Наукові доповіді Національного університету біоресурсів і природокористування України

Математичне моделювання ефективності фіторемедіації грунтів від Pb, Cu та Ni

Олександра Сидоренко , Наталія Голуб
Завантажити статтю
Анотація

Метою дослідження була кількісна порівняльна оцінка динаміки вилучення свинцю, міді та нікелю з ґрунту системою «метал-рослина» на основі математичного моделювання для прогнозування термінів очищення забруднених територій. Забруднення ґрунтового покриву важкими металами (Pb, Cu, Ni) внаслідок інтенсивної техногенної діяльності та масштабних воєнних дій в Україні становило критичну загрозу екологічній безпеці та здоров’ю населення. Фіторемедіація із використанням рослин-гіперакуляторів, таких як Brassica juncea, розглядалася як перспективний та екологічно безпечний метод відновлення екосистем. Проте планування таких заходів ускладнювалося різною швидкістю вилучення елементів та їхнім токсичним впливом на біомасу, що потребувало розробки точних прогностичних моделей. У роботі було використано експоненціальну модель кінетики поглинання металів для прогнозування термінів очищення забруднених територій. Було встановлено, що ефективність очищення ґрунту за один вегетаційний період (180 днів) становила 92,9 % для міді, 80,6 % для нікелю та лише 53,5 % для свинцю. Також, у дослідженні було виявлено, що висока ефективність ремедіації міді зумовлена її високою мобільністю та низькою фітотоксичністю. Натомість свинець виявив найсильніший інгібуючий ефект, що суттєво обмежував швидкість його екстракції. На базі мультиметальної моделі було продемонстровано адитивний токсичний ефект суміші забруднювачів, що призводило до зниження загальної продуктивності фіторемедіантів на 78 % порівняно з монометалевим забрудненням. Отримані результати дозволили прогнозувати залишкову концентрацію токсикантів, оптимізувати стратегії відновлення техногенно навантажених територій та земель, що постраждали від воєнних конфліктів. Розроблена модель може бути використана для оцінки економічної доцільності фіторемедіаційних заходів

Ключові слова

важкі метали; фітоекстракція; токсичний стрес; мультиметальна модель; відновлення ґрунтів; екологічна безпека

ЦИТУВАТИ
Sydorenko, O., & Golub, N. (2026). Mathematical modelling of soil phytoremediation efficiency from Pb, Cu and Ni. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 22(2),150-166. https://doi.org/10.31548/dopovidi/2.2026.150
Використані джерела
  1. Ado, A., Sale, I.A., Badamasi, M.T., Nazamuddenkhan, N., & Majumdara, R.S. (2015). Effect of heavy metal on Brassica juncea growth exposed to different lead treatments. International Journal of Scientific & Engineering Research, 6(6), 1088-1095.
  2. Ali, H., Khan, E., & Sajad, M.A. (2013). Phytoremediation of heavy metals – concepts and applications. Chemosphere, 91(7), 869-881. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.01.075.
  3. Ali, I., Khan, M.J., Shah, A., Deeba, F., Hussain, H., Yazdan, F., Khan, M.U., & Khan, M.D. (2022). Screening of various Brassica species for phytoremediation of heavy metals-contaminated soil of Lakki Marwat, Pakistan. Environmental Science and Pollution Research, 29, 37765-37776. doi: 10.1007/s11356-021-18109-7.
  4. Bortoloti, G.A., & Baron, D. (2022). Phytoremediation of toxic heavy metals by Brassica plants: A biochemical and physiological approach. Environmental Advances, 8, article number 100204. doi: 10.1016/j.envadv.2022.100204.
  5. Cârdei, P., Tudora, C., Vlăduț, V., Pruteanu, M.A., Găgeanu, I., Cujbescu, D., Bordean, D.-M., Ungureanu, N., Ipate, G., & Cristea, O.D. (2021). Mathematical model to simulate the transfer of heavy metals from soil to plant. Sustainability, 13(11), article number 6157. doi: 10.3390/su13116157.
  6. DalCorso, G., Fasani, E., Manara, A., Visioli, G., & Furini, A. (2019). Heavy metal pollutions: State of the art and innovation in phytoremediation. International Journal of Molecular Sciences, 20(14), article number 3412. doi: 10.3390/ijms20143412.
  7. Kamal, A.M., & Alali, A.F. (2025). Kinetic modeling of heavy metal uptake and translocation in Brassica juncea L. for phytoremediation engineering. Discover Environment, 3, article number 296. doi: 10.1007/s44274-025-00502-5.
  8. Kos, B., & Leštan, D. (2003). Induced phytoextraction/soil washing of lead using biodegradable chelate and permeable barriers. Environmental Science & Technology, 37(3), 624-629. doi: 10.1021/es0200793.
  9. Leonavičienė, T., Kirjackis, J., & Baltrėnaitė-Gedienė, E. (2023). Modelling of environmental processes and management. Vilnius: Vilnius Tech. doi: 10.20334/2023-055-S.
  10. Liu, L., Li, W., Song, W., & Guo, M. (2018). Remediation techniques for heavy metal-contaminated soils: Principles and applicability. Science of the Total Environment, 633, 206-219. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.03.161.
  11. Maher, S., et al. (2025). Comparative assessment of Spinacia oleracea and Brassica juncea for efficient phytoremediation of heavy metal contaminated soils. International Journal of Phytoremediation, 28(5), 874-884. doi: 10.1080/15226514.2025.2586661.
  12. Małecka, A., Konkolewska, A., Hanć, A., Barałkiewicz, D., Ciszewska, L., Ratajczak, E., Staszak, A. M., Kmita, H., & Jarmuszkiewicz, W. (2019). Insight into the phytoremediation capability of Brassica juncea (v. Malopolska): Metal accumulation and antioxidant enzyme activity. International Journal of Molecular Sciences, 20(18), article number 4355. doi: 10.3390/ijms20184355.
  13. Nagajyoti, P.C., Lee, K.D., & Sreekanth, T.V.M. (2010). Heavy metals, occurrence and toxicity for plants: A review. Environmental Chemistry Letters, 8, 199-216. doi: 10.1007/s10311-010-0297-8.
  14. Okedeyi, O.O., Dube, S., Awofolu, O.R., & Nindi, M.M. (2014). Assessing the enrichment of heavy metals in surface soil and plant (Digitaria eriantha) around coal-fired power plants in South Africa. Environmental Science and Pollution Research, 21, 4686-4696. doi: 10.1007/s11356-013-2432-0.
  15. Ouyang, Y. (2005). Evaluation of river water quality monitoring stations by principal component analysis. Water Research, 39(12), 2621-2635. doi: 10.1016/j.watres.2005.04.024.
  16. Pruteanu, A., Nițu, M., Vlăduț, V., Matache, M., Voicea, I., Iuliana, G., Vanghele, N., Nenciu, F., Cujbescu, D., & Badea, D.O. (2026). Induced phytoextraction of heavy metals from soils using Brassica juncea and EDTA: An efficient approach to the remedy of zinc, copper and lead. Environments, 13(1), article number 23. doi: 10.3390/environments13010023.
  17. Rani, P., Rose, P.K., Kidwai, M.K., & Meenakshi. (2023). Brassica Juncea L.: A potential crop for phytoremediation of various heavy metals. In R.P. Singh, P. Singh & A. Srivastava (Eds.), Heavy metal toxicity: Environmental concerns, remediation and opportunities (pp. 285-311). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-99-0397-9_14.
  18. Rein, A., Legind, C.N., & Trapp, S. (2011). New concepts for dynamic plant uptake models. AR and QSAR in Environmental Research, 22(1-2), 191-215. doi: 10.1080/1062936X.2010.548829.
  19. Selvaraj, K., Ramasubramanian, V., & Makesh Kumar, B. (2021). Phytoremediation potential of Brassica juncea in nickel contaminated soil. Paripex – Indian Journal of Research, 10(4), 150-159. doi: 10.36106/paripex.
  20. Shen, X., Dai, M., Yang, J., Sun, L., Tan, X., Peng, C., Ali, I., & Naz, I. (2022). A critical review on the phytoremediation of heavy metals from environment: Performance and challenges. Chemosphere, 291, article number 132979. doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.132979.
  21. Suman, J., Uhlik, O., Viktorova, J., & Macek, T. (2018). Phytoextraction of heavy metals: A promising tool for clean-up of polluted environment? Frontiers in Plant Science, 9, article number 1476. doi: 10.3389/fpls.2018.01476.
  22. Sut-Lohmann, M., Grimm, M., Kästner, F., Raab, T., Heinrich, M., & Fischer, T. (2023). Brassica juncea as a feasible hyperaccumulator of chosen potentially toxic metals under extreme environmental conditions. International Journal of Environmental Research, 17, article number 38. doi: 10.1007/s41742-023-00528-8.
  23. Tangahu, B.V., Sheikh Abdullah, S.R., Basri, H., Idris, M., Anuar, N., & Mukhlisin, M. (2011). A review on heavy metals (As, Pb, and Hg) uptake by plants through phytoremediation. International Journal of Chemical Engineering, 2011, article number 939161. doi: 10.1155/2011/939161.
  24. Yan, A., Wang, Y., Tan, S.N., Yusof, M.L.M., Ghosh, S., & Chen, Z. (2020). Phytoremediation: A promising approach for revegetation of heavy metal-polluted land. Frontiers in Plant Science, 11, article number 359. doi: 10.3389/fpls.2020.00359.