XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение

Проблема загрязнения окружающей среды промышленными отходами является одной из наиболее острых экологических проблем современности. Загрязняющие вещества, содержащие тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы и другие вредные соединения, негативно влияют на состояние почвы, воды и воздуха, угрожают здоровью населения и снижают качество жизни.

Одним из перспективных методов борьбы с этими проблемами является фитоочистка — использование растений для удаления или нейтрализации загрязняющих веществ из окружающей среды. Растения обладают уникальной способностью поглощать и перерабатывать химические загрязнители, превращая их в менее опасные формы или удаляя из экосистемы. Этот метод экологически чист, экономически выгоден и эффективен в условиях масштабных загрязнений.

Цель настоящей статьи – рассмотреть возможности и перспективы применения фитоочистки промышленных загрязнений, оценить эффективность различных технологий, используемых в данном процессе, а также выявить проблемы и ограничения, препятствующие широкому внедрению метода.

Причины промышленного загрязнения [3]:

1. Отсутствие политики по борьбе с загрязнением окружающей среды

2. Незапланированный промышленный рост

3. Использование устаревших технологий

4. Наличие большого количества мелких производств

5. Неэффективная утилизация отходов.

Научные исследования по использованию искусственно сконструированных фитосистем начались в Европе в 1950-х годах, а в США в конце 1960-х годов. Концепция очистки сточных вод в ФОС с горизонтальным подповерхностным потоком был разработан в Германии в 1970-х. Первый действующий ФОС был введен в эксплуатацию в 1974 году в Othfresen в Германии, и процесс очистки назывался «метод корневых зон» (RZM, на немецком Wurzelraumentsorgung)

Важно отметить, что в 1970-х и 1980-х гг. они строились исключительно для очистки хозяйственно-бытовых или городских стоков. И лишь с начала 1990-х гг. начали использоваться для очистки всех типов сточных вод, включая фильтрат полигонов твёрдых бытовых отходов, ливневые стоки (например, городские, автомагистральные, стоки аэропортов и стоки с сельскохозяйственных угодий), стоки животноводческих предприятий, промышленные стоки (химическая, целлюлознобумажная промышленность и т.д.), шахтные воды и даже ФОС для избыточного активного ила [13].

Водоочистные системы, построенные с использованием фитотехнологий, относятся к классу новых водоохранных сооружений и представляют собой болотоподобные, аналогичные естественному природному ландшафту, системы.

Фитосистемы объединяют в себе основные технические элементы сооружений, предназначенных для очистки сточных вод от содержащихся в них загрязнений с помощью водной растительности и микробных сообществ, развивающихся в их корневой зоне и на иных субстратах в водной среде. Очищенная вода либо используется в дальнейшем, либо сбрасывается в природные водоемы. Подобные фитосистемы носят следующие названия: фитоочистные системы или сооружения (ФОС), биоинженерные сооружения (БИС). Они могут различаться конструктивно, но основная цель их применения — снижение уровня биогенного загрязнения [8].

Фиторемедиация — комплекс методов очистки сточных вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений. Одно из направлений более общего метода биоремедиации [11].

Фитоочистка или, по-другому, гидроботанический метод водоочистки — это давно изученная, но недавно вышедшая в широкое применение технология, которая искусственно реконструирует природную самоочищающую способность болотных территорий. Как в естественных условиях, так и в искуственно воссозданных, движущей силой процесса водоочистки являются микроорганизмы, которые потребляют растворённый в воде кислород для разложения органических веществ, загрязняющих воду[1].

Существует несколько механизмов фиторемедиации, которые различаются способом накопления и поглощения загрязняющих веществ.

• Фитостабилизация: механизм, главной задачей которого является удержание загрязняющих веществ и предотвращение их дальнейшего распространения. Таким образом обеспечивается наличие растительного покрова на сильно загрязненных почвах, предотвращая таким образом ветровую и водную эрозию, путем перевода химических элементов в менее подвижную и активную форму.

Растения, в процессе фитостабилизации, наращивают сильно разветвленную корневую систему, сохраняя почвенный покров и снижая риск распространения загрязнений. Такие растения обладают устойчивостью к загрязняющим веществам и мобилизуют загрязняющие вещества в корневой системе, то есть накапливают их без поглощения. Образованный налет от стабилизированных загрязнений на корнях растений выступает дополнительной зашитой от токсичных веществ. Этот процесс не приводит к удалению загрязняющих веществ из почвы, но он уменьшает опасность, присущую загрязняющим веществам

• Фитодеградация: механизм, при котором растения вместе со связанные с ними водными или почвенными микроорганизмами биологически разлагают органические вещества или преобразовывают загрязнители в нетоксичные компоненты, за счет метаболизма в тканях растений или за счет высвобождения ферментов из корней.

• Фитоэкстракция: механизм накопления и концентрации загрязнений, содержащихся в почве или в воде, корнями и передача их в свою зеленую биомассу. В конце периода роста растения с накопленными химическими элементами необходимо удалить – собрать или скосить.

Некоторые растения способны к сверхаккумуляции металлов без каких-либо побочных эффектов. Эти растения адаптированы к природным почвам, богатым металлами. Многие растения способны к поглощению разных загрязнителей, однако большинство растений способны к сверхаккумуляции только одного определенного металла. Эффективность фитоэкстракции зависит от производства биомассы растениями и содержания загрязняющих веществ в собранной биомассе. Таким образом, быстрорастущие культуры, которые накапливают металлы, обладают большим потенциалом для фитоэкстракции.

Характерные вещества под удаление данным методом: углеводороды, хлорированные вещества, пестициды, металлы, взрывчатые вещества и радионуклиды, питательных вещества

• Фитоиспарение: механизм, аналогичный фитоэкстракции, при котором растения переносят растворимые загрязняющие вещества в надземные часть и испаряют их в атмосферу. Этот процесс обусловлен способностью биомассы растений испарять воду вместе с поглощёнными загрязнениями [12].

Фитотехнологии являются перспективными и развивающимися, но в то же время уже общепринятыми методами очистки и сохранения воды и почвы благодаря ее различным преимуществам, таким как:

• технологий является экологически чистой, меньшее количество выбросов в атмосферу, запаха, пыли и других отходов делает фитотехнологии безопасной обработкой загрязненной среды;

• технология обеспечивает дополнения к существующей экосистеме, что поддерживает среду обитания диких животных;

• имеется потенциал для извлечения ресурсов из массы собранных растений после высушивания надземной или надводной части после фитоэкстракции, использования в качестве компостирующей среды, а также для получения энергии после сжигания удаленных растений;

• с экономической стороны, технология, в сравнении с другими методами очистки (физическими и химическими), выигрывает не только в вопросе себестоимости, но и не несет затрат в обслуживании, эксплуатации и поддержании системы энергией, так как работа растений обеспечивается фотосинтезом, а именно солнечной энергией;

• процессы фиторемедиации могут комбинироваться с существующими методами очистки, а также выполнять функцию доочистки, что может быть более выгодным и эффективным, чем отдельная технология [12].

В рамках общепринятой классификации по местоположению гидравлической проектной линии и варианту проектирования можно выделить три основных типа ФОС, каждый из которых имеет свои функциональные особенности:

1. ФОС с открытой водной поверхностью (есть открытая акватория, застой воды, плавающая и надводная растительность) – системы высокой производительности, применяются в случае высокой или изменчивой гидравлической нагрузки и, как правило, в регионах без длительного морозного периода. Часто используются для доочистки. Также могут выполнять функцию буферных водоемов для ливневых сточных вод.

2. ФОС с горизонтальным подповерхностным потоком (не имеют открытых акваторий,сточные воды протекают горизонтально под поверхностью через фильтрующий слой и произрастающие в нем растения) – используются, как правило, для вторичной очистки муниципальных стоков. Также эффективно справляются с некоторыми видами промышленных загрязнений. Используются при меньших скоростях потока, но эффективны в условиях холодного климата.

3. ФОС с вертикальным подповерхностным потоком (схожи с вариантом выше, но поток воды фильтруется вертикально, а не горизонтально) – эффективны для получения нитрифицированных стоков, используются для очистки фильтратов свалок, стоков пищевой промышленности (отходов с повышенным содержанием аммиака), а также сильно загрязненных промышленных стоков. Могут быть как с восходящим, так и с нисходящим потоком.

Кроме того, существуют гибридные ФОС (комбинация двух или более перечисленных выше разновидностей) – часто они обладают максимальной эффективностью [4].

В соответствии с классификацией растений по ответной реакции на присутствие в среде произрастания тяжелых металлов (ТМ) [10] выделяют три основные группы: растения-исключатели, растения-индикаторы и растения-гипераккумуляторы. Растения-исключатели удерживают ТМ преимущественно в корнях, которые способны к избирательной проницаемости, т.е. могут пропускать сквозь себя одни экотоксиканты, не пропуская другие. Растения-индикаторы способны активно аккумулировать ТМ, обычно толерантны к существующему уровню их концентрации благодаря образованию внеклеточных металлсвязывающих соединений (хелаторов) и способны менять характер воздействия элемента путем его запасания в нечувствительных к ТМ участках. Гипераккумуляция представляет собой одну из стратегий устойчивости растений к ТМ, связанную со способностью концентрировать их в тканях надземных органов. Термин «гипераккумулятор» относится к растениям, способным накапливать ТМ в побегах до концентраций, в 100–1000 раз превышающих таковые у обычных растений.

Проблема борьбы с разливами нефти и нефтепродуктов при авариях в настоящее время является актуальной для всего мира. Большое количество нефти попадает в природные воды при её перевозках водным путём, а также со сточными водами предприятий нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Разливы, утечки нефти и нефтепродуктов, а также производственные отходы, как показывает практика, неизбежны при их добыче, переработке и транспортировке. Основное количество аварийных ситуаций регистрируется на предприятиях нефтедобывающей промышленности и трубопроводного транспорта. В отличие от локально расположенных предприятий, здесь практически невозможно предусмотреть меры по защите окружающей среды на всей протяжённости, достигающей многих тысяч километров. Наибольшую экологическую опасность представляют разливы нефти на поверхности морей, водоёмов и рек. При этом в течение нескольких часов тонкая плёнка нефтепродуктов может покрыть сотни квадратных километров водной поверхности, перемещаясь с течением воды. Кроме того, разливы нефти довольно сложно локализовать. Образующаяся на водной поверхности плёнка углеводородов препятствует поступлению кислорода в воду и нарушает воздухообмен. Кроме того, часть углеводородов растворяется в воде и пагубно воздействует на обитателей водоёмов [7]

При отработке технологии фиторемедиации почв от нефтепродуктов основное внимание уделяется отбору растений, способных трансформировать совместно с симбиотическими микроорганизмами токсичную часть загрязнений, переводя их в менее подвижную и активную форму.

При выборе конкретного растения для фиторемедиации нефтезагрязненных почв проводится оценка влияния нефтяного загрязнения на рост и развитие растений, эколого-физиологическими показателями которого являются:

1. толерантность к условиям предполагаемой среды произрастания (например, устойчивость к подтоплению, способность к произрастанию в антропогенно-загрязненных условиях городской среды и т.п.);

2. изменения в фотосинтетическом аппарате, в частности, содержание хлорофилла в листьях;

3. изменение активности окислительно-восстановительных ферментов в нефтезагрязненной почве;

4. численность углеводородокисляющих микроорганизмов ризосферы растений;

5. содержание остаточных нефтепродуктов под посевами растений [14].

Молекулярные и физиологические основы фитоочистки включают комплекс механизмов, направленных на связывание, компартментацию и детоксикацию металлов, а также поддержание окислительно-восстановительного баланса клетки.

Как правило, тяжелые металлы не находятся в цитоплазме клеток в свободном состоянии, а лишь в форме хелатов. У растений хелатирующими агентами для тяжелых металлов являются: фитохелатины, металлотионеины, карбоновые и аминокислоты. Фитохелатины – это небольшие, энзиматически синтезируемые пептиды, обогащенные цистеином. Присутствуют в клетках разных видов. Биосинтез фитохелатинов стимулируется многими металлами, включая: кадмий, ртуть, серебро, медь, никель, золото, свинец и цинк. Но именно Cd+2 является сильнейшим стимулятором. В растениях фитохелатины являются главными хелаторами тяжёлых металлов. Металлотионеины – небольшие, широко распространенные белки, синтезируемые, в противоположность фитохелатинам, на рибосомах. Они участвуют в детоксикации меди, депонировании цинка в цитоплазме. В зависимости от вида растения разные металлы по-разному влияют на синтез металлотионеинов

Транспорт ионов тяжелых металлов в фитомассу растений через плазмалемму, тонопласт, мембраны аппарата Гольджи, митохондрий и хлоропла стов осуществляется посредством специальных белков-переносчиков, АТФаз, а также особой группы транспортных белков – АВС-транспортеров (от англ. ATP-bindingcassette). Переносчики принадлежат к COPT, ZIP, NPRAM и CDF семействам, АТФазы, транспортирующие тяжелые металлы против их электрохимических градиентов, относятся к Р1В-АТФазам. Кроме того, в транспорте ионов тяжелых металлов принимают участие различные хелатирующие агенты, фитосидерофоры, которые продуцируются растениями во внешнюю среду и ферменты плазмалеммы – редуктазы, которые восстанавливают некоторые окисленные формы металлов (Fe+3, Cu+2), что делает возможным взаимодействие восстановленных ионов со специфическими переносчиками [6].

Применение ФОС в ряде случаев являются оптимальным решением проблемы очистки стоков благодаря следующим преимуществам:

• ФОС эффективно удаляют широкий спектр загрязняющих веществ (в том числе ксенобиотики - синтезированные человеком искусственные соединения, чуждые для природных экосистем), используя все типы процессов, формирующие качество воды (физические, химические и биологические);

• основная часть поллютантов в ФОС удаляется за счет растительно-бактериальных сообществ, благодаря чему отсутствует необходимость применения химических реагентов, происходит обеззараживание естественным путём;

• для ФОС характерна пастбищная трофическая цепь, основой которой является биомасса фотоавтотрофов (т.е. энергия солнца используется напрямую);

• ФОС просты в эксплуатации и требуют относительно небольших экономических вложений (как капитальных затрат, так и эксплуатационных расходов) за счёт отсутствия дорогих высокотехнологичных элементов конструкции, возможности использования местных строительных материалов и рабочей силы, а также сравнительно незначительного энергопотребления (менее 0,1 кВт*ч/м3 [14]);

• ФОС характеризуются высокой надежностью в течение длительного времени, часто наблюдается повышение эффективности очистки со временем (за счёт саморегулирования процессов и автоселекции специфических микробиологических сообществ);

• ФОС малоотходны, более того, они позволяют не только очищать стоки, но и получать биомассу;

• ФОС биогеохимически совместимы с природными ландшафтами и имеют эстетичный внешний вид, городские ФОС - зоны консервации дикой природы [9].

Как и любая технология, ФОС имеют ряд недостатков и ограничений:

• большинство ФОС требуют больших площадей по сравнению с традиционными очистными сооружениями;

• ФОС не всегда способны очищать стоки до существующих нормативов, особенно функционируя как единственная ступень очистки;

• со временем в ФОС накапливаются тяжелые металлы, соединения фосфора и персистентные органические поллютанты, что приводит к образования загрязненного осадка и необходимости его утилизации;

• ФОС имеют ограничения в условиях холодного климата, при низких температурах может наблюдаться сезонное снижение эффективности очистки;

• для удаления широкого спектра загрязняющих веществ часто необходимо комбинировать несколько типов ФОС, что увеличивает затраты на строительство;

• при высокой стоимости земли ФОС могут быть экономически неэффективны.

Таким образом, ФОС неприменимы в районах с дефицитом свободных земельных угодий (например, в городах с плотной застройкой); при необходимости очищать стоки от большого количества жителей (миллионные мегаполисы); как единственная ступень очистки при сильно загрязненных сточных водах и высоких требованиях к качеству очищенной воды; некоторые вариации ФОС неприменимы в условиях холодного климата и низкой температуры сточных вод без модернизации конструкции [9].

Существуют определенные ограничения в отношении системы фиторемедиации. Среди них: метод отнимает много времени. Фиторемедиация может быть длительным процессом, и это может занять, по крайней мере, несколько сезонов. Промежуточные продукты, полученные из этих органических и неорганических загрязнений могут оказывать цитотоксическое действие на растения. Фиторемедиация также ограничена скоростью роста растений. Таким образом, для загрязнений, которые приводят к возникновению острых рисков для человека и окружающей среды, фиторемедиация не может быть выбрана методом восстановления. Фиторемедиация лучше всего подходит для отдаленных районов, где контакт человека с загрязнениями ограничен или там, где почвы не требуется очистить немедленно [5]. Также, использование растений - фитофильтраторов несколько ограничивается по статье 50 Федерального закона от 10.01.2002 №7-ФЗ «Об охране окружающей среды».

Генетическая модификация растений. Создание сортов, устойчивых к засухе, засоленности почв, вредителям и фитопатогенам. Генетические модификации позволяют снизить зависимость от химических средств защиты растений. В перспективе ожидается появление генетически модифицированных культур с ускоренным фотосинтезом, что повысит их продуктивность и эффективность усвоения углекислого газа.

Использование микробиологических технологий. Применение биопрепаратов на основе азотфиксирующих бактерий, микоризных грибов и биофунгицидов позволяет значительно сократить использование химических удобрений и средств защиты растений. Также ведутся разработки консорциумов полезных микроорганизмов, способных улучшать питание растений и усиливать их иммунитет к патогенам.

Применение растений с высокой паропроницаемостью. Такие виды растений, как тополь, ива, эвкалипт, потребляют много воды, что ограничивает попадание токсикантов в подземные воды и снижает риск их загрязнения.

Использование микробных консорциумов. Растёт интерес к биотехнологическим методам восстановления деградированных почв, включая разложение органических загрязнителей, фиксацию питательных веществ и улучшение структуры грунта [2].

Заключение

Проанализированный материал демонстрирует, что промышленное загрязнение стало неизбежным следствием технологического прогресса, начавшегося с промышленной революции. Рост масштабов производства, использование устаревших технологий и отсутствие системной экологической политики привели к серьёзным негативным изменениям в окружающей среде. В этой ситуации особую значимость приобретают инновационные методы очистки, среди которых фитотехнологии (фиторемедиация и фитоочистка) занимают особое место. Они представляют собой экологически безопасную и экономически выгодную альтернативу традиционным методам, используя естественные механизмы самоочищения экосистем. Разнообразие механизмов фиторемедиации (фитостабилизация, фитодеградация, фитоэкстракция, фитоиспарение) и типов фитоочистных систем озволяет подбирать оптимальные решения для конкретных видов загрязнений — от тяжёлых металлов и нефтепродуктов до ксенобиотиков и биогенных элементов.

Перспективы интеграции фитобиотехнологий в программы охраны окружающей среды связаны с дальнейшим совершенствованием существующих методов и разработкой новых подходов. Ключевыми направлениями развития являются: селекция и генетическая модификация растений-гипераккумуляторов с повышенной устойчивостью к загрязнителям; создание микробных консорциумов, усиливающих фиторемедиационные свойства растений; оптимизация конструкций ФОС для работы в сложных климатических условиях; разработка гибридных систем, сочетающих фитоочистку с традиционными методами. При этом важно учитывать ограничения технологии — потребность в значительных площадях, длительность процесса очистки, накопление токсичных веществ в растительной массе. Для успешной интеграции фитотехнологий необходимо также совершенствовать нормативно-правовую базу и проводить дальнейшие научные исследования по оценке их долгосрочной эффективности. В целом, фитоочистка обладает значительным потенциалом для решения актуальных экологических проблем, особенно в регионах с умеренной антропогенной нагрузкой и возможностью выделения достаточных территорий под очистные сооружения.

Список литературы

1. Брешиани Р. Фитоочистка как инновационный метод водоочистки // «Вестник МГСУ». — 2019. — № 7. — С. 885–900.

2. Биотехнологии в сельском хозяйстве – перспективные направления // Все марки URL: https://все-марки.рф/blog/biotekhnologii-v-selskom-hozyajstve-perspektivnye-napravleniya/ (дата обращения: 06.12.2025).

3. Ешугова Д.М., Лобкова А.А. Влияние промышленного загрязнения на окружающую среду // Проблемы обеспечения безопасности (Безопасность-2021). - Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет , 2021. - С. 102-108

4. Рыбка К.Ю., Щеголькова Н.М. Механизмы очистки сточных вод от биогенных элементов (азота и фосфора) в фито-очистных системах // экосистемы: экология и динамика. - 2018. - №4. - С. 144-171

5. Морозова М.А. Фиторемедиация как метод очистки почв // Academy. - 2018. - №6

6. Ольшанская Л.Н. Валиева Р.Ш. Некоторые физиологические аспекты фитоэкстракции тяжелых металлов // Химия и химическая технология. - 2016. - №1. - с. 30-35.

7. Ольшанская Л.Н., Собгайда Н.А. и др. Фиторемедиационные энергосберегающие технологии в решении проблем загрязнения гидросферы // Инноватика и экспертиза.. - 2012. - №2(9). - С. 166-172.

8. Пора очищать Арктику. Создание фитоочистной системы для доочистки сточных вод горнорудных предприятий от минеральных соединений азота / Л. А. Иванова, В. А. Мязин, М. В. Корнейкова, Н. В. Фокина, Г. А. Евдокимова, В. В. Редькина; ответственный редактор канд. биол. наук Е. А. Боровичев. — Апатиты : Издательство Кольского научного центра, 2021. — 88 с.: ил

9. Рыбка К.Ю. Фитоочистная система открытого типа как природно-техногенный барьер для загрязняющих веществ: дис. кан. гео. наук: 25.00.36. - М., 2021. - 230 с.

10. Мещерякова В.Ю., Дьякова Н.А., Павлова Ю.А. Перспективы использования различных растений с целью фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами // Ульяновский медико-биологический журнал. - 2024. - №3. - С. 139-148.

11. Фиторемедиация // РУВИКИ URL: https://ru.ruwiki.ru/wiki/Фиторемедиация (дата обращения: 06.12.2025).

12. Механизмы фиторемедиации для очистки сточных вод // Научно-издательский центр АСПЕКТ. URL: https://na-journal.ru/4-2024-ekologiya/10913-mekhanizmy-fitoremediacii-dlya-ochistki-stochnyh-vod (дата обращения: 30.11.2025)

13. Щеголькова Н.М., Диас В. ,Криксунов Е.А., Рыбка К.Ю. Применение фитосистем для очистки сточных вод в россии // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. - 2014. - №5. - С. 21-3О очистка почвы от нефтяных загрязнений с помощью растений // Форум молодых ученых. - 2016. - №4. - С. 1110-1113.