Перспективы использования различных растений с целью фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами

Введение. Рост городов и повышение антропогенной активности все более актуализируют проблему загрязнения лекарственного растительного сырья и почв различными экотоксикантами, в связи с чем возникает острая необходимость проведения контроля их качества и экологической чистоты.

Одними из наиболее опасных экотоксикантов в силу высокой токсичности, устойчивости в окружающей среде и способности к биологической миграции являются тяжелые металлы (ТМ). Они обладают способностью к аккумуляции в почве и лекарственном растительном сырье.

На сегодняшний день для очищения почв от ТМ используют химические методы: выщелачивание и перевод металла в трудноподвиж- ную форму. Эти методы недостаточно эффективны [1].

В связи с этим перспективно использование потенциала растений с целью восстановления и очищения почв [2, 3].

Метод биологической реставрации загрязненных почв с помощью растений-гипераккумуляторов, называемый фиторемедиацией, является достаточно эффективным, экологически безопасным и экономически выгодным, но длительным по времени. Фиторемедиация в 2–4 раза экономически эффективнее, чем срезание и захоронение загрязненного верхнего слоя почв [4–9].

Фиторемедиация состоит из следующих этапов:

• I.    Высадка перспективных для фиторемедиации растений, способных аккумулировать соответствующие ТМ;

• II.    Создание условий для культивации этих растений;

• III.    Сбор фитомассы с последующей утилизацией методом сжигания или компостирования.

Длительность и периодичность повторения процедуры фиторемедиации может регулироваться по мере необходимости в течение нескольких лет до устойчивого снижения содержания ТМ в почве до допустимого уровня [10].

В зависимости от механизма воздействия на экотоксикант различают следующие направления фиторемедиации:

• 1)    фитоэкстракция – поглощение и аккумуляция экотоксиканта в растении-гипераккумуляторе. Один из наиболее распространенных методов [11]. Выделяют три типа фитоэкстракции: накопление ТМ в корнях, в верхних частях растений, а также во всей биомассе растений [12, 13];

• 2)    фитостабилизация – перевод в корневой зоне растения ТМ из растворимой формы в нерастворимую [14];

• 3)    фитодеградация – метаболизм ТМ растениями при участии растительных ферментов [15];

• 4)    фитоиспарение – экстракция ТМ из почв и выделение его растением в газообразной форме;

• 5)    ризодеградация – разложение экотоксиканта в прикорневой зоне растений микроорганизмами. Применим преимущественно для очищения почв от органических экотоксикантов.

Однако на сегодняшний день фиторемедиация является недостаточно изученной и непрогнозируемой технологией. Это связано в первую очередь с низким уровнем изученности протекающих в растениях биохимических процессов, отсутствием четких технологий фиторемедиации, применимых для конкретных регионов, определенных типов почв и экотоксикантов. Для широкомасштабного внедрения технологии фиторемедиации не существует конкретного перечня растений-гипераккумуляторов, мало изучены механизмы накопления ТМ в растительных организмах [16].

Целью данной работы является обзор перспективных с точки зрения фиторемедиации растений-гипераккумуляторов.

Для решения задач фиторемедиации применяются растения различных родов, семейств, порядков, классов, а также отделов, включая цветковые, голосеменные, папоротники, мхи и водоросли [17].

Наиболее перспективные растения-гипераккумуляторы должны обладать следующими характеристиками: устойчивость к накапливаемому экотоксиканту; способность к накоплению сразу нескольких ТМ; способность к быстрому транспорту токсичных элементов в надземные органы; быстрый рост и высокая биопродуктивность; способность к быстрому вегетативному возобновлению после скашивания; сильная корневая система; устойчивость к различным болезням; удобство уборки и непривлекательность для животных [18–20]. В настоящее время не выявлено ни одно растение, которое могло бы соответствовать всем вышеперечисленным критериям [21].

Способность растений к очищению почв от ТМ ограничена несколькими факторами, к которым относятся доступность элемента для его поглощения корнями растений, скорость его всасывания, перемещения ТМ из корня в надземную часть, а также устойчивость растения к биохимическому воздействию экотоксиканта [10].

В соответствии с зарубежной классификацией растений по ответной реакции на присутствие в среде произрастания ТМ выделяют три основные группы: растения-исключатели, растения-индикаторы и растения-гипераккумуляторы [22].

Растения-исключатели удерживают ТМ преимущественно в корнях, которые способны к избирательной проницаемости, т.е. могут пропускать сквозь себя одни экотоксиканты, не пропуская другие.

Растения-индикаторы способны активно аккумулировать ТМ, обычно толерантны к существующему уровню их концентрации благо- даря образованию внеклеточных металлсвязывающих соединений (хелаторов) и способны менять характер воздействия элемента путем его запасания в нечувствительных к ТМ участках.

Гипераккумуляция представляет собой одну из стратегий устойчивости растений к ТМ, связанную со способностью концентрировать их в тканях надземных органов. Термин «гипераккумулятор» относится к растениям, способным накапливать ТМ в побегах до концентраций, в 100–1000 раз превышающих таковые у обычных растений [10].

Гипераккумуляция ТМ у растений обеспечивается за счет эффективной адсорбции и поглощения ионов из почвы, устойчивости транспортной системы растения к ТМ, эффективности механизмов детоксикации металлов и сохранения ионного гомеостаза, повышенной металлосвязывающей способности клеточных стенок. В надземных частях растений-сверхнакопителей детоксикация ТМ достигается за счет их хелатирования, внутриклеточной компартментации в апопласте и вакуолях или аккумуляции в трихомах листьев и эпидермисе. Однако растения-гипераккумуляторы характеризуются низкой способностью к накоплению биомассы.

Доказано, что синтетические хелатообразующие агенты способствуют повышению концентрации ТМ в почвенном растворе [23]. Некоторые органические кислоты, например эти-лендиаминтетрауксусная (ЭДТА), повышают доступность ТМ для растений, выполняя роль транспортного средства в растительном организме. Поступающие в растения комплексы ТМ и ЭДТА накапливаются преимущественно в их надземных частях, что способствует эффективному очищению почвы от ТМ [24].

Однако органические кислоты могут ухудшать свойства почвы, подкислять ее. В связи с этим с целью увеличения содержания в почве подвижных форм ТМ рекомендуется предварительная высадка хотя бы одного вида древесных растений-мелиорантов: липы мелколистной Tilia cordata, липы крупнолистной Tilia platyphyllos, кизильника черноплодного Cotoneaster melanocarpus, яблони домашней Malus domestica, ивы пятитычинковой Salix pentandra, ивы ломкой Salix fragilis, ореха манчьжурского Juglans mandshurica, сосны обыкновенной Pinus sylvestris, ореха серого Juglans cinerea, бузины кистевидной Sambucus racemosa. Это способствует более интенсивной очистке почв без дополнительных обработок [25].

Также установлено положительное влияние воздействия постоянного магнитного поля на семена сои Glycine, листового салата Lactuca sativa и фасоли Phaseolus при использовании их для фиторемедиации почв, загрязненных ионами свинца и меди [26].

В настоящее время изучено порядка 400 видов растений-гипераккумуляторов, относящихся к 45 семействам. Преимущественно это представители семейств капустных Bras-sicaceae , гвоздичных Caryophyllaceae , мятликовых Poaceae , флакуртиевых Flacourtiaceae , сложноцветных Asteraceae , осоковых Cype-raceae , кунониевых Cunoniaceae , бобовых Fabaceae , фиалковых Violaceae , губоцветных Lamiaceae и молочайных Euphorbiaceae [27]. При этом около 75 % из них являются аккумуляторами никеля. Около 30 видов могут накапливать цинк, кобальт и медь.

Перечень гипераккумуляторов цинка включает более 20 видов, представленных преимущественно растениями семейства крестоцветных Brassicaceae . Они способны аккумулировать сразу несколько металлов: медь, кадмий, никель, селен, свинец и цинк, по этой причине их использование в фиторемедиации перспективно, так как почвы загрязнены, как правило, несколькими видами металлов одновременно. Свинец и кадмий способны накапливать очень малочисленные представители высших растений.

Однако большинство видов растений-гипераккумуляторов сравнительно небольшие по размерам, относительно медленно растут, а также специализированы на гипераккумуляции небольшого числа ТМ, что ограничивает возможности их использования для широкомасштабной очистки загрязненных почв [10]. Так, для ярутки Thlaspi caerulescens характерна гипераккумуляция только кадмия и цинка [28], алисссум Alyssum sp. накапливает никель и кобальт [29], артраксон щетинистый Arthraxon hispidus аккумулирует свинец, цинк и мышьяк [30]. Изучение сосны юнь-нанской Pinus Yunnanensis и сосны Массона Pinus Massoniana выявило, что при загрязнении почвы молибденом, хромом, никелем, кадмием, медью наблюдается их избирательная способность к накоплению только кадмия [31].

Было предложено использование деревьев с интенсивной транспирацией, глубокой корневой системой, быстрым ростом и высокой продуктивностью в качестве растений-фитоэкстракторов [32]. Наиболее распространено использование ивы Salix spp. и тополя Populus spp. для экстракции кадмия и цинка из загрязненных почв [32, 33]. Однако главными недостатками обычных древесных культур является невысокое концентрирование ТМ и, соответственно, низкая степень извлечения экотоксикантов из почв, что ставит под сомнение целесообразность их использования в фиторемедиации [34].

Большая группа растений-гипераккумуляторов также принадлежит семейству злаковых Poaceae . Перспективным фитосорбентом кобальта, марганца и хрома является мискантус китайский Miscanthus sinensis , который ранее использовался в декоративных целях. Также высокую способность накапливать ТМ имеют костер полевой Bromus arvensis и плевел многолетний Lolium perenne [35].

Выведение древесных пород и других растений с высокой устойчивостью и способностью к поглощению ТМ является важным направлением генной инженерии [36, 37]. Разрабатываются также подходы, обеспечивающие увеличение скорости роста и биомассы растений-гипераккумуляторов при помощи генноинженерных приемов, таких как введение генов, кодирующих признаки, характерные для растений-гипераккумуляторов (например, синтез различных металлосвязывающих пептидов) [38]. Высокую эффективность в фиторемедиации продемонстрировала трансформированная с помощью генной инженерии культура табака сизого Nicotiana glauca [39].

Разработан фиторемедиационный способ очистки почв, основанный на использовании генетически модифицированных растений, обладающих повышенной способностью к аккумуляции металлов, например трансгенной петунии [40] или генетически модифицированной горчицы сарептской Brassica juncea [41], эффективно извлекающих из почв избытки хрома, молибдена, кадмия, урана.

Клеточная селекция также перспективна для получения растений, имеющих повышенный коэффициент поглощения ТМ [42].

Наряду с применением клеточной селекции и генной инженерии накопление ТМ растениями может быть усилено за счет использования различных агротехнических приемов, в т.ч. семенного контроля, удобрения, изменения плотности посева, известкования, ирригации, севооборота, сокращения цикла фитоэкстракции [43, 44].

Существует фиторемедиационный способ очистки почв с помощью однолетних сельскохозяйственных культур – кукурузы Zea mays и пшеницы Triticum [45] или сафлора Carthamus [46]. Кроме того, овес Avena sativa , гречиха Fagopyrum esculentum , бобы Vicia faba и соя Glycine показывают высокую толерантность к загрязнению ТМ и характеризуются способностью накапливать их в фитомассе, что позволяет использовать эти растения в качестве фиторемедиантов [47].

Для очистки загрязненных ТМ сельскохозяйственных угодий применяют растения вики Vicia и рапса Brassica napus . Вика Vicia улучшает микроструктуру почвы и повышает ее насыщенность азотсодержащими компонентами, что способствует росту эффективности фитоэкстракции ТМ. Растения рапса Brassica napus хорошо накапливают биомассу, аккумулируют медь и могут с успехом применяться для фиторемедиации загрязненных почв [48].

Отмечается также возможность применения подсолнечника Helianthus как перспективного фиторемедианта меди и никеля [16].

В ходе изучения семейства капустных Brassicaceae был выявлен аккумулятор никеля, меди и цинка – резуха стреловидная Arabis sagittata, а также гипераккумулятор никеля – бурачок Alyssum murale. Данные растения могут быть использованы как модель для разработки технологий очистки среды от избытка ТМ [49]. Кроме того, установлена способность горчицы сарептской Brassica j'uncea накапливать в клетках и межклеточном пространстве значительное количество цинка [50]. Хорошим гипераккумулятором является и горчица белая Sinapis alba, способная накапливать кадмий, ртуть, свинец, медь и цинк, особенно когда их содержание в почве превышает предельно допустимые концентрации. Наряду с горчицей белой Sinapis alba отмечается эффективность сафлора Carthamus tinctorius. Установлено, что данный вид при чередовании с горчицей белой Sinapis alba за 4 года снижает до безопасного уровня концентрацию кадмия, цинка, свинца и меди [51].

Среди многолетних растений в качестве фиторемедианта применяют свербигу восточную Bunias orientalis , которая отличается более высокой экологической устойчивостью, биологической продуктивностью, мощной корневой системой и большой аккумулирующей способностью в отношении мышьяка и ТМ [52].

В целях фиторемедиации может использоваться высадка травосмесей. Так, вдоль автомобильных дорог рекомендована высадка следующего состава: пасленовые Solanaceae (4050 %), крестоцветные Brassicaceae (20-30 %), астровые Asteraceae (20-25 %), бобовые Fabaceae (10-15 %), злаковые (10-15 %) [53].

Применяется травосмесь и другого состава: райграс высокий Arrhenatherum elatius (10 %), тимофеевка луговая Phleum pratense (30 %), донник желтый Melilotus officinalis (20 %), овсяница луговая Festuca pratensis (30 %), люцерна желтая Medicago falcata (10 %), - с последующим ее скашиванием на стадии вегетационного периода и уборкой. Добавка буроугольной крошки способствует улучшению параметров роста травосмеси, что приводит к увеличению массы извлекаемых из почвы ТМ [54].

Обнаружено, что смесь растений семейства сложноцветных (бодяка полевого Cirsium arvense, полыни горькой Artemisia absihthium, одуванчика лекарственного Taraxacum officinale, тысячелистника обыкновенного Achillea millefolium), злаковых (мятлика лугового Poa pratensis) и бобовых (клевера лугового Trifolium pratense) (1:1:1) обладает значительной способностью к накоплению ТМ в надземных частях растений. Травы рекомендовано скашивать на стадии активного роста, высушивать и утилизировать. Процедуру циклично повторяют по мере роста надземной части [55].

Изучен и предложен состав смеси трав для фиторемедиации загрязненных почв на территории меднорудных предприятий южного Урала. Смесь включает в себя следующие растения: пырей ползучий Elytrigia repens , житняк гребенчатый Agropyron cris-tatum , мятлик луговой Poa pratensis , овсяница луговая Festuca pratensis . Данный выбор трав обусловлен их биоаккумуляционной способностью в отношении к ТМ. У всех исследуемых растений ТМ из корней транспортируются в надземные органы с транспирационным током [56, 57]. Распределение ТМ в надземной части изученных растений можно представить в следующих рядах убывания:

• -    житняк гребенчатый Agropyron crista-tum : (железо, медь, цинк, свинец) > никель > кадмий;

• -    овсяница луговая Festuca pratensis : цинк > никель > (железо, медь, кадмий, свинец);

• -    пырей ползучий Elytrigia repens : (медь, никель, цинк) > железо > свинец > кадмий;

• -    мятлик луговой Poa pratensis : (свинец, никель, цинк) > кадмий> (железо, медь) [58].

Декоративные растения, такие как бархатцы French marigold , Tagetes [59, 60], бальзамин Balsamine и папоротник нефролепис Nephrolepis auriculata [61], также используют с целью фиторемедиационной очистки почв, загрязненных кадмием и медью.

Одной из наиболее распространенных декоративных цветочных культур, используемых для озеленения городов России, является цинерария серебристая Cineraria Silverdust . Установлено, что растение наиболее активно накапливает цинк и может быть рекомендовано в качестве фиторемедианта почв, загрязненных данным металлом [62].

Отмечается высокая сорбционная способность таких декоративных травянистых расте- ний, как агератум Гаустона Ageratum Hous-tonianum, лобулярия приморская Alyssum ma-ritimum, космея серно-желтая Cosmos sulphu-reus, лебеда садовая Atriplex hortense. Они обладают хорошей приспособляемостью, высоким уровнем накопления биомассы и могут быть рекомендованы к использованию в технологии восстановления почв, загрязненных ТМ [63].

Для решения проблемы избыточных концентраций ТМ в городских почвах может применяться декоративное растение хрустальная травка Mesembryanthemum crystallinum . Отметим отдельно, что существует несколько сортов хрустальной травки с различным окрасом венчика, что отвечает требованиям эстетичности [48].

Имеются данные об использовании пиона молочноцветкового Paeonia lactiflora как фиторемедианта почв, загрязненных ТМ, в условиях мегаполиса (Москва). Обнаружено, что при выращивании в течение трех лет культура уменьшает загрязнение верхних слоев почв медью и свинцом – на 17 % и 9 %, цинком и кадмием – на 23 % и 21 % соответственно [64].

Также способностью к аккумуляции свинца и меди обладает амарант Amaranthus [65].

Среди древесных растений в качестве фи-торемедиантов рекомендовано использовать гледичию трехколючковую Gleditsia triacan-thos и карагану древовидную Caragana arbo-rescens . Растения характеризуются высоким уровнем накопления биомассы даже на деградированной, загрязненной ТМ почве, отмечается высокая сорбционная способность [66].

В озеленении крупных городов для снижения содержания цинка в почвах рекомендовано использовать тополь черный Populus nigra [67].

В целях фиторемедиации загрязненных ТМ пойменных почв может быть использована естественная пойменная растительность, среди которой наибольшей извлекающей способностью в отношении ТМ обладает ива Salix , аккумулирующая в высоких концентрациях цинк и марганец [68].

Разработаны способы фитомелиорации почв, которые подразумевают высев семян одуванчика лекарственного Taraxacum officinale в загрязненную почву, выращивание растений до фазы формирования цветоносных побегов, многократное скашивание и удаление зеленой массы. Также предлагается при начале формирования листьев вносить в почву борную кислоту в дозах от 0,5 до 10,0 кг/га, что позволяет на 20–80 % увеличить вынос токсичных элементов из почвы [69].

Установлена возможность использования топинамбура Helianthus tuberosus в качестве растения-фиторемедианта для реабилитации почв, загрязненных Fe, Co, Cr, Mn, V и Sr [70].

Люпин узколистный Lupinus angustifolius является перспективным фиторемедиатором для песчаных почв, особенно для территорий с холодным и дождливым летом. Корневая система растения способна растворять и поглощать труднорастворимые фосфаты ТМ благодаря выделению ей анионов органических кислот. Люпин узколистный Lupinus angu-stifolius перспективен для аккумуляции никеля и кадмия [64, 71–74].

Таким образом, выявлено, что растения, произрастающие на загрязненных ТМ почвах, имеют значительный потенциал для применения их в целях фиторемедиации [75].

Заключение. Проведенный анализ литературных данных показал, что в настоящее время существует широкий спектр способов фиторемедиации и значительный перечень растений, используемых для очищения почв, загрязненных ТМ. Преимущества фиторемедиации состоят в возможности произведения ремедиации в естественной среде, относительно низкой себестоимости проводимых работ, безопасности метода для окружающей среды, теоретической возможности экстракции ценных веществ (золото, никель, медь и др.) из зеленой массы растений, а также в возможности мониторинга процесса очистки почв. Однако фиторемедиация как метод очистки почв имеет свои недостатки, к которым относится значительная длительность процесса (несколько лет), цитотоксичность промежуточных продуктов для растительных организмов, значительная зависимость процесса от скорости роста растений. Таким образом, для загрязнений, которые приводят к возникновению острых рисков для человека и окружающей среды, фиторемедиация не может быть выбрана методом восстановления. Фито- ремедиация лучше всего подходит для территорий, где контакт человека с загрязнениями ограничен, или там, где почвы не требуется очистить немедленно. Для фиторемедиации используют разные виды растений, а также способы генной инженерии и др. Однако выбор растений-фито- ремедиантов в каждом конкретном случае индивидуален и зависит от разных факторов и состава почвы. Стоит отметить необходимость продолжения исследования растений-фиторе-медиантов, способных извлекать из почвы и накапливать тяжелые металлы.