Спосіб біологічної рекультивації девастованих земель

Реферат: Спосіб рекультивації ґрунтів на девастованих землях включає механічну підготовку ґрунту, поливання і висадку рослин. Для поливу саджанців листяних та хвойних дерев використовують воду, в якій розводять суміш спор симбіотних грибів - маслюка звичайного, трюфеля чорного, та вирощених спор мікоризних грибів, виділених з рослин, найбільш розповсюджених на площі земель, що підлягають ремедіації, змішаних у рівних співвідношеннях і розведених у воді з розрахунку не менше 60 тис. спор на 1 л води. UA 88686 U (12) UA 88686 U UA 88686 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі біотехнології та екології, а саме до способів відновлення порушених земель, і може бути використана в лісовому та садово-парковому господарствах різних форм власності, підприємствами агропромислового та житловокомунального комплексу для біологічної рекультивації технологічно забруднених та деградованих ґрунтів. Відомі способи ремедіації, тобто очистки забруднених земель від полютантів (патент РФ № 2486166; патент РФ № 2449001, патент РФ № 2471579; патент РФ № 1243168; патент РФ № 2093974; патент РФ № 2101898), як правило переслідують дві важливі цілі: підвищення ефективності та скорочення витрат на заходи з очищення. Проте, до недоліків відомих способів належить те, що серед широкого спектра засобів, розроблених для вирішення цієї проблеми, основні - сорбенти та реагенти, сполуки, які призначені для того, щоб зібрати або іммобілізувати шкідливі речовини, спрямовані на певні види забруднювачів. Бурхливий розвиток біотехнології за останні десятиліття активізував пошук способів мікробної деградації забруднювачів (патент РФ № 2426781; патент РФ № 2434059; патент РФ № 2181640; АС СРСР № 1001881; патент РФ № 2077397). Ці способи, які об'єднані під загальною назвою "біоремедіація", являють собою способи розкладання забруднюючих навколишнє середовище речовин за допомогою мікроорганізмів деструкторів. Технологічна схема такої біоремедіації обмежується простим розпушенням та використанням бактеріальних препаратів на тлі внесення високих доз мінеральних добрив. Подібна практика призводить до ще більшого погіршення ситуації: засіяні багаторічними травами ділянки перший рік добре сходять, але відновлення вихідного фітоценозу так і не відбувається, а в ґрунті продовжуються процеси деградації. До найбільш перспективних способів відновлення ґрунтів відносять фіторемедіацію (Назаров Л.В. Потенциал использования микробно-растительного взаимодействия для биоремедиации /А.В. Назаров, С.А. Иларионов //Биотехнология. - 2005. - № 5. - С. 54-62; Phytoremediation of contaminated soils /S.D. Cunningham [et al.J //TIBTECH. - 1995. - Vol. 13. -С 393-397; Phytoremediation of soils contaminated with organic pollutants / S.D. Cunningham [et al.] //Advances in Agronomy. - 1996. -- Vol. 56. - P. 55-114; Flathman, P.E. Phytoremediation: current views on an emerging green technology /P.E. Flathman, G.R. Lanza //J. of Soil Contamination. 1998. - Vol. 7, N 4. -P. 415-433; Janouskova M. Potential contribution of arbuscular mycorrhiza to cadmium immobilization in soil /M. Janouskova, D. Havilkova, M. Vosatka //Chemosphere. - 2006. Vol. 65, N 11. - P. 1959-1965). Основними перевагами фіторемедіації є те, що вона відкриває можливості для рекультивації великих територій, характеризується відносно невеликою вартістю в порівнянні з іншими технологіями, високою ефективністю та екологічністю. Відомі способи рекультивації (патент РФ № 2440199; патент РФ № 2095954; патент РФ № 2097401; АС СРСР № 1420019; патент РФ № 2101898; патент України на корисну модель № 16345) передбачають висадку рослин - акумуляторів забруднювачів. Проте, такі види рослин мають вибрані властивості по відношенню до конкретних забруднювачів, тому рекомендовані способи мають обмежене застосування. Близькими по суті до заявленої корисної моделі є спосіб (патент РФ № 2426291), який після проведення робіт з утилізації відходів виробництва, передбачає створення на порушених землях лісонасаджень. До недоліків відомого способу належить те, що він вимагає покриття попередньо підготовленої площі території, яка підлягає рекультивації, родючим ґрунтом. Найбільш близьким аналогом по суті до заявленого є спосіб рекультивації ґрунту, забрудненого нафтопродуктами, за допомогою рослин (Киреева Н.А., Мифтахова A.M., Кузяхметов Г.Г. Рост и развитие сорных растений в условиях техногенного загрязнения почвы //Вестник Башкирского университета. - 2001. - № 1. - С. 32-34). В лабораторних і польових умовах досліджувався вплив різних концентрацій забруднювачів на проростання насіння, ріст і розвиток рослин. Було зауважено, що забруднення негативно впливає на проростання рослин. Тому даний спосіб не можливо використовувати в умовах високої щільності забруднення, токсичності та гідрофобності ґрунту. Заявлений спосіб і найближчий аналог мають спільні суттєві ознаки: включає механічну підготовку ґрунту, поливання і висадку рослин. Недоліком відомого способу є низька приживлюваність рослин на техногенно забруднених ґрунтах, а як наслідок збільшення витрат на створення насаджень, та недостатньо ефективна ремедіація. Заявлений нами спосіб усуває недоліки найближчого аналога та забезпечує заліснення девастованих земель, формування гумусу та високу ризосферну ремедіацію ґрунту. В основу корисної моделі поставлено задачу - розробити повий ефективний спосіб біологічної рекультивації девастованих земель, спрямований на стимулювання розвитку надорганізмової систем симбіотичних партнерів з потужним потенціалом до трансформації 1 UA 88686 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 органічних та неорганічних забруднювачів, універсальний, екологічний та економічно обґрунтований. Поставлена задача вирішується тим, що згідно з корисною моделлю, для поливу саджанців листяних та хвойних дерев використовують воду, в якій розводять суміш спор симбіотних грибів - маслюка звичайного, трюфеля чорного, та вирощених спор мікоризних грибів, виділених з рослин, найбільш розповсюджених на площі земель, що підлягають ремедіації, змішаних у рівних співвідношеннях і розведених у воді з розрахунку не менше 60 тис. спор на 1 л води. Технічний результат заявленого способу досягають тим, що при виготовленні спорового препарату використовують види грибів, які найбільш часто зустрічаються в даному екотопі і мають здатність до трансформації різного типу забруднюючих речовин та створюють мікоризу з рослинами. Мікориза це одне з фундаментальних явищ природи, яке притаманне наземним рослинам з моменту їх появи і є найбільш древньою формою симбіозу рослин з мікроорганізмами. Мікотрофними вважають до 80 % видів рослин на планеті. Мікориза позитивно виливає на рослину за рахунок розвиненого міцелію, коли збільшується поглинаюча поверхня коріння і посилюється надходження в рослину води і поживних речовин. Гриби мікоризоутворювачі розкладають недоступні рослині органічні сполуки ґрунту, виробляючи речовини типу вітамінів і активаторів росту. Завдяки мікоризі суттєво зростає концентрація гормонів росту, покращується ріст рослин на бідних фосфором ґрунтах. Рослини одного або різних видів пов'язані один з одним через мікоризу. Властивості мікоризи проявляються у кращому водопостачанні, збільшеній доступності поживних речовин, у т. ч. важко засвоюваних (фосфор, залізо), збільшенні сприйнятливої поверхні коріння і стимуляції його росту, підвищеній активній й пасивній стійкості до кореневих патогенів (фітофтороз, суха гнилизна), кращому і рясному цвітінні, плодоношенні, формі та загальному вигляді рослини, зниженій сприйнятливості несприятливих умов росту: невідповідна кислотність, засолення, підтоплення, токсичні елементи тощо. Маслюк звичайний (Suillus luteus) утворює мікоризу із сосною звичайною та іншими соснами, переважно з молодими деревами. Росте у соснових лісах та посадках, та змішаних березовососнових та дубово-соснових лісах на добре дренованих піскових ґрунтах. Споровий порошок має коричнево-жовтий або світло-жовтий колір, його спори 7-10×3-3,5 мкм, еліпсоїдноверетеноподібні, блідо-жовті, гладенькі. Трюфель чорний (Tuber melanosporum) формує мікоризу з дубом, рідше з іншими листяними деревами. Росте у листяних лісах з вапняковим ґрунтом на глибині від кількох сантиметрів до півметра. Споровий порошок темно-коричневого кольору, спори величиною 35×25 мкм, веретеноподібні або овальні. Технічний результат заявленого способу обумовлений формуванням стійкої асоціації видів грибів - тих, які найчастіше трапляються на територіях девастованих земель та прилеглих до них ділянок і здатних до трансформації широкого спектра органічних та неорганічних речовинзабруднювачів, які разом з маслюком звичайним і трюфелем чорним утворюють мікоризу з рослинами, що сприяє підвищенню стійкості висаджених сіянців листяних та хвойних дерев, забезпечує відповідно їх приживлюваність та високу енергію росту. Отже, наведені відомості свідчать про те, що застосування заявленого способу забезпечує ефективну біологічну рекультивацію девастованих земель за рахунок мікоризації ґрунту, формування рослинного покриття та ризосферної ремедіації території. Реалізацію заявленого способу здійснюють наступним чином: технічний етап передбачає вирівнювання території, проведення механізованих та меліоративних робіт, а біологічна рекультивація включає заходи по відновленню родючості ґрунту та озеленення - на підготовленій території висаджують саджанці листяних та хвойних дерев, які поливають препаратом спор грибів "місцевої" мікоризи, змішаних у рівних кількостях з спорами маслюка звичайного та трюфеля чорного, розмішаних у воді з розрахунку 60 тис. спор на 1 л. Для виготовлення препарату спор симбіотних грибів, завчасно, не менше як за півроку, на девастованих землях, які планують рекультивувати, та прилеглих ділянках, після детального обстеження маршрутним методом рослинності, відбирають коріння рослин у десятикратній повторювальності, які найбільше розповсюджені на даній території. При цьому головне значення мають види, що переважають за кількістю особин, масою або ступенем покриття ними поверхні ґрунту. З коренів рослин за методом Гельцера Ф.Ю. виділяють чисту культуру ендофітів. Дана методика виділення ендофітів забезпечує отримання чистих культур з будь-яких рослин - зі сильно - і слабо мікотрофних, та з рослин, які вважають не мікотрофними через те, що візуально їх не вдавалось побачити. 2 UA 88686 U 5 10 15 20 25 30 35 У відборі грибів, після їх ідентифікації, враховують літературні данні про токсичність, алергічні реакції, інтенсивність спороношення. Для штучної мікоризації рослин використовуються штами мікроміцетів, які домінують у культурі та формують стійкі комплекси. Види грибів "місцевої" мікоризи, вирощують на рідкому середовищі Чапека за температури +25 °C. Спорову суспензію отримують методом змиву конідій водою з поверхні культури, проводячи контроль кількості під мікроскопом. Перед використанням змішують у рівних кількостях спори грибів "місцевої мікоризи", маслюка звичайного та трюфеля чорного у рівних співвідношеннях і розводять у воді з розрахунку 60 тис. спор на 1 л. Ефективність заявленого способу і його переваги у порівнянні з найближчим аналогом підтверджені прикладом конкретного виконання способу. Дослідження протягом 2009-2011 рр. проведено на Подорожненському родовищі сірки, Жидачівського р-ну, Львівської області, Картування ґрунтового покриву земель у межах берегової смуги Подорожненського озера (площа обстеженої території - 1180 га) базувалося на поєднанні підходів щодо знімання мікро- і мезоключів. Такий підхід зумовлений складністю техногенного ландшафту досліджуваної території. За масштабу карти 1:10000, кількість гектарів, що припадають на один ґрунтовий розріз, становила 40 га, що відповідає картуванню територій IV категорії складності ландшафту. Для встановлення стадій природної сукцесії рослинності на землях кар'єрних виробіток маршрутним методом було вивчено рослинність. Опис фітоценозів проводили за загальноприйнятою методикою еколого-фітоценотичної школи. При цьому дотримувались таких положень: важливими категоріями ознак, що дають змогу відрізнити один фітоценоз від іншого, є видовий склад, кількісні та якісні співвідношення видів, ярусність, мозаїчність, синузіальність, характер місцезростання. Головне значення мають види, що переважають за кількістю особин, масою або ступенем покриття ними поверхні ґрунту, але все ж таки в описі угруповань враховуємо всі види, які переважають, так і не переважають. Видовий склад, тією чи іншою мірою, відображає історію формування фітоценозу, його минуле. Суттєвою ознакою фітоценозу є кількість видів у ньому. Для опису рясності використовуємо п'ятибальну шкалу О. Друде: Soc. (socialis) - особини змикаються, створюючи суцільний фон; Cop. (copiosus) - трапляються часто; Sp. (sparsus) - трапляються спорадично, рідко; Sol. (solitarius) - трапляються одинично, їх мало; Un. (unicus) - представлені однією особиною. Дослідження ґрунтів у межах пробних ділянок охоплювало морфологічний опис ґрунтових профілів, встановлення таксономічної приналежності фунтів з використанням класифікації ґрунтів техногенних ландшафтів і визначення фізичних, фізико-хімічних та агрохімічних властивостей ґрунтів. Для мікологічного аналізу території кар'єру було закладено 12 стаціонарів, з яких відбирали ґрунтові зразки (таблиця 1). Таблиця 1 Коротка характеристика стаціонарів для мікологічного аналізу Номер стаціонару 1 3 4 6 11 2, 5, 7, 8, 9, 12 Тип ґрунту Технозем Технозем Ембріозем Ембріозем Ембріозем зональні ґрунти № опису 4, 5 6, 7 8, 9, 10 11, 12 13, 14 1, 2, 3 40 45 Ґрунтові зразки відбирали протягом 2008-2011 pp. у квітні, липні та у жовтні кожного року. Ґрунтові проби відбирали у поверхневому шарі на глибині 0-5 та 8-15 см. Ідентифікацію ґрунтових мікроміцетів здійснювали на основі їх морфолого-фізіологічних особливостей. Усі однофакторні експерименти проводили у трикратній повторності. Математичне та статистичне опрацювання результатів виконували за допомогою програмних пакетів Microsoft Excel. Виділення чистих культур ендофітів проводили із рослин, що зростають на території Подорожненського родовища за методикою Ф.Ю. Гельцер. Тонкі корінці рослин обробляли протягом 2-3 хвилин сулемою в концентрації 1:1000 і 10 разів промивали дистильованою 3 UA 88686 U 5 10 15 20 25 30 водою, для забезпечення стерильності поверхні кореня і не порушуючи життєздатності ендофітів. Для досягнення необхідного ефекту здійснювали стерилізацію 30 % перекисом водню. Ендофіти активно ростуть на рідких живильних середовищах, тому було використано середовище складом (г на 1 л води): глюкоза - 8, K2HРО4-0,3; KН2РО, - 0,9; MgSO4-0,2; K2SO, 0,1; FeSO4 і MnSO4 - сліди, аспарагін 0,01. Основна особливість симбіотрофних грибів рослин потреба у ростових речовинах у короткий період проростання з рослинної тканини у живильне середовище та при проростанні з насіння в корінь. Гельцер Ф.Ю. застерігає, що без наявності гормонального впливу ззовні, гриби не проростають. Але в разі сильної мікотрофності рослин і достатньої концентрації гормональних речовин у тканинах їх коренів та в разі невеликого розведення живильного середовища ендофіти проростають без додавання ростових речовин. Як ростові речовини використали витяжки із гіменоміцетів, зокрема з актиноміцету Actinomyces lavendulae, які отримані з лабораторії НДІ ім. Холодного НАН України (м. Київ), та препарат Симбіонт 1, запатентований у 1982 р. Ф.Ю. Гельцер. Кількість доданих у середовище ростових речовин становить від 0,5 до 1 мл на 1 л середовища, залежно від застосованого препарату. Як енергетичні речовини ендофіти добре засвоюють глюкозу, сахарозу і крохмаль, але не можуть засвоювати органічні кислоти (крім янтарної), целюлозу та лігнін. Після проростання міцелію ендофітів, яке відбулося через 5-12 діб, для вивільнення від коріння міцелій пересівали в колби з вказаним живильним середовищем без додавання гормональних речовин, які гриби синтезують самостійно. Для штучної мікоризації рослин використовували види мікроміцетів, які виділяли з техноземів Подорожненської копальні та які формували стійкі комплекси, а саме Phoma species, Phoma pomorum, Phoma glomerata, а також гриб, який відповідає за утворення мікоризи у хвойних - маслюк звичайний, та листяних - трюфель чорний. Види вирощували на рідкому середовищі Чапека за температури 25 °C. Спорові суспензії цих видів змішували перед використанням. На ґрунтах Подорожненського родовища сірки протягом 2009-2011 р. досліджували структуру міцелію на техноземах - наявність темно- та світлозабарвленого міцелію. Було вставлено, що на техноземах співвідношення темно- та світлозабарвленого міцелію було 60:40, на ембріоземах - 40:40, а у зональних ґрунтах 15:39. Норма співвідношення темно- і світлозабарвленого міцелію в ґрунтах становить 20:80 (таблиця 2) Таблиця 2 Структура міцелію в ґрунтах Подорожненської копальні, % Тип ґрунту Технозем Ембріозем Зональний ґрунт Норматив 35 Частка міцелію, % темнозабарвлений світлозабарвлений 60 40 40 40 15 39 20 80 В умовах лабораторного експерименту для поливу ґрунту застосовували споровий препарат мікоризи (таблиця 3). Таблиця 3 Вплив препарату мікоризи на структуру міцелію в ґрунтах Подорожненської копальні, % Чиї і ґрунту Технозем Ембріозем Зональний ґрунт Норматив 40 Частка міцелію, % темнозабарвлений світлозабарвлений 15 85 18 62 14 50 20 80 Після застосування препарату мікоризи значно знизився відсоток темнозабарвлених видів, натомість в ґрунті збільшилось видове різноманіття мікроміцетів, що свідчить про процеси відновлення ґрунтової мікрофлори та стабілізацію ґрунтотворних процесів. 4 UA 88686 U 5 У зв'язку з мікотрофністю деревних порід, вагомого значення набуває питання використання мікоризи в практиці вирощування садивного матеріалу. З цією метою в умовах контрольованого середовища було проведено експеримент на вирощування садивного матеріалу дубу (Quercus robur) та сосни (Pinus sylvestris). Для цього в ящиках було висаджено по 50 сіянців дуба та сосни. У експерименті використовували полив споровим препаратом мікоризи в концентрації 60 тис. спор на 1 літр води. Контролем були такі ж сіянці, але їх поливали водою (таблиця 4). Таблиця 4 Використання мікоризи при вирощування садивного матеріалу Після поливу споровим препаратом Початкова Висота висота сіяння, після см поливу, см Після поливу водою Висота Початкова Приріст, після Приріст, висота сіяння, см поливу, см см см сіянці дуба: 12,14 14,00 15,31 1,31 Середнє Стандартна похибка Рівень надійності (95,0 %) 15 20 26,56 0,35 0,55 0,55 0,27 0,26 0,12 0,73 1,13 1,15 0,56 0,55 0,24 Середнє Стандартна похибка Рівень надійності (95,0 %) 10 14,42 12,35 23,16 сіянці сосни: 10,81 12,58 14,81 2,23 0,27 0,40 0,41 0,30 0,28 0,24 0,55 0,83 0,85 0,63 0,59 0,49 Збільшення висоти сіянців, политих споровим препаратом, порівняно з контролем, збільшився для сіянців дуба звичайного на 173,52 % та на 156,37 % для сіянців сосни звичайної. Приріст за висотою, политих споровим препаратом сіянців, порівняно з контролем, збільшився для сіянців дуба звичайного на 925,08 % та на 485,05 % - для сіянців сосни звичайної. Таким чином, результати, отримані у науковому досліді, підтверджують ефективність заявленого способу біологічної рекультивації девастованих земель. Отримані результати вказують на те, що застосування препарату спор грибів "місцевої" мікоризи (Phoma species, Phoma pomorum, Phoma glomerata), маслюка звичайного та трюфеля чорного змінює співвідношення темно- і світлозабарвленого міцелію ґрунту та суттєво активізує процеси росту сіянців листяних та хвойних дерев на техногенно забруднених та деградованих землях сірчаного кар'єру. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Спосіб рекультивації ґрунтів на девастованих землях, що включає механічну підготовку ґрунту, поливання і висадку рослин, який відрізняється тим, що для поливу саджанців листяних та хвойних дерев використовують воду, в якій розводять суміш спор симбіотних грибів - маслюка звичайного, трюфеля чорного, та вирощених спор мікоризних грибів, виділених з рослин, найбільш розповсюджених на площі земель, що підлягають ремедіації, змішаних у рівних співвідношеннях і розведених у воді з розрахунку не менше 60 тис. спор на 1 л води. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5