ТЕМА 7. Технології вирощування фітомеліоративних агроценозів за різних рівнів і характеру деградацій ґрунтів різного генезису у різних природно-кліматичних зонах, у т.ч. мілітарної деградації у зоні воєнних дій.

Фіторемедіація – відноситься до технологій, які використовують рослини для очищення хімічно забрудненої землі, повітря та води.

·             Крім того, що фіторемедіація є економічно ефективною технологією відновлення навколишнього середовища, вона виявилася фантастичним рішенням усіх типів екологічних проблем.

·             Фіторемедіація – це економічно ефективний метод на основі рослин, який використовує здатність рослин концентрувати компоненти навколишнього середовища та хімікати та метаболізувати різноманітні речовини у своїх тканинах.

·             Це стосується природної здатності певних рослин біоакумулювати, розкладають або знешкоджують забруднювачі ґрунту, води чи повітря. Токсини важких металів і органічні забруднювачі знаходяться в центрі уваги фіторемедіації.

·             Фіторемедіація зазвичай використовується для стаціонарного забрудненого ґрунту або води. Приклади включають реабілітацію покинутих металевих шахтних виробок і ділянок, де під час виробничого процесу відкладалися поліхлоровані біфеніли, а також пом’якшення впливу існуючої вугільної шахти шляхом зниження впливу токсинів на ґрунти, воду чи повітря.

·             У рамках ініціатив з фіторемедіації в усьому світі було зменшено забруднюючі речовини, такі як метали, гербіциди, розчинники, вибухові речовини та сиру нафту та її похідні.

·             На сміттєзвалищах токсичних відходів багато рослин, включаючи рослини гірчиці, альпійського пеннику, коноплі та свинини, показали ефективність у гіперакумуляції забруднюючих речовин.

·             Через фізіологічні особливості не всі рослини здатні накопичувати важкі метали або органічні забруднення. Навіть у межах одного виду культурні сорти мають різну здатність накопичувати забруднювачі.

Фіторемедіація заснована на певних природних процесах, що здійснюються рослинами, наприклад:

Ø       Поглинання металів і певних органічних сполук (тобто помірно розчинних у воді, log Kow=0.5 до 3, таких як BTEX) із ґрунту та води; фотосинтез органічних сполук; і транспірація вуглекислого газу.

Ø       Накопичення або переробка цих сполук шляхом здерев'яніння, випаровування, метаболізму та мінералізації (перетворення на вуглекислий газ і воду);

Ø       Використання ферментів для перетворення складних органічних молекул у простіші молекули (зрештою CO2 і воду);

Ø       Через виділення хімічних речовин (ексудатів) і розкладання кореневої тканини, збільшення вмісту вуглецю та кисню в ґрунті біля коренів (отже посилюючи мікробну/грибкову активність);

Ø       Використання підземних вод (навіть забруднених) для діяльності рослин.

Механізми фіторемедіації

Рис. 1. Механізми фіторемедіації.

Для рекультивації ґрунтів, забруднених важкими металами, доступна низка методів фіторемедіації, зокрема:

Фітостабілізація/фітосеквестрація

Фітостабілізація — це поглинання й осадження рослинами забруднюючих речовин, насамперед металів, що зменшує їх рухливість і перешкоджає їх міграції в ґрунтові води (вилуговування) чи повітря (вітровий транспорт) чи надходженню в харчовий ланцюг.

До цієї категорії, яка також відома як фітостабілізація, відноситься безліч механізмів

Вони можуть включати поглинання корінням, адсорбцію поверхнею коренів або створення рослиною біохімічних речовин, які потрапляють у ґрунт або ґрунтові води в безпосередній зоні коренів і можуть секвеструвати, осаджувати або знерухомлювати сусідні забруднювачі іншими способами. .

Фітостабілізація — це застосування стійких до металів видів рослин для іммобілізації важких металів під землею та зменшення їх біодоступності, таким чином запобігаючи їх міграції в навколишнє середовище та знижуючи ризик потрапляння металів у харчовий ланцюг.

Фітостабілізація може відбуватися шляхом осадження важких металів або зниження валентності металу в ризосфері, поглинання та секвестрації в тканинах кореня або адсорбції на корені клітинні стінки.

У місцях, уражених важкими металами, розвиток рослин сприяє збереженню здоров'я ґрунту. На додаток до стабілізації важких металів під землею та мінімізації їх вимивання в ґрунтові води, розвинений рослинний покрив обмежує розсіювання вітром часток ґрунту, що містять важкі метали.

На відміну від фітоекстракції, фітостабілізація не вимагає видалення потенційно небезпечного матеріалу.

Переваги: Немає необхідності утилізувати небезпечну біомасу. Рослина зменшує ерозію ґрунту та доступність води в системі. Недоліки: Забруднювачі продовжують існувати місцями.

Потрібне регулярне спостереження.

Фітоекстракція/фітоакумуляція

1.                  Це поглинання забруднюючих речовин із забруднених місць (ґрунт, вода, опади) корінням рослин, а також їх транспортування та накопичення в надземних тканинах рослин.

2.                  Додатково відомий як фітомайнінг і біомайнінг.

3.                  Для цього використовуються рослини з генетичною здатністю переносити більшу кількість небажаних забруднюючих речовин.

4.                  Ці рослини культивують протягом певного часу на забруднених місцях, збирають урожай, а потім спалюють для повторної обробки токсинів.

5.                  Щоб зменшити концентрацію цих забруднювачів у забрудненому ґрунті до прийнятного рівня, було використано багато циклів культивації, збору врожаю та спалювання.

6.                  Відповідно до вимог щодо утилізації небезпечних відходів, зола від спалювання використовується на звалищах.

Фітоекстракція/фітоакумуляція

1.             Це поглинання забруднюючих речовин із забруднених місць (ґрунт, вода, опади) корінням рослин, а також їх транспортування та накопичення в надземних тканинах рослин.

2.             Додатково відомий як фітомайнінг і біомайнінг.

3.             Для цього використовуються рослини з генетичною здатністю переносити більшу кількість небажаних забруднюючих речовин.

4.             Ці рослини культивують протягом певного часу на забруднених місцях, збирають урожай, а потім спалюють для повторної обробки токсинів.

5.             Щоб зменшити концентрацію цих забруднювачів у забрудненому ґрунті до прийнятного рівня, було використано багато циклів культивації, збору врожаю та спалювання.

6.             Відповідно до вимог щодо утилізації небезпечних відходів, зола від спалювання використовується на звалищах.

7.             Використання рослин для перенесення металевих забруднювачів із забруднених місць є перевіреним часом і ефективним методом.

8.             Види рослин, які будуть використовуватися для фітоекстракції, повинні володіти певними основними характеристиками, такими як високий коефіцієнт транслокації, високий коефіцієнт біоконцентрації, висока толерантність до забруднень, швидкий ріст, висока біомаса, хороша коренева система, висока швидкість асиміляції, і простий процес збору врожаю.

9.             Родини Asteraceae, Brassicaceae, Lamiaceae, Euphorbiaceae і Scrophulariaceae краще підходять для фітоекстракції.

10.         Фітоекстракція/фітоакумуляція

11.         Це поглинання забруднюючих речовин із забруднених місць (ґрунт, вода, опади) корінням рослин, а також їх транспортування та накопичення в надземних тканинах рослин.

12.         Додатково відомий як фітомайнінг і біомайнінг.

13.         Для цього використовуються рослини з генетичною здатністю переносити більшу кількість небажаних забруднюючих речовин.

Існують різні види фіторемедіації: фітоекстракція, фітостабілізація, фітодеградація,  фітостимуляція, ризофільтрація, ризодеградація, фітовипаровування тощо. Для очищення ґрунтів від ВМ використовують фітоекстракцію (поглинання та накопичення ЗР в організмі рослини), фітостабілізацію (зменшення мобільності полютантів і/чи накопичення у кореневій системі рослини-акумулянта) чи ризофільтрацію (метали абсорбуються і зв’язуються у кореневих системах фіторемедіантів).

Поглинання ЗР та їх розподіл у рослинах залежить від їх біодоступності, яка складається із доступності полютантів (їх фізико-хімічних властивостей: розчинність у воді, молекулярна маса тощо), характеристик середовища (кислотність, гранулометричний склад ґрунту, рівень гумусу, вологість та ін.) і фізіологічних та морфологічних особливостей рослин (рівень стійкості до дії забруднювачів, рівень розвиненості кореневища тощо).

Незважаючи на переваги фіторемедіація має ряд недоліків: високі концентрації полютантів у середовищі можуть бути токсичними для рослин і мікроорганізмів; ЗР повинні бути біологічно доступними для рослин; процес очищення може займати великий проміжок часу; окрім того токсичність і біологічна активність деградованих сполук мало досліджена.

Після подібної обробки зараженого об'єкта фітомаса рослин може служити джерелом для виділення ВМ. Для цього їх спалюють, а ВМ відновлюють із золи. Відомі й інші випадки утилізації. Фітомасу, яка містить Se, використовували як добавку в корм тваринам за умови, що вона не токсична. Фітомасу, що містить Zn і Cu можна використовувати в якості добрив для ґрунтів, що відчувають нестачу цих мікроелементів як есенціальних.

Фітоекстракцію – широко класифікують як фітоекстракцію за допомогою хелатів (індукована фітоекстракція) і довготривалу фітоекстракцію (безперервна фітоекстракція), з яких фітоекстракція за допомогою хелатів є більш прийнятною та в даний час реалізується комерційно.

Фітоекстракція за допомогою хелатів

Фітоекстракція за допомогою хелатів передбачає використання металохелатуючих агентів у поєднанні з неакумулюючими рослинами з високим потенціалом біомаси, щоб збільшити фракцію розчинного металу.

Транспортування металів до придатних для збирання пагонів під час викиду ґрунтового розчину є адитивною функцією двох основних процесів.

Було відмічено, що використання швидкозростаючих порід дерев задовольняє потребу у виробництві високої біомаси за допомогою хімікатів для отримання високого накопичення металу.

Хелатам, таким як етилендіамінтетраоцтова кислота (ЕДТА), приписують здатність сприяти виробленню розчинного металу-ЕДТА в рослинах, таким чином полегшуючи перенесення металів від кореневої системи до пагонів, де вони накопичуються у вигляді комплексів метал-ЕДТА.

·             Транспорт метал-хелатних комплексів від ксилеми до пагонів, здається, відіграє значну роль у накопиченні хелатних комплексів металів у рослинах.

·             На додаток до ефективної капілярної водопровідної системи, переміщення метало-хелатних комплексів у рослинах залежить від системи збору великої площі поверхні, яку дає коріння.

·             Переміщення металів у вигляді металохелатного комплексу до пагонів супроводжується утриманням металохелатного комплексу, коли вода транспіраційного потоку випаровується.

Безперервна фітоекстракція. Поглинання хелатів металів рослинами пов’язане зі стресом, який інколи супроводжується загибеллю рослин. Однак незрозуміло, чи необхідний стрес для індукції чи лише відображає накопичення високих концентрацій синтетичного хелату в рослині.

Було виявлено, що хімічні добавки (такі як EDTA) не тільки є фітотоксичними, але й справляють свою токсичну дію на корисні ґрунтові мікроорганізми відомо, що він відіграє вирішальну роль у рості та розвитку рослин.

В альтернативному методі накопичення металу може бути здійснено шляхом використання унікальних фізіологічних процесів, які відбуваються протягом усього циклу росту рослини.

Безперервна фітоекстракція, на відміну від примусового поглинання металу, здійснюється генетичною та фізіологічною здатністю рослин, призначених для накопичення, переміщення та перенесення високих концентрацій металу.

Були повідомлення про безперервну фітоекстракцію, яка видаляла такі метали, як цинк, кадмій та нікель, а також миш’як і хром із ґрунтів, багатих на важкі метали, рослинами, які гіперакумулювали.

Розуміння біологічних механізмів, за допомогою яких рослини стають кращими для рекультивації ґрунтів, можна досягти шляхом аналізу методу, який використовується для створення гіперакумуляції металів.

Вважається, що фітоекстракція є формою методу управління забрудненими металами осадами, що впливає на ефективність, тривалість, вимивання, забруднення харчового ланцюга та економічні вигоди.

Однак його реалізація обмежена низьким виходом біомаси та недостатньо високим поглинанням металу в рослинну тканину, а також відсутністю знань щодо мінімальних добавок (наприклад, компосту, зрошення), необхідних для забезпечення тривалого розвитку рослин.

Переваги

·                               Ціна цілком доступна.

·                               Забруднювачі назавжди видаляються з місць.

Недоліки

·             Більшість гіперакумуляторів мають помірні темпи росту, низьку біомасу та неглибоку кореневу систему.

·             Зібрану біомасу необхідно правильно утилізувати.

 Фітодеградація

·             Слово «фітодеградація» означає ферментативне розщеплення забруднюючих речовин на більш прості або менш шкідливі сполуки рослинами або в ризосфері до їх поглинання, або іноді в корені після їх поглинання та подальшого синтезу.

·             Це значний метод детоксикації, який також відомий як фітотрансформація. Якщо фотодеградація відбувається в ризосфері, коріння рослин виділяє необхідні ферменти.

·             Деякі бактерії, пов'язані з коренем, також сприяють цьому процесу.

·             З іншого боку, якщо розкладання відбувається всередині рослини, важливо, щоб рослина могла поглинати забруднюючі речовини та переміщувати їх до місця трансформації у вихідному стані, не спричиняючи загибелі клітин.

·             Численні токсини, включаючи гербіциди, інсектициди, пестициди, хлоровані розчинники, боєприпаси та неорганічні забруднювачі, можуть бути метаболізовані.

·             Рослинні ферменти, які використовуються в цьому процесі, також визнані; яскравими прикладами є дегалогеназа, нітрилаза, фосфатаза, нітроредуктаза та оксидоредуктаза.

·             Найкращі результати для слабо забруднених ґрунтів.

Рис. 2. Фітодеградація.

Переваги

·             Вона не залежить від ризосферних бактерій.

·             Рослинні ферменти відіграють роль у розкладанні.

Недоліки

·             Вона обмежений лише розкладанням органічних забруднень.

·             Вона неефективний проти глибокого забруднення, але ефективний проти незначного забруднення.

Ризофільтрація

·        Ризофільтрація - це процес поглинання забруднюючих речовин із ризосфери кореневою системою рослин.

·        Цей метод рекультивації використовує водні або наземні рослини для детоксикації водних середовищ існування.

·        Під час цього процесу рослини вирощують або на забрудненому місці (in situ), або в середовищі ex situ.

·        Коріння рослин поглинають забруднювачі до насичення, після чого рослини видаляють разом з корінням.

·        Через      накопичення       токсинів      в     коренях      без     перенесення       на     пагони ймовірність зараження повітря досить низька.

·        Ризофільтрацію можна використовувати для видалення металів (Cr, Cd, Co, Cu, Ag, Hg, Ni, Mn, Pb, Zn, Mo), металоїдів (As, Se) і радіоактивних матеріалів (137Cs, 239Pu, 90Sr, 234U) .

·        Важливі рослини, які використовуються в цьому процесі, включають індійську гірчицю, жито, соняшник, тютюн і шпинат. Через їх швидкий розвиток і волокнисті корені, у цьому методі часто використовують наземні рослини.

·        В умовах in situ ці рослини використовуються як плавучі плоти, тоді як в умовах ex situ вони вирощуються в інженерних резервуарах або системах труб.

·        Також було помічено, що впровадження мікроорганізмів у ризосферу стимулює поглинання забруднюючих речовин.

Переваги

·             В основному використовуються водні рослини, хоча іноді також наземні види.

·             Важкі метали не потрібно переміщати у дроби.

Недоліки

·             Він повинен підтримувати оптимальний рівень pH.

·             Вирощування рослин у розсаднику перед переміщенням на очисне місце.

 Фітовипаровування

Фітовипаровування - це процес, за допомогою якого рослини збирають токсини із забруднених місць через своє коріння, перетворюють більш шкідливі елементи в менш небезпечні всередині рослини та виділяють їх в атмосферу через своє листя.

·        Ця методика, яка базується на процесі випаровування, в основному використовується для забруднення ртуттю, селеном і органічними розчинниками.

·        Також повідомлялося, що тритій (3H), радіоактивний ізотоп, виправляється за допомогою цієї техніки з деревними рослинами.

·        На ефективність фітовипаровування впливає навколишнє середовище місць рекультивації та генетична здатність використовуваних видів рослин.

·        Крім того, поглинання, транспортування та хімічна доля цих забруднювачів сильно залежать від їх концентрації в забруднених районах.

·        За даними Агентства з охорони навколишнього середовища Сполучених Штатів Америки, люцерна, акація, канола та індійська гірчиця є ефективними рослинами, що випаровують рослини.

·        Незважаючи на повідомлення про те, що ця процедура усуває низку небезпечних забруднюючих речовин, вона не вирішує проблему повністю.

·        Він просто витягує забруднюючі речовини з ґрунту, води та/або відкладень і викидає їх в атмосферу. Ми знаємо, що концентрація викиданої речовини низька і часто менш шкідлива, але це не заважає їй порушувати природну рівновагу атмосфери.

Рис. 3. Фітовипаровування.

Переваги

·         Забруднювачі можуть бути перетворені в менш небезпечну форму

·         Забруднюючі речовини, що викидаються в атмосферу, значно розбавляються і менш шкідливі.

Недоліки

·         Рослинність може накопичувати забруднюючі речовини.

·         Були повідомлення про низьку кількість забруднюючих речовин у тканинах рослин.

Гіперакумуляції

Гіперакумуляція – це здатність рослин поглинати важкі метали із забрудненого ґрунту та накопичувати їх більшою мірою, ніж у забрудненому ґрунті.

Це накопичення повинно бути принаймні в 100 разів більше, але на більшості заводів, що використовуються для цієї мети, воно становить від 50 до 500 разів більше.

Приблизно 500 видів рослин були визначені як потенційно здатні до гіперакумуляції.

Згідно з останніми дослідженнями, захисний механізм може бути життєздатним поясненням того, чому рослини мають цю унікальну здатність.

Насправді ці рослини захищаються від різних хвороботворних мікроорганізмів та/або травоїдних тварин, збираючи природні токсичні речовини у своїх тканинах.

Здатність до накопичення гіперакумуляторів змінюється залежно від навколишнього середовища, наявності відповідних генів, а також контролю та експресії цих генів.

Гіперакумуляція починається з поглинання металів із ґрунту, після чого відбувається розвиток металокомплексу за допомогою певних білків (для детоксикації токсичної дії металів), їх перенесення від коренів рослин до пагонів через апопласт або симпласт, розподіл і секвестрація цих металів на клітинному рівні в тканинах і, нарешті, накопичення цих металів у метаболічно менш активних клітинах тканини.

Загалом, добре відомий факт, що рослини з потенціалом гіперакумуляції ростуть повільно та виробляють менше біомаси; це два найбільш істотних недоліки природних гіперакумуляторів.

Інші гени з родин HMA, MATE, YSL і MTP також були ідентифіковані як залучені до цього процесу. Транспортування металів після виробництва металопротеїнів є вирішальним етапом для гіперакумуляції, і в основному опосередковується сімейством генів ZIP.

Оскільки було виявлено кілька сімейств генів, відповідальних за цей загальний процес, тепер їх можна перенести на рослину, що швидко росте, щоб прискорити процес накопичення.

Також існують інші біотехнологічні методи, такі як біоаугментація - внесення (у вигляді біопрепаратів) спеціалізованих мікроорганізмів, чужорідних для даного місця проживання, які заздалегідь були виділені з природних джерел або спеціально генетично модифіковані та селекціоновані. Вони володіють необхідною біодеградуючою активністю, стійкі до високих концентрацій полютанта і не володіють небажаними побічними ефектами. Внесені мікроорганізми розкладають основну масу забруднень, знижують їх негативний вплив на біоту і тим самим стимулюють процеси самоочищення.

До біопрепаратів для рекультивації і відновлення родючості ґрунтів можна віднести:

·           різні органічні відходи та ін. матеріали, модифіковані при хімічній або мікробіологічній дії, в процесі анаеробного зброджування, аеробної ферментації, компостування або вермикомпостуванні;

·          спеціалізовані препарати на основі мікроорганізмів і ферментів: біодобрива, які включають азотфіксатори, препарати ендомікоризних грибів та ін.;

·           біопрепарати проти збудників різних захворювань рослин (засоби захисту рослин), для поліпшення фітосанітарного стану ґрунтів. [6]

Досліджено вплив неорганічного добрива (NPK, 100 кгN/га), компостів із касави (Manihot utilissima Pohl.) і тітонії (Tithonia diversifolia) у концентраціях 20 і 40 т/га на процес іммобілізації Pb у ґрунті, в якому вирощували кукурудзу (Zea mays L.). Додавання компосту сприяло збільшенню висоти рослини на 89 – 94%, а також площі листків та їх кількості (особливо при внесенні у ґрунт компосту із тітонії у концентрації 40 т/га).

У експериментальній роботі англійські вчені у якості іммобілізатора використовували компост, який отримували при переробці осаду стічних вод і «зелених відходів» та збагачували його мінералами. Ґрунти із різними ступенями забруднення змішували з компостом у різних співвідношеннях. Критерієм оцінки слугували: кількість продукованої біомаси і акумульованих металів райграсом (Lolium perenne L.). Результати досліджень показали, що використання компосту (із зелених відходів) зменшує вилуговування Cd і Zn до 48%, тоді як внесення компосту із осаду стічних вод сприяє акумуляції Zn рослиною (удвічі більша кількість металу в тканинах), проте концентрація у райграсі Cd, Cu, Pb, навпаки, зменшується у середньому на 80%.

У теперішній час спектр таких біопрепаратів, що показали на практиці свою високу ефективність і перспективність досить великий. Пропонується для використання значна кількість як українського так і зарубіжного виробництва. Серед зарекомендованих – препарати на основі гумінових кислот. Малі дози (0,1-1 кг/м2 ) препаратів гумінових кислот і гуматів, особливо фульвокислоти, а також різні модифікації гумінових речовин, стимулюють розвиток рослин.