Поступление тяжелых металлов в растение регулируется органическим веществом почвы. При взаимодействии ТМ с органической составляющей почвы образуются соли гуминовых кислот, металлы вовлекаются в малоподвижные (плохо доступные растениям) комплексные соединения. Происходит процесс нейтрализации токсичных ТМ, поступающих в почву, поэтому существенное влияние на способность почвы к самоочищению оказывает прочность связей ТМ - органическое вещество почвы (Соколов, Черников, 2008).

Наземные экосистемы, в частности почва, являются основной производительной силой промышленного сырья и продуктов питания для человека. Качественная продукция не должна содержать токсические концентрации ТМ. Такую продукцию можно получить, возделывая культуры только на почвах с нормальным содержанием этих элементов.

Почвы, содержащие ТМ в количествах превышающих ПДК, требуют обязательной детоксикации. Мероприятия по приведению ТМ в загрязненных почвах к фоновым концентрациям крайне необходимы как для оздоровления почвенного покрова и получения качественной аграрной продукции, так и для предотвращения загрязнения ТМ грунтовых вод, которое происходит в результате миграции ТМ вниз по почвенному профилю (Соколов, Черников, 2008; Постников, 2009).

Разработки способов детоксикации загрязненных ТМ почв ведутся давно. В.А. Королёв пишет: «Все методы очистки грунтов можно разделить на три группы:

• 1) методы удаления (изъятия) токсичных соединений из грунта (промывка, экстракция и выщелачивание, электрохимическое и электрокинетическое удаление);
• 2) методы локализации (закрепления) токсикантов в пределах почвенного горизонта (механические защитные экраны (барьеры), химическая иммобилизация);
• 3) методы деструкции загрязнений (подавления токсичности) в массиве грунта (газовая и химическая нейтрализация, гидролитическое разложение, окисление, микробиологическая деструкция)» (Королёв, 2001).

Д.С. Орлов выделяет три группы методов очистки и обезвреживания почв от загрязнений ТМ: механические, химические и агротехнические (Орлов, Васильевская, 1994).

Технология электрохимического метода очистки загрязненных тяжелыми металлами почв основана на переносе ТМ под действием постоянного электрического поля, первостепенную роль при этом играют процессы электроосмоса и электрофореза. При применении электрокинетической технологии представляется возможным с достаточной точностью контролировать и управлять процессами очистки, что является явным преимуществом данного метода. Силовые линии электрического поля перемещают тяжелые металлы в ходе процесса очистки и распределяют их по расположению электрода, причем скорость процесса регулируется напряженностью поля.

Электроды устанавливаются в почве на расстоянии 2-5 метров друг от друга и погружаются на глубину 2 метров. В зависимости от природы извлекаемого токсиканта устанавливаются следующие параметры электрокинетиче- ского процесса: напряженность поля, плотность тока, напряжение на электродах. Исходные концентрации контоминантов в почвах могут быть уменьшены в 5-10 раз. Эффективность очистки достаточно высокая (около 90 %), но такие показатели очистки достигаются только при применении химических реагентов или растворов поверхностно активных веществ. Стоимость электрокинетической очистки почв довольно высока и составляет 130-150 долларов США за 1 м 3 (Новиков).

Химическая детоксикация почв основана на химическом осаждении ТМ в результате помещения токсичной почвы в реактор с реакционно-способной смесью (100 мг/кг сероводорода в азоте, известь, сульфат натрия, оксиды железа, органический углерод). Преимущества данной технологии в том, что она применима для почв с различными физико-химическими свойствами. Эффективность способа зависит от рационально подобранного взаимодействия реа- гент-экотоксикант. В результате обработки почвы реакционной смесью возможна фиксация 90% ТМ. Явным недостатком является то, что почву невозможно очистить на месте, требуется ее сбор и перемещение в реактор.

Существуют так же химические методы очистки загрязненных ТМ почв, позволяющие вносить реакционную смесь непосредственно на загрязненную площадь, при этом пахотный слой очищаемой почвы не оказывает значительного влияния на функционирование экосистемы в целом.

Одним из таких методов является способ очистки черноземов от тяжелых металлов, который отличается тем, что в качестве сорбирующей реагентной смеси применяется органоминеральный компост. При приготовлении компоста смешиваются следующие реагенты: перегной крупнорогатого скота, фосфо- гипс, суперфосфат простой. Сочетание данных компонентов зависит от уровня содержания щелочных металлов и должно соответствовать следующим долям в % от общей массы:

• фосфогипс 10,0-15,0;
• суперфосфат простой 0,8-1,0;
• перегной крупнорогатого скота 84,0-89,2.

Доза внесения смеси составляет 100-110 т/га. Необходимым параметром является содержание в смеси органического вещества - около 20 % с реакцией среды (pH) 6,0-6,5. Полученную реагентную смесь заделывают в почву культиваторами на глубину 0,25 м. По истечении 4-5 лет внесение органоминерального компоста в почву повторяют снова (Патент РФ № 2492944, 2013).

Данный метод обладает спектром недостатков. Способ не решает проблему удаления поллютантов из почв, а лишь на время (4-5 лет) переводит подвижные формы ТМ в почве в труднодоступные для растений. Также происходит снижение активности всех микроэлементов, что негативно сказывается на плодородии почвы. Наиболее явным и основным недостатком химического метода очистки по сравнению с другими является внесение вторичных загрязнителей в очищаемую почву. В состав реакционных смесей, применяемых в процессе ремедиации, входят различные химикаты, которые аккумулируются почвенным покровом и могут вызвать вторичное загрязнение поллютантами другой природы.

Биологические методы очистки почв, а в частности фиторемедиация, в некоторой мере решают две основные проблемы: они более экономичны и не требуют внесения в почву специальных смесей, растворов, реагентов (вторичные загрязнители отсутствуют). В последнее время все чаще используются способы восстановления экосистем при помощи живых растений. Ученые считают перспективным применение растений в целях очистки почв от ТМ и радионуклидов (Ebbs et al, 2008; Kramer, 2000).

Фиторемедиация представляет собой выращивание в течение установленного временного периода на загрязненном участке специально подобранных видов растений-гипераккумуляторов, накапливающих тяжелые металлы корневой системой и переносящих их в надземную биомассу (Квеситадзе и др., 2005; Титов и др., 2007; Chaney et al., 1997, Salt, et al., 1998). При подборке растений- ремедиаторов основополагающую роль играет аккумулирующая способность по отношению к тяжелым металлам (Прасад, 2003; Квеситадзе и др., 2005; Титов и др., 2007). По способности накапливать ТМ все растения условно делят на:

• гипераккумуляторы - растения, способные выживать в почвах с высоким содержанием токсикантов (ТМ) и сорбировать их в большом количестве в своих органах за счет защитных физиологических механизмов к избытку ТМ;
• аккумуляторы - растения, способные накапливать металлы в больших количествах в надземной биомассе при невысоком их содержании в почве;
• индикаторы - растения, накапливающие ТМ таким образом, что содержание металла в растении равно его содержанию в экотопе;
• исключители (эксклюдеры) - устойчивые к ТМ растения, которые сохраняют низкую концентрацию ТМ в побегах при высоком уровне загрязнения экотопа (Baker, 1981; Antosiewicz, 1992; Saraswat, Rai, 2009).

Термин «гипераккумулятор» был предложен Чейни (Chaney, 1983, 1997) для обозначения растений, накапливающих свыше 1000 мг/кг абсолютно сухой массы РЬ, 10 000 - Zn; 100 - Cd (Титов и др., 2007). Умеренными аккумуляторами называют растения, в органах которых концентрации тяжелых металлов довольно высокие, но не достигают установленного порога (Титов и др., 2007).

Так же принято считать, что растения, у которых транслокационный фактор или коэффициент транслокации (отношение содержания металла в побегах к его содержанию в корнях) больше единицы, являются гипеаккумуляторами, в то время как не являющиеся гипераккумуляторами растения имеют более высокое содержание металла в корнях, чем в побегах (Титов и др., 2007).

A.J.M. Baker пишет: «У металлофитов имеются значительные различия как в накоплении тяжелых металлов, так и в концентрациях ТМ, переносимых ими, а так же явно отличаются пороги токсичности. Но все же существуют растения, у которых концентрации тяжелых металлов в побегах существенно превосходят токсичные. Такие растения при выращивании на загрязненных почвах накапливают ТМ в своих надземных органах значительно больше, нежели обычные растения, произрастающие в этом же месте» (Baker, 1994).

Почва – это поверхность земли, имеющая свойства, которые характеризуют как живую, так и неживую природу.

Почва является индикатором общей . Загрязнения поступают в почву с атмосферными осадками, поверхностными отходами. Также они вносятся в почвенный слой почвенными породами и подземными водами.

К группе тяжелых металлов относятся все с плотностью, превышающей плотность железа. Парадокс этих элементов состоит в том, что в определенных количествах они необходимы для обеспечения нормальной жизнедеятельности растений и организмов.

Но их избыток может привести к тяжелым заболеваниям и даже гибели. Пищевой круговорот становится причиной того, что вредные соединения попадают в организм человека и часто наносят огромный вред здоровью.

Источники загрязнения тяжелыми металлами – это . Существует методика, по которой рассчитывается допустимая норма содержания металлов. При этом учитывается суммарная величина нескольких металлов Zc.

• допустимая;
• умеренно опасная;
• высоко-опасная;
• чрезвычайно опасная.

Очень важна охрана почв. Постоянный контроль и мониторинг не позволяет выращивать сельскохозяйственную продукцию и вести выпас скота на загрязненных землях.

Тяжелые металлы, загрязняющие почву

Существует три класса опасности тяжелых металлов. Всемирная организация здравоохранения самыми опасными считает заражение свинцом, ртутью и кадмием. Но не менее вредна и высокая концентрация остальных элементов.

Ртуть

Загрязнение почвы ртутью происходит с попаданием в нее пестицидов, различных бытовых отходов, например люминесцентных ламп, элементов испорченных измерительных приборов.

По официальным данным годовой выброс ртути составляет более пяти тысяч тонн. Ртуть может поступать в организм человека из загрязненной почвы.

Если это происходит регулярно, могут возникнуть тяжелые расстройства работы многих органов, в том числе страдает и нервная система.

При ненадлежащем лечении возможен летальный исход.

Свинец

Очень опасным для человека и всех живых организмов является свинец.

Он чрезвычайно токсичен. При добыче одной тонны свинца двадцать пять килограммов попадает в окружающую среду. Большое количество свинца поступает в почву с выделением выхлопных газов.

Зона загрязнения почвы вдоль трасс составляет свыше двухсот метров вокруг. Попадая в почву, свинец поглощается растениями, которые употребляют в пищу человек и животные, в том числе и скот, мясо которого также присутствует в нашем меню. От избытка свинца поражается центральная нервная система, головной мозг, печень и почки. Он опасен своим канцерогенным и мутагенным действием.

Кадмий

Огромной опасностью для организма человека является загрязнение почвы кадмием. Попадая в пищу, он вызывает деформацию скелета, остановку роста у детей и сильные боли в спине.

Медь и цинк

Высокая концентрация в почве этих элементов становится причиной того, что замедляется рост и ухудшается плодоношение растений, что приводит в конечном итоге к резкому уменьшению урожайности. У человека происходят изменения в мозге, печени и поджелудочной железе.

Молибден

Избыток молибдена вызывает подагру и поражения нервной системы.

Опасность тяжелых металлов заключается в том, что они плохо выводятся из организма, накапливаются в нем. Они могут образовывать очень токсичные соединения, легко переходят из одной среды в другую, не разлагаются. При этом они вызывают тяжелейшие заболевания, приводящие часто к необратимым последствиям.

Сурьма

Присутствует в некоторых рудах.

Входит в состав сплавов, используемых в различных производственных сферах.

Ее избыток вызывает тяжелые пищевые расстройства.

Мышьяк

Основным источником загрязнения почвы мышьяком являются вещества, с помощью которых борются с вредителями сельскохозяйственных растений, например гербициды, инсектициды. Мышьяк – это накапливающийся яд, вызывающий хронические . Его соединения провоцируют заболевания нервной системы, мозга, кожных покровов.

Марганец

В почве и растениях наблюдается высокое содержание этого элемента.

При попадании в почву дополнительного количества марганца быстро создается его опасный избыток. На организме человека это сказывается в виде разрушения нервной системы.

Не менее опасен переизбыток и остальных тяжелых элементов.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что накопление тяжелых металлов в почве влечет за собой тяжелые последствия для состояния здоровья человека и окружающей среды в целом.

Основные методы борьбы с загрязнением почв тяжелыми металлами

Методы борьбы с загрязнением почвы тяжелыми металлами могут быть физическими, химическими и биологическими. Среди них можно выделить следующие способы:

• Увеличение кислотности почвы повышает возможность Поэтому внесение органических веществ и глины, известкование помогают в какой-то мере в борьбе с загрязнением.
• Посев, скашивание и удаление с поверхности почвы некоторых растений, например клевера, существенно снижает концентрацию тяжелых металлов в почве. К тому же данный способ является совершенно экологичным.
• Проведение детоксикации подземных вод, ее откачивание и очистка.
• Прогнозирование и устранение миграции растворимой формы тяжелых металлов.
• В некоторых особо тяжелых случаях требуется полное снятие почвенного слоя и замена его новым.

Способы очистки почв от загрязнений подразделяют на физические, химические, физико-химические и биохимические.

Рассмотрим один из видов очистки - биохимические. Этот вид очистки становиться всё более популярным. В свою очередь данный метод делиться на следующие виды: биовентилирование, грибковые технологии, использование ила, фиторемедиацию .

Биовентилирование

Биовентилирование используется за рубежом для удаления из почв нефти и нефтепродуктов. В теле загрязненного грунта бурятся скважины, в которые подается воздух. Этот метод увеличивает скорость биологического разложения, которая сдерживается недостатком кислорода в грунте. Так же метод может сочетаться с технологией откачки грунтовых испарений. В таком варианте часть скважин может использоваться для закачки воздуха, а остальная часть наоборот для откачивания образовавшихся испарений и далее идет очистка от летучих загрязняющих веществ .

Грибковые технологии

При грибковом методе очистки почв от загрязнений производят заселение различными грибковыми культурами. Этот способ пригоден для разрушения тех токсических веществ, которые трудно разлагаются, в том числе полиароматические, углеводороды типа полихлорированных дефинилов. Метод так возможен и в принципе продолжается в зимних условиях. Происходит снижение концентрации.

Метод может нести смешанный характер. Например в США разработан метод восстановления почв носит комбинированный характер, который включает в себя биохимические и физические методы очитки. При этом сам процесс идёт в несколько стадий .

Использование ила

Данный вид очистки относят к сельскому хозяйству. При этом метод используется для очистки разливов нефти и нефтепродуктов.

Состав содержит нефтеокисляющие микроорганизмы, удобрение и адсорбент. В качестве нефтеокисляющих микроорганизмов используют активный ил. В качестве удобрения используют навоз и производят рыхление загрязненной почвы.

Данный вид очистки позволяет достигать экологически чистый состав для очистки почвы, при этом происходит повышение экономичности метода.

Существуют некоторые недостатки метода: узкая область применения, происходит очищение только поверхностного слоя почвы, проведению метода мешают повышенные температуры, сложность состава и его начальное приготовления и сложность в выборе состава компонентов их соотношения .

Фиторемедиация

Фиторемедиация - (в переводе с греческого «фитон» - растение, и талинского «ремедиум» - восстанавливать) способ очистки почв с помощью зелёных растений .

Для того чтобы обезвредить почву от различных видов загрязнителей (например от тяжелых металлов), используют различные микроорганизмы.

Но они не способны удалять из почвы тяжелые металлы.

Лучше всего извлекают из почвы и накапливают в своих тканях тяжелые металлы - зелёные растения. После растительность можно сжечь, а остатки пепла захоронить или использовать в качестве вторичного сырья.

Метод имеет большую эффективность и экономически выгоден. Но это выяснилось уже после, как обнаружили растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов, которые имеют способность накапливать в своих листьях элементы. При проведении расчетов выяснилось, что гипераккумуяторы в десять раз больше способны накапливать тяжелые металлы, чем обычные растения.

Использовать растения-гипераккумуляторы начали в начале 80-х годов. Но при этом существовали сложности метода в том, что биомасса этих растений была невелика и в том, что не была разработана технология выращивания.

Большую часть дикорастущих растений-гипераккумуляторов относят к семейству крестоцветных (капуста, горчица).

Но многие тяжелые металлы растения плохо усваивают. Потому что тяжелые металлы находятся в виде малорастворимых соединений.

Но проблему удалось решить уже после, когда обнаружили, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют вещества, образующие с металлами устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Но человек, к сожалению, еще мало знаком с механизмом накопления тяжелых металлов.

Успешные эксперименты с веществами стимуляторами предполагают, что растения усваивают малорастворимые соединения тяжелых металлов в результате того, что их корневая система выделяет в почву природные вещества-комплексообразователи (например, фитосидерофоры).

Но лучше всего изучены фитосидерофоры ячменя и кукурузы - это кислоты. Предполагается, что в роли фитосидерофоров играют белки, которые способны связывать тяжелые металлы и делать тем самым доступными для растений.

Для того чтобы тяжелые металлы стали доступными для растений необходимо, чтобы в мембранах корневых клеток был повышен фермент редуктаза. Так же для доступности тяжелых металлов немалую роль может играть и корневая микрофлора.

Механизм переноса тяжелых металлов из корневой части растения в наземные, меньше всего изучен. Одно ясно, что малорастворимые соли тяжелых металлов перемещаются по сосудистой системе в виде комплексных соединений (например, с органическими кислотами).

Перспектива развития метода фиторемедиации возможно ожидать тогда, когда при помощи методов генной инженерии будут созданы такие растения, которые будут способны более эффективно накапливать в себе тяжелые металлы .

Ухудшающиеся экологические условия оказывают негативное влияние на почву — вследствие загрязнения снижается урожайность и проявляется токсичный эффект.

Благодаря самоочищению почвы происходит постепенное удаление вредных веществ, однако этот процесс занимает достаточно длительное время, а кроме того, скорость процессов загрязнения в техногенной среде ощутимо превышает скорость процессов самоочищения.

Поэтому активно применяются методы искусственного очищения почвы.

Для очистки почвы от загрязнения разработаны различные технологические методы, и регулярно внедряются новые. В первую очередь следует использовать для очистки почвы наиболее экологические и безопасные способы, не забывая про эффективность и финансовые затраты.

Методы очистки почвы

Если рассматривать способы очистки загрязненной почвы, то можно разделить их по принципу действия на следующие категории:

• химические методы очистки.
• физические методы очистки.
• биологические методы очистки.

Физические методы очистки почвы

1) Электрохимическая очистка.

Применяется для удаления из почвы хлорсодержащих углеводородов, различных нефтепродуктов, фенолов. На чем основана работа метода электрохимической очистки? В процессе движения электрического тока сквозь почву осуществляется электролиз воды, электрокоагуляция, реакции электрохимического окисления и электрофлотации. Степень окисления фенола находится в пределах от 70 до 90 процентов.

Качественный уровень обеззараживания почвы при электрохимической очистке приближается к ста процентам (минимальный показатель — 95%). Метод позволяет удалять из почвы также такие вредные элементы как ртуть, свинец, мышьяк, кадмий, цианиды и др.

К минусам метода можно отнести достаточно высокую стоимость (100-250$ за 1 м³ почвы).

2) Электрокинетическая очистка.

Используется для очищения почвы от цианидов, нефти и производных нефти, тяжелых металлов, цианидов, хлористых органических элементов. Типы почв, к которым может успешно применяться электрокинетическая очистка — глинистые и суглинистые, насыщенные влагой частично или полностью.

Технология основана на применении таких процессов как электрофорез и электроосмос. Уровень контроля и воздействия на процессы очищения почвы достаточно высокий. Для использования метода требуется применение химических реактивов или растворов поверхностно-активных веществ.

Эффективность электрокинетической очистки почвы составляет от 80 до 99 процентов. Стоимость несколько ниже чем при электрохимической очистке (100-170$ за 1 м³ почвы).

Химические методы очистки почвы

1) Метод промывки.

Технологии химической очистки почвы подразумевают использование растворов поверхностно-активных веществ или сильные окислители (активный кислород и хлор, щелочные растворы). В основном метод применяется с целью очистки почвы от нефти. Эффективность при методе промывки составляет до 99%.

После того как почва очищена, можно проводить ее рекультивацию.

Из минусов химических методов очистки почвы можно отметить длительные сроки (1-4 года в среднем) и значительное количество загрязненной воды, которую тоже приходится очищать перед выбросом в окружающую среду.

Биологические методы очистки почвы

1) Фитоэкстракция.

Технология очистки засоренных вредными веществами почв методом фитоэкстракции — это выращивание определенных видов растений на загрязненных участках грунта.

Фитоэкстракция демонстрирует хорошие результаты при очистке почвы от медных, цинковых и никелевых соединений, а также кобальта, свинца, марганца, цинка и хрома. Для удаления подавляющего количества указанных элементов из почвы, нужно обеспечить несколько циклов растительных культур.

По окончании процесса фитоэкстракции растения следует собрать и сжечь. Полученный после сжигания пепел считается вредными отходами и подлежит утилизации.

Еще один биологический метод — целенаправленное усиление активности специфической микрофлоры почвы, которая занимается разложением нефти. Также, допустимо добавление определенных микробных культур в почву.

В результате создаются благоприятные условия для микроорганизмов, которые осуществляют утилизацию нефтепродуктов и нефти.
Не менее интересная статья также есть на нашем сайте (прочитано — 7 746 раз)