Способ очистки почв от загрязнений цинком Российский патент 2023 года по МПК B09C1/00 A01B79/02 

Изобретение относится к экологии, в частности, к сельскому хозяйству, и может быть использовано при проведении специальных мероприятий по снижению содержания в почвенных ценозах c повышенными концентрациями тяжелых металлов, а именно цинка.

Традиционные физико-химические способы очистки почвы, зачастую являются чрезвычайно дорогостоящими, влекут за собой создание новых отходов, требующих утилизации, снижают плодородие почвы или делают ее непригодной для сельскохозяйственного использования.

В настоящее время известно, что очистка почв от загрязнений тяжелыми металлами с помощью растений является одним из наиболее перспективных экологически безопасных и экономически выгодных методов, и в частности, может быть применим для восстановления земель сельскохозяйственного назначения для подготовки к ведению органического сельского хозяйства.

Из уровня техники известен способ биологической очистки почв (патент RU № 2231944, опубл. 27.01.2004), который включает высев семян растений в загрязненную тяжелыми металлами почву, скашивание и удаление зеленой массы. Используют семена одуванчика лекарственного в количестве 1,95-24,3 млн. штук на 1 га. После прорастания семян растения доводят до фазы образования розетки листьев. Скашивание и удаление растений производят многократно до образования семян. Способ позволяет существенно снизить содержание тяжелых металлов в загрязненных почвах.

Существенным недостатком данного способа является высокая регенеративная способность растений одуванчика и трудоемкость удаления их подземной части, что может приводить к дополнительной засоренности последующих посевов сельскохозяйственных культур.

Известен также способ (патент RU № 2181933, опубл. 10.05.2002) рекультивации земель, нарушенных при добыче угля, при котором сначала проводят планировку поверхности, затем посев семян многолетних растений, обработанных культурами Azotobacter chroococcum Mut 1 В-35 и Bacillus megaterium KC-1 В-135. Далее проводят инокуляцию почвогрунтов суспензией бактериальных клеток рода Pseudomonas, выделенных из почвы грунтов отвальной поверхности, из расчета 100-108 клеток в 1 мл.

Известен способ очистки почв от тяжелых металлов (патент RU № 2583696, опубл. 10.04.2016) согласно которому очистка почв урбанизированных территорий от загрязнений тяжелыми металлами производится путем выращивания на загрязненных почвах растений-ремедиаторов с последующим их удалением. Почву предварительно подкисляют внесением в нее компоста жомодефеката при дозе внесения 20 т/га. В качестве фиторемедиаторов применяют растения бархатцев и амаранта. В фазу зацветания (амарант) или в конце вегетационного периода (бархатцы) надземную фитомассу растений удаляют и переносят на сельскохозяйственные угодья в качестве цинковых и медных удобрений.

К недостаткам перечисленных способов можно отнести значительные трудозатраты, связанные с очень большим количеством операций и манипуляций, проводимых за вегетационный сезон, что ставит под сомнение экономическую выгоду от применения данных способов.

Наиболее близким аналогом к изобретению является способ очистки почв от тяжелых металлов путем выращивания растений – фитомелиорантов (сафлор) на загрязненных почвах с последующим их полным удалением из почвы (патент RU 2365078, опубл. 27.08.2009).

К недостаткам данного способа следует отнести использование в качестве растения – фитомелиоранта сафлора, который является сильноветвистым травянистым и теплолюбивым. Данный факт препятствует использованию этого вида в районах умеренных и северных широт. Кроме того, сафлор обладает стержневой корневой системой, с хорошо развитыми придаточными корнями, а главный корень способен уходить в глубь до 2-х метров, что значительно усложняет полное удаление растений из почвы после его использования и приводит к увеличению технологических затрат.

Для фиторемедиации земель сельскохозяйственного назначения главным критерием является обеспеченность посевным материалом и простота в технологиях возделывания культур. В технологическом отношении для успешной реализации заявленного способа исключительно важным органом растений является – корневая система, которая осуществляет первые этапы трансформации токсичных соединений почвы и воды, а в последующем транспортирует соединения в надземную часть. От анатомического строения и разветвленности корневой системы и охватываемом объеме почвы во многом зависит результат реализации фиторемедиационного потенциала выбранных растений, но в тоже время, растения должны легко извлекаться из почвы полностью, и не создавать дополнительных трудностей.

Таким требованиям в полной мере отвечает фацелия пижмолистная (Phacelia tanacetifolia Benth.) – представитель семейства водолистниковых (Hydrophyllaceae). Растение высотой от 15 до 70 см, покрытое жесткими густыми щетинками, цветки многочисленные, почти сидячие, в односторонних, вверху завитых, очень густых, часто двухраздельных, верхушечных кистях. Зацветает фацелия через 40–45 дней после посева. Продолжительность цветения составляет до 20 дней. Фацелия пижмолистная обладает мочковатой корневой системой со множеством придаточных корней, что способствует быстрому охвату большего объема почвы. Широко используется в качестве сидеральной культуры для улучшения физико-химических свойств почвы. На сегодняшний день в научной литературе практически отсутствуют результаты исследований по способности фацелии пижмолистной к применению её в качестве фиторемедианта.

Технический результат настоящего изобретения заключается в улучшении экологического состояния сельскохозяйственных биогеоценозов за счет выноса избыточного цинка растениями из почвы и восстановления (повышения качества) земель сельскохозяйственного назначения).

Технический результат достигается тем, что в почву высевается фацелия пижмолистная (Phacelia tanacetifolia Benth.) с нормой высева семян – 10-12 кг/га (70-90 растений на м²), при ширине междурядий – 15-20 см и глубине заделки семян – 1,5-3 см, что обеспечивает наибольший охват корневой системой растений по объему загрязненной почвы. При уменьшении нормы высева охват не полный, а при её увеличении – резко возрастает конкуренция между растениями, что в свою очередь снижает продуктивность надземной массы и, как следствие, общий вынос тяжелых металлов.

Повышенные концентрации цинка, сосредоточенные в корнеобитаемом слое почвы, путем миграции аккумулируются в надземной части фацелии пижмолистной, а в последующем отчуждаются с удаляемыми растениями. Удаленную биомассу растений утилизируют путем компостирования и последующего использования в качестве источника цинка в сочетании с минеральными или органическими удобрениями.

Предлагаемый способ отрабатывали в лабораторных условиях Кузбасской ГСХА на образцах почвы, отобранных из пахотного горизонта земель сельскохозяйственного назначения, определенных для последующего их использования в органическом земледелии в соответствии с ГОСТ Р 58595-2019.

В лабораторном опыте источником загрязнения почвы (взяты с территории земель сельскохозяйственного назначения) ионами цинка послужили растворы сульфата цинка с концентрациями 2, 10, 50 и 100 ПДК (ПДК (Zn) = 23 мг/кг почвы). В пластиковые контейнеры 20×30×10 см помещали по 1 кг почвы. В каждую емкость после тщательного увлажнения почвы вносили по 50 мл раствора с соответствующей концентрацией ионов цинка и осуществляли посев семян фацелии пижмолистной. В качестве контрольной группы выступали почвы, взятые с территории земель сельскохозяйственного назначения. Контроль содержания ионов цинка в почве и фитомассе растений осуществляли через 30 дней после посева.

Полученные результаты, в итоге реализации предлагаемого способа в лабораторных условиях, убедительно доказывают, что фацелия пижмолистная может быть отнесена к растениям – гипераккумулянтам тяжелых металлов (табл.1).

Таблица 1 – Анализ проб почвы и растительного материала фацелии пижмолистной в лабораторном опыте (2020) по аккумуляции цинка, мг/кг

Исследуемый материал Контрольный вариант Опытные варианты 2ПДК 10ПДК 50ПДК 100ПДК Почва начало опыта 59,0±1,0 123,0±12,0 399±24 1691±60 1890±80 Почва конец опыта 47,2±1,0 65,0±5,1 100±12 1510±50 1780±60 Растения конец опыта (зола) 10,4±0,8 60,0±4,8 294±18 1530±50 1990±80 К_ак 0,80 0,53 0,25 0,89 0,94 К_бп 0,17 0,49 0,74 0,90 1,05 К_ак – коэффициент аккумуляции – отношение концентрации элемента в почве в конце опыта к его концентрации на начало опыта; К_бп – коэффициент биологического поглощения – частное от деления количества элемента в золе растений на его валовое содержание в почве

Значения коэффициентов биологического поглощения (К_бп), представленные в таблице 1, характеризуют потенциал растений фацелии пижмолистной как гипераккумулянта ионов цинка.

Значения коэффициентов аккумуляции (К_ак) показывают, что эффективность извлечения ионов цинка в лабораторном опыте зависит от исходного содержания данного элемента в почве.

Пример выполнения настоящего изобретения.

Полевой опыт проводили на территории крестьянско-фермерского хозяйства, находящегося в Прокопьевском районе Кемеровской области – Кузбасса. Проводился весенний посев растений. В опытном варианте семена фацелии пижмолистной высевали из расчета – 10-12 кг/га (70-90 растений на м²), ширина междурядий – 15-20 см, глубина заделки семян – 1,5-3 см. В условиях опыта посев производился вручную на необходимую глубину с последующей заделкой граблями. Для посева семян растений фацелии пижмолистной в производстве применяется зерновая или зернотравяная сеялка. В качестве контрольного варианта опыта выступал чистый пар с сорными растениями, основными представителями которых являлись следующие виды: бодяк полевой (Cirsium arvense (L.) Scop.), подмаренник цепкий (Gаlium aparíne L.), щирица запрокинуитая (Amarаnthus retroflеxus L.), ярутка полевая (Thlаspi arvеnse L.), марь белая (Chenopоdium аlbum L.). Пробы почв отбирали до посева и сразу после удаления растений. Уборку растений в опытном и контрольном вариантах путем полного их удаления проводили в период начала цветения фацелии пижмолистной, не доводя ее до фазы окончания цветения и начала созревания семян. Очень важным моментом изобретения является своевременная уборка растений фацелии пижмолистной до окончания цветения и начала созревания семян (до наступления фазы полной спелости (вскрытия коробочки)), чтобы избежать попадания семян на сельскохозяйственные угодья (если не планируется дальнейшее извлечение избыточного цинка из почвы).

Полученные результаты испытаний фацелии пижмолистной при посеве в качестве фитомелиоранта показали её высокую аккумулирующую способность по отношению к ионам цинка и возможность использования этих растений для снижения содержания данного тяжелого металла в корнеобитаемом слое почвы (табл. 2). Валовое содержание тяжелых металлов в почве является весьма инерционным показателем и затруднительно достигнуть резкого снижения его значения за короткий промежуток времени, тем не менее отмечался вынос с фитомассой растений фацелии пижмолистной значительного количества цинка из почвы и высокая его концентрация в золе растений.

Таблица 2 – Анализ проб почвы и растительного материала в полевом опыте (2020) по аккумуляции цинка, мг/кг

Исследуемый материал Содержание цинка (валовое), мг/кг Контрольный вариант Опытный вариант Почва начало опыта 59,0±1,0 59,0±1,0 Почва конец опыта 49,5±1,0 46,0 ±1,0 Растения конец опыта (зола) 12,1±1,3 39,7±2,5 Значения коэффициентов К_ак 0,82 0,77 К_бп 0,20 0,67 К_ак – коэффициент аккумуляции – отношение концентрации элемента в почве в конце опыта к его концентрации на начало опыта; К_бп – коэффициент биологического поглощения – частное от деления количества элемента в золе растений на его валовое содержание в почве

Таким образом, применение заявляемого способа фиторемедиации загрязненных цинком почв, приводит к выносу избыточного цинка растениями фацелии пижмолистной (Phacelia tanacetifolia Benth.) и снижению содержания тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почвы, восстановлению (повышению качества) земель сельскохозяйственного назначения.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и экологии. В способе на загрязненных почвах выращивают растения-гипераккумулянты - фацелию пижмолистную (Phacelia tanacetifolia Benth.) - с последующим их удалением. Семена фацелии пижмолистной высевают ранней весной в загрязненную почву из расчета 10-12 кг/га с шириной междурядий – 15-20 см и глубиной заделки семян – 1,5-3 см, не доводя до фазы окончания цветения и начала созревания семян, после чего растения полностью удаляют. Удаленную биомассу утилизируют путём компостирования и последующего использования в качестве источника цинка в сочетании с минеральными или органическими удобрениями. Способ обеспечивает улучшение экологического состояния сельскохозяйственных биогеоценозов за счет выноса избыточного цинка растениями из почвы и восстановления, повышения качества земель сельскохозяйственного назначения. 2 табл., 1 пр.

Способ очистки почв от загрязнений цинком путем выращивания растений-гипераккумулянтов - фацелии пижмолистной (Phacelia tanacetifolia Benth.) - на загрязненных почвах с последующим их удалением, в котором семена фацелии пижмолистной высевают ранней весной в загрязненную почву из расчета 10-12 кг/га с шириной междурядий – 15-20 см и глубиной заделки семян – 1,5-3 см, не доводя до фазы окончания цветения и начала созревания семян, после чего растения полностью удаляют, а удаленную биомассу утилизируют путём компостирования и последующего использования в качестве источника цинка в сочетании с минеральными или органическими удобрениями.