CC BY
76
УДК 628.35.:665.5
Г. Г. Ягафарова, Ю. А.Сухарева, Л. Ф.Коржова, Н. И. Фатихова, С. В. Леонтьева, В. В. Микулик
БИОАККУМУЛЯЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСШИХ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ
Ключевые слова: биоаккумуляция, очистка сточных вод, органические загрязнения, ароматические и алкановые соединения,
водоросли Elodea.
Проблема очистки сточных вод производств нефтехимической промышленности от трудноокисляемых органических соединений является весьма актуальной. Традиционные методы очистки не всегда эффективны, что неблагоприятно отражается на экологичности проектов. Одним из перспективных методов очистки сточных вод от органических загрязнений является биологический метод. В настоящей работе приведены результаты исследования биоаккумулятовной способности высших водных растенийрода Elodea ряда ароматических и n-алкановых соединений.
Keywords: bioaccumulation, wastewater treatment, organic pollutants, aromatic and alkanoic compounds, algae Elodea.
Treatment of petrochemical industries wastewater of difficult-organic compounds is very important problem. The traditional purification methods are not always effective which is reflected adversely on environmental compatibility of projects. One of the promising methods of wastewater treatment of organic contaminants is biological method. This paper presents the investigation results of higher aquatic plants Elodea of series aromatic and alkanoic compounds.
Введение
Загрязнение объектов окружающей среды нефтью и нефтепродуктами является серьезной экологической проблемой в мировом масштабе. В Республике Башкортостан (РБ) нефтяная промышленность представлена полным перечнем технологических процессов, включая добычу, транспорт нефти, хранение, получение и использование продуктов переработки,
оказывающих разностороннее влияние на все компоненты природной среды.
Наиболее интенсивному воздействию подвергаются водные объекты, сопряженные с территориями нефтедобывающих,
нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий (НХП). Загрязняющие вещества от основных источников попадают в гидросферу, не только с организованными сбросами сточных вод производственных объектов, являясь недостаточно очищенными, но и с поверхностным склоновым (в период половодья и ливневых дождей) и подземным стоками [1, 2].
Нефть и нефтепродукты не относятся к наиболее опасным для человека токсичным загрязнениям, однако в общей массе загрязнений они составляют большую долю, а, следовательно, и огромную долю в ущербе, наносимом природе. Попадая в водные объекты, они создают различные типы загрязнений: нефтяную пленку, плавающую на поверхности воды, растворенные или эмульгированные нефтепродукты, осевшие на дно водоема тяжелые нефтяные фракции. В результате происходит изменение вкуса, запаха, цвета, поверхностного натяжения и вязкости воды, снижается количество кислорода, вода приобретает токсические свойства и начинает представлять угрозу для животного мира и человека [3].
В связи с вышеизложенным, возникает необходимость изучения процессов снижения
концентрации органических загрязнений для обеспечения нормативного содержания
нефтепродуктов при попадании в водные объекты. В России установлен норматив на содержание нефтепродуктов в воде: в водоемах культурно-бытового назначения - 0,1 мг/л, в рыбохозяйственных водоемах - 0,05 мг/л [4].
Целью данной работы является исследование биоаккумулятивной способности зеленых водорослей рода Elodea к ряду моноароматических соединений и п-алканов.
Элодея (Elodea) — род многолетних водных трав семейства водокрасовые, полностью погруженных в воду. У элодеи густолиственной длинный тонкий стебель, на котором на равном расстоянии друг от друга расположены мутовки, с 4-7 листами. Форма листьев у элодеи ланцетовидная. Длина листьев приблизительно 2 см, а ширина 3-5 мм. В центре листьев располагается жилка. Цвет листьев ярко-зеленый или светло-зеленый. Корни нитевидные. Высота элодеи может достигать 70 см. Температурный оптимум для этого растения составляет 16-24°С. Элодея требует достаточно яркого освещения, хотя и некоторое затемнение переносит удовлетворительно. Для выращивания можно использовать, как естественное освещение, так и искусственный свет люминесцентных ламп и ламп накаливания. В зимнее время, когда в естественных условиях это растение сталкивается с низкими температурами и скудным освещением, оно просто опускается вниз, на грунт, и сохраняет при этом свои ростовые почки. Но, как только условия вновь станут подходящими, растение всплывает и продолжает свой жизненный цикл. У этого растения есть способность к чрезвычайно быстрому размножению. Ведь каждая его ветка при отделении от стебля становится новым растением. Элодея хорошо обогащает воду кислородом, поскольку активно фотосинтезирует [5-7] и удаляет различные поллютанты из водных сред [8-16].
Экспериментальная часть
С целью изучения способности зеленых растений аккумулировать (поглощать) ряд
моноароматических соединений и п-алканов, были поставлены серии модельных опытов. В качестве исследуемых органических загрязнений (поллютантов) рассматривались соединения, приведенные в таблице 1. Исследуемые органические соединения были взяты в количестве 5 мг/л (10 ПДК) для моноароматических углеводородов и 3 мг/л (10 ПДК) для п-алканов [4].
Таблица 1 - Поллютанты нефтяного происхождения
Наименование соединения Формула ПДК, мг/л
Псевдокумол (1,2,4-триметилбензол) СНз Ф СНз С9Н12 ^СНз 0,5
Мезителен (1,3,5-триметилбензол) Н3Сх С9Н12 СН3 0,5*
Дурол (1,2,4,5 тетраметилбензол) НзС^ X Н3С С10Н14 Г СН3 0,5*
Диизопропилксилолы (деметилдиизопропил бензол) < (С14Н22) (СН3)2 (С3Н7)2 0,5*
Ундекан СН3-(СН2)9 - СН3 0,3*
Додекан СНэ-(СН2)ю - СН3 0,3*
Тетрадекан СН3-(СН2)12 - СН3 0,3
Гексадекан СН3-(СН2)14-СН3 0,3*
раствор погружали исследуемые водоросли в количестве 5, 10, 20 г/л. Контролем являлась загрязненная органическими соединениями вода без внесения водорослей.
Об эффективности очистки судили по остаточной концентрации органических соединений в модельных растворах путем отбора проб после 3 ч, 6 ч, 18 ч и 24 ч. Остаточное содержание поллютантов в воде осуществлялось хроматографическим методом. При подготовке проб к газохроматографическому анализу использовался метод жидкостной экстракции. Основные параметры прибора: хроматограф (РЕМСНЯОМ); колонка - кварцевая капиллярная длиной 60 м диаметром 0,25 мм толщина пленки 0,10 мкм; Фаза DB-5; температура термостата: начальная изотерма 50 °С, в течении 1 мин., подъем температуры до 50300 °С со скоростью 4 °С/мин, конец изотермы 300 °С в течении 20 минут; режим ввода пробы -splitt/splittles; газ-носитель - азот, деление потока 1:60; объем вводимой пробы- 1 - 5 мкл.
Результаты эксперимента свидетельствуют, что высшие водные растения рода элодея являются активным биоаккумулятором исследуемых органических соединений: псевдокумола, мезителена, дурола, диизопропилксилолов (ДИПКС), ундекана, додекана, тетрадекана, гексадекана. На рисунке 1 приведены графики изменения остаточной концентрации псевдокумола в растворе с дистиллированной водой в зависимости от массы водорослей и времени контактирования. Результаты исследования свидетельствуют, что с увеличением времени контакта и массы водорослей, остаточная концентрация псевдокумола снижается, что вполне закономерно.
6000
0 5 10 15 20 25 30
время контакта, час
0,3* - ПДК принято по аналогии с тетрадеканом; 0,5* - ПДК принятое по аналогии с псевдокумолом.
Опыт проводили в статических условиях, при комнатной температуре в течение 24 ч. В подготовленную стеклянную посуду с 0,5 л дистиллированной водой вносилось определенное количество исследуемого вещества методом последовательного разбавления. Затем раствор тщательно перемешивался. В подготовленный
Рис. 1 - Влияние водоросли на содержание псевдокумола в воде (начальное содержание поллютанта 10 ПДК - 5 мг/л)
За первые 3 часа происходит практически полная биоаккумуляция (меньше значения ПДК) псевдокумола при массе водорослей 20 г/л. При массе водорослей 10 г/л значение ПДК для псевдокумола в воде достигается через 6 часов. Таким образом, опыты показали, что необходимая
степень очистки воды от поллютанта достигается при массе водорослей 10-20 г/л.
Кроме того, эксперименты, в которых рассматривался ряд моноароматических
углеводородов показал, что активность водорослей практически не отличается в рассматриваемом ряду полиалкилбензолов (рис. 2).
Рис. 2 - Сравнение биоаккумулятивной способности водоросли в ряду
моноароматических углеводородов (начальное содержание поллютанта - 10 ПДК, масса водоросли - 10 г, время контакта - 3 часа)
Способность элодеи аккумулировать п-алканы в зависимости от массы водорослей и времени контакта изучалось на примере тетрадекана.
Рис. 3 - Влияние водоросли на содержание тетрадекана в воде (начальное содержание тетрадекана 3 мг/л - 10 ПДК)
Результаты исследования приведены на рисунке 3, из которого следует, что увеличение массы водорослей от 5 до 20 мг/л и времени контакта от 3 до 24 часов приводит к снижению содержания тетрадекана в воде.
Однако, влияние этих параметров на биоаккумуляцию п-алкана С14 значительно отличается от способности водорослей
аккумулировать псевдокумол. Из сравнения рисунков 1 и 3 следует, что аккумуляция п-алканов происходит менее интенсивнее, чем моноароматических соединений. По-видимому, на биоаккумуляцию влияет размер и структура молекулы, о чем свидетельствует серия экспериментов, в которых рассматривался ряд п-алканов, где наблюдаемая активность водорослей отличается в рассматриваемом ряду (рис. 4), а именно, с увеличением длины углеводородной цепочки парафина поглощающая способность водорослей уменьшается.
Рис. 4 - Сравнение биоаккумулятивной способности водоросли в ряду п-алканов (начальное содержание поллютанта - 10 ПДК, масса водоросли - 5 г, время контакта - 6 часов)
Рис. 5 - Биоаккумулятивная способность водоросли смеси поллютантов (начальное содержание полиалкилбензола - 10 ПДК и п-алкана - 10 ПДК, масса водоросли 20 г, время контакта - 6 часов)
Полученные результаты подтверждаются при их совместном присутствии в модельном растворе: псевдокумол (5 мг/л) и тетрадекан (3 мг/л) с массой водорослей 20 г/л. Из рисунка 5 следует, что по остаточной концентрации в воде активнее биоаккумулируются псевдокумола.
Таким образом, водоросли рода элодея являются эффективным боиоаккумулятором
моноароматических соединений и п-алканов, и могут в перспективе использоваться для очистки сточных вод до нормативных значений.
Литература
1. Ф.А. Шахова, Г.Г. Ягафарова, А.И. Мухамадеева, Воздействие на окружающую среду технологических процессов нефтегазовой отрасли: учебное пособие, Нефтегазовое дело, Уфа, 2012. 442 с.
2. Г.Г. Ягафарова, Микробная трансформация экотоксикантов, Издательство УГНТУ, Уфа, 2015. 254 с.
3. А.Р. Мухаматдинова, А.М. Сафаров, А.Т. Магасумова, Р.М. Хатмуллина, Георесурсы, 8 (50), 46-50 (2012).
4. ГН 2.1.5.1315-03 с изменениями ГН 2.1.5.2280-07 и СанПиН 2.1.5.980-00. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования: Гигиенические нормативы.
5. Э.М. Зайнутдинова, Г.Г. Ягафарова, Башкирский химический журнал, 3, 150-152 (2013).
6. А.В. Галяс, Е. П. Проценко, Материалы межвузовской научной конференции студентов и аспирантов «Молодежь. Наука. Производство», Курск, 2009. 77 с.
7. А.Е. Кузнецов, Прикладная экобиотехнология: учебное пособие в 2 т., Т. 2, БИНОМ. Лаборатория знаний, М., 2012. 485 с. :
8. Н.И. Фатихова, Г.Г. Ягафарова, Л.Ф. Коржова, С.В. Леонтьева, Д.И. Ягафарова, Вестник технологического университета, 19, 10, 152-154 (2016).
9. N. Abdel-Raouf, A.A. Al-Homaidan, I.B.M. Ibraheem, Saudi Journal of Biological Sciences, 19, 257-275 (2012).
10. L. Christenson, R. Sims, Biotechnology advances, 29, 6, 686-702 (2011).
11. G. Bitton, Wastewater microbiology (3-rd ed), Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2005. 746 p.
12. D. Nilanjana, С. Preethy, Biotechnology Research International, Article ID 941810, 13 pages, 2011, doi: 10.4061/2011/941810.
13. М.В. Вдовина, Л.И. Матус, Е.Э. Нефедьева, К.И. Шайхиева, Вестник Казанского технологического университета, 17, 8, 192-193 (2014).
14. Ю.А. Сухарева, Г.Г. Ягафарова, Сборник докладов IV Международного конкурса научно-исследовательских работ «Перспективы науки - 2016», Том III, ООО «Рокета Союз», Казань, 2016, 150 с.
15. Н.И. Фатихова, С.В. Леонтьева, Г.Г. Ягафарова, Сборник тезисов юбилейной 70 Международной молодежной научной конференции «Нефть и газ -2016», РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, М., 2016, т. 2. С. 267.
16. Ю.А. Сухарева, Д.И. Ягафарова, Тезисы Всероссийской научной конференции с международным участием «Инновационные технологии в промышленности», УГНТУ, Стерлитамак, 2016, т. 1. С. 298.
© Г. Г. Ягафарова - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой прикладной экологии Уфимского государственного нефтяного технического университета; Ю. А. Сухарева - магистрант кафедры прикладной экологии того же вузза, [email protected]; Н. И. Фатихова - аспирант кафедры прикладной экологии того же вуза; Л. Ф. Коржова - к.х.н. доцент кафедры прикладной экологии того же вуза; С. В. Леонтьева - к.т.н. доцент кафедры прикладной экологии того же вуза; В. В. Микулик - студент кафедры прикладной экологии того же вуза.
© G. G. Yagafarova - Professor, Head of the Department of Applied Ecology of the Ufa State Oil Technical University; Y. A. Sukhareva - Master of Applied Ecology of the same University, E-mail: [email protected]; N. I. Fatihova - graduate student of the Department of Applied Ecology of the same University; L. F. Corjova - Ph.D. Associate Professor, Department of Applied Ecology of the same University; S. V. Leontieva - Ph.D. Associate Professor, Department of Applied Ecology of the same University; V. V. Mikulik - a student of the Department of Applied Ecology of the same university.
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 20.12.16. по 10.01.17.
