CC BY
265
УДК 574: 622.23:502.55
Н.Д. Левкин, канд. техн. наук, доц., (4872) 36-79-48, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Н.Е. Мухина, асп., (4872) 50-30-16, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ФИТОРЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
Рассмотрена эффективность фитоэкстракции тяжелых металлов из дерново-подзолистых и серых лесных почв характерными для центра России видами декоративных и сельскохозяйственных растений, а также исследовано распределение тяжелых металлов в биомассе.
Ключевые слова: тяжелые металлы, почвы, детоксикация, урбанизированные территории, фиторемедиация.
Актуальность проблемы снижения влияния тяжелых металлов на токсичность почв обусловлена практическим отсутствием механизмов природного самоочищения от этих поллютантов, поскольку в ходе миграции они меняют лишь уровень содержания или формы нахождения.
Почвы являются одним из первых звеньев в биогеохимической пищевой цепи и начальным этапом миграции тяжелых металлов в системе «почва - растение - животное - продукт питания - человек». Поэтому изучению способности почв инактивировать поступающие в них подвижные формы тяжелых металлов, а также способов регулирования и контроля потока токсикантов из почвы в растения уделяется особое внимание.
В мировой практике применяется широкий спектр методов очистки почв от тяжелых металлов с использованием растений. Но не существует единых технологий фиторемедиации, поскольку выбор растений зависит от того, в какой географической зоне находятся очищаемые почвы.
В последние годы внимание исследователей привлекает метод фи-тоэкстракции с использованием растений-гипераккумуляторов для очистки загрязненных тяжелыми металлами почв. Одним из таких растений-аккумуляторов является одуванчик (Taraxacumofficinale). По данным ряда исследователей высокой поглотительной способностью обладают липа (Tilia cordata Mill), клен остролистный и каштан конский [1, 2].
Для оценки эффективности фитоэкстракции на территории Тульской области в течение ряда лет посредством анализа отобранных на протяжении всего вегетационного периода проб биомассы исследовалось накопление тяжелых металлов в наиболее распространенных видах растений, произрастающих как в промышленных зонах, так и на фоновых участках.
Определение содержания проб тяжелых металлов проводилось согласно аттестованным методикам выполнения исследований [4, 5].
Результаты исследований приведены на рис. 1.
Рис. 1. Концентрация металлов в зеленой массе растений
На рис. 2 приведены концентрации металлов в опавших листьях.
Рис. 2. Распределение ТМ в опавших листьях липы
Полученные результаты свидетельствуют о значительном содержании ТМ как в зеленых, так и опавших листьях растений, расположенных в промышленных зонах города.
Для определения удельных показателей фитоэкстракции проведены исследования биопродуктивности липы и одуванчиков. При этом установлено, что средней прирост зеленой массы одуванчиков в городе находится в пределах 0,7...1,1 кг возд. - сух. массы на 1 м территории. Средняя масса листьев липы составляет порядка 80 г возд. - сух. массы на 1 м кроны.
Кроме того, были проведены исследования содержаниия тяжелых металлов в мелких ветках деревьев, составляющих основную (по массе) часть опада. Обобщенные результаты исследований приведены на рис. 3.
□липа
старая
■ липа молодая
□тополь старый
□ береза молодая
□ береза старая
Рис. 3. Концентрация металлов в ветках деревьев
В таблице приведены результаты оценки эффективности фитореме-диации почв с помощью одуванчиков.
Изменение концентрации металлов в почвах за период вегетации одуванчиков на засеянном и чистом участках
Металлы Снижение содержания ТМ в почве Сравнительно с самоочищением
мг/кг % от ПДК
Sr 3,1 - -
Pb 0,67 2 8 раз
Zn 3,16 13,7 5 раз
№ 0,18 4,5 -
Mn 8,07 0,5 4 раза
& 0,69 11,5 -
С учетом этих данных экстракция свинца из почв одуванчиками составляет порядка 35 г/га в год, что в два раза выше среднего уровня вымывания этого элемента из почв в естественных условиях.
Таким образом, фитоэкстракция позволяет заметно снизить загрязнение почв тяжелыми металлами даже в течение одного года. Поэтому при озеленении территорий, помимо характеристик декоративных насаждений, необходимо учитывать их способность аккумулировать ТМ.
В литературных источниках указывается, что, кроме дикорастущей и декоративной растительности, высокой поглотительной способностью к
ТМ обладает ряд сельскохозяйственных культур [3].
При этом экстракция ТМ из почв может привести к накоплению этих веществ в плодах растений и дальнейшей миграции этих токсикантов по трофическим цепям в организм человека.
Для выявления закономерностей накопления и распределения тяжелых металлов в различных органах сельскохозяйственных культур выполнен ряд экспериментальных исследований.
Суть исследований состояла в выращивании на образцах серой лесной и дерново-подзолистой почв, содержащих заданные концентрации тяжелых металлов РЬ, 7п, Сё (фон, ПДК; 2,5 ПДК и 5,0 ПДК), тест-культур и последующем определении минеральной составляющей частей растений.
В ходе экспериментальных исследований использовался среднеспелый сорт гороха Батрак как наиболее часто возделываемый в промышленных условиях. Второй тест-культурой был ячмень обыкновенный.
После завершения периода вегетации растения минерализовали и определили рентгенофлуоресцентным методом содержание ТМ в минеральной массе.
Анализ полученных результатов свидетельствует о существенных количественных и качественных различиях в распределении свинца в тест-культурах.Так, например, на серых лесных почвах у гороха и ячменя наблюдаются однотипные тренды накопления поллютанта во всех частях растения. В то же время в горохе наблюдается тенденция стабилизации содержания поллютанта, а в растениях ячменя продолжается линейный рост концентраций свинца во всех частях растения.
На дерново-подзолистой почве качественные и количественные показатели накопления свинца ячменем практически не отличаются от ситуации на лесной подзолистой почве. Однако в распределении свинца во всех частях гороха наблюдается закономерность, в принципе отличающаяся от ситуации на дерново-подзолистой почве. Здесь накопление поллю-танта происходит гораздо интенсивнее и уже при содержании свинца в почве на уровне 2,5 ПДК наблюдаются максимальные концентрации элемента во всех частях растения. Дальнейшее увеличение концентрации РЬ в почве, вероятно, приводит к интоксикации тест-культуры и вызывает существенное снижение содержания загрязняющего вещества во всем растении.
Сравнительный анализ накопления кадмия в плодах гороха и ячменя (рис. 4) показывает, что на дерново-подзолистой почве при пятикратном превышении ПДК почв в плодах рассматриваемых растений концентрация составляет 30 ПДК у гороха и 3,7 ПДК у ячменя. В то же время при анализе семян, выращенных на серой лесной почве, концентрация кадмия в зерне ячменя не превышает нормы, а содержание этого элемента в зерне гороха превышает ПДК в 3 раза.
Максимальное содержание кадмия в зеленой массе наблюдается у ячменя, выращенного на дерново-подзолистой почве, - 5мг/кг. А максимальное накопление этого элемента в зеленой массе гороха происходит на серой лесной почве и составляет 2,4 мг/кг. Это свидетельствует о превышении временного максимально допустимого уровня (МДУ) некоторых химических элементов в кормах для сельскохозяйственных животных в 17 и 8 раз соответственно.
£ 3.5
ёёЁЁ П ^ ^
и I I I г
12 3 4
Рис. 4. Содержание кадмия в зерне
Выявлено распределение ТМ в различных частях растений в зависимости от типа почвы и уровня её загрязнения.
Установлено, что более интенсивное накопление свинца и цинка происходит в семенах гороха и ячменя, выращенных на дерново-подзолистой почве, в то же время в процессе эксперимента превышение ПДК для зерновых и зернобобовых культур по цинку и свинцу не наблюдалось.
Сравнительный анализ накопления кадмия в плодах гороха и ячменя показывает, что на дерново-подзолистой почве при пятикратном превышении ПДК почв в плодах рассматриваемых растений накапливается одинаковое количество поллютанта, превышающее ПДК для зерновых и зернобобовых пищевых продуктов в 30 раз.
Список литературы
1. Галиулин Р.В., Галиулина Р. А. Ремедиация почв, загрязненных тяжелыми металлами путем фитоэкстракции // Материалы 1-й Международной геологической конференции. Тула, 2003.
2. Соколов О.А., Черников В.А. Атлас распределения тяжелых металлов в оъектах окружающей среды. Пущино, 1999.
3.Методика определения содержания металлов в порошковых про-
■ Горох СЛП
■ ячмень СЛП ячмень ДПП
■ юрох ДПП
бах почв методом рентгенофлуоресцентным анализа. СПб.: НПО "Спек-трон", 2004.
5. Методика выполнения измерений массовой концентрации марганца, кобальта, меди, железа, кадмия, свинца, никеля в пробах природной и сточной воды атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией с использованием атомно-абсорбционного спектрометра «МГА-915». Методика М 01-29-98. СПб, 2004.
N.D. Levkin, N.E. Muhina
PLANT-CLEANING SOILS OF POLL UTING HEA VY METALS
Efficiency ofplant-extraction metal from sod-podzol and gray forest soils, which is typical for Russian Center, decorative and agricultural plants was considered. Heavy metals distribution in biomass was researched.
Key words: heavy metals, soil, detoxication, urbanized territory, plant-cleaning.
Получено 10.05.12
УДК 574: 622.23:502.55
Н.Д. Левкин, канд. техн. наук, доц., (4872) 36-79-48, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Н.Е. Мухина, асп., (4872) 50-30-16, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЫНОС ПОЛЛЮТАНТОВ С ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Обозначены основные механизмы негативного влияния на природную среду породных отвалов угольных шахт, проявляющегося втечение всего периода их существования. Обоснована необходимость защиты от подкисления прилегающих к отвалам территорий и приведена методика оценки атмосферных стоков с породных отвалов, необходимая для прогнозирования критических ситуаций и определения рациональных способов защиты ОС от опасного загрязнения.
Ключевые слова: породные отвалы, подкисление почв, тяжелые металлы, кислотные стоки, техногенная пустыня, агрохимические характеристики, поверхность водосбора, коэффициент стока.
Характер и интенсивность загрязнения окружающей среды породными отвалами угольных шахт в значительной степени обусловлены технологией добычи полезного ископаемого, претерпевшей за историю развития Подмосковного угольного бассейна коренные изменения от двухпроцентного уровня механизации в двадцатые годы прошлого века до 45 % в предвоенные годы и комплексной механизации процессов добычи угля и проходческого цикла в 70-е годы [1]. При этом практически полностью были механизированы процессы навалки угля в лавах, погрузки угля
