Reclamation of Post-Technological Landscapes: International Experience

Введение
Индустриализация и урбанизация, современные
методы ведения сельского хозяйства и другие
формы антропогенной деятельности человека в
последние десятилетия привели к крупномасштабным
экологическим проблемам [1, 2]. Научно-технический
прогресс способствовал увеличению техногенной
нагрузки и стимулировал накоплению вреда
окружающей среде. На сегодняшний день к числу
основных экологических проблем относят: загрязнение
атмосферного воздуха и водных объектов, загрязнение
и деградацию почвенно-земельных ресурсов [3, 4].
Результатом является снижение биоразнообразия.
Загрязнение – присутствие различных объектов в
окружающей среде в концентрациях, ухудшающих
ее функционирование и представляющих риск для
живых систем. Загрязняющие вещества (поллютанты)
имеют твердую, жидкую и газообразную формы.
Высокие концентрации данных веществ оказывают
негативное влияние на биоту и способны изменять
естественные ландшафты и рельефы местностей [5, 6].
Для устранения негативного воздействия
поллютантов, повышения качества жизни и здоровья
населения, обеспечения экологической безопасности
и охраны окружающей среды обязательным условием
является их удаление с загрязненных участков
(с последующим восстановлением техногенно
нарушенных земель). Среди существующих
техногенно нарушенных объектов наибольшую
площадь занимают отходы горнодобывающей
промышленности. Концентрация поллютантов на
данных территориях в 100 и 1000 раз превышает
предельно допустимые значения [7]. Например,
по экспертным оценкам площадь нарушенных
земель в Кузбассе составляет 120–150 тыс. га,
на которой работают 114,9 тыс. человек. Из них
79,3 % напрямую контактируют с вредными
и/или опасными поллютантами, вызывающими
онкологические и прочие заболевания [8].
Следовательно, существует острая необходимость
в осуществлении рекультивационных мероприятий
техногенно загрязненных территорий. Однако на
сегодняшний день не существует универсального
метода по восстановлению нарушенной экосистемы,
т. к. загрязнители имеют различную структурную
форму, например, являются органическими
Received: September 04, 2021 Accepted in re vised form: November 15, 2021
Accepted for publication: X X, 2021
*е-mail: fotina.natashenka@mail.ru
© L.K. Asyakina, L.S. Dyshlyuk, A.Yu. Prosekov, 2021
Abstract.
Introduction. Anthropogenic activities cause large-scale environmental problems. The growing volumes of toxic emissions
contribute to soil, water, and air pollution, thus posing a serious threat to all living systems and the global ecosystem. New
reclamation methods are a relevant research topic as they help to restore and preserve ecosystems.
Study objects and methods. The research covered sixteen years of scientific publications from PubMed of the National Center
for Biotechnology Information (USA), Elsevier (Scopus, ScienceDirect), Web of Science, and the national electronic library
service eLibrary.ru.
Results and discussion. The authors reviewed various scientific publications to define the main technogenic objects that
have a toxic effect on biota. Soil is more vulnerable to destructive effects, and mining wastes are responsible for the largest
share of technogenically disturbed objects. Pollutants include many compounds, such as heavy metals, hydrocarbons, sulfur
compounds, acids, etc. Reclamation technologies reduce the man-induced impact on the environment, e.g. pollutants can be
completely or partially destroyed, processed into non-toxic products, completely removed, stabilized into less toxic forms,
etc. This review provides information on the main methods of reclamation of disturbed soils and substantiates the prospect
of developing integrated reclamation technologies.
Conclusion. The present review featured the main pollutants of anthropogenic origin and the traditional soil reclamation
methods. The most prospective new technologies of soil reclamation appeared to be a combination of such biological methods
as phytoremediation, bioaugmentation, and biostimulation.
Keywords. Ecology, pollutants, mining industry, reclamation, bioremediat ion
Funding. The research was part of the state task ordered by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian
Federation (Minobrnauka) : “Development of approaches to phytoremediation of post-technological landscapes using
plant growth-stimulating rhizobacteria and “omics” technologies”, supplementary agreement No. 075-03-2021-189/4 dated
September 30, 2021 (internal number 075-GZ/X4140/679/4).
For citation: Asyakina LK, Dyshlyuk LS, Prosekov AYu. Reclamation of Post-Technological Landscapes: International
Experience. Food Processing: Techniques and Technology. 2021;51(4):805–818. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2021-
4-805-818.
807
Асякина Л. К. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 4 С. 805–818
веществами или тяжелыми металлами, и/или имеют
различный источник происхождения, т. е. для их
устранения требуются индивидуальные методы и
технологии по обработке и утилизации [9]. Поэтому
перспективным направлением для сохранения и
восстановления безопасной для жизнедеятельности
организмов экосистемы является разработка
и/или усовершенствование существующих методов
и комплексов на их основе по восстановлению
загрязненных природных систем.
Целью данной работы является проведение
литературного обзора, посвященного рассмотрению
видов поллютантов и методам восстановления
техногенно-нарушенных территорий, для выбора
оптимального комплекса мероприятий по
рекультивации земель, в частности пригодных
для использования на загрязненных территориях
Кемеровской области – Кузбасса.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования в данной работе является
общедоступная научная информация, поиск которой
осуществлялся в базах данных: PubMed от National
Center for Biotechnology Information (США),
Elsevier (Scopus, ScienceDirect), платформе Web of
Science и отечественной электронной библиотеке
eLibrary.ru. Глубина поиска составляла 16 лет, язык
поиска – английский и русский.
Результаты и их обсуждение
В ходе обзора были выделены основные виды
техногенных объектов, являющихся источниками
поллютантов:
Терриконы шахт, хвостохранилища, отвалы –
отходы горной промышленности, основанной
на добычи, обогащении и переработки полезных
ископаемых [10];
Золошлаковые отходы – золы уноса и шлаки,
образуемые в процессе факельного и слоевого
сжигания угля [11, 12];
Металлургические шламы – твердые
отходы, образующиеся в процессе добычи и
выплавки металлических руд, складируются в
шламонакопителях и характеризуются высокой
концентрацией тяжелых металлов [13];
Отходы сельскохозяйственной деятельности –
продукты жизнедеятельности птиц и животных,
жмых растительных культур, отработанные масла
и химикаты (пестициды, гербициды) [14];
Полигоны твердых, жидких и маслоотходов –
складируются в виде свалок и захоронений [15].
Данные техногенные объекты лишены пло-
дородного почвенного слоя, т. к. поллютанты делают
их непригодными для представителей флоры и фауны,
обитающих рядом с очагом загрязнения [7]. Пириты
тяжелых металлов, подвижные формы железа и
алюминия, критические значения pH почв и вод и
другие факторы оказывают фитотоксическое действие
на окружающую биоту. В процессе угледобычи
и углеобогащения экосистема, особенно почва,
подвергается разрушительному воздействию. Как
при закрытом, так и при открытом способе добычи
угля на местах работает тяжелая техника, которая
выделяет в экосистему оксиды азота, диоксид серы,
оксид и диоксид углерода, оксид хлора. Они попадают
в атмосферу, в водоемы и в почву. Помимо данных
газов, в окружающую среду на разрезах выделяются
угольная пыль и взвешенные вещества различного
диаметра. Попадая в грунтовые воды оксиды серы
и хлора, растворяются и превращаются в серную
и соляную кислоту соответственно. Это приводит
к увеличению кислотности водоемов и почв. При
открытом способе добыче угля из тяжелых металлов
больше всего накапливаются Zn, Cd, Pb, Hd, Fe, Al и
Mn. Кроме металлов, выделяется большое количество
свободной серы [16].
Поллютанты, проявляющие негативное
воздействие на экосистему, подразделяют на
2 основные группы [17, 18]:
Органические соединения: галоидированные
летучие (хлороформ, винилхлорид), галоидированные
полулетучие (тетрахлорфенол), негалоидированные
летучие (бензол, толуол, ацетон, этилбензол),
негалоидированные полулетучие (фенол, поли-
циклические ароматические углеводороды),
органические агрессивные вещества (анилин),
органические цианидины, пестициды, гербициды
и нефтянные углеводороды;
Неорганические соединения: металлы (ртуть,
хром, свинец), металлоиды (мышьяк, сурьма),
радионуклиды (радиоактивные изотопы урана) и
неорганические агрессивные вещества (соляная и
серная кислота) [19, 20].
Данные вещества также проявляют фито-
токсическое действие, приводящее к нарушению
круговорота питательных веществ в почве,
угнетающее развитие местной микробиоты и
растительности, повышающее рост заболеваемости
и смертности населения (работников, постоянно
контактирующих с техногенно-нарушенными
ландшафтами, – горнорабочие и т. п., местного
населения, проживающего вблизи нарушенных
земель) [5, 21]. Поллютанты, поступая в организм,
вызывают развитие респираторных и сердечно-
сосудистых заболевании, дисфункции репродуктивной
и центральной нервной систем, кожных заболеваний,
онкологии. Тяжелые металлы при всасывании
в организм человека биоаккумулируются, что
приводит к прямому отравлению или хронической
интоксикации [5]. В работе J. J. Zocche и др.
исследован элементный состав печени мышей, в
рационе питания которых присутствовали овощи,
выращенные на угольных отвалах [22]. В результате
исследования отмечено высокое содержание
808
Asyakina L.K. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2021, vol. 51, no. 4, pp. 805–818
металлов и металлоидов (Mg, S, Ca, K, Fe, Zn и др.)
в печени мышей, что приводит к риску развития
заболеваний нервной и сердечно-сосудистой систем,
почек и др. Токсическое действие на организм
сверхвысоких концентраций тяжелых металлов
связано с изменением метаболических процессов
и активных центров биологических молекул.
Органические вещества устойчивы к биодегра-
дации в естественных условиях. Поэтому долго
остаются в окружающей среде в первоначальном
виде. Такие соединения принято называть
стойкими органическими загрязнениями. Так как
большинство органических поллютантов способно
аккумулироваться в живых организмах, то это
способствует их долгому нахождению в окружающей
среде.
Полициклические ароматические углеводороды
(ПАУ) – органические соединения, имеющие в
структуре 2 и более конденсированных колец. Эти
вещества образуются в результате пиролиза или
неполного сгорания органических веществ. ПАУ из-за
гидрофобных свойств являются одними из наиболее
распространенных поллютантов в окружающей
среде [23].
Для снижения техногенного воздействия на
окружающую среду используют различные технологии
рекультивации (восстановления, ремедиации) [24,
25]. Данные технологии включают в себя полное
или частичное разрушение поллютантов, их
извлечение для дальнейшей переработки в
нетоксичную продукцию и/или полного удаления,
стабилизацию поллютантов в менее токсичные
формы и территориальное изолирование техногенных
объектов (при помощи специализированных барьеров
для препятствия их перемещения либо выкапывание
для захоронения на полигоне) [26, 27]. К инженерным
методам ликвидации и обезвреживания отходов
или ремедиации посттехногенных территорий
относятся методы, основанные на применении
сложных инженерных сооружений, устройств и
технологических приемов. Наиболее распространено
захоронение отходов. Захоронение осуществляют
в том случае, когда их переработка опасна или
невозможна. Для захоронения загрязненных почв
и отходов отводятся специально оборудованные
полигоны, характеризующиеся минимальным
ущербом окружающей среде [28]. Данные технологии
по ремедиации почвы разделяются на физические,
химические и биологические методы.
Физические методы рекультивации техногенно-
нарушенных почв часто используются в качестве
вспомогательных мер на начальных этапах
восстановительных процессов. Механические
методы обработки загрязненных почв, такие как
дробление, сортировка и брикетирование, имеют
широкое распространение. Однако после их
применения требуется дополнительная обработка
химическими методами. В исследовании G. Dermont
и др. описан способ восстановления загрязненных
металлами (мышьяк, кадмий, медь, цинк, свинец)
городских почв. Рекультивацию осуществляют
флотацией измельченной фракции загрязненной
почвы с размером частиц менее 250 мкм [29].
S. Bisone и др. в своей работе также использовали
дробление загрязненных металлургическими отходами
почв для полного удаления тяжелых металлов и
полициклических ароматических углеводородов [30].
Еще одой технологией, основанной на физических
методах, является вакуумная или паровая экстракция
почв. Процесс очистки осуществляется путем
откачивания воздуха из зоны аэрации при помощи
вакуумного компрессора. После чего откачанный
воздух, содержащий в своем составе поллютанты,
улавливается и очищается в специальном обору-
довании. Данный тип ремедиации характерен для
почв или твердых бытовых отходов, загрязненных
летучими поллютантами (нефтепродуктами, летучими
углеводородами, хлорсодержащими соединениями
и др.) [31]. В Китае паровая экстракция почвы –
одна из наиболее широко используемых технологий
ремедиации нарушенных земель, которая имеет
много различных модификаций: сочетание пенной
промывки неионогенными поверхностно-активными
веществами и паровой экстракции для удаления
летучих соединений нефтянной смеси из почвы,
загрязненной дизельным топливом [32, 33]. Стоит
отметить, что серьезным недостатком данного метода
является неоднородность природы загрязняющих
веществ, присутствие нелетучих поллютантов и низкая
проницаемость поверхностных слоев загрязненных
почв. Вследствие чего извлечение поллютантов может
быть продолжительным, неполным и неэффективным
по сравнению с другими методами ремедиации.
В ряде исследований проанализирован метод
вакуумной экстракции для ремедиации почв,
загрязненных ПАУ. В исследованиях L. Trine и
др. показано, что при использовании экстракции с
усиленным паром (в данном методе температура пара
составляет свыше 105 °C) происходит эффективное
удаление незамещенных форм ПАУ [23]. Однако
параллельно с этим происходит синтез производных
продуктов, которые характеризуются высокими
показателями токсичности.
Также проблема образования полярных и
токсичных производных ПАУ в процессе ремедиации
почв рассмотрена в работе L. Chibwe и др. [34].
В модельных условиях биореактора осуществляли
аэробную ремедиацию почв, загрязненных
каменноугольной смолой. Неполное окисление ПАУ
в процессе восстановления может привести к синтезу
их производных, которые включают кислородные
и нитрогруппы. Полученные производные
характеризуются повышенной токсичностью, что
объясняется наличием в их структуре веществ
электроотрицательных групп.
809
Асякина Л. К. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 4 С. 805–818
К физическим методам также относятся
относительно новые технологии рекультивации,
основанные на включении механизмов самоочищения
почв, такие как вспашка и взрыв. В основе указанных
методов лежит концепция увеличения площади
поверхности загрязненных почв, контактирующей
с воздухом. Это способствует интенсивному
выветриванию летучих и полулетучих загрязняющих
соединений, повышению активности аборигенной
аэробной микрофлоры [35].
Отдельную категорию образуют специали-
зированные технологии – обработка материала
ультразвуком, ультрафиолетовым или рентгеновским
излучением, СВЧ и т. д. Эти технологии используют
для решения конкретных специфических задач.
Например, для обезвоживания загрязненных
объектов и повышения их хрупкости. Указанные
технологии эффективны при утилизации полимерных
поллютантов [36, 37]. В большинстве случаев
ультразвуковые методы используют для очистки
сточных вод.
В последних исследованиях J. Choi и др.
изучали эффективность использования ультразвука
для ремедиации почв, загрязненных тяжелыми
металлами [38]. В качестве контрольного метода
использовали классическую механическую промывку
почв при помощи механического перемешивателя.
В качестве жидкой фазы выступали растворы
соляной кислоты или ЭДТА (для увеличения
процента десорбции металлов). С точки зрения
эффективности процесса удаления металлов (Cu, Pb,
Zn), расхода реактивов и объема реактора определены
следующие условия ремедиации почвы: гибридизация
механического промывания и ультразвука в растворе
0,05 М ЭДТА и соотношение растворителя к массе
образца 3:1.
Отдельно выделяется группа термических
методов. Они имеют широкое применение с целью
глубокой переработки многих опасных отходов,
характеризующихся наличием нетермостойких
поллютантов. Главным преимуществом термических
методов деградации является практически 100 %
удаление органических загрязнителей, а также
уменьшение объема отходов в 5–10 раз. Традиционно
термический метод используется для переработки
ртуть-загрязненных почв и отходов [39]. Иногда
термическую переработку используют с целью
пиролиза, выпаривания или газификации
нефтепродуктов из загрязненных нефтью или
замазученных грунтов и нефтешламов. При этом
основная масса грунта не претерпевает необратимых
превращений, вследствие чего возвращается на
исходное место после термообработки. Наиболее
часто применяют такой вид тепловой обработки как
витрификация или остекловывание – экстремально
высокотемпературное (в пределах 1400‒2000 °C)
разложение с использованием стеклоподобных
материалов [40].
В недавних исследованиях группы китайских
ученых изучена эффективность использования газовой
термической очистки загрязненных органическими
соединениями почв и грунтовых вод [41]. В качестве
основных поллютантов выступали бензол, хлорбензол
и нефтепродукты. Процесс очистки осуществляли
в течение 34 суток при температуре 100–200 °C и
давлении 0,5–2,0 кПа. В результате исследования
определено, что процент нейтрализации каждого
анализируемого органического соединения составил
не ниже 97,5 %. Но стоит отметить высокую
энергоемкость процесса термической ремедиации
и возможность нарушения почвенного слоя.
Также в результате термической обработки
загрязненные материалы преобразуются в зольный
остаток и отходящие дымовые газы. Дымовые
газы могут быть источником высокотоксичных
химических соединений, т. к. при их охлаждении
образовываются диоксины и фураны. Поэтому
они проходят несколько дополнительных стадий
очистки (высокотемпературное дожигание, быстрое
охлаждение и очистка от механических примесей).
К следующей группе методов ремедиации
техногенно-нарушенных территорий относятся
химические. Они основаны на взаимодействии
специально подобранных реактивов и токсичных
соединений. В результате происходящих химических
реакций поллютанты преобразуются в менее
токсичные и нетоксичные соединения, а затем
утилизируются [42]. Среди химических методов
восстановления загрязненных почв выделяют
стабилизацию (реагентную нейтрализацию),
химическую экстракцию, окислительно-восстано-
вительную ремедиацию и электрохимическую
обработку [43, 44].
Метод реагентной нейтрализации или стабилизации
основан на интоксикации поллютанта и перевода его
в безопасную форму по отношению к окружающей
среде [45]. Исследуемый стабилизирующий реактив
вносят в загрязненные почвы или твердые бытовые
отходы на глубину до 5 м. В результате происходит
связывание и инкапсуляция поллютантов. Полученные
капсулированные формы водонепроницаемы и
характеризуются нейтральным биологическим
воздействием на окружающую экосистему. Чаще
всего данный метод используется для выщелачивания
тяжелых металлов. Для химической стабилизации
металлов используют ионы железа с разной
валентностью, т. к. они характеризуются высокой
способностью к восстановлению [46]. Также для
целей стабилизации используют низкоуглеродистые
глины, известь, цемент и соединения фосфора [47].
Комбинированный химико-микробиологический
метод восстановления загрязненных земель
используют в своей работе L. Fu и др. [48]. Данный
метод авторы использовали для решения проблемы
вторичного загрязнения почв хромом (VI) после
810
Asyakina L.K. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2021, vol. 51, no. 4, pp. 805–818
первичной химической ремедиации. Отмечено,
что химические методы являются нестабильными,
несмотря на быстрые сроки восстановления и
эффективность. Использование авторами исследования
питательных веществ (смеси глюкозы и мочевины)
для стимулирования роста эндогенной микрофлоры
привело к снижению токсичности почвы на 97 %.
Метод химической экстракции основан на
извлечении загрязняющих веществ специально
подобранными реактивами путем перехода из
твердой нерастворимой фазы и жидкую растворимую.
Эффективность данного способа напрямую зависит от
прочности образующихся соединений или комплексов
[48, 49]. Удаление поллютантов посттехногенных
ландшафтов – более сложный процесс по сравнению
с экстракцией на основе физического разделения.
Это обусловлено разнообразием химической
природы загрязняющих веществ в одном объекте,
что приводит к побочным химическим реакциям. В
качестве растворителя выступают летучие вещества,
такие как ацетон или гексан. Процесс растворения
твердых форм поллютантов осуществляют в условиях
специализированных реакторов с последующей
отгонкой растворителя [50].
Электрохимическая деструкция загрязненных
почв основана на использовании постоянного
электрического тока в электрохимическом реакторе.
Под действием электрического тока возникает
ряд процессов (электрофорез, электроосмос,
электромиграция и др.), приводящих к движению
отдельных видов поллютантов и накоплению их на
катодах и анодах реактора [51, 52].
Биологические методы рекультивации посттехно-
генных ландшафтов или биоремедиация – безопасная,
экономически эффективная и устойчивая технология
восстановления загрязненных территорий [53].
Подходы биоремедиации, в зависимости от природы
загрязнителя и условий загрязненного объекта,
подразделяются на 2 типа – in situ и ex situ. Обработка
в условиях in situ является более привлекательной и
рентабельной, т. к. она не вызывает разрушительных
действий и не требует выемки и транспортировки
загрязненных почв. Подходы ремедиации почв в
условиях in situ включают естественное затухание,
биостимуляцию, компостирование, биоаугментацию
и фиторемедиацию. Биоремедиация в условиях ex
situ включает изъятие и удаление загрязненной
почвы или твердых отходов для обработки либо
на месте, либо для транспортировки в подходящее
место. Данный вид ремедиации включает земледелие,
биологические штабеля и биошламы.
Естественные процессы затухания основаны на
естественных процессах почв, которые способствуют
снижению массы и концентрации поллютантов
без вмешательства посторонних факторов [54].
Естественное затухание включает аэробное и
анаэробное разложение загрязняющих веществ и
сопровождается биологическими, химическими и
физическими процессами естественной деградации.
Улучшенным вариантом является поддерживаемое
естественное затухание, характеризующееся
интенсификацией процесса восстановления
загрязненных почв путем частичного вмешательства
человека: добавление в почву мелиорирующих
веществ или хлорида кальция приводит к
иммобилизации и стабилизации тяжелых металлов.
Процесс естественного затухания используют для
почв, загрязненных нефтяными углеводородами
(бензолом, этилбензолом, толуолом, ксилолом).
Биостимуляция – один из подходов биореме-
диации, основанный на стимулировании активности
аборигенной микрофлоры, содержащейся в
посттехногенных ландшафтах. Метод основан на
переработке стойких органических загрязнителей
(дихлордифенилтрихлорэтана, полициклических
ароматических углеводородов, пиретроидных
инсектицидов, линдана и других соединений) [55]. В
процессе биостимуляции осуществляется обогащение
почв недостающими питательными веществами
(азотом, углеродом, калием, фосфором) с целью
повышения метаболической активности и роста
естественной микрофлоры почв. Перспективным
направлением в биостимуляции микроорганизмов
выступает обогащение загрязненных почв компостом
– неочищенным органическим отходом, повышающим
естественные процессы сбраживания [56]. Помимо
компоста, в работах используют мульчу и навоз,
что сказывается на повышенном стимулировании
анаэробных процессов разложения поллютантов
микроорганизмами [53].
Метод компостирования на сегодняшний
день считается одним из наиболее экономически
эффективных способов ремедиации. Внесение
компоста в загрязненную почву способствует
увеличению содержания органических соединений,
повышению плодородия нарушенных земель,
детоксикации и стабилизации многих поллютантов
за счет обогащения почв собственной микрофлорой.
Однако стоит отметить, что, помимо положительного
эффекта, использование компоста сопровождается
выбросами токсичных газов во время разложения.
Это может привести к загрязнению окружающей
атмосферы [57].
Еще одним способом, основанном на действии
микроорганизмов, является биоаугментация. Это
экологически чистый и эффективный способ,
отличающийся от биостимуляции тем, что в
загрязненную почву вносят штаммы микроорганизмов,
нехарактерных для данной местности и
характеризующиеся высокой способностью разлагать
целевые поллютанты. Микробная популяция,
используемая для ремедиации почв, должна
обладать высокими ростовыми характеристиками
в условиях высокой концентрации загрязняющих
811
Асякина Л. К. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 4 С. 805–818
веществ. Биоаугментацию используют для
нейтрализации широкого спектра загрязнителей:
нефтепродуктов, пестицидов, тяжелых металлов,
полиароматических углеводородов, линдана и
других соединений [58]. В работе M. Cycoń проведен
анализ перспективных штаммов микроорганизмов
для ремедиации загрязненных пестицидами почв
методом биоаугментации [59]. К перспективным
биодеструкторам отнесены штаммы из родов
Arthrobacter, Bacillus, Brucella, Burkholderia,
Catellibacterium, Pichia, Pseudomonas, Rhodococcus,
Stenotrophomonas, Streptomyces и Verticillum.
Для снижения концентрации шестивалентного
хрома во многих исследованиях применяют метод
биоаугментации различными микроорганизмами.
Среди наиболее перспективных выделяют
Pannonibacter phragmitetus, Pseudomonas spp.,
Halomonas spp., Brucella spp. и Cellulomonas spp.
Многими научными работами доказана эффективность
комбинированной ремедиации почвы методами
биоаугментации и биостимуляции для снижения
концентрации шестивалентного Cr: в Мексике
доказана эффективность использования ацетатов
в качестве добавки к микробному консорциуму
Halomonas и Herbaspirillum для ремедиации
долговременно загрязненных свалок; использование
глюкозы оказывает существенное влияние на процесс
восстановления Cr (VI), способствуя росту эндогенной
микробиоты [48].
Эффективность метода напрямую зависит от
правильного выбора штаммов с высокой способностью
нейтрализовать поллютанты, стимулировать рост
местной микрофлоры и запускать естественные
процессы самоочищения почвы [60].
Таким образом, исследование физиологических
и метаболических реакций микроорганизмов
на металлический стресс в почве имеет важное
значение для выбора оптимальных консорциумов,
применимых в стратегиях биоремедиации,
таких как биоаугментация или фитоэкстракция
с микробиологическим усилением. Результаты
исследований в области металлургии помогут
разработать приложения, включая идентификацию
биомаркеров для экотоксикологических исследований,
биовыщелачивания, регенерации почвы на месте и
фиторемедиации с микробиологическим участием
загрязненных земель. Таким образом, этот обзор
будет сосредоточен на молекулярном понимании
устойчивости к металлам у бактерий и грибов, которое
может быть получено из исследований в области
металломики [61].
Направление биологической ремедиации
почв с использованием растений называется
фиторемедиация. Данный способ используется в
условиях in situ, т. е. непосредственно на месте.
Растения в данном методе используются для
нейтрализации тяжелых металлов и металлоидов.
Недостатки фиторемедиации заключаются в том, что
это медленный процесс, требующий нескольких лет и
более сбора урожая. Проблема в том, что существуют
стрессоры (колебания температуры, питательных
веществ, осадков, травоядность, патогены растений
и конкуренция со стороны сорняков), которые
влияют на фиторемедиацию в полях, но в теплице
не встречаются. Фиторемедиация подразделяется
на фитоэкстракцию, фитостабилизацию и
ризофильтрацию [62].
Фитоэкстракция (фитоаккумуляция) характе-
ризуется удалением поллютантов из загрязненных
почв без оказания какого-либо влияния на изменения
в плодородии почв. Тяжелые металлы накапливаются
в биомассе растения, поэтому в этом методе
перспективно использовать металлоаккумулирующие
растения с высоким коэффициентом биологического
поглощения [63]. Для боле полного протекания
процесса применяют растения-гипераккумуляторы
(горчица индийская (Brassica juncea (L.) Czern.),
горчица черная (Brassica nigra (L.) W.D.J. Koch),
подсолнечник однолетний (Helianthus annuus L.),
люцерна посевная (Medicago sativa L.) и др.),
способные поглощать в 50–500 раз большие
концентрации тяжелых металлов по сравнению с
обычными растениями [64]. В статье B. F. Nero
изучена способность ятрофа куркаса (Jatropha
curcas L.) и ветивера (Chrysopogon zizanioides L.)
снижать концентрацию углеводородов почв вблизи
горных выработок [65]. Максимальная эффективность
поглощения поллютантов данными растениями
отмечена при дополнительном обогащении почв
компостом.
Для модификации данного метода актуально
использовать биотехнологические методы, в частности
бактерии (ризобактерии) и грибы (арбускулярные
микоризные грибы), стимулирующие рост растений.
Ризофильтрация представляет собой процесс
удаления поллютантов из окружающей среды
(почвы, ила, донных отложений) с помощью корневой
системы растения. Метод схож с фитоэкстракцией, но
в данном случае тяжелые металлы остаются только
в прикорневой части, не циркулируя по биомассе
растения.
Более перспективным и эффективным методом
фиторемедиации является фитостабилизация. Метод
заключается в иммобилизации загрязняющих веществ
вблизи корневой культуры растения при помощи
корневых экссудатов. Инактивированные металлы
могут выступать в качестве питательного субстрата
для ризогенной микрофлоры местных растений [66].
Стратегия использования комбинированного
метода фиторемедиации посттехногенных почв на базе
фитостимуляции, биостимуляции и биоаугментации
является альтернативой традиционным методам
ремедиации и представляет интерес для дальнейших
исследований. Актуальными являются исследования
812
Asyakina L.K. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2021, vol. 51, no. 4, pp. 805–818
фитостабилизирующих растений, ризогенных
микроорганизмов и аборигенной микрофлоры
техногенных земель для дальнейшего использования
их в едином комплекте.
Выводы
В данной работе отражены основные виды
загрязнителей техногенного характера и очаги их
возникновения. Особую опасность представляют собой
территории горнодобывающей промышленности, т.
к. они негативно воздействуют на почву, биоту и
население. Для восстановления таких техногенно-
нарушенных территорий необходимо использовать
методы рекультивации почв. К традиционным
методам восстановления почв относят физические
(вакуумную экстракцию, дробление, ультразвуковую
и ультрафиолетовую обработку и др.), химические
(экстракцию, стабилизацию, электрохимическую
деструкцию), термические и биологические
методы (биостимуляцию, фитоэкстракцию,
ризофильтрацию, биоаугментацию). К сожалению,
использование указанных методов по отдельности
не столь эффективно, экономически невыгодно и
сопровождается побочными эффектами.
Перспективно комбинировать существующие
методы ремедиации загрязненных почв, т. к. их
синергический эффект устраняет недостатки друг
друга, приводя к максимальной переработке и
удалению поллютантов. К наиболее щадящим и
экономически выгодным относят биологические
методы. Механизм деструкции поллютантов почвы
различен для разных видов растений, но большинство
процессов осуществляется в корневой системе
растения. Симбиотическое взаимодействие растений
и ризогенной или эндогенной (к нарушенным почвам)
микрофлоры способствует эффективному процессу
восстановления и возвращения в хозяйственную
деятельность земель.
Таким образом, большой потенциал имеют
новые комбинированные технологии на основе
фиторемедиации и микробиологической композиции,
удовлетворяющей основам биоаугментации и
биостимуляции, для восстановления посттехногенных
ландшафтов.
Критерии авторства
Авторы были в равной степени вовлечены в
написание рукописи и несут равную ответственность
за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствие конфликта
интересов.