Биологическая поглотительная способность грунтов

 

Биологической поглотительной способностью грунтов назы­вается их возможность, обусловленная присутствующими в них макро - и мик­роорганизмами, потреблять из внешней среды, взаимодействующей с грун­том, различные компоненты — жидкие, газовые или твердые. Она является результатом биологического обмена веществ в грунтах.

Сущность биологической поглотительной способности грунтов состоит в следующем. В процессе жизнедеятельности растения, грибы и животные, на­ходящиеся в грунте, избирательно накапливают некоторые необходимые им химические элементы. Накопленные элементы частично (а иногда полнос­тью) задерживаются грунтом и остаются в нем. Таким образом, грунт посте­пенно обогащается определенными элементами и микроэлементами.

Впервые биологическое поглощение, как особый вид поглотительной спо­собности почв, выделил К. К.Гедройц в 1932 г.: «Извлечение организмами из почвенного раствора в процессе их жизнедеятельности различных веществ можно рассматривать как особый вид поглотительной способности почвы, как биологическое поглощение».

Важнейшими особенностями биологического поглощения являются: 1) се­лективность — избирательный характер поглощения тех или иных элементов различными организмами; 2) относительно низкие скорости процесса погло­щения; 3) проявление сопутствующих поглощению процессов, связанных со спецификой метаболизма различных организмов.

Живые организмы в грунтах в ходе поглощения накапливают различные элементы избирательно. В биогеохимии эта способность оценивается коэффи­циентом биологического поглощения (КБП) — эмпирическим биогеохимичес­ким показателем, характеризующим интенсивность биологического погло­щения элементов тем или иным организмом. Этот показатель рассчитывается по формуле, предложенной А. И.Перельманом:

КБП = CJnx, 

где Сх — содержание элемента х в золе организма (гриба, растения или живот­ного, обитающего в грунте); пх — содержание того же элемента в грунте или его кларк литосферы. Таким образом, КБП показывает, во сколько раз содер­жание элемента в золе организма выше, чем в литосфере (в грунте).

Величина КБП зависит от многих факторов, она меняется от времени года в соответствии с изменением биологической активности организмов, зависит от фазы вегетации растений, возраста организмов и их вида. Все живые орга­низмы накапливают относительно фунтов такие элементы, как С, Н, О и N. Б. Б.Полынов по величине коэффициента КБП построил ряды биологического поглощения для главных химических элементов, а А. И.Перельман уточнил эту классификацию (табл. 13.3), в которой выделено пять фупп элементов, харак­теризующихся различной интенсивностью использования живыми организма­ми: от энергичного накопления до очень слабого захвата.

Однако следует иметь в виду, что в табл. 13.3 приведены средние данные для всех наземных организмов, у отдельных видов величины КБП сильно варьируют. Для организмов же, обитающих только в грунтах, эти данные так­же могут заметно отличаться.

Скорость биологического поглощения различных элементов в грунтах на­много меньше, чем химического, механического или физико-химического поглощения. Этот процесс в грунтах идет медленно в течение всей жизни тех или иных организмов или их популяции. Поэтому результаты биологического поглощения проявляются в грунтах не сразу, а в течение довольно длительных периодов от полугода до года и. более. Однако скорость поглощения одних и тех же элементов у разных организмов в грунтах может быть различна.

Проявление сопутствующих поглощению процессов связано со специфи­кой метаболизма у различных организмов и биохимическими реакциями. Например, многие микроорганизмы и грибы вырабатывают активные фер­менты, которые выбрасываются ими в поровое пространство грунта. В резуль­тате этого в грунте появляются новые химические компоненты, которые могут существенно менять свойства порового раствора и грунта в целом.

Биопоглощение широко используется для очистки грунтов от различных токсичных загрязнений. Биологическая очистка чаще всего используется для удаления органических загрязнителей (в частности, нефтяных), а также тя­желых металлов, азотных и фосфорных соединений, радионуклидов.

В настоящее время наиболее широкое распространение имеет биологичес­кая очистка почв. Биологические методы очистки почв и грунтов подразделя­ются на методы: 1) микробиодеградации загрязнителей; 2) биопоглощения и перераспределения загрязнителей. Первые основаны на деструкции токсич­ных загрязняющих компонентов различными видами микроорганизмов. Эф­фект достигается либо за счет активизации аборигенной микрофлоры, либо за счет внесения в грунт определенных культур микроорганизмов, а также всевозможных комплексных препаратов и методов.

Методы внесения культур микроорганизмов применяются в тех случаях, когда необходимая аборигенная микрофлора отсутствует. Они могут приме­няться при массированном и аварийном загрязнении, в сложных условиях, при отсутствии развитого естественного биоценоза. Достоинством этих мето­дов является их селективность и возможность выведения штаммов микроорга­низмов, разрушающих сложные токсичные соединения. Однако их эффектив­ность не всегда бывает одинаково высока, поскольку многие культуры «рабо­тают» лишь в относительно узком диапазоне условий. Кроме того, иногда происходит вырождение микроорганизмов до достижения необходимого уровня очистки. Необходимо учитывать, что их применение может нарушать есте­ственные биоценозы, поскольку при этом происходит смена состава популя­ций ведущих сообществ микроорганизмов.

Обычно для очистки почв и грунтов используют бактерии (Bacterium, Actinomyces, Artrobacter, Thiobacterium, Desulfotomaculum, Pseudomonas, Hydromonas, Bacillus и др.), а также низшие формы грибов. Часто применяют комплексные биопрепараты, которые содержат не только набор культур, но и питательные вещества. В последнее время именно эта область — разработка искусственных биопрепаратов-деструкторов получила широкое распространение во всем мире.

На избирательной способности бактерий извлекать из многокомпонент­ных грунтов определенные химические элементы и загрязнители основаны способы очистки грунтов методом бактериального выщелачивания. При бак­териальном выщелачивании элементы извлекаются посредством их растворе­ния микроорганизмами в водной среде. Метод применяется для извлечения ценных металлов из руд и отходов производства и был впервые запатентован в США (1958). На его основе можно проводить и очистку грунтов от различ­ных загрязняющих компонентов, в том числе тяжелых металлов.