Спосіб використання сільськогосподарських земель, забруднених свинцем і кадмієм

Реферат: Спосіб використання сільськогосподарських земель, забруднених свинцем і кадмієм, при якому визначають забруднені ділянки, проводять основний обробіток ґрунту, за необхідності вносять добрива, сіють та вирощують сільськогосподарську культуру - фіторемедіант. Як фіторемедіант застосовують рослини кукурудзи. Врожай якої в подальшому використовують в кормовиробництві та одержують біопаливо (етанол). UA 95346 U (12) UA 95346 U UA 95346 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі сільського господарства, зокрема до землеробства і агроекології, може знайти застосування при фіторемедіації ґрунтів, забруднених важкими металами. Однією з причин незбалансованого розвитку агроекосистем в Україні вітчизняні вчені вважають високий рівень техногенного забруднення навколишнього природного середовища [1]. Пріоритетними полютантами є важкі метали (ВМ) [2, 3, 4, 5, 6]. Обґрунтовану тривогу дослідників викликає зростаюче забруднення ВМ, пов'язане з використанням автотранспорту, щорічним спалюванням мільйонів тонн вугілля та іншого палива, агротехногенним навантаженням [7]. Депонування забруднювачів ґрунтом у ряді випадків унеможливлює реалізацію потенціалу сорту сільськогосподарських культур, спричиняє забруднення рослинницької продукції [8, 9, 10]. Тому ряд вчених приділяє значну увагу пошуку способів очищення та ефективного використання забруднених ґрунтів. З погляду на це, запровадження способу використання сільськогосподарських земель, забруднених свинцем і кадмієм є важливим та актуальним для сьогодення. Технології, які розроблено і запропоновано дослідниками на сучасному етапі, полягають у зніманні забрудненого шару ґрунту та депонуванні у дозволених місцях або екстракції ВМ фізико-хімічними методами чи іммобілізації in situ (в межах території забруднення) [11, 12, 13]. Такі технології потребують спеціального устаткування, є високозатратними, негативно впливають на біологічну активність і фізико-хімічні властивості ґрунту. Альтернативою їм є фіторемедіація, яка основана на використанні рослин для вилучення або стабілізації небезпечних речовин з метою зменшення їх токсичності. Такий спосіб є низьковитратним і дозволяє зберігати родючість ґрунту після вилучення металів [14, 15, 16, 17, 18, 19]. Відомий аналог є спосіб "Біологічної очистки ґрунтів" [20], який включає висів насіння кульбаби лікарської у кількості 1,95-24,3 млн. штук на 1 га, доведення до фази утворення розетки листя, багаторазове скошування і видалення зеленої маси до утворення насіння та спосіб "Біологічної очистки ґрунтів від важких металів" [21], який також передбачає вирощування цієї ж культури із внесенням у фазу формування розетки листя в ґрунт борної -1 кислоти в дозах 0,5-10,0 кг'га та скошування і видалення зеленої маси до утворення квітконосних пагонів, що дозволяє проводити рекультивацію забруднених земель, підвищувати винос важких металів із ґрунту за рахунок біологічної очистки, збагачувати його бором при дефіциті для рослин і, крім того, є екологічно безпечним при мінімальних витратах. Але при застосуванні цих способів разом з вегетативною масою рослин з ґрунту вилучаються не тільки шкідливі важкі метали, а й корисні макро- і мікроелементи, що викликає збіднення ґрунту на поживні елементи та органіку. Крім того, ремедіаційні посіви кульбаби лікарської за невчасного скошування можуть спричиняти забур'янення значних територій, адже насіння цієї рослини легко переноситься вітром на великі відстані. Розроблений дослідниками "Спосіб очищення техногенно забруднених ґрунтів від важких металів" [22] передбачає використання амброзії, яку збирають до набуття повної фази цвітіння з наступним знешкодженням або захоронениям у спеціально відведених місцях. При застосуванні цього способу, окрім наведених вище недоліків, є велика небезпека досягнення рослинами фази цвітіння, що спричиняє загостренню алергічних проявів у людини. В Україні та інших країнах площа забруднених територій зростає, більша частина з них належить до сільськогосподарських угідь. Тому є важливим не лише очищення таких територій, а й розроблення способів ефективного їх використання in situ, зокрема для вирощування польових культур із задовільними кількісними і якісними характеристиками врожаю. В науковій літературі приділяється значна увага пошуку рослин-акумуляторів серед сільськогосподарських культур [23-26] та розроблено конкретні способи фіторемедіації ґрунтів за їхнього використання. Так, при застосуванні "Способу очищення ґрунтів від важких металів" як рослину-фітомеліорант використовують сафлор [27]. Насіння сафлору висівають у забруднений ґрунт із розрахунку 20-22 кг/га, доводять дорослі рослини до фази закінчення і початку відмирання нижнього листя, після чого фітомеліорант повністю видаляють із ґрунту. Забезпечується повне поглинання іонів важких металів. Недоліком цього способу є те, що сафлор малопоширений в Україні, в основному вирощується в південних посушливих районах, не росте на кислих ґрунтах з високим рівнем ґрунтових вод. Розроблений українськими дослідниками "Спосіб вилучення важких металів із техногенно забрудненого ґрунту" [28] передбачає як фітоекстрактор використовувати петрушку кучеряву, насіння якої перед висівом у ґрунт обробляють регулятором росту, наприклад препаратом "Корневін". Недоліком цього способу є те, що такі умови зовнішнього середовища як: несприятлива структура і склад ґрунту, забруднювачі ґрунтів, токсичні гази, накопичувачі 1 UA 95346 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 гербіцидів, пестицидів, посуха, затоплення, комахи, гризуни та ін. можуть здійснювати істотний вплив на якість насіння, що знаходить своє відображення у зниженні польової схожості (до 3050 %), швидкості з'явлення пагонів та густоти стояння. Більшість способів використання сільськогосподарських земель забруднених важкими металами, надаючи переконливі результати, у деякій мірі є недостатньо ефективними у зв'язку із недосконалим підходом до вибору рослини-фіторемедіанту, а також повним відчуженням рослин із місця їх вирощування, що спричиняє збіднення ґрунту на поживні елементи та органіку. Крім того, в зв'язку з відсутністю в нашій країні способів переробки відчуженої маси рослин-фітоекстракторів її утилізують заробляючи до верхнього шару педосфери на інших територіях. В такому разі вирішення проблеми очищення ґрунту в одному місці призводить до розширення ареалів забруднення на іншій території агроландшафту. Крім того, більшість способів передбачає тільки очищення забруднених ґрунтів, не враховуючи їх використання як сільськогосподарських земель для отримання корисної продукції. З погляду на вищезазначене в нашій країні не розроблено способу використання сільськогосподарських земель, забруднених свинцем і кадмієм, що включає вирощування культур на територіях з вмістом свинцю до 1000 і кадмію до 20 мг/кг ґрунту для одержання продукції на кормові цілі та для біопалива за одночасного відчуження важких металів разом з отриманим урожаєм та запобігання розширенню ареалів, забруднених територій в агроландшафтах. Найближчим аналогом є спосіб використання сільськогосподарських земель, забруднених свинцем і кадмієм є "Спосіб використання сільськогосподарських земель, забруднених важкими металами", запропонований Буравцевим В.Н. та ін. [29]. Цей спосіб включає висів рослинфітомеліорантів, якими є травосумішки, що містять не менше 60 % тетраплоїдних сортів райграсу і поліплоїдні багаторічні злаки, такі як тимофіївка лучна і стоколос безостий. Норма висіву складає 20-24 кг/га. Впродовж вегетації підтримують високий рівень вологості ґрунту до 65-75 % повної вологоємності і підвищений поживний режим шляхом проведення удобрювальних поливів. Збирання травостою проводять при вологості ґрунту не менше 65 % повної вологоємності. Спосіб дозволяє отримувати кормову продукцію високої якості, нормативно чисту за вмістом важких металів на забруднених сільськогосподарських землях. Значним недоліком найближчого аналога є те, що потрібно створювати умови, що передбачають додаткові затрати для одержання кормової продукції, а саме, підтримувати високий рівень вологості ґрунту до 65-75 % повної вологоємності і підвищений поживний режим шляхом проведення удобрювальних поливів, а також проводити збирання травостою при вологості ґрунту не менше 65 % повної вологоємності. В основу корисної моделі поставлена задача ефективного використання територій агроландшафтів, забруднених свинцем до 1000 і кадмієм до 20 мг/кг ґрунту за рахунок вирощування як фіторемедіанта сільськогосподарської культури, що має високу життєздатність та буферний бар'єр по відношенню до ВМ і здатна частково акумулювати і фіксувати ВМ кореневою системою, виносячи до товарної частини урожаю лише незначну їх частку, що не перевищує ГДК, а також забезпечує зниження ризиків подальшого розширення територій забруднених цими металами. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб передбачає вирощування беззмінних посівів кукурудзи на зерно з наступним його застосуванням у кормовиробництві і для одержання біопалива (етанолу) та запобігання міграції важких металів з верхнього шару ґрунту до суміжних середовищ на територіях з вмістом свинцю до 1000 і кадмію до 20 мг/кг ґрунту. Використовують корисну модель наступним чином. На основі результатів обстеження ґрунтів територій сільськогосподарських угідь, де є ймовірним забруднення (поблизу складів агрохімікатів, автомагістралей, сміттєзвалищ, колекторних відстійників і т.д.) виявляють ареали забруднення кадмієм і свинцем. На ділянці, з вмістом свинцю до 1000 і кадмію до 20 мг/кг ґрунту проводять основний обробіток ґрунту відповідно до його типу, рельєфу території, ступеня і особливостей забур'янення поля, з внесенням основного удобрення залежно від фактичного вмісту поживних елементів у ґрунті. Передпосівний обробіток ґрунту, посів у ваговій нормі висіву 5-20 кг/га і догляд за посівами здійснюють згідно з технологією вирощування кукурудзи на зерно у відповідній ґрунтовокліматичній зоні. Рослини кукурудзи виносять із ґрунту іони важких металів разом із вегетативною масою і зерном. Збирання врожаю проводять комбайнуванням з подрібненням надземної вегетативної маси із наступним заорюванням до верхнього шару ґрунту, що сприяє локалізуванню ВМ в межах ареалу забруднення та поліпшенню фізико-хімічних властивостей ґрунту. Зерно кукурудзи використовують у кормовиробництві та для одержання біопалива (етанолу). 2 UA 95346 U 5 Кукурудзу на забрудненій ділянці вирощують беззмінно впродовж періоду, необхідного для фіторемедіації. Приклад. При вирощуванні беззмінних посівів кукурудзи на зерно впродовж трьох років в умовах північної частини Правобережного Лісостепу на сірому лісовому легкосуглинковому ґрунті з природним вмістом ВМ одержано урожайність зерна 7,93 т/га, а при забрудненні свинцем на рівні 100 і 1000 мг/кг ґрунту відповідно - 7,07 і 6,15т/га (табл.). Зерно відповідало санітарно-гігієнічним нормативам за вмістом свинцю та кадмію для використання на кормові потреби [30] та для одержання біопалива (етанолу). Таблиця Вплив забрудненості ґрунту ВМ на урожайність зерна кукурудзи гібриду Здвиж MB Урожайність, т/га Рівень забруднення ґрунту Природний фон свинцю і кадмію: свинцю - 10, кадмію 0,2 мг/кг. Забруднений ґрунт: свинцю - 100, кадмію - 2 мг/кг. Забруднений ґрунт: свинцю - 1000, кадмію - 20 мг/кг. ГДК (для кормових потреб) [30] НІР05 Вміст в зерні мг/кг кадмій свинець 7,93 0 0,4 7,07 6,15 2,68 0,05 0,05 0,30 0,7 0,9 5,00 10 15 20 25 30 35 40 45 Підвищення забрудненості екотопу свинцем і кадмієм супроводжувалось відповідним збільшенням кількості цих металів у корінні, вегетативній масі, зерні. Найбільше їх накопичувалося у корінні, значно менше - надземній вегетативній масі, а зерно виявилось найбільш захищеною частиною рослинного організму. Отже, в умовах Правобережного Лісостепу території з вмістом у сірому лісовому ґрунті свинцю до 1000 мг і кадмію до 20 мг/кг можливо використовувати для посіву кукурудзи на зерно. Вегетативну масу кукурудзи можна заробляти в межах забруднених територій за одночасного відчуження ВМ урожаєм зерна, яке можна використовувати на кормові потреби та для одержання біопалива (етанолу). Пропонується ефективно використовувати в сільському господарстві території з постійно відновлюваним забрудненням для одержання сільськогосподарської продукції при одночасному запобіганні розширення ареалу забруднення. Джерело інформації 1. Балюк С.А. Концепція екологічного ризику деградації ґрунтового покриву України / С.А.Балюк // Вісник аграрної науки. - 2011. - № 6. - С 5-11. 2. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях./ / Ю.В.Алексеев - Л.: Агропромиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - 142 с. 3. Детоксикація важких металів у ґрунтовій екосистемі. Методичні рекомендації /Укладачі: Фатєєв А.І., Самохвалова В.Л. - Харків: КП "Міськдрук", 2012-70 с 4. Каплин В.Г. Основы экотоксикологии / В.Г.Каплин. - Μ.: Колос, 2006.-232 с. 5. Пинский Д.Л. Тяжёлые металлы в окружающей среде / Д.Л. Пинский, В.Н.Орешкин // Экспериментальная экология. М.: Наука, 1991. -С. 201-213. 6. Barcelo J. Plant-water relations as effected by heavy metal stress: a review/ J. Barcelo, Ch. Poschenrieder // J.Plant Nutr. - 1990. - 13, №1. - P. 1-37. 7. Галиулин Р.В. Фитоэкстракция тяжёлых металлов из загрязнённых почв / Р.В. Галиулин, Р.А. Галиулина // Агрохимия. - 2003. - № 3. - С. 77-85. 8. Грибовский В.П. Некоторые аспекты экологической ситуации в Челябинской области и её влияние на качество сельскохозяйственной продукции / В.П. Грибовский, Ю.Г. Грибовский // Проблемы экологии Южного Урала. - 1995. - №2. - С. 48-51. 9. Садовникова Л.К. Проблемы использования и рекультивации почв, загрязнённых тяжёлыми металлами / Л.К.Садовникова // Химия в сел. хоз-ве. -1995.-№1.-С. 37-38. 10. Юрин В.М. Основы ксенобиологии: учебное пособие / В.М. Юрин. - Минск: БГУ, 2001. 234 с. 11. Галиулин Р.В. Фитоэкстракция тяжёлых металлов из загрязнённых почв / Р.В. Галиулин, Р.А. Галиулина // Агрохимия. - 2003. - № 3. - С. 77-85. 12. Гуральчук Ж.З. Механизмы устойчивости растений к тяжёлым металлам / Ж.З. Гуральчук // Физиология и биохимия культ, растений. - 1994. -Т.26, №2.-С. 107-118. 3 UA 95346 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 13. Детоксикація важких металів у ґрунтовій екосистемі. Методичні рекомендації /Укладачі: Фатєєв А.І., Самохвалова В.Л. - Харків: КП "Міськдрук", 2012-70 с 14. Прасад М.Н. Практическое использование растений для восстановления экосистем загрязнённых тяжёлыми металлами / М.Н. Прасад // Физиология растений - 2003. - 50, №5ю - С. 764-780. 15. Brown S.L. Phytoremediation potential of Thlaspi caerulescens and Bladder campion for zincand cadmium-contaminated soil / S.L. Brown, R.L. Chaney, J.S. Angle, A.J.M. Baker // J. Environ. Quality. - 1994. - V. 23, № 6. -P. 1151-1157. 16. Brown S.L. Zinc and cadmium uptake by hyperaccumulator Thlaspi caerulescens and metal tolerant Silene vulgaris grown on sludge-amended soils /S.L. Brown, R.L. Chaney, J.S. Angle, A.J.M. Baker // Environ. Sci. Technol. -1995. -V. 29, №6. -P. 1581-1585. 17. Ernst W.H.O. Decontamination or consolidation of metal-contaminated soils by biological means / W.H.O. Ernst // Heavy metals. Problems and solutions. - Heidelberg, Berlin: Springer-Verlag, 1995. -P.141-149. 18. Robinson B.H. The potential of Thlaspi caerulescens for phytoremediation of contaminated soil / B.H. Robinson, M. Leblans, D. Petit // Plant and Soil. - 1998. - V. 203, № 1. - P. 47-56. 19. Summary report of a workshop on phytoremediation research needs. December 1994. (July 24-26, 1994, Santa Rosa, California). U.S. Department of Energy, 1994.-24 p. 20. Пат. 2231944 Россия, МПК АО1В79/02, B09C1/00. Способ биологической очистки почв / Лукаткин А.С., Башмаков Д.И.; заявитель и патентообладатель Мордовский государственный университет им. Н.Л. Огарева. - № 2002117549/12; заявл. 01.07.2002; опубл. 10.07.2004. Бюл. № 19.-4 с. 21. Пат. 2342822 Россия, МПК АО1В79/02. Способ биологической очистки почв от тяжелых металлов / Чернобровкина Н.П., Ялынская Е.Е., Робонен Е.В.; заявитель и патентообладатель Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук. - № 2007113409/12; заявл. 10.04.2007; опубл. 10.01.2009. Бюл. 22. Пат. 4726 Україна, МПК 7 АО1В79/00, АО1М21/00. Спосіб очищення техногенно забруднених ґрунтів від важких металів / Дронь М.М., Чмиленко Ф.О., Смітюк Н.М.; заявник і патентовласник Дніпропетровський національний Університет. - № 2004010074; заявл. 08.01.2004; опубл. 15.02.2005. Бюл. №2. 23. Евдокимова Г.А. Накопление нитратов в растениях на почвах с повышенным содержанием тяжёлых металлов / Г.А. Евдокимова // Почвоведение. - 1993.-№.8. - С. 104-107. 24. Андриевская Л.П. Подбор и агроэкологическая оценка сельскохозяйственных культур на способность снижать содержание тяжёлых металлов в почве / Л.П. Андриевская // Поволжский экологический вестник. Волгоград.- 1998.-Вып. 5.-С. 192-194. 25. Simon L. Heavy metal phytoextraction capacity of several agrocultural crop plant species / th L.Simon // Proc. Extend. Abstracts 5 Inter. Conf. Biogeochem. Trace Elements, July 11-15, 1999. Vienna, Austria. 1999. V. II. - P. 892-893. 26. Peralta-Videa J.P. Potential of alfalfa plant to pytoremediate individually contaminated montmorillonite-soil with cadmium (II), chromium (VI), copper(II), nickel (II) and zinc (II) / J.P. PeraltaVidea, J.L. Gardea-Torreesday, E.Gomez // Bull. Environ. Contam. Toxicol. - 2002. - 69. P. 74-81. 27. Пат. 2365078 Россия, МПК А01В79/02. Способ очистки почв от тяжелых металлов / Постников Д.Α.; заявители и патентообладатели Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования, Российский государственный аграрный університет - Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева. - № 2007146036/12; заявл. 13.12.2007; опубл. 27.08.2009. Бюл. № 24. 28. Пат. 60784 Україна, МПК С09К 17/00. Спосіб вилучення важких металів з техногенно забрудненого ґрунту / Яковишина Т.Ф., Шматков Г.Г., толярова К.М., Вергун О.О.; заявник і патентовласник Державний вищий навчальний заклад "Придніпровська Державна Академія будівництва і архітектури". - № и201015356; заявл. 20.12.2010; опубл. 25.06.2011. Бюл. № 12. 29. Пат. 2370935 Российская Федерация, МПК А 01 В 79/02. Способ использования сельскохозяйственных земель, загрязненных тяжелыми металлами / В. Η. Буравцев, Н. Т. Губина, Н. Н. Головатая, Ε. А. Котова, В. П. Максименко; заявитель и патентообладатель Государственное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации" Российской академии сельскохозяйственных наук (RU). - № 2008109062/12, заявл. 12.03.2008; опубл. 27.10.2009, Бюл. № 30.-4 с. 30. Кукурудза. Технічні умови: ДСТУ 4525:2006. - К.: Держспоживстандарт України, 2007. - 15 с. - (Національний стандарт України). 4 UA 95346 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Спосіб використання сільськогосподарських земель, забруднених свинцем і кадмієм при якому визначають забруднені ділянки, проводять основний обробіток ґрунту, за необхідності вносять добрива, сіють та вирощують сільськогосподарську культуру - фіторемедіант, який відрізняється тим, що як фіторемедіант застосовують рослини кукурудзи, врожай якої в подальшому використовують в кормовиробництві та одержують біопаливо (етанол), що забезпечить ефективне використання сільськогосподарських угідь. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що під час збирання врожаю проводять подрібнення надземної вегетативної маси із наступним заорюванням до верхнього шару ґрунту, що сприяє локалізації важких металів в межах ареалу забруднення та поліпшення фізико-хімічних властивостей ґрунту. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що посів кукурудзи на зерно (як монокультура) вирощують беззмінно впродовж періоду, необхідного для фіторемедіації. Комп’ютерна верстка О. Рябко 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