Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Скорость разложения загрязнений в ризосфере в общем случае зависит от концентрации загрязнений и численности ризосферных микроорганизмов. Поскольку общую численность микроорганизмов-деструкторов в почве определить довольно сложно, ее условно принимают постоянной и описывают убыль загрязнения уравнением первого порядка.

где MD – количество органического вещества, разлагающегося в единицу времени, мг/сут, X – численность активных клеток-деструкторов, кл./л или г/л, k – константа деградации, л/кл. сут, k'bio – константа деградации псевдопервого порядка, сут–1.

Процесс ризодеградации может протекать одновременно с фитодеградацией, фитотрансформацией, фитоиспарением, что необходимо учитывать при построении кинетических моделей фиторемедиации. Так, Буркин и Шнур (Burken, Schnoor, 1996), изучавшие поглощение гербицида атразина тополем, учитывали, что часть загрязнения может поступать в растения с транспирационным потоком (MT), часть минерализоваться почвенными микроорганизмами (MD), оставаться в водной фазе почвы (Aaq), находиться в биодоступной форме, связанной с твердой почвенной матрицей (AfS), в труднодоступной форме в виде связанных остатков (AsS), и описывали изменение содержания атразина системой линейных дифференциальных уравнений первого порядка:

почвы,

[A]sS – концентрация атразина в твердой фазе почвы, образующего связанные остатки, мг/г почвы,

e – безразмерный коэффициент потребления, характеризующий сорбцию атразина корнями (TSCF), диффузионные ограничения в переносе загрязнения из твердой фазы в водный раствор,

Q– содержание влаги в почве, л воды/л почвы,

- – объемная плотность почвы, г почвы/л,

k1 – коэффициент, характеризующий обратимую адсорбцию атразина в твердой фазе почвы, сут–1,

k2 – коэффициент, характеризующий обратимую десорбцию атразина с твердой фазы почвы, сут–1,

k3 – коэффициент, характеризующий образование связанных остатков, сут–1,

k4 – коэффициент, характеризующий медленную десорбцию связанных остатков, сут–1, k5 – коэффициент, характеризующий минерализацию атразина в водной фазе, сут–1,

k6 – коэффициент, характеризующий минерализацию атразина в сорбированной форме, сут–1.

Уравнения (5.2), (5.4), (5.6), (5.8), (5.9–5.13) позволяют оценить время, необходимое для очистки загрязненного участка. Более сложные модели учитывают не только распределение и транспорт загрязнений, но и транспорт кислорода (для аэрирования ризосферной зоны), содержание биогенных элементов и другие факторы.

5.4.4. Фитостабилизация

Фитостабилизация – использование растений для уменьшения мобильности загрязнений в почве, их выщелачивания в грунтовые воды, распространения с водными или воздушными потоками, а также по пищевым цепям. Наиболее часто фитостабилизацию применяют для уменьшения подвижности тяжелых металлов (Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn) и мышьяка. В результате физико-химических или химических процессов, протекающих в прикорневой зоне, металлы адсорбируются или осаждаются вблизи или на корнях растений в виде карбонатов, сульфидов, фосфатов или гидроксидов. Наряду с процессами осаждения и адсорбции загрязнений, снижения скорости фильтрации поверхностных вод, содержащих загрязнения, в глубь почвы, при фитостабилизации снижается эрозия почв, что также ограничивает миграцию поллютантов в окружающей среде. Другое применение фитостабилизации – снижение миграции загрязнений с полигонов отходов, мусорных свалок и т. п.

Фитостабилизацию часто рассматривают как один из этапов рекультивации почвы, восстановления нарушенных почвенных экосистем и применяют совместно с известкованием, внесением органических удобрений, мелиорантов, структураторов для понижения кислотности почв, фитотоксичности тяжелых металлов и улучшения условий роста растений. Для этих целей предлагается использовать фосфаты, синтетические смолы, глины, такие как бентонит, золу, цеолиты, тетрен (тетраэтиленпентамин), модифицированные алюмосиликаты

игидроксиды Fe, Al, Mn, компосты.

Вфитостабилизации используют растения, устойчивые к загрязнениям, способные быстро образовывать плотный растительный (травянистый) покров

ииммобилизовать загрязнения в почве в результате интенсивного корневого обмена или осаждения. Эти растения должны обладать низкой способностью к аккумуляции загрязнений в наземной зеленой массе, чтобы избежать необходимости переработки убранной загрязненной фитомассы.

Для фитостабилизации используются такие устойчивые к тяжелым металлам сорта трав, как: полевица тонкая (Agrostis tenuis, cv. Goginan) – на кислых почвах, загрязненных свинцом и цинком; A. tenuis, cv. Parys – на почвах, загрязненных медью; полевица волосовидная (Agrostis capillaris), овсяница красная (Festuca rubra, cv. Merlin) – на известкованных почвах, загрязненных свинцом и цинком,

атакже некоторые бобовые.

Вфитостабилизации могут быть использованы и растения – гипераккумуляторы металлов. Так, для устранения выщелачивания металлов из почв в грунтовые воды была предложена сарептская горчица (Brassica juncea). Трехнедельная рассада сарептской горчицы, растущая на песчано-перлитовой смеси, содержащей 625 мкг/г Рb, снижала уровень свинца в выщелачиваемом субстрате с 740 мкг/мл до 22 мкг/мл. В корнях сарептской горчицы реакционноактивный и токсичный Cr(VI) переводился в более инертный и менее токсичный Cr(III).

Фитостабилизация для уменьшения риска проникновения загрязнений в окружающую среду, особенно на больших площадях, является менее затратной, чем фитоэкстракция. Это обусловлено меньшими затратами на переработку и использованием менее загрязненной растительной массы. Кроме того, при фитостабилизации наземную фитомассу и продукты ее переработки можно в последующем запахивать в почву загрязненного участка. В этом случае уменьшается общее количество отходов, увеличивается содержание органического вещества в почве, улучшаются почвенные условия, образуется «чистый» почвенный слой, очищенный от контаминантов, что снижает риск распространения загрязнений. Однако фитостабилизация не приводит к уменьшению количества загрязнений в окружающей среде, поэтому необходим мониторинг загрязненных участков с отслеживанием миграции и трансформации поллютантов и предотвращения их проникновения в грунтовые или поверхностные воды и атмосферу.

5.4.5. Фитозаградительные барьеры

Фитозаградительные барьеры сооружают на пути миграции массы загрязнения, находящейся в верхних горизонтах почвы, или загрязненной верховодки для замедления скорости движения или изменения его направления. Одновременно при движении через фитобарьер часть загрязнения может разлагаться. Такая технология может использоваться для удаления углеводородов нефти (за исключением случаев миграции углеводородов в виде свободной фазы), BTEX-соединений, хлорорганических растворителей (ТХЭ и др.), неорганических соединений азота и фосфора. В качестве растений используют деревьяфреатофиты или хорошо развивающиеся в условиях обводнения: гибридный и трехгранный тополя (Populus deltoides), иву (Salix), осину (Populus tremula), ясень (Fraxinus), ольху (Alnus), болотный кипарис (Taxodium distichum), березу (Betula) и др. Особенность таких растений – их корневая система разрастается, достигает уровня грунтовых вод и способна поглощать воду в капиллярной зоне.

Одно зрелое растение-фреатофит может испарять до 2–4 м3 воды в год; посадки таких растений – до 10000–15000 м3/га в год. При этом может наблюдаться понижение (депрессия) верхнего уровня грунтовых вод, а с этим меняться направление и скорость движения загрязнений – происходит миграция загрязненных грунтовых вод в направлении конуса депрессии – к корням растений. Одновременно создаются условия для аэрации верхнего почвенного горизонта, поглощения загрязнений растениями и/или биотрансформации загрязнений в ризосферной зоне. Если загрязнения не поглощаются растениями и транспирационный поток достаточно велик, то концентрация их в прикорневой зоне может возрастать. В случае, если количество испаряемой воды превышает количество атмосферных осадков, фитозаградительный барьер предотвращает миграцию загрязнений в глубь почвы.

Для сооружения фитозаградительного барьера деревья высаживают или в ряд перпендикулярно фронту движения загрязнения, или непосредственно над зоной наибольшего загрязнения с плотностью 3000–4000 деревьев на 1 га. Используют заглубленную посадку на глубину 1,5 м и более, для того чтобы ускорить развитие и обеспечить доступ корней в капиллярную зону и к загрязненной грунтовой воде. С помощью дополнительных ирригационных мероприятий можно увеличить продолжительность пребывания загрязнений в прикорневой зоне.

Фитозаградительные технологии в большинстве случаев эффективны только в летний сезон при уровне грунтовых вод выше 3,5–4 м и при скорости миграции загрязнений с грунтовыми водами, не превышающей скорость изъятия их растениями. Поэтому часто фитобарьеры используют совместно с физическими сорбционными барьерами.

Для создания фитозаградительных барьеров на городских территориях, вдоль автомагистралей с целью защиты воздушной и водной сред могут использоваться растения, устойчивые к засолению, загазованности, задымлению, выбросам тяжелых металлов, повышенному содержанию озона.

Засоление является одним из факторов природного или антропогенного загрязнения окружающей среды. Как антропогенный фактор, засоление наиболее часто встречается при нерациональной организации полива на полях возделывания сельскохозяйственных культур, нарушении правил строительства или эксплуатации ирригационных систем, в частности, в засушливых регионах с жарким климатом. В городах засоление происходит при чрезмерном использовании противогололедных средств – расход этих средств за зимний сезон может достигать 3–5 кг/м2. При содержании хлоридов в почве 10–20 мг/кг содержание их в почвах вдоль городских автомагистралей и улиц может достигать уровня среднего засоления (5000–10 000 мг/кг). Такое засоление является пределом для нормального роста и развития большинства видов древесной растительности и газонных трав, традиционно используемых в озеленении городов. Так, липы (Tilia) могут переносить без видимых повреждений содержание хлоридов в почве лишь до 70 мг/кг.

С увеличением содержания солей, минерализации почвенных растворов осмотическое давление, обеспечивающее передвижение воды в корни растений, уменьшается. В результате нарушается водно-солевой обмен и растения ис-

пытывают дефицит влаги. Повышенное содержание ионов солей в почвенном растворе приводит к накоплению их в цитоплазме клеток в избыточном количестве, нарушению баланса различных ионов в клетках. Все это отрицательно действует на растения, вызывает у них различные биохимические изменения: нарушается дыхание, фотосинтез, водный обмен, поглощение питательных веществ корнями растений и их последующие процессы метаболизма. В результате происходят и морфофизиологические изменения: наблюдаются массовое повреждение листьев и их преждевременная потеря, усыхание кроны деревьев, нарушение целостности их коры, угнетение развития подроста, задержка цветения и, наконец, гибель растения.

Наиболее чувствительны к содержанию соли молодые посадки: растения становятся слабыми и легче подвергаются различным заболеваниям.

Из деревьев, которые наиболее часто используются в озеленении городов умеренной климатической зоны, самой чувствительной к соли является береза, затем тополь, клен (Acer) и липа. Наиболее устойчив – каштан (Castanea).

5.4.6. Изолирующий растительный покров

Для контроля инфильтрации атмосферных вод и изоляции мест захоронения промышленных, бытовых и других отходов, твердых осадков, извлеченных донных илов от проникновения дождевых и талых вод вместо глиняных, цементных, асфальтовых, геосинтетических покрытий может использоваться почвенный покров с растениями. Растения изменяют водный баланс на участках захоронения, уменьшают поверхностный сток и смыв грунтового покрова, а в результате эвапотранспирации – снижают количество дренажных вод и выщелоченных загрязнений. Рост корней увеличивает порозность почвы и ее водоудерживающую способность, что способствует удерживанию влаги и уменьшает миграцию грунтовых вод в зимний период. Весной накопленную за зиму влагу растения изолирующего покрова испаряют, а талые воды не успевают проникнуть в глубь покрова и не контактируют с отходами.

Эффективность технологии изолирующего растительного покрова определяется глубиной проникновения и плотностью корней, гидравлической проводимостью отходов и почвы в местах захоронения, скоростью роста растений, климатическими условиями, такими как влажность, солнечная инсоляция, скорость ветра, количество осадков. Эта технология дешевле и особенно эффективна в условиях засушливого климата, при которых высока вероятность нарушения целостности глиняного покрова вследствие иссушения и растрескивания глины, а также в зонах умеренного климата, где основная масса осадков выпадает весной и летом.

Требования, предъявляемые к растениям для создания изолирующего покрова:

повышение степени изоляции, в частности, путем стабилизации почвенного покрова, повышенной эвапотранспирации; отсутствие угрозы нарушения целостности покрова;

Вризофильтрации используют корневую систему растений и их проростки (метод бластофильтрации) для удаления тяжелых металлов (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn), радионуклидов (Cs, Sr, U, Pu) и реже – органических ксенобиотиков из загрязненных стоков, поверхностных или грунтовых вод, омывающих корни растений. Токсичные металлы абсорбируются на поверхности и в тканях корней, осаждаются и концентрируются в прикорневой зоне.

Идеальное растение для ризофильтрации должно иметь быстрорастущую корневую систему, способную поглощать токсичные металлы из раствора на протяжении длительного времени с высокими коэффициентами сорбции и поглощения загрязнения. В отличие от растений, применяемых для фитоэкстракции, для уменьшения загрязненной и требующей дальнейшей переработки фитомассы растения, используемые для ризофильтрации, должны иметь низкую способность к транслокации тяжелых металлов в стебли и листья. Подбор таких растений облегчается тем обстоятельством, что способность к транслокации тяжелых металлов в наземные побеги варьируется у растений сильнее, чем их способность к аккумуляции металлов в корнях.

Ризофильтрацию проводят с использованием наземных растений, выращиваемых в условиях гидропонной культуры. В этих условиях по сравнению

сводными макрофитами у наземных растений образуется корневая система с большей массой и поверхностью. Растения первоначально высаживают в лотки, омываемые чистой водой, или в почву. После того как корневая система достаточно хорошо развилась, растения распределяют в лотках и омывают водой при постепенном повышении содержания загрязнений. Металлы аккумулируются в корневой системе. Затем корни собирают, высушивают, компостируют, озоляют, а получаемые компактизированные остатки при необходимости подвергают дальнейшей обработке и/или захоранивают.

На гидропонике можно вырастить большую массу плотно упакованных корней, при этом продуктивность таких растений, как сарептская горчица, рожь, пшеница, подсолнечник, может составлять более 1,5 кг сухой массы на м2 в месяц. Исследования растений с большой корневой системой показали, что многие из них обладают природной способностью к абсорбции и осаждению тяжелых металлов из растворов, причем аккумуляция тяжелых металлов может достигать 60% от сухой массы корней растений.

Вкачестве растений, успешно апробированных в методе ризофильтрации, хорошо зарекомендовали себя подсолнечник (Helianthus annuus) и горчица сарептская (Brassica juncea). Корни подсолнечника могут в течение 24 ч в сутки поглощать Cr(VI), Mn, Cd, Ni и Сu из воды и снижать их концентрацию до уровня ПДК. Похожие результаты были получены для U(VI), Pb, Zn и Sr. Коэффициент биологического поглощения урана корнями подсолнечника составля-

ет 30000, 137Cs – 8000, 90Sr – 2000. В одном из исследований было обработано более 200 тыс. л грунтовых вод, загрязненных ураном. Уран концентрировался в тканях корней (до 1% от сухой фитомассы корней) и не накапливался в стеблях и листьях. Степень удаления урана из загрязненных вод достигала 99% (Dushenkov et al., 1997).

содержание загрязнений относительно невелико. Основные преимущества этих методов – низкие затраты по сравнению с другими методами, экологическая совместимость, благоприятное воздействие на ландшафты и их эстетическое восприятие. Целостность природных биотопов при этом не нарушается. Они могут использоваться для реабилитации территорий, измененных индустриальной деятельностью. Совместное использование микробиологической ремедиации и фиторемедиации позволяет одновременно очистить почву и осуществить рекультивацию загрязненного участка. Таким образом, фиторемедиация используется в тех случаях, когда:

большее значение имеет стоимость очистки, чем ее продолжительность;

необходимо предотвратить миграцию загрязнений;

большие площади загрязнений;

на заключительных стадиях ремедиационных работ;

необходимо достигнуть и рекреационных целей с восстановлением ландшафта, его экологических функций и эстетического восприятия.

Главный недостаток фитометодов – низкие скорости очистки. Для очистки загрязненных вод необходимо выделять большие территории под сооружаемые биопруды или гидроботанические площадки. Для очистки почв методами фитоэкстракции и фитодеградации может потребоваться 10 лет и более. Даже такой самый эффективный гипераккумулятор, выявленный на сегодняшний день, как ярутка (Thlaspi caerulescens), очищает загрязненный участок лишь за 10–20 лет непрерывного культивирования. Очистка ризосферной биоремедиацией может потребовать от 2 до 10 лет. Поэтому фиторемедиация не используется для загрязненных участков, которые представляют непосредственный риск здоровью населения или угрозу окружающей среде и требуют немедленной очистки.

По сравнению с небиологическими методами фиторемедиация чувствительна к многим факторам: погодным условиям, заболеваниям растений, неправильно проведенным агромелиоративным работам, планировке и технологии посадки растений, уходу за растениями и др. Холодный сезон, специфичность условий, длительность фиторемедиации затрудняют получение данных о ее эффективности, достигаемых уровнях очистки, наиболее оптимальных решениях и технологиях и т. п.

Предельные концентрации загрязнений в почве, пригодной для фитореме-

Застарелые загрязнения проявляют меньшую токсичность по сравнению с недавней контаминацией. Токсичность растворенных форм загрязнений выше, чем сорбированных в почве.

Большинство растений, используемых для фиторемедиации, распространяют свои корни до глубины 0,3–10 м, поэтому загрязнения, находящиеся достаточно глубоко в почве, становятся недоступны растениям.

Растения хорошо развиваются только при благоприятных почвенных условиях (структура почв, водоудерживающая способность, pH, хорошая аэрация и др.), должны иметь доступ к достаточному количеству воды для поддержания роста и метаболизма, поэтому для повышения эффективности фиторемедиации может потребоваться внесение в почву различных мелиорантов, структураторов, других материалов, а на засушливых местах – ирригация.

Фиторемедиация неэффективна, если загрязнения находятся в природной среде в виде самостоятельной фазы. Эффективность растений при изъятии некоторых поллютантов, например диоксинов, невысока, что приводит к загрязнению грунтовых вод. Наконец, ксенобиотики, поглощенные растениями, могут распространяться по пищевым цепям. Накопление загрязнений в растительной массе в опасных концентрациях и возможность поступления их в пищевые цепи консументов ограничивают использование методов фитоэкстракции, фитотрансформации и фитодеградации.

В случае если участок загрязнен несколькими веществами, могут одновременно использоваться посев нескольких видов растений и разные методы фиторемедиации (например, фитостабилизация, фитоэкстракция и фитотрансформация).

Табл. 5.4 отражает наиболее предпочтительные варианты детоксикации некоторых органических загрязнений методами фиторемедиации.

Умеренно гидрофобные органические соединения (такие как атразин, ТХЭ, BTEX-соединения) легко извлекаются и транспортируются растениями. Летучие органические соединения (ТХЭ, бензол) могут метаболизироваться и/или испаряться листьями. ТНТ плохо проникает в растения, но связывается корнями и трансформируется в корневой зоне. Соединения с высокой степенью гидрофобности (ПАУ, ПХБ) трансформируются и разлагаются в ризосфере. Трансформации их способствуют корневые экссудаты, однако полная минерализация таких токсикантов протекает медленно.

Таблица 5.4.

Наиболее предпочтительные варианты обезвреживания некоторых органических загрязнений методами фиторемедиации