Технология фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв
Институт фундаментальных проблем биологии РАН, Пущино, Россия
The peculiarities of technology of heavy metals phytoextraction from polluted soils have been considered. The technology is in growing specially selected plants' types for a specified time period on polluted areas in order to extract heavy metals by the roots from the soil and concentrate them in above the ground biomass with further utilization.
Введение
В настоящее время в индустриально развитых странах имеется большой спрос на экономичные и "мягкие" технологии ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами. К числу последних можно отнести фитоэкстракцию тяжелых металлов из почв путем выращивания на них специально подобранных видов высших наземных растений. Простота и дешевизна фитоэкстракции заключается в использовании обычных агротехнических приемов для выращивания растений на загрязненных участках.
Технология фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв
Технология фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв включает два этапа: подготовительный и собственно фитоэкстракцию. На первом этапе осуществляется идентификация загрязненного участка путем отбора почвенных проб для анализа на содержание тяжелых металлов и сопоставление результатов анализа с ПДК, ОДК или другими приемлемыми критериями [Salt et al., 1998; Sacco et al., 1999; Punshon, Adriano, 1999; Davies, Correll, 1999]. При этом определенное внимание уделяется анализу содержания подвижной формы тяжелых металлов в почве, т.е. доступной для растений, что решается разными авторами [Садовникова, Зырин, 1985; Brown et al., 1994; Rulkens et al., 1995; Ebbs, Kochian, 1997; Blaylock et al., 1999; Shen et al., 2001; Maxted et al., 2001], путем получения из нее различных вытяжек: водной, вытяжек ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4.8 или растворами 0.01 М и 1 н. Ca(NO3)2, 1 M NH4NO3, 1 М CaCl2, 0.01 М KNO3, диэтилентриаминпентауксусной кислоты и т.д. Одновременно с идентификацией участка, загрязненного тяжелыми металлами, целесообразно осуществлять поиск на местности эффективных растений-аккумуляторов металлов, характерных для данных почвенно-климатических условий и типа загрязнения, как потенциальных кандидатов для очистки почв [Rulkens et al., 1995]. Растения, которые используются для извлечения тяжелых металлов из загрязненных почв, должны отвечать ряду требований: быть толерантными к высоким концентрациям металлов, способными поглощать и аккумулировать несколько металлов одновременно в высоких концентрациях, эффективно их транспортировать из корневой системы в надземную пожинаемую биомассу, отличаться высокой скоростью роста и производить большую биомассу, иметь глубоко разрастающуюся корневую систему, высокую сопротивляемость к болезням и вредителям, быть отзывчивыми к обычной агротехнике, удобными для уборки и непривлекательными для домашних и диких животных, чтобы не вызывать случаи отравления и загрязнения пищевых цепей насыщенной тяжелыми металлами надземной биомассой [Summary report of a workshop on phytoremediation research needs, 1994; Ebbs, Kochian, 1997; Blaylock et al., 1999; Shen et al., 2001; Salt et al., 1995; Brown et al., 1995; Dushenkov et al., 1997; Blaylock et al., 1997; Watanabe, 1997; Srivastava, Purnima, 1998; Greger, 1999]. Следует отметить необходимость максимально возможного транспорта тяжелых металлов в надземную пожинаемую биомассу, поскольку уборка корневой биомассы, первоначально насыщаемой металлами, практически невозможна [Summary report of a workshop on phytoremediation research needs, 1994; Ковалевский, 1991].
Далее в лабораторных условиях, устанавливается приемлемая для фитоэкстракции концентрация тяжелых металлов в почве, что идентифицируется по отсутствию выраженных фитотоксических симптомов и летального исхода растений [Sinha, 1999]. Проводится поиск эффекторов фитоэкстракции, увеличивающих подвижность тяжелых металлов в почве, поглощение растениями, их транслокацию из корневой системы в надземную биомассу. Этот процесс носит название индуцируемой или стимулируемой фитоэкстракции в отличие от пассивной фитоэкстракции, при которой выращивают на загрязненном участке растения-гипераккумуляторы из числа диких видов, накапливающих более 1% содержания некоторых металлов в расчете на сухую надземную биомассу или в 100 раз больше, чем обычно обнаруживают в растениях [Summary report of a workshop on phytoremediation research needs, 1994; Salt et al., 1998; Lakatos et al., 1999]. В случае индуцируемой фитоэкстракции сельскохозяйственные культуры, отличающиеся большой биомассой и скоростью роста, но аккумулирующие относительно небольшие концентрации тяжелых металлов, увеличивают их накопление под действием хелатообразующих агентов (этилендиаминтетрауксусная, этиленбис (оксиэтилентриамин)тетрауксусная и другие кислоты), вносимых в почву при достижении оптимальной биомассы растений, что позволяет производить их кратный посев и возделывание в течение вегетационного периода. При пассивной фитоэкстракции растения-гипераккумуляторы, отличающиеся низкой биомассой и скоростью роста, накапливают тяжелые металлы в течение полного цикла их роста и развития [Salt et al., 1995; Nanda Kumar et al., 1995]. Индуцируемое поглощение тяжелых металлов из почвы – наиболее развивающийся способ, приобретающий коммерческий характер. В целом, полученная информация по загрязненному участку, потенциалу растений-аккумуляторов и эффекторов фитоэкстракции позволяет приступить на втором этапе непосредственно к очистке почв от тяжелых металлов in situ.
В общем виде технология индуцируемой фитоэкстракции in situ, на примере очистки загрязненной свинцом почвы, схематично представлена в работе Dushenkov et al. [1997], которая включает возделывание растений и добавление хелатообразующего агента с целью повышения растворимости металла в почве и состоит из процессов поглощения растворенного свинца корневой системой, передвижения растворенного металла в надземную часть растения за счет потока, создаваемого испарением воды листовой поверхностью растений [Blaylock et al., 1997].
Фитоэкстракции тяжелых металлов in situ предшествуют вегетационные опыты с ранее идентифицированными видами растений-аккумуляторов, а также с эффекторами поглощения в различных дозах [Blaylock et al., 1999]. Результаты этих опытов должны подтвердить в конкретных почвенных условиях эффективность извлечения тяжелых металлов данным видом растения, а также определить оптимальную дозу эффектора фитоэкстракции. Фитоэкстракция тяжелых металлов in situ заключается в выращивании растений-аккумуляторов с соблюдением всех правил агротехники, включающей обработку почвы, посев культуры, внесение удобрений, орошение, применение эффекторов фитоэкстракции по достижении растениями их оптимальной биомассы, уборку надземной биомассы через несколько дней или неделю, кратный посев культур в течение одного вегетационного периода и т.д. [Salt et al., 1998]. Содержание металлов и эффекторов фитоэкстракции в почве участка контролируют и результаты ремедиации представляют в виде картосхем. Важное значение имеет оценка экологических последствий применения эффекторов фитоэкстракции, например, путем анализа ферментативной активности почвы и наблюдения за миграцией комплекса хелатообразующего агента с тяжелыми металлами по почвенному профилю [Blaylock et al., 1999; Galiulin et al., 1999].
По Dushenkov et al. [1997] об эффективности фитоэкстракции судят по общему количеству тяжелого металла, ежегодно удаляемому из загрязненного участка и представляющему собой функцию концентрации металла в растении (в расчете на его сухую массу) и сухой массы растения, образованной в течение вегетационного периода. Ремедиацию почв, в частности сельскохозяйственных территорий, целесообразно проводить вплоть до достижения соответствующих ПДК или ОДК металлов [Dushenkov et al., 1997; Ernst, 1995]. Однако по мнению Felix et al. [1999] фитоэкстракция тяжелых металлов из загрязненных почв может иметь смысл, если время на достижение названной цели составляет не более 5 лет, а по Robinson et al. [1998] экономически целесообразным временем считается период < 10 лет. Завершающим этапом описанной процедуры фитоэкстракции является сбор и утилизация загрязненной тяжелыми металлами надземной биомассы растений [Salt et al., 1998].
Однако необходимо отметить также некоторые ограничения процесса фитоэкстракции, а именно: очистка почвы происходит обычно в пределах объема ризосферы, количество тяжелых металлов, которое может быть поглощено растениями, имеет максимум, ограниченный величиной продуцируемой надземной биомассы данным видом растения [Summary report of a workshop on phytoremediation research needs, 1994].
Заключение
Проведенный анализ литературных данных позволил определить некоторые ключевые моменты технологии фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв, а именно: 1) подбор среди культурных или местных диких растений видов, производящих большую биомассу и максимально аккумулирующих тяжелые металлы в надземной биомассе без выраженных признаков фитотоксичности, т.е. при умеренных концентрациях металлов; 2) сокращение времени очистки почвы от тяжелых металлов достигается путем внесения в нее по достижении оптимальной биомассы выращиваемых сельскохозяйственных культур эффекторов фитоэкстракции, главным образом хелатообразующих агентов, способствующих многократному увеличению накопления металлов в пожинаемой надземной биомассе; 3) пути утилизации последней выражаются в форме рекуперации из загрязненной биомассы ценных цветных металлов или ее использования в качестве биотоплива. В настоящее время становится необходимой полномасштабная апробация технологии фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв на различных территориях. Особое значение приобретает апробация данной технологии при восстановлении сельскохозяйственных земель в регионах с так называемой перекрывающейся (overlapping) промышленной и сельскохозяйственной деятельностью, что позволило бы возвратить загрязненные тяжелыми металлами дефицитные пахотные земли в севооборот [Summary report of a workshop on phytoremediation research needs, 1994; Greger, 1999; Ernst, 1995; Моцик и др., 1991; Галиулин и др., 2001]. Без сомнения, фитоэкстракция тяжелых металлов из почв будет иметь смысл только в случае полного прекращения загрязнения данной территории газо-пылевыми и другими выбросами техногенного происхождения.
Работа выполнена в рамках проекта № 01-05-96414, Р2001Урал, поддержанного грантом Российского фонда фундаментальных исследований совместно с Правительством Челябинской области.