Фиторемедация почв загрязненных тяжелыми металлами

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Опасными загрязнителями среды являются тяжелые металлы (ТМ), которые депонируются, иногда в огромных количествах, в окружающей среде и живых организмах, вызывая тем самым необратимые последствия в экосистемах. Поступая в больших количествах в растительные или животные организмы, они вызывают у них депрессию, отклонения в физическом развитии, различного рода заболевания и гибель. [11].

В настоящее время загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами (ТМ) является одной из важнейших экологических проблем. В почвах они присутствуют в различных химических формах и обладают разными физическими и химическими свойствами с точки зрения химического взаимодействия, мобильности, биологической доступности и потенциальной токсичности. Почва выполняет роль своеобразного барьера, ограничивающего поступление тяжелых металлов в воду, растения, организмы животных и человека [1].

Разные по биологическим особенностям культуры обладают неодинаковыми способностями фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв. Между концентрациями тяжелых металлов в загрязненных почвах и их содержанием в органах растений отмечена положительная корреляционная связь, носящая линейный характер.

На практике широкое практическое применение нашла динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) и диэтилентриаимнпентауксусная кислота (ДТПА) за свою относительно невысокую стоимость и способность к образованию прочных комплексов со многими металлами в широком диапазоне рН. Проводимые лабораторные исследования по деметаллизации естественно и искусственно загрязненных металлами почв с использованием ЭДТА, ДТПА, направлены на оптимизацию условий извлечения металлов. Имеются данные об использовании ЭДТА, ДТПА для ремедиации почв в реальных крупномасштабных условиях, и несколько проектов уже реализованы в этой области за рубежом [2].

Свинец -- тяжёлый металл голубовато-серого цвета, очень пластичный. Свинец поступает в почву с удобрениями, орашаемой водой и пестицидами. В почве ряда территорий значительно превышены допустимые концентрации свинца. В основном, это территории, где размещены металлургические предприятия. Нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ загрязняющих почву определены совместным приказом Министерства здравоохранения РК от 30.01.2004 г. № 99 и Министерства охраны окружающей среды РК от 27.01.2004 г. № 21. Нормативы Pb в почве(мг/кг): Max-26,9; Min-2,5; Кларк-10; ПДК-32,0. Нормальное содержание свинца в надземных органах трав составляют, по данным исследователей от 1,5 мг/кг до 40,0 мг/кг сухой массы [9]. Растения, выросшие в загрязненных почвах представляют угрозу для окужающей среды. Повышенное содержание свинца оказывает негативное воздействие на людей и животных через пищевую цепь [3]. Есть много альтернативных методов очищения и предотвращения распространения загрязняющих веществ в почве. Наиболее приемлемым по значимости и экономической выгодности является очищение почвы от металлов с помощью растений. Для этого растения, способные впитывать в себя металлы, высаживаются в загрязненную почву. Металлы накапливаются в растениях, после их уборки, как в рудных месторождениях, металлы можно изъять путем химической переработки в качестве сырья [4].

Рекультивация антропогенных ландшафтов, образованных в результате деятельности горнодобывающей промышленности и дальнейшее их хозяйственное использование (в особенности - использование в сельском хозяйстве) предполагают уменьшение количества тяжелых металлов в используемых почвах и почвогрунтах. Одним из перспективных, экономически выгодных и эффективных методов очистки загрязненных субстратов считается фиторемедиация. В процессе фиторемедиации очистка субстрата производится с использованием растений. Проводились многочисленные исследования, в которых, наряду с растениями, обращается внимание на различные роли почвенных микроорганизмов в повышении эффективности фиторемедиации [10].

Опытный почвенный материал был взят с посевных площадей кукурузы (Z. mays) и подсолнуха (H. annuus) в районе поселения Балабургем г.Кентау. Уровень загрязненности почв цинком- 472.9450 мг/кг, свинцом - 448.6450мг/кг. Исследование проводилось в 4 параллелях. В опытах в качестве проб были взяты кукуруза (Zea mays L.) гибридные сорта `'Bora''и подсолнух (Helэanthus annuus) сорта`'Tekirdac yerli''.

Влияние введенных в загрязненную свинцом почву ЭДТА и ДТПА на общее содержание свинца(Pb) и концентрацию подвижного свинца(Pb) в почве.

При введении в почву под кукурузой (Z. mays) ЭДТА дозой в 8 ммоль/кг по сравнению с пробой содержание свинца понизилось в 1,9 раза, а количество свинца в растении повысилось в 10,7раза. Точно также при введении в почву под подсолнухом (H. Annuus) ЭДТА в количестве 8 ммоль/кг содержание свинца понизилось в 1,9 раза, а в растении его количество повысилось в 19,2 раза (Таблица 1).

Таблица 1. Влияние ЭДТА и ДТПА на общее содержание свинца в почве и в растениях кукурузе (Z.mays) и подсолнухе (H.annuus)

Контроль 428.0 A 45.0 A 21.0 D 439.0 A 46.0 A 11.0 D

DTPA 4 380.0 AB 41.0 AB 66.0 C 394.0 AB 43.0 A 54.0 C

DTPA 8 358.0 BC 39.0 AB 90.0 BC 372.0 BC 41.0 A 77.0 C

EDTA 4 313.0 C 34.0 BC 135.0 AB 327.0 C 36.0 AB 122.0 B

EDTA 8 224.0 D 25.0 C 224.0 A 237.0 D 27.0 B 211.0 A

P< 0.01

При повышении подвижного свинца в почве и содержания свинца в растении показатели общего количества свинца в почве понижаются.

В данном опыте в связи с уменьшением количества свинца в жидкой фазе почвы, содержание свинца в листьях и стеблях растений увеличилось.

Содержание свинца (Pb) в растениях кукурузе(Z. mays) и подсолнухе (H. annuus).

Фактор проходимости в кукурузе при введении 8 ммоль/кг ЭДТА составил 2.38; в подсолнухе - 1.92. Это показывает на интенсивную транспортировку свинца (Pb) от корней к листьям. А при остальных показателях количества ЭДТА, фактор проходимости не превышал 1.

Итак, по статистике наибольшее содержание свинца в растении наблюдалось при самом высоком показателе, количестве ЭДТА (8ммоль/кг). Содержание свинца увеличивается в направлении корень < стебель < листья, что показывает на результативное прохождение фитоэкстракции. Содержание свинца в корневой части растений повысилось при количестве ЭДТА 4 ммоль/кг что указывает на значительное влияние ЭДТА на интенсивное внедрение свинца в корневые клетки, а оттуда его транспортировку по стеблю в листовые пластинки. В последнее время для очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, применяются такие хелаты с кратковременной биодеградацией, как НTA (Nitrilotriacetic acid) ж?не ЭДДС (Ethylenediamine-N,N'-disuccinic acid). В исследованиях Shen [7] по фитоэкстракции Pb у капусты наблюдалось повышенное влияние ЭДТА, чем НТА. По исследования Shen [7] усвояемость свинца растениями зависит от активности вносимых в почву хелатов, показатель активности которых изменяется в следующем направлении: ЭДTA > HЭДTA > ДТПА > NTA.

Таблица 2. Влияние ЭДTA и ДTПA на фитоэкстракцию свинца кукурузой и подсолнухом

фиторемедиация подсолнух субстрат

P< 0.01

Влияние ЭДТА на почву по фракции Pb имеет важное значение, т.к. константа устойчивости Pb по ЕДТА (Log KPb-EDTA=17,88) выше по сравнению с константами устойчивости других металлов (Zn(Log KZnEDTA=16.44) and Cd(Log KCd-EDTA=16.36)).

Результаты исследования могут быть полезны природоохранным службам Республики Казакистана для мониторинга эколого-биогеохимического состояния почвенно-растительного покрова г. Кентау .

В данной работе исследованы рост кукурузы и подсолнуха на загрязненных свинцом почвах, при введении ЭДTA и ДTПA, также рН почвы, общее содержание свинца в почве, содержание подвижного свинца в почве, а также форма свинца, усвояемого растениями и содержание свинца в растениях.

Хотя кукуруза и подсолнух не относятся к растениям - гипераккумулятором [8], они показали высокую устойчивость к концентрированным раствором ЭДTA и ДTПA, а также к свинцу. Этому способствовали также высокие показатели растительной биомассы.

Однолетние растения растут в поверхностном (0-20см) загрязненном слое почвы. Известно, что по мере углубления значения плотности корня понижаются. Корневая система многолетних растении находится в глубоких, а значит малозагрязненных слоях земли. Это говорит о том, что однолетние растения как кукуруза (Zea mays) и подсолнух (Helianthus annuus) являются рентабельными для использования фитоэкстракционного метода на практике в целом и в сельском хозяйстве.

Со статистической точки зрения ДТПА имеет немаловажное значение при увеличении концентрации Pb в растениях. Но ,учитывая более длительное время биодеградации ДТПА по сравнению с ЭДТА , для фиторемедиации загрязненных свинцом почв рациональней использовать ЕДТА.

Важно биосферное значение ЭДTA и ДTПA для охраны и сохранения растительности и почвенной биоты, путем прочного связывания их с радионуклидами, детергентами, пестицидами и тяжелыми металлами, что ведет к их инактивации и дезинтоксикации.

Литература

1. Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М.: Мир, 1987. 286 c.

2. Dermont G, Bergeron M., Mercier G., M. Richer-Lafl`eche. Soil washing for metal removal: A review of physical/ chemical technologies and field applications // J. Hazard Mater. 2007. Vol. 152. P. 1-31.

3. Chaney, R.L. The potential for heavy metal exposure from urban gardens and soils. In: J.R. Preer ed.

4. Proceedings of the symposium on heavy metals in urban gardens. Agricultural Experiment Station, University of the District of Columbia, Washington. 1984.pp. 37-84.

5. Cao X, Zhou Q, Ma LQ Accumulation of Pb, Cu, and Zn in native plants growing on a contaminated Florida site. Science of the Total Environment 368: 456-464Harter, R.D. 1999. Effect of Soil pH on

6. Adsorption of Lead, Copper, Zinc and Nickel. American Journal of the Soil Science Society, Vol. 47, (2006) pp.47-45

7. Bucheli-Witschel, M. and Egli, T. 2001. Environmental fate and microbial degradation of aminopolycarboxylic acids. FEMS Microbiol. Rev., 25: 69-106.

8. Huang JW, Chen J, Berti WR, Cunningham SD Phytoremediation of lead-contaminated soils: role of synthetic chelates in lead phytoextraction, Environmental Science and Technology 31: (1997) 800-805

9. Shen, Z.G., Li, X.D., Chen, H.M., Wang, C.C. and Chua, H.. Lead phytoremediation from contaminated soil with high biomass plant species, J. Environ. Qual. Vol. 31, 2002 pp. 1893-1900.

10. Серегин И.В., Иванов В.Б. Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения // Физиология растений. - 2001. - Т. 48. - С. 606-630.

11. Кабата Пендиас. Микроэлементы в почвах и растениях - М.: Мир.(1989) 439с

12. Игоревич Л.И, 2015 Фитоэкстракция никеля и меди и респирометрические показатели состояния микробных сообществ в техногенных грунтах и почвах, загрязненных тяжелыми металлами. Диссертация. Москва . 133с

13. Неведров Н.П., 2013 Фитоэкстракция цинка растительностью урбоэкотопов города Курска в сравнении с культурными растениями.. Электронный научный журнал Курского государственного университета. № 4.

Размещено на Allbest.ru