Фіторемедіація

Фіторемедіація

Фіторемедіація - це використання рослин і пов'язаних з їх корінням мікроорганізмів для очищення, зв'язування або зменшення токсичності забрудненого ґрунту, води та донних відкладень. Вона застосовується проти важких металів, нафтопродуктів, деяких пестицидів, розчинників та інших забруднювачів. (hero.epa.gov)

Важливо розуміти: рослини не завжди знищують забруднення. Залежно від технології вони можуть:

вилучати забруднювач із ґрунту;

утримувати його в корінні;

перешкоджати поширенню пилу та ерозії;

стимулювати мікробне розкладання;

поглинати забруднення із води;

частково перетворювати органічні сполуки.

Основні види фіторемедіації

Фітоекстракція справді зменшує загальну масу металу у ґрунті лише тоді, коли надземну біомасу регулярно прибирають із ділянки. Фітостабілізація, навпаки, не видаляє метал, а знижує його рухливість та ризик контакту. (19 січня 2017 р. snapshot.epa.gov)

1. Фітоекстракція

Рослина поглинає метал корінням, переносить його в стебла та листя, після чого біомасу скошують і видаляють.

Відповідна рослина повинна поєднувати:

стійкість до забруднення;

здатність поглинати необхідний елемент;

перенесення елемента до надземних органів;

швидке зростання;

достатню біомасу;

можливість механізованого збирання.

Гіперакумулятори

Гіперакумуляторами називають рослини, здатні накопичувати надзвичайно високі концентрації певних металів без загибелі.

Приклади:

Нестача гіперакумуляторів – часто невелика біомаса. Тому рослина може містити багато металу на кілограм сухої маси, але мати мало металу з одного гектара.

Іноді результативніші не гіперакумулятори, а швидкорослі рослини з помірним накопиченням:

верба;

тополя;

гірчиця;

соняшник;

кукурудза;

міскантус;

просо;

райграс.

Сучасні огляди наголошують, що для польової ефективності потрібно враховувати одночасно концентрацію металу в рослині та загальний урожай біомаси. (ScienceDirect)

2. Фітостабілізація

Це найбільш реалістичний метод для багатьох ділянок, забруднених свинцем, шахтними відходами чи сумішшю металів.

Рослинність:

закриває голу землю;

зменшує пилення;

зупиняє водну та вітрову ерозію;

утримує забруднення у кореневій зоні;

поступово формує органічний обрій;

знижує прямий контакт людей та тварин з ґрунтом.

Для цього використовують:

багаторічні злаки;

вівсяницю;

райграс;

суп;

очеретяні трави;

живий;

тополя;

трохи;

сосну;

чагарники, стійкі до місцевих умов.

Фітостабілізацію часто посилюють внесенням біовугілля, вапна, фосфатних матеріалів, глини, цеоліту або чистого компосту. Але добавку вибирають після лабораторних випробувань: один матеріал може зв'язувати один метал та одночасно підвищувати рухливість іншого.

3. Різодеградація нафтопродуктів

Для органічних забруднювачів основна робота часто виконується не самою рослиною, а мікроорганізмами навколо коріння.

Коріння виділяють:

цукру;

органічні кислоти;

амінокислоти;

ферменти;

відмираючі клітини.

Це збільшує чисельність бактерій та грибів, які можуть розкладати вуглеводні.

Підходять рослини з густою кореневою системою:

райграс;

вівсяниця;

люцерна;

конюшина;

просо;

міскантус;

верба;

тополя.

Нафтові вуглеводні зазвичай піддаються біологічному руйнуванню краще, ніж важкі метали. Але важкі фракції, що вивітрилися, і ПАУ розкладаються повільно, іноді роками. (hero.epa.gov)

4. Верба та тополя

Верби та тополі часто застосовуються у фітотехнологіях завдяки:

швидкого зростання;

високій біомасі;

глибокої та розгалуженої кореневої системи;

можливості споживати багато води;

простому розмноженню живцями;

можливості вирощування у коротких оборотах.

Вони можуть використовуватися для:

перехоплення забрудненої води;

стабілізації металів;

стимуляції розкладання нафтопродуктів;

створення захисних смуг;

поступового відновлення структури ґрунту.

Але вони є універсальними «насосами всім металів». Значна частина забруднення може залишатися в корінні або ґрунті. Ефективність залежить від сорту, pH, глибини забруднення і доступності металу.

5. Гірчиця та соняшник

Ці рослини часто згадуються як універсальні очищувачі, проте їх можливості зазвичай перебільшують.

Гірчиця

Переваги:

швидко росте;

утворює достатню біомасу;

легко забирається;

може поглинати кадмій, цинк, мідь та інші елементи.

Обмеження:

ефективність залежить від форми металу;

слабо витягує міцно пов'язаний свинець;

може загинути у разі сильного забруднення;

вимагає щорічного посіву та видалення маси.

Соняшник

Переваги:

велика біомаса;

розвинене коріння;

зручне прибирання;

придатність для ризофільтрації деяких забруднених вод.

Але польові результати для свинцю часто набагато слабші, ніж популярні заяви. Його варто розглядати як компонент випробувальної суміші, а не гарантований спосіб очищення.

6. Чому свинець особливо важкий

Свинець часто міцно зв'язується з частинками ґрунту та органічною речовиною. Тому його концентрація в листі може залишатися невеликою навіть за високого вмісту в ґрунті.

Для свинцю зазвичай раціональніше:

закрити ґрунт рослинністю;

усунути пилення;

скоригувати pH;

зв'язати метал сорбентами;

не вирощувати харчові культури;

при високому ризику видалити або ізолювати верхній ґрунт.

Спроби штучно підвищити доступність свинцю хелатами можуть збільшити його перехід у воду та створити ризик забруднення ґрунтових вод. Така технологія допустима лише як контрольований інженерний захід.

7. Роль кислотності ґрунту

Рухливість багатьох металів зростає у кислому грунті.

При зниженні pH можуть стати доступнішими:

кадмій;

цинк;

нікель;

марганець;

мідь.

Тому вапнування іноді зменшує надходження металів до рослин. Але при фітоекстракції, навпаки, дуже сильне зв'язування металу знижує швидкість його видалення.

Виходить принципова відмінність:

для безпеки та стабілізації метали зазвичай прагнуть зв'язати;

для вилучення рослинами необхідно зберегти деяку доступність;

підвищувати доступність дозволяється лише при контролі вимивання та стану рослин.

На поглинання також впливають вміст органічної речовини, тип глини, вологість, конкуруючі іони та хімічна форма самого металу. (mdpi.com)

8. Робота із забрудненою біомасою

Це обов'язкова частина проекту.

Після фітоекстракції рослини розглядаються не як звичайна зелена маса, бо як потенційно забруднений матеріал.

Не можна:

залишати скошену масу на полі;

компостувати її з харчовим компостом;

використовувати як мульчу;

згодовувати тваринам;

робити з неї добрива;

спалювати у побутовій печі;

переробляти у їжу чи косметику.

Можливі шляхи:

спеціалізоване спалювання з очищенням димових газів;

контрольована піролізна обробка;

поховання як забрудненого матеріалу;

вилучення металів із золи;

фітовидобування металів, коли це економічно виправдано.

Навіть після спалювання метали не зникають – вони концентруються у золі.

9. Практична схема ділянки

Етап 1. Обстеження

Ґрунтові проби беруть:

по регулярній сітці;

окремо із підозрілих плям;

на різних глибинах;

біля стоків, будівель, доріг та місць зберігання матеріалів.

Аналізують не тільки загальну концентрацію, але по можливості рухливу фракцію забруднювачів.

Етап 2.

Ділянку ділять на зони:

чиста;

слабке забруднення;

помірне;

сильне;

локальні гарячі точки.

Сильно забруднені плями найчастіше вигідніше видалити чи ізолювати, ніж десятиліттями очищати рослинами.

Етап 3. Пробні ділянки

До посадки всієї площі роблять кілька ділянок, наприклад:

суміш багаторічних злаків;

верба;

гірчиця;

соняшник;

місцева стійка рослина;

контроль без рослин.

Після сезону аналізують:

ґрунт;

коріння;

стебла;

листя;

кількість отриманої біомаси.

Етап 4. Основний цикл

Один цикл включає:

посів → вирощування → аналіз → збирання всієї забрудненої маси → безпечна утилізація → повторний аналіз ґрунту.

Для металів таких циклів може знадобитися багато. Фіторемедіація зазвичай найбільш придатна при слабкому та помірному поверхневому забрудненні, коли немає негайної загрози людям або ґрунтовим водам. При гострому ризику вона надто повільна. (Природа)

10. Приклад рослинної системи DREVO

Перший захисний ярус

вівсяниця;

райграс;

рябчик;

лядвенець;

конюшина - тільки якщо нормально переносить забруднення.

Завдання: закрити ґрунт та зупинити ерозію.

Другий видобувний ярус

На окремих ділянках:

гірчиця;

соняшник;

спеціалізовані гіперакумулятори;

місцеві металостійкі рослини.

Завдання: перевірити фактичне вилучення кожного металу.

Третій дерев'яний ярус

верба;

тополя;

берези;

вільха на відповідних ґрунтах.

Завдання: глибока стабілізація, перехоплення води та формування мікроклімату.

Мікробний ярус

місцеві ризосферні бактерії;

мікоризна гриби;

деревна тріска при органічному забрудненні;

чистий зрілий компост у контрольованому дозуванні.

Що можна вирощувати після очищення

Перехід до харчових рослин визначається не кількістю минулих років, а повторними аналізами.

До офіційного підтвердження безпеки ділянку краще використовувати для:

технічних трав;

декоративних рослин;

енергетичної деревини;

захисних лісосмуг;

насіннєвого матеріалу тільки при підтвердженні безпеки;

біорізноманіття без випасу тварин.

Особливо небажані на забрудненому ґрунті:

листова зелень;

коренеплоди;

гриби;

лікарська сировина;

кормові рослини;

рослини для дитячого харчування

Головний висновок

Фіторемедіація - це не разова посадка «очищаючої рослини», а керована інженерно-біологічна система:

аналіз забруднення → вибір механізму → підбір рослин → контроль води та ґрунту → регулярне збирання біомаси → безпечна утилізація → повторні аналізи.

Найбільш надійне застосування:

стабілізація слабко забруднених великих територій;

боротьба з пилом та ерозією;

поступове вилучення кадмію, цинку та нікелю;

відновлення нафтозабруднених ґрунтів разом із мікроорганізмами;

створення рослинного бар'єру навколо забруднених зон.