МБОУ общеобразовательная гимназия №4 г.Красноярск Тема проектной работы: «Фиторемедиация почв загрязненных тяжёлыми металлами» Авторы работы: Крейк Валерий Романович, 10 «Б» Руководитель: Игнатьева Любовь Леонидовна, учитель биологии. Красноярск, 2014 1 Оглавление: Введение 3 Теоретические основы фиторемедиации 5 Исследование. Первый этап работы: Лабораторный опыт 12 Исследование. Второй этап работы: Полевой опыт 18 Выводы, рекомендации и практическое применение 21 Список литературы 23 2 ВВЕДЕНИЕ Актуальность проекта В наше время остро стоит проблема загрязнения почв вредными выбросами промышленных предприятий. По статистическим данным, 30% почвы в наше время непригодно для использования в любых целях (пастбища, сельское хозяйство), и по самым пессимистичным прогнозам, через 50 лет большая часть почвы на Земле будет непригодна для использования. Использующиеся методы очистки таких почв слишком дороги и позволяют очистить только малую часть загрязненной почвы (экскавация, промывка и сжигание почвы). Особо остро данная проблема стоит в северных районах России, где естественная скорость процессов в почве достаточно низка и требуется много времени для того, чтобы вывести из нее опасные соединения. Поэтому мы решили исследовать способность растений поглощать из загрязненной почвы тяжелые металлы и другие вредные вещества, так как почва после этого становится намного чище, а растения не составит труда собрать и сжечь, а оставшийся пепел захоронить или выделить из него необходимые элементы. То, что данная технология применяется прямо в районе загрязнения, способствует снижению затрат и уменьшению контакта загрязнённого субстрата с людьми и окружающей средой Фиторемедеация является высокоэффективной технологией очистки почв от ряда органических и неорганических поллютантов. Восстановление окружающей среды при помощи растений вызывает широкий интерес благодаря возможностям, которые открывает эта технология при очистке загрязнённых территорий. Фиторемедиация загрязнённых почв и осадочных пород уже применяется для очистки военных полигонов (от тяжёлых металлов, органических поллютантов), сельскохозяйственных угодий (пестициды, металлы, селен), промышленных зон (органика, металлы, мышьяк), мест 3 деревообработки. Однако на сегодняшний день практически отсутствуют научно обоснованные критерии для выбора растений с точки зрения их потенциальной способности к фиторемедеации почв. Особенно мало данных для почв с отличной от нормальной кислотностью, которая может иметь как природные, так и антропогенные причины. Проектная цель работы являлось выявление наилучшего растенияфиторемедианта в лабораторном опыте, а затем исследование растения того же семейства, приспособленного к условиям Красноярского края. Исследовательская цель работы является оценка накопления растениями тяжёлых металлов (на примере никеля) из почв с различными показателями pH в лабораторных и полевых условиях. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: провести модельный опыт с добавлением тяжёлых металлов (никеля) по выращиванию растений в лабораторных условиях в почвах с различными показателями pH. провести опыт с добавлением тяжелых металлов (никеля) на почвы пригорода города Красноярска. оценить морфологические параметры (длина корня и стебля, масса) контрольных и опытных растений. провести химический анализ растений, сравнить содержание никеля в контрольных и опытных образцах. сравнить содержание никеля на почвах в полевом опыте для выявления роли растений в удалении металлов. статистически обработать данные. 4 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ 1.1 Тяжелые металлы Термин «тяжелые металлы» кажется довольно ясным, однако в научной литературе авторы нередко описывают им различные понятия. Данный термин связан с высокой относительной массой элементов, которая является причиной их токсичности, либо же с их высокой плотностью. Если критерием является атомная масса, то в группу тяжелых металлов включают, как правило, элементы с массой более 40. Мнения относительно плотности тяжелых металлов расходятся. В современной цветной металлургии к ним причисляются металлы плотнее 7,14 г/см3, а по классификации Н.Ф. Реймерса – с плотностью приблизительно равной или большей плотности железа – 8 г\см3. Согласно данным «Справочника по элементарной химии» по ред. А.Т. Пилипенко, к тяжелым металлам относятся элементы, имеющие плотность 5 г\см3 , что позволяет включить в эту группу такой относительно легкие металлы, как цинк и олово. Если исходить из этих показателей, то тяжелыми считаются металлы с атомной массой более 40 и плотностью выше 5 г\см3, то есть 43 из 84 металлов Периодической системы элементов. К ним относятся также элементы, не являющиеся металлами, но проявляющие металлические свойства – так называемые полуметаллы, или металлоиды: германий, мышьяк, сурьма, теллур, висмут, полоний и астат (представители главных подгрупп III, IV, V и VI групп Периодической системы элементов, являющиеся р-элементами). Так, более правильным был бы термин «тяжелые элементы», но исторически сложившимся и повсеместно используемым в научной литературе является термин «тяжелые металлы» (Пилипенко, 1977). 1.2 Никель. Распределение Ni в земной коре сходно с распределением Со и Fe: наиболее высокие его содержания встречаются в ультраосновных породах 5 (1400-2000 мг/кг), наиболее низкие – в гранитах (5-15 мг/кг). В осадочных породах его содержание варьирует в пределах от 5 до 90 мг/кг, будучи наибольшим в глинистых, а наименьшим – в песчаных отложениях. Ni имеет сродство к S и нередко образует связи с ее соединениями. Он может замещать Fe в соединениях Fe и Mg и образовывать ассоциации с карбонатами, фосфатами и силикатами. При выветривании Ni обычно осаждается с оксидами Fe и Mn, однако и сам по себе ион Ni2+ достаточно стабилен и может мигрировать в водных растворах почв. Он может сорбироваться органическим веществом и нередко встречается в угле и нефти. Органические связанные формы Ni представлены легкорастворимыми хелатами. Ионные формы этого элемента, такие как Ni2+, NiОН+, НNiО2-, вероятнее всего, образуются при неполном связывании Ni в хелатные комплексы. Его растворимость обычно имеет обратную зависимость от величины рН. Для растений наиболее доступными являются соединения Ni с оксидами Fe и Mn, а также легкоподвижные органические хелаты. Содержание Ni в почвах колеблется в пределах от 1 до 100 мг/кг, самые высокие его концентрации обычно встречаются в глинистых и суглинистых почвах, почвах на основных и вулканических породах и в почвах, богатых органическим веществом. В природных условиях его содержание в поверхностных горизонтах почв зависит от состава материнской породы, однако все больше значение в его распределении приобретает техногенное загрязнение. Ni поступает в окружающую среду с выбросами предприятий металлообрабатывающей промышленности и при сжигании угля и нефти (Титова, Дабахов, Дабахова, 2001). 1.3 Поглощение и накопление тяжелых металлов растениями Главным источником микроэлементов для растения является среда их произрастания, т.е. питательные растворы или почвы. Биологическая доступность большинства микроэлементов напрямую определяется тем, с какими компонентами почвы они образуют связи. В целом, растения могут 6 поглощать из почвенного раствора и ионные формы соединений, и хелатные комплексы, и комплексные соединения. Главный путь поступления микроэлементов в растения – это их всасывание корнями; отмечено, что другие ткани и органы растений также обладают способностью к поглощению некоторых микроэлементов. Поглощение элементов корнями может проходить пассивно (неметаболически) и активно (метаболически). Пассивное поглощение – это диффузия ионов из внешнего раствора в клетки эндодермы корней. Активное поглощение требует затрат энергии метаболических процессов и идет против химических градиентов. На основании некоторых исследований можно предположить, что при обычных концентрациях элементов в почвенном растворе их поглощение регулируется метаболическими процессами внутри самих корней. На поглощение корнями питательных веществ оказывают влияние вещества, выделяемые ими в среду, в частности ионы. Они способны изменять рН окружающей корни среды и имеют большое значение для окисления катионов. Кроме того, способность к поглощению микроэлементов зависит от вида растения и стадии его развития, и она весьма изменчива. Тем не менее, способность к аккумуляции имеет некоторые общие тенденции для различных растений. Весьма легко поглощаются Cd, B, Br, Cs, Rb, в то время как Ba, Ti, Zr, Sc, Bi и Ga, а до некоторой степени – Fe и Se для растений труднодоступны. Однако, для частных примеров системы «почва-растение» отклонения от этой тенденции могут быть весьма существенными (Ильин, 1991). После поступления микроэлементов в растительный организм через корневую систему включаются процессы их перемещения в другие ткани и органы. Они включают в себя перенос элементов ксилемой и флоэмой, а также хранение, накопление и перевод их в неподвижное состояние. На перенос элементов в растениях важное влияние оказывают хелатообразующие лиганды, однако он зависит и от многих других факторов: 7 величина рН, окислительно-восстановительные условия, конкуренция между катионами, образование нерастворимых солей и тому подобных явлений. Накопление и распределение элементов в растительных организмах сильно меняется в зависимости от вида и сезона роста растения, оно также очень различно для разных элементов. Поглощение растениями микроэлементов прежде всего зависит от специфических свойств растений, присущих каждому виду, а также состояния растений, почвенных условий и присутствия биодоступных форм элементов. В связи с тем, что различные семейства и виды растений имеют различные способности к накоплению тех или иных элементов, весьма трудно определить общие значения содержания тяжелых металлов, которые можно было бы охарактеризовать как «дефицит», «достаточность» или «токсичность». Эта проблема может быть решена стандартизацией всех методик отбора проб и проведения химических анализов для всех типов почв, видов и частей растений, что является весьма нелегкой задачей. Для определения биодоступности элементов в почвах используются методы, показывающие содержания элементов в почвенных растворах, то есть их подвижных, растворимых форм (Кабата-Пендиас, 1989). 1.4 Фиторемедиация Фиторемедиация – от греческого "фитон" (растение) и латинского "ремедиум" (восстанавливать) – метод очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, с использованием растений-фиторемедиантов. 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, никель, а также радиоактивные изотопы стронция, цезия, урана и другие радионуклиды. Иное дело зеленые растения, которые извлекают из окружающей среды и 8 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. За последние десять лет фиторемедиация приобрела большую популярность, что отчасти связано с её низкой стоимостью. Так как в процессе фиторемедеации используется только энергия солнца, данная технология на порядок дешевле методов, основанных на применении техники (экскавация, промывка и сжигание почвы). Данная технология применяется непосредственно в районе загрязнения, что способствует снижению затрат и уменьшению контакта загрязнённого субстрата с людьми и окружающей средой. 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 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 еще долгое время люди не пользовались этим методом – во-первых, потому, что биомасса этих растений была невелика, а во-вторых, потому, что не была разработана технология их выращивания. Большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных – близких родственников капусты и горчицы; один из видов горчицы, называемой индийской, или сарептской, оказался весьма эффективным накопителем свинца, меди и никеля. Свинец способны накапливать также кукуруза и известный сорняк амброзия. 9 Растения слабо усваивают многие тяжелые металлы – например, тот же свинец – даже при их высоком содержании в почве из-за того, что металлы находятся в виде малорастворимых соединений. Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загрязненной этим элементом. Проблему удалось решить, когда обнаружили, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, стоило внести подобное вещество в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, как концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг! 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 позволяют эксперименты предположить, что с этилендиаминтетрауксусной растения усваивают кислотой 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, 10 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 какихто комплексных соединений – возможно, с органическими кислотами (типа лимонной). Дальнейшего развития методов фиторемедиации можно ожидать после того, как методами генной инженерии будут созданы растения, способные более эффективно, чем известные виды, концентрировать тяжелые металлы (Душенков, Раскин, 2009). 11 Исследовательская работа. Этап первый: лабораторный опыт с добавлением никеля на почвах («terra vita» универсальная). Рис.1 Горох посевной Рис.2 Овес посевной Рис.3 Вьюнок трехцветный В качестве объектов исследования нами были выбраны растения из разных семейств: горох посевной (Pisum sativum), семейство бобовых – 12 (Fabaceae); овёс посевной (Avena sativa), семейство злаков – (Poaceae); вьюнок трехцветный (Convolvulus tricolor), семейство вьюнковые –– (Convolvuluceae). Рис.4 Постановка эксперимента Нами были посажены семена этих растений, в почву с разными показателями pH (по три повторности) и после выращивания их в лабораторных условиях с добавлением солей сульфата никеля (в количестве 10 ПДК) в почву, мы измерили морфологические признаки (линейный вегетативный прирост и массу в сыром и высушенном состоянии). 13 Рис.5 Всходы исследуемых растений Для оценки влияния никеля на всхожесть семян в почве с различными значениями рН, мы подсчитали количество всходов в контейнерах (рис.6). Рис. 6 Всхожесть семян в контрольных и опытных сосудах в зависимости от показателя pH почвы 14 Количество семян было везде одинаковым (15 семян). Наибольший показатель всхожести у гороха посевного и вьюнка наблюдался на почвах с рН=6, а у овса посевного – на почвах с рН=8. Рис.7 Внешний вид выросших растений Статистический анализ линейного прироста показал, что средний рост гороха в щелочной почве составил 4,5 см., в кислотной почве средний рост 11,75 см., в контрольной почве средний рост 7,25 см; средний рост вьюна в почве с рН=8 составил 5,75 см, в почве рН=6 средний рост 5 см, в контрольной почве средний рост 6 см; средний рост овса в почве с рН=8 составил 14 см., в почве рН=6 средний рост 21 см, в контрольной почве средний рост 20 см на 3 недели (рис.7,8). 15 Рис.8 Длина побега посевного овса в контрольных и опытных сосудах в зависимости от показателя pH почвы. 16 Затем растения были взвешены, а потом высушены и снова взвешены. Таким образом, на основе данных, приведённых на рисунке 8 и в таблице 1, можно отметить, что в щелочной среде токсичное влияние никеля на исследуемые растения проявляется в большей степени, чем в подкисленной среде. Таблица 1. Сухая масса растений Вид растений вьюн горох овес Условия произрастания масса, г контроль 0,21 рН=6 0,25 рН =8 0,29 контроль 0,64 рН =6 1,04 рН =8 0,53 контроль 0,98 рН =6 1,15 рН =8 0,72 Таблица 2. Сырая масса растений Вид растений Условия произрастания контроль вьюн горох 3.16 рН=6 2.9 рН =8 4.23 контроль 7.41 рН =6 9.85 рН =8 5.77 контроль овес масса, г 3.7 рН =6 6.49 рН =8 4.62 17 Таблица 3. Содержание никеля в исследуемых растениях Вид растений вьюн Условия произрастания Ni, мг/г контроль 0,024 рН=6 0,046 рН =8 0,019 контроль горох овес Данные, 0,02 рН =6 0,054 рН =8 0,022 контроль 0,018 рН =6 0,118 рН =8 0,026 полученные в лаборатории Сибирского федерального университета, представлены в таблице 3. Содержание никеля в надземной части тестируемых растений максимально на почвах рН=6. Этап второй: внесение никеля на почвы пригорода Красноярска. Красноярск находится в лесостепной зоне. В лесостепной зоне характерны выщелочные черноземы, оподзоленные черноземы и серые лесные почвы. Площадки, на которых производились опыты, расположены в сосновом бору в окрестностях СФУ и имеют серые лесные почвы. Используя данные полученные в результате лабораторного опыта мы взяли в качестве растения фиторемедианта представителя злаковых, произрастающего в большом количестве на почвах Красноярского края – мятлик сибирский (Красноборов, 1979). Для проведения второго этапа были использованы три площадки в лесном массиве недалеко от западной окраины г.Красноярска. Площадки разделялись на: контроль (площадка с растениями, без внесения никеля), опыт №1 (площадка с растениями и внесенными солями никеля) и опыт №2 18 (площадка без растений, но с добавлением солей никеля). В качестве солей никеля использовалась соль NiSO4*5H2O, которая была внесена в почву в количестве 10 ПДК (350мг/кг). В качестве рассматриваемых растений использовали растение семейства злаковых – мятлик сибирский (Poa sibirica). Данные, полученные после химического анализа почвы, представлены в таблице 4 и на рисунке 9. Данные статистически обработаны в программе Ecxel. Таблица 4. Статистическая обработка данных по содержанию никеля в почве. Содержание 1 площадка 2 площадка 3 площадка в почве Ni, Среднее Стандартное значение отклонение мг/кг Контроль Опыт №1 Опыт №2 29 33 31 31,00 2,00 67 61 63 63,67 3,06 240 252 247 246,33 6,03 Рис.9 Среднее содержание никеля в почвах на разных площадках. Нужно отметить, что содержание никеля в почве, лишенной растений, через 2 месяца после внесения изменилось незначительно, тогда как в почве, на которой произрастал мятлик, содержание никеля заметно снизилось. 19 Таблица 4. Статистическая обработка данных по содержанию никеля в растениях. содержание в 1 площадка 2 площадка 3 площадка наземной Среднее Стандартное значение отклонение части растений Ni, мг/кг Контроль 16 18 13 15,67 2,52 Опыт №1 181 198 217 198,67 18,01 Рис.10 Среднее содержание никеля в наземных частях растений мятлика сибирского. Обработав данные, можно высчитать эффективность использования тех или иных растений в качестве фиторемедиантов. В нашем опыте получилось, что растения мятлика сибирского на почвах с внесением никеля накопили никеля в среднем в 12,5 раз больше, чем они накапливают на чистых почвах. Таким образом можно отметить, что мятлик сибирский достаточно эффективно накапливает в себе никель. 20 Результаты 1. Наилучшим фиторемедиантом для кислотной и щелочной почвы в лабораторном опыте является овес посевной, так как в нём обнаружено самое высокое содержание никеля. 2. На кислых почвах у растений овса посевного, гороха посевного и вьюна трёхцветного, более высокий уровень метаболизма, чем на щелочных и контрольных почвах и лучшее усвоение металла. 3. На лесных почвах в окрестностях города Красноярска с растениями мятлика сибирского выявилась более высокая эффективность уменьшения содержания никеля в почвах, чем на почвах без растений (примерно в 4 раза). 4. Практическое применение нашей работы – это возможность жителей имеющих дачные участки, расположенные в черте промышленных предприятий и мегаполисов, а также промышленные предприятия использовать данные растения для очистки почв от тяжёлых металлов, тем более что большинство территорий Красноярского края имеют почвы с показателям pH=6. Рекомендации Рационально использовать в качестве растения-фиторемедианта овес посевной так как, во-первых, он накапливает никель лучше других растений, а во-вторых, является очень устойчивым к абиотическим факторам окружающей среды. Кроме того большинство почв Красноярского края имеют рН=6, а овес хорошо растет на таких почвах и не прихотлив в уходе. Среди неприхотливых дикорастущих растений хорошо зарекомендовал себя мятлик сибирский, который может быть использован как в монокультуре, так и в составе газонной смеси. Практическое применение 21 По результатам проведенного исследования видно, что овес посевной отлично показал себя в лабораторном опыте на подкисленных почвах. Почвы Красноярского края, как мы выяснили из литературных источников, в основном выщелоченные черноземы, оподзоленные черноземы и серые лесные. Два последних типа почв имеют рН<7 - значит они подкисленные. Выщелоченные черноземы образуются под равно-злаковыми степями зоны лесостепей. Овес посевной - достаточно неприхотливое к условиям окружающей среды растение, что позволяет ему распространиться по достаточно большой территории. Все вышесказанное указывает на то, что овес можно использовать в качестве растений-фиторемедиантов на территории Красноярского края. Мятлик сибирский, как один из представителей злаковых, широко распространенных на территории Красноярского края показал, что он способен накопить в своих надземных частях побега до 50% тяжелых металлов (на примере никеля). Это позволяет сделать вывод, что данные растения, в связи с их приспособленность к местным условиям и их большого значения в фиторемедиации лесных почв (рН<7), можно использовать для очистки таковых на территории края. Выражение благодарности Автор приносит благодарность: сотрудникам Института химии и сотрудникам кафедры экологии и природопользования Сибирского федерального университета. 22 Литература: 1. Душенков В., Раскин И. / Зеленая революция // «Агро XXI. – 2000. - № 9. – С. 20-21 2. Красноборов И.М., Определитель растений юга Красноярского края «Наука», 1979. – 509 с. 3. Ильин В.Б., Тяжелые металлы в системе почва – растение, «Наука», 1991. – 149 с. 4. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях. – М.: Мир, 1989. – 439 с. 5. Титова В.И., Дабахов М.В., Дабахова Е.В. Экотоксикология тяжелых металлов: Учебное пособие.- Н.Новгород: НГСХА, 2001.- 135 с. 6. Пилипенко, А.Т. Справочник по элементарной химии. – Наук. думка, 1977. – С. 334-338. 23