Способ очистки почв урбанизированных территорий от загрязнений цинком и медью - RU2583696C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для очистки от загрязнений цинком и медью урбанизированных черноземных и серых лесных почв, а также для повышения плодородия сельскохозяйственных почв, обедненных микроэлементами.

В настоящее время известно, что очистка почв от загрязнений тяжелыми металлами с помощью растений является сравнительно новым методом (пятнадцать лет) экологическим, прогрессивным и экономически выгодным. Он позволяет уменьшить миграцию тяжелых металлов из почвы в грунтовые воды и препятствовать их попаданию в организм человека [1].

Известны способы очистки почв от тяжелых металлов (Pb, Cd, Zn, Cu, Hg и др.) с помощью выращивания на загрязненных почвах растений горчицы, ячменя, топинамбура, льна, райграса, рапса, гороха и др. [2, 3, 4]. Методы основаны на сезонном выращивании растений-ремедиаторов на загрязненных почвах и переносе тяжелых металлов из пахотного слоя почвы в побеги растений. Процесс утилизации растительной фитомассы, полученной в ходе ремедиации, остается малоизученным. Некоторые источники предлагают применять фитомассу в качестве корма для скота [5].

Известен способ очистки черноземных почв от тяжелых металлов [6], включающий использование побуждающего вещества, в качестве последнего используют органоминеральный компост, который готовят путем смешивания фосфогипса, суперфосфата простого и перегноя КРС, при следующем их соотношении в зависимости от уровня концентрации щелочных металлов, мас. %: фосфогипс - 10,0-15,0; суперфосфат простой - 0,8-1,0; перегной КРС 84-89. Вносят в почву однократно на 4-5 лет в дозе 100-110 т/га с содержанием в нем органического вещества до 20% и с рН 6,0-6,5, способной снизить щелочность черноземной почвы до 7,2-7,8 с последующей заделкой его культиватором на глубину до 20-25 см.

Недостаток данного способа состоит в том что, он лишь на время (4-5 лет) переводит подвижные формы тяжелых металлов в почве в труднодоступные для растений, а не удаляет их. Происходит снижение активности всех микроэлементов, что негативно сказывается на плодородии почвы. Щелочная реакция среды не способствует росту и развитию растений.

Аналоговым является способ очистки почв от тяжелых металлов [7], включающий выращивание растений фитомелиорантов на загрязненных почвах с последующим их удалением, где в качестве растения-фитомелиоранта используют сафлор. Семена сафлора высевают в загрязненную почву из расчета 20-22 кг/га, доводят взрослые растения до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, после чего фитомелиорант полностью удаляют из почвы.

Недостатком указанного способа является его незаконченность в плане последующего использования загрязненных тяжелыми металлами растений, не учтено и то, что культура сафлор плохо переносит повышенную влажность, не указаны типы почв, которые возможно очистить, применяя данный метод. Сафлор обладает крайне низкой декоративностью и применение его в целях детоксикации городских почв не целесообразно.

Известен также способ очистки почвы от тяжелых металлов [8]. Данный способ включает выращивание культурных растений-аккумуляторов на рекультивированных почвах с соблюдением агротехники к возделываемой культуре и с использованием побуждающего вещества - закислителя почвы, сбор частей растений-аккумуляторов, в которых накоплен тяжелый металл. Дополнительно выращивают растения, выделяющие подкисляющие вещества в почву, а через электроды, размещенные в прикорневой зоне растений-аккумуляторов или подсоединенные к самим растениям-аккумуляторам, подают положительный и/или отрицательный потенциал от 1 до 1000 В. Способ позволяет рекультивировать почву быстрее в 5-15 раз, при этом повышается плодородие и кадастровая ценность земель. Недостатком этого способа является высокая стоимость, так как используются не только растения, но и дополнительные устройства (электроды), что требует лишних затрат и увеличивает трудоемкость процесса.

Аналогом также является фиторемедиационный способ очистки почв от тяжелых металлов [9], который выбран нами в качестве прототипа. Сущность изобретения заключается в том, что в фиторемедиационном способе очистки почв от тяжелых металлов почву засевают семенами растений из семейств сложноцветных, бобовых и злаковых в соотношении 1:1:1 в количестве 1,50-22,90 млн.шт./га с последующим многократным скашиванием их на стадии вегетационного периода, высушиванием и удалением с поверхности почв. Предлагаемый фиторемедиационный способ очистки почв от тяжелых металлов основан на различной аккумуляционной способности надземных частей растений к этим металлам. Высевают семяна растений из семейства сложноцветных: тысячелистника обыкновенного Achilleamillefolium L, одуванчика лекарственного TaraxacumofficinaleWigg., полыни горькой Artemisiaabsihthium L. и бодяка полевого Cirsiumarvense (L.) Scop., из семейства бобовых: клевера лугового Trifoliumpratense L. и семейства злаковых: мятлика лугового Poapratensis L.».

Недостаток этого способа состоит в том, что используются растения, имеющие не самый высокий биоаккумуляционный индекс, тем самым заведомо увеличивается время очистки загрязненной почвы. К тому же, авторами не проработаны пути утилизации растительной биомассы, накопившей токсичные концентрации тяжелых металлов.

Технической задачей изобретения является снижение содержания токсичных концентраций тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почв и переносе микроэлементов из почв с повышенным содержанием в почвы, испытывающие их нехватку, и тем самым улучшая экологическое состояние почв урбоэкотопов и агроценозов.

Технический результат достигается тем, что в известном способе очистки почв урбанизированных территорий от загрязнений тяжелыми металлами путем выращивания на загрязненных почвах растений-ремедиаторов с последующим их удалением, согласно изобретению, почву предварительно подкисляют внесением в нее компоста жомодефеката при дозе внесения 10-20 т/га, в качестве фиторемедиаторов применяют растения бархатцев и амаранта, в фазу зацветания надземную фитомассу растений амаранта удаляют и переносят на сельскохозяйственные угодья, испытывающие нехватку эссенциальных микроэлементов цинка и меди. При этом бархатцы высаживают по периметру клумбы, а амарант высаживают в центре клумбы.

Осенью в загрязненные почвы заделывается компост жомодефеката с учетом дозы внесения 10-20 т/га. Заделка осуществляется с целью достижения оптимальной реакции среды (5,5<рН>7), которая приводит к мобилизации меди и цинка в почвах и увеличивает их доступность для растений-ремедиаторов. Это отображено на графиках Фиг. 1 и Фиг. 2, где на Фиг. 1 показано распределение гидроксокомплексов Zn(II) в зависимости от кислотности среды: 1 - Zn²⁺; 2 - ZnOH⁺; 3 - Zn(OH)₂; 4 - [Zn(OH)₃]^-, а на Фиг. 2 - распределение гидроксокомплексов Cu(II) в зависимости от кислотности среды: 1 - Cu²⁺; 2 - CuOH⁺; 3 - Cu(ОН)₂; 4 - [Cu(ОН)₃]^-.

Растения амаранта Amaranthuscandatus (L.) достигают 2-3 м высоты, с толщиной стебля 8-10 см, масса растения до 30 кг. Однолетнее (как правило), однодомное растение семейства амарантовых. На почвах с валовым содержанием цинка от 200 до 1000 мг/кг, для амаранта характерны коэффициенты биологического поглощения (КБП) и транслокационные коэффициенты (ТК) больше единицы (КБП=1,18-1,40, ТК=1,02-2,27). Максимальные абсолютные показатели содержания цинка на таких почвах, как в надземных органах, так и в корнях, отмеченные у растений амаранта - 820,7 и 1118,5 мг/кг воздушно-сухой массы соответственно [6]. Максимальное накопление меди отмечалось при дозе загрязнения почвы 5 ПДК (таблица 1). Транслокационный коэффициент меди у растений близок к единице. Амарант, как культура С4 типа имеет фотосинтетические особенности, которые позволяют ему в течение короткого времени при наличии необходимого питания набирать большую фитомассу, до 2000 ц/га. При такой урожайности и аккумуляционной способности по отношению к цинку и меди амарант обладает колоссальным выносом тяжелых металлов из почвы.

Бархатцы - декоративный вид многолетних и однолетних растений семейства астровых. Бархатцы прямостоячие Tageteserecta(L.) - стебли - прямостоячие, разветвленные, образуют компактный или раскидистый куст высотой от 20 до 120 см.

Результаты проведенных экспериментов показали, что бархатцы способны накапливать в побегах до 679 мг/кг цинка и 88 мг/кг меди (таблица 1). Отмечен рост биологического выноса при увеличении концентраций токсикантов в почве.

Важным моментом изобретения является своевременный укос побегов амаранта, скашивать растения нужно до цветения и обсеменения, чтобы избежать попадания семян на сельскохозяйственные угодья. Удаление надземной биомассы бархатцев производят в конце вегетационного периода. Технология высадки растений-ремедиаторов представлена схематически на Фиг. 3, где 1 - площадь посадки амаранта; 2 - защитная полоса; 3 - ряды посадки бархатцев (указаны линиями по периметру).

Данная схема посадки бархатцев по периметру клумбы, а амаранта в центре придает очищаемому объекту эстетический вид и способствует увеличению выноса тяжелых металлов побегами амаранта, за счет его высокой вегетационной способности и многократного воспроизведения фитомассы в течение полевого сезона.

Способ осуществляют следующим образом.

Опыты проводились на территории Курского района. Весной высаживали растения амаранта и бархатцев согласно разработанной схеме посадки (Рис. 3). Растения амаранта во время зацветания, примерно один раз в месяц, скашивались и удалялись с клумбы. Площадь посадки амаранта и ряды посадки бархатцев отделяли защитной полосой шириной 40 см. С целью предупреждения разрастания амаранта за пределы площади для его выращивания защитную полосу пропалывали один раз в две недели. Бархатцы скашивали в конце вегетационного сезона. Полученная в течение всего вегетационного сезона фитомасса амаранта и бархатцев измельчалась и вывозилась на сельскозяйственные поля, испытывающие нехватку цинка и меди.

Полученные результаты в ходе выполнения эксперимента в полевых условиях убедительно доказывают, что бархатцы и амарант могут быть отнесены к растениям - ремедиаторам цинка и меди. В почвах с различным уровнем загрязнения коэффициент биологического поглощения цинка у амаранта больше единицы.

Источники информации, использованные при составлении заявки:

1. Rakotosson Voahirana. Lesmetauxlourdsetlaphytorenediation: l′etatdel′art. // Eau, ind., nuisances. 2003. №260. - C. 45-48.

2. Волков К.С. Адаптация к действию повышенных концентраций меди и цинка и возможность использования в фиторемедиации растений Mesembryanthemumcrystallinum L. Автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 2006. 24 с.

3. Особенности аккумуляции тяжелых металлов горчицей белой в условиях техногенеза // Региональная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов. «Инновационный потенциал молодых ученых - АПК Орловской области». - Орел. - 16-19 марта 2010 г. - С. 51-53.

4. Басов А.Ю. Исследование накопления тяжелых металлов горохом в условиях техногенеза // Сетевой журнал Издат. ОрелГАУ, 2010 г.

5. Salt D.E., Smoth R.D., Raskin I. // Annu. Rev. Plant Physiol. Mol. Biol. 1998. Vol. 49. P. 643-668.

6. Патент РФ №2492944, 20.09.2013 «Способ очистки черноземных почв, загрязненных тяжелыми металлами».

7. Патент РФ №2365078 «Способ очистки почв от тяжелых металлов».

8. Патент РФ №2311973 «Способ очистки почв от тяжелых металлов».

9. патент РФ №2229203 «Фиторемедиационный способ очистки почв от тяжелых металлов».

10. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. Гигиенические нормативы / Утверждены Руководителем Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации Г.Г. Онищенко, 19 января 2006 г. М:. 2006, 4 с.

Реферат

Изобретение относится к способам очистки почв от загрязнений цинком и медью. Осуществляют предварительное подкисление почвы компостом жомодефеката при дозе внесения 10-20 т/га. Выращивают на загрязненных почвах растения-ремедиаторы, представляющие собой амаранты и бархатцы, с последующим удалением. Бархатцы высаживают по периметру клумбы, а амарант в центре клумбы. В фазу зацветания надземную фитомассу растений амаранта удаляют и переносят на сельскохозяйственные угодья, испытывающие нехватку эссенциальных микроэлементов цинка и меди. Обеспечивается снижение содержания токсичных концентраций тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почв. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Формула