ғ Жер туралы ылымдар ●

● Жер ту ра лы ғ ылымда р
УДК 502.52:581.5:621.73/.77
А.К. Агибаева, А.Ж. Алтынсариев, А.А. Сембиева
ФИТОРЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТОКСИЧНЫМИ ОТХОДАМИ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Состояние окружающей среды в настоящее время – самая тревожная и глобальная проблема всего
человечества. Один из компонентов окружающей среды, загрязнение которого вызывает тревогу, почва.
Почва – природное образование, обладающее целым набором специфических свойств. Её
структура, состав и плодородный слой формируются в результате сложных биологических процессов на
протяжении многих столетий. Характеристикой почвы являются плодородие, уровень которого
определяет, способна ли почва обеспечить полноценный рост и развитие растений, на ней
произрастающих. Естественное плодородие почвы подразумевает уровень содержания питательных
веществ, рыхлость структуры и наличие живых организмов во всех ее слоях. В результате накопления
солнечной энергии, которая поступает в почву за счет фотосинтеза растений, образуется плодородный
слой. Повышение плодородия почвы – самый актуальный вопрос. На уровень плодородия почвы
неизменно воздействует человек, и зачастую это воздействие оказывается губительным. Загрязнение
почвы носит глобальный характер и может привести к непоправимым последствиям. Разрушение
плодородного слоя неумолимо ведет к нарушению природного баланса, обмена веществ в природе.
Исходя из этого, можно сказать, что загрязнение почвы может обернуться разрушением других
экосистем.
На сегодняшний день существует много способов загрязнения почвы. Не только пестициды
способны повышать уровни загрязнения почв. Обработка почвы производится различными техническими
приспособлениями, что приводит к неумолимому загрязнению почвы элементами тяжелых металлов,
таких как свинец, ртуть. Эти вещества могут попасть в почву и вместе с отходами производства, и при
разложении продуктов целлюлозно-бумажной промышленности. А также мелкие частицы свинца
попадают в почву из выхлопных газов автомобилей. И, конечно же, не рекомендуется возделывать землю
и разбивать садовые участки рядом с автотрассами. Характеристика источников загрязнения почв
показывает, что главным врагом почвы является технологический процесс, продукты которого
беспощадно губят её.
Почвы вокруг больших городов и крупных предприятий цветной и чёрной металлургии,
химической и нефтехимической промышленности, машиностроения, ТЭС на расстоянии в несколько
десятков километров загрязнены тяжёлыми металлами, нефтепродуктами, соединениями свинца, серы и
другими токсичными веществами. Развитие промышленного производства приводит к росту
промышленных отходов, которые в совокупности с бытовыми отходами существенно влияют на
химический состав почвы, вызывая ухудшение её качества. Сильное загрязнение почвы тяжёлыми
металлами вместе с зонами сернистых загрязнений, образующихся при сжигании каменного угля,
приводят к изменению состава микроэлементов и возникновению техногенных пустынь.
Опасность, вызываемая загрязнением тяжелыми металлами, усугубляется слабым выведением их
из почвы, биоаккумуляцией и миграцией по трофическим цепям. Тяжелые металлы влияют на
биологические свойства почвы: изменяется общая численность микроорганизмов, сужается их видовой
состав, изменяется структура микробиоценозов и падает активность почвенных ферментов. Они также
способны изменять и более консервативные признаки почв – гумусное состояние, структуру, pH. В конце
все это приводит к утрате плодородия почв.
Тяжелыми принято считать металлы с атомной массой больше 50. Однако известные перечни
тяжелых металлов не точны. Количество тяжелых металлов обычно не уточняют, пишут расплывчато
«более 40 химических элементов» [1]. Хотя приводят список из 19 элементов: Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga,
Ge,| Mo, Cd, Sn, Sb, Te, W, Hg, Tl, Pb, Bi. В более позднем издании учебника к типичным тяжелым
металлам-загрязнителям относят всего одиннадцать: Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Bi, V, Hg, Pb. [2].
Целесообразно к группе тяжелых металлов присоединить и тяжелые металлоиды (раньше их называли
полуметаллы). Два из них – Sb, As – как опасные металлоиды включены во многие списки тяжелых
элементов [3]. Тяжелые металлы, как особая группа элементов, в химии почв выделяются из - за
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2013
3
● Жер ту ра лы ғ ылымда р
токсического действия, оказываемого на растения при высокой их концентрации. Но о степени опасности в
почвах тяжелого элемента единого мнения нет. Не все из тяжелых элементов попадающих в почву в виде
поллютантов, одинаково опасны для растений, биоты и почвенно-грунтовых вод. Поллютанты,
попадающие в почву, взаимодействуют с активной ее фазой (глинистыми минералами, гидроксидами и
оксидами железа и марганца, органическим веществом), вследствие чего меняют их активность, увеличивая
или уменьшая их опасность. Например, высокая биологическая опасность Pb появляется в опытах с
использованием его солей. Но в почве Pb образует прочные соединения с органическими лигандами,
комплексы, которые становятся гораздо менее опасными для живых организмов, чем ионы металла.
Для ликвидации последствий загрязнения почв тяжелыми металлами важное значение имеют
предупредительные меры. Это химическая, физико-химическая и биологическая рекультивация почв.
Химическая мелиорация основана на образовании малорастворимых, недоступных для поступления в
растения форм загрязняющих веществ. Физико-химическая рекультивация обеспечивает безопасность
растительной продукции за счет поглощения тяжелых металлов вводимыми или содержащимися в почве
адсорбентами. Биологическая мелиорация связана с внесением в почву органических и биоудобрений,
которые закрепляют токсичные вещества в виде сложных комплексных соединений, недоступных для
преодоления клеточных мембран корневой системы растений. Применение различных видов мелиорации
в комплексе представляет особый интерес при рекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами.
В условиях антропогенного загрязнения растет концентрация тяжелых металлов в почвах городов, что
влечет за собой токсическое действие их на биологические объекты. Среди факторов, влияющих на
здоровье человека, тяжелые металлы занимают значительное место посредством системы почва –
растения – человек. В растворимой форме попадая в клетки растений, тяжелые металлы инактивируют
фотосинтетические пигменты, нарушая метаболизм. Растения обладают способностью аккумулировать
металлы из почвы, воды и атмосферы, что негативно действует на ростовые процессы в них.
В последнее время в экономически развитых и развивающихся странах мира все чаще прибегают к
биологической очистке антропогенно нарушенной почвенной среды с помощью растений, которые не
только сами активно участвуют в процессах фиторемедиации, но и во многих случаях благоприятно
действуют на микрофлору почв, повышая эффективность процессов восстановления естественных
условий. Например, на фиторемедиацию в США тратится 100–150 млн $ в год, что составляет 0,5% всех
затрат на очистку окружающей среды (для сравнения: биоремедиация с использованием бактерий
составляет 2%). При этом в 80% случаев растения применяются для очистки от органических
поллютантов, в 20% – от неорганических. [4].
Фиторемедиация является одним из перспективных и возможных путей решения такой актуальной
задачи, как восстановление почв, загрязненных тяжелыми металлами и отходами производства. Значение
ремедиации как активной формы охраны природы заключается в защите и восстановлении природных
ресурсов, включая почвенные. Первые научные исследования по фиторемедиации были проведены в 50-х
годах в Израиле, однако активное развитие метод получил только в 80-х годах XX века.
Растение воздействует на окружающую среду разными способами. Основные из них:
• ризофильтрация – корни всасывают воду и химические элементы, необходимые для
жизнедеятельности растений;
• фитоэкстракция – накопление в организме растения опасных загрязнений (например, тяжёлых
металлов);
• фитоволатилизация – испарение воды и летучих химических элементов (As, Se) листьями
растений;
• фитостабилизация – перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму
(снижает риск распространения загрязнений);
• фитодеградация – деградация растениями и симбиотическими микроорганизмами органической
части загрязнений;
• фитостимуляция – стимуляция развития симбиотических микроорганизмов, принимающих
участие в процессе очистки.
Фиторемедиация (фитобиоремедиация) представляет собой использование растений и
ассоциированных с ними микроорганизмов для очистки окружающей среды. В этой технологии
используются природные процессы, с помощью которых растения и ризосферные микроорганизмы
деградируют и накапливают различные поллютанты. Фиторемедиация является высокоэффективной
4
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2013
● Жер ту ра лы ғ ылымда р
технологией очистки от ряда органических и неорганических поллютантов. Фиторемедиация может быть
успешно применена для очистки от ряда неорганических поллютантов, включая макроэлементы
(нитраты, фосфаты), микроэлементы (такие, как Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn), не существенные для растения
элементы (Cd, Co, F, Hg, Se, Pb, V, W) и радиоактивные изотопы (238U, 137Cs и 90Sr) [5].
Термин «фиторемедиация» образован из слов: греческого «фито» (растение) и латинского
«ремедиум» (очистка, восстановление) (Cunningham et al., 1997). Растения способны очищать почву на
глубину роста своих корней. Так, для большинства травянистых растений глубина очистки составляет 0,7
м, для кукурузы – до 0,9 м, а ивы – до 2 м (Keller et al., 2003). Таким образом, деревья и кустарники
очищают почву на большую глубину, чем травянистые растения. Основное достоинство фиторемедиации
– ее низкая стоимость (Ensley, 2000), а недостаток – большая продолжительность. Этот путь
привлекателен использованием природного процесса биологического круговорота и полным
исключением грубых механических инженерно-мелиоративных мероприятий и какого-либо химического
воздействия на почву.
Одна из основных экологических проблем интенсивно развивающейся промышленности
Казахстана – утилизация и консервация производственных отходов. Техногенные отходы, складируемые
под открытым небом, представляют собой хронический источник загрязнения окружающей среды
различными видами токсических соединений, которые отрицательно влияют на биоэкологическую
структуру экосистем. Проблема утилизации крупных отвалов промышленных производств усложнена в
связи с их токсичностью.
По количеству и разнообразию минерально-сырьевых ресурсов Казахстан занимает одно из
ведущих мест в мире. На базе разведанных запасов создана мощная нефтегазодобывающая, урановая и
угольная промышленность, а также промышленность по добыче и переработке руд черных, цветных и
благородных металлов, различных видов неметаллических полезных ископаемых. По запасам свинца,
цинка, меди, нефти, хрома, железа, марганца, олова, золота, фосфоритов, бора и калийных солей,
республика входит в десятку ведущих стран мира [6].
В отвалах, хвостохранилищах и накопителях предприятий горнопромышленного производства
Казахстана заскладировано около 34 млрд. тонн техногенных минеральных образований, из которых:
72% – отвальные породы, 20% – отвальные хвосты обогащения руд, 8% – прочие техногенные
минеральные образования. Всего объектов техногенных минеральных образований, учитываемых
Государственным кадастром – 775 (109 – свободны от недропользования, 666 – находятся на
действующих предприятиях и рудниках).
При обогащении руд в концентраты извлекается 75-85% основных металлов, учтенных в
поставляемых рудах, оставшаяся часть складируется в отвалах. При металлургическом переделе
извлечение основных металлов в черновую продукцию составляет 80-95%, оставшаяся часть также
уходит в отвалы. Большинство месторождений руд – комплексные и наряду с основными
компонентами, определяющими их промышленную ценность, содержат примеси благородных
(золото, серебро, платина и др.), рассеянных и редких металлов (висмут, селен, теллур, рений,
кадмий, титан, кобальт, никель, ванадий и др.), которые часто в основной своей массе уходят в
отвалы наряду с пустыми породами, некондиционными рудами и хвостами обогащения.
Основные сокровища полиметаллических руд находятся в Восточном и Южном Казахстане. На
территории Центрального Казахстана известно около 1700 месторождений и рудопроявлений меди,
650 – свинца и цинка. В горах Джунгарского и Заилийского Алатау известно 110 месторождений и
рудопроявлений полиметаллических руд, а на Алтае – около 900. Экономически выгодно и
целесообразно развивать также действующие предприятия полиметаллических руд и осваивать такие
месторождения как Карагандинское, Каскайыр-Актальское, Узунжальское, Алайское и др.
Полиметаллические месторождения в
основном сконцентрированы в пределах
Каркаралинского, Прибалхашкого и Атасуйского промышленных районов. Основные клады этих
металлов размещены в 4 экономических районах – Восточном Казахстане, Южном Казахстане,
Карагандинском, Алматинском.
Крупнейшими свинцово-цинковыми месторождениями Южного Казахстана являются
Текелийская группа в горах Джунгарского Алатау и группа, включающая Миргалимсай, Шалкмо,
Ачисай в горах Каратау. Обилием полиметаллических руд славится и Центральный Казахстан,
который по запасам свинца и цинка стоит почти наравне с Рудным Алтаем. Основные компоненты
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2013
5
● Жер ту ра лы ғ ылымда р
полиметаллических руд: Pb, Cu, Zn и S, попутно извлекаются: As, Bi, Sb, Se, Te, Tl, In, Ga, Hg. В
среднерифейско-вендских рудоносных отложениях колчеданно-полиметаллические месторождения
локализованы в глеродисто-карбонатно-терригенной формации (Джунгария, Текели-Усекский
рудный район, месторождения Текелинское, Западной Текелинское, Яблоновое, Коксуйское,
Сууктобинское, Усекское, Тышканское и др; Западное Прибалхашье, Сарытумская зона,
месторождения Бурултасское, Орумбайское).
Основные районы добычи и переработки свинцово-цинковых руд – Рудный Алтай, в меньшем
объёме – Центральный и Южный Казахстан. Действуют 18 рудников и 6 карьеров. Открытым
способом добывается 20% руды, подземным – 80%, системами с обрушением пород – 50% руды от
общего объёма добычи, с естественным поддержанием кровли – 25% и с искусственным – 25%.[7].
Юг Казахстана является одной из основных зон, где развита полиметаллическая
промышленность. Вместе с тем, эта зона – уникальный флористический регион Казахстана, где
встречается основная часть растительного биоразнообразия страны, многие – растения,
распространенны только в Казахстане, почти половина – является эндемиками и реликтовыми
растениями.
Развитие сельскохозяйственной и промышленной индустрии на юге Казахстана существенно
отразилось на ареалах многих растений и привело к сокращению площади естественных
растительных сообществ.
Среди основных техногенных факторов воздействия на растительный покров промышленной
зоны можно особо выделить тяжелые металлы, которыми загрязнены обширные территории зон
устойчивого влияния предприятий полиметаллического производства. Анализ флоры вышеуказанных
территорий показал, что фитоценоз фонового участка (8000 метров от источника загрязнения)
представлен 103 видами высших растений, которые являются представителями 17 семейств.
Практически все установленные виды растений были отмечены в той или иной степени на
территории с высокой степенью загрязненности почв ионами свинца и кадмия. [8].
Фиторемедиация – современная, развивающаяся биотехнология восстановления компонентов
окружающей среды. Однако при всех ее преимуществах на сегодняшний день она является во многом
«стихийной», не вполне прогнозируемой технологией. Это связано, в первую очередь, с
ограниченностью в этой области фундаментальных знаний, с недостаточным уровнем исследования
протекающих процессов.
Известно, что тяжелые металлы (а среди них особенно свинец и кадмий) являются одними из
критериальных загрязняющих веществ. Они хорошо адсорбируются и накапливаются в верхнем слое
почвы, особенно при высоком содержании гумуса за счет образования устойчивых комплексов с
гуминовыми кислотами. Соединения тяжелые металлы довольно устойчивы и долго сохраняют свои
токсические свойства, оказывая негативное воздействие как на биоту почвы, так и на растения,
произрастающие на ней. Однако некоторые растения довольно устойчивы к загрязнению почвы
тяжелыми металлами и могут накапливать их в своей биомассе. [9]. Анализируя данные, полученные
разными исследователями, было установлено, что такими свойствами обладают многие растения.
Доминирующую группу фитоценоза исследуемой зоны составляют следующие виды растений:
Додарция восточная (Dodartia orientalis), Верблюжья колючка (Alhadi pseudoadans), Свинорой
пальчатый (Cynodon dachtylon), Псоралея костянковая (Psoraleum drupaceae), Подорожник
ланцетелистный (Plantago lancetofolium), Пырей волосоносный (Agropyron tricophorum), Вьюнок
полевой (Covolvulus arvensis), Горец птичий (Polygonum aviculare), Мальва обыкновенная (Malva
vulgaris), Каперс травянистый (Capperis herbacea), Василек растопыренный (Centaurea sguarsosa),
Латук татарский (Lactuca tatarica), Подмаренник настоящий (Gallium verum), Гармала обыкновенная
(Peganum garmala), Салат листовой (Lepidium sativum), Овёс посевной (Avena sativa L.) Горчица
полевая (Sinapis arvensis L.), которые представляют практический интерес в разработке технологий
фиторемедиации почв, загрязненных отходами полиметаллического производства. [10]
Как видно из вышеприведенного, растительный мир исследуемой зоны в плане фиторемедиации
изучен недостаточно. Также малоизвестно о механизме переноса тяжелых металлов из корней в наземные
части растений. Считаем необходимым провести более детальное исследование доминирующих видов
растений данного региона, а также их химический состав в динамике в соответствии с вегетационным
6
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2013
● Жер ту ра лы ғ ылымда р
периодом. Необходимо изучить биодоступность поллютантов растениям, которая зависит от химических
свойств поллютанта, свойств почвы, условий среды и различных биологических процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом
загрязнении почв. М: Высшая школа, 2002. 223 с.
2. Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. Химия почв. М: Высшая школа, 2005. 557 с.
3. Ю.Н.Водяницкий. Деградация, восстановление и охрана почв. Нормативы содержания тяжелых металлов и
металлоидов в почвах. Почвенный институт им. В.В.Докучаева, М:2012. 369 с.
4. Е.В. Нуянзина, Т.В. Ковальская. Фиторемедиация: преимущества, ограничения, состояние на сегодня. г.
Томск, ТУСУР.
5. www.chem.msu.su
6. Об утверждении Программы по развитию минерально-сырьевого комплекса в Республике Казахстан на
2010 - 2014 годы. Постановление Правительства РК от 31.12.2010. № 153.
7. Сырьевая база свинца и цинка, меди, золота Казахстана. Алматы, 2002. – 102 с.
8. Байсеитова Н.М. Ауыр металдардың мутагенді фактор ретінде активтігі.//Труды международной научнопрактической конференции «Ауезовские чтения-4» и третьей научной конференции вузов Южного региона.
Шымкент, 2004. 20-23 с.
9. А. В. Линдиман, Л. В. Шведова, Н. В., Тукумова, А. В. Невский Фиторемедиация почв, содержащих
тяжелые металлы //Экология и промышленность России.–2008.–№ 9. – С. 45–47.
10. Исаева А.У., Ешибаев А.А., Аяпбергенова Г.С., Тасполтаева А.Р. Видовое разнообразие фитоценоза зон
хранения отходов полиметаллического производства и проблемы фитоконсервации //1-й Международной научнопрактической конференции «Экологический мониторинг и биоразнообразие» Ишимский государственный
педагогический институт имени П.П. Ершова. Ишим, 2009. 24-27 с.
Ағыбаева А.Қ., Алтынсариев А.Ж., Сембиева Ә.А.
Металлургия өндірісінің уытты қалдықтарымен ластанған топырақты фиторемедиациялау
Түйіндеме. Бұл мақалада металлургиялық өндiрiстiң уытты қалдықтары, олардың жіктелуі мен ауыр
металдармен ластанған топырақтың зардаптарын жою мәселелерiне арналған материалдар сипатталады.
Өсiмдiктердiң көмегiмен, жасанды бұзылған топырақты, биологиялық жолмен тазарту әдiстерін талдау мәлiметтері
көрсетілген. Сонымен бiрге оңтүстiк Қазақстанның ауыр металдармен ластанған топырағын фиторемедиациялау
технологиясы жөніндегі мағлұматтар берілген. Берілген аймақтың өсiмдiк түрлері мен олардың химиялық құрамын
вегетациялық уақытқа сәйкес толық зерттеу керек деп есептейміз.
Агибаева А.К, Алтынсариев А.Ж., Сембиева А.А.
Фиторемедиация почв загрязненных токсичными отходами металлургического производства
Резюме. В статье приведены материалы по характеристике токсичных отходов металлургического
производства, их классификация, краткий обзор литературы по проблемам ликвидации последствий загрязнения
почв тяжелыми металлами. Приведены данные анализа методов биологической очистки антропогенно нарушенной
почвенной среды с помощью растений. А также материалы по фиторемедиации почв юга Казахстана, загрязненных
тяжелыми металами. Доминантная группа видов растений таких территорий формируется из токсикотолерантных
форм, которые представляют практический интерес для цели фиторемедиации. Считаем, что необходимо провести
более детальное исследование доминирующих видов растений данного региона, их химический состав в динамике в
соответствии с вегетационным периодом.
Agibayeva A.K., Altynsariev A.J., Sembieva A.A.
Phytoremediation of soil contamination with toxic waste of metal industrial
Summary. Materials given in the article are according to the characteristics of toxic waste of metallurgical production,
their classification, the short literary review on problems of elimination of consequences of soil contamination by heavy
metals. Data of the analysis of methods of biological cleaning of anthropogenically broken soil by means of plants are
provided. Moreover materials on a phytoremediation of soils in the South of Kazakhstan, contaminated by heavy metals are
provided. The prepotent group of plant species, in such territories, are formed of toxicotolerant forms which are represented
by practical interest for a phytoremediation. We consider that it is necessary to conduct more detailed research of dominating
species of plants in this region, their chemical composition in dynamics according to the vegetative periods.
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2013
7
● Жер ту ра лы ғ ылымда р
8
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2013