Ученые Пущинского научного центра биологических исследований РАН совместно с коллегами из ВНИИ гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова в условиях микрополевого эксперимента доказали эффективность метода очистки почв от полихлорбифенилов с помощью био-фиторемедиации. В основе метода, предлагаемого группой исследователей, лежит активация аборигенной аэробной почвенной микрофлоры с помощью интенсивной аэрации и добавок некоторых мелиорантов, а также использование нескольких видов древесных растений на стадии доочистки.
Полихлорированные бифенилы (ПХБ) – группа химических соединений, состоящих из двух ароматических колец с разным количеством атомов хлора.
Они относятся к стойким органическим загрязнителям. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), с 2001 года ПХБ входят в число 12 наиболее опасных поллютантов. Они устойчивы в окружающей среде, токсичны, способны к бионакоплению и обладают канцерогенными свойствами. Полихлорбифенилы могут накапливаться в жировых тканях животных и человека, оказывая на них негативное влияние. В организме человека ПХБ могут вызывать повреждения иммунной системы, снижение легочной функции, онкологические заболевания и эндокринные нарушения.
С начала 30-х годов, благодаря своей высокой химической и термической устойчивости, а также низкой электропроводности, полихлорбифенилы широко применялись в виде электроизоляционных масел при производстве электрохимического оборудования в разных странах мира. Отслужившие срок службы приборы просто выбрасывали на полигоны, где электроизоляционные жидкости вытекали и попадали в грунт. Кроме того, загрязнение окружающей среды ПХБ происходило в результате производственных потерь на территориях предприятий, производивших ПХБ, а также выпускавших трансформаторы и конденсаторы. Источником попадания ПХБ в окружающую среду могли быть также выбросы при сжигании ПХБ-содержащих отходов.
«В конце 70-80-х годов выяснилось, что ПХБ являются суперэкотоксикантами – то есть очень токсичными, устойчивыми к биоразложению и вездесущими веществами. Так как полихлорбифенилы относятся к полулетучим соединениям, то к середине 80-х годов ими был уже загрязнен в той или иной степени весь Земной шар. Их следы обнаруживали даже в почвах, растениях, тканях китов, тюленей и белых медведей Арктики», – пояснила кандидат биологических наук Галина Кирилловна Васильева.
Использование полихлорбифенилов было запрещено еще в конце 80-х годов, и производители оборудования перешли на другие наполнители. Однако, полихлорбифенилы оказались настолько стойкими соединениями, что до сих в некоторых почвах их содержание может превышать допустимые концентрации (ПДК) в сотни тысяч раз.
С начала 1990-х годов в Пущинском научном центре РАН проводятся исследования, связанные с проблемой загрязнения почв полихлорбифенилами. Пущинские учёные-экологи более 30 лет назад обнаружили в Московской области территории с высоким уровнем загрязнения полихлорбифенилами, и все эти годы с разной периодичностью продолжают исследовать эти почвы (Рис. 1). В работах принимали участие сотрудники институтов ФИЦ ПНЦБИ РАН (Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Институт фундаментальных проблем биологии РАН, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов РАН), а также ученые НИЦ Токсикологии и гигиенической регламентации биопрепаратов в г. Оболенске и ряда других научных организаций.
2003
2019
Рис. 1. Обследуемая территория, загрязненная полихлорированными бифенилами
Было установлено, что на одном из обследованных участков вместе с водами ручья, протекающего по загрязненной территории, полихлорбифенилы выносятся за пределы промышленной зоны и накапливаются в почвах сельхозугодий. В результате этих исследований с 2001 года выращивание сельхозпродукции на одном из участков было запрещено.
Галина Кирилловна Васильева – ведущий научный сотрудник ИФХиБПП РАН (структурное подразделение ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН»), занималась изучением загрязнённых ПХБ почв с 2003 по 2007 годы при поддержке грантов РФФИ, совместно с другими сотрудниками лаборатории физико-химии почв (рук. д.б.н. Д.Л. Пинский): с.н.с., к.б.н. Еленой Робертовной Стрижаковой, магистрантами и аспирантами. В ходе этих работ было показано, что внесение в почву гранулированного активированного угля может резко ускорить биодеградацию низкохлорированных ПХБ и обеспечить прочное связывание высокостойких конгенеров, а, следовательно, снизить миграцию ПХБ в поверхностные и грунтовые воды и их накопление в растениях. Однако, после окончания грантов из-за высокой стоимости данных исследований работы были приостановлены.
По результатам проведённых исследований вышло несколько публикаций в высокорейтинговых журналах, таких как «Evironmental Pollution» и «Микробиология», которые цитируются до сих пор. Готова к публикации монография, посвященная рекультивации загрязненных почв. Благодаря им в 2019 году к Галине Кирилловне обратился Максим Лапушкин, аспирант московского ВНИИ гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова.
«Этот активный молодой человек заинтересовался данной темой и предложил продолжить работу в этом направлении. Я с удовольствием согласилась, так как было интересно узнать, что же произошло на загрязненной территории за последние 10-15 лет. Максим проявил инициативу, и мы выехали на место. Были отобраны образцы грунта, которые отдали на анализ в сертифицированную лабораторию в г. Обнинске. Анализы показали, что за прошедший период полихлорбифенилы на основном загрязненном участке перешли в ещё более опасную и более летучую форму в виде низкохлорированных конгенеров ПХБ. Это произошло из-за того, что примерно в 2010 году по какой-то причине ручей, протекающий мимо данного участка, был засыпан гравием. В результате произошло заболачивание территории, которое привело к созданию анаэробных условий, способствующих анаэробному дехлорированию присутствующих в почве высокохлорированных конгенеров ПХБ», – рассказала Галина Кирилловна.
По инициативе М.Ю. Лапушкина в 2019 году были начаты совместные исследования с группой в.н.с. к.б.н. Васильевой Г.К. при участии с.н.с., к.б.н. Е.Р. Стрижаковой и н.с., к.б.н. А.В. Ланкина (зав. отделом чл.-корр. А.О. Алексеев), в сотрудничестве с НПО «Тайфун» в г. Обнинске. Была поставлена задача разработать наиболее экономичный и эффективный способ восстановления загрязненной территории рядом с предприятием, где в советское время использовались полихлорбифенилы в качестве электроизоляционных масел. Для этого на загрязненном участке были отобраны образцы почвы, с которыми был заложен микрополевой опыт на экспериментальной площадке ИФХиБПП РАН (Рис. 2-4).
Рис. 2. Схема закладки микрополевого опыта по разработке метода фиторемедиации ПХБ-загрязненных почв.
Рис. 3. Закладка микрополевого эксперимента на экспериментальной площадке ИФХиБПП РАН с участием Максима Лапушкина и Антона Ланкина.
Рис. 4. Вид саженцев тополя и ивы в трех ПХБ-загрязненных почвах, через 2 месяца после начала обработки.
В ходе двухлетних наблюдений было установлено, что при определенных условиях (некоторые органические добавки, аэрация путем перемешивания с последующим высаживанием саженцев тополя или ивы) происходит резкое ускорение разложение конгенеров ПХБ с 3-5 атомами хлора, тогда как незначительные остатки высокохлорированных конгенеров ПХБ, сорбированные корневой системой растений, можно удалить вместе с молодыми растениями. Таким образом, концентрация ПХБ в загрязненных почвах к концу 1-го сезона обработки снизилась на 90-95%, а к концу второго – на 92-99%.
Результаты исследований опубликованы в журналах: Использование и охрана природных ресурсов России (2020, №4) и Мелиорация (2021, №4 и 2022, №1), доложены на международной конференции SETAC и на Съезде Почвоведов России. В 2022 году аспирант М.Ю. Лапушкин защитил кандидатскую диссертацию по фиторемедиации ПХБ-загрязненных почв. Получен патент на изобретение №2774078, Лапушкин М.Ю., Васильева Г.К. и др., 2022, «Способ фиторемедиации почв, загрязненных полихлорированными бифенилами».
Пущинские ученые планируют продолжить исследования в данном направлении и надеются на то, что им представится возможность применить этот метод на территориях, где потребуется очистка от загрязнения полихлорбифенилами при поддержке этих работ Министерством экологии и природопользования Московской области.
Применение этого перспективного природоподобного метода борьбы с данными поллютантами могло бы улучшить экологическую ситуацию в любом регионе, где это необходимо.
