Комплексные микробные почвоудобрительные препараты

Повышение плодородия почв тесно связано с активизацией деятельности микроорганизмов, способствующих как минерализации, так и пополнению запасов перегнойных веществ. Достигается это подбором соответствующих видов возделываемых культур и применением органических удобрений, содержащих не только различного рода растительные остатки, но и определенные комплексы микроорганизмов. Для обогащения почв и тепличных грунтов агрономически ценными группами микроорганизмов используют комплексные микробные препараты. Готовят их на основе использования двух основных сообществ почвенной микрофлоры. Одно из этих сообществ, разла- гающее растительные остатки с образованием перегноя, состоит из микроскопических грибов, аэробных и анаэробных бактерий, включая и азотфиксирующие бактерии родов клостридиум и бациллюс. Это сообщество микроорганизмов получило название автохтонной микрофлоры А (АМА), т. е. микрофлоры, присущей почве, тесно связанной с почвенной средой. Второе сообщество включает большую и разнообразную группировку микроорганизмов, разлагающих перегной с образованием веществ минерального питания растений. Данная группировка микроорганизмов, названная автохтонной микрофлорой Б (АМБ), и является действующим началом бактериального удобрения АМБ. Препарат АМБ был разработан в 40-х годах коллективом сотрудников Института сельскохозяйственной микробиологии под руководством Н.М. Лазарева. Он рекомендуется к использованию на торфяно-болотных и дерново-подзолистых почвах для активации микробиологической минерализации перегноя с целью улучшения корневого питания растений при недостатке минеральных удобрений.

Бактериальное удобрение АМБ удобнее всего готовить на месте его использования. Для этого к 1 т измельченного кислого торфа или торфяно-болотной почвы прибавляют 1 ц известковой или фосфоритной муки и 1 кг маточной культуры АМБ. Маточную культуру готовят на произвесткованном торфе путем внесения в него полученной на гуматной питательной среде культуры микроорганизмов, перерабатывающих перегной, и выдерживания инокулированного торфа при температуре 25 °С в течение 20 дней. Произвесткованный торф и маточную культуру удобрения АМБ тщательно смешивают, увлажняют до 50% от полной влагоемкости и перелопачивают два раза в неделю. По истечении трех недель (компостирования и инкубирования) при температуре около 20°С удобрение считается готовым. Его используют на дерново-подзолистых и торфяно-болотных почвах под различные сельскохозяйственные культуры, а также в закрытом грунте в тот сезон, для которого оно готовится. Под зерновые удобрение АМБ равномерно рассеивают по полю в количестве 500 кг/га непосредственно перед предпосевной обработкой почвы. Под картофель и овощные культуры его вносят в борозды или лунки из расчета не менее 1 т/га. Особенно эффективен препарат АМБ как компонент парникового грунта. Однако широкого применения он не получил, что связано с затруднениями по его изготовлению и применению. Сотрудники Института сельскохозяйственной микробиологии Н.Б. Герш, Ю.В. Круглов и Н.А. Амстердамская создали на основе технологии препарата АМБ более совершенный торфяной микробный препарат для приготовления биологически активного грунта. Особое внимание исследователи уделили созданию долго сохраняющейся и удобной для транспортировки исходной культуры минерализаторов гуматов на торфяной основе с высоким титром микроорганизмов. Биологически активный грунт готовят из кислого слаборазложившегося торфа с добавлением 10% мела и исходной культуры ми- нерализаторов гуматов. В торфяных субстратах с добавкой культуры биологические процессы протекают активнее, грунт созревает быстрее и получается более высокого качества. Выращенная на нем рассада огурцов на 44% по массе превосходила массу растений, выращенных на незараженном торфяном субстрате. Применение высоких доз азотных удобрений интенсифицирует процесс минерализации гумуса и в конечном счете ведет к снижению плодородия почв. Для предотвращения этого нежелательного явления необходима обильная заправка почв органическими удобрениями. Лучшим способом получения удобрений из растительного сырья является компостирование.

Компостирование – биологический процесс, протекающий с участием микроорганизмов, в результате которого осуществляется распад растительных остатков с образованием гумусовых веществ. Для оптимизации деятельности микроорганизмов при компостировании необходимо осуществлять строгий контроль за доступом кислорода, влажностью, температурным режимом, соотношением C:N, величиной рН и равновесием между питательными веществами. Содержание кислорода в компостируемой массе должно варьировать в пределах 15–20%, а углекислого газа 0,5–5%. При снижении содержания кислорода отмечается интенсификация развития анаэробных микроорганизмов. Процессы разложения в анаэробных условиях происходят в основном за счет бактерий. Конечные продукты анаэробного метаболизма являются восстановленными соединениями, отдельные из которых токсичны для микроорганизмов и растений. Существует прямая взаимосвязь между расходом кислорода и температурой. По данным Bertoldi et al., при температуре 28–55 ⁰С наблюдается усиление микробиологической деятельности, что связа- но с максимальным потреблением кислорода. Лишь несколько видов термофильных бактерий сохраняют жизнедеятельность при температуре свыше 70°С (Bacillus subtilis, Clostridium sp. и др.). Оптимальная величина отношения C:N составляет 1:25. Низкое соотношение C:N обусловливает потери азота, а при отношении свыше 1: 35 замедляется процесс разложения органического вещества. Оптимальная величина рН варьирует от 5,5 до 8,0, поскольку бактерии предпочитают нейтральную среду, а грибы – кислую. Согласно нашим исследованиям, компостирование сапропелей с навозом или избыточным илом из очистных сооружений животноводческих комплексов в соотношении масс 1:1, 1,5:1, 2:1, 4:1 сопровождается активизацией жизнедеятельности сначала азотпревращающих, а затем целлюлозоразлагающих микроорганизмов, накоплением минеральных форм азота и убылью подвижных форм органического вещества. Сапропелевые компосты оказывают положительное влияние на биодинамику дерново-подзолистых почв, повышают на 10–30% урожайность различных сельскохозяйственных культур в течение 2–3 лет после применения.

Основным типом распада сильнолигнифицированных растительных материалов является фитогенный, осуществляемый в результате жизнедеятельности грибов при участии различных физиологических групп бактерий и актиномицетов. Первая стадия компостирования еловой и осиновой коры, являющейся отходом переработки древесины, характеризуется активным развитием несовершенных грибов, которые поэтапно сменяются экологическими группами бактерий; на второй стадии преобладают аэробные целлюлозоразлагающие бактерии, третья стадия связана с появлением актиномицетов и нитрифицирующих бактерий. При хорошем измельчении древесной коры, внесении азотных и фосфорных добавок, создании оптимальной влажности и определенных размеров буртов качественные компосты получают в течение 3–4 месяцев. Применение их в зимних теплицах обеспечивало прибавку урожая огурцов на 11% по сравнению с традиционным грунтом. Использование аммиачно-коровых компостов в качестве органических удобрений под капусту позволило повысить урожай на 30% по сравнению с навозом. Кору также используют как органическое удобрение, заменяющее торф. Ежегодно перерабатывают около 1,5 млн т сырой коры. Широко налажены ее компостирование и дальнейшее использование в полеводстве, садоводстве. По данным фирмы Propfe, легче поддается компостированию кора твердых пород с показателем рН, близким к нейтральному, чем мягких древесных пород с кислой реакцией среды. Перед компостированием кору измельчают, вносят азотные удобрения в соотношении действующего вещества углерода и азота 120:1. Применяют также «стартовые» дозы микроорганизмов, способствующие разложению коры. Наиболее полно их действие проявляется в аэробных условиях при температуре 40°С, влажности субстрата около 50%, соотношении C:N в нем, равном 20…25:1. В оптимизированных условиях при участии моно- и ассоциативных лигнолитических культур получена лигнобиомасса, применение которой в качестве удобрения под овощные культуры давало такой же эффект, как и лигнонавозный компост. Таким образом, путем направленного регулирования деятельности определенных сообществ микроорганизмов в процессе компостирования различных растительных остатков и промышленных отходов можно получать комплексные микробные почвоудобрительные препараты сравнительно высокой агрономической ценности. Микробные почвоудобрительные препараты, несомненно, будут находить все более широкое применение в земледелии. Такое заключение основывается на ряде предпосылок, из которых укажем только главные. Во-первых, все виды микроорганизмов, на основе которых готовят микробные удобрения, в большинстве случаев обладают комплексом уникальных свойств – снабжение растений азотом, фосфором, другими элементами питания, ростактивирующими веществами, подавление деятельности фитопатогенных микроорганизмов и т. д. Благодаря этому микробные препараты оказывают на растения несравнимое с минеральными удобрениями разностороннее положи- тельное действие, приводящее, как правило, не только к повышению урожайности, но и качества растениеводческой продукции. Во-вторых, бактериальные удобрения производят по сравнительно простым неэнергоемким технологическим схемам с использованием в основном недефицитного и дешевого растительного сырья. Это предопределяет низкую стоимость бактериальных удобрений и быструю окупаемость создаваемых для их выпуска производств. В-третьих, микробные почвоудобрительные препараты в отли- чие от минеральных удобрений не только не оказывают никакого от- рицательного влияния на природную среду, но и значительно улучшают ее. В ряде стран уже функционируют хозяйства, производящие высококачественную сельскохозяйственную продукцию без использования агрохимикатов по так называемой «биологической технологии». Расширение и использование в практической деятельности сведений о свойствах полезных микроорганизмов, особенностях их взаимодействия с растениями при различной агротехнике и почвен- но-климатических условиях будут способствовать эффективному применению микробных почвоудобрительных препаратов.

Контрольные вопросы 1. Какие препараты азотфиксирующих микроорганизмов вы знае- те? 2. Какие препараты фосфомобилизующих микроорганизмов вы знаете? 3. Что такое комплексные микробные почвоудобрительные пре- параты?

 

РАЗДЕЛ 3. СОВРЕМЕННЫЕ ФИТОРЕМЕДИАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Цель: изучить основные пинципы современной фиторемедиационной технологии. Термин фиторемедиация (фито – растение + ремедиация – возмещение ущерба) имеет не очень давнюю историю. Впервые использовал американский ученый И. Раскин в 1994 г. По словам самого Раскина, началом фиторемедиации можно считать времена, когда человек начал осушать болота, применяя целенаправленную рассадку деревьев, обладающих требуемыми характеристиками. На сегодняшний день фиторемедиация предлагает удаление токсичных соединений из почвы, грунтовых вод и водоемов при помощи почвенных микроорганизмов и растений. Особенно эффективными следует считать фиторемедианные технологии при оздоровлении почв на больших площадях, когда из почвы происходит постепенное удаление токсичных соединений путем их усвоения как растениями, так и микроорганизмами и при этом не нарушается структура почвы и даже состав ризосферных микроорганизмов остается неизменным. Интересно провести параллель и отметить некоторую специфику детоксикационных возможностей растений и микроорганизмов, поскольку их совместное действие часто носит симбиотический характер. В обоих случаях органические токсиканты усваиваются и ассимилируются, т. е. подвергаются метаболической (окислительной) деградации, причем в этом процессе микроорганизмы ввиду их быстрого роста, характерных им сравнительно легко саморегулируемых адаптационных и индуктивных процессов, а также широкого спектра генетической информации следует признать более активными «детоксикационными агентами», чем растения.

Другая картина складывается в случае с неорганическими токсикантами, которые, проникнув в организм, не подвергаются метаболическим превращениям. В ряде случаев микроорганизмы разных таксономических групп способны аккумулировать внутри клетки довольно высокие концентрации тяжелых металлов, которые в результате лизиса клеточных стенок вновь оказываются в почве, что в конечном счете не способствует ее ремедииции. Однолетние и многолетние растения довольно часто, обладая способностью усваивать вместе с другими питательными компонентами и тяжелые металлы, транспортируют их в надземные органы, очищая таким образом от токсикантов как почву, так и водоемы. Некоторые растения по отношению к тяжелым металлам характеризуются супераккумулирующими свойствами. Например, са- рептская горчица способна накапливать в клетках и межклеточном пространстве, в расчете ни сухую массу, от 1,0 до 1,7% цинка. Растение из семейства крестоцветных собирает в листьях до 1% никеля. Эти и ряд других данных, однозначно указывающих на способность растений накапливать металлы в особо больших концентрациях, и стали основой для создания современных экологических фитотехнологий. Интересно сравнить стоимость фиторемедиационных технологий с используемыми на практике химическими, механическими и другими ремедиационными технологиями. Так, восстановление одного акра (0,4 га) почвы, загрязненного ртутью до глубины 50 см, в среднем обходится от 400 000 до 1 700 000 американских долларов, а аналогичная площадь той же степени и глубины загрязнения с применением фиторемедиационных технологий стоит от 60 000 до 100 000 американских долларов. Разница в цене, равная одному порядку, более чем очевидна.

Современные фиторемедиационные технологии могут основываться на разных методологических подходах в зависимости от того, какая ставится задача. Природа токсиканта, его концентрация, сам объект, нуждающийся в ремедиации (участок почвы, водохранилище, земельный участок близ химического завода, бывший военный полигон и др.), определяют форму и разнообразие возможных фиторемедиационных технологий. Естественно, не следует рассматривать фиторемедиацию как абсолютно всемогущее средство, способное быстро и дешево избавить объект от любой формы загрязнения. Так, например, растения не способны ассимилировать полихлорированные бифенилы и диоксины, соединения, которые, к сожалению, за последнее время все больше загрязняют биосферу. Современная фиторемедиационная технология располагает следующими инструментами: фитоэкстракция. ризофильтрация, ризодеградация, фитодеградация, фитоволотализация (испарение при помощи растений), гидравлический контроль и др. Прежде чем использовать ту или иную экофитотехнологию, следует провести тщательный анализ объекта, подлежащего ремедиации, установить тип токсичного соединения, обнаруженного на объекте, его концентрацию, глубину проникновения токсиканта в почву, тип почвы, предполагаемое количество осадков в период фиторемедиации, наличие грунтовых вод, глубину, на которой они находятся, и т. д. После этого выбирается метод фитомедиации, включая селективный отбор растений и микроорганизмов, требуемых для каждой конкретной технологии.

Фитоэкстракция

 

Эта фиторемедиационная технология обычно используется для очистки почв и водоемов, зараженных тяжелыми металлами радионуклидами. Технологическая особенность фитоэкстракции заключается в следующем: корневой системой растений вместе с питательными веществами поглощаются как неорганические, так и органические токсиканты и осуществляется их последующая транслокация в надземные органы растений. По завершении фазы роста и транслокационных процессов надземные органы растений удаляются и подлежат соответствующей переработке. Растения следует экспериментально отбирать, исходя из фиторемедиационных характеристик самих растений и почвенно-климатических особенностей участка почвы, подлежащего восстановлению. Особенно эффективной эта технология оказалась при очистке почв парников, удалении из почвы седиментов (в том числе и нерастворимых осадков), удалении токсичных соединений из глинистых почв, очистке водоемов небольших размеров. После такой обработки зараженного объекта биомасса растений может быть использована как источник для выделения тяжелых металлов. С этой целью растения сжигают и из золы восстанавливают тяжелые металлы. Известны случаи, когда биомассу растений, полученную после фитоэкстракции и содержащую Se, использовали как добавку в корм животным при условии, что она нетоксична. В полевых условиях с одного гектара площади растения мокнут удалять в год от 180 и до более чем 500 кг ртути. Эффективность фитоэкстракции для каждого конкретного случая должна определяться на основе полученных данных. Так, например, она может быть оценена и по следующему показателю: если в загрязненной почве кон- центрация ртути в среднем составляет 2500 мг/кг почвы, то с использованием такой технологии, как фироэкстракция, полная ремедиация почвы может быть достигнута за 10 лет. Естественно, биомасса растений, содержащая повышенную концентрацию ртути, должна быть соответствующим образом переработана. Если выделение металлов из золы обходится дороже их себестоимости, то в таком случае биомассу растений сжигают или в зависимости от содержания токсиканта используют для компоста. Эффективность растений, используемых в фитоэкстракции, определяется так называемым коэффициентом фитоэкстракции, который представляет собой отношение концентрации металлов в растении к концентрации металлов в почве. При очистке вод применяется также коэффициент биоаккумуляции, который равен отношению концентрации металлов в растении к концентрации металлов в загрязненной воде, в которой выращивалось растение. По этим коэффициентам, показывающим способность накапливать металлы в био- массе, осуществляется селекция растений для фитоэкстракции. Уже определены растения-супераккумуляторы металлов: сарептская горчица, люцерна, подсолнечник, сорго, ряд травянистых и некоторые зерновые культуры. Аграрии-практики хорошо знакомы с широким спектром растений (до 400 разных видов), аккумулирующих токсичные металлы, такие как Zn, Ni, Se, Co, Cu, Mn, Pb. На сегодняшний день для свинца известно 300 видов растений- супераккумуляторов, для кобальта – 26, меди – 24, цинка – 18, мар- ганца – 8, свинца – 5, кадмия – 1.

Как технологический прием фитоэкстракцию делят на два разных метода – индуцированную и непрерывную. Первый метод предполагает применение специфических хелатирующих агентов, образующих растворимые комплексы с металлами. Например, в качестве хелаторов служат ЭДТА (для свинца), ЭГТА (для кадмия), цитрат (для урана) и др. В комплексном виде тяжелый металл быстро усваивается и легко транспортируется по ксилеме в надземные органы растений. Непрерывная фитоэкстракция более долгосрочна, и ее основой является применение растений- супераккумуляторов. Следует отметить, что индуцированная фитоэкстракция является более развитым технологическим приемом. В свою очередь непрерывная фитоэкстракция успешно используется в случаях заражения почвы такими металлами, как ртуть, цинк, мышьяк, кадмий, никель, хром. Известно, что такие культуры, как подсолнечник и кукуруза, могут быть использованы для удаления из почвы ртути.

Как было установлено, растения, характеризующиеся супераккумулируюшими способностями в отношении токсичных металлов, наделены специфическими механизмами, позволяющими им внутри клетки в больших количествах накапливать эти металлы. Такими механизмами яв- ляются хелатирование металлов с эндогенными соединениями и ком- партментализация токсичных металлов и их комплексов. Среди раз- нообразных, характерных для растений механизмов очистки почвы следует отметить образование металлхелатных комплексов с фитосидерофорами (вещества, образующиеся в растительной клетке и способные связывать металлы в виде комплексов). В ризосфере фитосидерофоры связывают железо, медь, цинк, марганец, повышая их способность проникать через мембраны корневой системы растений и, таким образом, способствуют удалению этих металлов из почвы. Хелатирование ионов металлов специфическими лигандами уменьшает концентрацию ионов свободных металлов в почве и в воде, в результате чего снижается их фитоэкстрактивность. В числе других хелатообразующих соединений следует также выделить пептиды двух типов – металлотионеины и фитохелатины. Важным детоксикационным процессом, безусловно, является связывание металлов с органическими соединениями, существенно влияющими на токсичность таких металлов и неметаллов, как хром, селен и мышьяк. Растения обладают способностью через корневую систему устранять токсичный характер действия железа и других металлов. Это достигается благодаря накоплению металлов непосредственно в корневой системе или их транспорту по ксилемным сосудам растений. К числу специфических факторов, безусловно определяющих экологический потенциал растений, должна быть отнесена способность растений извлекать из почвы и водоемов соединения неметаллов и разбавлять их в воздухе. Примером могут служить растения, накапливающие и не накапливающие селен. И те, и другие активно усваивают селен корневой системой, удаляя этот элемент из почвы транспортом через подземные и надземные органы растений и превращением в летучие соединения (например, Н2Sе, АsН3) с последующим испарением листьями и разбавлением в воздухе. Известен еще ряд механизмов, характери- зующих способность отдельных видов растений усваивать и связывать металлы и неметаллы, удаляя их таким образом из почвы. Интересно, что благодаря высокой, генетически детерминированной толерантности некоторых растений к ряду металлов (пока по недостаточно четко установленным причинам) наличие токсикантов в почве не мешает накоплению растительной биомассы или течению таких характерных для растений метаболических процессов, как фотосинтез,фиксация молекулярного азота, синтез белка и вторичных метаболитов, синтез АТР, накопление сахаров и т. д.

Наглядным примером, демонстрирующим способность растений активно усваивать и испарять токсичные соединения из водных резервуаров, служат экспериментально подтвержденные факты, указывающие на способность не- которых водорослей поглощать из водной среды мышьяк с последующим выделением его (в форме арсина) в воздух. Не будет большой ошибкой предположить, что фитоэкстракционные технологии только начинают развиваться и, несомненно, впереди их ждут всеобщее признание и широкомасштабная практическая реализация.

Активный поиск растений-супераккумуляторов металлов и органических токсикантов, выявление генов, ответственных за фитоэкстракционные характеристики растений, установление последовательности биохимических превращений в процессе фитоэкстракции и, наконец, выявление технологических особенностей всего процесса – вот та минимально требуемая информация, которая, безусловно, позволит этой технологии уже в ближайшем будущем занять лидирующую позицию среди ныне существующих экологических технологий.

 

Ризофильтрация

 

Ризофильтрация по своей сути представляет собой адсорбцию и последующий транспорт токсикантов корнями растений. Как технология ризофильтрация объединяет биотические и абиотические процессы. При помощи богатых органикой экссудатов корневой системы растений на корнях происходят адсорбция и иммобилизация органических компонентов почвы, включая токсические соединения, последующий транспорт которых в основном определяется химической природой самих токсикантов. Как правило, экссудаты регулируют кислотность ризосферы, создавая подходящие условия для адсорбции почвенной органики на корневой системе растений. Способность растений создавать микросреду вокруг корневой системы, которая способствует концентрированию и проникновению компонентов почвы в растительные ткани, – это то уникальное свойство, которым растения отличаются от всех остальных организмов. В технологиях, действующих по принципу ризофильтрации, используют быстрорастущие, интенсивно образующие биомассу имеющие хорошо развитую корневую систему многолетние растения. В основном это широколиственные, однодольные растения, хорошо растущие в условиях и теплого, и холодного климата. Довольно высокой ризофильтрующей активностью отличается большинство водных и болотных растений, а также растения, тяготеющие к влажным условиям и тропикам. Очевидное преимущество ризофильтрационной технологии заключается в ее дешевизне и возможности использовать обычные растения, не нарушая в процессе обработки почвы ее структуру. Согласно другой технологии, с целью очистки водных резервуаров используют оригинальный технологический прием под названием «флот». Особенность этого приема заключается в создании из обычных неводных растений плавающей системы, распространен- ной на довольно большой площади и по принципу ризофильтрации вытягивающей из водного резервуара органические и неорганические токсичные соединения. Это довольно распространенная технология, которую использовали после Чернобыльской аварии для очистки водных резервуаров. Здесь же следует указать на низкую себестоимость этого метода очистки, стоимость которого, согласно некоторым данным, составляет на тысячу галлонов загрязненной воды (1 галлон – 3,78 л) всего лишь от 2 до 6 долларов США.

Ризодеградация

Это естественная технология, созданная природой и ею же реализованная с целью полной или частичной деградации токсичных соединений в области корневой системы растений до их проникновения в растение. Служит она чем-то вроде щита, предохраняющего растение от избыточного количества токсикантов, находящихся в почве. Как известно, корни активно выделяют экссудаты – клеточные соединения, содержащие ферменты, сахара, аминокислоты, органические кислоты, жирные кислоты, стимуляторы роста, нуклеотиды, вторичные метаболиты и т. д. Эти компоненты создают вполне определенное микроокружение в зоне корневой системы и в случае необ- ходимости меняют рН среды, обеспечивая оптимальные условия для размножения ризосферной микрофлоры. Кроме этого, корни подготавливают питательные компоненты и другие субстраты, повышая эффективность их усвоения и по возможности при помощи экссудатных ферментов осуществляя деградацию органических субстратов, находящихся в почве, в более низкомолекулярные и легкоусвояемые растениями соединения. Очевидно, внести принципиальные изменения в эту технологию, которая работает сама по себе, довольно трудно, но регулировать процесс, т. е. усиливать ризодеградационные процессы путем добавления в почву определенной органики и культур селективно отобранных микроорганизмов разных таксономических групп, безусловно, возможно. Ризодеградационные технологии используют в тех случаях, когда токсикантами являются углеводороды, нефтепродукты, толуол, бензол, этилбензол, ксилол, полиарома- тические соединения, антрацен, пирен, атразин, хлорметил, 2,4-Д и другие гербициды, пентахлорфенол и т.д. Таким образом, совместное действие растений и микроорганизмов, кроме симбиотического эффекта, существенно усиливающего детоксикационный процесс, удачно используется в разных технологических приемах. К активным ризодеградационным растениям могут быть отнесены люцерна, соя, бобовые, рис, подавляющее большинство кустарниковых растений, шелковица, ель обыкновенная и ряд других однолет- них и многолетних растений. Особенно следует отметить, что ризодеградационные технологии по сравнению с существующими аналогами более дешевы, экологически абсолютно безвредные и реализуемые практически во всех климатических зонах нашей планеты.

Фитодеградация

Фитодеградация, называемая также фитотрансформацией, – несомненно, один из основных и наиболее важных технологических приемов фиторемедиации. Фитодеградация основана на возможности растений осуществлять ферментативную (чаще всего окислительную) деградацию органических токсикантов путем характерных для растительных клеток метаболических превращений. При этом, очевидно, происходит удаление из почвы и неорганических токсикантов, но этот процесс рассматривается не как основной, и его эффект не учитывается. Фитодеградация, осуществляемая растениями в комбинации с ризосферными микроорганизмами, часто применяется на практике, составляя основную суть фиторемедиации. Несомненно, микроорганизмы первыми атакуют трудно поддающиеся фитодеградации структуры токсикантов, однако следует отметить, что в зависимости от почвы, состава ризосферных микроорганизмов, вегетационных процессов растений и других факторов, влияющих на набор и активность внеклеточных ферментов, чаще всего в почве обнаруживаются и активно действуют лактазы (К.Ф. 1.14.18.1), пероксидазы (К.Ф. 1.11.1.7), дегалогеназы (К.Ф. 3.8.11), дегидрогеназы (К.Ф. 1.2.1), нитроредуктазы (К.Ф. 1.6.6), которые активно принимают участие в начальных реакциях трансформации токсикантов, способствуя их проникновению в растения. Фитодеградационные технологии широко применяются на практике. Они используются при высоких концентрациях токсикантов самой различной структуры, но преимущественно в тех случаях, когда почвенные микроорганизмы оказываются не в состоянии снизить концентрацию органических токсикантов в почве до требуемого для растений уровня (перед их проникновением в растение). Фитодеградация оказалась эффективным средством в следующих случаях токсичности: при заражении почвы или местности высокими концентрациями алифатических, ароматических и полициклических углеводородов, фенолов, гербицидов, ТНТ и др. Фитодеградация используется и при очистке почв от твердых и жидких фаз. Технология фитодеградации уже нашла применение при ремедиации больших площадей, зараженных токсикантами. Среди не очень обширного набора специальных агротехнических мероприятий, требуемых для успешной реализации этой технологии, следует отметить частый полив водой обрабатываемой площади. Это, с одной стороны, ускоряет внутриклеточные метаболические процессы, а с другой – промывает корни растений и удаляет адсорбированные на них органические вещества, ускоряя таким образом процессы проникновения токсикантов в растение. Как было отмечено, технология фитодеградации используется в случае заражения почв органическими токсикантами. Несмотря на то, что вполне определенными фитодеградационными свойствами характеризуются практически все высшие растения, на практике лучшие фитодеградационные характеристики проявили однолетние растения (овсяница, хрен, люцерна), древесные растения (дуб, кипарис, ива, тополь), а также водоросли. Следует отметить, что применение водорослей представляет отдельную отрасль фиторемедиации и такие технологии называют фикоремедиацией (от фико – водоросль), технологии, основанные на использовании деревьев, – дендроремедиацией (от дендро – дерево). В фитодеградационных технологиях обязательно должна учи- тываться возможность ингибирования роста некоторых растений под действием химических соединений, образованных другими деревьями. Этот эффект известен под названием аллелопатии. Особенно часто аллелопатию можно наблюдать во время вегетационных процессов на плантациях с самыми разными растениями.

 

Фитоволотализация

Разнообразие экологических технологий, основанных на уникальных свойствах растений, позволило создать ряд не имеющих аналогов фитобиотехнологий, одними из которых, безусловно, являются технологии, созданные по принципу фитоволотализации. Что представляют из себя эти технологии, в чем заключается их оригинальность? Исходя из способностей, присущих только растениям, оказалось возможным выделять в воздух токсиканты, которые довольно интенсивно проникают в корневую систему растений после их соответствующего транспорта в надземные органы. Вот технологическая сущность фитоволотализации, позволяющая по совершенно оригинальному методу осуществить ремедиацию требуемого объекта. Эта технология оказалась вполне пригодной для очистки почв, водоемов и в особенности глинистых почв, хуже обычных поддающихся восстановительным процессам. В числе токсичных соединений, очистка которых достаточно эффективно достигается посредством фитоволотализации, следует отметить широкий спектр органических соединений, в том числе отличающихся особо высокой токсичностью хлорорганических соединений, неорганических токсичных соединений, соединений на основе селена, ртути и др. Несмотря на относительную универсальность, этот технологический прием в ряде случаев имеет серьезные ограничения. Например, в случае с сельскохозяйственными растениями, помимо процесса транспирации, наблюдается переход токсичных соединений в плоды растений. Следовательно, в этих технологиях не рекомендуется использовать сельскохозяйственные растения. Также не желательно пользоваться ими вблизи от агроферм, где легкий ветер может стать причиной появления токсикантов в пищевой цепи. Среди растений, используемых для фитоволотализации, следует назвать тополь, люцерну, акацию, травянистые растения и др. С этой целью в ряде случаев уже успешно используются генетически модифицированные растения.

Фитогидравлика

Технологию гидравлического контроля уровня воды и содержания токсикантов, осуществляемого растениями, называют фитогидравликой. Метод в основном предназначен для очистки грунтовых вод, очень часто имеющих жизненно важное значение. Понятно, что для фитогидравлических технологий используют древесные растения с хорошо развитой корневой системой, которые вместе с водой «вытягивают» из грунта широкий спектр органических и неорганических токсичных соединений, что, собственно, и составляет сущность этих технологий. Из технологических соображений наиболее подходящими растениями для этих целей оказались тополь, береза, ива, эвкалипт и другие лиственные растения. Следует отметить, что успешное практическое осуществление фитогидравлических технологий в значительной степени определяется климатом. В частности, все перечисленные выше и в первую очередь лиственные растения в зимнее время значительно снижают физиологическую активность, направленную на метаболизм чужеродных соединений.