Самоочищение почвы. Что такое самоочищение почвы.

Самоочищение почвы представляет собой природный процесс, при котором почва способна минерализовать органические вещества и преобразовывать их в безопасные органические и неорганические формы, доступные для усвоения растениями.

Заключительная стадия самоочищения почвы

Самоочищение почвы — это продолжительный и сложный для природы процесс, в ходе которого вредные органические вещества преобразуются в полезные неорганические компоненты. Все токсичные вещества, попадающие в почву, со временем проходят через фильтрацию и теряют свои негативные и опасные характеристики. Этот процесс может занять значительное время, иногда от месяцев до десятилетий, в зависимости от условий.

Почва непрерывно подвергается загрязнениям, особенно в своих глубинных слоях. Различные факторы, такие как деятельность человека и воздействие окружающей среды, способствуют накоплению остатков как химического, так и органического происхождения. В современном мире выделяют несколько типов загрязнений.

• Химическое загрязнение. Это происходит при попадании в почву различных радиоактивных веществ, техногенных отходов и пестицидов, что может значительно ухудшить качество почвы.
• Биологическое загрязнение. Может возникнуть из-за случайных катастроф, таких как разливы нефти или попадание опасных химикатов, а также в результате человеческой деятельности.
• Физическое загрязнение. Это действие связано с увеличением числа объектов на поверхности земли, таких как теплотрассы и газопроводы, что может повлиять на естественные процессы почвообразования.

Самоочищение почвы являет собой естественный механизм. Он функционирует за счёт разложения вредных органических веществ и их преобразования в полезные неорганические компоненты, такие как белки, жиры, углеводы, газы и минералы. Стоит учитывать, что самоочищение может занять много лет и не ограничивается краткосрочными процессами. Часто такие процессы требуют десятилетия или даже столетия. Продолжительность регенерации зависит от химического состава почвы, физических характеристик, а также от природы флоры и фауны, присутствующих в данном экосистеме.

Ключевым является необходимость непрерывного процесса минерализации и гумификации в почве. Почвы, находящиеся вдали от крупных загрязняющих источников, как правило, демонстрируют более высокие способности к восстановлению.

В каких случаях происходит самоочищение почвы

Загрязнение почвы может осуществляться несколькими путями:

• Биологический путь. Наиболее простой способ загрязнить почву — это выброс бытовых отходов, которые потом разлагаются в ней.
• Физический путь. Как правило, это связано с температурно-энергетическими и радиационными процессами, приводящими к изменению свойств почвы.
• Химический путь. Это один из самых опасных видов загрязнения, поскольку химикаты медленно перерабатываются почвой и способны существенно нарушить биоценоз.

Процессы самоочищения почвы

Почва обладает уникальной способностью к самоочищению, что делается возможным благодаря активному воздействию микроорганизмов, которые обитают в ней. Ключевыми факторами в этом процессе являются содержание влаги, уровень кислорода, а также специфические физико-химические свойства самой почвы. Микроорганизмы способны отфильтровывать вредные остатки, проникающие в почву, например, из неочищенных источников воды. Различные пористые твердые частицы задерживаются в верхних слоях почвы.

При этом среди органических остатков следует отметить:

— Остатки животных и растений, которые также играют свою роль в процессе самоочищения.

Скорость разложения этих остатков во многом зависит от содержания кислорода в почве. Процессы могут протекать в аэробной или анаэробной средах, что существенно влияет на характеристику разложения органических соединений.

Понятие и характеристика

Степень загрязнения почвы продолжает оставаться весьма критической. Присутствуют различные остатки химического и органического происхождения, которые накапливаются на протяжении длительного времени. Основные виды загрязнений остаются прежними:

• Химическое загрязнение. Включает в себя попадание радиоактивных и техногенных отходов.
• Биологическое загрязнение. Может иметь случайный характер и вызывать значительные проблемы и последствия.
• Физическое загрязнение. Возникает в результате строительства и содержания инфраструктуры.

Процесс самоочищения почвы, который продолжает оставаться естественным, заключается в разложении вредных органических компонентов и их преобразовании в полезные неорганические вещества. На этом этапе образуются вещества, такие как белки, жиры, углеводы и минералы. Путь к самоочищению долгий и может занять многолетние циклы обработки. Влияние на этот процесс оказывается многими факторами, включая химический состав почвы, физические свойства и обитание флоры и фауны.

Ключевым моментом остается, что минерализация и гумификация должны поддерживаться на должном уровне. Этот аспект особенно важен для почвы, расположенной вдали от крупных промышленных объектов, т.к. она имеет повышенную способность к восстановлению.

Процессы и виды самоочищения

Существует множество типов самоочищения, каждый из которых подпадает под влияние специфических условий и состояния окружающей среды.

• Аэробный способ. На начальном этапе происходит образование жирных кислот. В дальнейшем, эти жирные кислоты распадаются на метан, органические спирты и углекислый газ. Когда в почве достаточное количество кислорода, процесс проходит незаметно, однако при дефиците кислорода происходят выделения, способные вызвать неприятные запахи.
• Анаэробный способ. Этот метод самоочищения реализуется в условиях, где наблюдается недостаток кислорода. Важную роль в этом процессе играют анаэробные бактерии, которые выделяют в почву такие токсичные gases, как аммиак и сероводород.

Механизм самоочищения почвы состоит из трех основных процессов:

• Минерализация. Этот этап включает как аэробные, так и анаэробные условия. Вредные органические компоненты разлагаются и получают новую структуру.
• Нитрификация. На этом этапе продукты разложения подвергаются окислению и могут быть усвоены растениями. Это шаг в процессе восстановления почвы, который осуществляется только при аэробном самоочищении.
• Гумификация. Эта заключительная стадия проходит за счёт преобразования основных веществ, которые обеспечивают нормальное функционирование почвы в гумус.

Давайте подробнее рассмотрим, какие вещества и как трансформируются в почве в процессе самоочищения.

• Углеводы. Эти компоненты подвергаются окислению и преобразованию в углекислый газ и воду, после чего формируются карбонаты. Углеводы служат источником питания для множества микроорганизмов, включая бактерии, червей и насекомых.
• Белки. При разложении белков в почве образуются аммиак или азотная кислота. Это зависит от наличия кислорода и концентрации его в грунте. Процесс нитрификации играет важную роль, питая растительную и микробную жизнь.
• Жиры. Этот элемент разлагается в почвах, обогащённых кислородом. В процессе гниения жиров образуется глицерин и кислоты, такие как сера, сульфатная и фосфорная.

По характеру протекания процессов самоочищения и разложения вышеупомянутых веществ можно делать вывод о состоянии и уровне загрязнения почвы.

Для оценки уровня загрязнения почвы в лабораторных условиях также анализируется содержание азота.

Гигиеническое значение

Одна из самых значимых функций почвы заключается в её способности к регенерации. Можно представить, какие катастрофические последствия могут возникнуть, если процесс минерализации, разложения органических материалов и гумификации будет остановлен. Вот почему самоочищение почвы так важно:

• Из грунта удаляются вредные вещества;
• Снижается количество микробов, бактерий и яиц вредных насекомых, включая геогельминтов;
• Почва становится более пористой, что улучшает воздухообмен;
• Плодородие грунта повышается за счёт образования гумуса;
• Сохраняются ключевые свойства грунта;
• Предотвращается загрязнение окружающей среды.

Загрязнение почвы может оказать негативное влияние не только на урожайность, но и стать причиной экологической катастрофы. При прекращении самоочищения токсичные и канцерогенные вещества, накапливавшиеся в почве на протяжении многих лет, смогут достичь окружающей среды за короткий временной отрезок. Изменение в составе и состоянии почвы приведёт к исчезновению различных видов животных и растений. Вода также подвергнется заражению, что в конечном итоге может способствовать исчезновению питьевой воды на нашей планете.

На основе вышеизложенного можно заключить, что самоочищение почвы — это уникальное свойство, требующее внимания всего человечества к проблеме загрязнения. Возможности и ресурсы почвы не безграничны. Наиболее серьезный ущерб наносят промышленные отходы. Если их количество не удастся существенно сократить в ближайшее время, последствия могут оказаться крайне неблагоприятными.

Российские химики разработали метод очистки почвы от токсинов с помощью растений

Химики из Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева и НИЦ «Курчатовский институт» создали прогрессивный способ очистки почвы от тяжелых металлов. Они разработали специальные добавки, способствующие растениям удалять токсические элементы из почвы без вреда для их роста.

Известно, что определённые растения способны накапливать токсичные тяжелые металлы из почвы. Это может представлять опасность, если мы намерены использовать их в пищу, однако с точки зрения экологии это хорошая новость — такие растения могут стать отличными помощниками в процессе очистки почвы. Токсичная биомасса, накопленная растением, может быть сожжена, а получённый пепел утилизирован.

Этот метод восстановления почвы носит название фиторемедиации. Хотя он был открыт в прошлом веке, его продолжают дорабатывать и улучшать специалисты. Учёные стремятся усилить способность растений к извлечению токсичных веществ, а также компенсировать эффект воздействия токсинов на сами очищающие растения. Очистка будет невозможной, если растения не будут расти и накапливать биомассу.

Российские учёные исследовали возможность использования клевера для удаления кадмия, никеля и меди из почвы. Данное исследование было инициировано запросом управленцев заброшенной свалки, где накопились указанные загрязняющие вещества.

Клевер известен способностью связывать тяжелые металлы в почве. Химики дополнительно обогатили его специальным соединением — этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА), которая используется для извлечения минералов из почты, но, как было установлено, также эффективно действует на токсичные тяжелые металлы.

Тем не менее у ЭДТА имеется весомый недостаток: она подвержена быстрому разложению, что в конечном итоге может привести к её загрязнению почвы. Поэтому учёные тестировали другое соединение — гидроксиэтилидендифосфоновую кислоту (OEDPh), которое разлагается в почве и полезно для растений.

Чтобы минимизировать страдания растения от накопленных тяжелых металлов, они использовали вспомогательные добавки: фитогормоны и соли железа.

Растение испытывает стресс от накопленных токсинов, но с помощью добавок это можно компенсировать.

Фото Анны Макаровой и др.

Для проверки эффективности смеси исследователи добавили в универсальную почву тяжелые металлы в тех же объемах, которые наблюдались на свалке. Клевер выращивался в этой почве в течение 31 дня: одни растения с добавлением ЭДТА, другие — с OEDPh, а третьи (контрольные) — без добавок. Фитогормоны применялись через орошение, а соли железа распылялись на листья.

Было выяснено, что ЭДТА значительно увеличивает количество металла в растении. Его содержание возросло почти в шесть раз по сравнению с контрольными образцами, однако такое количество токсина снижало массу растения.

В то же время применение ЭДТА увеличивало концентрацию тяжелых металлов в растении всего в 2,6 раза. Однако этот эффект был практически компенсирован интенсивным введением фитогормонов и солей железа.

Однако у OEDP завелись неожиданные проблемы: почти все тяжелые металлы накапливались в корнях растений, а не в их побегах. В некоторых экспериментах содержание кадмия в корнях превышало содержание в побегах в сто раз.

Этапы самоочищения почвы

Самоочищение почвы осуществляется через пять основных этапов:

1. Минерализация. Это процесс распада органических веществ до неорганических форм. Углеводы расщепляются до углекислого газа и воды, белки проходят аммонификацию (превращение в аммиак), сера преобразуется в сероводород, а жиры раздробляются на жирные кислоты и глицерин, которые впоследствии также разлагаются до воды.
2. Гумификация. Это процесс, при котором под воздействием почвенных микроорганизмов происходит трансформация веществ в гумус. Гумус медленно разлагается на составные части, которые затем активно усваиваются растениями. Обычно для градирующего образования гумуса требуется от одного до двух лет, при соблюдении условий. В быту гумус также именуется перегноем, и его активно используют сторонники экологии, отказывающиеся от химических удобрений.
3. Нитрификация. На данном этапе аммиак окисляется до азотистой кислоты и нитритов, образуя смесь, которая полезна для роста растений.
4. Аэробный процесс гниения. Этот этап соответствует аэрации (восприятию кислорода) и распаду органических веществ в неорганические компоненты. В результате выделяется тепло, облегчающее размножение почвенных организмов, таких как личинки, черви и водоросли, которые способствует процессу самоочищения.
5. Брожение. Анаэробный процесс, во время которого происходит очистка за счёт потребления энергии и выделения зловонных газов.

Мероприятия по санитарной охране почвы

Специфика загрязняющих источников, их характер и количественные показатели определяют тактику при проведении мероприятий по санитарной охране почвы.

Санитарная охрана почвы представляет собой обширный комплекс мероприятий (организационных, законодательных, технологических, санитарных или научных, санитарно-технических, градостроительных, планировочных и агротехнических), которые нацелены на ограничение поступления в почву инженерных, химических и биологических загрязнителей до уровня, не нарушающего процессы самоочищения, и предотвращающего накопление загрязнителей в растениях в количествах, опасных для здоровья человека и животных.

Цель охраны здоровья почвы заключается в поддержании её качества, чтобы она не становилась фактором передачи инфекционных заболеваний людям и животным и предотвратила загрязнение почвы лёгковоспламеняющими веществами (ПХБ) по экологическим цепочкам (почва — растение — человек — почва — животное — человек — почва — воздух — человек — вода — человек и т.д.), не допуская острое или хроническое отравление с потенциально долгосрочными последствиями.

Меры по защите здоровья почвы можно классифицировать на:

1) Законодательные, организационные и административные меры.

2) Технологические меры, направленные на создание безотходных и малоотходных технологических производственных систем, которые уменьшают образование отходов и оптимизируют процессы их утилизации.

3) Санитарно-технические мероприятия, востребованные для сбора, удаления, обеззараживания и утилизации отходов, загрязняющих почву.

4) Градостроительные меры, включая выбор участков для строительства очистных сооружений, разработку научных документов и соблюдение размеров санитарно-защитных зон между очистными сооружениями и жилыми зонами, а также выбор маршрутов для движения специальной техники.

5) Научные меры для разработки санитарных норм и оценки состояния почвы при наличии в ней различных органических, биологических (патогенные и условно-патогенные вирусы, бактерии, паразиты, яйца гельминтов) и химических (пестициды, тяжелые металлы, бенз(а)пирен и прочие) загрязнителей.

Гигиеническое значение

Процессы самоочищения почвы имеют огромное значение не только для жизнедеятельности растений, но и для здоровья человечества и животных. Эти процессы обеспечивают фильтрацию и нейтрализацию органических остатков вместе с патогенными микробами и яйцами гельминтов, которые разлагаются под действием биологических и геохимических реакций. Таким образом, они теряют загрязняющую способность. Самоочищение почвы снижает содержание инфекционных патогенов, которые могут передаваться через контакт с почвой.

Среди двух методов разложения — аэробного и анаэробного — предпочтение отдается аэробному методу, так как он позволяет избежать образования токсичных или зловонных газов и веществ, способных загрязнять воду и воздух. Аэробное самоочищение характерно для почв с хорошими показателями воздухо- и водопроницаемости, а также структурированностью.

Процесс биодеградации органических веществ почвенными микроорганизмами является одним из ключевых механизмов самоочищения почвы от как природных, так и синтетических соединений, которые постоянно поступают в неё. Интенсивность минерализации и гумификации во многом зависит от количества биоразлагающих микроорганизмов, температуры и влажности почвы.

Способность почвы поглощать, связывать и разлагать органические вещества на простые вещества и минералы играет невероятно важную роль в гигиеническом контексте. Если бы почва не обладала этой способностью, существование микроорганизмов и растений было бы невозможно. Для того чтобы процессы самоочищения происходили эффективно и стабильно, необходимо, чтобы поступление органических и синтетических остатков не превышало способности почвы к самоочищению. Если же оно окажется больше, чем может справиться почва, органические вещества не будут минерализоваться и, в результате, могут загрязнять почву и воздух токсичными газами.

Этапы самоочищения почвы

Самоочищение почвы проходит через пять последовательных этапов:

1. Минерализация. Процесс разложения органических веществ включает преобразование их в неорганические формы. Углеводы расщепляются на углекислый газ и воду, белки превращаются в аммоний, сера становится сероводородом, а жиры распадаются на жирные кислоты и глицерин, которые затем расщепляются до воды.
2. Гумификация. Это процесс превращения вещества в гумус под воздействием почвенных микроорганизмов. Гумус медленно разлагается на свои составные части, которые активно поглощаются растениями. На образование гумуса, как правило, уходит от одного до двух лет в зависимости от условий. В повседневной жизни гумус известен как перегной и активно используется теми, кто предпочитает экологическую культуру и отказывается от химических удобрений.
3. Нитрификация. Этот процесс позволяет аммиаку расщепляться на азотистую кислоту и нитриты, что оказывается благотворным для роста растений.
4. Аэробный процесс гниения. Он подразумевает аэрацию (поглощение кислорода) и распад веществ на неорганические компоненты, при этом выделяющееся тепло способствует размножению почвенных организмов, таких как личинки, черви и водоросли, которые помогают самоочищению почвы.
5. Брожение. Анаэробный процесс очистки, при котором идет поглощение энергии и образование неприятно пахнущих газов.

Способы самоочищения

Трансформация органических веществ в неорганические формы может происходить различными способами. Каждый из этих процессов обладает своими уникальными химическими и биологическими свойствами и протекает по-разному. Разложение органических соединений в верхнем слое почвы осуществляется благодаря микроорганизмам, находящимся в почве в большом количестве. Этот естественный процесс может быть как аэробным (с использованием кислорода), так и анаэробным (где работают гнилостные бактерии, не требующие кислорода).

В рамках наблюдений за экологией мы выявили, что Aэробный метод включает в себя переработку органического материала под воздействием кислорода. Процесс аммонификации приводит к распаду белков на аминокислоты, а затем к щадящему превращению в нитриты и нитраты, что может быть затем усвоено растениями. В процессе выделяется тепло, которое благоприятно воздействует на микроорганизмы. В дополнение к аммонификации происходит синтез гуминовых кислот, повышающих плодородие почвы.

Анаэробный способ

Этот процесс происходит при отсутствии кислорода, когда органические компоненты также перерабатываются бактериями. Процесс напоминает ферментацию с поглощением энергии, в результате чего образуются органические спирты и кислоты, углекислый газ, метан и другие газы, часто выделяющие зловонные запахи.

Способы очистки природной среды от загрязнений нефтепродуктами

С 02.05.2014 человечество активно добывает полезные ископаемые и нефть, что порой приводит к разрушению почвы и загрязнению окружающей среды. Использование тяжёлой техники в процессе добычи и попадание нефтепродуктов, а также прочих вредных веществ в почву, воздух и воду вызывают серьёзные экологические проблемы. Также загрязнение происходит при утечке нефти и нефтепродуктов из резервуаров и трубопроводов в условиях аварий.

Нефть является крайне опасным экологическим веществом. Оно значительно нарушает жизненно важные процессы в почве и водоемах, снижая их способности и направляя их в иное русло. Контаминированные участки могут восстановиться, но на это потребуется огромное время — нередко десятилетия. В связи с этим необходимо проведение быстрой и эффективной рекультивации почвы. При выборе методов обработки необходимо учитывать множество факторов, среди которых тип загрязнения и законодательные талапы к качеству почвы. В некоторых случаях могут проводиться выборочные процедуры, учитывая назначение дальнейшего использования очищенной почвы. В противовес этому, оперативная очистка почвы уменьшает уровень загрязнителей до допустимого уровня, что позволяет использовать очищенные участки для любых целей.

Теперь давайте разберем несколько методов и подходов к очистке природной среды от загрязнений нефтепродуктами: