CC BY
6
Геоэкологические исследования
УДК 574:614.776(045) О.И. Родькин
ФИТОРЕМЕДИАЦИЯ КАК МЕТОД КОМПЛЕКСНОГО РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Фиторемедиация - это один из экологичных методов восстановления или рекультивации загрязненных и нарушенных почв. Направление фиторемедиации, основанное на использовании растений с аномальными аккумулирующими способностями загрязнителей, позволяет быстро очистить территории, но не обеспечивает экономическую эффективность. Более перспективным представляется направление, основанное на стабильном снижении загрязненности почв при возможном использовании полученной продукции. Это предполагает использование не продовольственных, а технических или энергетических культур. К загрязненным территориям относят полигоны хранения осадков очистных сооружений, площади которых постоянно растут. Использование таких территорий позволит не только значительно снизить воздействие на окружающую среду, но и получить сырье для производства энергии. В условиях вегетационного эксперимента проводились исследования возможности использования осадков сточных вод различного происхождения. Объектом исследований были сорта быстрорастущей ивы. Выбор объекта обоснован экологическими характеристиками ивы. Установлено, что для осадков наблюдается превышение содержания тяжелых металлов по сравнению с принятыми для почв нормативами ПДК. Наиболее загрязненными являются свежие осадки, но за пятилетний период хранения содержание кадмия, свинца, меди, цинка и хрома в них уменьшилось в 4,9-17,4 раз. Также установлена сортовая и видовая специфичность ивы по темпам роста, накоплению биомассы и аккумуляции тяжелых металлов на почвенных субстратах на основе твердых осадков сточных вод. Эти результаты подчеркивают важность селекционных исследований и подбора сортов растений для техногенных почв. Полученные результаты исследований подтверждают перспективы метода фиторемедиации для снижения воздействия на окружающую среду на загрязненных почвах.
Ключевые слова: фиторемедиация, осадки сточных вод, тяжелые металлы, энергетическая ива. DOI: 10.35634/2412-9518-2024-34-3-284-295
Название метода происходит от латинского слова «ремедиум» (восстанавливать), и он основан на способности растений постепенно улучшать или восстанавливать деградированные, нарушенные или загрязненные территории, что в дальнейшем обеспечит возможность их рационального хозяйственного использования.
Естественно, скорость восстановления будет зависеть от грамотного и обоснованного подбора растений. Например, для восстановления плодородия нарушенных земель целесообразно использовать растения, способные не только произрастать на низкоплодородных территориях, но и иметь развитую корневую систему и быстро накапливать биомассу. Именно такой подход лежит в основе биологического этапа рекультивации нарушенных земель.
Для восстановления земель, загрязненных тяжелыми металлами, органическими соединениями, радионуклидами и т. д., необходимо использовать растения, обладающие механизмом адаптации к определенному негативному фактору и не снижающие свои продукционные характеристики [1]. В этом случае существует два основных подхода фиторемедиации:
- Фитоэкстракция основана на интенсивном накоплении растениями соединений-загрязнителей [2]. Фитомасса далее может поступать на переработку с целью извлечения хозяйственно-ценных ресурсов, например, металлов. Для этих целей используют растения, которые генетически предрасположены и могут интенсивно накапливать в биомассе радиоактивные элементы, соединения металлов и другие загрязнители. Например, амарант и альпийская ярутка, растения семейства крестоцветных, подсолнечник, зерновые, злаковые и бобовые травы. При этом нельзя использовать загрязненную продукцию в качестве продуктов питания или кормов, так как загрязнители по трофическим цепям будут аккумулироваться в животноводческой продукции (мясо, молоко), что в конечном итоге опять же может привести к попаданию в человеческий организм [3]. Более безопасным является использование загрязненной фитомассы на переработку, например, производство рапсового или подсолнечно-
СЕРИЯ БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
го масла. Но если рапсовое масло можно использовать на технические цели или для производства биодизеля, то подсолнечное применяется преимущественно в продовольственных целях, что обуславливает более жесткие санитарно-гигиенические требования к продукции.
Таким образом, фитоэкстракция позволяет сравнительно быстро снизить содержание загрязнителей в почве, однако биомасса из-за высокого уровня загрязнения не может быть рационально использована [4].
- Второе направление фиторемедиации ориентированно на постепенную рекультивацию почв. В этом случае целесообразно использовать растения, менее интенсивно накапливающие загрязнители, но способные произрастать на деградированных почвах без существенного снижения продуктивности. Конечно, вследствие низких коэффициентов накопления химических элементов в биомассе растений ее нецелесообразно использовать в дальнейшем для извлечения ценных вторичных ресурсов. Но, при этом загрязненная территория постепенно восстанавливается, а продукцию при соблюдении определенных требований можно не только утилизировать, но и использовать в хозяйственных целях, например для получения непродовольственного сырья или энергии. Растения, биомасса которых может использоваться как источник энергии, получили название «энергетические». По форме они могут быть травянистыми, древесными, кустарниковыми. Также к энергетическим растениям относят рапс и зерновые колосовые культуры, остатки которых после уборки и переработки (солома) по массе сопоставимы с основной продукцией [5; 6].
Наиболее рентабельными по соотношению затрат и выхода энергии с единицы площади являются древесные энергетические культуры, или «энергетический лес» [7]. Сама концепция основана на использовании быстрорастущих видов деревьев, сортимент которых естественно зависит от экологических характеристик. Для южной зоны для создания энергетического леса используют эвкалипты, платаны, тополя. Для умеренной климатической зоны, к которой относится большая часть территории России и Беларуси, оптимальными являются ивы и виды тополей, способные выдерживать холодные снежные зимы. Эти виды деревьев отличаются быстрым ростом или накоплением биомассы и достаточно нетребовательны к условиям произрастания. Энергетические плантации выращивают по принципу короткого цикла [8; 9]. Первая уборка (скашивание) надземной биомассы проводится через три-четыре года после посадки, и далее цикл повторяется с такой же приблизительно периодичностью. Учитывая, что энергетическая плантация остается на одном месте более 20 лет без значительного снижения продуктивности, за этот период можно получить 7-8 урожаев надземной биомассы и значительно улучшить почвенные характеристики. Таким образом, выноса загрязняющих веществ в экосистемы за пределами энергетической плантации в течение 20 и более лет не будет [10].
Для умеренной зоны с учетом экологических характеристик оптимальной энергетической культурой является ива. Существуют десятки видов и подвидов ив, каждый из которых обладает специфическими характеристиками, в том числе в отношении накопления тяжелых металлов. Имеет место видовая специфичность ивы и, более того, разница по указанному показателю может наблюдаться для отдельных сортов в пределах вида, что также необходимо учитывать при рекультивации территории [11]. В пользу ивовых посадок также свидетельствуют исследования, подтверждающие, что на землях с высоким содержанием тяжелых металлов и других загрязнителей продуктивность растений остается достаточно стабильной. Некоторые виды ивы хорошо чувствуют себя на засоленных землях и могут использоваться для их рекультивации [12]. Такие территории образуются в результате добычи калийных солей, техногенного воздействия и других факторов. Доказана также возможность выращивания ивы на загрязненных радионуклидами землях [13].
Таким образом, экологические характеристики ивы показывают, что быстрорастущие сорта данной культуры являются одним из наиболее перспективных объектов для рекультивации территорий, в том числе загрязненных различными видами отходов. Естественно, надо учитывать и оценивать конкретные показатели земель.
Так, в Республике Беларусь ежегодно образуются десятки тысяч тонн осадков сточных вод различного происхождения. Особенно проблемным фактором является содержание в осадках сточных вод соединений, способных мигрировать и аккумулироваться в биологических системах. К таким соединениям относятся тяжелые металлы. Некоторые тяжелые металлы участвуют в биологических процессах, в то же время ряд других, оказывая вредное воздействие на организм человека, провоцируют различные заболевания. Особенно опасны соединения свинца, кадмия и ртути. Осадки сточных вод в большинстве отправляются на захоронение (складирование) на иловые площадки предприятий после очистки на специальных сооружениях, и после длительного периода хранения могут транс-
формироваться или преобразовываться в техногенные почвы. Этот процесс может быть интенсифицирован, в том числе при использовании энергетических лесов. Возможность использования осадков в качестве почвенного субстрата или органического удобрения определяется уровнем содержания в них важнейших элементов питания растений.
Результаты таких исследований представлены в ряде зарубежных публикаций. В том числе показана возможность утилизации из сточных вод тяжелых металлов с помощью посадок ивы [14]. При этом особое значение имеет перспектива аккумуляции кадмия - особо опасного элемента, стимулирующего развитие канцерогенных заболеваний.
В Швеции посадки ивы использовали для очистки стоков с территории аграрных ландшафтов. Такие стоки содержат в своем составе значительное количество питательных элементов - продуктов разложения минеральных удобрений. Плантации ивы, аккумулируя эти элементы, выполняют фильтрующие функции, при этом обеспечивая быстрый рост биомассы [15; 16].
Для стимулирования продуктивности энергетических плантаций также целесообразно использовать загрязненные стоки, поступающие с полей фильтрации и систем биологической очистки предприятий [17]. Эксперименты также показали, что коэффициенты накопления загрязнителей для различных видов ивы различаются.
Наряду со сточными водами в качестве удобрений можно использовать и сухие остатки, после обезвоживания осадков. Продуктивность ивовых плантаций, несмотря на высокую загрязненность таких остатков, также возрастает [18].
Положительный результат переработки обводненных и сухих осадков наблюдался в опытах с посадками ивы в Дании [19]. Деревья ивы были высажены по схеме согласно принятым стандартам для энергетических посадок, но с учетом рельефа участка. Это позволило минимизировать сток с полей и увеличить эффективность использования питательных веществ.
Результаты наших исследований, представленные в данной публикации, направлены на оценку перспективы создания энергетических плантаций на основе растений ивы на техногенных почвах, образовавшихся в результате складирования (хранения) иловых осадков сточных вод.
Объект и методы исследований
Исследования проводились в 2022-2023 годах. В процессе исследований решались следующие задачи:
- Анализ агрохимических и агрофизических показателей осадков сточных вод различного происхождения;
- Экспериментальная оценка перспективы использования почвенных субстратов на их основе в условиях вегетационного эксперимента.
Для проведения исследований были отобраны образцы с площадок хранения, которые различаются от условий происхождения:
1. Свежие осадки, образовавшиеся после очистки и обезвоживания стоков (№ 1);
2. Осадки длительного срока хранения (№ 2);
3. Твердые свежие осадки, образовавшиеся в результате осаждения в системе городской канализации без дополнительного обезвоживания (№ 3);
4. Осадки, образовавшиеся на песколовках (№ 4).
Обезвоженный осадок сточных вод называют «кек». По стандартам, это извлекаемый из фильтр-прессов или аналогичных устройств осадок, содержащий от 25 до 35 % твердого вещества [20]. Отбор проб проводили по ГОСТ 28168-891. Анализы отобранных проб проводились по следующим показателям.
Оценка агрофизических показателей (гранулометрический состав, структура, плотность, водно-воздушный режим) по ГОСТ 125 3 6-792 и ГОСТ 28 2 68-893.
1 ГОСТ 28168-89. Почвы. Отбор проб (введен РБ 01.04.90). Минск: Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 1989. 8 с.
2 ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава (введен РБ с 17.12.92). Минск: Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 1992. 28 с.
3 ГОСТ 28268-89. Почвы. Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания растений (введен РБ с 17.12.92). Минск: Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 1989. 12 с.
СЕРИЯ БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Оценка агрохимических показателей на содержание основных элементов минерального питания растений (общий азот, общий (валовый) фосфор, калий) по ГОСТ ГОСТ 26715-854, ГОСТ 26717855, ГОСТ 26718-856.
Определение макроэлементов и микроэлементов в почвенных и растительных образцах (медь, кадмий, цинк, хром, свинец, никель) проводили на рентген-флуоресцентном анализаторе РФА-СЕР-01 согласно методике [21].
По результатам оценки агрофизических и агрохимических показателей осадков с площадок хранения для культивирования растений было предложено использовать кек длительного срока хранения и песок. Также была сформулирована рабочая гипотеза, что оптимизация агрохимических и агрофизических характеристик почвенного субстрата может быть обеспечена при смешивании образцов. С учетом этих выводов был заложен вегетационный эксперимент, который включал пять вариантов опыта с осадками сточных вод (почвенными субстратами):
- Вариант 1 (кек длительного срока хранения);
- Вариант 2 (песок);
- Вариант 3 (смесь кека и песка в соотношении 50:50 %);
- Вариант 4 (смесь кека и песка в соотношении 25:75 %);
- Вариант 5 (смесь кека и песка в соотношении 75:25 %).
Объектом исследования служили:
- Перспективный сорт энергетической ивы шведской селекции Inger;
- Три сорта энергетической ивы белорусско-сербской селекции, включенных в национальный Реестр Республики Беларусь (Бачка, Волмянка, Дрина).
Ежемесячно проводилось измерение следующих морфометрических параметров растений: высота (от корневой шейки до высшей точки), диаметр и количество стеблей.
Для оценки продуктивности во второй части вегетационного сезона одно из растений срезалось, взвешивалось, и полученные результаты пересчитывались на сухое вещество.
Содержание и коэффициенты биологического накопления (КБН) тяжелых металлов в биомассе рассчитывали как отношение содержания элемента в фитомассе растений к его содержанию в почве (субстрате) [22]. Выполнена оценка содержания ряда тяжелых металлов в биомассе растений ивы на двух типах почвенных субстратов: кек пятилетней экспозиции и песок после сепарации.
Для посадки использовали черенки ивы, которые замачивались в течение нескольких суток в растворе с добавлением микроэлементов и стимуляторов роста. Черенки высаживались в вегетационные сосуды цилиндрической формы, по два растения на сосуд. Повторность в обоих опытах 4-кратная, размещение вегетационных сосудов рандомизированное. Дополнительное внесение минеральных удобрений не проводилось. В процессе вегетации осуществлялась обработка растений против комплекса вредителей препаратом АКТАРА.
Для математической и статистической обработки полученных экспериментальных данных использовали программное обеспечение MS Excel 2010, OriginPro v. 2018.
Результаты и их обсуждение
Как уже было показано выше, одной из основных проблем, не позволяющих использовать осадки в качестве удобрений, является высокий уровень содержания в них тяжелых металлов. В Беларуси и других странах их содержание нормируется в продуктах питания и кормах. Для энергетических целей такие нормативы не установлены, но следует учитывать, что высокий уровень содержания загрязнителей в биотопливе, при его дальнейшем сжигании может обусловить превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) соединений в атмосферном воздухе. Этот норматив является ключевым не только для характеристики качества атмосферного воздуха, но и благополучия региона. Содержание загрязнителей в биомассе в первую очередь определяется их концентрацией в почвах.
4 ГОСТ 26715-85. Удобрения органические. Методы определения общего азота (введен РБ с 17.12.92). Минск: Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 1987. 16 с.
5 ГОСТ 26717-85. Удобрения органические. Методы определения общего фосфора (введен РБ с 17.12.92). Минск: Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 1987. 16 с.
6 ГОСТ 26718-85. Удобрения органические. Методы определения общего калия (введен РБ с 17.12.92). Минск: Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 1987. 16 с.
2024. Т. 34, вып. 3 СЕРИЯ БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Так как твердые осадки сточных вод предполагается использовать в качестве субстрата (техногенной почвы) для энергетических культур, то предельно допустимые концентрации (ПДК) или ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) загрязнителей (включая тяжелые металлы) для почв устанавливаются с учетом санитарно-гигиенических требований на продукты питания, полученные из продовольственных сельскохозяйственных растений. Эти нормативы являются основными для характеристики качества почв Республики Беларусь (Гигиенические нормативы 2.1.7.12-1-2004 22)7. В табл. 1 представлены результаты анализа содержания тяжелых металлов для четырех образцов твердых осадков с площадок хранения (согласно методике исследования).
Таблица 1
Результаты анализа содержания тяжелых металлов в твердых осадках, мг/кг
№ п/п Наименование ПДК (ОДК) мг/кг Фактическое значение определяемого вещества, показателя в образцах твердых осадков
№1 №2 №3 №4
1 Cd 2,0 18,2±3,76 2,2±0,35 2,5±0,59 1,9±0,30
2 РЬ 32,0 74,7±11,12 15,2±2,16 20,6±5,12 24,2±6,11
3 № 80,0 348,0±32,54 20,0±4,19 270,0±18,92 65,0±10,14
4 Сг* 100,0 970,0±48,13 64,0±9,26 392,0±22,56 28,0±6,96
5 Zn 220,0 1494,0±79,18 305,0±21,14 3860,0±128,98 974,0±98,13
6 Си 12,0 280,8±65,35 51,5±7,31 64,8±9,02 30,9±6,16
Примечание: * - трехвалентный хром.
Сравнение полученных данных с установленными для почв Беларуси ПДК или ОДК показывает, что по большинству показателей наблюдается превышение уровня содержания тяжелых металлов по сравнению с установленными для почв сельскохозяйственного назначения нормативами [23]. Наиболее неблагоприятной является ситуация с содержанием в осадках сточных вод цинка. По содержанию кадмия превышение предельных концентраций установлено для трех вариантов. Наиболее загрязненными являются свежие осадки, содержание кадмия в которых более чем в 9 раз превышает допустимое. По свинцу превышение норматива наблюдается для свежего кека (№ 1), по никелю и хрому - для вариантов свежий кек и осадки городской канализации без обработки.
300 2 250
СО
§ 200
X >
^ 150
Ш 100
^
I
го
I 50
ш
5 0
■
□ Кек 1
□ Кек 5
Cd
РЬ
N¡/10*
Сг/10*
Си Zn/10*
Тяжелые металлы
Примечание: * - Фактическое значение показателя уменьшено в 10 раз.
Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в осадках первого и пятого года хранения
7 Об утверждении Гигиенических нормативов 2.1.7.12-1-2004 «Перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) химических веществ в почве»: постановление Гл. гос. санитар. врача Респ. Беларусь, 25 февр. 2004 г, № 28 // ЭТАЛОН. Законодательство Республики Беларусь / Нац. центр правовой информ. Респ. Беларусь. Минск, 2019.
СЕРИЯ БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Результаты исследований показали, что с течением времени содержание тяжелых металлов в осадках сточных вод имеет тенденцию к снижению (рис. 1). За пятилетний период в аналогичных по агрофизическим характеристикам почвогрунтах содержание кадмия, свинца, никеля, цинка и хрома уменьшилось на величину от 4,9 раз до 17,4 раз. Снижение величины содержания меди составило 5,4 раза. Известно, что медь является незаменимым элементом для жизнедеятельности растений и часто используется в качестве микроудобрения. Тем не менее, можно констатировать, что даже с учетом значимости этого металла как микроэлемента величина содержания меди в почвах пятого года хранения выше токсичного для растений уровня (12 мг/кг).
В вегетационном эксперименте минимальная высота растений ивы сорта Волмянка была на песчаном субстрате (вариант 2) (рис. 2). Это достаточно предсказуемый результат, так как твердые осадки, образовавшиеся на песколовках, по гранулометрическому составу близки к песчаным почвам. Для них характерна плохая структура и низкая влагоудерживающая способность. Этот факт отрицательно сказывается на водном режиме растений без дополнительного полива (орошения). Вегетационный эксперимент дополнительного орошения не предусматривал, растения в вегетационных сосудах культивировались под открытым небом, и влага обеспечивалась только за счет атмосферных осадков. Песчаные почвы характеризуются низким содержанием питательных элементов, включая важнейшие микроэлементы, которые определяют устойчивый метаболизм растений. Например, медь имеет важное значение для жизнедеятельности растений в условиях недостатка влаги. Для таких осадков также характерно низкое содержание фосфора, калия, кальция, магния и меди. Каждый из этих элементов обладает важнейшими функциями для обеспечения жизнедеятельности растений, что исключительно важно для плохо структурированных почв (субстратов).
100 90
2 80
и
>£ 70
Ц 60
га 50 га 40 30
а 20 10 0
^ -ж
о и
01.05.2023 01.06.2023 01.07.2023 01.08.2023 01.09.2023 01.10.2023
Период вегетации
В-1 Ш В-2 ♦ В-3 ■ В-4 В-5
Рис. 2. Зависимость динамики роста растений ивы сорта Волмянка от структуры почвенного субстрата
Несколько более высокие параметры роста растений ивы установлены для субстрата на основе кека. Это можно объяснить следующими обстоятельствами:
- такие осадки имеют в своем составе более высокое содержание минеральных элементов, что связано с условиями их происхождения и подготовки;
- кек образуется как результат осаждения коммунально-бытовых и промышленных стоков, в том числе предприятий переработки и пищевого сектора, что предполагает высокое содержание в них азота, фосфора и других элементов.
К недостатку таких осадков следует отнести тот факт, что их структурность и, соответственно, влажность со временем снижается. Кроме того, такие осадки являются гетерогенными, что обусловлено различными источниками их происхождения. Еще одним недостатком является повышенный уровень содержания в осадках ряда элементов, например, меди свыше 50 мг/кг сухого вещества. При показателе 12 мг/кг содержание меди в почве считается высоким, а при превышении этой величины -избыточным. Это означает, что при такой величине медь может оказывать и отрицательное воздействие на жизнедеятельность растений.
Таким образом, смешивание осадков теоретически позволит получить субстрат с более оптимальными агрохимическими и агрофизическими характеристиками по сравнению с чистым кеком и песком. Эта гипотеза подтвердилась в вегетационном эксперименте. Растения ивы, полученные на всех типах смешанных почв, отличались более высокими показателями роста (рис. 2). Установлено, что наиболее оптимальным для практического использования является субстрат, состоящий из смеси кека (75%) и песка (25%) (вариант 5). К концу вегетационного периода наблюдается достоверное превышение (уровень значимости 0,05) показателей роста растений ивы на таких субстратах в сравнении с чистым кеком и песком.
и
ш ^
I
го
о и
14 12 10 8 6 4 2 0
1 ■
Ингер Бачка Волмянка Дрина □ В-1 (кек) □ В-2 (песок)
А
0,14 * 0,12 5 0,1
тз и
е 0,08 и
| 0,06
| 0,04 о
° 0,02 0
Ингер Бачка Волмянка Дрина □ В-1 (кек) □ В-2 (песок)
Б
р
е о
и
160 140 120 100 80 60 40 20 0
Ингер Бачка Волмянка Дрина □ В-1 (кек) □ В-2(песок)
В
р
е о
и
1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
Ингер Бачка Волмянка Дрина □ В-1 (кек) □ В-2 (песок)
Г
N
е и н а
о
и
Ингер Бачка Волмянка Дрина □ В-1 (кек) □ В-2 (песок)
Д
е и н а
X
р
е с
и
Ингер Бачка Волмянка □ В-1 (кек) □ В-2 (песок)
Е
Дрина
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
Рис. 3. Содержание кадмия (а), хрома (б), меди (в), свинца (г), цинка (д) и никеля (е)
в фитомассе сортов ивы
СЕРИЯ БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
По таким показателям, как диаметр и количество стеблей, также выделялись растения ивы, выращенные на смешанном субстрате. Наиболее высокие показатели также получены для пятого варианта вегетационного эксперимента, где использовалась смесь кека и песка в соотношении 75 на 25 %. Минимальная величина надземной части растений характерна для растений, выращенных на твердых осадках из песколовок.
Таким образом, для внесения в почву в качестве органического удобрения с учетом санитарно-гигиенических требований целесообразно использовать осадки сточных вод (кек) после нескольких лет хранения. Этот фактор был принят за основу при проведении дальнейших экспериментов в вегетационном опыте.
Результаты измерения содержания тяжелых металлов в фитомассе растений ивы представлены на рис. 3.
В соответствии с представленными результатами можно констатировать, что содержание кадмия и меди в биомассе растений на песчаных субстратах во всех вариантах было ниже, чем на субстрате кек. Еще более выраженная тенденция наблюдается для трехвалентного хрома, содержание которого в биомассе ивы, выращенной на песке, приблизительно в два раза ниже по сравнению с кеком для всех вариантов (сортов). В то же время для свинца, никеля и цинка наблюдается обратная зависимость. Содержание этих элементов выше в биомассе ивы, полученной на песчаном грунте. По результатам анализа данных, представленных в табл. 1, можно констатировать, что основная причина такого явления - это условия происхождения почво-грунтов. Первоначально в свежем кеке содержание кадмия, меди и особенно хрома во много раз превышает содержание этих элементов в песке. После периода пятилетнего хранения содержание всех тяжелых металлов в кеке существенно снижается, но и в этом случае по кадмию, меди и хрому оно выше по сравнению с песчаным грунтом, а по никелю, свинцу и цинку - ниже.
Также можно отметить наличие сортовой специфичности к накоплению тяжелых металлов на почвенных субстратах на основе твердых осадков сточных вод. Более низкие показатели содержания кадмия, свинца, никеля и хрома установлены для сорта Дрина. Содержание в биомассе сорта Дрина цинка на субстрате кек незначительно отличалось от сорта Бачка. Наиболее интенсивная аккумуляция тяжелых металлов, за исключением меди, наблюдалась у сорта Ингер, который относится к сортам интенсивного типа.
Содержание элементов в биомассе зависит от ряда внешних факторов, в том числе агрофизической характеристики почвы, а также специфического для растений коэффициента биологического накопления (табл. 2).
Таблица 2
Коэффициенты биологического накопления тяжелых металлов в фитомассе растений ивы
на кеке (вариант 1) и песке (вариант 2)
Сорт Cd Pb Ni Cr Zn Cu
В-1* В-2** В-1 В-2 В-1 В-2 В-1 В-2 В-1 В-2 В-1 В-2
Ингер 0,066 0,050 0,058 0,068 0,057 0,059 0,262 0,131 3,013 4,600 1,721 1,522
Бачка 0,055 0,041 0,049 0,057 0,069 0,071 0,160 0,080 1,808 2,849 2,633 2,411
Волмянка 0,061 0,033 0,044 0,063 0,046 0,047 0,058 0,029 1,904 2,907 2,872 2,460
Дрина 0,033 0,025 0,019 0,023 0,034 0,035 0,044 0,022 1,570 2,551 2,654 2,812
Результаты расчетов подтверждают, что для кадмия, меди и хрома коэффициенты биологического накопления выше для растений на субстрате кек, а для остальных металлов - на песке. И если по свинцу и никелю коэффициенты накопления для кека и песка очень близки между собой, то, например, для цинка они отличаются в полтора раза. Очевидно, что эти факторы оказывают влияние на содержание тяжелых металлов в биомассе, и их необходимо учитывать при планировании энергетических посадок на загрязненных осадками землях.
По сортам, наиболее низкие коэффициенты биологического накопления всех металлов, за исключением меди, установлены для Дрины, и наиболее высокие - для сорта Ингер. Эти сорта принадлежат к различным видам ивы, соответственно Salix alba и Salix viminalis. Сорт Дрина имеет более низкие коэффициенты по сравнению с Волмянкой и Бачкой, то есть сортами одного вида. Таким об-
разом, экспериментально установлено, что существует как сортовая, так и видовая специфичность растений ивы по данному фактору.
Наши результаты соответствуют данным, полученным в зарубежных исследованиях, где также наблюдалась видовая и межвидовая специфичность для сортов, гибридов и видов ивы (Salix mats daña и Salix nigari) по ряду металлов [24; 25].
Фактор различия показателей биологического накопления для сортов, гибридов и видов ивы необходимо принимать во внимание при оценке перспективы использования энергетических культур и, в частности, ивы при использовании осадков сточных вод в качестве субстратов или удобрения.
Заключение
По результатам исследований по оценке перспективы создания энергетических плантаций ивы на техногенных почвах на основе твердых осадков сточных вод можно сделать следующие выводы:
1. Установлено, что по большинству показателей величина содержания тяжелых металлов в осадках сточных вод превышает аналогичные величины в почвах наиболее загрязненных городов Республики Беларусь, а по ряду показателей - принятые предельно допустимые концентрации. Тем не менее, положительным фактом является снижение содержания тяжелых металлов в почвах иловых полигонов с течением времени. Особенно выражена данная тенденция для твердых иловых осадков (кек) за пятилетний период времени.
2. Для техногенных почв на основе иловых осадков сточных вод с учетом их агрохимических и агрофизических характеристик оптимальным является выращивание не продовольственных, а технических и энергетических культур. В условиях вегетационного эксперимента установлена видовая и сортовая специфичность растений энергетической ивы для техногенных почв. Наиболее высокие морфометрические показатели установлены для районированного в Беларуси сорта ивы белой (Salix alba) Волмянка, в то же время менее интенсивная аккумуляция тяжелых металлов характерна для сорта Дрина (Salix alba). Эти результаты подчеркивают важность селекционных исследований и подбора сортов растений для техногенных почв.
3. Экспериментальная оценка в условиях вегетационного эксперимента позволила выделить наиболее перспективные почвенные субстраты. Наиболее высокие показатели морфометрических параметров (высота растений, диаметр стеблей) для контрольного объекта (сорт Волмянка, Salix alba) установлены на почвенном субстрате, состоящем из смеси кека (75 %) и песка (25 %).
4. Для внесения в почву в качестве органического удобрения с учетом санитарно-гигиенических требований целесообразно использовать осадки сточных вод (кек) после нескольких лет хранения вследствие снижения содержания в осадках ряда тяжелых металлов (кадмий, цинк, хром, свинец, никель). Рассчитанные показатели биологического накопления позволяют прогнозировать содержание тяжелых металлов в биомассе растительной продукции и возможности ее использования в качестве биотоплива.
Таким образом, фиторемедиация техногенных почв на основе иловых стоков с получением возобновляемой биомассы энергетической ивы позволяет снизить экологическую нагрузку на окружающую среду сразу по нескольким направлениям:
- использование иловых осадков в качестве удобрений для энергетических культур позволяет улучшить структуру и плодородие почвы. Поэтому воздействие на почвенные и прилегающие водные экосистемы будет снижено вследствие сокращения норм внесения минеральных удобрений;
- вегетационные эксперименты подтверждают возможность непосредственного использования полигонов хранения осадков для создания фитоценозов. Это направление требует решения ряда организационных вопросов и согласований, но его реализация позволит рекультивировать тысячи гектар земель и уменьшить риск загрязнения поверхностных и грунтовых вод и атмосферного воздуха на прилегающих территориях;
- получение биотоплива на возобновляемой основе и (или) другой растительной продукции позволит снизить выбросы парниковых газов и, соответственно, смягчить последствия изменения климата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Минюк З.П., Шароваров Г.А. Современные методы очистки загрязненных территорий // Весшк МДУ ii^ А.А. Куляшова. 2008. № 2-3(30). С. 173-178.
СЕРИЯ БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
2. Киреева Н.А., Григориади А.С., Багаутдинов Ф.Я. Фиторемедиация как способ очищения почв, загрязненных тяжелыми металлами // Теоретическая и прикладная экология. 2011. № 3. С. 4-16.
3. Djelic G., Krstic D., Stajic J., et al. Transfer factors of natural radionuclides and 137Cs from soil to plants used in traditional medicine in central Serbia // Journal of Environmental Radioactivity. 2016. 158-159 (17). P. 81-88.
4. Демин А.В., Рыбальченко И.В., Милькина И.В., Жандарова Ю.А. Технологии устойчивого развития территорий: фиторемедиация как инновационный метод санации депрессивных территорий // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Государственное и муниципальное управление. 2022. № 9(2). С. 124-136.
5. Rodzkin A., Kundas S., Charnenak Y. The assessment of cost of biomass from post-mining peaty lands for pellet fabrication // Environmental and Climate Technologies. 2018. 22(1). P. 118-131.
6. Kundas S., Wichtman W., Rodzkin A. Use of biomass from wet peatland for energy purpose // International and renewable energy sources as alternative primary energy sources in the region: 8 International science conference. Lviv, 2015. P. 77-81.
7. Dimitriou I., Aronsson P. Willows for energy and phytoremediation in Sweden // Unasylva. 2005. 56(221). P. 47-50.
8. Tuck G., Glendining M.J., Smith P., House J.I., Wattenbach M. The potential distribution of bioenergy crops in Europe under present and future climate // Biomass and Bioenergy. 2006. 30(3). P. 183-197.
9. Stern W.B. Stroh als Quelle erneuerbarer Energie // Swiss Bulletin fürangewandte Geologie. 2010.15(1). P. 95-103.
10. Mola-Yudego B, Arevalo J., Díaz-Yáñez O., Dimitriou I., Freshwater E., Haapala A., Khanam T., Selkimaki M. Reviewing wood biomass potentials for energy in Europe: the role of forests and fast-growing plantations // Biofuels. 2017. 8(4). P. 401-410.
11. Urosevi'c J., Stankovi'c D., Jokanovi'c D., Trivan G., Rodzkin A., Jovi'c В., Jovanovi'c F. Phytoremediation Potential of Different Genotypes of Salix alba and S. viminalis // Plants. 2024. 13. P. 735.
12. Oljaca R., Rodzkin O., Krstic B. Fiziologija vrba = Willow physiology. Laktasi: University Banja Luka; 2017, 148 P.
13. Rodzkin A., Khroustalev B., Kundas S. Potential of Energy Willow Plantations for Biological Reclamation of Soils Polluted by 137Cs and Heavy Metals, and for Control of Nutrients Leaking into Water Systems // Environmental and Climate Technologies. 2019. 23(3). P. 43-56.
14. Aronsson P., Perttu K. Willow vegetation filters for wastewater treatment and soil remediation combined with biomass production // Forestry Chronicle. 2001. Vol. 77, № 2. P. 293-299.
15. Dimitriou I., Aronsson P. Wastewater phytoremediation treatment system in Sweden using short rotation willow coppice // Short rotation crops for bioenergy: IEA Bioenergy task 30: proc. of the conf. (1-5 Dec., 2003), Mount Maunganui, Tauranga, New Zealand / Intern. Energy Agency. - [Rotorua], 2003. P. 225-228.
16. Dimitriou I., Aronsson P. Willows for energy and phytoremediation in Sweden // Unasylva. 2005. Vol. 56, № 221. P. 47-50.
17. Rosenqvist H., Aronsson P., Hasselgren K., Perttu K. Economics of using municipal wastewater irrigation of willow coppice crops // Biomassa. Bioenergy. 1997. Vol. 12, № 1. P. 1-8.
18. Labrecque M., Teodorescu T.I. Influence of plantation site and wastewater sludge fertilization on the performance and foliar nutrient status of two willow species grown under SRIC in southern Quebec (Canada) // Forest Ecologya. Management. 2001. Vol. 150, № 3. P. 223-239.
19. Elowson S. Willow as a vegetation filter for cleaning of polluted drainage water from agricultural land // Biomassa. Bioenergy. 1999. Vol. 16, № 4. P. 281-290.
20. Очистные сооружения ливневых, промышленных стоков. URL: https://www.vo-da.ru/glossary/117 (дата обращения: 17.07.2024).
21. Методика выполнения измерений массовой доли химических элементов железа, кадмия, калия, кальция, марганца, меди, мышьяка, никеля, свинца, серы, стронция, титана, хрома, цинка в пробах растительного и животного происхождения методом рентгено-флуоресценции с использованием спектрометра энергий рентгеновского излучения СЕР-001 / Междунар. гос. экол. ун-т им. А.Д. Сахарова. Минск: [б. и.], 2009. 36 с.
22. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). Москва: Агропромиздат, 1985. 351 с.
23. Мониторинг земель / Белгипрозем. URL: https://belgiprozem.by/2018.pdf (дата обращения: 17.07.2024).
24. Vyslouilová M., Tlusto P., Száková J., Pavlíková D. As, Cd, Pb and Zn uptake by Salix spp. clones grown in soils enriched by high loads of these elements // Plant, Soil and Environment. 2003. Vol. 49, № 5. P. 191-196.
25. Borisev M., Pajevic S., Nikolic N., Pilipovic A., Krstic B., Orlovic S. Phytoextraction of Cd, Ni, and Pb using four willow clones (Salix spp.) // Pol. J. of Environmental Studies. 2009. Vol. 18, № 4. P. 553-561.
Поступила в редакцию 01.09.2024
Родькин Олег Иванович, доктор биологических наук, директор Международный государственный экологический институт им. А.Д. Сахарова, Белорусский государственный университет 220070, Беларусь, г. Минск, ул. Долгобродская, 23/1 E-mail: [email protected]
A.I. Rodzkin
PHYTOREMEDIATION AS A METHOD OF COMPREHENSIVE SOLUTION OF ENVIRONMENTAL PROBLEMS
DOI: 10.35634/2412-9518-2024-34-3-284-295
Phytoremediation is one of the environmentally friendly methods of restoration or reclamation of contaminated and disturbed soils. The direction of phytoremediation based on the use of plants with abnormal accumulation abilities of pollutants allows to quickly clean up territories, but does not provide economic efficiency. More promising seems to be the direction based on a stable decrease in soil pollution with the possible use of the obtained products. This involves the use of not food, but industrial or energy crops. Contaminated areas include landfills for storing sludge from treatment facilities, the area of which is constantly growing. The use of such territories will not only significantly reduce the impact on the environment, but also obtain raw materials for energy production. In the conditions of a vegetation experiment, studies were conducted on the possibility of using sewage sludge of various origins. The object of the study was fast-growing willow varieties. The choice of the object is justified by the environmental characteristics of willow. It was found that the sediments exceed the content of heavy metals in comparison with the MAC standards adopted for soils. Fresh sediments are the most contaminated, but over a five-year storage period, the content of cadmium, lead, copper, zinc and chromium in them decreased by 4.9-17.4 times. At the same time, for magnesium and calcium, i.e. metals that are biologically important for plant life, the decrease was only 1.1 and 2.2 times, respectively, which is a positive fact. Varietal and species specificity of willow to the accumulation of biomass and accumulation of heavy metals on soil substrates based on solid sewage sludge was also established. These results emphasize the importance of breeding research and selection of plant varieties for technogenic soils. The obtained research results confirm the prospects of the phytoremediation method for reducing environmental impact on contaminated soils.
Keywords: phytoremediation, sewage sludge, heavy metals, energy willow.
REFERENCES
1. Minyuk Z.P., Sharovarov G.A. [Modern methods of the deactivation of polluted territories], in VesnikMDU im. A.A. Kulyashova, 2008, no. 2-3(30), pp.173-178 (in Russ.).
2. Kireyeva N.A., Grigoriadi A.S., Bagautdinov F.Ja. [Phytoremediation as a way to purificating soils contaminated with heavy metals], in Teoreticheskaya iprikladnaya ekologiya, 2011, no. 3, pp. 4-16 (in Russ.).
3. Djelic G., Krstic D., Stajic J., et al. Transfer factors of natural radionuclides and 137Cs from soil to plants used in traditional medicine in central Serbia, in Journal of Environmental Radioactivity, 2016, 158-159, pp. 81-88.
4. Demin A.V., Rybalchenko I.V., Milkina I.V., Jandarova Ju.A. [Technologies of territorial sustainable development: phytoremediation as an innovative method for recovery of depressed territories], in RUDN Journal of Public Administration, 2022; 9(2), pp. 124-136.
5. Rodzkin A., Kundas S., Charnenak Y. The assessment of cost of biomass from post-mining peaty lands for pellet fabrication. Environmental and Climate Technologies. 2018; 22(1): pp.118-131.
6. Kundas S., Wichtman W., Rodzkin A. Use of biomass from wet peatland for energy purpose, in International and renewable energy sources as alternative primary energy sources in the region: 8 International science conference. Lviv, 2015, pp. 77-81.
7. Dimitriou I., Aronsson P. Willows for energy and phytoremediation in Sweden, in Unasylva, 2005; 56(221): pp.47-50.
8. Tuck G., Glendining M.J., Smith P., House J.I., Wattenbach M. The potential distribution of bioenergy crops in Europe under present and future climate, in Biomass and Bioenergy, 2006, 30(3), pp. 183-197.
9. Stern W.B. Stroh als Quelle erneuerbarer Energie, in Swiss Bulletin für angewandte Geologie, 2010; 15(1): pp. 95-103.
10. Mola-Yudego B, Arevalo J., Diaz-Yanez O., Dimitriou I., Freshwater E., Haapala A., Khanam T., Selkimäki M. Reviewing wood biomass potentials for energy in Europe: the role of forests and fast-growing plantations, in Biofuels, 2017, 8(4), pp. 401-410.
11. Urosevi'c J., Stankovi'c D., Jokanovi'c D., Trivan G., Rodzkin A., Jovi'c В., Jovanovi'c F. Phytoremediation Potential of Different Genotypes of Salix alba and S. viminalis, in Plants, 2024, 13, p. 735.
12. Oljaca R., Rodzkin O., Krstic B. Fiziologija vrba = Willow physiology. Laktasi: University Banja Luka; 2017, 148 p.
13. Rodzkin A., Khroustalev B., Kundas S. Potential of Energy Willow Plantations for Biological Reclamation of Soils Polluted by 137Cs and Heavy Metals, and for Control of Nutrients Leaking into Water Systems, in Environmental and Climate Technologies, 2019; 23(3): pp. 43-56.
14. Aronsson P., Perttu K. Willow vegetation filters for wastewater treatment and soil remediation combined with biomass production, in Forestry Chronicle, 2001, vol. 77, no. 2, pp. 293-299.
СЕРИЯ БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
15. Dimitriou I., Aronsson P. Wastewater phytoremediation treatment system in Sweden using short rotation willow coppice, in Short rotation crops for bioenergy: 1EA Bioenergy task 30: proc. of the conf. (1-5 Dec., 2003), Mount Maunganui, Tauranga, New Zealand / Intern. Energy Agency. - [Rotorua], 2003, pp. 225-228.
16. Dimitriou I., Aronsson P. Willows for energy and phytoremediation in Sweden, in Unasylva, 2005, Vol. 56, no. 221, pp. 47-50.
17. Rosenqvist H., Aronsson P., Hasselgren K., Perttu K. Economics of using municipal wastewater irrigation of willow coppice crops, in Biomassa. Bioenergy, 1997, vol. 12, no. 1, pp. 1-8.
18. Labrecque M., Teodorescu T.I. Influence of plantation site and wastewater sludge fertilization on the performance and foliar nutrient status of two willow species grown under SRIC in southern Quebec (Canada), in Forest Ecol-ogya. Management, 2001, vol. 150, no. 3, pp. 223-239.
19. Elowson S. Willow as a vegetation filter for cleaning of polluted drainage water from agricultural land, in Biomassa. Bioenergy, 1999, vol. 16, no. 4, pp. 281-290.
20. Ochistnye sooruzheniya livnevykh, promyshlennykh stokov [Storm water and industrial wastewater treatment plants], Available at: https://www.vo-da.ru/glossary/117 (accessed 17.07.2024) (in Russ.).
21. Metodika vypolneniya izmereniy massovoy doli khimicheskikh elementov zheleza, kadmiya, kaliya, kal'tsiya, mar-gantsa, medi, mysh'yaka, nikelya, svintsa, sery, strontsiya, titana, khroma, tsinka v probakh rastitel'nogo i zhivotnogo proiskhozhdeniya metodom rentgeno-fluorestsentsii s ispol'zovaniem spektrometra energiy rent-genovskogo izlucheniya SER-001 [Method of measuring the mass fraction of chemical elements iron, cadmium, potassium, calcium, manganese, copper, arsenic, nickel, lead, sulfur, strontium, titanium, chromium, zinc in samples of plant and animal origin by X-ray fluorescence using the X-ray energy spectrometer SER-001] / Mezhdunar. gos. ekol. un-t im. A.D. Saharova. Minsk, 2009, 36 p. (in Russ.).
22. Dospekhov B.A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoy obrabotki rezul'tatov issledovaniy) [Methodology of field experiment (with the basics of statistical processing of research results)], Moscow: Agropromizdat Publ., 1985, 351 p. (in Russ.).
23. Monitoring zemel', Sayt Belgiprozem [Land monitoring / Belgiprozem website], Available at: https://belgiprozem.by/2018.pdf (accessed 17.07.2024) (in Russ.).
24. Vyslouilová M., Tlusto P., Száková J., Pavlíková D. As, Cd, Pb and Zn uptake by Salix spp. clones grown in soils enriched by high loads of these elements, in Plant, Soil and Environment, 2003, vol. 49, no. 5, pp. 191-196.
25. Borisev M., Pajevic S., Nikolic N., Pilipovic A., Krstic B., Orlovic S. Phytoextraction of Cd, Ni, and Pb using four willow clones (Salix spp.), in Pol. J. of Environmental Studies, 2009, vol. 18, no. 4, pp. 553-561.
Received 01.09.2024
Rodzkin A.I., Doctor of Biology, Director
International Sakharov Environmental Institute, Belarusian State University Dolgobrodskaja st., 23/1, Minsk, Belarus, 220070 E-mail: [email protected]
