Индуцированная фитоэкстракция

Технология химически индуцированной фитоэкстракции предусматривает повышение мобильности в почве тяжелых металлов с помощью химических реагентов и извлечение металлов растениями.
Хелатирующие агенты. Положительный результат получен вследствие применения различных синтетических аминополикарбоновых кислот: ЭДТА, ДТПА, ЭГТА. HTA и др. В почве хелаторы связывают тяжелые металлы в мобильные комплексы и тем самым увеличивают их доступность растениям-экстракторам. В результате такого химического воздействия на почву значительно возрастает масса отчуждаемых с растениями тяжелых металлов. По различным данным, после внесения в почву ЭДТА увеличивался вынос растениями различных видов тяжелых металлов (Pb, Cu, Zn, Cd) в 1,4-111 раз. Аналогичные данные получены относительно других аминополикарбоновых кислот.
По эффективности действия свинца на аккумуляцию горохом и кукурузой синтетические хелаторы расположились в следующем ряду: ЭДТА > ГЭДТА> ДТПА > ЭГТА > ЭДДГА. После применения ЭДТА количество мобильных форм металлов в почве обычно превышает абсорбционную способность растений. Для растений Zinnia elegans Jacq выявлена оптимальная концентрация ЭДТА (2,4 ммоль/кг). При такой концентрации отмечалась стимуляция не только поглощения свинца, но и роста проростков этого вида. Выявлена высокая эффективность индуктивного действия HTA в отношении накопления в растениях мышьяка и цинка. Сведения о фитотоксичности HTA противоречивы, она зависит от вида растений и экспериментальных условий.
Перспективны для целей фитоэкстракции природные аминокарбоновые кислоты, например этилендиаминдисукцинат (ЭДДС), который продуцируется многими микроорганизмами и может быть получек искусственным путем. Установлено, что ЭДДС эффективнее ЭДТА индуцирует поглощение растениями меди, никеля и цинка в отличие от кадмия и свинца. Более эффективное действие на фитоэкстракцию свинца ЭДТА по сравнению с ЭДДС отмечено и в других работах. По некоторым данным, ЭДДС эффективен в равной степени по отношению к свинцу и меди. В опытах с растениями Brachiaria decumbens ЭДДС, действующий на окружающую среду менее пагубно, эффективнее ЭДТА стимулировал вынос побегами кадмия, цинка и свинца. Одинаковая эффективность ЭДТА и ЭДДС отмечена при изучении влияния этих хелаторов на увеличение концентрации в тканях растений Solanum nigrum I., цинка. Однако если применение хелаторов сочеталось с инокуляцией корней S. nigrum арбускулярными грибами (Glomus), то эффективность действия ЭДТА на накопление в надземных органах растений цинка превышала таковую ЭДДС.
Мало что известно о механизмах поглощения растениями комплексов ЭДДС с тяжелыми металлами. Возможно, вследствие токсического действия ЭДДС происходит разрушение физиологических барьеров в корнях, что приводит к поглощению меди корнями в комплексной форме — Сu-ЭДДС. Различные изомеры ЭДДС характеризуются разной скоростью биодеградации. Особенно быстрому разрушению подвержены SS-изомеры, период полураспада которых в почве находится в диапазоне 2,5-4,6 дня, тогда как R,R-изомеры ЭДДС относительно инертны. Скорость разложения комплексов S,S-изомеров зависит от свойств металлов. Быстрая деградация после небольшого лаг-периода отмечена для комплексов [S,S]-ЭДДС с кальцием, хромом (III), железом (III), свинцом, алюминием, кадмием, магнием, натрием, цинком, медленная — с медью, никелем, кобальтом и ртутью. В целом период биодеградации ЭДДС существенно зависит от почвенных условий.
Определенный интерес представляет использование в качестве хелаторов низкомолекулярных органических кислот: лимонной, щавелевой, яблочной. При внесении таких кислот в почву отмечено усиление накопления в растениях тяжелых металлов. Однако лимонная кислота уступала по действию на накопление растениями свинца синтетическими лигандами: ЭДТА, ГЗДТА, ДТПА. В целом низкомолекулярные органические кислоты подвержены быстрой биодеградации, что делает процедуру их внесения в почву в целях усиления фитоэкстракции тяжелых металлов (Cu, Pb) мало перспективной.
Следует отметить, что эффект индукции синтетическими хелаторами, привносимыми в почву, достигается только в том случае, когда они применяются в дозах, примерно на два порядка больших, чем это необходимо для выращивания растений в условиях гидропоники.
Несмотря ка высокую эффективность некоторых хелаторов (ЭДТА) они или их комплексы с металлами в высоких концентрациях могут быть токсичными для почвенных организмов или растений и вызывать загрязнение окружающей среды. Выявлено отрицательное действие синтетических хелаторов (особенно ЭДТА в сравнении с ЭДДС) на колонизацию корней растений Solanum nigrum L. микоризными грибами Glomus clarodeum и G. intraradices. Аналогичный ингибирующий эффект ЭДТА в отношении арбускулярных микоризных грибов выявлен в опытах с растениями Zea mаys. Вот почему при проведении индуцированной фитоэкстракции необходимо контролировать состояние водных систем. Для обогащенных тяжелыми металлами дренажных вод рекомендуется использовать вторичную очистку с помощью растений. В связи с риском загрязнения грунтовых вод металлами, мобилизованными привносимыми хелатами, некоторые авторы склонны рассматривать технологию непрерывной фитоэкстракции как экологически более безопасную по сравнению с индуцированной фитоэкстракцией.
Гуминовые кислоты. Подробное изложение перспектив использования гуминовых кислот при проведении индуцированной фитоэкстракции представлено в работе М. W. Н. Evangelou et al. Привнесение этих кислот в почву (20 г/кг) в опытах с сосудами на 65% повышало поглощение растениями табака кадмия, хотя концентрация подвижных форм этого металла в почве оставалась неизменной. В ряде работ фиксировали снижение концентрации с почве экстрагируемых форм тяжелых металлов, вызываемое гуминовыми кислотами. В целом применение препаратов гуминовых и фульвокислот в полевых условиях рассматривается как мало пригодный прием для фиторемедиации.
Подкисление почвы. Кислотность — один из ключевых показателей, влияющий на мобильность химических элементов почвы. Снижение значений pH, как правило, сопровождается увеличением мобильности тяжелых металлов в почве. Подкисление почвы добавлением серы повышало не только мобильность почвенных форм цинка и кадмия, но и поглощение этих металлов Т. caerulescens, а также растениями других видов: Brassica juncea, Nicoliana labacum. Salix viminalis, Hеlianthus annuus, Zta mays. B последнем случае примененные дозы серы вызывали незначительное подкисление почвы, хотя мобильность цинка и кадмия в ней увеличивалась существенно.
Однако подкисление почвы может приводить к увеличению в ней мобильности некоторых элементов (Al, Mn) до уровня, токсичного для растения-экстрактора, например Т. caerulescens. Видимо, по этой причине наибольшая экстракция кадмия и цинка растениями Т. caerulescens обнаруживалась при средних (pH 5,27). а не самых низких (pH 4,74) в опыте значениях pH. Очевидно, при проведении индуцированной фитоэкстракции с применением подкисляющих почву реагентов необходимо подбирать толерантные к избытку алюминия и марганца растения-экстракторы.
В целом влияние подкисления почвы на эффективность фиторемедиации варьирует в зависимости от индивидуальных особенностей почвы. Согласно расчетам при использовании подкисления время фиторемедиации можно сократить на 3-24 года в зависимости от свойств почвы и химической природы удаляемого металла. Однако даже после фитоэкстракции концентрация в почве растворимых форм металлов (Cd, Zn) может возрастать до нового равновесного состояния вследствие высокой буферной способности почвы.
Применение удобрений. Накопление тяжелых металлов в растениях можно увеличить, повышая обеспеченность растений питательными элементами. С увеличением дозы азота возрастало накопление марганца в зеленой массе яровой пшеницы. Чем выше уровни минерального питания и загрязнение почвы никелем, тем выше доля этого металла, накапливающегося в зерне яровой пшеницы.