Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОЧВ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В УСЛОВИЯХ ГОРОДА

Изобретение относится к сельскому хозяйству, охране окружающей среды, а именно к увеличению степени извлечения из почв, загрязненных тяжелыми металлами в условиях города.

Технологические выбросы от стационарных и передвижных источников загрязнения окружающей среды в городах поступают в атмосферу, а затем, выпадая на земную поверхность, накапливаются в верхних горизонтах почв, включаются в природные и техногенные циклы миграции. Вовлекаясь в биологический круговорот, тяжелые металлы передаются по пищевым цепям и вызывают целый ряд негативных последствий на различных ступенях, в том числе и в организме человека, как конечном звене любой экологической цепи. Кроме того, особенно в городах, возможно поступление тяжелых металлов в организм человека и при ингаляции атмосферного воздуха, содержащего аэрозоли почвы, которая в данном случае выступает как вторичный источник загрязнения.

На фоне природных ландшафтов городские территории характеризуются наличием площадных геохимических аномалий с высоким содержанием в почвах различных тяжелых металлов.

Однако при этом следует отметить, что использование технологий оздоровления почвы от опасных загрязнений на сельскохозяйственных полях (больших территорий), для городской территории не всегда технически возможно, недостаточно эффективно и, чаще всего, экономически невыгодно. Кроме того, в известных способах снижение подвижности металлов - это не допустить загрязнение сельхозпродукции.

Поэтому применение зеленых растений для оздоровления загрязненных почв - фиторемидации обусловлено, прежде всего, экономическими причинами. Здесь будет достаточно только высадить «нужные виды в загрязненную почву, а в конце сезона утилизировать растения. Следует также отметить, что накопление тяжелых металлов и других загрязнителей в растениях различно и связано с их видовой принадлежностью.

Для озеленения городов, создания цветников, клумб, газонов широко используют различные сорта цветочных культур и злаков, которые выполняют не только важные экологические функции, но и декоративно-эстетические, придают конкретному населенному пункту индивидуальные черты.

На сегодняшний день в литературных источниках практически отсутствуют результаты исследований по способности именно городских декоративных растений к ремедиации, так как при выборе культур для озеленения территории акцент делается, в основном, на их декоративные качества.

Исходя из вышеизложенного, нами была сформулирована задача: декоративные цветочные культуры-озеленители городов способны в разной степени к аккумуляции тяжелых металлов из городской почвы и, следовательно, могут выполнять функцию фиторемедиаторов урбанизированных территорий.

Ниже в заявке на изобретение нами была проведена серия научных исследований по оценке фиторемедеационых свойств пяти цветочных культур, которые традиционно используются для озеленения городских территорий в Российской Федерации: тюльпаны (Tulipa), бархатцы (Tagetes), амарант (Amaranthus), сальвия (Salvia) и цинерария (Cineraria).

Наиболее близким аналогом к изобретению по совокупности основных существенных признаков является способ очистки почв от тяжелых металлов путем выращивания растений-фитомелирантов на загрязненных почвах с последующим их удалением, причем в качестве растения-фитомелиоранта используют сафлор, семена сафлора высевают в загрязненную почву из расчета 20-22 кг/га, доводят взрослые растения до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, после чего фитомелиорант полностью удаляют из почвы (Патент RU №2365078, А01В 79/02 от 27.08.2009).

К недостаткам аналоговой работы следует отнести изучения только засеянных в почву нужных видов растений, а в конце сезона полностью их удалить. При этом не указана оценка степени извлечения химического состава, например по содержанию валовых форм свинца, меди, цинка и кадмия, как в почвенных, так и в растительных образцах при использовании коэффициента биологического поглощения, поскольку использовались в аналоге культуры при концентрации тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почвы для сельскохозяйственных полей, при этом которые не достаточно пригодны для городских территорий агроландшафтного озеленения, и не всегда технически возможны, недостаточно эффективны и, чаще всего, экономически невыгодны.

Задачей изобретения является повышение эффективности процесса фиторемедиации в городских почвах с декоративными цветочными культурами и оценка степени извлечения миграции элементов тяжелых металлов из почвы.

Технический результат - более полное определение зависимости распределения тяжелых металлов между надземными и подземными частями растений и выявление «биологического барьера» на границе «корневая система - надземная фитомасса» у исследуемых цветочных культур, а также рассчитать соотношение концентраций загрязнителей в них надземной и подземной фитомассе. Все это в целом отражает показатель интенсивности увеличения или уменьшения миграции загрязнителей по всему растению, так как после завершения цветения все декоративные растения полностью изымаются из городского грунта.

По сущности поставленная задача достигается тем, что на загрязненных почвах города проводят высадку декоративных цветочных растений: тюльпанов, бархатцев и амарантов, причем они используются как фиторемедация, доводят растения до фазы окончания цветения, получают миграцию элементов тяжелых металлов при отношении коэффициента биологического поглощения, который составляет для бархатца и амаранта в надземной 17,0, а в подземной 33,1 соответственно, после чего фиторемидиант полностью удаляют из городской почвы и утилизируют растения.

Таким образом, посадка декоративных цветочных растений в городскую почву, склонных к аккумуляции ТМ в корнях (подземной части) и надземной части растений, считается фидорементацией, т.е. выращивание культур. К такой культуре можно отнести декоративные цветочные растения: тюльпаны, бархатцы и амаранты, которые обладают всеми необходимыми свойствами фитоаккумулятора.

Для подтверждения технических результатов проведены экспериментальные работы влияния содержания тяжелых металлов в городских почвах, с целью выявления зависимости физических характеристик предлагаемых декоративных цветочных растений, посаженных в целях фиторемидации, от содержания в почве меди, цинка, свинца и кадмия - приоритетных загрязнителей городов.

Объектами и методами исследования были выбраны селитебная, транспортная, промышленная и рекреационные зоны города, отличающиеся неодинаковой антропогенной нагрузкой на содержание в них меди, цинка, свинца и кадмия.

Мониторинговые площадки были заложены в каждой функциональной зоне города Рязани: в селитебной - внутри жилого массива микрайона Дашково-Песочная, в транспортной - вдоль автомагистрали Московское шоссе, в промышленной - в зоне воздействия юго-восточного промузла, в рекреационной - на территории Центрального городского парка.

Параллельно с отбором почвенных образцов, с тех же мониторинговых площадок, в конце вегетационного периода были взяты образцы перечисленных выше декоративных цветочных культур для анализа содержания в них подземной и надземной фитомассы тяжелых металлов.

Отбор проб почвы и растительного материала проводили согласно общепринятым методикам. Химический анализ по определению содержания валовых форм свинца, меди, цинка и кадмия как в почвенных, так и в растительных образцах осуществлялся атомно-адсорбиционым методом в специальной лаборатории.

Оценка уровня химического загрязнения почв производилась по коэффициенту концентрации химического вещества К_с и суммарному показателю загрязнений Z_c (МУ 2.1.7.730-99. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест: Методические указания, утвержденные 05.02.1999. - М.: Минздрав России, 1999. - 23 с.):

K_c=C_i/С_ф; Z_c=Σ(K_ci+…+K_cn)-(n-1),

где C_i - фактическое содержание определяемого вещества в почве, (мг/кг);

С_ф - региональное доновое содержание вещества, (мг/кг);

K_ci - коэффициент концентрации i-го компонента загрязнения; n - число определяемых суммируемых веществ.

В каждой цветочной культуре определялось наличие «биохимического барьера» на границе «подземная (корневая) фитомасса - надземная фитомасса» и рассчитывался коэффициент биологического поглощения А_х тяжелых металлов по формуле, предложенной (Перельман А.И. Геохимия: Учебник для геол. спец. вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. / А.И. Прельман - М.: Высш. шк., 1989. - 528 с.): А_х=К_р/K_n,

где К_р - содержание тяжелых металлов в декоративных растениях; K_n - содержание тяжелых металлов в почве.

Проведенные нами исследования позволили установить, что валовое содержание всех исследуемых элементов в городских почвах находится в пределах ПДК или ОДК, а меди во всех почвенных пробах даже ниже регионального фонового значения в среднем на 50%. Содержание кадмия во всех почвенных пробах было выше фонового на 66,7%. Содержание других тяжелых металлов в разных функциональных зонах города (таблица 1).

Так, в почвенных образцах, отобранных в районе главного промышленного узла города Рязани - «юго-восточном», отмечено максимальное из всех проб содержание свинца и цинка, превышающее фоновое значение на 55,3% и 54,6% соответственно. Вдоль основных транспортных магистралей почвенные пробы также содержат высокое количество данных металлов, но превышение фоновых значений ниже, чем в промышленной зоне: свинец - на 11,7%, цинк - на 27,7%. Данный факт обусловлен тем, что вдоль основных транспортных магистралей в последние годы часто происходит замена верхнего городского почвогрунта. Загрязненный верхний почвенный слой засыпается новым, не содержащим загрязнители, или полностью снимается. Внутри промышленной и селитебной зон города данные мероприятия не проводятся. Здесь почва депонирует загрязнителями из атмосферного воздуха десятилетиями. Кроме того, внутри жилых кварталов также имеет место влияние частного автотранспорта на экологическое состояние почв. Именно по этой причине отмечается высокое содержание свинца и цинка, как в промышленной, так и в селитебной зоне, а не в транспортной.

В рекреационной зоне содержание свинца в почве незначительно, лишь на 1,7%, превышает фоновое значение, а цинка - на 21,1%. Данный факт связан с тем, что в атмосферных выбросах предприятий цветной металлургии города Рязани содержится значительное количество данного элемента и за десятилетия их эксплуатации даже в почвах городского парка накопилось высокое содержание опасного загрязнителя.

На основании проведенного расчета концентрации К_с тяжелых металлов относительно местного регионального фона показал, что в поверхностном слое почвы всех функциональных зон города сложился следующий геохимический ряд содержания исследуемых опасных загрязнителей: Cd²⁺>Zn²⁺>Pb²⁺>Cu²⁺ (таблица 2).

Для оценки уровня загрязнения почв тяжелыми металлами также был рассчитан суммарный показатель загрязнения Z_c (таблица 3).

Значения Z_c свидетельствуют, что во всех почвенных пробах, взятых в разных функциональных зонах города, содержание тяжелых металлов соответствует допустимому уровню (max - в промышленной зоне, min - в рекреационной зоне Центрального городского парка). Таким образом, экологическое состояние городской почвы, на которой произрастают декоративные цветочные культуры, находится в пределах допустимых нормативов.

Известно, что распределение поглощенных загрязнителей в растениях зависит от специфики биохимических процессов, протекающих в различных их частях. Поэтому концентрация одного и того же элемента в растениях различных видов или сортов будет неодинакова. Именно данная позиция лежит в основе фиторемедиации городских почв.

В городе Рязани, как и в большинстве городов Российской Федерации, в течение вегетационного периода происходит смена цветочных культур, используемых для создания клумб и цветников. Но, традиционно, одними из первых высаживают тюльпаны, которые характеризуются относительно непродолжительным периодом (от нескольких недель до месяца) по сравнению с другими декоративными культурами. Сорта тюльпанов относятся к так называемым раннецветущим растениям и отличаются высокими декоративными качествами. Из-за короткого периода нахождения тюльпанов на клумбах города их ремедиционые качества, скорее всего, только чисто научный интерес. Другие декоративные цветочные растения - бархатцы (Tagetes), амарант (Amaranthus), сальвия (Salvia) и цинерария (Cineraria) анализировались на содержание тех же химических загрязнителей - свинца, меди, никеля и кадмия - в своих органах в конце вегетационного периода, т.е. перед самым удалением их с клумб и цветников города.

Расчет и оценка значений коэффициента биологического поглощения А_х тяжелых металлов различными цветочными растениями показывает их избирательность в накоплении того или иного металла (таблица 4) и позволяет составить биохимический ряд поглощения для каждой декоративной культуры.

Минимальные значения коэффициента биологического поглощения А_х кадмия и свинца - у тюльпанов, бархатцев и сальвии. Это обусловлено тем фактом, что свинец и кадмий не играют существенной физиологической роли и лишь захватывают растительными организмами наряду с другими рассеянными металлами. Ни в одном из образцов цинерарии не обнаружен кадмий.

Таким образом, было установлено, что содержание исследуемых химических загрязнителей в растениях зависит от содержания их в городской почве, но прямая зависимость отсутствует, так как растения поглощают микроэлементы исходя из своих физиологических и биохимических потребностей.

С целью оценки распределения тяжелых металлов между надземными и подземными частями растений и выявления «биологического барьера» на границе «корневая система - надземная фитомасса» у исследуемых цветочных культур нами было рассчитано соотношение концентраций загрязнителей в них надземной и подземной фитомасс. Данный показатель отражает интенсивность увеличения или уменьшения миграции загрязнителей по всему растению, при этом после завершения цветения все декоративные растения полностью изымаются из городского грунта.

При этом установлено, что каждый из исследуемых металлов не одинаково распределяется в системе «подземная (корневая) фитомасса - надземная фитомасса» у разных цветочных культур.

Так, свинец наиболее интенсивно мигрирует и накапливается в надземной фитомассе бархатцев (Tagetes) и амаранта (Amaranthus): отношение концентрации данного металла в надземной фитомассе к подземной составляет 17,0 и 33,1 соответственно. Распределение цинка в органах всех изученных растений практически равномерное. Лишь у амаранта содержание данного элемента в надземной фитомассе в 5 раз превышает его содержание в подземной. Катионы меди наиболее активно мигрируют в надземную фитомассу бархатцев. В отношении кадмия данный загрязнитель равномерно распределяется между надземной и подземной фитомассой лишь у бархатцев. У других растений закономерность выявить не удалось, так как содержание данного загрязнителя в их образцах очень низкое.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

наибольшей способностью к аккумуляции в своих органах из городской почвы исследуемых тяжелых металлов (Pb²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺), что указывает на возможность их использования в качестве ремедиаторов урбанизированных территорий;

несмотря на короткую продолжительность нахождения тюльпанов в городской почве, данное растение активно «вытягивает» из нее цинк и медь;

для кадмия фиторемедиаторов среди исследуемых цветочных растений не выявлено.

Таким образом, для фиторемедиации описанных городских почв целесообразно использовать бархатцы и амарант, которые повышают эффективность процесса фиторемедиации городских почв, загрязненных тяжелыми металлами, декоративными цветочными культурами, при этом был выбран показатель коэффициента биологического поглощения, характеризующий концентрацию тяжелых металлов и его распределения между надземными и подземными частями растений, и представленные результаты могут быть использованы для комплексных агроландшафтных зон, предотвращая негативное техногенное воздействие на урбанизированные территории, и планирования необходимых природоохранных мероприятий в городских условиях (агломерациях).