Для обезвреживания ядовитых органических веществ, попадающих в окружающую среду с отходами химических предприятий, уже давно и довольно успешно используют различные микроорганизмы.
Однако они не способны удалять из почвы и воды вредные для здоровья тяжелые металлы – например, мышьяк, кадмий, медь, ртуть, селен, свинец, а также радиоактивные изотопы стронция, цезия, урана и другие радионуклиды. Иное дело зеленые растения, которые извлекают из окружающей среды и концентрируют в своих тканях различные элементы. Растительную массу не составляет особого труда собрать и сжечь, а образовавшийся пепел или захоронить, или использовать как вторичное сырье.
Этот метод очистки окружающей среды был назван фиторемедиацией – от греческого "фитон" (растение) и латинского "ремедиум" (восстанавливать).
Фиторемедиация стала эффективным и экономически выгодным методом очистки окружающей среды только после того, как обнаружили растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов, способные накапливать в своих листьях до 5% никеля, цинка или меди в пересчете на сухой вес - то есть в десятки раз больше, чем обычные растения.
Биологическое значение этого феномена еще до конца не раскрыто: можно, например, предположить, что высокое содержание токсичных элементов защищает растения от вредителей и делает их более устойчивыми к болезням.
Использовать гипераккумуляторы для очистки почвы и воды предложили еще в начале 80-х годов. Однако до практики было еще далеко – во-первых, потому, что биомасса этих растений была невелика, а во-вторых, потому, что не была разработана технология их выращивания.
Растения очищают почву
Зачастую весь «букет» загрязнений не могут выявить и специализированные лаборатории, а промышленные способы очистки рассчитаны на удаление только отдельных загрязнителей.
Доступный садоводам метод – фиторемедиация – очистка почвы с помощью растений. Она не только способствует удалению из почвы загрязнителей, но и повышает ее плодородие. Растения испаряют воду листьями, работая как насос, выкачивающий из почвы при помощи корней растворы различных веществ. Загрязняющие вещества остаются в надземной части и корнях растений, постепенно накапливаясь.
К сожалению, мы еще мало знаем о механизмах накопления растениями тяжелых металлов, потому что до сих пор основное внимание уделялось усвоению соединений азота, фосфора и других элементов питания.
Успешные эксперименты с этилендиаминтетрауксусной кислотой позволяют предположить, что растения усваивают малорастворимые соединения тяжелых металлов в результате того, что их корни выделяют в почву какие-то природные вещества-комплексообразователи. Например, известно, что при недостатке в растениях железа их корни выделяют в почву так называемые фитосидерофоры, которые переводят в растворимое состояние содержащиеся в почве железосодержащие минералы. Однако было замечено, что фитосидерофоры способствуют и накоплению в растениях меди, цинка, марганца.
Лучше всего изучены фитосидерофоры ячменя и кукурузы – мугеиновая и дезоксимугеиновая кислоты, а также выделяемая овсом авениковая кислота; роль фитосидерофоров, возможно, играют и некоторые белки, обладающие способностью связывать тяжелые металлы и делать их более доступными для растений.
Доступность для растений тяжелых металлов, связанных с частицами почвы, повышают и находящиеся в мембранах корневых клеток ферменты редуктазы. Так, установлено, что у гороха, испытывающего недостаток железа или меди, повышается способность восстанавливать ионы этих элементов. Корни некоторых растений (например, фасоли и других двудольных) могут при недостатке железа повышать кислотность почвы, в результате чего его соединения переходят в растворимое состояние. В повышении биологической доступности тяжелых металлов немалую роль может играть и корневая микрофлора.
О механизме переноса тяжелых металлов из корней в надземные части растений известно еще меньше. Ясно лишь, что обычно малорастворимые соли тяжелых металлов перемещаются по сосудистой системе в виде каких-то комплексных соединений – возможно, с органическими кислотами типа лимонной.
Для очистки воды неоднократно пытались использовать растения, способные накапливать тяжелые металлы не только в стеблях и листьях, но и в корневой системе; наиболее подходящими для этой цели оказались некоторые сорта подсолнечника. Выращиваемые в специальной фильтрационной системе, они активно поглощали из воды загрязняющие вещества, производя в месяц до 1,5 кг сухого вещества корней на квадратный метр. Особенность этой установки заключалась в том, что для укоренения растений служил слой искусственной почвы толщиной всего в несколько сантиметров и через него к корням подавались минераль ные соли; основная же часть корней развивалась под слоем искусственной почвы в проточной воде, поглощая из нее тяжелые металлы.
Нам удалось обнаружить, что проростки некоторых наземных растений, выращиваемых на гидропонике, зачастую более эффективно удаляют из воды тяжелые металлы, по-видимому, потому, что у них больше отношение поверхности к объему; кроме того, проростки способны просто адсорбировать загрязняющие вещества.
Механизмы очистки воды с помощью корней и проростков могут быть разными. При удалении свинца главную роль играет, возможно, образование нерастворимых соединений и ионная сорбция. Так, на корнях индийской горчицы, находящихся в воде, образуется нерастворимый слой, который состоит преимущественно из карбоната свинца; такой же слой образуется и на корнях кукурузы. Вместе с тем свинец может связываться и с пектиновой фракцией клеточных стенок, обладающей ионообменными свойствами.
Возможность очистки почвы и воды от радионуклидов с помощью проростков подсолнечника была нами успешно продемонстрирована на территории бывшего завода по обогащению урана в США, в штате Огайо, а также на Украине, на небольшом водоеме в километре от четвертого реактора Чернобыльской АЭС. Концентрация урана в растениях в тридцать тысяч раз превышала его концентрацию в почве и воде, а для цезия-137 и стронция-90 эта величина составила восемь и две тысячи раз соответственно.
Дальнейшего развития методов фиторемедиации можно ожидать после того, как методами генной инженерии будут созданы растения, способные более эффективно, чем известные виды, концентрировать тяжелые металлы.
Растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов: (рис.1 и 2)
а – индийская (сарептская) горчица;
б – кукуруза;
в – подсолнечник
Большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных – близких родственников капусты и горчицы. А так же люцерна (Medicago), кукуруза (Zea), подсолнечник (Helianthus).
- Овес (Avena), пшеница (Triticum), а также клевер (Trifolium), бодяк (Cirsium) и тысячелистник (Achillea) нейтрализуют тяжелые металлы в почве.
- Сафлор красильный (Carthamus tinctorius) – декоративный однолетник высотой до 1 м, шириной 30–35 см. Цветет с июня по сентябрь желто- или оранжево-красными цветками. Листья напоминают листья чертополоха с острыми шипами. Сорта менее колючие. У сорта «Orange Grenade» окраска соцветий меняется от оранжевой до почти чисто-красной, «White Grenade» отличается желтыми цветками с ярко-лимонными полосками. Сафлор эффективно аккумулирует тяжелые металлы. Чередование посадок горчицы белой (Sinapis alba) и сафлора ускоряет процесс очистки почвы.
- Гречиха сахалинская (Polygonum sachalinense) – многолетнее травянистое растение с ползущим корневищем. Стебли прямые, до 3 м высотой. Листья до 30 см длиной и 20 см шириной. За год плантация этой культуры может поглотить из 1 га почвы 24 кг свинца и около 2 кг кадмия. За лето гречиху скашивают трижды. Ее многолетнее выращивание на одном месте позволяет существенно снизить концентрацию тяжелых металлов в почве.
Дикое разнотравье
Очищать почву можно создавая «дикие» разнотравные лужки. Причем, чем больше будет разнообразие растений на этом лужке, чем меньше он будет походить на классический «английский» газон, тем эффективнее он будет очищать почву и воздух участка от разных загрязнителей.
Выделим в саду уголок, где не будем вмешиваться в ход природных процессов. Не надо жалеть места на разнотравье – розы в грязной среде не будут красиво цвести, а, сколько почву ни меняй, загрязнение, если оно есть, все равно просочится.
Постарайтесь заполнить разнотравьем все места, где нет дорожек или газонов. Под деревьями, вокруг кустов, по краям участка – всюду сажайте разнотравье. Чтобы трава была невысокой,
сажайте клевер (Trifolium repens) и лапчатку (Potentilla anserina) ползучие, горец птичий (Polygonum aviculare).
Включайте :
смолку (Viscaria vulgaris), купырь лесной (Anthriscus sylvestris), горицвет кукушкин (Coccyganthe flos-cuculi), кориандр (Coriandrum), укроп (Anethum). Не забудьте про бобовые – мышиный горошек (Vicia craca) или заборный горошек (Vicia sepium), чину луговую (Lathyrus pratensis) и лесную (Lathyrus sylvestris), клевер гибридный (Trifolium hybrudum) или луговой (Trifolium pratense).
Они, как и другие сидераты, улучшают и обогащают азотом почву.
- Хорошо, когда в саду много зонтичных. На них размножаются паразиты вредных насекомых. Можно специально по периметру участка, на краях грядок высевать морковь, петрушку, тмин.
- Можно добавить ароматические растения и медоносы.
- Получим «мавританский газон» на северный лад.
Если позволяет место, создайте «лесную опушку».
Она может быть небольшой – если участок мал.
Куст лещины, рябинка, несколько березок, ив, а под и перед ними — тимофеевка (Phleum_pratense), лисохвост (Alopecurus pratensis), ежа (Dactylis glomerata), мятлик (Poa pratensis).
Добавьте дягиля (Angelica archangelica) и купыря лесного (Anthriscus sylvestris), дикой морковки (Daucus carota) и тмина (Carum carvi), перемешайте с подмаренником (Galium album), чиной (Lathyrus sylvestris), горошком (Vicia craca), оттените лесной геранью (Geranium sylvaticum), разбавьте смолкой (Viscaria vulgaris), кукушкиными слезками (Brisa media), клевером (Trifolium), ясноткой (Lamium album), колокольчиками (Campanula patula) и тысячелистником (Achillea millefolium), не помешает валериана (Valeriana officinalis) и мята (Mentha longifolia).
Бархатцы как лучшие кандидаты для очистки агроурбаноземов
Агротехнологи составили списки растений-гипераккумуляторов, способных расти в почвах с высокой концентрацией металлов и поглощать их через корни. В настоящее время известно о более 400 видах таких растений, относящихся к 45 семействам. Они «умеют» накапливать металлы в своих тканях. Среди культур преобладают капустные, злаки, бобовые, осоковые и сложноцветные.
Расположите растения согласно правилам садового дизайна, и вы удивитесь, насколько они декоративны.
Все они растут в нашем регионе, их можно принести просто с лесной поляны, и очень скоро ваш сад зажужжит, застрекочет, зацветет, а почва будет очищаться.
Фиторемедиация находит успешное применение в США, Китае, Индии, Японии и многих других странах Азии. В Европе благодаря современным технологиям очистки почвы стало популярным направление «огород у дома». Конечно, важно предварительно проконсультироваться со специалистами, которые проведут анализ почвы и подскажут, как эффективно очистить её с помощью фиторемедиации, а затем правильно утилизировать растения-гипераккумуляторы. Когда почва будет очищена, можно будет заниматься культивированием плодовых и овощных культур.