XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Загрязнение почв тяжелыми металлами является глобальной проблемой. Подавление сформированных экосистем из-за критических значений содержания химических элементов приводит к нарушению экологического баланса. Влияние и связь со всеми компонентами природных сред через почву крайне велико, поэтому так важно выявлять и предотвращать все возможные источники поступления загрязнителей, вызванных деятельностью человека, особенно на урбанизированных территориях.

Уфа является одним из главных городов Приволжского федерального округа, крупнейший промышленный центр Республики Башкортостан с населением более 1 миллиона человек, расположенный на так называемом Уфимском полуострове, в междуречье Уфы и Белой, в юго-восточной части Восточно-Европейской равнины. Площадь урбанизированной территории г. Уфы составляет более 250 км². Нефтяная и химическая промышленность является основой экономики города. В Уфе расположено около 200 крупных и средних промышленных предприятий, таких как: ОАО Уфимское приборостроительное производственное объединение, ОАО «Уфимкабель», Уфимский завод микроэлектроники «Магнетрон», ОАО «Уфимский завод «Промсвязь», «Уфимский завод цветных металлов», Башкирский троллейбусный завод, ООО «Кроношпан», ПАО «ОДК-УМПО». Помимо основных вышеперечисленных предприятий, источниками загрязнения окружающей среды являются ТЭЦ, расположенные, в основном, в северной части города (рис. 1).

Рис. 1. Карта г. Уфы с указанием крупных промышленных предприятий

По последним данным, в результате работы всех предприятий на территории города общая масса загрязняющих веществ, поступивших в атмосферу, составляет 176 тысяч тонн [2].

По результатам исследования уровня накопления тяжелых металлов в почвах на территории г. Уфы [2] были получены данные, которые представлены в таблице (таб.1). Они показывают, что распределение химических веществ крайне неоднородно, также ярко заметна тенденция, что наибольшей нагрузке подвержена северная часть города, где располагаются основные промышленные предприятия. Максимальные содержания тяжелых металлов в почвах характерны для районов расположения ТЭЦ, которые в качестве резервного топлива периодически используют мазут.

Таблица 1

Статистические параметры валового содержания тяжелых металлов в почве на территории г. Уфа по данным литогеохимической съёмки (n=51)

Примечание: КК – коэффициент концентрации химического элемента, рассчитано относительно данных [2].

В пробах, отобранных на территории микрорайона Дёма, вблизи железнодорожной перегрузочной станции и близлежащих машиностроительных предприятий, отмечены металлы с превышением концентрации, относящихся ко всем трём классам опасности для здоровья человека, относительно среднего фонового характера распределения по городу [2].

Целью данной работы является оценка потенциала применения современных биоремедиационных технологий для восстановления почв г. Уфы, загрязненных тяжелыми металлами, с учетом их пространственной неоднородности и специфики химического поведения.

Научные основы биоремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами

Биоремедиация на данный момент является одним из самых перспективных направлений в сфере очищения и обращения с отходами различной фракции и происхождения.

Биоремедиация обычно осуществляется растениями и микробами, такими, как бактерии и грибы. Загрязнителями могут быть природные соединения, присутствующие в высоких концентрациях: сырая нефть, тяжелые металлы и т.д., химически синтезированные соединения, такие как ксенобиотики.

Помимо различных методов для биоремедиации важен подбор наиболее перспективных и жизнеспособных культур (микроорганизмов), способных справляться с загрязнениями в тех или иных природных условиях. Поиск этих бактерий, а также веществ для их культивирования и активизаций занимает продолжительное время, в связи, с чем затрудняется и проведение самих биоремедиационных мероприятий [9]. Однако, несмотря на это, арсенал методов биоремедиации продолжает расширяться. Существующие виды биоремедиации для более наглядного сравнения представлены в таблице 2.

Таблица 2

Сравнительная характеристика методов биоремедиации тяжелых металлов

Эффективность этих методов зависит как от биологических особенностей организмов, так и от почвенно-экологических условий.

Основные методы биоремедиации и их потенциал для г. Уфы

Анализ данных валового содержания тяжелых металлов в почвах г. Уфы [2] позволяет дифференцировать подходы к их биоремедиации.

Наиболее перспективным методом для очистки почв от цинка (Zn), характеризующегося значительным превышением (КК=2.1), является фитоэкстракция. Это связано с тем, что цинк – один из наиболее хорошо изученных элементов для данного метода. Как показывают исследования, растение-гипераккумулятор Thlaspi caerulescens (ярутка полевая) способно накапливать в своей биомассе до 10,000 мг/кг цинка без видимых симптомов токсичности [6]. Высокий коэффициент вариации (63%) позволяет рекомендовать применение фитоэкстракции точечно, на участках с максимальными концентрациями (до 432 мг/кг), что повысит экономическую эффективность.

Для мышьяка (As), имеющего самый высокий коэффициент концентрации (КК=4.2), стратегия должна быть иной. Прямая фитоэкстракция сопряжена с риском попадания высокотоксичного элемента в пищевую цепь. Поэтому наиболее обоснованным методом представляется фитостабилизация. Задачей является не извлечение, а перевод мышьяка в менее подвижные и менее токсичные формы. Исследования демонстрируют эффективность папоротника Pteris vittata, который способен не только аккумулировать мышьяк, но и окислять более подвижный и токсичный As(III) в As(V) в своей ризосфере, способствуя его иммобилизации [7]. Комбинация этого папоротника с микоризными грибами может дополнительно усилить процесс стабилизации.

Наибольшую сложность представляет реабилитация почв, загрязненных ртутью (Hg). Чрезвычайно высокие максимальные концентрации (479 мг/кг) и очень высокий коэффициент вариации (135%) свидетельствуют о наличии крайне опасных локальных очагов. В этом случае может рассматриваться комбинированный подход. Для локальных «горячих точек» возможна обработка методами ex situ с использованием биосорбентов на основе бактериальных культур (родов Bacillus, Pseudomonas), обладающих высокой сорбционной емкостью по отношению к ионам ртути [10]. На обширных территориях с меньшим уровнем загрязнения потенциально применима фитоволатилизация с использованием трансгенных растений, способных восстанавливать Hg²⁺ до элементарной ртути (Hg⁰), которая затем испаряется. Однако данный метод требует строгого экологического контроля и оценки рисков для атмосферы [8].

Загрязнение сурьмой (Sb), также обладающей высоким КК (6.1), требует подхода, схожего с мышьяком. Основной стратегией должна стать фитостабилизация с использованием растений с мощной корневой системой, таких как злаковые травы, которые предотвратят ветровую и водную эрозию загрязненных почв. Дополнительный потенциал имеет ризоремедиация – стимуляция деятельности ризосферных микроорганизмов, способных сорбировать и трансформировать соединения сурьмы [1].

Что касается элементов с умеренным уровнем загрязнения, таких как кобальт (Co), наиболее рентабельным представляется метод фитоэкстракции с использованием таких растений-аккумуляторов, как виды рода Crotalaria [6]. Для бария (Ba) и стронция (Sr), несмотря на низкие средние КК, наличие высоких максимальных концентраций диктует необходимость фитостабилизации на выявленных «горячих точках» для предотвращения их миграции в окружающую среду.

Заключение

Проведенный анализ демонстривает высокий потенциал биоремедиационных технологий для восстановления почв г. Уфы. Ключевыми факторами успеха являются:

1. Предварительное зонирование территории по уровню загрязнения.

2. Дифференциация методов: фитоэкстракция для Zn и Co, фитостабилизация для As, Sb, Ba и Sr, комбинированные подходы для Hg.

3. Использование адаптированных к местным условиям растений и микроорганизмов.

Перспективы дальнейших исследований связаны с поиском и испытанием конкретных видов-гипераккумуляторов и микробных штаммов для почвенно-климатических условий г. Уфы Республики Башкортостан.

Список использованной литературы

1. Бабаев Э. Р., Муштагова Ф. Г. Применение микроорганизмов в процессах биоремедиации // НефтеГазоХимия. — 2024. — № 3-4. — С. 49-55.

2. Гончаров Г. А. Загрязнение почв тяжёлыми металлами на территории города Уфа // Проблемы геологии и освоения недр: труды XXVI Международного симпозиума имени академика М. А. Усова студентов и молодых учёных, Томск, 4-8 апреля 2022 г. Т. 1. — Томский политехнический университет, 2022.

3. Ерохина Н. И. Экологическая оценка ила сточных вод и возможность его использования в биоремедиации нефтезагрязненных почв : дис. — Уфа : автореф. дис. ... канд. биол. наук, 2012.

4. Искужина М. Г. и др. Биологические методы очистки окружающей среды от тяжелых металлов // Экобиотех. — 2023. — Т. 6. — № 2. — С. 120-138.

5. Тимофеева С. С. Современные технологии биоремедиации окружающей среды // Экология и промышленность России. — 2016. — Т. 20. — № 1. — С. 54-58.

6. Lasat M. M. Phytoextraction of toxic metals: a review of biological mechanisms // Journal of Environmental Quality. — 2002. — Vol. 31, № 1. — P. 109-120.

7. Ma L. Q. et al. A fern that hyperaccumulates arsenic // Nature. — 2001. — Vol. 409. — P. 579.

8. Meagher R. B. Phytoremediation of toxic elemental and organic pollutants // Current Opinion in Plant Biology. — 2000. — Vol. 3, № 2. — P. 153-162.

9. Цыбизов Д. А. Перспективные виды биоремедиационных технологий в мире. Наиболее перспективные технологии применения биоремедиационных бактерий для очищения верхних слоев литосферы // Научный редактор. — 2024. — С. 218.

10. Volesky B. Detoxification of metal-bearing effluents: biosorption for the next century // Hydrometallurgy. — 2001. — Vol. 59, № 2-3. — P. 203-216.