АГРОХИМИЯ, 2010, № 11, с. 80-84
УДК 632.122.1
ОСОБЕННОСТИ ФИТОЭКСТРАКЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
ИЗ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ
© 2010 г. Р.В. Галиулин, Р.А. Галиулина
Институт фундаментальных проблем биологии РАН 142290 Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2, Россия E-mail: rauf-galiulin@rambler.ru
Поступила в редакцию 30.07.2009 г.
На основе анализа, систематизации и обобщения литературных данных сформулированы методологические особенности фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв. Приведены примеры очистки почв от различных тяжелых металлов с помощью горчицы сизой или сарептской (Brassica juncea), включающей проведение a priori специальных вегетационных опытов и фитоэкстракции in situ.
Ключевые слова: тяжелые металлы, фитоэкстракция, загрязнение почв.
ВВЕДЕНИЕ
В почву тяжелые металлы (ТМ) попадают различными путями: в составе газопылевых выбросов, атмосферных осадков, поливных вод, загрязненных промышленными стоками и др. В организм человека ТМ могут поступать напрямую с вдыхаемым воздухом и почвенной пылью на урбанизированных территориях, а также через продукты питания, производимые на загрязненных садово-огородных участках или сельскохозяйственных угодьях. Особую опасность на загрязненных урбанизированных территориях представляет почва и пыль, в частности, на игровых площадках, когда в результате их преднамеренного (геофагия) или случайного поглощения детьми (в среднем до 135 мг/сут, по данным Агентства по охране окружающей среды США), может возрастать содержание тяжелых металлов в крови [1]. При этом превышение концентрации, например, свинца в крови более 10 мкг/л вызывает нейротоксический эффект. Опасность тяжелых металлов, попадающих в организм человека, состоит также в том, что ряд их соединений характеризуется высокой токсичностью и канцерогенностью. В этой связи чрезвычайно опасными являются газопылевые выбросы металлургических производств, вызывающие повышение заболеваемости и смертности от злокачественных новообразований, среди которых первое место занимает рак легких [2]. К числу инициаторов канцерогенного заболевания, возникающего в результате процессов окисления-восстановления металлов в организме или растворения их частиц в плазме крови, относят неко-
торые соединения никеля, цинка, свинца, кадмия и хрома.
В этой связи проблема очистки почв от тяжелых металлов особенно актуальна для территорий экологически неблагополучных регионов, к числу которых можно отнести Челябинскую обл. Этот регион занимает одно из первых мест в стране по концентрации промышленного производства и загрязнению воздушного бассейна и территорий, особенно вокруг предприятий черной металлургии, достигающих десятки километров [3-4]. По данным космических съемок, техногенное загрязнение тяжелыми металлами земель области охватывает 29.5 тыс. км2 при ее общей площади 87.9 тыс. км2.
Между тем известны различные способы очистки почв от тяжелых металлов, среди которых особый интерес вызывает их фитоэкстракция, что заключается в посеве и выращивании на загрязненных участках специально подобранных видов сельскохозяйственных растений для извлечения тяжелых металлов корневой системой и накопления их в надземной биомассе, в последующем утилизируемой [5]. При этом коэффициент накопления тяжелых металлов растениями, как отношение содержания металлов в растении и в почве, повышают посредством внесения эффекторов фитоэкстракции в почву. Способ фитоэкстракции считается простым в исполнении, "щадящим" почву и экономически целесообразным по сравнению с механическими и физико-химическими способами. Например, если первые связаны с удалением наиболее загрязненного поверхностного слоя почвы и его размещением на свалках для дальнейшей утилизации (секвестрирование) или пе-
ОСОБЕННОСТИ ФИТОЭКСТРАКЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ.
81
ремешиванием с менее загрязненными подповерхностными слоями почвы посредством плантажной вспашки (т.е. на глубину > 40 см) (разбавление) или его покрытием привозной чистой почвой (землева-ние). Вторые осуществляют путем промывки почвы специальными реагентами для извлечения из нее тяжелых металлов (хемоэкстракция) или ее очистки посредством воздействия на загрязненный слой постоянного электрического тока через электроды (электрокинетическая ремедиация).
В настоящее время накоплен значительный объем информации по проблеме фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв, который необходимо было проанализировать, систематизировать и обобщить, чтобы сформировать ясное представление об этом способе очистки земель и, в дальнейшем, успешно реализовывать его на практике [6].
Цель работы - формулирование методологических особенностей фитоэкстракции с иллюстрацией результатов практического применения этого способа, включающего проведение a priori специальных вегетационных опытов и очистки почвы от тяжелых металлов in situ.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФИТОЭКСТРАКЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ
Анализ, систематизация и обобщение информации по проблеме фитоэкстракции ТМ из загрязненных почв позволил сформулировать следующие методологические особенности этого процесса.
Для целей фитоэкстракции прежде всего необходим подбор определенных видов сельскохозяйственных растений, так как растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов из числа диких видов, такие как ярутка синеватая (Thlaspi caerulescens), бурачок стенный (Alyssum murale), резуха Галлера (Cardaminopsis halleri) и др., хотя и накапливают в десятки раз больше металлов по сравнению с обычно обнаруживаемыми их количествами в растениях, отличаются низкой скоростью роста и относительно небольшой надземной биомассой. Сельскохозяйственные растения, используемые для очистки почвы, должны отличаться высокой скоростью роста и производить большую надземную 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 интоксикации насыщенной тяжелыми металлами надземной биомассой.
Содержание ТМ в почве загрязненного участка, предназначенного для фитоэкстракции, должно быть приемлемым для растений, т.е. не вызывать у всходов выраженных фитотоксических симптомов (обесцвечивания, пигментации и пожелтения листьев, задержки роста и др.), что характеризует их толерантность к ТМ и способность максимально поглощать последние корневой системой и перемещать их в надземную биомассу за счет потока, создаваемого испарением воды листовой поверхностью растений (эвапотранспирации).
Для увеличения коэффициента накопления ТМ в растениях необходимо применять эффекторы фитоэкстракции в виде комплексонов из числа по-лиаминополиуксусных кислот, таких как этилен-диаминтетрауксусная (ЭДТА), дигидроксиэтилэти-лендиаминдиуксусная (ДДДА), диэтилентри-аминпентауксусная (ДТПА), этиленбис(оксиэтилен-триамин)тетрауксусная (ЭТТА), этилендиамин-дигидроксифенилуксусная (ЭДФА), циклогексан-транс-1,2-диаминтетрауксусная (ЦДТА) и другие вещества, способные образовывать прочные водорастворимые внутрикомплексные соединения со многими металлами. Реакция образования подобного внутрикомплексного соединения на примере взаимодействия ионов меди с двунатриевой солью ЭДТА представлена на рис. 1. Комплексоны повышают растворимость, подвижность металлов в почве, а, следовательно, их поглощение корневой системой и накопление в надземной биомассе [7]. Считается, что ТМ поглощаются растением и транс-лоцируются в форме комплекса "хелатообразующий агент-металл", так как дозу этого агента берут для целей фитоэкстракции в значительном миллимоляр-ном количестве, что может изменить систему ионного транспорта в растении [8]. Это явление было продемонстрировано на примере раствора ЭДФА пурпурного цвета, окрашивающего листья различных растений в пределах 12 ч после его внесения в почву, загрязненную тяжелыми металлами. При фи-тоэкстракции комплексоны в виде водных растворов их солей вносят под растения в фазе достижения ими максимальной надземной биомассы, что позволяет повысить коэффициент накопления тяжелых металлов растениями, а, следовательно, сократить время очистки почв. Следует также отметить, что при внесении комплексонов в почву, необходимо избегать дождливых дней с целью уменьшения риска загрязнения грунтовых вод тяжелыми металлами, вследствие возрастания их содержания в почвенном растворе и возможной миграции по почвенному профилю.
Очистку почвы от тяжелых металлов необходимо проводить путем кратного посева и возделывания растений в течение одного вегетационного сезона, если это позволяют климатические условия,
82
ГАЛИУЛИН, ГАЛИУЛИНА
NaCOOCH2
Cu2+ ■
\
/
,сн2—соон
нсоосн2
^N-CHz-CHz-N^
CH2COONa
NaCOOCH2 СН2—СН2 COOCH2Na
2Н+ + к N
/ \
/ \ /
Н2С "Си ^
1 ^ \
соо^ соосн2
Рис. 1. Реакция образования внутрикомплексного соединения при взаимодействии ионов меди с двунатриевой солью этилен-диаминтетрауксусной кислоты.
и вплоть до достижения соответствующих санитарно-гигиенических нормативов, т.е. предельно допустимых концентраций (ПДК) или ориентировочно допустимых концентраций (ОДК). При этом экономически целесообразным для фитоэкстракции считается период продолжительностью 5-10 лет. В каждом случае фитоэкстракция завершается жатвой, сбором и утилизацией загрязненной тяжелыми металлами надземной биомассы растений, так как уборка всей корневой биомассы, первоначально насыщаемой тяжелыми металлами, затруднительна. Надземная биомасса растений путем ее предвари-
Рис. 2. Фитоэкстракция тяжелых металлов из загрязненных почв: 1 - выращивание растений, 2 - внесение в почву хелато-образующего агента, 3 - поглощение растворенных металлов корневой системой, 4 - транслокация растворенных металлов в надземную биомассу, 5 - концентрирование металлов в растении [9].
тельного высушивания, озоления и последующей специальной обработки в дальнейшем может быть использована для извлечения из нее цветных металлов и повторного их использования (рекуперации).
В целом фитоэкстракция тяжелых металлов из почв in situ складываетс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.