Рослини для очищення та відновлення забруднених ґрунтів

Рослини для очищення та відновлення забруднених ґрунтів

Фіторемедіація, фітостабілізація та біологічне відновлення території

Фіторемедіація - це використання рослин, їх коріння і пов'язаних з ними мікроорганізмів для зменшення небезпеки забрудненого ґрунту, води або опадів.

Важливо розуміти, що рослини не завжди повністю видаляють забруднювач. Залежно від речовини вони можуть:

вилучати його з ґрунту;

утримувати у кореневій зоні;

знижувати рухливість;

запобігати розповсюдженню пилу;

стимулювати мікробне розкладання;

перехоплювати забруднену воду;

створювати умови для поступового відновлення екосистеми.

Для важких металів частіше застосовуються вилучення та стабілізація. Для нафти, дизельного палива, частини пестицидів та органічних сполук важливу роль відіграє розкладання мікроорганізмами у кореневій зоні.

1. Основні механізми фіторемедіації

Головний принцип:

метали не можна біологічно знищити, але можна видалити, зв'язати чи ізолювати; органічні забруднювачі іноді можна розкласти.

2. Три групи рослин за їх функцією

2.1. Рослини-екстрактори

Їх використовують, коли забруднювач досить доступний до коренів і переноситься в надземну частину.

Приклади:

гірчиця сарептська;

амарант;

соняшник;

окремі види ріпаку;

спеціалізовані гіперакумулятори;

деякі види верби.

2.2. Рослини-стабілізатори

Їхнє основне завдання - закрити поверхню і зупинити поширення забрудненого ґрунту.

Приклади:

вівсяниця;

райграс;

рябчик;

їжака збірна;

багаття;

міскантус;

осоки;

тростина;

верба;

берези;

сосна.

2.3. Рослини – відновники екосистеми

Вони повертають органічну речовину, ґрунтову біологію, запилювачів та природну сукцесію.

Приклади:

люцерна;

конюшина;

кипрей;

цикорій;

деревій;

місцеві злаки;

чагарники;

верба та берези.

3. Люцерна - біологічний двигун ґрунту.

Люцерна посівна – не найсильніший гіперакумулятор металів. Її унікальність полягає у поєднанні кількох функцій.

Основні характеристики люцерни

Чому люцерна корисна при забрудненні нафтою

Вона не поглинає нафту як готову речовину. Основна робота відбувається навколо її коріння.

Кореневі виділення:

живлять нафторозкладні бактерії;

підтримують мікробну спільноту;

покращують структуру ґрунту;

збільшують доступ кисню;

стимулюють розкладання деяких вуглеводнів.

Найкраще люцерна працює в суміші зі злаками:

вівсяницею;

райграс;

багаттям;

їжею збірної.

У злаків дуже густа мережа тонкого коріння, а люцерна забезпечує глибоке проникнення та азотфіксуючий компонент.

Люцерна та важкі метали

Вона може поглинати та утримувати:

кадмій;

цинк;

мідь;

нікель;

частина хрому;

частина свинцю.

Але її роль зазвичай полягає у поєднанні:

часткового вилучення;

утримання забруднювача в корінні;

створення стійкої ризосфери;

відновлення структури ґрунту.

При забрудненні свинцем люцерна скоріше стабілізатор, аніж сильний екстрактор.

Обмеження люцерни

Вона погано переносить:

тривале затоплення;

застій води;

сильну кислотність;

дуже високу засоленість;

важкий анаеробний ґрунт;

украй високе забруднення.

Біомасу люцерни із забрудненої ділянки не можна використовувати як корм, їжу, трав'яну сировину або звичайний компост.

4. Кіпрій - рослина першого відновлення

Кипр вузьколистий, або іван-чай, - типова піонерна рослина.

Його головна функція — швидко повертати рослинний покрив туди, де колишню екосистему було зруйновано.

Він з'являється на:

пожарищах;

вирубках;

будівельних насипах;

порушених лісових землях;

кар'єрах;

відвалах;

узбіччях;

переміщеному ґрунті.

Унікальні властивості кипрію

Роль у фіторемедіації

Кіпр не вважається універсальним гіперакумулятором. Його основні функції:

закриття забрудненої поверхні;

зменшення пилення;

закріплення верхнього шару;

підтримка мікроорганізмів;

накопичення органічного опаду;

запуск природної сукцесії.

Природна послідовність може мати такий вигляд:

гола земля → кипрей → різнотрав'я → чагарники → молодий ліс.

Для нафти та важких металів кипрей краще використовувати після того, як гостра токсичність вже зменшена та поверхня стабілізована.

Кіпрів із забрудненої ділянки не можна збирати для чаю, їжі, лікарських засобів чи косметики.

5. Амарант – висока біомаса за один сезон

Амарант поєднує:

швидке зростання;

велику надземну масу;

розвинену кореневу систему;

стійкість до спеки;

здатність поглинати деякі метали.

Він не обов'язково накопичує рекордну концентрацію металу у кожному кілограмі тканини. Його перевага – великий загальний урожай забрудненої біомаси.

Реальний винос забруднювача

Ефективність рослини визначається як концентрацією металу, а й обсягом зібраної маси:

концентрація металу в сухій біомасі × маса сухої біомаси = загальний винос металу.

Тому рослина з помірною концентрацією, але величезною масою іноді видаляє більше металу, ніж невеликий гіперакумулятор.

Потенціал амаранту

Користь амаранту

швидко закриває поверхню;

добре переносить спеку;

підходить для сезонних циклів;

легко вирощується;

може використовуватися на досвідчених фітоекстракційних ділянках;

дає велику кількість вимірюваної та збираної біомаси.

Обмеження

Амарант не любить:

тривале перезволоження;

сильну тінь;

вкрай кислий ґрунт;

дуже високу токсичність.

На забрудненій ділянці не можна використовувати його насіння, листя, олію, борошно або зелену масу в харчових та кормових цілях.

6. Гірчиця - швидкий сезонний екстрактор

Для фіторемедіації особливо цікава гірчиця сарептська або індійська.

Її унікальність полягає в короткому циклі, швидкому зростанні та порівняно хорошому перенесенні деяких металів з коренів у надземні частини.

Особливості гірчиці

Найбільш перспективні забруднювачі

кадмій;

цинк;

мідь;

нікель;

окремі форми хрому;

частково свинець.

Чому гірчиця цікава для свинцю

Гірчиця добре вивчена у дослідах з посиленої фітоекстракції. Однак свинець погано розчиняється і часто залишається корінням.

Для підвищення його доступності іноді застосовували хелатуючі речовини. Це дійсно може збільшити надходження Pb у пагони, але одночасно підвищує ризик вимивання розчиненого свинцю в ґрунтові води.

Тому на реальній ділянці синтетичні хелатори не можна застосовувати без інженерного контролю води, дренажу та хімічного складу ґрунту.

Практична роль гірчиці при Pb:

швидкий сезонний покрив;

дослідне часткове вилучення;

контроль доступності свинцю;

додаткова культура у комплексній системі;

не заміна інженерної стабілізації.

7. Соняшник - велика біопомпа та ризофільтр

Соняшник цінний завдяки поєднанню:

великої надземної маси;

розвиненої кореневої поверхні;

інтенсивного водоспоживання;

здатності сорбувати метали;

Можливості використання у водних системах.

Унікальні якості

Соняшник та метали

Він досліджується для:

кадмію;

цинк;

це так;

нікелю;

свинцю;

урану;

деяких радіонуклідів.

Особлива цінність для очищення води

Соняшник особливо цікавий у грунті, а й у контрольованих резервуарах.

Коріння може:

сорбувати розчинений метал;

утримувати частки;

зв'язувати забруднювач клітинними стінками;

частково поглинати його.

Після цього кореневу масу можна отримати цілком, що значно простіше, ніж видаляти все коріння з ґрунту.

Соняшник та свинець

У ґрунті Pb часто залишається переважно у кореневій системі. Тому соняшник не завжди є добрим польовим екстрактором свинцю.

Найбільш раціональні застосування:

ризофільтрація забрудненої води;

досвідчені ділянки;

створення великої біомаси;

оцінка доступності металу;

додаткова культура після стабілізації ділянки.

На забрудненій території не можна використовувати насіння, олію, макуху, квіти або стебла.

8. Порівняння ключових рослин

9. Свинець – особлива проблема

Свинець є одним із найбільш небезпечних та складних забруднювачів ґрунту.

Він:

не розкладається;

може зберігатися десятиліттями та століттями;

накопичується в організмі;

особливо небезпечний для дітей;

ушкоджує нервову систему;

впливає розвиток мозку;

порушує кровотворення;

ушкоджує нирки;

підвищує серцево-судинний ризик;

може впливати на репродуктивну систему.

Основні шляхи попадання свинцю до людини

Насправді небезпека часто створює не поглинання свинцю рослинами, а пряме потрапляння забрудненого ґрунту та пилу в організм.

10. Чому рослини погано витягують свинець

10.1. Низька розчинність

Свинець зв'язується з:

глиною;

органічною речовиною;

оксидами железа;

оксидами марганца;

карбонатами;

фосфати;

сульфідами.

Тому загальний вміст Pb може бути високим, а доступна рослинам частка порівняно невелика.

10.2. Затримка у корінні

Pb часто:

сорбується на поверхні коріння;

зв'язується клітинними стінками;

осаджується у ризосфері;

залишається всередині кореня;

погано переміщається в листя та стебла.

Це робить рослини добрими стабілізаторами, але слабкими екстракторами.

10.3. Небезпека штучної мобілізації

Якщо хімічно збільшити розчинність свинцю, він стане доступнішим рослинам, але одночасно:

зросте ризик вимивання;

можливе забруднення дренажу;

метал може піти глибше;

зросте ризик потрапляння в ґрунтові води.

Отже, максимальне поглинання рослиною який завжди означає збільшення безпеки.

11. Чотири стратегії роботи зі свинцем

Стратегія 1. Видалення гарячих точок

Застосовується, якщо на ділянці є:

акумуляторні відходи;

шматки шлаку;

металевий дріб;

залишки старої фарби;

локальні ділянки із дуже високою концентрацією;

забруднення біля дитячих та житлових зон.

Методи:

вибіркова виїмка;

видалення великих частинок;

просіювання;

заміна верхнього шару;

вивіз забрудненого матеріалу;

укриття чистим ґрунтом.

Для сильно забруднених житлових ділянок це надійніше, ніж багаторічна фітоекстракція.

Стратегія 2. Фітостабілізація

Головна мета:

закрити землю;

зупинити пилення;

зменшити ерозію;

утримувати Pb корінням;

знизити поверхневе перенесення;

обмежити прямий контакт людини із ґрунтом.

Відповідні рослини:

костриця очеретяна;

вівсяниця червона;

райграс;

рябчик;

їжака збірна;

багаття;

міскантус;

верба;

берези;

тополя;

осоки;

тростина;

килим.

Стратегія 3. Іммобілізація

Мета - перевести Pb в менш розчинні та менш доступні форми.

Можливі матеріали:

фосфатні мінерали;

гідроксіапатит;

вапняні матеріали;

біовугілля;

залізовмісні сорбенти;

цеоліти;

бентоніт;

деякі глинисті матеріали.

Після цього ділянку закривають рослинністю.

Важливо: дозування визначається лабораторними випробуваннями. Наприклад, надлишок фосфатів може створювати нові екологічні проблеми та впливати на рухливість інших забруднювачів.

Стратегія 4. Фітоекстракція

Застосовується там, де:

забруднення помірне;

частина Pb доступна корінням;

можна безпечно прибирати біомасу;

є можливість працювати багато сезонів;

контролюються вода та ґрунт.

Можливі культури:

гірчиця;

соняшник;

амарант;

ріпак;

верба;

шовковиця;

окремі види маревих;

кукурудза як нехарчовий технічний посів.

Але для свинцю фітоекстракція зазвичай повільна і не має бути єдиним способом захисту.

12. Що важливіше при свинці: вилучення чи стабілізація

Головне завдання при Pb - не витягти максимум металу за будь-яку ціну, а спочатку припинити його надходження до людини.

13. Оптимальна багаторівнева система відновлення

Етап 1. Діагностика

Необхідно визначити:

загальний вміст забруднювачів;

рухому фракцію;

глибину забруднення;

рН;

органічна речовина;

механічний склад;

рівень ґрунтових вод;

дренаж;

наявність гарячих точок;

вміст забруднювачів у воді.

Майданчик поділяють на зони:

чисті;

помірно забруднені;

сильно забруднені;

вологі;

пилу;

ерозійно небезпечні;

дільниці з локальними відходами.

Етап 2. Видалення концентрованих джерел

Видаляються:

шматки шлаку;

метал;

акумуляторні залишки;

забруднені будівельні матеріали;

локальні ділянки із екстремальною концентрацією.

Етап 3. Стабілізація ґрунту

При необхідності застосовують:

вапнування;

фосфатні матеріали;

біовугілля;

мінеральні сорбенти;

чистий покривний шар;

протиерозійні мати.

Етап 4. Швидке закриття поверхні

Перша суміш:

райграс;

костриця очеретяна;

вівсяниця червона;

рябчик;

їжака збірна.

Ціль:

зупинити пил;

закріпити ґрунт;

зменшити поверхневий стік;

створити кореневу мережу.

Етап 5. Біологічне відновлення

Після стабілізації вводяться:

люцерна;

конюшина;

цикорій;

деревій;

місцеве різнотрав'я;

кипрей на відповідних ділянках.

Етап 6. Багаторічний каркас

Висаджуються:

міскантус;

верба;

тополя;

берези;

місцеві чагарники;

осоки та очерет у вологих місцях.

Етап 7. Досвідчена фітоекстракція

На окремих контрольованих ділянках:

гірчиця;

амарант;

соняшник;

ріпак;

верба короткої ротації.

Після кожного циклу аналізують:

коріння;

стебла;

листя;

насіння;

суху масу;

загальний винос забруднювача;

залишковий ґрунт;

рухому фракцію;

дренажної води.

Етап 8. Формування сталої екосистеми

Після зменшення ризиків:

зберігають частину місцевого різнотрав'я;

висаджують чагарники;

створюють лісосмуги;

формують вологі біофільтраційні зони;

поступово переводять територію від технічної рекультивації до сталої екосистеми.

14. Приклад функціонального поділу рослин

15. Рослини для різних забруднень

Кадмій і цинк

Перспективні:

амарант;

гірчиця;

окремі види ріпаку;

соняшник;

верба;

спеціалізовані гіперакумулятори.

Нікель

Перспективні:

спеціалізовані види Одонтаррена;

окремі види гірчиці;

амарант;

металостійких трав.

Мідь

Використовуються:

гірчиця;

амарант;

соняшник;

верба;

вівсяниця;

Міскантус.

Миш'як

Спеціалізованою рослиною є орлякова папороть Птерис Віттата. Однак хімічна форма миш'яку та умови ґрунту мають вирішальне значення.

Нафта та дизель

Основна роль належить ризосферним мікроорганізмам.

Відповідні рослини:

люцерна;

райграс;

вівсяниця;

конюшина;

міскантус;

верба;

тополя.

ПАУ та пестициди

Можливі:

ризодеградація;

фітодеградація;

спільна робота рослин та бактерій.

Підходять:

злаки;

люцерна;

верба;

тополя;

водно-болотні рослини.

Забруднені води

Використовуються:

соняшник у контрольованих системах;

ряска;

багатокоренник;

килимок;

тростина;

очерет;

осоки;

Іва.

Радіонукліди

Можливість використання рослин залежить від:

конкретного ізотопу;

хімічної форми;

складу ґрунту;

вмісту калію та кальцію;

рівня радіаційної небезпеки

Робота з радіонуклідами потребує спеціального радіологічного проекту.

16. Очищення забруднених стоків

Приклад послідовної біофільтраційної системи:

відстійник для великих частинок;

мінеральний чи сорбційний бар'єр;

зона рогоза;

зона тростини;

зона осок и ситников;

вербова смуга;

полірувальне водоймище;

контрольний пункт відбору води.

Для свинцю та інших металів рослини не повинні замінювати технічні фільтри. Вони працюють як додатковий ступінь, стабілізуючи опади та перехоплюючи залишкові забруднювачі.

17. Утилізація забрудненої біомаси

Біомасу з ремедіаційної ділянки не можна:

вживати у їжу;

використовувати як корм;

переробляти в олію чи борошно;

робити з неї чай;

використовувати у косметиці;

компостувати із звичайними відходами;

залишати як мульчу;

спалювати на багатті;

спалювати у домашній печі;

використовувати золу у саду;

робити домашній біовугілля.

При спалюванні важкі метали не зникають. Вони концентруються в золі та можуть переноситися з димовим пилом.

Можливі шляхи звернення:

контрольоване спалювання з очищенням димових газів;

спеціальне поховання;

стабілізація золи;

вилучення металів з рослинного матеріалу;

передача ліцензованої організації.

18. Основні помилки

Помилка 1. Вважати, що будь-яка рослина очищає ґрунт

Присутність рослини на забрудненій території ще означає, що вона ефективно видаляє забруднювач.

Помилка 2. Дивитись лише на концентрацію у листі

Потрібно враховувати всю суху масу та загальний винос із ділянки.

Помилка 3. Залишати забруднену біомасу на місці

Тоді метал повертається у ґрунт після розкладання.

Помилка 4. Застосовувати хелатори без контролю

Можна посилити вимивання металу та забруднити воду.

Помилка 5. Вирощувати харчові рослини на ремедіаційній ділянці

Навіть якщо метал слабо надходить у плід, залишається небезпека забрудненого пилу та ґрунту.

Помилка 6. Використовувати одну рослину

Стійше працює система, в якій різні види виконують різні функції.

Помилка 7. Вважати стабілізацію повним очищенням

Фітостабілізація знижує ризик, але забруднювач залишається у ґрунті.

19. Універсальна система DREVO

Для великої порушеної території можна використовувати багатоступінчасту модель.

Перший рівень – безпека

аналіз;

зонування;

видалення гарячих точок;

обмеження доступу;

запобігання пиленню;

захист водних шляхів

Другий рівень – стабілізація

мінеральні та органомінеральні сорбенти;

щільні багаторічні трави;

протиерозійне покриття;

буферні смуги.

Третій рівень – біологічне пожвавлення

люцерна;

конюшина;

цикорій;

місцеві трави;

корисні бактерії;

мікоризна гриби.

Четвертий рівень - контрольоване вилучення

гірчиця;

амарант;

соняшник;

верба;

інші перевірені культури.

П'ятий рівень - формування екосистеми

кипрей;

місцеве різнотрав'я;

чагарники;

верба;

берези;

тополя;

лісосмуги;

вологі фільтраційні зони

20. Головний висновок

Немає єдиної універсальної рослини, яка очищає всі види забруднень.

Кожен вид виконує своє завдання:

люцерна відновлює ґрунтову біологію, фіксує азот та створює глибоку ризосферу;

кипрей першим повертає рослинний покрив та запускає природну сукцесію;

амарант дає велику біомасу і може отримувати кадмій та цинк;

гірчиця швидко росте та підходить для повторних сезонних циклів фітоекстракції;

соняшник формує потужну біомасу та особливо цікавий для ризофільтрації води;

злаки створюють щільну дернину та припиняють пилення;

міскантус забезпечує довготривалий нехарчовий покрив;

верба та тополя керують водою та формують багаторічний кореневий каркас;

осоки, рогоз і очерет працюють у вологих фільтраційних системах.

Для свинцю найрозумніша стратегія:

видалити концентровані джерела → зв'язати метал, що залишився → закрити грунт щільною рослинністю → обмежити контакт людини → поступово отримувати доступну частину → постійно контролювати грунт, воду та біомасу.

Мета фіторемедіації – не просто виростити рослини на забрудненій землі. Мета - створити керовану систему, яка послідовно зменшує токсичність, припиняє поширення забруднення та повертає території стійку екологічну функцію.

Андосоль - вже сформований вулканічний грунт, а реголіт - вихідний пухкий мінеральний матеріал, з якого грунт ще повинен бути створений.