МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
«РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК»
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2007


УДК 631.421.1:631.8


Накопление тяжёлых металлов растениями и мероприятия
по рациональному использованию загрязнённых
тяжёлыми металлами почв

Н.Н. Бушуев
Российский университет дружбы народов,  г. Москва, Россия

It is danger plant contamination by heavy metal. Conformity to natural laws of  heavy metal accumulation in the crops are examined. Heavy metal contaminated soil detoxication measures are counted. It is necessary  to use measure of contaminated heavy metal soils recultivation in complex.

В настоящее время загрязнение окружающей среды, в том числе и тяжёлыми металлами, возрастает с каждым годом и поэтому решение многих экологических вопросов становится не только актуально, но и необходимо для сохранения жизни на Земле. Поступление тяжёлых металлов (ТМ) в окружающую среду оказывает негативное воздействие на почвы и растения и представляет угрозу для здоровья человека. Из химических элементов приоритетными загрязнителями являются Cd, Pb, As, Zn, так как их накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Многие ТМ обладают большим сродством к физиологически важным органическим соединениям (например, к ферментам) и способны их инактивировать. Избыточное поступление ТМ в живые организмы нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие. В сельском хозяйстве это отражается на качестве продукции и в снижении её выхода. В овощных и кормовых культурах накопление ТМ нередко достигает опасного для людей и животных уровня без заметных внешних проявлений. Поступившие в организм человека ТМ выводятся очень медленно, и даже небольшие их поступления с пищей могут вызвать кумулятивный эффект.
Почва играет важную барьерную роль на пути проникновения ТМ в организмы растений, животных и человека. Однако ТМ аккумулируются в почве, затрудняя получение экологически безопасной продукции.
Роль растений важна как в геохимическом круговороте элементов, так и в поступлении загрязнителей в пищевые цепи, так как имеются данные [16-18], свидетельствующие, что накопление ТМ в организме человека осуществляется в основном за счет пищи и меньше – за счет воды и воздуха.
Наибольшую опасность загрязнения представляют те тяжелые металлы, которые при нормальных условиях необходимы растениям как микроэлементы. К ним в первую очередь относятся Zn, Cu, Mn, Co и другие. По сведениям ряда авторов [1, 2], вследствие загрязнения ТМ происходит замедление роста и снижение продуктивности многих сельскохозяйственных культур. Следует отметить, что для растений опасны не все тяжелые металлы, которые опасны для человека и животных, часто накопление ТМ происходит в растении без ущерба для его роста и развития. Например, Sr для растений малотоксичен и может накапливаться в них в больших количествах, но в то же время у человека и животных стронций вызывает искривление и ломкость костей [1].
Поглощение ТМ растениями может происходить как через корни (пассивное и активное-метаболическое), так и через наземные части растений [5]. Пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из внешнего раствора в эндодерму корней, а при активном необходимы затраты энергии метаболических процессов и оно направлено против химических градиентов. Покровная ткань корней обладает значительной адсорбирующей способностью [3], и поступление ионов металлов из почвы в надземную часть может тормозиться за счет этого барьера. Основная часть ТМ находится в эпидермисе и эндодерме корней, а поступающий в ксилему надземных органов поток элементов значительно очищается от загрязнителей. Высокое содержание ТМ в почве слабо отражается на их концентрации в плодах и семенах. ТМ распределяются по органам растений в следующем порядке: корни>стебли>листья>плоды (семена). Корневая система растений может активно переводить микроэлементы, связанные с различными компонентами почвы, в подвижное состояние [4].
Фолиарное (через листья) поглощение ТМ иногда оказывает значительное воздействие на загрязнение растений. Это имеет практическое значение при загрязнении атмосферы выбросами ТМ и при некорневой подкормке микроэлементами.
Тяжелые металлы, накапливаясь в растениях, могут вызывать отрицательные эффекты, но нередко накопление ТМ в растениях происходит без проявления явно видимых повреждений. Обычно симптомы фитотоксичности относительно неспецифичны, в основном это хлороз и некроз листьев, замедление роста и развития растений, уродливость и недоразвитость корневой системы. ТМ различаются по фитотоксичности. Например, Sr, Mo, Pb имеют не высокую фитотоксичность, а токсичность Cd и Hg высока. Очень высокой фитотоксичностью отличается таллий: концентрация более 0,04 мг/кг почвы уже токсична для растений. По фитотоксичности ТМ можно расположить в убывающий ряд: Cd>Ni>Cu>Zn>Cr = Pb [1].
Растения различаются по чувствительности к ТМ: существуют культуры, чувствительные к избытку металла (их можно использовать в виде теста), имеются также растения-концентраторы, могущие накапливать большие количества ТМ без внешних признаков. Так, к избытку меди наиболее чувствительны кукуруза, клевер, люцерна, фасоль, шпинат, цитрусовые, гладиолусы: избытку цинка – злаковые (кукуруза, овёс), шпинат; к избытку молибдена – крестоцветные (цветная капуста), пасленовые (томат), бобовые; к избытку марганца – сахарная свекла, капуста, картофель, томаты и т.д. Виды высших растений, обнаруживающих устойчивость к ТМ, обычно принадлежат к следующим семействам: Гвоздичные; Крестоцветные; Осоковые; Злаковые; Бобовые и Маревые. Растения –концентраторы, принадлежащие к семейству Гвоздичные, способны накапливать Cu и Zn. Способностью к накоплению Мо обладают растения семейств Бобовые, Зверобойные, Норичниковые и Сложноцветные. Нередко концентрация металлов в растениях достигает очень высоких величин. Водяной орех (семейство Рогульниковые) накапливает Mn до 108000 мг/кг сухого вещества, накопление Zn в растениях семейства Крестоцветные доходит до 13630 мг/кг, аккумуляция Сu у Гвоздичных и Губоцветных превышае                 1500 мг/кг и т.д. [5]. Салат и шпинат могут содержать 100 мг/кг Cd при отсутствии видимых проявлений отравления. Загрязненные растения могут накапливать до 400 мг/кг кадмия и более [1].
При прочих равных условиях поступление Cd и других ТМ в растения может зависеть от вида растений, а у одного и того же вида – от сорта. Например, американские исследователи [11] выявили гибриды кукурузы, очень слабо поглощающие кадмий. Концентрация кадмия в зерне сильно поглощающих гибридов была в 13-18 раз больше, чем в слабо поглощающих при одинаковом загрязнении почв. Значительные различия в содержании кадмия были отмечены также в стеблях и листьях этих гибридов.
В растениях имеются механизмы защиты от избытка ТМ [4, 5], поступающих из почвы, причем развитие толерантности к металлам происходит довольно быстро и имеет генетическую основу.
Основными факторами, влияющими на поступление и накопление в растениях ТМ, являются: элемент и его концентрация в почвенном растворе, рН почвы, вид растения.


Мероприятия по рациональному использованию загрязнённых тяжелыми металлами почв.

В настоящее время загрязнение почв тяжелыми металлами приобретает всё большие размеры и получение экологически безопасной  продукции на загрязненных территориях становится всё более актуальным. Для достижения этой цели и обезвреживания ТМ имеется много способов, которые можно объединить в следующие группы: механические, химические и агротехнические [7].
К механическим способам обезвреживания ТМ относятся:
1. Удаление верхнего, наиболее загрязнённого слоя почвы [7, 12] и его захоронение. Японские исследователи [12] рекомендуют проводить это мероприятие при загрязнении почвы кадмием более 20 мг/кг.
2. Перемешивание верхнего загрязнённого слоя с незагрязнённым грунтом [12].
3. Нанесение на загрязненную почву слоя чистой плодородной земли мощностью до 10 см [7] или грунта [12]. Приём может быть эффективен в зоне промывного водного режима. В почвах с непромывным водным режимом положительный эффект наблюдался лишь первые 4-5 лет, а затем часто следует вторичное загрязнение почв в результате вторичного засоления солями загрязняющих элементов. Положение исправляли созданием двухслойного покрова: насыпали слой карбонатного суглинка мощностью 10-15 см для создания экрана и защиты вышележащего насыпного гумусированного слоя [7].
Химические способы инактивации ТМ основаны на переводе этих элементов в малоподвижные соединения. Чаще всего в качестве мелиоранта используется известь.
Известкование кислых почв дает положительный эффект для инактивации ТМ [1, 3, 4, 5], так как вследствие возрастания рН ТМ выпадают из почвенного раствора в осадок в виде гидроксидов, карбонатов, фосфатов, уменьшается подвижность Hg, Cd, Zn, Cu, Ni и т.д. Кроме того, Ca2+ является антагонистом многих ТМ и поэтому он снижает их поступление в растения. Однако металлы, присутствующие в почве в форме высокомолекулярных органических хелатов, могут оставаться достаточно растворимыми даже после сильного известкования [5]. Также имеются данные [1] об увеличении накопления Cr в растениях гороха при известковании. При загрязнении почв выбросами металлургических предприятий применение даже очень высоких доз извести (130 т/га) снизило содержание Cd, Zn и Cu в кормовых травах по сравнению с контролем, но оно осталось выше ПДК [5]. Проведение известкования рекомендуется, если содержание кадмия в почве меньше 20 мг/кг [12].
В качестве мелиорантов также используются растворимые соли ортофосфорной кислоты, сера, силикаты и гидросиликаты, меркапто-8-триазин, ионообменные смолы и цеолиты [1, 5, 7]. Фосфаты многих ТМ малорастворимы и на этом основано применение фосфорных удобрений для инактивации ТМ. Добавление серы в почву вело к связыванию ртути. Эффективно внесение в почву ионообменных смол в виде гранулята или порошка, содержащих карбоксильную и гидроксильную группы в H+, Ca2+, Mg2+, K+ формах [7].
Некоторыми авторами [6] отмечается эффективность природных и искусственных цеолитов в качестве детоксикантов ТМ. Цеолиты как емкие катионообменники способны обменно поглотить наиболее мобильную часть загрязнителей, предотвращая их поток в растения. Однако поступление в растения анионной формы металлов не снижается.
На загрязнённых тяжелыми металлами территориях необходимо также проведение агротехнических мероприятий:
1. Применение органических и минеральных удобрений. Использование органических удобрений обогащает почву органическим веществом. Органическое вещество является хорошим адсорбентом анионов и катионов, повышает буферность почвы, снижает концентрацию солей в почвенном растворе. Всё это препятствует поступлению ТМ в растения [1]. Внесение минеральных удобрений ведет к созданию оптимального состояния растений и снижению токсического действия ТМ на них [7].
2. Подбор наиболее устойчивых к загрязнению тяжелыми металлами сельскохозяйственных культур. Например, картофель и зерновые более устойчивы к загрязнению, чем овощные культуры [1, 5, 7].
3. Выявление сортов сельскохозяйственных культур, устойчивых к загрязнению ТМ и не накапливающих эти элементы в товарной продукции. Также целесообразно проведение селекции новых сортов по этим признакам.
4. Возделывание тех продовольственных культур, у которых в пищу используются плоды, так как в репродуктивных органах растений ТМ накапливаются меньше, чем в вегетативных.
5) Если по каким-либо причинам проведение мероприятий по инактивации ТМ нецелесообразно, то на таких землях рекомендуется возделывать технические культуры: лен, коноплю, клещевину, картофель для переработки на крахмал или спирт, сахарную свеклу и т.д. Можно также использовать эти земли для семенных посевов овощных культур[1].
Существуют также способы, направленные на удаление ТМ из верхнего корнеобитаемого слоя почвы. К ним относятся промывание загрязнённой почвы различными экстрагентами, электромелиорация и фитомелиорация.
Для промывки загрязнённых ТМ почв используются слабые растворы серной кислоты, хлоридов алюминия и железа [10] и ЭДТА [12, 14, 17]. ТМ были более подвижны при вымывании раствором солей алюминия и железа, чем при использовании раствора серной кислоты. При промывке почв вышеуказанными реагентами наблюдалась миграция ТМ с промывными водами и подкисление почв [10]. Высокая степень извлечения ТМ из почвы (до 90% и более) отмечена при промывке ЭДТА [14, 17], но при использовании этого экстрагента следует учитывать содержание карбонатов, т.к. на растворение кальцита может расходоваться до 90% внесенной ЭДТА. Увеличение концентрации ЭДТА повышает эффективность удаления ТМ [17]. Однако при использовании этого способа существует опасность загрязнения грунтовых вод.
В последнее время был разработан новый способ очистки почв от ТМ–электромелиорация. Он основан на осаждении соединений ТМ, находящихся в проводящем растворе на катоде или аноде (в зависимости от знака заряда иона). Экспериментальные результаты показали, что Zn, Cu, Cr, Cd, Pb могут быть удалены из искусственно загрязнённого песка с эффективностью более 90 %. Эффективность очистки зависит от длительности обработки. За 7 дней мелиорации для меди и хрома была достигнута эффективность удаления 90% [13]. Кроме того, на эффективность очистки влияет реакция среды и локальные условия (расстояние от анионообменной мембраны и количество металла, высвобождаемое различными фракциями почвы). Однако электромелиорация является весьма дорогостоящим способом и предпочтение отдается фитомелиорации [17].
Фитомелиорация основана на использовании выноса химических элементов растениями. Для этой цели используются растения, способные накапливать ТМ в больших количествах (гипераккумулянты). В качестве таких растений зарубежными исследователями [9, 15] рекомендуются Thlaspi caerulescens, Cardaminopsis halleri, Alyssum tenium,         A. lesbiacum, A. murale. Для вышеупомянутых растений вынос цинка с 1 га составил соответственно: 24-43 кг, 7,8; 4,7; 4,0; 3,6 кг, тогда как для рапса масличного эта величина составляет 0,5 кг, а у редиса 0,2 кг [15]. Thlaspi caerulescens также способен накапливать большое количество кадмия [9]. Индийский исследователь Синха Сарита [18] рекомендует использовать Bacopa monnieri, способное накапливать кадмий, медь, хром, марганец и свинец, для мелиорирования промышленно загрязнённых переувлажнённых земель. По данным болгарских исследователей [8], конопля (Cannabis sativa L.) выносит намного больше Pb, Cd, Cu и Zn по сравнению с другими культурами. Включение в севооборот конопли обеспечивало значительное снижение загрязнения почвы тяжёлыми металлами.
На практике вышеперечисленные способы обезвреживания ТМ применяются, как правило, в комплексе. Так, после промывки загрязнённых почв целесообразно производить внесение мелиорантов (например, извести), снижающих подвижность ТМ. Также при использовании механических и химических способов инактивации ТМ рекомендуется проведение агротехнических мероприятий. При проведении мероприятий по очистке загрязнённых тяжёлыми металлами почв необходимо, прежде всего, выбрать наименее затратные в данной конкретной ситуации способы обезвреживания загрязнителей, сопоставить расходы на проведение мелиоративных мероприятий с возможными доходами от сельскохозяйственного использования земельного участка, выбрать культуры, выращивание которых даст наилучший результат, рассчитать рентабельность производства и срок окупаемости мероприятий по санации почв. Следует иметь в виду, что механические и химические способы обезвреживания ТМ намного дороже, чем агротехнические. Если проведение мероприятий по очистке загрязнённых тяжёлыми металлами почв экономически нецелесообразно, то нужно использовать данную территорию для промышленных целей.

Библиографический список

  1.    Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. – Л.: Агропромиздат, 1987.     142 с.
  2.    Бондарева Л.Г. Ландшафты, металлы и человек. – М.: Мысль, 1976. 75 с.
  3.    Зырин Н.Г. Задачи и перспективы развития учения о микроэлементах в почвоведении. /Биологическая роль микроэлементов в  почвах. – М.: Наука, 1983. С. 149-154.
  4.    Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. – Новосибирск: Наука, 1991. 150 с.
  5.    Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. – М.: Мир, 1989. 439 с.
  6.    Минеев В.Г., Дебрецени Б., Мазур Т. Биологическое земледелие и минеральные удобрения.  /Под ред. В.Г. Минеева. – М.: Колос, 1993. 174 с.
  7.    Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв./Под ред. Д.С. Орлова и В.Д. Васильевской. – М.: МГУ, 1994. С. 105-125.
  8.    Янчев Иван, Жалнов Иванов, Терзиев Живко. Възможности на конопа (Cannabis sativa L.) за ограничаване на почвеното замърсяване с тежки метали. //Растениевъд. науки, 2000. Т. 37. № 7. С. 532-537.
  9.    Brown S.L., Chaney R.L., Angle J.S., Baker A.J.M. Phitoremediation potential of Thlaspi caerulescens and bladder campion for zinc- and cadmium-contaminated soil. //J. Environ. Qual.–1994. v.23. № 6. p. 1151-1157.
  10.  Fuller W.H. et al. Contribution of the Soil to the Migration of Certain and Trace Elements.

      /Soil Sci.. 1976. v. 122, № 3. p. 223-236.

    •  Hinesly T.D., Alexander D.E., Redborg K.E., Liegler E.L. Differential accumulations of Cd and Zn by Corn Hybrids Grown on Soil Amended with Sewage Sludge. /Agronomy Journal, 1982. v. 74, p. 469-474.
    •  Kitagishi K., Yamane I., Eds. Heavy Metal Pollution in Soil of Japan, Japan Science Society Press, Tokyo, 1981. 302 p.
    •  Li Zhongming, Yu Ji-Wei, Neretnieks Ivars. Removal of Cu(II) and Cr(III) from naturally            contaminated loam by electromigration.// J. Environ. Sci. and Health, 1997. v. 32. № 5.      p. 1293-1308.
    •  Lo Irene M.C., Yang X.Y. EDTA extraction of heavy metals from different soil fractions and synthetic soils.// Water, Air and Soil Pollut.–1999. v. 109. № 1-4. p. 219-236.
    •  McGrath S.P., Sidoli C.M., Baker A.J.M., Reeves R.D. Using plants to clean up heavy metal in soils.// 15 th World Congr. Soil Sci., Acapulco, July, 1994: Trans. Vol. 4a Commiss. 3 Symp.–Mexico, 1994. p. 362-363.
    •  New perspective in the research of hardly known  trace  elements, Proc. of the 5 Inter. symp., Budapest, Hungary, Aug. 1992, Ed.: I.Pais; Univ. of horticulture and food industry. Budapest, 1992. v. 1. 230 p.
    •  Papassiori N., Tambouris S., Kontopoulos A. Removal of heavy metals from calcareous contaminated soils by EDTA leaching.// Water, Air and Soil Pollut.–1999. v. 109. № 1-4,     p. 1-15.
    •  Sinha Sarita. Accumulation of Cu, Cd, Cr, Mn and Pb from artificially contaminated soil by Bacora monnieri.// Environ. Monit. And Assess.–1999. v. 57. № 3. p. 253-264.