Метод очистки загрязненных территорий с помощью растений вызывает все больший интерес у ученых. Так, сегодня фиторемедиация позволяет восстанавливать почву даже городских территорий. Под руководством кандидата сельскохозяйственных наук Святослава Лоскутова Научно-образовательный центр «Зимний сад» Ленинградского государственного университета имени А. С. Пушкина проводит исследование по использованию бархатцев для удаления из почвы тяжелых металлов. На данном этапе ученые запускают в Ленинградской области первый в России пилотный проект, чтобы на одном гектаре бывшего мусорного полигона высадить цветочно-декоративные растения.
Открытие и преимущества «зеленой технологии»
Слово «фиторемедиация» состоит из двух частей, греческой «phyton», которая переводится как «растение», и латинской «remedium», что означает «восстанавливать». То есть суть данной технологии заключается в механизмах восстановления и улучшения качества природных территорий, которые активируются благодаря жизнедеятельности растений, произрастающих на этих участках.
Первые эксперименты с технологией в 50-е годы ХХ века провели израильские ученые. Однако научное обоснование и сам термин «фиторемедиация» появились лишь в конце 80-х–начале 90-х годов благодаря американским исследователям Вячеславу Душенкову и Илье Раскину. В 2000-х годах они опубликовали знаковую статью под названием «Фиторемедиация: Зелёная революция в экологии», в которой подчеркнули уникальные способности некоторых растений извлекать из почвы токсичные элементы, включая тяжелые металлы, металлоиды и радиоактивные нуклиды.
Фиторемедиация оказалась не только эффективным, но и более экономичным способом очистки загрязненных территорий по сравнению с традиционными методами. Хотя она требует больше времени, ее преимущества становятся очевидными. В отличие от традиционных технологий, предполагающих выемку верхнего слоя грунта, его вывоз и утилизацию, а затем завоз плодородной земли, фиторемедиация определенно менее затратный метод восстановления экосистемы в долгосрочной перспективе.
В мире стоимость традиционных способов очистки почвы и метода фиторемедиации принято оценивать в долларах. По расчетам западных специалистов, затраты на физико-химическую очистку верхнего плодородного слоя варьируются от 200 до 1 000 $ за 1 м³. В то же время стоимость фитоэкстракции — всего от 1– 25$ за тот же объем. Запуск пилотных проектов в России позволит определить среднюю стоимость технологии для различных регионов в национальной валюте. Одно из главных преимуществ метода в том, что при его применении не требуется высококвалифицированный персонал или дорогостоящее оборудование. Нужно всего лишь грамотно подобрать и высадить подходящие растения. После завершения процесса достаточно утилизировать загрязненную растительную биомассу, используя такие способы, как сжигание или компостирование.
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.
Деятельность НОЦ инновационного растениеводства «Зимний сад» ЛГУ им. А. С. Пушкина сосредоточена на фиторемедиации городских почв. Ученые работают с цветочно-декоративными культурами, используемыми для озеленения, в частности, при создании мавританских газонов, состоящих из разнообразных трав, однолетних и многолетних цветов. Такие газоны косят всего один раз в год. Исключение составляют бобово-злаковые травосмеси, используемые для партерных газонов. Для них выбирают ровные участки без дефектов, им требуется достаточное освещение и умеренная влажность.
Однако высшие цветковые растения имеют значительные преимущества в создании эстетически привлекательной городской среды, что положительно влияет на психоэмоциональное состояние жителей мегаполисов. Эта практика отвечает концепции «зеленого урбанизма» и способствует экологически ориентированному городскому планированию.
«Мы выбрали род бархатцы (Tagetes) из семейства сложноцветных как идеальных кандидатов для озеленения. Этот выбор основан на зарубежных исследованиях, проведенных за последнее десятилетие по данным культурам. Наиболее распространённые виды — бархатцы прямостоящие и отклонённые — могут успешно высаживаться в городах: в скверах, парках и у автомагистралей. Бархатцы неприхотливы в уходе, имеют короткий срок вегетации и разнообразное хозяйственное применение. Они эффективно поглощают тяжёлые металлы, такие как медь (Cu), цинк (Zn), свинец (Pb) и кадмий (Cd). Особенно стоит отметить, что по извлечению свинца бархатцы сравнимы с известным гипераккумулятором сельхозугодий горчицей сарептской, а по извлечению меди даже превосходят её», — отметил Святослав Лоскутов.
Дополнительные условия для высадки растений не требуются, достаточно подготовить почву, убрав мусор и сорняки.
Несмотря на то, что метод фиторемедиации сезонный, у него есть ряд преимуществ. В отличие от сельхозугодий, однолетние декоративные культуры, такие как бархатцы, можно циклично выращивать на одном месте. Ученые планируют реализовывать 2-3 цикла посевов за сезон, в зависимости от почвенно-климатических условий. Их корневые выделения улучшают «микробное здоровье» почвы, насыщая почвенные бактерии. Без достаточного количества питательных веществ микроорганизмы не смогут развиваться, и почва станет «мертвой». Положительное влияние растений на почву связано с образованием растительно-микробных симбиосистем.
Селекция и исследование гипераккумуляторов
В НОЦ функционирует тепличный комплекс, работающий круглый год, где ученые проводят скрининг цветочно-декоративных растений. Учитывая, что каждая культура обладает устойчивостью к определенным металлам, исследователи занимаются подбором и размножением растений, способных эффективно поглощать конкретные загрязнители. Эти культуры впоследствии районируют и адаптируют к природно-климатической зоне.
В России фиторемедиацию применяют на загрязнённых постиндустриальных территориях и мусорных полигонах. В частности, в Сосновом Бору Ленинградской области научно-образовательный центр запускает пилотный проект по рекультивации одного гектара террикона, где высадят растения-гипераккумуляторы.
«Это первый масштабный проект в России, когда цветочно-декоративные культуры подобраны с учетом специфики определенных загрязнителей. На данный момент терриконы интересуют нас еще и как объекты для создания экотроп и развития экотуризма. Мы предлагаем засеять такие территории цветами, кустарниками, чтобы превратить эти подчас отпугивающие и ничем не примечательные насыпи в большие красивые „куртины“ и „клумбы“, — пояснил заведующий центром.
В настоящее время центр сосредоточен на работе в Северо-Западном федеральном округе, изучая районированные сорта растений. Исследователи активно ведут переговоры о внедрении технологии фиторемедиации на территориях промышленных предприятий Ленинградской области.
Способы утилизации растений и фитомайнинг
На конференциях, где ученые рассказывают о своих разработках, один из самых часто задаваемых вопросов — утилизация растений, вобравших в себя загрязнители. Здесь стоит отметить, что фиторемедиация действительно экологически безопасный метод, утилизировать растения можно компостированием или сжиганием в специальных печах с фильтром. Интересно, что полученная зола представляет собой биоруду, которую можно повторно использовать в качестве вторичного сырья.
Всё более востребованным становится направление, известное как фитомайнинг, активно применяемое в Бразилии и США. При этой технологии культуры высаживают рядом с рудниками, где добывают металлы. Когда растения достигают зрелости, почву обрабатывают реагентом, который растворяет содержащиеся в ней металлы. После сбора растительной массы её утилизируют как с помощью сжигания, так и с помощью пиролиза (термического разложения биомассы при отсутствии кислорода), а из полученного сырья извлекают необходимые металлы. Им находят применение в энергетике, медицине и производстве электроники.
«Огород у дома», оцифровка данных и будущее технологии
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.
Экологические ГИС-карты помогают выявить районы с более чистым воздухом, что делает их важным инструментом при выборе жилья. Ученые и девелоперы предполагают, что следующим шагом станет оцифровка информации о состоянии почв в мегаполисах, перед проведением новой застройки. На специализированных сайтах пользователи смогут узнать, сколько времени потребуется для восстановления экосистемы и какие технологии будут использованы в этом процессе. Подобные тенденции уже наблюдают в некоторых промышленных зонах, где люди живут и работают.
В перспективе ученые планируют модернизировать фиторемедиацию при помощи инокуляции растений эффективными штаммами бактерий, выделенными из прикорневой зоны металлоустойчивых культур. Внесение этих бактерий в почву способствует выживанию и развитию растений в сложных условиях. Еще один подход — использование органических соединений на основе гуматосодержащих веществ, при котором в почву добавляются гуминовые и фульвовые кислоты. Гуминовые кислоты, растворимые в щелочах и нерастворимые в кислотах, образуются при разложении растений и их гумификации с участием микроорганизмов. Они востребованы в органическом земледелии, так как улучшают структуру почвы. Фульвовые кислоты, представляющие класс гумусовых кислот, действуют как «проводники», способствуя усвоению питательных веществ даже из обедненных субстратов. Для максимального эффекта их рекомендуется сочетать с минеральными удобрениями, снижая долю последних. Эти вещества представляют собой экстракты, полученные из различных источников, например, используют сапропель — природное органическое удобрение, получаемое из донных отложений озер и прудов.
Профессия будущего
Непрерывное развитие городов акцентирует внимание на их территориях и качестве жизни людей, что делает процессы очистки, улучшения и «оздоровления» почв неотъемлемой частью экологических программ. В результате этого растет спрос на специалистов в области агрономии, биотехнологии, агроэкологии, агрохимии и почвоведения.
«Молодым людям, поступающим в университеты, я советую обязательно обращать внимание на научные центры, их разработки и техническое оснащение. Эти факторы будут определять вектор вашего развития», — поделился ученый.
Святослав Лоскутов также рассказал об отношении к профессии и о своем подходе к исследованиям. «В профессии, на мой взгляд, самое главное — это любить свою работу, быть наблюдательным и внимательно следить за природой. Когда человек увлечен своим делом, он искренне и качественно выполняет свои обязанности, что в значительной степени способствует достижению успеха. Мой девиз — любить свое дело и стремиться двигаться вперед! Еще для меня важно уметь переключаться на хобби. Это способствует решению научных задач и дает заряд бодрости, приносит свежие идеи. Поэтому в любой сфере, чем бы вы ни занимались, важно находить что-то свое!»
Светлана Минеева
