Көмірсутектермен ластанған топырақтарды фиторемедиация тәсілімен қайта қалпына келтіру жұмыстары

Көмірсутектермен ластанған топырақтарды фиторемедиация тәсілімен қайта қалпына келтіру жұмыстары

Қазіргі таңда мұнай өндіру аймақтарында сақтану шараларына қарамастан, мұнай және мұнай өнімдерін өңдеу және өндіру, оларды тасымалдау және сақтау кездерінде ластанудан құтылу қиын әсер тудыруда. Өйткені, топырақтың және судың мұнаймен жаппай ластануы, көптеген жағдайларға байланысты: құбырлардың жарылуынан, ескіруінен және байқаусызда төгілудің салдарынан мұнай тірі ағзаларға өткір токсинді көрсеткіштерін ластанудың алғашқы мерзімдерінде байқатады. Экологиялық таза технология ретінде, жаңа әр түрлі әдістер қолданылып, мұнайға төзімді өсімдіктер қауымдастығын пайдаланылады [16].

Фитодеградация — («ішкі» бүлінуі) — бұл көмірсутектердің ішкі бүлінуі, яғни өсімдектермен жұтылғаннан кейін, олардың метоболизмдік процестер барысында ажырауы немесе «сыртқы» бүлінуі, яғни мұнай өнімдері тамыр сары суының әсерінен (ажырайды) ыдырауы. Бүгінде шетелде жүргізілген бірнеше зерттеу оң нәтижеге ие болып отыр, демек жойылу мүмкіндіктері, яғни мұнай және мұнай өнімдерінің өсімдік әсерінен қауіпсіз құраушыларға ыдырау мүмкіндігі дәлелденді [17].

Біріншіден, бұл мұнайлы ластануды тазалау бағытының даму мүмкіндігінің дәлелі. Екіншіден, зерттеулерді ары қарай жүргізу қажеттілігін көрсетеді.

Фитобулану – сулы балансын ұстап тұру барысында өсімдіктердің мұнай және мұнай өнімдерін жұту қабілеттілігі, яғни ластаушы затты топырақтан сумен бірге тартып шығару [18]. Бұл қабілеттілік ластанудан тазалауда қолданылғанымен, жарым — жарты шара болып табылады. Себебі, бұл жағдайда ластаушы зат атмосфераға транспирация барысында шығарылады.

Өсімдіктер топырақта тіршілік ететін микроорганизмдермен тығыз байланыста болып, өсімдік ағзасы фотосинтез барысында көмірсулардағы (қанттағы) күн энергиясын жинайды (шоғырландырады).

Фотосинтез процесінде өсімдіктермен жиналған бүкіл энергияның 10 % — 20 % — ға дейін заттардың (қанттар, спирттер, органикалық қышқылдар) тамыр маңы зонасына синтезделуімен бөлінуіне жұмсалынады. Нәтижесінде микроорганизмдердің дамуына мүмкіндік туады. Сол себептен тура тамыр беті (үсті) жанындағы 1 см – де 130 млрд. микроорганизмдер жиынтығы кездеседі, ал 10 см арақашықтықта (аралықта) олар 20 млрд дейін кемиді.

Топырақ фиторемедиациясының басты механизмі дамуына тамырдан бөлініп шығатын заттар жағдай жасайтын мұнай көмірсутектерінің микроорганизмдер бионашарлауы болып табылады [19].

Мұнаймен ластанған топырақ фиторемедиацияның қолдану технологиясы өте қарапайым, алайда бұл әдістерді ілгері жүргізуде жоғары мамандандырылған мамандарды талап етеді. Ол бірнеше кезеңдерден тұрады:

1. Бөліктің ластану ерекшелігін бағалау (тасқын судың химиялық құрамы, мұнайдың топыраққа ену дәрежесі) жұмыстары,
2. Фиторемедиацияның ең қолайлы, үйлесімді сызбанұсқасын (схемасын) дайындау берілген ластану түрін жоюда ең тиіиді және қажетті топырақтың климаттық жағдайға сәйкес келетін өсімдіктің түр — тұқымдық құрамын сұрыптау, отырғызу сызбанұсқасын анықтау, қажетті агротехникалық шараларды таңдау, соның ішінде қоректену оптимизациясымен өсімдіктерді химиялық қорғау жұмыстары,
3. Өсімдіктерді өсіру (агротехникалық шаралар кешенін өткізу, соның ішінде себуге арналған материалды (тұқымдарды) дайындау, қорғаныс құрамдарын қолдану,
4. Бөлу мониторингі мұнай концентрациясы мен химиялық компоненттерінің таралуын анықтау, мұнай биодегредациялану жолдарын бақылау, ақпараттық талдау мен болжау жүргізу.

Тазалаудың ең нәтижелі, ең тиімдісі өсімдіктердің фитобулану мен фитонашарлау қабілеттіліктерін қатар қолдануы.

Жоғарыда аталған 3 қасиеті арасындағы аралық, біріктіруші ретінде гидравликалық бақылауды қарастыруға болады.

Гидравикалық бақылау кезінде өсімдік жер асты суларына жетіп, ылғалмен бірге ластаушы затты ыдыратып, не буландырып жібереді.

Өсімдіктердің ризодегредация қабілеттілігі біраз оқшауланып, бөлектеніп тұрады. Оны ризосфералық күшейтілген бионашарлау немесе өсімдіктерден күшейтілген биодеградация деп те атайды. Бұл механизм ластаушы көмірсутектердің ыдырауы тікелей жақын жерде яғни, ризосфераны мекендейтін микроорганизмдермен жүзеге асатындығына негізделген. Биологиялық белсенділік рөлі өсімдіктердің тамырынан бөлінетін заттар әсерінен микроорганизмдер жұмысының тиімділігінің нәтижесінде айтарлықтай жетістіктерге жетуге болатынын көрсетуге болады.

Жеке зерттеулер нәтижесі көрсеткендей [20], өсімдіктер микробтық стимуляциясынан өзге, өздері де көмірсутектерді ыдыратуға тікелей қатыса алатыны анықталды. Өсімдік жапырақтары құрамында еріген заттары бар суды тамыр арқылы топырақтан тартып шығаратын насос функциясын орындай отырып, суды буландырады. Мұнай құрамына кіретін көмірсутектер тамыр бетіне абсорбцияланады (мұнайдың қозғалғыштығы мен уыттығы төмендетіледі), тамырмен жұтылады, құрамы бұзылып, жиналып немесе атмосфераға буланып кететін өсімдіктің тамыр үсті бөліктеріне шығарылады.

Фиторемедиацияның салыстырмалы төмен бағасы өсімдіктердің топырақты тазалауға күн энергиясының әсерінен жұмыс істейтін табиғи қондырғы болуымен байланысты. Бүгінде инженерлер мен микробиологтар зерттелініп жатқан ластанған топырақтарды тазалау мәселесі мыңдаған жылдар бойы табиғатпен тікелей байланыста. Сондықтан оны шешудің барлық жағдайы тиімді болады.

Сонымен, фиторемедиацияның мұнаймен ластанған топырақты тазалау технологиясы ретіндегі көптеген артықшылықтары мен кемшіліктері тізбектеп жалғаса береді. Экономикалық тұрғыдан фиторемедиация альтернативтік технологиялардан тиімдірек. Ол бірден ірі ақша қаражатын жұсауды қажет етпейді, сонымен қатар, шығындарды бірнеше жылға созып, бөліп тастауға болады.

Фиторемедиация топырақты механикалық жолдармен экскавациялауды талап етпейді және үлкен аумақтарда жиі қолданылады. Бұл, әсіресе, отандық мұнай өнеркәсібі үшін өте маңызды. Фиторемедиация қоршаған ортаны сақтау мен жақсартуға мүмкіндік береді. Себебі, өсімдіктерді өсірумен, топырақты жақсартумен және оны эрозиядан қорғаумен байланысты. Бұл топырақты тазалауда жоғары эстетикалық технология қажет. Қорыта келе, мемлекет пен қоғам үшін ең тиімді процестердің бірі болып мұнаймен ластанған топырақтарды тазарту жолдарының технологиялары қолданылып және осы әдістерді әрі қарай өндіріс орындарда пайдалану әрекеттері асырылады.

Қоршаған ортаға химиялық кәсіпорындардан шығып, қалдық ретінде тарайтын улы органикалық заттарды зарарсыздандыруда микроорганизмдер ертеден бері және ойдағыдай табысты қолданылып келеді. Алайда, олардың топырақ пен судан денсаулыққа зиян мүсәтір, кадмий, мыс, сынап, селен, қорғасын сияқты ауыр металдарды сонымен қатар стронций, цесий, уранның радиоактивті изотоптарымен басқа да радионуклидтер жою қабілеті болмайды. Ал жасыл өсімдіктер қоршаған ортадан әр түрлі элементтерді шығарып, өз ағзасына концентрлейді [21].

Өсімдіктер қоспасын жинап алып жағу, пайда болған күлді көміп немесе екіншілік шикізат ретінде қолдану айтарлықтай қиындық туғызбайды. Қоршаған ортаны тазалаудың бұл әдісі фиторемедиация, грекше «фитон» — өсімдік, латынша «ремедиум» — қалпына келтіру деп аталады.

Фиторемедиацияның ең нәтижелі және экономикалық тиімді әдістерінің бірі болып, жапырақтарында 5% — ға дейін құрғақ салмағын қайта қалпына келтіру – яғни, жай өсімдіктерге қарағанда 10 есе көбірек никель, мырыш немесе мыс жинауға қабілетті гипераккумулятор – өсімдіктері табылғаннан кейін ең нәтижелі және экономикалық тиімді әдіс болып танылды. Бұл феноменнің биологиялық мәні аяғына дейін, толығымен ашылған жоқ. Мысалға [22], құрамы жоғары улы элементтердің өсімдіктерді зиянкестерден сақтап, олардың ауруларға тұрақтылығын арттырады деген болжам жасауға болады.

Гипераккумуляторларды топырақ пен суды тазалауға қолдануды 80-ші жылдардың басында ұсынылған. Біріншіден, бұл өсімдіктердің биомассасы жоғары емес, екіншіден оларды өсіру технологиясы зерттелмеген еді. Жабайы гипераккумуляторлардың көпшілігі шаршы гүлді өсімдіктер – орамжапырақ пен қыша тұқымдастар тобына жатады; қышаның үнді немесе сарепт деп аталатын бір түрі қорғасын, мыс және никельді өзінің денесіне жинақтайтындығы анықталды. Қорғасынды жүгері мен амброзий арамшөбі де өз бойына жинақтай алады.

Өсімдіктер қорғасын сияқты ауыр металдарды, аз еритін қосылыс түрінде кездесетіндіктен, олардың топырақ құрамында көп болуына қарамастан әлсіз сіңіреді. Сондықтан, қорғасынның өсімдікте орташа концентрацияда ғана жиналады.

Ауыр металдардың өсімдікке келіп жиналуын металдармен тұрақты, сонымен қатар, еритін топырақ ерітінділерін түзетін заттар (мысалы, этилендиаминтетрасірке қышқылы) қамтамасыз ететіндігі анықталғаннан кейін мәселені шешу мүмкін болды.

Топыраққа 1200 мг/кг концентрацияда қорғасынды құрайтын осындай затты топыраққа енгізгеннен кейін, үнді қыманындағы ауыр металл концентрациясы 1600 мг/кг дейін өскен.

Өкінішке орай, ауыр металдардың өсімдіктермен жиналу механизмдері жайлы біз жеткілікті білмейміз, себебі, осы кезге дейін негізгі көңіл азот, фосфор және т.б. қоректену элементтерінің қосылыстарын игеруге бөлінген.

Этилендиаминтетрасірке қышқылымен жүргізілген ең нәтижелі экспиременттер өсімдіктердің аз еритін ауыр металл қосылыстарын, тамыры топыраққа қандай да бір табиғи комплекс түзуші заттарды бөлетіндігі нәтижесінде сіңіретіндігін болжауға мүмкіндік жасайды [23].

Мысалы [24], өсімдіктерде темір жеткіліксіз болса, өсімдік тамырлары топыраққа топырақ құрамындағы темірі бар минералдарды ерігіш күйге ауыстыратын фитосидерофорларды бөледі. Алайда, фитосидерафорлардың өсімдіктерде мыс, мырыш, марганецтің жиналуына әсер ететіндігі байқалады.

Ең көп зерттелінген арпа мен жүгері фитосидерофорлары – мугеин және дезоксимугеин қышқылдары, сонымен қатар, арпадан бөлінетін авеник қышқылы; фитосидерофорлар ретінде кейбір ақуыздар ауыр металдарды байланыстырады және оларды өсімдіктер үшін қол жетімді ететін кейбір ақуыздар ретінде қолданылады.

Топырақ бөлшектерімен байланысты ауыр металдардың қол жетімділігі өсімдіктер үшін тамыр клеткаларының мембраналарындағы редуктаза ферменттерін жоғарылатады.

Құрамында темір және мыс жеткіліксіз асбұршақтың осы элемент иондарын қалпына келтіру қабілеттігі артатыны анықталды. Кейбір өсімдік тамырларында (мысалы, бұршақ және т.б. қос дәнділер) темір жетіспеушілігі байқалса, топырақ қышқылдығы артып, нәтижесінде оның коспалары ерігіш күйге ауысады.

Ауыр металдардың тамырдан өсімдіктің жер үсті бөліктеріне тасымалы (көшуі) жайлы мәлімет жоқтың қасы. Тек, ауыр металдардың аз еритін тұздарының, әдетте, қандай да бір комплексті қосылыс түрінде лимон қышқылы сияқты органикалық қышқыл болуы мүмкін, түтікшелі жүйе арқылы орын ауыстырып, қозғалатыны ғана белгілі.

Топырақ пен суды күнбағыс өскіндерінің көмегімен радионуклидтерден тазалау мүмкіндігі АҚШ-тың Огайо штатында бұрынғы уран байыту зауытының аумағында зерттелінді. Сонымен қатар, Украинадағы шағын Чернобыль АЭС-тің төртінші реакторынан 1км қашықтықтағы су қоймасында зерттеулер жүргізілді. Уранның өсімдіктердегі концентрациялары оның топырақ пен судағы концентрацияларынан 30 мыңға артық, ал 137 – цезий мен 90 – стронций үшін бұл шама сәйкесінше 8 және 12 мыңды құрайды. Фиторемедиация барысында ластанған топырақтардың жалпы концентрациялық шамаларын көптеген физика-химиялық процестер арқылы атомды-адсорбциялы әдістермен зерттелінеді.

Фиторемедиация әдісінің ары қарай дамуы гендік инженерия әдісімен бізге белгілі өсімдіктерге қарағанда, ауырлы металдарды концентрлеуде айтарлықтай жаңалығымен ерекшеленетін өсімдіктер шығарылған жағдайда болуы мүмкін.

Соңғы жылдары Ресей мемлекетінде [25] мұнай-газ саласындағы экологиялық қауiпсiздiк деңгейiнiң жоғарылатуы маңызды роль атқарады. Сонымен қатар, қазiргi технологияларды белсене енгізе отырып, мұнаймен ластанған топырақтарды ғылыми институттарда зерттеу жұмыстары арқылы орындалады.

Табиғи ортаны қорғау технологияларының маңызды секторларының бiрi фиторемедиация әдiстерi құрайды. Олар, топырақтардағы поллютанттарды тазалау барысында жүргізіледі. Сонымен қатар, әлемде барлық жерде, биотехнологиялардың дамыу немесе жасау принциптері жаңа мақсаттарға қойылған. Фиторемедиация процестері бастапқы топырақтардың ластануын тазартуда, ауыр металлдардың ластануы кезінде пайдалы әсер тигізеді. Өсiмдiктердiң әсерінен — қорғасын, сынап, мырыш иондары дақыл бойына сіңіріліп, металлдардың токсиндік қасиеттерін тежейді [26].