Спосіб фіторемедіації техногенно забруднених важкими металами ґрунтів для ефективного їх використання

Реферат: Спосіб фіторемедіації техногенно забруднених важкими металами ґрунтів для ефективного їх використання включає висів та вирощування злакових рослин; скошування фітомаси та її утилізацію за попереднього визначання типу і рівня забруднення важкими металами, розроблення схеми очищення ґрунтів залежно від особливостей їх забруднення. Додатково проводять висів домінантних трав'янистих дикоростучих видів рослин різних конкуруючих родин Asteraceae-Fabaceae-Роасеае на поле, що поділяють на три частини з подальшим скошуванням фітомаси рослин у фазу активного цвітіння з оцінюванням її якості для реалізації потенційної можливості її використання з обов'язковим чергуванням вирощування рослин кожні 2 роки. Цим забезпечується інтенсифікація процесу біологічної ремедіації, підвищення її ефективності за одночасної мінімізації необхідних витрат на очищення ґрунту протягом процесу повної сівозміни. UA 96936 U (12) UA 96936 U UA 96936 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до сфери охорони ґрунтів і відновлення їх родючості, до способів біологічної ремедіації забруднених важкими металами (ВМ) ґрунтів та їх використання. Спосіб може знайти застосування в агроекології, екоменеджменті ґрунтів за екологічного контролю техногенно забруднених ґрунтів земельних ділянок різного призначення та їх використання; у науково-дослідній практиці - для розробки системи заходів щодо фіторемедіації забруднених територій у складі комплексу біологічних технологічних прийомів відновлення забруднених ґрунтів та відтворення їх ресурсного потенціалу, і, як наслідок, зниження інтенсивності процесів деградації ґрунтів за впливу техногенного забруднення ВМ; для поліпшення якості ґрунтів. Відомо спосіб очищення ґрунтів від ВМ [Пат. UA № 50789 Спосіб очищення ґрунтів породного відвалу вугільних шахт від важких металів], що передбачає розпушення умовно родючого шару, внесення мінеральних добрив (капсульовану природним сорбентом 2 нітроамофоску 800+50 г на 100 м ), посів насіння рослин-акумуляторів ВМ (олійні культури ріпак (Brassica napus L.), суріпиця (Barbarea vulgaris R. Br.), тифон (Brassica rapa)). Безумовними недоліками способу є обмеженість його застосування тільки у регіонах шахтних виробіток, трудомісткість та ресурсовитратність його реалізації. Інший відомий біологічний спосіб очищення ґрунтів від ВМ здійснюється шляхом вирощування рослин амброзії полинолистої (Ambrosia artemisiifolia Lemand) родини айстрові (Asteraceae) або складноцвіті та їх подальшого збирання до набуття повної фази цвітіння та знешкодження або захоронення у спеціально відведених місцях [Пат. UA № 4726 Спосіб очищення техногенно забруднених ґрунтів від важких металів]. Проте спосіб має суттєвий недолік, рослини виду Ambrosia artemisiifolia Lemana, як карантинний бур'ян, характеризуються неконтрольованим розповсюдженням та алергічною дією на людину, що значно знижує доцільність та унеможливлює їх використання як фітомеліорантів забрудненого ґрунту. До того ж, розвиваючи у польових умовах велику надземну масу, Ambrosia artemisiifolia Lemana здатна витісняти і пригнічувати культурні рослини. Доведено, що на створення 1 т сухої речовини амброзія полинолиста виносить з ґрунту 15,5 кг азоту та 1,5 кг фосфору і близько 950 т води (Мовчан О.М., Устінов І.Д., 2000). Окрім того Ambrosia artemisiifolia Lemana порушуючи мікробіологічні процеси у ґрунті пригнічує целюлозоруйнівну активність ґрунту, що впливає на погіршення екологічного стану (Ерёмина Н.В., 2009). Тому додатковим на забруднених ВМ ґрунтах є обов'язкове забезпечення проведення комплексних фітосанітарних заходів обмеження чисельності Ambrosia artemisiifolia Lemana за одночасного застосування механічних, агротехнічних і хімічних методів, що підвищує трудомісткість і ресурсовитратність реалізації способу та унеможливлює забезпечення раціонального використання ґрунтів і збереження їх родючості, значно знижує ефективність ремедіації забруднених ВМ ґрунтів та підвищує її вартість. Найбільш близьким за механізмом біологічної ремедіації ґрунту, забрудненого ВМ, технологічним виконанням і результатом, що досягається, є спосіб фіторемедіації техногенно забруднених ВМ ґрунтів [Пат. UA № 76416 Фіторемедіаційний спосіб очищення ґрунтів від важких металів], що включає висів та вирощування не менше 30 діб злакових рослин на ґрунтах, забруднених ВМ; скошування фітомаси та її утилізацію за попереднього визначання типу і рівня забруднення ВМ, розроблення схеми очищення ґрунтів залежно від особливостей їх забруднення, що включає монокультурні насадження кукурудзи (Zea mays) або пшениці (Triticum L.). Одним із недоліків такого способу є обмеженість його використання на техногенно забруднених ґрунтах внаслідок виникнення додаткових екологічних проблем, пов'язаних із високою насиченістю спеціалізованих сівозмін, відчуженням з поля великих обсягів біомаси, значною обмеженістю можливості розподілу робочого навантаження; збіднення ґрунту органічною речовиною; ризику виникнення у районах з промивним режимом ґрунту небезпеки вимивання нітратного азоту з вертикальним і поверхневим стоками та, відповідно, необхідністю застосування високих доз азотних і органічних добрив. Іншим недоліком є те, що за монокультури пшениці та кукурудзи збільшується спеціалізованість забур'яненості посівів, виникає підвищений ризик накопичення і поширення інфекцій та шкідників рослин (кукурудза уражається пухирчастою сажкою, гельмінтоспоріозом; пшениця - кореневими гнилями та іржею). Таким чином, реалізація способу потребує значних витрат ресурсів на відновлення якості ґрунту, розширення спектра фіторемедіантів забруднених ВМ ґрунтів та урахування їх біологічного потенціалу у просторі і часі. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення відомого способу фіторемедіації техногенно забруднених ВМ ґрунтів для ефективного їх використання шляхом розширення спектра застосування рослин-ремедіантів різних конкурентних родин з 1 UA 96936 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 властивостями ремедіації спрямованої дії згідно з характером забруднення ґрунтів, що забезпечує здешевлення очищення ґрунту, оптимізацію його використання за рахунок скорочення терміну біологічної ремедіації та відновлення якості забруднених ґрунтів і одночасного уникнення зайвого технологічного навантаження на ґрунт. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі фіторемедіації техногенно забруднених ВМ ґрунтів для ефективного їх використання, який включає висів та вирощування рослин родини злакові (Роaсеае); скошування фітомаси та її утилізацію за попереднього визначання типу і рівня забруднення ВМ, розроблення схеми очищення ґрунтів залежно від особливостей їх забруднення, згідно з корисною моделлю, додатково проводять висів домінантних трав'янистих дикоростучих видів рослин різних конкуруючих родин AsteraceaeFabaceae - Роасеае на поле, що поділяють на три частини з подальшим скошуванням фітомаси рослин у фазу активного цвітіння з оцінюванням її якості для реалізації потенційної можливості її використання з обов'язковим чергуванням вирощування рослин кожні 2 роки, чим забезпечується інтенсифікація процесу біологічної ремедіації, підвищення її ефективності за одночасної мінімізації необхідних витрат на очищення ґрунту протягом ротації рослинремедіантів у сівозміні. За проведення довгострокових польових досліджень системи ґрунт - рослина в зонах техногенного впливу емісії ВМ нами було встановлено, що рослини родин Роасеае (злакові), Asteraceae (айстрові), Fabaceae (бобові) помітно різняться за здатністю накопичувати ВМ, а для дикоростучих видів рослин відповідних родин характерно більш високі рівні накопичення металів у порівнянні з культурними видами. Окрім того, трав'янисті дикоростучі види рослин різних родин, що пропонуються у способі, характеризуються високою зимо- і посухостійкістю, добре розвиненою та глибоко проникаючою кореневою системою. Таким чином, фіторемедіація ґрунтів за використання багаторічних дикоростучих трав'янистих рослин, проходить за природних умов, є самоочищенням по суті без необхідності внесення додаткових енергетичних ресурсів, не потребує спеціальної агротехніки вирощування рослин та включає необхідність проведення лише моніторингу. Відносно поліелементного забруднення ґрунтів переважно Cd, Pb, Zn, Ni, Cu, Cr ефективність біологічної ремедіації, що пропонується, підвищується саме за комбінування домінантних багаторічних трав'янистих дикоростучих рослин та чергування рослин різних родин у часі й просторі. Окрім того, запропонована послідовність вирощування рослин різних родин Asteraceae-Fabaceae - Роасеае з різними морфологічними особливостями кореневих систем, з чергуванням рослин з різноглибинною проникаючою кореневою системою, дозволяє повніше й ефективніше екстрагувати ВМ і використовувати елементи живлення з ґрунту, поліпшити збалансованість трофічного режиму забрудненого ВМ ґрунту та регулювати відповідно баланс не тільки мінерального живлення рослин, але й позитивно впливати на вміст органічної речовини у ґрунті, впливаючи на відновлення його структури. До того ж, багаторічні дикоростучі трав'янисті рослини (як правило багаторічні бобові) більшою мірою покращують структуру ґрунту, багаторічні складноцвіті і злакові - меншою. Окрім того, запропонований у способі спектр рослин родин Asteraceae-Fabaceae - Роасеае дозволяє їх вирощувати за різних умов ґрунтового середовища (слабокислі, нейтральні, слаболужні ґрунти), збільшити ефективність використання конкурентної здатності рослин різних родин для ефективного поліпшення фітосанітарного стану рослин (протягом 6 років повної ротації рослин-ремедіантів) у межах запропонованої сівозміни, для забезпечення раціонального використання техніки, добрив, робочої сили; реалізації біологічного потенціалу рослин за забезпечення їх росту і отримання більшої продуктивності з метою прискорення фітоекстрагування та підвищення ефекту "біологічного розбавлення" надлишку ВМ у рослинах; екологічної стабілізації середовища. Приклад здійснення способу. На основі результатів проведення ґрунтово-геохімічних досліджень за умов сталого впливу джерел техногенних емісій поліелементного забруднення ВАТ "Укрцинк", ВАТ "Авдіївський коксохімічний завод" Донецької області визначають тип і рівень забруднення ґрунту ВМ, використовуючи ацетатно-амонійний буферний розчин з рН 4,8 та 1 н НСl, як екстрагенти ВМ, визначають методом атомно-абсорбційної спектрофотометрії вміст відповідно легкорухомих та обмінних рухомих форм ME і ВМ у ґрунтах. На підставі отриманих даних, здійснюють оцінювання екологічного стану ґрунтів за визначання типу і рівня забруднення ВМ згідно з діючими нормативами і методичною базою, показником сумарного забруднення (Zc) та з урахуванням фонових рівнів вмісту ВМ для ґрунтів відповідної природнокліматичної зони України (Фатєєв А.І., Самохвалова В.Л., 2012). Отримані дані зведено в табл. 1 та, характеризують локальні зони забруднення ґрунтів валовими і рухомими формами ВМ. Далі відповідно до встановлених рівнів забруднення ґрунту ВМ Cd, Pb, Zn, Ni, Cu, Cr, поділяємо кожне поле на три частини і як фіторемедіанти, протягом періоду їх активної 2 UA 96936 U 5 10 15 вегетації, здійснюємо одночасний рядковий висів та вирощування домінантних трав'янистих дикоростучих видів рослин різних конкуруючих родин, наприклад, злакові (Роасеае), що екстрагують з ґрунту Cr>Zn>Ni>Cd>Cu>Pb, бобові (Fabaceae), що є ефекторами фітоекстракції Cr>Ni>Zn>Pb>Cd з ґрунту, айстрові (Asteraceae) або складноцвіті, як ефективні фіторемедіанти забруднених Cr, Ni, Zn, Cd, Pb ґрунтів (фіг.). При цьому використовують традиційну агротехнологію вирощування злакових, бобових та дрібнонасіннєвих багаторічних трав, наприклад, відповідно для пирію сизого (Agropyron glaucum), буркуну білого (Melilotus albus)) та цикорію звичайного або дикого (Cichorium intybus L.) з чергуванням вирощування рослин у просторі (на полі) - у послідовності Asteraceae-Fabaceae-Poaceae; у часі - упродовж 2-х років їх вегетації з подальшим щорічним скошуванням фітомаси рослин у фазу активного цвітіння. В разі відповідності якості фітомаси рослин чинним нормативам, реалізують їх використання на зелений корм, як трав'яну муку, силос, сінаж; в разі отримання фітомаси з підвищеним вмістом ВМ - використовують для вирощування рослин на насіння та виготовлення паливних палетів і брикетів, а подальше скошування проводять у кінці вегетації рослин з отриманням насіння, чим забезпечується інтенсифікація процесу біологічної ремедіації і підвищення її ефективності за одночасної мінімізації необхідних витрат на очищення ґрунту. Таблиця 1 Рівень забруднення ґрунту Показник сумарного забруднення Специфічність забруднення ґрунту ВМ та пріоритетність Показник сумарного ґрунту рухомими використання рослин-ремедіантів різних родин за забруднення ґрунту формами ВМ (Zc) переважного забруднення ґрунту металами різних ВМ (Zc) після класів небезпечності фіторемедіації (шар ґрунту 0-20 см) Zc вал. Zc AАВ з Zc AАВ з Zc 1нНСl Cr>Zn>Ni>Cd>Cu>Pb Cr>Ni>Zn>Cd>Pb Cr>Ni>Zn>Pb>Cd Zc 1нНСl форми рН 4,8 рН 4,8 Помірно злакові (Роасеае) небезпеч- 16,7 (8) 26,3 (5) 15 (7) пирій сизий ний (Agropyron glaucum) Низький або 10,8 (8) 8,4 (5) 7,3 (5) допустизлакові (Роасеае) мий пирій сизий Умовно (Agropyron glaucum) чистий 4,7 (4) 4,3 (2) 3,7 (5) ґрунт 20 25 30 35 2 ротації айстрові (Asteraceae) бобові 11,2 (5) цикорій звичайний (Fabaceae) або цикорій дикий буркун білий (Cichorium intybus (Melilotus albus) L.) 1 ротація айстрові 3,3 (2) (Asteraceae) бобові цикорій звичайний (Fabaceae) або цикорій дикий буркун білий (Cichorium (Melilotus albus) 2,2 (2) intybus L.) 9 (6) 1,2 (2) 1,3 (2) Окрім того, отримані дані дають можливість здійснювати відбір певної родини рослинремедіантів за характером забруднення ґрунтів. Так, Zn накопичують злакові та складноцвіті, Сr - злакові, складноцвіті та бобові, a Cd - складноцвіті. Тобто отримуємо можливість відбору рослин з властивостями ремедіації спрямованої дії. Відбір рослинних проб здійснюють за ДСТУ 3355-96. Отриману рослинну фітомасу оцінюють за показниками якості щодо вмісту токсичних елементів відповідно до чинних нормативних документів (СанПиН 42-123-4089-86; а також чинних в Україні максимально допустимих рівнів умісту токсичних елементів у рослинній продукції окремих культур: Рb згідно з ГОСТ 26932; Cd за ГОСТ 26933, As - за ГОСТ 26930, Hg - за ГОСТ 26927, Сu - за ГОСТ 26931, Zn - за ГОСТ 26934 та згідно з ГОСТ 30538 для всіх вище перелічених елементів). Окрім того, вибір певних родин рослин здійснюють за критеріями їх відмінності щодо фітоекстрагування ВМ, особливостей морфології кореневих систем; стійкості до забруднення за урахування особливості їх активного росту та рівнів накопичення зеленої маси; здатності споживання рослин свійськими тваринами; частоти їх зустрічальності, їх поширеністю за віднесення до типових представників регіональної флори як у зональних умовах, так і у зонах забруднення ґрунтів ВМ тощо (табл. 2). Відмітними рисами та перевагами запропонованого технічного рішення у порівнянні з відомими способами та підходами, є наступні: 3 UA 96936 U 5 10 15 - спосіб забезпечує мінімізацію необхідних витрат на очищення ґрунту за рахунок економії коштів, посівного та паливно-мастильних матеріалів за одночасної реалізації екологобезпечного шляху використання конкурентних родин, що характеризуються різним рівнем фіторемедіаційної здатності, чим забезпечується ефективний вплив запропонованих конкурентних комбінацій певних родин рослин вже з 1-го року їх використання та безперервність ремедіації забруднених ґрунтів із збільшенням глибини очищення безпосередньо у районі забруднення ВМ (in situ); - спосіб забезпечує інтенсифікацію процесу біологічної ремедіації і підвищення його ефективності та використання забруднених ВМ ґрунтів за чергування вирощування домінантних трав'янистих дикоростучих видів рослин різних родин Asteraceae-Fabaceae - Роасеае у просторі та часі; - спосіб сприяє подальшій розробці методів екстрагування металів із фітомаси рослин за можливості відбору рослин-ремедіантів з властивостями ремедіації спрямованої дії згідно з характером забруднення ґрунтів, що забезпечує подальше здешевлення використання методів біологічної ремедіації забруднених ґрунтів. Таблиця 2 Морфо-фізіологічні особливості рослин різних родин Asterасеае-Fabaceae-Роасеае, що використано у способі: Невимогливість до вологи. Протягом 1-го року Agropyron glaucum повільно росте і розвивається з утворенням підземних паростків, пагонів з листям. У наступні роки утворюються стебла висотою до 75 см, добре розвинені мичкуваті корені, що Залучення, залягають на 1-й рік у орному шарі ґрунту (до 20-30 см), поширюються на 2- й рік й наприклад, глибше до 130-180 см. Ремедіація забруднення ґрунту за допомогою Agropyron Agropyron glaucum відбувається на різних глибинах. На 2-й рік фіторемедіації скошуємо glaucum Agropyron glaucum у фазу цвітіння. Востаннє скошують рослини у кінці серпня, щоб родини рослини встигли утворити насіння, були життєздатними упродовж наступних років Роасеае ремедіації забруднених ґрунтів. Індикаторні ознаки готовності насіння - пожовтіння соломини близько 75 % пагонів, вологість насіння 40-50 %. Типові представники регіональної флори. Здатність рослин до активного росту на ґрунтах різного гранулометричного складу. Зимо- та посухостійкість, соле- та солонцестійкість, зелене добриво з характерною особливістю бобових до утворення бульбочок з бактеріями, що забезпечують рослини азотом із атмосфери, за сприяння покращенню властивостей ґрунту і Залучення, накопиченню гумусу і збагачення ґрунту органічними залишками, забезпечення наприклад, ґрунтів поживними елементами. Висів насіння Melilotus albus проводять рано, Melilotus швидке зростання та висока продуктивність зеленої маси (200-350 ц/га) і насіння albus (5,5-8,5 ц/га) забезпечують ефективне фітоекстрагування ВМ з ґрунту. Висота родини скошування не нижче 15-18 см у фазу цвітіння. Індикаторні ознаки для початку Fabaceae скошування насінників у валки - пожовтіння 1/3 бобів. Травостій потенційно можливо ефективно використовувати до 2-3 років за зберігання густини і усунення необхідності обробки гербіцидами та пестицидами. Типові представники регіональної флори. Зимо- та посухостійкість. На 1-му році у рослин утворюється прикоренева розетка Залучення, листя, в той час як у ґрунті вже починає формуватися коренеплід з потовщеним наприклад, верхом. На 2-й рік утворюється насіння. Здатність до активного росту, значна висота Cychorium рослин ((15)40-80(120) см), довгий період цвітіння (з червня до осені), довге intybus L. стрижневе потовщене веретеновидне коріння проникає у ґрунт на значну глибину родини до ґрунтових вод забезпечують ефективне екстрагування ВМ із ґрунту. Типові Asteraceae представники регіональної флори. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Спосіб фіторемедіації техногенно забруднених важкими металами ґрунтів для ефективного їх використання, який включає висів та вирощування злакових рослин, скошування фітомаси та її утилізацію за попереднього визначання типу і рівня забруднення важкими металами, розроблення схеми очищення ґрунтів залежно від особливостей їх забруднення, який відрізняється тим, що додатково проводять висів домінантних трав'янистих дикоростучих 4 UA 96936 U 5 видів рослин різних конкуруючих родин Asteraceae-Fabaceae-Роасеае на поле, що поділяють на три частини з подальшим скошуванням фітомаси рослин у фазу активного цвітіння з оцінюванням її якості для реалізації потенційної можливості її використання з обов'язковим чергуванням вирощування рослин кожні 2 роки, чим забезпечується інтенсифікація процесу біологічної ремедіації, підвищення її ефективності за одночасної мінімізації необхідних витрат на очищення ґрунту протягом процесу повної сівозміни. Комп’ютерна верстка М. Шамоніна 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