ТЕМА 8. Технології фітомеліорації і біологічної консервації еродованих орних земельних угідь ґрунтів різного генезису.

Надлишок ВМ в середовищі, як правило, призводить до їх підвищеного накопичення рослинними організмами, при цьому величина та характер поглинання у різних видів рослин має свою специфіку:

1.                Рослини-індикатори. Види, що акумулюють елемент прямо пропорційно його змісту в середовищі;

2.                  Рослини-акумулятори. Рослини, що накопичують елемент навіть при низькій його кількості в ґрунті;

3.                  Рослини-виключники. Рослини, які не               реагують      підвищенням вмісту елемента в тканинах навіть при його надлишку в середовищі.

В цілому, здатність до гіперакумуляції важких металів у рослин, очевидно, визначається механізмами поглинання та транспортування металів, у той час як їхня стійкість до надлишку металу – механізмами їх детоксикації.

Гіперакумулюючі генотипи є основою для фіторемедіації (від грецького

«фітон» – рослина та латинського «ремедіум»-відновлювати) – сучасної технології очищення забруднених ґрунтів з використанням зелених рослин. Фіторемедіацію визнали ефективним та економічно вигідним методом очищення ґрунтів після того, як була виявлена та вивчена здатність ряду рослин накопичувати в пагонах у десятки-сотні разів більше важких металів у порівнянні з іншими рослинами.

Таким чином, рослини, придатні для цілей фіторемедіації, повинні мати такі властивості:

1)  здатністю акумулювати метал(и) переважно у надземних органах;

2)  стійкістю до металу, що накопичується;

3)  швидкими темпами зростання та великою біомасою;

4)  високою здатністю до відростання після скошування.

При цьому гіперакумуляція та металостійкість є найбільш важливими властивостями рослин, що використовуються для фіторемедіації.

Наприклад, нещодавно було виявлено наднакопичувач Cd та Zn Sedum alfredii. При його вирощуванні в присутності цинку (80 мг/л живильного розчину) концентрація металу в пагонах становить понад 20 000 мг/кг сухої маси. Істотно, що рослини Sedum alfredii не тільки є гіперакумуляторами металів у пагонах, але й мають біологічні характеристики, важливими для цілей фіторемедіації – швидкими темпами росту і накопичення великої біомаси, здатністю до вегетативного розмноження і відростання після 3-4- разового скошування за сезон. Найвищий вміст металу, що колись визначається в рослині, відмічено у Sebertia acuminate (дерево, що росте тільки в Новій Каледонії), в соку якого міститься 25% нікелю (зі 100% сухої речовини).

Поряд з генною інженерією акумуляція ВМ рослинами може бути посилена за допомогою традиційних агротехнічних прийомів, включаючи вапнування, добрива, щільність посіву, сівозміну, насіннєвий контроль, іригацію, скорочення циклу фіто екстракції.

Якщо доступність металів у ґрунтах недостатня для активного кореневого поглинання, їх мобілізація в розчин може бути посилена за допомогою хелатирующих або підкислюючих агентів Можливі підкислювальні речовини включають амонійні добрива, органічні та неорганічні кислоти та елементарну сірку. Ефективне застосування хелатирующих (хелатообразующих) агентів, наприклад, синтетичних амінополікарбонових кислот, ‘’таких як етил- етилендіамінтріоцтова кислота (ЕДТА або EDTA), гідроксиетилелендіамінтріоцтова кислота (ГЕДТА або HEDTA), етиленд.

Вони посилюють фітоекстракцію ряду ВМ, включаючи Cd, Cu, Ni, Pb і Zn. Більш того, хелатуючі агенти здатні індукувати поглинання свинцю звичайними сільськогосподарськими культурами, наприклад, кукурудзою та горохом. Так, застосування ГЕДТА збільшило концентрацію Pb у ґрунтовому розчині в 1000 разів, а в пагонах куку-рузи та гороху – з менше 500 до 10000 мг/кг.

Оптимізація технології стимульованої фіторемедіації повинна базуватися на розумінні процесів мобілізації металів під дією хелатоутворюючих агентів, поглинання металів корінням рослин і транспорту від коренів до пагонів. Внесення хелатирующих агентів у ґрунт супроводжується десорбцією металів з активних поверхонь та їх пересуванням до ризосфери. Кількість доступних металів у ґрунтовому розчині залежить переважно від властивостей ґрунтів та хелатуючих агентів. Ефективність екстракції металів визначається константами стійкості їх утворюються хелатів.

Для очищення забруднених ґрунтів до досягнення ГДК або ГДК ВМ за допомогою фітоекстракції потрібен зазвичай тривалий час, що вимірюється одиницями і десятками років. Фітоекстракція забруднених ВМ ґрунтів Франції за допомогою гіперакумулятора Thlaspi caerulescens може призвести до зниження вмісту Cd (10 мкг/кг) у ґрунтах удвічі протягом одного сезону, тоді як економічно рентабельне (<10 років) зниження високого вмісту Zn у ґрунтах при низькому рівні його біологічної акумуляції ніколи не буде досягнуто. Відповідно до результатів експерименту з B. coddii у Новій Зеландії для очищення помірно забруднених (100 мг Ni/кг) ґрунтів до нормативів Європейського Союзу (75 мг Ni/кг) необхідні 2 роки, тоді як у сильнозабруднених (2000–10000 мг) Ni/кг) ґрунтів – 34-138 років при біомасі 22 т/га. У польовому вегетаційному експерименті з різними видами і протягом трьох років валовий вміст Cd у ґрунтах зменшився на 20% і Zn на 5%, а вміст металів, екстрагованих 1 М розчином NH₄NO₃, практично не змінилося.

Успіх фітоекстракції багато в чому залежить від кліматичних та сезонних умов. Звичайні сільськогосподарські рослини з високою продуктивністю можуть бути стимульовані до поглинання великих кількостей малодоступних рослин металів (наприклад, Pb, Cr, U, Hg) шляхом посилення їх рухливості за допомогою мобілізуючих агентів. Проте перспективи стимульованої хелатуючими агентами фіторе-медіації деякими дослідниками ставляться під питання у зв’язку з небажаними екологічними ризиками.

Отже, нині існують дві стратегії використання рослин для «вилучення» важких металів із ґрунтів. Перша з них передбачає використання рослин- накопичувачів, таких як Thlaspi caerulescens або Alyssum bertolonii. Ці рослини специфічно поглинають один або два метали, накопичення у них невеликої біомаси корелює з дуже високими концентраціями металу в пагонах. Друга стратегія заснована на використанні високопродуктивних рослин, які не є металоспецифічними, формують велику надземну біомасу, але кількість важких металів у ній порівняно невисока.

Необхідні властивості рослин-акумуляторів металів такі:

-              відсутність географічних переваг та швидке зростання;

-              висока біопродуктивність;

-              здатність утворювати продукцію комплексного застосування;

-              сильна коренева система;

-              здатність до гіперакумуляції важких металів;

-              висока стійкість до важких металів;

-              швидкий транспорт металів до надземних органів;

-              здатність до акумулювання кількох металів;

-              стійкість до хвороб та шкідників.

Здатність рослин очищати ґрунти від іонів важких металів обмежена багатьма факторами. Серед них можна назвати такі як доступність металу в ґрунті для поглинання корінням рослин, швидкість поглинання його корінням, транспорт металу з кореня в пагін, а також стійкість рослини.

Для збільшення поглинання важких металів (наприклад, Cd і Pb) та їх переміщення з коренів у пагони використовують синтетичні хелати. Крім цього, створення трансгенних рослин з певними фізіолого-біохімічними характеристиками, що сприяють наднагромадженню важких металів, є одним із можливих шляхів розвитку фіторемедіації як ефективної практичної технології. Однак прогрес у цьому напрямі поки утруднений недостатнім розумінням фізіологічних, біохімічних та молекулярних механізмів, що лежать в основі гіперакумуляції важких металів рослинами.

В даний час активно вивчаються і виявляються види рослин, стійких до високого вмісту ВМ у ґрунті та здатних до їх акумуляції (табл. 5). Мінімальна акумуляція металів характерна для трав’янистих і деревних ксерофітів, середня та максимальна для мезофітів. Трав’янисті гігрофіти характеризуються максимальною акумуляцією природних елементів, дерев’яні – техногенних сполук.

У літературі є відомості, що найбільш стійкими рослинами до підвищеного вмісту ВМ у ґрунті є представники родини хрестоцвітих, злакових та бобових.

У свою чергу А.В. Ліндіман зі співавторами виявив, що за стійкістю до забруднення ґрунту свинцем досліджувані ними рослини розташувалися таким чином: овес > гірчиця > горох > крес-салат > жито, а за стійкістю до забруднення кадмієм: гірчиця > крес-салат > овес > горох > жито. Ними зазначалося, що акумуляція кадмію була інтенсивнішою, ніж свинцю.

Польськими дослідниками проводилася оцінка фіторемедіаційного потенціалу різних зернових і овочевих в умовах кадмієвого та свинцевого забруднення ґрунту: червоний буряк (Beta vulgaris var. cicla L.), гарбуз (Cucurbita pepo L.), цикорій intybus var. foliosum Hegi), квасоля звичайна (Phaseolus vulgaris L.), ячмінь (Hordeum vulgare L.), капуста білокачанна (Brassica oleracea var. capitata L.), кукурудза (Zea mays L. convar. sacchar) церна (Medicago sativa L.) і пастернак посівний (Pastinaca sativa L.).

Таблиця 5 Мінімальні концентрації різних металів у надземних органах рослин, що

дозволяють відносити їх до гіперакумуляторів

Максимальний вміст ВМ було знайдено в листі червоного буряка, гарбуза, цикорію, квасолі, капусти та пастернаку. У той час як буряк і пастернак виявилися тими видами рослин, які здатні до максимального накопичення свинцю в рослинній масі, Н. Гад і Х. Канділ вивчили вплив забруднення ґрунту кобальтом на вміст цього елемента в корінні і листя. Ними показано, що в незначних концентраціях кобальт стимулював зростання і збільшував продуктивність рослин, а також у надземних органах метал акумулювався краще, ніж у корінні.

Є дані щодо вивчення як фіторемедіантів рослин люцерни (Brassica juncea L.), соняшника (Helianthus annuus L.), сорго (Sorghum bicolor L.), зелених овочевих культур – петрушки, кропу, сала листового, серед злаків – ярого ячменю (Hordeum vulgare L.), вівса (Avena sativa L.), костриці (Festuca pratensis L.).

Перспективним видом для рекультивації ґрунтів серед багаторічних злакових рослин може вважатися Calamagrostis epigeios L., який здатний накопичувати різні ВМ, особливо нікель. Також серед злакових культур тайванськими дослідниками була відзначена здатність коричневого рису (Oryza sativa L.) акумулювати кадмій і миш’як із забруднених ґрунтів. Ще одним гіперакумулятором кадмію є кришталева трава (Mesembryanthemum crystallium L.). Близько 50 представників роду Alyssum найчастіше розглядаються як потенційні кандидати для накопичення молібдену і нікелю із забруднених ґрунтів.

За даними ряду авторів, показана здатність кукурудзи (Zea mays L.) та соняшнику (Helianthus annuus L.) до гіперак-кумуляції іонів міді та нікелю в умовах середньої засоленості ґрунту (до 20 ГДК ). При збільшенні концентрації ВМ відзначався активний перехід іонів металів із коренів у надземну рослинну масу. А.С. Федоров зазначав, що кукурудза і люцерна, що виростають на територіях гірничо-збагачувальних комбінатів, здатні накопичувати у своїй біомасі мідь і цинк, причому вміст металів більш ніж в 1,5 рази перевищував ГДК.

Більшість дикорослих гіпераккумуляторів відноситься до родини хрестоцвітих. За даними авторів гірчиця (Brassica juncea L.) виявилася досить ефективним накопичувачем свинцю, міді та нікелю. К. Ахмед з співавторами було показано, що стійкість різних видів гірчиці може значно варіювати. Ними доведено, що гірчиця сарептська (Brassicajuncea L.) виявила більшу стійкість до кадмієвого забруднення, ніж гірчиця абіссинська (Brassica carinata L.), і відповідно може бути більш ефективним фіторемедіантом забруднених ґрунтів з концентрацією мг/кг. Американські вчені з 11 досліджуваних рослин виділили вид декоративної рослини сімейства хрестоцвітих – іберіс (Iberis intermedia) як активний акумулятор талію.

Хорошими акумуляторами серед бур’янистих видів рослин також є кульбаба лікарська (Taraxacum officinale Wigg.), полин звичайна (Artemisia vulgaris L.). Свинець здатний накопичувати також відомий бур’ян амброзія (Ambrosia sp.).

Швецем А.А. встановлена толерантність лисохвоста здутого (Alopecurus ventricosus Pers.) і вівсяниці (Festuca arundinacea) до аномально високих концентрацій цинку, свинцю та міді в ґрунті. Надземна фітомаса козлятника східного (Galega orientalis Lam.) зростала при високих концентраціях всіх ВМ, що вивчалися, у тому числі і кадмію (табл. 6-7). Підбір сільськогосподарських культур, стійких до забруднення, є найпростішим і найдоступнішим способом ведення землеробства на забруднених ВМ ґрунтах. Наприклад показано чутливість основних сільськогосподарських культур до забруднення ґрунтів кадмієм. При низькому забрудненні ґрунту, коли вміст хоча б одного з металів досягає ГДК, необхідно застосовувати комплекс заходів щодо усунення наслідків забруднення. На таких ґрунтах не можна вирощувати найбільш чутливі до ВМ культури (салат, шпинат, кріп, цибуля, петрушка). На таких ґрунтах не рекомендується також вирощувати кореневі культури.

Таким чином, різні види рослин відрізняються за здатністю накопичувати ВМ. Рослини, що акумулюють елемент, навіть за умов його відносного дефіциту ґрунті, називаються акумуляторами. Види, що накопичують елемент прямо пропорційно до його рівня в середовищі називаються індикаторами, їх рекомендується використовувати для біомоніторингу.

Толерантність рослин до токсикантів не є єдиним механізмом, а включає кілька метаболічних процесів: селективне поглинання іонів; знижена проникність мембран; іммобілізація іонів у корінні, листі, насінні; видалення іонів з метаболічних процесів шляхом відкладення їх у фіксованих або нерозчинних формах в різних органах і органелах; видалення іонів з рослин при вимиванні через листя, сокоруху, скиданні листя і виділення через коріння.

Важливу роль у захисті рослин від надлишку металів, що надходять із ґрунту, виконує коренева система. Затримуючи надлишкові іони, коріння тим самим сприяє збереженню в надземних органах сприятливих (або не шкідливих) концентрацій хімічних елементів.

Таблиця 6 Список видів рослин, ефективних для застосування як фіторемедіантів

забрудненого ВМ ґрунту

Таблиця 7 Заходи щодо використання ґрунтів залежно від їх забруднення важкими

металами

У різних видів рослин різною мірою виражені захисні механізми, що перешкоджають надходженню токсичних елементів. Таким механізмом служить вибірковість проникності мембран рослинної клітини.

Залежність між вмістом елемента в рослині та ґрунті характеризується індексом біологічного поглинання, під яким розуміють відношення вмісту елемента в золі рослини до вмісту його у ґрунті.

Як зазначалося раніше, за рівнем і швидкістю поглинання - фітоекстракції рослини поділяються на три групи, кожні з яких можуть бути використані в практичних цілях. Так, рослини-виключники можна вирощувати за звичайних технологій на техногенно забруднених ґрунтах; рослини-індикатори – під час проведення біомоніторингу, а рослини-акумулятори – для фіторемедіації ґрунтів. Рослини з підвищеною швидкістю поглинання ВМ із навколишнього середовища називаються гіперакумуляторами.