Фиторемедиация почв загрязненных нефтепродуктами
Нефть и нефтепродукты сопровождаются сильным негативным воздействием на состояние почв, они способны привести к изменениям в их структуре, составе и свойствах, что отрицательно сказывается на их плодородии [1]. Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами оказывает негативное воздействие на растения, главным образом из-за изменения их физико-химических свойств и торможениия интенсивности биологических процессов [2]. Естественные процессы самоочищения и восстановления почв, загрязненных нефтью, протекают достаточно медленно, особенно при высоких уровнях загрязнения и в условиях высокогорья, где биологические процессы замедлены природными лимитирующими факторами.
Рудник Кумтор является одним из немногих по труднодоступности высокогорных рудников мира. Золоторудное месторождение Кумтор расположено на северо-западном склоне хребта Ак-Шийрак Тянь-Шаньских гор, в северо-восточной части Кыргызской Республики, примерно в 60 км к югу от озера Иссык-Куль и в 60 км к северо-западу от границы с КНР. Рудник и его вспомогательные объекты расположены на высоте от 3600 до 4400 м над уровнем моря. Район месторождения характеризуется суровыми климатическими условиями (среднегодовая температура равна –7,8 °С, снег круглый год, активные ледники и вечная мерзлота, простирающаяся на глубину до двух-трех сотен метров). В результате крупномасштабной деятельности предприятия Кумтор, в 2015 был введен в эксплуатацию полигон опасных отходов, где также накапливаются грунты, загрязненные нефтепродуктами. Одним из приоритетов компании «Кумтор Голд Компани» является снижение отрицательного воздействия на окружающую среду и эффективное использование земельных ресурсов усовершенствованием стратегии по управлению отходами. Имеется опыт успешной реабилитации таких грунтов с применением биологических методов [3; 4]. С целью завершения реабилитации грунтов, загрязненных нефтепродуктами, были продолжены работы по восстановлению максимально первоначальной структуры изучаемых грунтов. Одним из эффективных приемов реабилитации таких почв признаны методы фиторемедиации [5]. При высеве растений, обладающих устойчивостью к росту на грунтах, загрязненных нефтепродуктами, они используют углеводороды нефти в качестве дополнительного питания, при этом они содействуют улучшению газовоздушного режима нефтезагрязненной почвы, обогащая ее при этом различными активными соединениями, в итоге стимулируя рост числа микроорганизмов и ускоряя разложение нефти и нефтепродуктов [6].
Существенным недостатком реабилитации загрязненных почв при помощи растений является их уязвимость при высоких концентрациях нефтепродуктов, что ограничивает их применение. Поэтому приемы фиторемедиации целесообразно применять в качестве завершающего этапа реабилитационных мероприятий. Применение метода фиторемедиации при реабилитации нефтезагрязненных грунтов в условиях высокогорья, на высоте более чем 3000 м н.у.м. также сопредельно с лимитирующими факторами природной среды, такими как тепло, свет. Однако подбор и оптимизация метода фиторемедиации грунтов, загрязненных нефтепродуктами, актуальны при завершении реабилитационных мероприятий и имеют большое практическое и экологическое значение, так как позволяют изымать из тела полигона и возвращать загрязненные нефтепродуктами грунты для их последующего использования, тем самым внеся вклад в рациональное использование природных ресурсов высокогорья. Таким образом, данный подход улучшит самоочищающую способность загрязненных грунтов, позволит использовать очищенные экологически безвредными способами грунты, которые могут быть возвращены на место выемки или использоваться в качестве изолирующего и рекультивационного материала, а также позволит уменьшить объем полигонов опасных отходов рудника Кумтор изъятием из его тела очищенных грунтов.
Целью нашей работы был подбор местных видов высокогорных растений для фиторемедиации грунтов, загрязненных нефтепродуктами, предварительно очищенных методом биоремедиации.
Материалы и методы исследования
Отбор проб был произведен из полигона опасных отходов рудника Кумтор, располагающегося на абсолютной высоте 3665 м н.у.м. Почвенные образцы отбирались из верхнего слоя (0–15 см) методом «конверта», с пробной площадки размером 1х1 м путем составления объединенной пробы массой 400–500 г. Фоновый образец почвы был взят на расстоянии 2000 м от полигона. Отбор почвенных проб проводился в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.4.02-2017 и ГОСТ 28168-89. Определение концентрации нефтепродуктов проводилось гравиметрическим методом (методическое указание по определению НП. РД 52.18. 647 – 2003), в аккредитованной лаборатории ГАООСЛХ КР. pH почвы измеряли калибровочным Horibo portable pH meter, B-213, в соотношении почвы и дистиллированной воды 1:2,5 [4]. Для проведения фиторемедиационных работ были взяты образцы почв после биоремедиации, где содержание нефтепродуктов составляло 980 мг/кг, а в фоновом образце – 100 мг/кг. В качестве тест-культур были взяты семена двух растений, произрастающих в природно-климатических условиях рудника Кумтор: овсяница луговая (Festucapratensis), плевел многолетний (Loliumperenne).
Семена используемых растений предварительно калибровали, выбрав семена одного размера и визуально здоровые. В качестве вегетационных сосудов использовали пластиковые емкости. С равномерным распределением по поверхности в каждый из сосудов производили посадку семян тест-культур. В пластиковые контейнеры высевались с 3-кратной повторностью по 15 семян каждого растения. Тест-объекты выращивались при одинаковых внешних факторах воздействия: освещенность, приближенная к реальным условиям; влажность почвы, поддерживаемая на уровне 60 % полной влагоемкости; температура, поддерживаемая на уровне 18–25 °С. Полив производился в одинаковое время и с одинаковым объемом.
Исследовались такие параметры тест-культур, как всхожесть ( %), длина ростка и корня (мм), которые выращивались на протяжении 40 суток. Тест-откликом служила всхожесть семян, изменения надземной и подземной части семян в сравнении с фоном. Всхожесть семян была рассчитана как число проросших семян, выраженное в процентах от общего количества высеянных семян.
Статистическая обработка данных проводилась с помощью пакета Microsoft Exсel, рассчитывали средние арифметические значения и стандартные отклонения признаков.
Результаты исследований и их обсуждение
Первый этап исследований, проведенный нами в 2018–2019 гг., включал в себя изучение биоразнообразия аборигенных штаммов микроорганизмов, выделенных из нефтезагрязненных грунтов, и изучение их биотехнологического потенциала [3]. Содержание нефтепродуктов в полевых условиях при проведенных биоремедиационных работах снизилось с 2320 до 980 мг/кг. Применение метода биоремедиации, значительно снизившего содержание нефтепродуктов в изучаемых пробах, позволило перейти к следующему этапу реабилитации изучаемых грунтов методом фиторемедиации. Основной задачей фиторемедиации является подбор растений, обладающих способностью давать всходы и произрастать при заданных условиях [6; 7]. Лабораторные эксперименты показали, что при высоких концентрациях нефтепродукты оказывают токсическое действие на рост и развитие растений и, наоборот, обладают легким стимулирующим рост свойством – при низких концентрациях. Анализ всхожести семян показал, что при различных концентрациях нефтепродуктов в почве они оказывают как токсическое действие, так обладают и стимулирующим свойством, что было подтверждено и другими исследователями [8; 9].
На втором этапе исследований определялись всхожесть, энергию прорастания изучаемых растений, при выращивании на образцах почв, после проведения биоремедиационных работ, с концентрацией нефтепродуктов 980 мг/кг и на фоновой, не загрязненной нефтепродуктами почве.
Результаты изучения влияния нефтепродуктов на дальнейший рост и развитие проростков приведены в таблице.
Высокая всхожесть прорастания была отмечена у плевела многолетнего (Loliumperenne), в исследуемой почве его всхожесть составила 86,7 %, а на фоновой почве – 70 %.
У овсяницы луговой (Festucapratensis) всхожесть в загрязненном грунте составила 73,3 %, в то время как на фоновом образце – 60 %.
Таким образом, плевел многолетний (Lolium perenne) показал высокую способность произрастать и давать высокую всхожесть при загрязнении почв нефтепродуктами, где всхожесть составила 86,7 %, при 70 % всхожести в фоновом варианте.
Параметры семян овсяницы луговой и плевела многолетнего
Источник
Фиторемедиация почв загрязненных нефтепродуктами
Российский университет дружбы народов, Россия
ФИТОРЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ ПРИДОРОЖНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Моя преддипломная практика была посвящена проблеме фиторемедиации почв придорожных территорий, загрязненных нефтяными углеводородами и тяжелыми металлами. Эта тема очень актуальна, так как данное загрязнение п очвенн ого покров а является сейчас очень распространённым, особенно в крупных городах, а, к ак показывает мировая практика, одним из наиболее действенных приемов рекультивации почв являются технологии фиторемедиации. Фиторемедиация является одним из наиболее экологичных, быстрых и эффективных с экономической точки зрения методов восстановления нарушенных земель. Она позволяет не только устранить нефтяное и многие другие загрязнения , но и в сочетании с другими приемами рекультивации частично или полностью восстановить почвенное плодородие . Итак, что же такое фиторемедиация? Фиторемедиация – это комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений . В этой технологии используются природные процессы, с помощью которых растения и ризосферные микроорганизмы деградируют и накапливают различные поллютанты. При отработке технологии фиторемедиации почв от нефтепродуктов и тяжёлых металлов основное внимание уделяется отбору растений, способных трансформировать совместно с симбиотическими микроорганизмами токсичную часть загрязнений, переводя их в менее подвижную и активную форму. Целью моего поиска среди многообразия литературных данных являлся подбор растения, которое эффективно могло бы использоваться для восстановления загрязнённых нефтепродуктами и тяжёлыми металлами почв. Доказано, что для фиторемедиации почв, загрязнённых тяжелыми металлами, могут использоваться: люцерна посевная, ива узколистная, эспарцет, бархатцы прямостоячие, ежа сборная, клевер, амарант, горчица, костер, ярутка горная, подсолнечник, рапс, сорго и т.д. В качестве фиторемедиантов при загрязнении почв нефтепродуктами используют следующие растения: костер, овсяница красная, мятлик луговой, райграс пастбищный, вика, осока обыкновенная, тростник южный, бархатцы прямостоячие, бобы кормовые, соя, сорго, дудник лекарствнный и т.д. [2]
Свой выбор я остановила на бархатцах прямостоячих ( Tagetes erecta L.). Интерес к этому растению обусловлен его способностью к произрастанию в антропогенно-загрязненных условиях городской среды. Бархатцы активно используются для озеленения городов практически во всех географических зонах России. Помимо этого было доказана толерантность бархатцев к загрязнению тяжелыми металлами и способность к их аккумуляции . [1] Фотосинтетический аппарат бархатцев прямостоячих характеризуется устойчивостью к воздействию нефтяных углеводородов и тяжёлых металлов. Под их посевами восстанавливается ферментативная активность почвы и увеличивается численность ризосферных микроорганизмов. Кроме того семена бархатцев общедоступны и относительно недороги.
Для того, чтобы провести первую часть эксперимента, включающую в себя построение градуировочного графика для оценки эффективности очистки почв бархатцами прямостоячими, мне необходимо было найти недорогой индикатор загрязнения почв тяжёлыми металлами и нефтепродуктами, который можно было бы использовать в домашних условиях.
Я остановила свой выбор на методе биоиндикации с помощью лука репчатого ( Allium cepa L.). Суть данного метода была изложена Dr. Geirid Fiskesjo (1985). Биотест обеспечивает быструю процедуру выявления химических и других загрязняющих агентов , которые могут представлять экологический риск. Наблюдения за особенностями корневой системы лука обыкновенного показало, что это растение является наиболее чувствительным к опасным влияниям экологических загрязнителей. Общий эффект количественно может быть определен измерением сдерживания прироста развивающейся корневой системы.
Методика проведения данного эксперимента следующая: 12 репчатых луковиц подготавливают удалением внешних чешуек и коричневатой нижней пластинки и помещают в пробирки, наполненные тестовыми жидкостями на 4 дня. Другую серию из двенадцати луковиц готовят так же и помещают в чистую воду или питательную среду с целью обеспечения контрольного прироста. Десять луковиц, которые окажутся наиболее развитыми в каждых сериях, выбирают для осмотра. На четвёртый день измеряют длину корневищ каждой луковицы и фотографируют серии.
Преимущества данного биоиндикатора очевидны: растения легки для хранения и ухода, широко распространены и недороги. Вообще, состояние хромосомы клеток растения — хорошее, поэтому обеспечивает высокое качество в контрольных условиях. Биотест Allium cepa является относительно быстрым, легким для выполнения, а также высокочувствительным и воспроизводимым.
Результаты проведенного эксперимента представлены в таблицах 1 — 3 .
Длина корней луковиц, высаженных в питательный и контрольный почвенные растворы
Источник
Фиторемедиация почв загрязненных нефтепродуктами
В целях сохранения близкой к природной растительности, а также для растение- водческих и лесоводческих целей в условиях антропогенного загрязнения особое значение придается вопросу, насколько имеющиеся растения уже обладают устойчивостью к тяжелым металлам. Для проверки этого существует несколько способов, например, сравнительное измерение роста корней и метод сравнительной протоплазматики [1–3].
Воздействие на почву неодинаково в зависимости от источника загрязнения на плотно заселенной территории, которые обычно занимают удобные и выгодные местоположения. По этой причине очищение (восстановление) почв от избыточных масс поллютантов представляет весьма актуальную задачу. Ее практическое решение пока остается на стадии разработки. Одним из возможных путей решения этой задачи может быть фиторемедиация – очищение почвенного покрова от загрязнения посредством культивирования растений, активно поглощающих загрязняющие вещества. Фиторемедиация является высокоэффективной технологией очистки от ряда органических веществ. Растения можно использовать для очистки твёрдых, жидких и воздушных субстратов [4–6]. Фиторемедиация загрязнённых почв и осадочных пород уже применяется для очистки военных полигонов (от металлов, органических поллютантов), сельскохозяйственных угодий (пестициды, металлы, селен), промышленных зон (органика, металлы, мышьяк), мест деревообработки (ПХБ). Фиторемедиации могут быть подвергнуты городские сточные воды, сточные воды сельского хозяйства и промышленности, грунтовые воды [5]. Для достижения максимальной эффективности очистки фиторемедиация может использоваться в сочетании с другими методами биоремедиации и небиологическими технологиями очистки. Например, наиболее загрязненные части субстрата могут удаляться путем экскавации, после чего дальнейшая очистка может проводиться с помощью растений [7].
Цель исследований: подобрать травосмеси для конкретных климатических условий данных регионов с учетом способности отдельных культур накапливать загрязняющие вещества в надземной биомассе.
Такими растениями могут служить кукуруза, рыжик, горчица, салат, овес, ячмень, горох, фасоль, многолетние травы и другие. Так же они должны быть нетребовательны к почвенному плодородию (мезотрофы или олиготрофы) и способны к произрастанию в условиях сильного загрязнения. Основным критерием классификации предлагаемых травосмесей являлся способ нарушения или загрязнения земель.
Материалы и методы исследования
Наши исследования были направлены на реабилитацию загрязненных почв с помощью растений, обладающих сорбционной способностью. Это растения амаранта, зернобобовые культуры (их пожнивные остатки), бобовые травы, амброзия, стевия, кукурузные кочерыжки, корзинки подсолнечника, масличные культуры (рыжик, гвизоция, крамбе и другие).
Вместе с растениями для рекомендации почв вносим цеолитсодержащие глины местного происхождения (гор и предгорий Северного Кавказа), а также биоудобрения, обеспечивающие восстановление нарушенных земель. Опыты проводили на экспериментальных участках Горского ГАУ, Геофизического института и Северо-Кавказского научно-исследовательского института горного и предгорного сельского хозяйства Владикавказского научного центра РАН, Кабардино-Балкарского аграрного университета им. В.М. Кокова, Северо-Осетинского государственного университета, Юго-Осетинского государственного университета (г. Цхинвал), Комплексного научно-исследовательского института РАН (г. Грозный).
В другом опыте для снижения радиоактивности почв семена бобовых трав обволакивали смесью измельченных корзинок подсолнечника и кочерыжек кукурузы, глиной Аланит и мелассы в соотношении 1:1:10:1. На скошенном участке в конце вегетации, располагали слой опавших листьев древесных культур как органическое вещество, в смеси с аланитом в дозе 2–2,05 т/га [8, 9].
На загрязненном радионуклидами участке (стронцием, цезием, торием), где радиация превышает более 1,2 микроЗивертах в час, высевали мелкосеменные многолетние бобовые травы с преимуществом клевера ползучего (Trifolium repens L.) – 8 кг/га, люцерны изменчивой (Medicaqo Sativa L.) – 6 кг/га, козлятника восточного (Galeqa orientalis Lаm) – 6кг/га. Общая смесь бобовых трав составила 20 кг/га. Учитывая особенности клевера ползучего распространять корневые отпрыски по территории, покрывая участок уже в первый год жизни, увеличили норму высева этого вида травы как компонента с большей ассимиляционной поверхностью для сорбирования тяжелых металлов и радионуклидов.
Перед посевом семена бобовых трав обволакивали смесью измельченных кочерыжек и корзинок подсолнечника в равной пропорции по 5 кг/га каждого компонента. К ним добавляли 50 кг/га Аланита – цеолитсодержащую глину и в качестве вяжущего – мелассу – отход крахмалопаточного производства 5 кг/га [5].
Почвы исследуемых участков в основном представлены среднемощным тяжелосуглинистым выщелоченным черноземом, подстилаемым галечником с содержанием большого количества крупного песка в верхних горизонтах (8–14 %). Данный тип почв обладает, как правило, большой влагоудерживающей способностью с достаточным содержанием гумуса и питательных веществ и обладает хорошими физическими свойствами. Местами на поверхность выходит галечник. Реакция почвенного раствора выщелоченных черноземов колеблется от слабокислой до близко к нейтральной (рН солевой вытяжки 5,48–6,92)
Для осуществления многочисленных исследований широко использовали цеолитсодержащие глины с содержанием макро- и микроэлементов (табл. 1).
Химический состав местных цеолитсодержащих глин, %
Источник