Использование фитоэкстракции для очистки искусственно загрязненных почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование фитоэкстракции для очистки искусственно загрязненных почв

Ж.С. Касымова*, Е.Н. Артамонова**, Е.П. Евлампиева***

В результате агрохимического мониторинга в Восточно-Казахстанской области (ВКО) выявлена Восточно-Казахстанская антропогенная биогеохимическая провинция, общей площадью 30 тыс. кв.м, характеризующаяся значительным техногенным накоплением целого ряда тяжелых металлов (ТМ): свинца (до 11 ПДК), кадмия (до 13 ПДК), меди, цинка, хрома (до 3 ПДК).ТМ относятся к наиболее опасным критериальным загрязняющим почву веществам, источниками поступления которых на территории ВКО служат промышленные предприятия и транспорт [1, 2, 3]. К одному из наиболее распространенных и токсичных для живых организмов металлов относится свинец (1 класс опасности) [4, 5].

В связи с этим разработка стратегии реабилитации почв, загрязненных ТМ - очистка (восстановление) почв путем извлечения из них избыточного количества ТМ, представляет собой весьма актуальную задачу.

Известен биотехнологический прием детоксикации почв с помощью растений-аккумуляторов - фиторемедиация, суть которой заключается в очистке почвенного покрова от ксенобиотиков посредством культивирования растений, активно извлекающих и аккумулирующих токсиканты в своей биомассе. Данная технология достаточно перспективна и привлекательна тем, что в ее основе лежит природный процесс биологического круговорота, обусловленный выращиванием растений, улучшением свойств почв и защитой их от эрозии. При этом исключается какое-либо вредное химическое воздействие на почву и «жесткие» механические инженерно-мелиоративные обработки грунта. С экономической точки зрения фиторемедиация имеет преимущества перед альтернативными технологиями, так как ее внедрение не предполагает крупных капиталовложений, эксплуатационные расходы невелики (традиционная очистка на территориях может стоить 10-100 $ за 1 м³, для сравнения, фитоэкстракция - 0,05 $ / м³) [].

Целью научного исследования является оценка эффективности технологии фитоэкстракции ТМ сельскохозяйственными культурами при антропогенном загрязнении почвы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

1. провести лабораторный модельный эксперимент по изучению фитоэкстрагирующей способности проростков сельскохозяйственных культур, возделываемых в ВКО, на примере амаранта;

2. разработать научно-практические рекомендации по внедрению технологии фитоэкстракции на сельскохозяйственных почвах в условиях ВКО. фитоэкстракция тяжелый металл амарант

Объекты и методы исследования

Лабораторные модельные опыты проводились на темно-каштановой нормальной среднесуглинистой почве сухостепной зоны ВКО Республики Казахстан, не подверженной техногенному воздействию. Для опытов отобраны почвы пахотных горизонтов возле с.Дмитриевка Бородулихинского района. Отбор и определение физико-химических свойств осуществлялись в соответствии с ГОСТами и общепринятыми методами [4, 5, 7, 8, 9]. Буферность фоновых почв по отношению к ТМ оценивали согласно градации, разработанной Ильиным [6].

Темно-каштановая нормальная среднесуглинистая почва по агрохимическим показателям является нейтральной (pH 7,81) с содержанием гумуса 2,93 %, физической глины - 34,22 %, илистой фракции - 15,0 %. Буферная емкость почвы - повышенная.

Выбор вариантов для опыта проводили по шкале нормирования уровня загрязнения почв ТМ: первый уровень < ПДК (Контроль) - допустимый, второй - 1 ПДК - низкий, третий - 3 ПДК - средний, четвертый - 5 ПДК и пятый - 10 ПДК - высокий. Схема опыта:вариант - Контроль; вариант -ТМ (1 ПДК); вариант -ТМ (3 ПДК); вариант -ТМ (5 ПДК); вариант -ТМ (10 ПДК).

Иммитация моноэлементного загрязнения фоновых почв создавалась внесением легко растворимой соли - химически чистого ацетата свинца Pb(CH₃COO)₂ в виде водного раствора при набивке вегетационных сосудов. Дозы металла соответствовали 1, 3, 5, 10 ПДК в перерасчете на металл (мг/кг): Pb=32, 96, 160, 320 [10]. Выравнивание фоновым удобрением по азоту не проводилось. Почву компостировали (загрязняли) в течение 7 суток при комнатной температуре в условиях полной полевой влагоемкости.

В качестве тест-культуры использовали высокоурожайную и районированную в Казахстане кормовую культуру амарант хвостатый (Amaranthus candatus L.). Выбор культуры основан на многочисленных данных литературы [11, 12], свидетельствующих о высокой аккумулирующей способности к ТМ данного вида растения. Амарант, как культура С4 типа, имеет фотосинтетические особенности, которые позволяют ему в течение короткого времени при наличии необходимого питания набирать большую фитомассу, до 2000 ц/га.

Постановка вегетационных опытов проведена по методике Журбицкого [13]. Перед закладкой опыта была проведена пробная набивка сосудов. Расчёт вносимых доз соли ТМ производился на массу абсолютно сухой почвы с учетом её влажности. Каждый сосуд имел этикетку, отображающую номер опыта, название растения, вариант и повторность. Набивка сосудов была проведена 22 июня 2013 г. Посев произведён 23 июня. На сосуд (5 кг почвы) высаживали по 30 семян. В каждом сосуде после появления всходов было проведено прореживание: оставляли по 25 растений. Полив осуществлялся дистиллированной водой. Сбор растений производился через 30 суток. Контролем во всех вариантах опытов служили растения, выращенные на почве без внесения соли металла. В течение вегетационного опыта проводили фенологические наблюдения (изменение окраски, искривление проростков, изменение формы листьев и др.). Учет роста проростков растений осуществлялся ежедневно. Растения для учета биомассы и анализа на содержание ТМ собирали на 37-й день после начала компостирования.

Содержание Pb в почвенных и растительных образцах определяли фотоколориметрическим химическим дитизоновым методом Ринькиса [14] на спектрофотометре СФ-2000. В почвенных образцах были определены валовое содержание и подвижные формы ТМ. Вариационно-статистическая обработка аналитических данных проведена по руководству Плохинского [15]. Повторность опытов - трехкратная.

Для оценки влияния уровня загрязнения почвы использовали количественные показатели:

- фитотоксический эффект (ФЭ), характеризующий степень снижения биомассы и роста растений, выросших на загрязненной и условно чистой почве, являющийся интегральным биологическим показателем количественной взаимосвязи между уровнем загрязнения почвы изучаемым элементом и его токсическим действием;

- фитотоксичность (ФТ), характеризующую накопление ТМ в растении в процессе снижения его биомассы;

- коэффициент биологического поглощения (КБП), характеризующий миграционную способность металлов из почвы в растения;

- транслокационный коэффициент (ТК) - соотношение содержания элемента в надземной части к содержанию в корнях;

- теоретически возможный вынос ТМ с 1 гектара (ТВ) - произведение урожайности культур с учетом фитотоксического эффекта, полученного в опыте, и концентрации ТМ в растениях, принимая среднюю урожайность сырой биомассы амаранта за 200 т/га, сухой массы - 100-150 ц/га.

Результаты и их обсуждение

Данные по валовому содержанию и концентрации подвижных форм Pb в почве, полученные при проведении вегетационного опыта, представлены в таблице 1. В незагрязненной и загрязненной почвах для форм соединений Pb в абсолютном и относительном выражении концентраций характерен следующий ряд: водорастворимая < обменная < кислоторастворимая. Содержание подвижных форм Pb в фоновой почве невелико - он преимущественно прочно закреплен почвенными компонентами. При этом относительная концентрация форм соединений Pb составляла от 0,02 до 0,08 % от валового содержания.

Таблица 1 - Влияние различных доз свинца на валовое содержание и содержание подвижных форм металла в темно-каштановой нормальной среднесуглинистой почве, мг/кг почвы

Примечание. Здесь и в табл.2 - среднее значение ± стандартное отклонение

При возрастании моноэлементного загрязнения почв Pb увеличивается общее содержание металла и количество всех форм соединений элемента с одновременным их перераспределением, зависящим от уровня загрязнения. При этом характер накопления форм элемента оставался таким же, как и в контроле - содержание элемента увеличивалось от водорастворимой к кислоторастворимой форме. Для свинца выявлена высокая степень фиксации в загрязненных почвах, так как доля самых мобильных - обменных и водорастворимых форм Pb оказалась значительно низкой. При этом относительная концентрация форм соединений Pb увеличилась от 0,5 до 2,4 % от валового содержания.

В условиях усиления искусственного загрязнения темно-каштановой почвы практически во всех вариантах опыта концентрация подвижных форм Pb не превышала ПДК [16].

Состояние растений в более ранний период их развития, определяющее их жизнеспособность, напрямую связано с продуктивностью культур. Всходы проростков тест-культуры с незначительными отклонениями во всех вариантах опыта появлялись практически одновременно через 3-4 дня. В сосудах с контрольным вариантом растения развивали надземную и подземную биомассу без внешних признаков токсичности. При среднем и высоком уровне загрязнения (в вариантах 3, 5 и 10 ПДК) растения развивали наибольшую надземную и подземную биомассу по сравнению с контролем. Наименьшая биомасса надземной части и корней проростков наблюдалась в варианте 1 ПДК. В большинстве случаев у проростков в вариантах опыта 1-10 ПДК проявлялись внешние признаки токсикоза, которые выражались в изменении окраски вегетативной массы, искривлении проростков, изменении формы листьев. В конце вегетационного опыта отмечены нарушения развития растений, такие как ярко выраженный некроз, хлороз, антоциановая окраска листьев и побегов, гниение корней, неодинаковое наступление фаз развития. Гибель проростков не зафиксирована.

Урожай биомассы надземной части и корней проростков при угнетающем воздействии 1 ПДК Pb уменьшился соответственно на 42 и 90 %. При этом наблюдалось снижение биомассы в 2 раза. Стимулирующий эффект для надземной массы наблюдался в вариантах Pb-3, Pb-5 и Pb-10 (26, 38 и 30 % соответственно), для корней в вариантах Pb-3 и Pb-5 (19 и 19 % соответственно). Задержка роста проростков амаранта наблюдалась в варианте Pb-1 на 33 % по сравнению с контролем. В вариантах опыта со средним и высоким содержанием элемента Pb-3, Pb-5 и Pb-10 наблюдается стимулирующий эффект для роста проростков 8 %, 12 % и 6 % соответственно. Основным критерием эффективности фитомелиорантов является их способность аккумулировать металлы. Исследуемая в опыте культура обладала избирательной способностью к накоплению свинца: уровень загрязнения оказал существенное влияние на поступление из почвы избытка элемента-загрязнителя. Общей тенденцией для культуры было последовательное увеличение содержания Pb в тканях растений с возрастанием уровня загрязнения почвы - с повышением содержания подвижной формы металла в почве (таблица 2). Содержание Pb в корнях растений амаранта возрастает от 6,20 мг/кг в 1 ПДК до 18,20 мг/кг в 10 ПДК. Накопление Pb в надземной массе увеличивается от 2,70 мг/кг в 1 ПДК до 6,18 мг/кг в 10 ПДК. Во всех вариантах загрязнения растения амаранта проявили достаточно высокую удерживающую способность корней по отношению к данному элементу - Pb больше накапливается в корнях, чем в надземных частях (в 2,3 - 3,5 раза), наибольшая разница установлена в опыте Pb-3 ПДК.

Таблица 2 - Содержание Pb (мг/кг) в сухой биомассе тест-культуры амаранта в вариантах моноэлементного загрязнения почвы

Важно отметить, что при всех уровнях свинцового загрязнения почвы содержание Pb в побегах исследуемых культур были значительно ниже ПДК для кормовых культур -25 мг/кг (Ильин, 2001). В надземные части растений он поступает слабо, особенно при низких уровнях загрязнения(1 ПДК).

В таблице 3 приведены экспериментальные данные по показателям фитоэкстракции амаранта для разных уровней загрязнения почвы Pb.

Таблица 3 - Показатели фитоэкстракции амаранта при разном уровне загрязнения почвы свинцом

Примечание. В числителе - показатели фитоэкстракции в надземной части; в знаменателе - в корнях

В вариантах опыта Pb для побегов исследуемой культуры в большинстве случаев являлся элементом слабого накопления и среднего захвата (КБП=0,1-1,0). В вариантах свинцового загрязнения Pb-10 ПДК был выявлен наибольший вынос элемента в 8,5-10,1 раз относительно контроля, в вариантах свинцового загрязнения Pb-1 ПДК наименьший- в 3,7-3,4 раза относительно контроля.

Транслокационные коэффициенты и коэффициенты биологического поглощения, установленные для проростков амаранта по отношению к свинцу Pb, практически во всех вариантах составляют меньше единицы. Данные показатели говорят о небольшой эффективности использования исследуемого растения для ремедиации темно-каштановой нормальной среднесуглинистой почвы, загрязненной данным металлом. Принимая во внимание значения обоих рассчитанных коэффициентов, можно сделать вывод о том, что определенным фиторемедиационным потенциалом по отношению к свинцу проростки амаранта обладают в диапазоне его низких (1 ПДК) концентраций в почве. Транслокационный коэффициент 0,44 и коэффициент биологического поглощения равны 0,1.

Заключение

Изучен фиторемедиационный потенциал амаранта хвостатого (Amaranhus caudatus L.) на темно-каштановой нормальной среднесуглинистой почве с ее искусственным загрязнением свинцом в условиях вегетационного опыта.

Валовое содержание и концентрация подвижных форм ТМ в почве последовательно возрастали с увеличением дозы внесенного металла, однако строгого соответствия между внесенным и определенным количеством ТМ не наблюдалось, что можно объяснить неравномерным распределением металла в почве. По величине абсолютного и относительного содержания исследуемые формы соединений элемента располагаются в следующем убывающем порядке: кислоторастворимые> обменные > водорастворимые.

Полученные данные по содержанию Pb в биомассе проростков амаранта и в почве указывают, что данная культура не является гипераккумулятором в отношении изученного металла. Однако амарант показал способность к накоплению и транслокации из почвы в корни, из корней в надземные органы при низком уровне загрязнения (1 ПДК) почвы, что свидетельствует об определенном фиторемедиационном потенциале изучаемого растения.

Угнетающее воздействие на биомассу и рост проростков тест-культуры наблюдалось при увеличении уровня загрязнения почвы свинцом до 1 ПДК, токсический эффект составил соответственно 43,1 % и 33 % по сравнению с контролем. Установлено, что проростки амаранта толерантны к дозам загрязнения Pb-3, 5, 10 ПДК. Максимальный стимулирующий эффект для биомассы проростков составил 38 % и для роста - 12 % в варианте Pb-5 ПДК.

Способность исследуемой культуры к извлечению свинца из загрязненной почвы заметно различалась. Проростки амаранта характеризовались максимальным выносом свинца - 8,5-10,1 раз больше относительно контроля -при 10 ПДК свинцового загрязнения почвы.

Научно-практические рекомендации по применению результатов исследования

1. Учитывая аккумулирующую способность и показатели выноса Pb, амарант хвостатый можно рекомендовать для использования в целях фитоэкстракции на темно-каштановых почвах Восточного Казахстана с преимущественным загрязнением свинцом до 1 ПДК металла.

2. При внедрении фитоэкстракции на темно-каштановых почвах Восточного Казахстана перспективными могут явиться смешанные посадки амаранта с такими культурами, как овес посевной, горчица полевая и др., так как по данным разных исследователей названные культуры обладают способностью к преимущественному накоплению разных металлов.

3. Фиторемедиацию следует осуществлять дифференцировано степени загрязнения и подвижности ТМ в почве и видовых физиологических особенностей растений.

Литература

1. Демченко А.И. Оценка загрязнения территории Восточно-Казахстанской области промышленными предприятиями и транспортом // Информ. отчет по итогам работ 1991 года. Усть-Каменогорск: Фонды АО ИГН, 1992.

2. Состояние окружающей среды Восточно-Казахстанской области // Экология Восточного Казахстана: проблемы и решения: Справочно-информ. вестн. 2002. - С. 4-28.

3. Экологический мониторинг состояния окружающей среды Восточно-Казахстанской области. 2000 // Экология и мы. 2000. - С. 4-26.

4. Степанок В.В. Влияние высоких доз свинца на элементный состав растений // Агрохимия. 1998. - №7. - С. 69-76.

5. Стрнад В. Влияние внесения водорастворимых солей свинца, кадмия и меди на их поступление в растения и урожайность некоторых сельскохозяйственных культур / В. Стрнад, Б.Н. Золотарева, А.Е. Лисовский //Агрохимия. 1991.-№4.-С. 76-83.

6. Ильин В.Б. Оценка буферности почв по отношению к тяжелым металлам // Агрохимия.- 1995.-№10.-С. 109-113.

7. Агрохимические методы исследования почв / Под ред. A.B. Соколова. М.: Наука, 1975.-656 с.

8. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970.-488 с.

9. ГОСТ 28168-89 Почвы. Отбор проб. М.: Изд-во стандартов, 1989.

10. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве: гигиенические нормативы (ГН 2.1.7.2041-06). М.: Информ.-издат. центр Госкомсанэпиднадзора России, 2006.

11.Буравцев В. Н., Крылова Н. П. Современные технологические схемы фиторемедиации загрязненных почв//Сельскохозяйственная биология. Серия Биология растений. - №5.- 2005. - С. 67 - 75.

12.Минеев В.Г., Валитова А.Р., Болышева Т.Н., Кижалкин П.П. Фиторемедиирующий эффект различных культур//Плодородие. №1 (28). - 2006. -С.34-36.

13. Журбицкий З.И. Теория и практика вегетационного метода. М.: Наука, 1968.-263 с.

14. Ринькис Г.Я. Доступный колориметрический метод определения содержания свинца в почвах и растениях / Г.Я. Ринькис, Т.А. Куницкая // Изв. Акад. Наук Латвийской ССР. 1989. - №8 (505). - С. 119-123.

15. Плохинский Н.А. Биометрия. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. - 367 с.

16. Совместный приказ № 21-п. Министерства здравоохранения РК от 30.01.2004 г. № 99 и Министерства охраны окружающей среды РК: утв. 01.02.2004. - Астана, 2004. - 17 с.

Биологические науки Казахстана. - 2014. - № 1. - С. 71-80.

Размещено на Allbest.ru