Растения для очистки и восстановления загрязнённых почв

Растения для очистки и восстановления загрязнённых почв

Фиторемедиация, фитостабилизация и биологическое восстановление территории

Фиторемедиация — это использование растений, их корней и связанных с ними микроорганизмов для уменьшения опасности загрязнённой почвы, воды или осадков.

Важно понимать: растения не всегда полностью удаляют загрязнитель. В зависимости от вещества они могут:

извлекать его из почвы;

удерживать в корневой зоне;

снижать подвижность;

предотвращать распространение пыли;

стимулировать микробное разложение;

перехватывать загрязнённую воду;

создавать условия для постепенного восстановления экосистемы.

Для тяжёлых металлов чаще применяются извлечение и стабилизация. Для нефти, дизельного топлива, части пестицидов и органических соединений важную роль играет разложение микроорганизмами в корневой зоне.

1. Основные механизмы фиторемедиации

Главный принцип:

металлы нельзя биологически уничтожить, но можно удалить, связать или изолировать; органические загрязнители иногда можно разложить.

2. Три группы растений по их функции

2.1. Растения-экстракторы

Их используют, когда загрязнитель достаточно доступен корням и переносится в надземную часть.

Примеры:

горчица сарептская;

амарант;

подсолнечник;

отдельные виды рапса;

специализированные гипераккумуляторы;

некоторые виды ивы.

2.2. Растения-стабилизаторы

Их основная задача — закрыть поверхность и остановить распространение загрязнённой почвы.

Примеры:

овсяница;

райграс;

полевица;

ежа сборная;

кострец;

мискантус;

осоки;

тростник;

ива;

берёза;

сосна.

2.3. Растения — восстановители экосистемы

Они возвращают органическое вещество, почвенную биологию, опылителей и естественную сукцессию.

Примеры:

люцерна;

клевер;

кипрей;

цикорий;

тысячелистник;

местные злаки;

кустарники;

ива и берёза.

3. Люцерна — биологический двигатель почвы

Люцерна посевная — не самый сильный гипераккумулятор металлов. Её уникальность заключается в объединении нескольких функций.

Главные свойства люцерны

Почему люцерна полезна при загрязнении нефтью

Она не поглощает нефть как готовое вещество. Основная работа происходит вокруг её корней.

Корневые выделения:

питают нефтеразлагающие бактерии;

поддерживают микробное сообщество;

улучшают структуру почвы;

увеличивают доступ кислорода;

стимулируют разложение некоторых углеводородов.

Лучше всего люцерна работает в смеси со злаками:

овсяницей;

райграсом;

кострецом;

ежой сборной.

У злаков очень густая сеть тонких корней, а люцерна обеспечивает глубокое проникновение и азотфиксирующий компонент.

Люцерна и тяжёлые металлы

Она может поглощать и удерживать:

кадмий;

цинк;

медь;

никель;

часть хрома;

часть свинца.

Но её роль обычно заключается в сочетании:

частичного извлечения;

удержания загрязнителя в корнях;

создания устойчивой ризосферы;

восстановления структуры почвы.

При загрязнении свинцом люцерна скорее стабилизатор, чем сильный экстрактор.

Ограничения люцерны

Она плохо переносит:

длительное затопление;

застой воды;

сильную кислотность;

очень высокую засолённость;

тяжёлый анаэробный грунт;

крайне высокое загрязнение.

Биомассу люцерны с загрязнённого участка нельзя использовать как корм, пищу, травяное сырьё или обычный компост.

4. Кипрей — растение первого восстановления

Кипрей узколистный, или иван-чай, — типичное пионерное растение.

Его главная функция — быстро возвращать растительный покров туда, где прежняя экосистема была разрушена.

Он появляется на:

пожарищах;

вырубках;

строительных насыпях;

нарушенных лесных землях;

карьерах;

отвалах;

обочинах;

перемещённом грунте.

Уникальные свойства кипрея

Роль в фиторемедиации

Кипрей не считается универсальным гипераккумулятором. Его основные функции:

закрытие загрязнённой поверхности;

уменьшение пыления;

закрепление верхнего слоя;

поддержка микроорганизмов;

накопление органического опада;

запуск естественной сукцессии.

Естественная последовательность может выглядеть так:

голая земля → кипрей → разнотравье → кустарники → молодой лес.

Для нефти и тяжёлых металлов кипрей лучше использовать после того, как острая токсичность уже уменьшена и поверхность стабилизирована.

Кипрей с загрязнённого участка нельзя собирать для чая, еды, лекарственных средств или косметики.

5. Амарант — высокая биомасса за один сезон

Амарант объединяет:

быстрый рост;

крупную надземную массу;

развитую корневую систему;

устойчивость к жаре;

способность поглощать некоторые металлы.

Он не обязательно накапливает рекордную концентрацию металла в каждом килограмме ткани. Его преимущество — большой общий урожай загрязнённой биомассы.

Реальный вынос загрязнителя

Эффективность растения определяется не только концентрацией металла, но и объёмом собранной массы:

концентрация металла в сухой биомассе × масса сухой биомассы = общий вынос металла.

Поэтому растение с умеренной концентрацией, но огромной массой иногда удаляет больше металла, чем маленький гипераккумулятор.

Потенциал амаранта

Преимущества амаранта

быстро закрывает поверхность;

хорошо переносит жару;

подходит для сезонных циклов;

легко выращивается;

может использоваться на опытных фитоэкстракционных делянках;

даёт большое количество измеряемой и собираемой биомассы.

Ограничения

Амарант не любит:

длительное переувлажнение;

сильную тень;

крайне кислую почву;

очень высокую токсичность.

На загрязнённом участке нельзя использовать его семена, листья, масло, муку или зелёную массу в пищевых и кормовых целях.

6. Горчица — быстрый сезонный экстрактор

Для фиторемедиации особенно интересна горчица сарептская, или индийская.

Её уникальность состоит в коротком цикле, быстром росте и сравнительно хорошем переносе некоторых металлов из корней в надземные части.

Особенности горчицы

Наиболее перспективные загрязнители

кадмий;

цинк;

медь;

никель;

отдельные формы хрома;

частично свинец.

Почему горчица интересна для свинца

Горчица хорошо изучена в опытах по усиленной фитоэкстракции. Однако свинец плохо растворяется и часто остаётся в корнях.

Для повышения его доступности иногда применяли хелатирующие вещества. Это действительно может увеличить поступление Pb в побеги, но одновременно повышает риск вымывания растворённого свинца в грунтовые воды.

Поэтому на реальном участке синтетические хелаторы нельзя применять без инженерного контроля воды, дренажа и химического состава почвы.

Практическая роль горчицы при Pb:

быстрый сезонный покров;

опытное частичное извлечение;

контроль доступности свинца;

дополнительная культура в комплексной системе;

не замена инженерной стабилизации.

7. Подсолнечник — большая биопомпа и ризофильтр

Подсолнечник ценен благодаря сочетанию:

большой надземной массы;

развитой корневой поверхности;

интенсивного водопотребления;

способности сорбировать металлы;

возможности использования в водных системах.

Уникальные качества

Подсолнечник и металлы

Он исследуется для:

кадмия;

цинка;

меди;

никеля;

свинца;

урана;

некоторых радионуклидов.

Особая ценность для очистки воды

Подсолнечник особенно интересен не только в почве, но и в контролируемых резервуарах.

Корни могут:

сорбировать растворённый металл;

удерживать частицы;

связывать загрязнитель клеточными стенками;

частично поглощать его.

После этого корневую массу можно извлечь целиком, что значительно проще, чем удалять все корни из почвы.

Подсолнечник и свинец

В почве Pb часто остаётся преимущественно в корневой системе. Поэтому подсолнечник не всегда является хорошим полевым экстрактором свинца.

Наиболее рациональные применения:

ризофильтрация загрязнённой воды;

опытные делянки;

создание большой биомассы;

оценка доступности металла;

дополнительная культура после стабилизации участка.

На загрязнённой территории нельзя использовать семена, масло, жмых, цветки или стебли.

8. Сравнение ключевых растений

9. Свинец — особая проблема

Свинец является одним из наиболее опасных и сложных загрязнителей почвы.

Он:

не разлагается;

может сохраняться десятилетиями и столетиями;

накапливается в организме;

особенно опасен для детей;

повреждает нервную систему;

влияет на развитие мозга;

нарушает кроветворение;

повреждает почки;

повышает сердечно-сосудистый риск;

может влиять на репродуктивную систему.

Основные пути попадания свинца к человеку

На практике опасность часто создаёт не поглощение свинца растениями, а прямое попадание загрязнённой почвы и пыли в организм.

10. Почему растения плохо извлекают свинец

10.1. Низкая растворимость

Свинец связывается с:

глиной;

органическим веществом;

оксидами железа;

оксидами марганца;

карбонатами;

фосфатами;

сульфидами.

Поэтому общее содержание Pb может быть высоким, а доступная растениям доля — сравнительно небольшой.

10.2. Задержка в корнях

Pb часто:

сорбируется на поверхности корней;

связывается клеточными стенками;

осаждается в ризосфере;

остаётся внутри корня;

плохо перемещается в листья и стебли.

Это делает растения хорошими стабилизаторами, но слабыми экстракторами.

10.3. Опасность искусственной мобилизации

Если химически увеличить растворимость свинца, он станет доступнее растениям, но одновременно:

возрастёт риск вымывания;

возможно загрязнение дренажа;

металл может уйти глубже;

возрастёт риск попадания в грунтовые воды.

Следовательно, максимальное поглощение растением не всегда означает увеличение безопасности.

11. Четыре стратегии работы со свинцом

Стратегия 1. Удаление горячих точек

Применяется, если на участке есть:

аккумуляторные отходы;

куски шлака;

металлическая дробь;

остатки старой краски;

локальные участки с очень высокой концентрацией;

загрязнение возле детских и жилых зон.

Методы:

выборочная выемка;

удаление крупных частиц;

просеивание;

замена верхнего слоя;

вывоз загрязнённого материала;

укрытие чистым грунтом.

Для сильно загрязнённых жилых участков это надёжнее, чем многолетняя фитоэкстракция.

Стратегия 2. Фитостабилизация

Главная цель:

закрыть землю;

остановить пыление;

уменьшить эрозию;

удерживать Pb корнями;

снизить поверхностный перенос;

ограничить прямой контакт человека с почвой.

Подходящие растения:

овсяница тростниковая;

овсяница красная;

райграс;

полевица;

ежа сборная;

кострец;

мискантус;

ива;

берёза;

тополь;

осоки;

тростник;

рогоз.

Стратегия 3. Иммобилизация

Цель — перевести Pb в менее растворимые и менее доступные формы.

Возможные материалы:

фосфатные минералы;

гидроксиапатит;

известковые материалы;

биоуголь;

железосодержащие сорбенты;

цеолиты;

бентонит;

некоторые глинистые материалы.

После этого участок закрывают растительностью.

Важно: дозировка определяется лабораторными испытаниями. Например, избыток фосфатов может создавать новые экологические проблемы и влиять на подвижность других загрязнителей.

Стратегия 4. Фитоэкстракция

Применяется там, где:

загрязнение умеренное;

часть Pb доступна корням;

можно безопасно убирать биомассу;

есть возможность работать много сезонов;

контролируются вода и почва.

Возможные культуры:

горчица;

подсолнечник;

амарант;

рапс;

ива;

шелковица;

отдельные виды маревых;

кукуруза как непищевой технический посев.

Но для свинца фитоэкстракция обычно медленная и не должна быть единственным способом защиты.

12. Что важнее при свинце: извлечение или стабилизация

Главная задача при Pb — не извлечь максимум металла любой ценой, а сначала прекратить его поступление к человеку.

13. Оптимальная многоуровневая система восстановления

Этап 1. Диагностика

Необходимо определить:

общее содержание загрязнителей;

подвижную фракцию;

глубину загрязнения;

pH;

органическое вещество;

механический состав;

уровень грунтовых вод;

дренаж;

наличие горячих точек;

содержание загрязнителей в воде.

Площадку разделяют на зоны:

чистые;

умеренно загрязнённые;

сильно загрязнённые;

влажные;

пылящие;

эрозионно опасные;

участки с локальными отходами.

Этап 2. Удаление концентрированных источников

Удаляются:

куски шлака;

металл;

аккумуляторные остатки;

загрязнённые строительные материалы;

локальные участки с экстремальной концентрацией.

Этап 3. Стабилизация почвы

При необходимости применяют:

известкование;

фосфатные материалы;

биоуголь;

минеральные сорбенты;

чистый укрывной слой;

противоэрозионные маты.

Этап 4. Быстрое закрытие поверхности

Первая смесь:

райграс;

овсяница тростниковая;

овсяница красная;

полевица;

ежа сборная.

Цель:

остановить пыль;

закрепить почву;

уменьшить поверхностный сток;

создать корневую сеть.

Этап 5. Биологическое восстановление

После стабилизации вводятся:

люцерна;

клевер;

цикорий;

тысячелистник;

местное разнотравье;

кипрей на подходящих участках.

Этап 6. Многолетний каркас

Высаживаются:

мискантус;

ива;

тополь;

берёза;

местные кустарники;

осоки и тростник во влажных местах.

Этап 7. Опытная фитоэкстракция

На отдельных контролируемых делянках:

горчица;

амарант;

подсолнечник;

рапс;

ива короткой ротации.

После каждого цикла анализируют:

корни;

стебли;

листья;

семена;

сухую массу;

общий вынос загрязнителя;

остаточную почву;

подвижную фракцию;

дренажную воду.

Этап 8. Формирование устойчивой экосистемы

После уменьшения рисков:

сохраняют часть местного разнотравья;

высаживают кустарники;

создают лесополосы;

формируют влажные биофильтрационные зоны;

постепенно переводят территорию от технической рекультивации к устойчивой экосистеме.

14. Пример функционального разделения растений

15. Растения для разных загрязнений

Кадмий и цинк

Перспективны:

амарант;

горчица;

отдельные виды рапса;

подсолнечник;

ива;

специализированные гипераккумуляторы.

Никель

Перспективны:

специализированные виды Odontarrhena;

отдельные виды горчицы;

амарант;

металлоустойчивые травы.

Медь

Используются:

горчица;

амарант;

подсолнечник;

ива;

овсяница;

мискантус.

Мышьяк

Специализированным растением является орляковый папоротник Pteris vittata. Однако химическая форма мышьяка и условия почвы имеют решающее значение.

Нефть и дизель

Основная роль принадлежит ризосферным микроорганизмам.

Подходящие растения:

люцерна;

райграс;

овсяница;

клевер;

мискантус;

ива;

тополь.

ПАУ и пестициды

Возможны:

ризодеградация;

фитодеградация;

совместная работа растений и бактерий.

Подходят:

злаки;

люцерна;

ива;

тополь;

водно-болотные растения.

Загрязнённые воды

Используются:

подсолнечник в контролируемых системах;

ряска;

многокоренник;

рогоз;

тростник;

камыш;

осоки;

ива.

Радионуклиды

Возможность использования растений зависит от:

конкретного изотопа;

химической формы;

состава почвы;

содержания калия и кальция;

уровня радиационной опасности.

Работа с радионуклидами требует специального радиологического проекта.

16. Очистка загрязнённых стоков

Пример последовательной биофильтрационной системы:

отстойник для крупных частиц;

минеральный или сорбционный барьер;

зона рогоза;

зона тростника;

зона осок и ситников;

ивовая полоса;

полировочный водоём;

контрольный пункт отбора воды.

Для свинца и других металлов растения не должны заменять технические фильтры. Они работают как дополнительная ступень, стабилизируя осадки и перехватывая остаточные загрязнители.

17. Утилизация загрязнённой биомассы

Биомассу с ремедиационного участка нельзя:

употреблять в пищу;

использовать как корм;

перерабатывать в масло или муку;

делать из неё чай;

использовать в косметике;

компостировать с обычными отходами;

оставлять как мульчу;

сжигать на костре;

сжигать в домашней печи;

использовать золу в саду;

делать домашний биоуголь.

При сжигании тяжёлые металлы не исчезают. Они концентрируются в золе и могут переноситься с дымовой пылью.

Возможные пути обращения:

контролируемое сжигание с очисткой дымовых газов;

специальное захоронение;

стабилизация золы;

извлечение металлов из растительного материала;

передача лицензированной организации.

18. Основные ошибки

Ошибка 1. Считать, что любое растение очищает почву

Присутствие растения на загрязнённой территории ещё не означает, что оно эффективно удаляет загрязнитель.

Ошибка 2. Смотреть только на концентрацию в листьях

Нужно учитывать всю сухую массу и общий вынос с участка.

Ошибка 3. Оставлять загрязнённую биомассу на месте

Тогда металл возвращается в почву после разложения.

Ошибка 4. Применять хелаторы без контроля

Можно усилить вымывание металла и загрязнить воду.

Ошибка 5. Выращивать пищевые растения на ремедиационном участке

Даже если металл слабо поступает в плод, остаётся опасность загрязнённой пыли и почвы.

Ошибка 6. Использовать одно растение

Устойчивее работает система, в которой разные виды выполняют разные функции.

Ошибка 7. Считать стабилизацию полной очисткой

Фитостабилизация снижает риск, но загрязнитель остаётся в почве.

19. Универсальная система DREVO

Для крупной нарушенной территории можно использовать многоступенчатую модель.

Первый уровень — безопасность

анализ;

зонирование;

удаление горячих точек;

ограничение доступа;

предотвращение пыления;

защита водных путей.

Второй уровень — стабилизация

минеральные и органоминеральные сорбенты;

плотные многолетние травы;

противоэрозионное покрытие;

буферные полосы.

Третий уровень — биологическое оживление

люцерна;

клевер;

цикорий;

местные травы;

полезные бактерии;

микоризные грибы.

Четвёртый уровень — контролируемое извлечение

горчица;

амарант;

подсолнечник;

ива;

другие проверенные культуры.

Пятый уровень — формирование экосистемы

кипрей;

местное разнотравье;

кустарники;

ива;

берёза;

тополь;

лесополосы;

влажные фильтрационные зоны.

20. Главный вывод

Не существует одного универсального растения, которое очищает все виды загрязнений.

Каждый вид выполняет свою задачу:

люцерна восстанавливает почвенную биологию, фиксирует азот и создаёт глубокую ризосферу;

кипрей первым возвращает растительный покров и запускает природную сукцессию;

амарант даёт большую биомассу и может извлекать кадмий и цинк;

горчица быстро растёт и подходит для повторных сезонных циклов фитоэкстракции;

подсолнечник формирует мощную биомассу и особенно интересен для ризофильтрации воды;

злаки создают плотную дернину и прекращают пыление;

мискантус обеспечивает долговременный непищевой покров;

ива и тополь управляют водой и формируют многолетний корневой каркас;

осоки, рогоз и тростник работают во влажных фильтрационных системах.

Для свинца наиболее разумная стратегия:

удалить концентрированные источники → связать оставшийся металл → закрыть почву плотной растительностью → ограничить контакт человека → постепенно извлекать доступную часть → постоянно контролировать почву, воду и биомассу.

Цель фиторемедиации — не просто вырастить растения на загрязнённой земле. Цель — создать управляемую систему, которая последовательно уменьшает токсичность, прекращает распространение загрязнения и возвращает территории устойчивую экологическую функцию.

Андосоль — уже сформированная вулканическая почва, а реголит — исходный рыхлый минеральный материал, из которого почва ещё должна быть создана.