуы мүмкін - поллютанттарды тамыр арқылы абсорбциялау және олардың өсімдіктерде жинақталуы, тамырдан тыс зоналарда поллютанттарды адсорбциялау - ризосфера және (немесе) олардың сол жерде тұнуы. Өкінішке орай, қарастырылған барлық өсімдіктердің ішінен ешқайсысы мұнай және мұнай өнімдеріне қатысты маңызды нәтиже бере алмады, алайда бұл әдіс грунтті сулар мен топырақтан ауыр металдарды жоюда өз тиімділігін көрсетті [40].

Бұл ашылу қарапайым нәтиже шығаруға мүмкіндік берді - енді топырақты тазалау үшін қажетті өсімдік түрін егіп, маусым соңында ауыр металдар "өнімін" жинап, арнайы көметін орындарға жеткізу керек. Бұл әдістің дамуы топырақтан асыл металдарды бөліп алуы болды. Себебі кейбір өсімдіктер, мысалға қарапайым орамжапырақ (қырыққабат) тамыр жүйесіне ене алатын алтын, күміс және платинаның иондарын жерден "өндіріп", көбейген мөлшерде өзінде жинай алатын қабілеті болған.

Фитодеградация - («ішкі» бүлінуі) - өсімдіктермен көмірсутектердің "іштей" бұзылуы - яғни мұнай өнімдерінің түгелдей бөлінуі арқылы ыдырауы кезінде, жұтылудан кейін "іштей" немесе метаболиттік процестің жүруі кезінде ыдырау. Қазіргі уақытқа дейін шетелдерде дұрыс нәтиже берген бірнеше зерттеулер жүргізілген, яғни мұнай және мұнай өнімдерінің бөлініп - ыдырауы өсімдіктер құрамына қауіпсіз екені дәлелденген. Бір жағынан ол мұнай ластаушыларын тазалау бағытының дамуына айғақ болса, екінші жағынан болашақта тағыда зерттеулер жүргізу керектігін білдіреді [41].

Фитобулану – өсімдіктер өзінің бойында су мөлшерін сақтап тұру процесі кезінде мұнай және мұнай өнімдерін сіңіру қабілетін айтады, яғни топырақтан сумен бірге ластаушы заттарды сорып шығарады [42] Бұл қабілеттілік ластаушыларды тазалауда жартылай ғана қолданылуы мүмкін, өйткені бұл жағдайда транспирация процесі кезінде ластаушы заттар атмосфераға шығарылады.

Тазалаудың ең нәтижелі, ең тиімдісі өсімдіктердің фитобулану мен фитонашарлау қабілеттіліктерін қатар қолдануы.

Фиторемедиацияның әдісінің негізі ретінде ластанған топырақты тазарту үшін қолданылатын өсімдіктердің ішінен тиімдісін таңдау болып табылады. Ондай өсімдіктер үшін келесідей талаптар қойылады:

- полютанттардың жоғары концентрациясына төзімділігі;

- полютанттардың жоғары концентрациясын жұту және аккумуляциялау қабілеті;

- полютанттарды тамырлық жүйеден жер беткі жойылатын биомассаға тасымалдау қабілеті.

Алайда қазіргі уақытта мұнаймен ластанған топырақ биорекультивациясының жалпы циклінде фиторемедиация толық зерттелмеген. Мұнайғатолерантты өсімдік түрлері жайлы ақпарат аз, әртүрлі топырақ түрлеріне фитоулылығымен және мұнаймиграционды процестермен ерекшеленетін, топырақты-климаттық зоналарға арналған тиімді фиторемедианттардың сұрыпталымдары анықталмаған.

Фиторекультиванттарға арналған келесі негізгі міндеттерді атауға болады:

• мұнайдың жоғары дозаларына толеранттылығы, рекультивацияның микробиологиялық кезеңіндегі периодта дамуы және өсудің жоғары қарқындылығы;

• рекультивацияланатын топырақ түрлерінің негізгі физика-химиялық құрамына елгезектілігі;

• рекультвацияланған топырақ сидерациясы немесе жаңа піскен азық алуға арналған жасыл массаның жоғарғы өнімі;

• тұрақты өсетін жабын жасауға арналған рекультивациялайтын іс- шаралар жасайтын зоналардың климаттық жағдайларына жақсы бейімделуі.

Бұл міндеттер тек мәдени және жабайы өсетін мұнайғатолерантты өсімдік түрлерінен құралған терімдерді пайдалану кезінде ғана орындалатынын зерттеулер көрсеткен. Бұндай құрылыста қарқынды өсу периоды және мәдени өсімдік түрлерінің дамуы топырақтағы мұнайдың микробты деструкциясының негізгі кезеңімен сәйкес келеді, оның тиімділігінің жоғарылауына мүмкіндік туғызады, ал жабайы өсетін өсімдік түрлерінің компоненттері биорекультивация циклінің ақырында жергілікті жердің өсімдік бейімділігінің жабынын жасайды.

Скрининг нәтижесінде мұнайғатолерантты өсімдік түрлері анықталды, топырақтағы мұнайдың әртүрлі концентрациясына тұрақты жабайы өсетін флора өкілдерінің 86 түрі және мәдени өсімдіктердің 20 түрі. Топырақтағы мұнайдың әрбір концентрациясына қалыпты өсуге, дамуға және қажетті биомасса құруға мүмкіндік тудыратын доминанттық топтар сәйкес келеді.

Соның ішінде жабайы өсетін өсімдіктердің 50 түрі топырақтағы мұнайдың 1,0-4,0 %, 15-20 түрі 5,0-6,0 %, ал 7,0-10,0 %-дық құрамына 3-6 түрі тұрақты болған. Зерттеу нәтижесі мұнаймен ластанған топырақтың биорекультивация технологиясына пайдалануға ұсынылатын, фиторемедианттардың негізгі ресурстары болуы мүмкін мұнайғатолерантты өсімдік түрлерінің тізімін жасауға мүмкіндік тудырған.

Мұнай және жанармайдың жоғары дозасына толерантты өсімдік түрлеріне дәнді өсімдіктер өкілдері - баданалы қоңырбас (Poa bulbosa L.), саусақ тәрізді қарашағыр (Cynodon dachtylon L.), богдан арпасы (Hordeum bogdanii Wilensky), сұлы (Festuca sulcata Hack), жүгері егістігі (Zea mais L.), кәдімгі бадана (Fasolus vulgare L.), соя егістігі (Glicine hispida L.), нұт егістігі (Cicerarirtinum) және күрделі гүлділер - қалуен егістігі (Cirsium arvense), талпиған көктікен (Centaurea sguarroso Willd), түйежапырақ (Arctium tomentosum Mill), татарлық сүтшөп (Latuca tatarica (L.) C.A.Mey), бір жылдық күнбағыс (Helianthus annua L.) жатады. Бұл өсімдіктердің барлығы Оңтүстік Қазақстан облысының (ОҚО) мұнаймен ластанған топырағын фиторемедиациялау үшін практикалық қызығушылық тудыруда.

Мұнайғатолерантты өсімдік түрлерінің фиторекультивациялық сапасы ОҚО мұнай өндіретін, тасымалдайтын және мұнай өңдейтін аймақтарының негізгі алты топырақ түріне фиторемедианттардың тиімді топтарын анықтау мақсатында, зертханалық және егістік тәжірибелерінде зерттелді. Тәжірибе мұнайдың 4,0; 6,0; 8,0 және 10,0 % концентрациясымен ластанған таулы-қара- қоңыр, таулы-сұр-қоңыр, кәдімгі сұр топырақ, ашық-сұр топырақ, дала-құмды топырақ түрлеріне және қызыл ферралитті сазда жүргізілген.

Кесте 3 - 7,0 % дейін мұнаймен ластанған ОҚО әртүрлі топырақ түрлерін фиторекультивациялауға арналған мұнайға төзімді өсімдіктерінің түрлік құрамы

Топырақ түрі	Саусақ тәрізді қара-шағыр	Бада-налы қоңыр-бас	Жүгері егістігі	Соя егістігі	Нұт егістігі	Сафлор егістігі	Бір жылдық күнбағыс
1	2	3	4	5	6	7	8
Таулы-қара-қоңыр	+	+	+	-	-	-	+
Таулы-сұр-қоңыр	+	+	+	-	-	-	+
Кәдімгі сұр топырақ	+	+	+	+	+	+	+

кестенің жалғасы

1	2	3	4	5	6	7	8
Ашық-сұр топырақ	+	+	+	+	+	-
Қызыл ферралитті	+	+	-	+	+	-	-
Дала құмды	+	+	-	+	+	-	-

Еркерту: 1.«+» Фиторекультивант ретінде пайдалануға болады

2. «-» Мұнаймен ластану кезінде езіліп кетеді

Бишимбаев В.К. және Исаева А.У зерттеулерінің нәтижесі мұнаймен ластанудың 4,0+0,3% мұнайға төзімді өсімдік түрлерінің дамуы мен өсуіне елеулі әсер етпейтінін көрсетті. Тәжірибе кезінде зерттелген барлық топырақ түрлеріндегі өсімдіктерде бақылау нұсқаларының көрсеткіштерінің деңгейінде биомасса құрған. Сондай - ақ дала - құмды және қызыл ферралитті сазда өскен жабайы өсетін және мәдени өсімдіктердің биомассасы таулы - қара - қоңыр, таулы - сұр - қоңыр, кәдімгі сұр топырақ және ашық - сұр топырақпен салыстырғанда 15,6 ± 1,6 және 15,8 ± 1,9% аз болды, бұл дала - құмды және қызыл ферралитті саздарда биогенді элементтердің аздығымен түсіндіріледі.

Оңтүстік Қазақстан облысының әртүрлі топырақ түрлерінде өскен мұнайтолерантты өсімдік түрлерімен жүргізілген зерттеулер нәтижесі, мұнай концентрациясы 6% дейін ластануында қажетті биомасса құрай алатын және топырақтағы мұнай деструкция процесінің қарқындылығына жағымды әсер беретін, зерттелген алты топырақтың әрқайсысы үшін өсімдік - фиторекультиванттардың түрлерін анықтауға мүмкіндік туғызған (кесте 3).

Мұнаймен ластанудың төменгі концентрациясында (4,0-6,0 %) мұнаймен ластанған топырақтағы фиторемедиация кезеңі микроборекультивация кезеңімен бірге жүруі мүмкін, ал мұнаймен ластанудың 8,0±0,4% және оданда жоғары болғанда фиторемедиация биорекультивация циклінің микроборекультивация кезеңінен кейін жүруі керек [43].

Төмендегі суреттерде көрсетілгендей (3 және 4 суреттер) лабораториялық жағдайда және далалық жағдайда өсімдіктерді өсіруде біраз айырмашылықтар болады: метеорологиялық жағдайдың біркелкі болмауы, климаттық фактор, сыртқы орта факторларының бірқалыпты болмауы. Далалық жағдайда жүргізілген фиторемедиацияның мысалы ретіде көршілес Әзірбайжан мемлекетінің Абшерон жерлерінде жүргізілген фиторемедиация әдісінің нәтижесінен көруге болады. Абшерон түбегі мұнай өндірілетін аймақ болғандықтан, онда мұнаймен ластанған топырақ аумақтары бар (5-сурет).

Cурет 3. Лабораториялық және далалық жағдайдағы фиторемедиация әдісі

Сурет 4. Абшерон жерлерінде жүргізілген фиторемедиация әдісінің көріністері, Әзірбайжан

Бұл бағдарлама «Абшеронның мұнаймен ластанған топырақтарын қалпына келтіру» деп аталды және ол «ACONA GROUP AS» атты Норвегиялық компания мен Әзірбайжанның Ұлттық экологиялық болжам жасау орталығының біріккен жұмысы арқылы жүзеге асты. Бағдарлама 01.09.2003-16.04.2004 аралығында жоспарланып оның аясында Баку қаласы, Говсана ауылы маңында мұнаймен ластанған 0,6 га жерді фиторемедиация әдісімен (көпжылдық өсімдіктерді егу: беде, үйеңкі, сұлы, інжір) сол жерді қалпына келтіру жұмыстары жүргізілген болатын. Жүргізілген жұмыстар нәтижесінде өсімдіктер өскен аумақтардан топырақ сынамаларында мұнай мен ауыр металдардың бастапқы көрсеткіштермен салыстырғында біршама азайғандығы анықталды [44].

Мұнайға төзімді және вегетативті массасын тез жинақтайтын күнбағыс пен жүгері, потенциалды фиторемедиаторлар түрінде қарастырыла алады. алайда бұл үшін осындай өсімдіктердің мұнай өнімдеріне төзуінің айқын көрінетін қабілеттері болуы керек. Топырақ қабатындағы аталған дақылдарды газ-сұйықты хроматография әдісімен анықтау нәтижелері, кейбір нұсқаларда өсімдіктері жоқ нұсқаға қарағанда, төзетін мұнайдың мөлшері біршама артатынын көрсетеді. Басқаша айтсақ, өсімдік компоненттерінің фиторемедиацияны қалыптастыруға ықпалы бар. Бұл бағыттағы зерттеуде, мұнайдың көмірсутегілерімен ластанған топырақ қабатының қалпына келуінің тиімді жүйесін жасауға қажетті нақты материалды жинақтау мақсатында, жалғасуда [45].

Топырақ барлық құрлықтағы биогеоценоздың мiндеттi жиынтығы, бұл негiзгi, барлық қалған биогеоценоз компоненттерiн бiр функционалды жүйеге топтастырушы [46]. Топырақ көп жағынан тiрi заттардың негiзгi төсенiшi болып табылады, ол: топырақтағы жануарлардың, өсiмдiк тамырларының және микроорганизмдердiң, ал өсiмдiктермен басқа организмдерге арнайы азот, су, витамин және көптеген өнiмдердiң көзi болады [47].

Әр түрлi популяцияда қауымдас болып түрлi заттар айналымына қатысып, көптеген қызметтердi орындайтын әр түрлi өсімдіктер үшiн топырақ мекен ету ортасы.

Көптеген биоценоздар үшiн маңызды процестердi өсімдікдер атқарады, ондай процестердi макроорганизмдер ешқашан алмастыра алмайды. Топырақта саны көп жағынан бактериялар, актиномицеттер, саңырауқұлақтар болса, ал балдырлардың саны аз. Барлық организмдер жиынтығына кiрiп, топырақ бөлiгiнiң биотасын қамтушы - дәл осы өсімдіктер болып табылады. Топырақ өсімдіктерінен басқа, құрамына сонымен бiрге клеткасыз бактериофагтар, вирустар және кейбiр микроскоптық жануарлар кiредi. Саны көп және әртүрлi топтар бактериялар болып табылады. Топырақ бактериясының құрамына 50 туыс, 250 түр кiредi, ал жалпы микроорганизмдер саны бойынша актиномицеттер 30 %, 1-3 % саңырауқұлақтар қамтиды [48, 49].

Мұнаймен ластанған топырақты фиторемедиация әдісімен тазалау технологиясы қарапайым, бірақ білікті мамандардың жұмыс жасауын талап етеді. Ол бірнеше кезеңдерден тұрады:

1. аймақтың ластану сипатын бағалау (төгілген заттың химиялық құрамын және топыраққа ену тереңдігінің дәрежесін анықтау, карта жасау);

2. фиторемедиацияның ең оңтайлы жобасын ойлап табу(өсімдіктің типтік құрамды түрін таңдау, яғни олар сол ластанған заттан тазартуға ең оптималды болып табылатын және сол жердің топырақ-климаттық жағдайларына келетін өсімдік түрлерін таңдау, олардың отырғызу сызбасын анықтау, қажетті агротехникалық шараларды таңдау, өсімдіктерді химиялық қорғау және қоректендіруді оптимизациялау);

3. өсімдіктерді отырғызу, өсіру (агротехникалық шаралар кешенін жүргізу, тұқымдық материалды және топырақты дайындау,минералды тыңайтқыштарды енгізу, қорғаныс құралдарын пайдалану);

4. белгіленген жердің мониторингі (мұнайдың химиялық компоненттерінің концентрациясын және таралуын анықтау, мұнайдың биодеградация жолдарын бақылау, ақпараттық сараптама мен болжамдар жүргізу).

Фиторемедиацияның экономикалық жағынан тиімділігі бұл технологияның ең негізгі аргументі болып табылады. Қазіргі таңда солтүстік американдық мұнай компаниялары мұнаймен ластанған топырақты инженерлік әдіспен тазалау үшін 10 $-дан 1000 $-ға дейін (1 м³ топырақ үшін) қаржы жұмсайды екен. BP Amoco компаниясының есептеуі бойынша 1 м³ ластанған топырақтың фиторемедиациясы үшін жылына 3$ жұмсалады. Бұл әдістің экономикалық жағынан арзан болуы неге байланысты? Себебі, өсімдіктер топырақты тазалауда табиғи құрал болып табылады және ол кәдімгі күн энергиясын пайдаланады. Қоршаған ортаның сақталуы мен жақсаруына, топырақты эрозиядан сақтауға өз ықпалын тигізеді.