ФИТОРЕМЕДИАЦИЯ,  КАК  СПОСОБ  ОЧИСТКИ  ПОЧВ,  ЗАГРЯЗНЕННЫХ  CU,  NI,  ZN

Брюзгина  Ангелина  Леонидовна

студент  5  курса,  кафедра  органической  и  аналитической  химии  СФУ,  г.  Красноярск

E-mail: 

Лидия  Георгиевна  Бондарева

научный  руководитель,  канд.  хим.  наук,  доцент  СФУ,  г.  Красноярск

Тяжелые  металлы  относятся  к  числу  наиболее  опасных  химических  загрязняющих  веществ.  Избыточное  поступление  металлов  в  экосистемы  в  результате  антропогенного  воздействия  часто  приводит  к  необратимым  изменениям  и  нарушениям  жизненно  важных  функций  живых  организмов.  Важно  отметить,  что  загрязнению  тяжелыми  металлами  подвергается  не  только  почвенный  покров,  но  и  гидросфера  и  атмосфера.  В  силу  этого  повышение  концентрации  твердых  металлов  в  окружающей  среде  носит  глобальный  характер.  Избыток  металлов  в  среде  обитания  приводит  к  накоплению  растительными  организмами,  при  этом  уровень  и  характер  поглощения  у  разных  видов  растений  имеет  свою  специфику.

Одним  из  способов  эффективной  очистки  почв  от  тяжелых  металлов  является  фиторемедиация. 

Восстановление  окружающей  среды  при  помощи  растений  вызывает  широкий  интерес  благодаря  возможностям,  которые  открывает  эта  технология  при  очистке  загрязненных  территорий.  За  последние  десять  лет  фиторемедиация  приобрела  большую  популярность,  что  отчасти  связано  с  её  низкой  стоимостью.  Так  как  в  процессе  фиторемедиации  используется  только  энергия  солнца,  данная  технология  на  порядок  дешевле  методов,  основанных  на  применении  техники  (экскавация,  промывка  и  сжигание  почвы).  То,  что  данная  технология  применяется  прямо  в  районе  загрязнения,  способствует  снижению  затрат  и  уменьшению  контакта  загрязненного  субстрата  с  людьми  и  окружающей  средой. 

Фиторемедиация  загрязнённых  почв  и  осадочных  пород  уже  применяется  для  очистки  военных  полигонов  (от  тяжелых  металлов,  органических  поллютантов),  сельскохозяйственных  угодий  (пестициды,  металлы,  селен),  промышленных  зон  (органика,  металлы,  мышьяк),  мест  деревообработки.  Однако  на  сегодняшний  день  практически  отсутствуют  научно  обоснованные  критерии  для  выбора  растений  с  точки  зрения  их  потенциальной  способности  к  фиторемедиации  почв. 

Цель  исследования  —  оценить  возможность  использования  цветочной  культуры  петуния  (лат.  Petunia)  для  фиторемедиации  почв  пригорода  Красноярска,  загрязненных  тяжелыми  металлами  (Cu,  Ni,  Zn). 

Для  достижения  этой  цели  были  поставлены  следующие  задачи: 

·     Провести  отбор  проб  почвы  в  пригороде  г.  Красноярска  (п.  Березовка,  с.  Есаулово).

·     Составить  план  эксперимента  и  провести  предварительную  подготовку  проб  почв.

·     Провести  модельный  опыт  по  адаптации  растений  в  почве  с  добавлением  никеля  (Ni),  меди  (Cu)  и  цинка  (Zn)в  лабораторных  условиях. 

·     Провести  химический  анализ  почв,  сравнить  содержание  меди  и  никеля  в  контрольных  и  опытных  образцах. 

Фиторемедиация  (от  греч.  «фитон»  —  растение  и  лат.  «ремедиу»  восстанавливать)  —  технология  очистки  окружающей  среды  с  помощью  растений  и  ассоциированных  с  ними  организмов  [1]. 

Фиторемедиация  является  новой  экономически  эффективной  и  экологически  чистой  технологией,  которая  использует  растения  для  удаления,  преобразования  или  стабилизации  различных  загрязнителей  в  воде,  донных  отложениях  или  почве  [2]. 

Преимуществами  фиторемидиации  являются:  эффективность,  низкая  стоимость,  широкий  спектр  поглощаемых  загрязняющих  веществ,  а  также  экологичность.  Фиторемедиация  как,  возможно,  самая  чистая  и  дешевая  технология  может  быть  использована  в  восстановлении  отдельных  опасных  участков.  Фиторемедиация  включает  в  себя  целый  ряд  различных  методов,  которые  могут  привести  к  деградации  загрязнений.  Эта  технология  в  последнее  время  привлекает  к  себе  внимание  в  качестве  инновационной,  экономически  эффективной  альтернативой  более  опасных  существующих  методов.  Фиторемедиация  дешевле,  чем  обычные  физико-химические  методы,  поскольку  она  не  требует  дорогостоящего  оборудования  и  высококвалифицированного  персонала. 

Она  является  эффективной  для  больших  объемов  воды  с  низкой  концентрацией  загрязняющих  веществ  и  для  больших  территорий  от  низкой  до  умеренно  загрязненной  почвы.  Фиторемедиация  применима  для  широкого  спектра  токсичных  металлов  и  радионуклидов,  а  также  для  других  неорганических  загрязнителей  и  широкого  спектра  органических  токсикантов. 

Еще  одно  преимущество  фиторемедиации  в  накоплении  металлов  в  растениях,  которые  в  дальнейшем  могут  быть  переработаны  после  сжигания  биомассы,  а  также  для  создания  биодизельного  топлива  и  получения  тепловой  энергии.  Успех  техники  фитофильтрации  зависит  от  определения  подходящих  видов  растений,  которые  могут  гипераккумулировать  тяжелые  металлы  и  производить  большие  количества  биомассы.

Есть  определенные  ограничения  фиторемедиации.  Фиторемедиация  может  быть  длительным  процессом,  и  очищение  участка  может  занимать  несколько  сельскохозяйственных  сезонов.  Утилизации  или  сжигание  отходов  занимает  несколько  недель  или  месяцев,  в  то  время  как  для  фитоэкстракции  или  деградации,  возможно,  потребуется  несколько  лет.  Таким  образом,  для  участков,  с  очень  большой  концентрацией  загрязняющих  веществ,  фиторемедиация  не  может  быть  выбрана  методом  восстановления.  Эта  технология  лучше  всего  подходит  для  удаленных  районов,  где  человеческий  контакт  ограничен  или  там,  где  загрязнения  не  требуют  немедленного  ответа. 

Успех  фиторемедиации  может  быть  ограничен  такими  факторами,  как  время,  климат,  глубина  корня,  химический  состав  среды,  и  уровень  загрязнения.  Восстановление  растениями  требует,  чтобы  загрязнители  были  в  контакте  с  корневой  зоной  растений.  Возраст  существенно  влияет  на  физиологическую  активность  растений,  особенно  корни.  Как  правило,  корни  молодых  растений  проявляют  большую  способность  поглощать  ионы,  чем  у  старых  растений,  даже  если  они  близки  по  размерам.  Важно  использовать  здоровые  молодые  растения  для  более  эффективного  удаления  загрязнений. 

Высокая  концентрация  загрязняющих  веществ  может  препятствовать  росту  растений  и,  таким  образом,  может  ограничить  применение  на  некоторых  участках.  Основным  ограничением  концентрации  токсичных  элементов  является  максимальный  уровень,  который  может  накапливаться  в  растениях.  Растения  с  высоким  уровнем  содержания  токсичных  металлов,  известных  как  «гипераккумуляторы»,  как  правило,  поглощают  до  0,2  %  от  сухой  массы  для  более  токсичных  элементов  (Cd,  Pb)  и  выше  2  %  для  менее  токсичных  (Zn,  Ni,  Cu)  [4]. 

Объекты  и  методы  исследований:  Пробы  почв  были  отобраны  в  пригороде  г.  Красноярска,  в  районе  п.  Березовка  и  с.  Ермалаево.  После  отбора  почвы  были  перебраны  с  целью  удаления  крупных  растительных  и  геологических  фрагментов.  Затем,  подготовленные  пробы  почв  поместили  в  пластиковые  контейнеры  объемом  1,5  л.  Масса  каждой  пробы  почвы  составила  500  г.  Почвы  увлажнили  дополнительным  количеством  воды  и  после  этого  внесли  растворы  солей  (ZnSO₄,  CuSO₄  и  NiSO₄),  в  рассчитанных  концентрациях.  Объем  вносимых  солей  составил  5  мл.  Внесенные  количества  металлов  соответствовали  5  ОДК  (ОДК  цинка  —  110  мг/кг,  меди  —  66  мг/кг,  никеля  —  40  мг/кг  для  почвы)  [3].

Пробы  были  тщательно  перемешаны  и  оставлены  на  ночь  для  установления  равновесия  между  почвой  и  внесенным  раствором  соли.

Рассада  петуньи  была  выращена  в  тепличном  хозяйстве  совхоза  «Октябрьский»  на  относительно  чистых  почвах  по  отношению  к  вносимым  металлам.

Для  сравнения  ожидаемых  результатов  параллельно  с  экспериментами  с  металлами  ставились  эксперименты  без  внесения  металлов,  т.  е.  в  условиях  аналогичных  исследуемым,  но  без  внесения  солей  металлов  (контроль). 

Далее  из  проб  почв  до  проведения  экспериментов,  были  получены  водные  вытяжки  и  вытяжки,  соответствующие  обменной  фракции  почв  (экстракция  с  раствором  CH₃COONa,  1  М),  для  определения  доли  металлов,  находящихся  в  наиболее  доступной  для  поглощения  растениями  фракции.  После  эксперимента  были  получена  только  водорастворимая  фракция.  Во  всех  случаях  соотношение  почва:  раствор  были  1:10.

Результаты  по  содержанию  основных  металлов  (Cu,  Ni,  Zn)  в  водорастворимой  и  обменной  фракциях  исходных  проб  почв  приведены  на  рисунке  1  и  2:

Рисунок  1.  Распределение  меди,  никеля  и  цинка  в  пробах  почв  до  проведения  экспериментов  (почва  п.  Березовка)

Рисунок  2.  Распределение  меди,  никеля  и  цинка  в  пробах  почв  до  проведения  экспериментов  (почва  с.  Ермолаево)

Концентрация  цинка  в  почвах  1  и  2  составляет  4  мкг  в  каждом  образце,  концентрация  Cu  ~  2  мкг,  концентрация  Ni  ~1,5  мкг  за  образцы.

Данные  после  проведения  эксперимента  представлены  на  рисунке  3  и  4:

Рисунок  3.  Распределение  меди,  никеля  и  цинка  в  пробах  почв  после  проведения  экспериментов  (почва  п.  Березовка)

Рисунок  4.  Распределение  меди,  никеля  и  цинка  в  пробах  почв  после  проведения  экспериментов  (почва  с.  Ермолаево)

Результаты  эксперимента  показали,  что,  не  смотря  на  то,  что  содержание  цинка  в  биодоступной  фракции  больше,  чем  содержание  меди  и  никеля,  цинк  меньше  всего  усваивается  цветочной  культурой  Петунья.  Содержание  цинка  мало  изменилось  за  время  проведения  экспериментов  (21  день)  по  фиторемедиации.  В  то  время  как  содержание  меди  и  никеля  уменьшилось  в  5  раз. 

По  результатам  данной  работы  сделаны  следующие  выводы:

1.  Содержание  тяжелых  металлов  в  пробах  почв  отобранных  в  пригороде  г.  Красноярска  не  превышает  ОДК.

2.  В  результате  модельных  экспериментов  по  адаптации  растений  в  почве  с  добавлением  никеля  (Ni),  меди  (Cu)  и  цинка  (Zn)  в  лабораторных  условиях  получено  следующее:  Zn  меньше  всего  усваивается  цветочной  культурой  петуния  (лат.  Petunia  ),  содержание  Сu  и  Ni  за  время  проведения  эксперимента  (21  день)  уменьшилось  в  5  раз.

Список  литературы:

1.Нашивочникова  А.В,  Степанова  С.В.  Фиторемедиация  почв,  загрязнённых  тяжелыми  металлами  /  А.В.  Нашивочникова,  С.В.  Степанова.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://conf.sfu  kras.ru/sites/mn2011/thesis/s14/s14_71.pdf  (дата  обращения  12.10.2013).

2.СанПиН  2.1.4.1074-01.  Питьевая  вода.  Гигиенические  требования  к  качеству  воды  централизованных  систем  питьевого  водоснабжения.  Контроль  качества.  М.:  Минздрав  России,  2002.  —  257  с. 

3.Фомин  Г.С.,  Фомин  А.Г.  Почва.  Контроль  качества  и  экологической  безопасности  по  международным  стандартам  /  А.Г.  Фомин,  Г.С.  Фомин  М.:  Протектор,  2001.  —  304  с.

4.Tangahu  B.V.  A  Review  on  HeavyMetals  (As,  Pb,  and  Hg)  Uptake  by  Plants  through  Phytoremediation  /  B.V.  Tangahu,  S.R.  Sheikh,  H.  Basri.  Bangin:  Universiti  Kebangsaan  Malaysia,  2011.  —  31  c.