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

Окончание таблицы 5.4.

Повышение эффективности фиторемедиации связывают с более глубоким изучением возможностей использования различных растений для удаления загрязнений, исследованием взаимодействий растений и микроорганизмов, путей трансформации загрязнений в растениях, эпифитной и ризосферной микрофлоры, фитотоксичности и биодоступности ксенобиотиков и их метаболитов, роли ферментов растений в трансформации ксенобиотиков, возможностей корневых экссудатов в изменении подвижности загрязнений, разработкой математических моделей и тест-систем, позволяющих оперативно оценивать биодоступность и фитотоксичность загрязнений, выбрать оптимальный комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, метод очистки, растения, оценить риски для окружающей среды и населения, обосновать нормативы очистки и прогнозировать ее результаты.

Весьма перспективной задачей является получение трансгенных растений современными методами генетической и клеточной инженерии со свойствами, повышающими их фиторемедиационные возможности. В этой связи много внимания уделяется получению высокоурожайных растений – гипераккумуляторов металлов. За основу берутся высокоурожайные растения, в которые вводятся гены, обусловливающие устойчивость растений к повышенным концентрациям тяжелых металлов, способность растений накапливать или трансформировать металлы в повышенных количествах. Так, работы, проведенные в США, позволили получить растения со встроенным бактериальным геном, способным переводить ионы ртути в металлическую ртуть, которая в дальнейшем может быть утилизирована существующими методами. В России в Институте молекулярной генетики РАН также проводились исследования по созданию трансгенных растений с бактериальными генами, обеспечивающими устойчивость к ртути, что позволило бы использовать эти растения для очистки загрязненных территорий. Расчеты показали, что трансгенные растения способны осуществлять очистку почвы от ртути в 200 и более раз быстрее. В частности, для удаления 10 т ртути на площади в 30 га в обычных условиях необходимо 1000 лет. При использовании разработанной технологии – достаточно 5 лет.

В США был предложен метод химической модификации растений для защиты их от гербицидов с помощью веществ-сафенеров. Сафенеры могут стимулировать синтез ферментов, кофакторов и субстратов, участвующих в метаболизме и детоксикации гербицидов. Так, беноксакор (4-дихлорацетил-3,4-дигидро-3- метил-2H-1,4-бензоксазин) стимулирует биосинтез ферментов, метаболизирующих превращение гербицидов алахлор и метолахлор в зерновых культурах, и защищает их при повышенных концентрациях гербицидов. Сафенеры могут найти применение и для стимулирования синтеза веществ у растений, участвующих в метаболизме и деградации других классов органических токсикантов, что может найти применение и в фиторемедиации.

5.4.10.Содержание практических работ при проведении фиторемедиации

В случае проведения фиторемедиации этапы практических мероприятий по очистке загрязненной территории или предотвращению миграции загрязнений не отличаются существенно от других способов биоремедиации.

Отличия заключаются в специфике подбора растений, более тщательном учете климатических факторов, характера существующей растительности, оценке плодородия почвы, состояния высаживаемых растений с учетом симптомов фитотоксичности, в уходе за растениями.

Важна глубина залегания грунтовых вод. При использовании фиторемедиации наилучшие результаты могут быть достигнуты, если верхний уровень грунтовых вод не ниже 3,5–4,0 м от поверхности почвы. Загрязнения должны быть доступны корням растений. Так, эффективное применение фитоэстракции и ризосферной биоремедиации возможно, если загрязнения находятся на глубине 0–0,4 м, фитозаградительных барьеров – 0–3,5 м.

Содержание загрязнений в почве не должно превышать уровень фитотоксичности.Загрязнения,присутствующиевподпочвенныхгоризонтахввидесвободной жидкой фазы (углеводороды и др.), обычно не могут быть удалены фиторемедиацией. В случае повышенной минерализации подпочвенной воды важно и содержание растворимых солей, которые не должны угнетать развитие растений.

Необходимо оценить и погодные условия, которые могут неблагоприятно сказываться на эффективности фиторемедиации.

По результатам маломасштабных тестовых экспериментов в лаборатории или в теплицах могут быть оценены фитотоксичность, скорость очистки и время фиторемедиации, необходимые агротехнические и мелиоративные мероприятия, наиболее подходящие растения, их устойчивость к заболеваниям, фитопатогенам, экстремальным погодным условиям, способ посадки и ухода за растениями, требуемое оборудование.

При проведении фиторемедиации важно обеспечить условия для хорошего развития растений и их защиты от фитопатогенов, вовремя и правильно провести посадку растений, сбор урожая, организовать регулярный мониторинг процесса очистки.

Механические и физико-химические свойства почвенной среды, такие как влажность, аэрирование, наличие питательных элементов, необходимые для развития растений, могут быть обеспечены ирригацией, дренированием загрязненной территории, пропашкой и/или орошением почвы, внесением удобрений, мелиорантов, структураторов, т. е. такими агротехническими мероприятиями, которые используются при выращивании растений сельскохозяйственного назначения. Однако при фиторемедиации агротехнические приемы могут быть более интенсивными. Их содержание и объем зависят от используемого метода фиторемедиации, ее целей, климатических условий и вида растений.

Ирригация территории проводится вручную или автоматическими спринклерами, включающимися по заданной программе, что требует установки необходимого оборудования, ухода за ним (прочистка и замена фильтров, распылительных насадок, удаление жиров и масел из труб и патрубков, поддержание

внадлежащем состоянии нагнетательных насосов, устранение механических повреждений). В засушливых зонах может потребоваться контроль содержания солей в подпочвенных горизонтах и периодическое переувлажнение почвы для их вымывания. Уход за такими очистными системами, как биопруды, гидроботанические площадки, искусственные болота, предусматривает непрерывный контроль равномерности распределения и уровня воды, периодический контроль и очистку водораспределительных трубопроводов, клапанов, коллекторов систем контроля уровня воды, уборку отмерших растений на водовыпускных переливах, удаление избытка осадков, ила. В зимний период необходимо контролировать толщину льда, не допускать промерзания трубопроводов. В ходе эксплуатации необходимо не допускать массового размножения нежелательных видов растений; в противном случае могут потребоваться очистка пруда или площадки и повторный засев требуемыми видами растений.

Почвенные мелиоранты вносятся для обеспечения оптимального pH (известкование, гипсование), улучшения структуры пахотного слоя (при внесении торфа, пищевых и кормовых отходов и других органических материалов) или изменения биодоступности загрязнений (например, внесением комплексообразователя ЭДТА при использовании фитоэкстракции). Удобрения вносятся в твердой или растворимой форме с орошающей водой. Используются и неорганические удобрения, и органические (навоз, компосты, ботва и т. п.). Если почвенные условия затрудняют доступность питательных элементов, например микроэлементов

визвестковых почвах, то удобрения вносят методом опрыскивания листвы. Своевременность сбора урожая особенно важна при фитоэкстракции. При

сборе используют обычную сельскохозяйственную технику. При этом важно обеспечивать своевременное и как можно более полное удаление растительных остатков, содержащих повышенные концентрации загрязнений (отмершие наземные части растений, листовой опад, пожнивные остатки и т. п.).

Если содержание загрязнений в фитомассе невелико, то она может быть использована в качестве топлива, переработана на корм при силосовании, в компост или другими способами. При высоком содержании загрязнений растительную массу необходимо высушивать, транспортировать и складировать на площадках захоронения.

Входе фиторемедиации часть растений может отмирать. В этом случае проводят повторную посадку. Это особенно важно при посадке деревьев, которые разрастаются медленно.

Вряде случаев для уменьшения контакта населения с загрязнениями очищаемую территорию огораживают (изгородями, защитными полосами). Для предотвращения миграции загрязнений с ливневыми водами выкапывают дренажные сливы и буферные пруды. Может потребоваться и обработка ливневых вод перед их спуском в водоем.

Содержание мониторинга при проведении фиторемедиации близко к таковому для других методов ремедиации, однако он может быть более длительным. По сравнению с выращиванием культурных растений для получения сельскохозяйственной продукции фиторемедиация более затратна, поэтому с целью получения положительного эффекта от вложенных средств при проведении фиторемедиации мониторингу уделяют повышенное внимание.

Вфиторемедиации мониторинг включает регулярный анализ образцов воды, почв, растительности.

Описание грунтовых и поверхностных вод может включать данные о глубине залегания грунтовых вод, содержании в воде загрязнений, других веществ, влияющих на развитие растений (например, содержание солей, фитотоксичных веществ, кислотность).

При анализе образцов почв особое внимание обращают на данные о механических свойствах, структуре почв, ее кислотности, содержании биогенных элементов, поскольку они могут указывать на возможные причины в ограничении развития растений, необходимость ирригации и дренирования загрязненного участка, направления миграции и биодоступность контаминантов. Могут потребоваться данные и о почвенных условиях в подповерхностных горизонтах (например, их водопроницаемости).

Анализ состояния растительности включает визуальную оценку и фотодокументирование (высота растений, плотность растительного покрова, признаки дефицита минеральных компонентов питания, заболевания растений, фитотоксичность, численность насекомых-вредителей и заболевших растений, характеристика видового состава и численности сорных растений) и хи- мико-аналитические измерения (содержание загрязнений, питательных элементов в растительных тканях, биохимические показатели, фитотесты на прорастание семян и выживаемость проростков, скорость роста корней

иназемных частей, диагностика фитопатогенов). При этом учитывают сроки и плотность посадки, возраст растений и другие факторы, которые характеризуют уже проведенные работы.

Фиторемедиация относится к долговременным мероприятиям, что нужно учитывать при планировании и проведении работ, согласовании мероприятий с органами экологического надзора, информировании общественности. Так, при использовании изолирующего растительного покрова важно обеспечивать его целостность и соответствующий контроль на протяжении длительного времени, наряду с культурными сортами по возможности использовать дикорастущие виды растений. Такой покров более устойчив к изменениям в результате неиз-

бежной естественной сукцессии, которая будет протекать в условиях контакта с соседствующими с покровом видами растений. Посадки на протяжении длительного времени необходимо оберегать от огня и болезней, не допускать выпаса животных и т. д.

Иногда фиторемедиационные работы не приводят к желаемым результатам, например, вследствие неблагоприятных почвенных и погодных условий, малой биодоступности загрязнений, медленного роста и гибели растений, подверженности заболеваниям, зарастания сорняками, воздействия насекомыхвредителей и т. п. Уплотнение почвы, низкая водоудерживающая способность, недостаток влаги или переувлажнение могут ограничить развитие растений, поэтому важно контролировать содержание почвенной влаги, исправность систем полива и дренажа.

Вредное воздействие оказывает засоление почвы, избыток ионов натрия по отношению к ионам кальция и магния. Условия неблагоприятны при содержании растворимых солей в почвенных вытяжках выше 1–2 г/л, ионов Na+ в воде орошения >70 мг/л, Cl– >50 мг/л, бора >3 мг/л.

Определенную опасность представляет образование макропор в почве в результате выкапывания ходов роющими животными, развития корней, пересыхания и растрескивания почвы и других факторов. В результате в глубь почвы могут переноситься загрязнения, снижая эффективность методов фитоэкстракции и фитодеградации, нарушается целостность систем, предназначенных для контроля миграции загрязений (в методах фитозаградительных барьеров и изолирующего растительного покрова).

Ограничения в биодоступности особенно существенны для гидрофобных загрязнений и тяжелых металлов. В таких случаях в почву могут вноситься комплексообразователи, поверхностно-активные вещества и другие добавки, которые повышают подвижность контаминантов. Эти мероприятия требуют тщательной проверки в тестовых экспериментах. При одновременном присутствии нескольких веществ-загрязнителей возможен синергический эффект их фитотоксического действия, что также должно учитываться при определении предельных уровней загрязнения для проведения фиторемедиации. Для снижения фитотоксичности металлов в почвы могут вносить известняк или фосфориты, связывающие и понижающие биодоступность их.

Для контроля за зарастанием сорняками и насекомыми-вредителями может потребоваться регулярный мониторинг их численности, а также применение химических средств, пестицидов, механическая или ручная прополка.

В первые несколько лет после высаживания растений особое внимание обращают на зарастание сорняками, поскольку этот фактор один из наиболее критичных в успехе всей ремедиации, особенно при использовании древесных пород растений. Для борьбы с сорняками возможны химические и механические средства. Обработку гербицидами следует проводить с учетом технологии применения их и чувствительности к ним используемых для фиторемедиации растений, вида и численности сорняков, поскольку последние неодинаково чувствительны к одним и тем же гербицидам. Гербицидный эффект может зависеть от типа почв, погодных условий и даже сортовых различий в пределах

одного и того же вида растений. Поэтому желательно, кроме учета информации фирмы – поставщика средств защиты растений, предварительно убедиться в положительном действии химической обработки в тестовых экспериментах.

Для борьбы с насекомыми необходим регулярный контроль их численности, например, с использованием прямого подсчета, феромонных ловушек

идругих средств. Химические инсектициды применяют периодически – при повышенной численности вредных насекомых. Для защиты растений могут использоваться и биологические средства – полезные насекомые, бактериальные, грибные, вирусные препараты. Сорта растений, акклиматизированные к местным условиям, более устойчивы к местным фитопатогенам, поэтому при прочих равных условиях предпочтительнее использовать их.

Определенную опасность для растений и фиторемедиационных систем представляют животные: кроты, мыши-полевки, бобры, дикие олени и др. Требуется регулярно контролировать их численность. Для защиты от грызунов могут использоваться ловушки, приманки и т. п., от крупных животных – изгороди, однако такие меры могут потребовать существенных затрат.

Впредельных случаях, когда позволяет ситуация, проводят повторный цикл подготовительных фиторемедиационных мероприятий и посадку растений, либо выбирают альтернативные варианты ремедиации. Если причины медленного развития растений выявлены и могут быть устранены, то возможно использование того же вида растений. При этом учитывают возможности для успешного роста вновь посаженных растений. Например, если причина неудачи – корневые заболевания растений, то проводят фумигационную обработку почвы, воздействующую на большинство групп возбудителей заболеваний корневой системы, используя пропаривание, биоцидные химические вещества

(CS2, CH2Br2, формалин, метилизоцианат и др.). Численность бактерий обычно восстанавливается после фумигации за несколько недель (до года), грибов – за несколько месяцев (до нескольких лет). Если использовались посадки гибридного тополя и часть растений выжила, то в случае повторной посадки тополя среди выживших растений используют высокорослые саженцы, а не короткоствольные, чтобы они успешно конкурировали с ранее высаженными. При использовании травянистого покрова для сохранения его целостности пересев трав на пораженных участках проводят вручную. Иногда перед пересевом целесообразна вспашка почвы, позволяющая более равномерно распределить

иснизить концентрацию загрязнений в почве до уровней, не угнетающих развитие растений. Если негативные воздействия сложно устранить, то может использоваться повторная посадка растений нескольких видов. Чем раньше выявляются неблагоприятные тенденции, тщательнее спланирован мониторинг

иконтролируется ход фиторемедиации, тем оперативнее будет выбор альтернативных решений, меньше затраты на очистные работы. Поэтому при планировании фиторемедиационных работ целесообразна подготовка альтернативного плана мероприятий. Для наиболее простых фиторемедиационных систем на основе травянистых растений без ирригации, дренажа, мониторинговых скважин будут наименьшие потери в случае перехода к другим технологиям ремедиации и наибольшие возможности в выборе альтернативных вариантов.

Ирригационные и дренажные устройства затруднят переход к ремедиации методом выемки загрязненного слоя. Посадки деревьев ограничат возможности использования методов экстракции загрязнений через скважины или колодцы, реакционно-активных барьеров, поскольку корни деревьев будут проникать в стенки этих сооружений и разрушать целостность их, поэтому перед проведением этих работ потребуется выкорчевать деревья. С другой стороны, часть мониторинговых скважин и других систем созданной инфраструктуры для контроля загрязнений может быть использована и при переходе к альтернативным технологиям.

С учетом длительности процессов фиторемедиации необходимы широкое информационное обеспечение проводимых мероприятий, постоянный контакт с контролирующими административными органами, общественностью, инвесторами, чтобы у них не создавалось впечатление, что средства, затрачиваемые на фиторемедиацию, не приводят к существенным положительным результатам. Успех такого диалога зависит от выбранных методик оценки экологического риска и соответствующих расчетов на их основе.

Воценке экологического риска (см. разд. 12.3) при использовании фиторемедиации учитывают не только снижение ущерба здоровью населения, риска для животных, обитающих на загрязненной территории, но и факторы, обусловленные изменением ландшафта, биоразнообразия, функций восстанавливаемой экосистемы.

Вслучае фиторемедиации наряду с ключевыми факторами, обусловливающими риск, выявляют новые пути поступления загрязнений в результате возросшей привлекательности участков с растениями для животных. Учитывают сроки очистки, поступление и распространение загрязнений по пищевым цепям, включая конечного консумента – человека. Так, можно рассмотреть долю загрязнений, переносимых в результате питания загрязненной растительностью первичных консументов, травоядных животных, непосредственно человеком, загрязнений, переносимых по цепям хищников и т. п. Важны и количество времени, проводимого травоядными и хищниками на загрязненном участке, доля загрязненных растений в рационе питания, какие части растений преимущественно потребляются, биодоступность загрязнений в составе растительных или животных тканей, способность организма животных и человека трансформировать, разлагать или метаболизировать токсиканты.

Во внимание нужно принимать и вторичные пути распространения загрязнений в результате ингаляционного, дермального контактов животных с загрязнениями (птицы могут активно гнездиться на гидроботанических площадках, среди посадок растений, предназначенных для фиторемедиации, использовать части загрязненных растений, опавшие листья в качестве материала для гнезд; роющие животные контактируют с загрязненной почвой при выкапывании подземных нор, другие животные какое-то время могут находиться в загрязненных воде, почве, осадках и т. п.). Как правило, молодые животные более чувствительны к загрязнениям, чем взрослые особи. Загрязнения могут распространяться с пылью, осаждаться на наземных частях используемых растений, что также следует учитывать при оценке экологического риска. В целом данных

для детального анализа риска в случае фиторемедиации относительно мало, поэтому методика расчета обычно существенно упрощенная и должна быть адаптирована к конкретной ситуации.

При оценке экологических рисков, обусловленных изменением ландшафта, биоразнообразия, важно определить, какие функции будет выполнять восстанавливаемая территория, будет ли она в дальнейшем «уголком дикой природы» или урбанизированным ландшафтом, как будут влиять интродуцированные растения и поселяющиеся среди них насекомые, птицы, различные животные на окружающие территории, целесообразно ли использовать для очистки монокультуры или несколько видов растений, какие варианты посадок деревьев лучше для эстетического восприятия ландшафта и т. п.

В конечном итоге важно, чтобы польза от использования очищаемой территории в рекреационных целях превышала экологические риски от пребывания на ней человека и животных (например, польза от привлечения определенных видов птиц на загрязненный участок и повышения их численности может превысить риск преждевременной гибели небольшой части популяции птиц). Анализ рисков важен для обсуждения возникающих проблем с общественностью и контролирующими административными органами и выбора оптимальных решений.

5.4.11.Затраты на фиторемедиацию

В целом фиторемедиация менее затратна по сравнению с такими традиционными технологиями, как выемка грунта, термическая десорбция или депонирование на полигонах захоронения. Расходы в значительной степени зависят от конкретных условий при очистке загрязненной среды.

При очистке почвы с помощью растений основные составляющие затрат такие же, как и для многих других методов ремедиации. Дополнительно при полномасштабном проектировании учитывают вид и видовой состав растений, возраст, размер и форму саженцев, способ доставки и посадки, возможность получения необходимого числа саженцев, их акклиматизации, устойчивость к заболеваниям и пестицидам, трудоемкость посадки и т. д. Единовременные затраты должны предусматривать затраты на посадку растений (покупка, доставка и посадка растений, аренда или покупка оборудования для посадки). Также необходимо учесть и затраты на повторную посадку растений взамен отмерших, утилизацию загрязненной фитомассы, отмерших остатков растений. Затраты на реабилитацию очищенного участка могут отсутствовать, поскольку в отличие от других методов, при использовании фиторемедиации реабилитация участка происходит по мере протекания процессов очистки. Однако при использовании однолетних культур (например, сарептской горчицы) по завершении работ может потребоваться высев многолетних растений.

В табл. 5.5 приведена примерная структура затрат для двух вариантов при очистке почв с использованием фиторемедиации:

вариант 1 – ризосферная биоремедиация территории бывшей нефтебазы площадью 0,4 га, загрязненной углеводородами нефти с содержанием

загрязнений 1,5% в верхнем слое грунта 0–0,6 м, ожидаемая продолжительность очистки 5–10 лет; вариант 2 – фитозаградительный барьер совместно с реакционным ба-

рьером для предотвращения миграции трихлорэтилена с грунтовыми водами на участке площадью 2 га, ожидаемая продолжительность функционирования 30 лет.

Накопленный опыт работы показывает, что использование, например, метода фитоэкстракции свинца из почвы позволяет в среднем уменьшить затраты в 2–6 раз по сравнению с методом выемки и складирования грунта на полигонах; использование ризосферной биоремедиации, фитодеградации и фитозаградительных барьеров для борьбы с загрязнением почвы органическими растворителями снижает затраты в 2–3,5 раза по сравнению с методом промывки почвы и обработки грунтовых вод; использование ризосферной ремедиации при очистке почвы, загрязненной нефтью и нефтепродуктами – в 5–10 раз по сравнению с методом выемки и складирования грунта на полигонах. Общий объем финансовых затрат на фиторемедиационные работы в Северной Америке и Европе оценивается в 1–2 млрд долл.

Глава 6

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОЗЕРНЫХ ЭКОСИСТЕМ

6.1.Антропогенное нарушение озерных экосистем

К озерным экосистемам относятся экосистемы замкнутых поверхностных водоемов (озера, пруды) и водохранилищ.

В наибольшей степени к антропогенному воздействию уязвимы малые бессточные озера с непроточной водой: они нередко являются приемниками различного вида сточных вод, в них наиболее интенсивно накапливаются загрязняющие вещества, протекают процессы эвтрофикации, закисления и заиления. Озера, которые являются местом отдыха населения, испытывают еще и рекреационную нагрузку. Все это влечет за собой глубокие и часто необратимые изменения озерных экосистем, нарушает их функционирование, ухудшает качество воды.

Водохранилища создаются для использования в народном хозяйстве: для регуляции стока рек, водоснабжения, создания напора воды в гидроэнергетических сооружениях, для орошения, судоходства, рыбного хозяйства и отдыха. Подъем уровня воды в водохранилищах приводит к поступлению с затопленной территории дополнительного количества продуктов смыва, биогенных и загрязняющих веществ, развитию эрозионных процессов, уменьшению водообмена. Для равнинных водохранилищ характерны большая площадь поверхности и малая глубина, и их экосистемы в такой же степени уязвимы, как и естественных озер.

Негативные изменения в озерных экосистемах, обусловленные антропогенным воздействием, могут проявляться как:

эвтрофикация,

зарастание сорными растениями и водорослями,

заиление,

загрязнение органическими ксенобиотиками и тяжелыми металлами,

закисление,

тепловое загрязнение,

искусственное изменение уровня воды,

рекреационные.

Эвтрофикация наблюдается при избыточном содержании биогенных элементов – азота и фосфора в водоеме. В естественных условиях содержание биогенных элементов сбалансировано и обеспечивает равновесие и постоянство структуры водного ценоза. Восполнение и обогащение водоема биогенными элементами и поступление с суши наносов происходят постепенно и достаточно медленно. Медленно и упорядоченно протекают и сукцессионные изменения.