Способ снижения концентраций тяжелых металлов в почвах городских территорий

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для очистки почв городов центральной полосы от загрязнений тяжелыми металлами. Изобретение можно также использовать для повышения устойчивости экосистемных функций и увеличения емкости почвенных сервисов в условиях современного города.

Проблема загрязнения городских почв ежегодно обостряется. Ураганные концентрации поллютантов, некогда сосредоточенные в промышленных зонах, постепенно «размываются» по всей территории мегаполисов, тем самым умножая площадь ореолов загрязнения. Приоритетными загрязняющими элементами являются тяжелые металлы, которые, депонируясь в почве, оказывают отравляющее воздействие на все остальные компоненты городской среды и человека. Необходимыми являются поиски путей снижения напряженности экологической обстановки в урбосреде [1].

Ремедиация и санация почв являются важнейшими мероприятиями по улучшению устойчивости экосистем. Наукой накоплено большое количество средств и методов ремедиации почв. Перспективно развивающимися технологиями являются биотехнологии, к которым относят и фиторемедиацию. Фиторемедиация позволяет не только удалить тяжелые металлы из почвенного тела, но и восстановить и оптимизировать протекторную, санитарную и аккумулирующую функции почв. Этот метод также позволяет снизить темпы миграции тяжелых металлов из почв в грунтовые воды и препятствовать их попаданию в организм человека [2, 3].

Известны способы очистки почв от тяжелых металлов (Pb, Cd, Zn, Cu, Hg и др.) с помощью выращивания на загрязненных почвах растений горчицы, ячменя, топинамбура, гречихи, райграса, рапса, гороха и др. [4, 5, 6]. Методы основаны на сезонном выращивание растений-ремедиаторов на загрязненных почвах и переносе тяжелых металлов из пахотного слоя почвы в побеги растений. Однако недостатком данных методов является тот факт, что они применяются лишь при поверхностном загрязнении почв, их действие будет ограничено проникновением корневых систем указанных культур.

Известен способ очистки черноземных почв от тяжелых металлов [7], включающий использование побуждающего вещества, в качестве которого используют органоминеральный компост, полученный смешиванием 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 КРС84-89. Вносят в почву однократно на 4-5 лет в дозе 100-110 т/га с содержанием в нем органического вещества до 20% и с pH 6,0-6,5, способной снизить щелочность черноземной почвы до pH 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. Метод применим исключительно для почв агроценозов.

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.

Схожим методом является «Фиторемедиационный способ очистки почв от тяжелых металлов» [9], который осуществляется по следующему алгоритму. На почве, загрязненной тяжелыми металлами, высевают семена газонного злака плевела многолетнего Lolium perenne (райграс пастбищный). По мере достижения высоты 10 см (через 10-14 дней) траву скашивают и удаляют с поверхности почвы. Эту процедуру повторяют периодически по мере отрастания надземной части растения. Скошенную траву утилизируют двумя способами: сжигают или отдают на корм травоядным животным. Плевел многолетний Lolium perenne придает эстетический вид ухоженного газона любой территории.

Однако данный метод не позволяет сформировать устойчивою урбоэкосистему, которая наряду с ремедиационным эффектом сможет выполнять роль экологического каркаса города. Также важным недостатком метода является невозможность очистки почв с загрязнением глубокозалегающих горизонтов.

Аналогом также является фиторемедиационный способ очистки почв от тяжелых металлов [10], который выбран нами в качестве прототипа. Согласно этому способу очистка почв урбанизированных территорий от загрязнений тяжелыми металлами производится путем выращивания на загрязненных почвах растений-ремедиаторов с последующим их удалением. Почву предварительно подкисляют внесением в нее компоста жомодефеката при дозе внесения 20 т/га, в качестве фиторемедиаторов применяют растения бархатцев и амаранта, в фазу зацветания надземную фитомассу растений амаранта удаляют и переносят на сельскохозяйственные угодья в качестве цинковых и медных удобрений.

Недостатком этого способа является его трудоемкость: ежегодное применение обязательной агротехники (вскопка, вспашка), многочисленные ротации высева, сбора и вывоза загрязненной фитомассы в течение одного вегетационного сезона. Также к недостаткам можно отнести ограниченную глубину очистки и селективность спектра применения (только для загрязнений цинком и медью).

Технической задачей изобретения является создание простого и эффективного способа снижения содержания токсичных концентраций тяжелых металлов в метровой почвенной толще, позволяющего извлечь из почвы тяжелые металлы и разбавить их концентрацию в экосистеме, а также сформировать устойчивые долгосрочные ремедиационные ландшафты на территории города.

Технический результат достигается тем, что в известном способе очистки почв урбанизированных территорий от загрязнений тяжелыми металлами путем модельной высадки древесных пород-ремедиаторов с последующим удалением листового опада, согласно изобретению производят высев смеси газонных трав, толерантных к затенению, затем в качестве фиторемедиаторов высаживают древесные породы клена остролистного и каштана конского, причем таким образом, чтобы максимально в горизонтальном и вертикальном направлении перекрыть корневыми системами глубинно-загрязненную почву, а также облегчить сбор листового опада и его вывоз, в качестве источника органического вещества по углам и в центре ремедиационного парка высаживают породу липы крупнолистной, осенью, во время массового листопада клена и каштана, листву собирают и вывозят с территории, а листовой опад липы оставляют в ремедиационном парке. Для облегчения сбора листового опада и удобного его вывоза расстояние между краями крон древесных пород (каштан, клен, липа) оставляют 2-3 метра.

Высев газонной травы придает живописный вид ремедиационному парку и препятствует миграции тяжелых металлов вниз по почвенному профилю. Смесь имеет следующий состав:

20% - Овсяница красная красная REVERENT;

55% - Овсяница тростниковая MUSTANG;

20% - Райграс многолетний 1Г2;

5% - Мятлик обыкновенный DASAS.

Такая смесь трав на затененных участках образует плотный травостой с красивым внешним видом, который хорошо переносит засуху и заболевания за счет присутствия широколистных и корневищных злаков с мощными побегами, образующими плотную дернину. Такие газоны более устойчивы к вытаптыванию и при правильном уходе имеют вид густого травяного покрытия.

Композиция древесных пород клена и каштана подобрана не только по аккумуляционным характеристикам, проявленным по отношению к тяжелым металлам, но и по сроку их листопада. Это позволяет осуществлять отчуждение тяжелых металлов из почвы, а также обеспечить поступление органического вещества и ход почвообразовательных процессов за счет более позднего листопада липы крупнолистной.

Клен остролистный - Acer platanoides L. Дерево до 30 м высотой, с плотной, широкоокруглой плотной кроной диаметром до 15-20 м. Крупные, до 18 см, пятилопастные, темно-зеленые листья. Первые 3 года растет быстро.

Каштан конский обыкновенный Aesculus hippocastanum L. Могучее дерево до 30 м высотой с массивным стволом и тяжелой, густой, широкоокруглой кроной в диаметре до 20 м. Первоклассное дерево для посадки на улицах, бульварах, в аллеях парков. Хороши из него также монументальные группы и целые рощи в крупных парках и лесопарках. Очень красив в одиночной посадке, где есть возможность полностью развиться кроне.

Липа крупнолистная - Tilia platyphyllos. Крупное дерево высотой до 20-25 метров с густой широкопирамидальной кроной. Высокая зимостойкость. Устойчива в городских условиях - долговечность около 100 лет. Листья крупные, зеленые. Листопад - в конце октября - начале ноября. Хорошо приспосабливается к условиям произрастания. Хорошо переносит обрезку и стрижку. Используется в одиночных и групповых посадках, для создания аллей и древесно-кустарниковых групп. Рекомендуется для создания зеленых стен.

Расположение липы по углам и в центре парка позволяет естественным образом разнести опад по всей площади участка.

Листовой опад деревьев-ремедиаторов является древесным отходом, имеющим достаточное количество путей его переработки и использования, среди которых наиболее перспективными, с учетом загрязненности биомассы тяжелыми металлами, являются энергетические способы переработки биомассы листьев:

- сжигание;

- пиролиз с последующим получением бионефти и угля;

- биотехнологическая переработка (получение метана и биоэтанола);

- механическая переработка (изготовление древесных брикетов и гранул);

- газификация (получение синтез-газа).

Предложенная технология высадки древесных пород-ремедиаторов (Фиг. 1, 2) придает очищаемому объекту эстетический вид и способствует увеличению выноса тяжелых металлов не только из поверхностных горизонтов, но и из загрязненных глубинных слоев почвы за счет проникновения в них корневых систем деревьев. Объемы продуцируемой древесины всех пород-ремедиаторов позволят разбавлять концентрации тяжелых металлов, сосредоточенные в загрязненной почве, путем депонирования их в древесине. Расположение липы по углам и в центре очищаемого участка позволяет распределять листовой опад по всей почвенной поверхности, расстояние между рядами облегчит сбор листвы и уход за газоном с применением мелкогабаритных сельскохозяйственных машин.

Способ осуществляют следующим образом.

Данная модель является одной элементарной единицей устойчивых городских ландшафтов. Площадь такой единицы составляет 1,76 сотки (52×34 м) (Фиг. 1, 2). Количество проецируемых элементарных единиц ландшафтов варьируется в зависимости от площади очищаемого участка (размеров парка).

Исследования проводились в городских условиях Курска. Определяли депонирующую способность клена остролистного, каштана конского и липы крупнолистной. Наибольшей аккумулирующей способностью по отношению к свинцу и кадмию обладает каштан конский, который депонирует в своих органах до 856 мг/кг и 0,9 мг/кг кадмия. Клен остролистный, как ремедиатор, наиболее эффективен в отношении к цинку. В его листьях накапливается до 1355 мг/кг металла (Таб. 1). Листья липы содержат относительно невысокие количества металлов, что обеспечивает минимум вторичного загрязнения почвы в ходе естественного хода почвообразовательных процессов.

Из таблицы 2 видно, что ежегодный прирост древесины позволяет извлекать весомую часть тяжелых металлов из очищаемого почвенного покрова. Так древесина каштана будет накапливать до 22,2 г свинца, 0,02 г кадмия и 24,8 г цинка ежегодно - это наибольшие показатели среди применяемых нами пород.

Таким образом, токсичные концентрации тяжелых металлов, сосредоточенные в почве, будут отчуждаться с убираемым листовым опадем клена и каштана и «разбавляться» путем миграции и аккумуляции в древесине липы, клена и каштана.

Источники информации

1. Безуглова О.С. Урбопочвоведение: учебник / О.С. Безуглова, С.Н. Горбов, И.В. Морозов, Д.Г. Невидомская; Южный федеральный университет. - Ростов н-на-Дону, 2012. - 264 с.

2. Савич В.И., Белопухов С.Л. Никиточкин Д.Н., Филиппова А.В. Использование новых методов очистки урбанизированных почв от тяжелых металлов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - №6 (44). - 2013, С. 203-205.

3. Kramer U. Metal hyper-accumulation in plants, Ann. Rev. Plant Biol., 2010, v. 10, p. 216-218.

4. Басов Ю.В., Басов А.Ю. Особенности аккумуляции тяжелых металлов гречихой в условиях техногенеза // Вестник ОрелГАУ. - 2010, №4. - С. 39-42.

5. Григорьев А.А., Бородихин А.С., Руденко О.В., Сова Ю.А. Постановка эксперимента по идентификации модели гипераккумуляции тяжелых металлов топинамбуром при фиторемедиации почв // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №6.

6. Неведров Н.П., Проценко Е.П., Балабина И.П., Прусаченко А.В. Использование горчицы сарептской Brassica juncea (L) в целях очистки почв Курской области от загрязнений тяжелыми металлами // Проблемы региональной экологии. - 2013. - №6. - 5 с.

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

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

9. Патент KZ (19) KZ (13) А4 (11) 22700 (51) А01В 79/02 (2009.01) Фиторемедиационный способ очистки почв от тяжелых металлов 2009/13 15.1.

10. Патент RU №2583696 «Способ очистки почв урбанизированных территорий от загрязнений цинком и медью».

1. Способ снижения концентраций тяжелых металлов в почвах городских территорий путем высадки парковых газонных трав и древесных пород-ремедиаторов с последующим удалением листового опада с очищаемой территории, отличающийся тем, что сначала производят высев смеси газонных трав толерантных к затенению, затем в качестве фиторемедиаторов высаживают древесные породы клена остролистного и каштана конского, причем таким образом, чтобы максимально в горизонтальном и вертикальном направлении перекрыть корневыми системами глубинно-загрязненную почву, в качестве источника органического вещества по углам и в центре ремедиационного парка высаживают породу липы крупнолистной, осенью, во время массового листопада клена и каштана, листву собирают и вывозят с территории, а листовой опад липы оставляют в ремедиационном парке.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для облегчения сбора листового опада и его вывоза расстояние между краями крон древесных пород (кашатан, клен, липа) составляет 2-3 м.