CC BY
71
УДК 574.5
БИОКОНВЕРСИЯ СВИНЦА И КОБАЛЬТА МАКРОФИТАМИ В БИОТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ И ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Е.А. Петракова
В камеральных условиях исследована поглотительная способность по отношению к свинцу и кобальту водных растений - макрофитов. Вид роголистник погруженный, шелковник округлолистный и элодею канадскую можно рекомендовать для фиторемедиационных мероприятий для поверхностных вод в отношении кобальта. Поглотительная способность свинца максимальная у гидатофитов (лидер - элодея канадская) и укореняющихся гидрофитов (лидер - шелковник округлолистный). В экспериментах наблюдался процесс десорбции тяжелых металлов в раствор. Двувидовые поглотительные комплексы макрофитов обладают значительной аккумулятивной способностью по отношению к ионам свинца и кобальта. Ключевые слова: макрофиты, биогенный и небиогенный тяжелый металл, свинец, кобальт, биоконверсия, сточные и подсточные воды
Несмотря на то, что свинец и кобальт относятся к малораспространенным элементам земной коры, содержание этих ионов в почве и поверхностных водах зачастую превышает предельно допустимые концентрации (ПДК). Это объясняется широким применением данных элементов в промышленности. Особо опасно загрязнение в виде выноса металлов со сточными водами предприятий машиностроительной, металлургической и химической промышленности, ряд которых располагается на территории Брянской области.
Высокая способность к комплексообразованию катионов свинца (ll) и кобальта (ll) наблюдается в слабокислой среде. В качестве лигандов выступают фосфор-, кислород-, азот - и серосодержащие органические и неорганические ионы, что говорит о высокой способности металлов к аккумуляции в живых и неживых компонентах водных экосистем [3].
Длительное потребление воды с содержанием этих элементов приводит к серьезным хроническим заболеваниям, в соединениях с органическими радикалами металлы проявляют наивысшую токсичность. Поэтому назревает необходимость очистки и доочистки сточных вод от соединений тяжелых металлов. Наиболее перспективное и экономически привлекательное направление очистки вод - фиторемедиация, являющаяся одним из типов биоконверсии. Макрофиты обладают способностью к аккумуляции и накоплению тяжелых металлов (ТМ), что подтверждено рядом работ [2,6,7].
В связи с актуальностью задач фиторемедиации сточных вод с использованием макрофитов была сформирована цель исследования - выявить индивидуальные аккумулятивные возможности макрофитов по отношению к ионам свинца и кобальта для их использования в очистке и доочистке вод (организации биоконверсии). Кобальт - тяжелый металл биогенного происхождения, участвующий в формировании и поддержании вторичной и третичной структуры биополимеров, оказывает влияние на действие ряда ферментов, при его участии происходит азотистый и липидный обмен у фитобионтов [1]. Свинец - небиогенный металл, по своему токсическому действию он уступает только хлорорганическим соединениям и нефтепродуктам [2, 3]. В России одним из первых макрофитов, использованных в модельных экосистемах, был гиацинт, поэтому требуется поиск эффективных биоконцентраторов для различных природных зон.
Материалы и методы исследований
Для анализа были выбраны следующие макрофиты: Lemna minor L., Lemna trisulca L., Hydrocharis morsus-ranae L., Utricularia vulgarisL., Ceratophyllum demersum L., Leptodictyum riparium L., Elodеa canadеnsisL., Batrachium circinatum (Sibth.) Spach.
Макрофиты выращивались в лабораторных условиях при искусственном освещении (11-часовом световом дне) и температурой воды от +22 до +25°С. Для выращивания растений использовалась водопроводная отстоянная в течение 7 дней вода. Навеска макрофитов (2,5-2,9±0,3 г.) помещалась в раствор ТМ с определенной концентрацией. Растения выращивались в стеклянных конических колбах ёмкостью 250 мл. В течение 12-22 суток через определенные промежутки времени проводился отбор и измерение концентрации ионов ТМ в растворах. В качестве исходных готовились растворы с концентрацией для Со2+ 1 мг/л и 2 мг/л, для РЬ2+ 4 мг/л, что связано с более высоким порогом чувствительности инструментальных методов анализа для катиона свинца. Количественный анализ ионов ТМ проводился посредством спектрофо-тометрии на спектрофотометре СПЕКС ССП 310 по стандартным методикам установления оптической плотности [4], также для исследования использовали атомно-абсорбционый спектрометр МГА-915.
Результаты исследований и их обсуждение.
Для проведения эксперимента из стандартных образцов (ГСО) СоС12 6H2O готовили раствор концентрацией 1мг/л и 2 мг/л, из ГСО ацетата свинца шести водного - раствор 4 мг/л. Растворы заливались в стеклянные стаканы. Каждый вид макрофитов помещали в 2 стакана для параллельного опыта. Также исследовали сообщества гидрофитов. Для определения содержания катиона Со2+ концентрацией 1 мг/л использовали методику спектрофотометрического анализа с реагентом -натриевая соль 1 - нитрозо - 2- нафтол - 3,6 - дисульфокислоты (нитрозо - Р -соль) [4]. В присутствии ацетатного буфера соль дает с ионом кобальта красное окрашивание раствора с оптической плотностью 415-420 нм.
Камеральные исследования поглотительной способности водных макрофитов различных экологических групп показали следующее (табл. 1).
Таблица 1 - Изменение концентрации ионов Со2+ в растворах с начальной концентрацией 1 мг/л в присутствии макрофитов_
Видовой состав поглотительных Изменение концентрации
комплексов 1 сутки 3 сутки 6 сутки 12 сутки
Elodеa canadеnsis 1 0,0438 0,0412 0,5450
Lemna trisulca 1 0,0305 0,0288 0,1525
Lemna minor 1 0,0730 0,0362 0,3650
Leptodictyum riparium 1 0,15 0,275 1,0050
430
Вестник Брянского госуниверситета. 2015(2)
Elodéa canadénsis Lemna minor
Lemna trisulca Leptodictyum riparium
1,2
1
0,8
1_ 0,6
и 0,4
0,2
0
-в-
1 СУТКИ 3 СУТКИ 6 СУТКИ 12 СУТКИ
ВРЕМЯ, СУТКИ
Рисунок 1 - Изменение концентрации ионов Со2+ (1 мг/л) при фиторемедиации макрофитами
Поглотительная способность всех растений дала положительные результаты, на третьи сутки прослеживалось снижение концентрации кобальта в 10 (лептодикциум) - 50 раз (элодея канадская). На 6 сутки наблюдалось незначительное увеличении концентрации, что объясняется началом процесса десорбции. На 12 сутки десорбция наблюдалась во всех образцах, но минимум концентрации кобальта зафиксирован у элодеи канадской.
Измерение остаточной концентрации кобальта с содержанием ионов до экспонирования растений 2 мг/л и свинца 4 мг/л проводили на атомно-абсорбционном спектрометре МГА-915.
Исследования поглотительной способности водных макрофитов различных экологических групп в одновидовых и двувидовых аккумулятивных комплексах показали следующее (табл. 2).
Таблица 2 - Изменение концентрации ионов Со2+ в растворах с начальной концентрацией 2 мг/л в присутствии макрофитов
Видовой состав поглотительных комплексов Изменение концентрации
1 сутки 3 сутки 6 сутки 12 сутки
Hydrocharis morsus-ranae 1,9765 0,0090 0,0105 0,0114
Ceratophyllum demersum 1,9765 0,0098 0,0066 0,0025
Lemna minor 1,9765 0,0083 0,0117 0,0120
Lemna trisulca 1,9765 0,0089 0,0106 0,0170
Elodеa canadеnsis 1,9765 0,0001 0,0094 0,0093
Ceratophyllum demersum и Hydrocharis morsus-ranae 1,9765 0,0098 0,0108 0,0130
Ceratophyllum demersum и Lemna trisulca 1,9765 0,0107 0,0079 0,0044
Batrachium circinatum 1,9765 0,0001 0,0001 0,0089
Контроль 1,9765 1,9765 1,9765 1,9765
На 7-12 сутки экспонирования наблюдались существенные морфологические изменения у водокраса лягушачего и двувидовых поглотительных комплексов с ним, поэтому поглотительная способность резко упала.
Во всех опытных растворах концентрация ионов Со2+ уменьшалась после добавления макробионтов, несмотря на значительную концентрацию этого ТМ. На шестые сутки концентрация Со 2+ уменьшилась в сотни раз при экспонировании всех макрофитов. На 12 сутки наблюдалось явление десорбции у видов: Hydrocharis morsus-ranae, Lemna minor, Lemna trisulca и у комплекса с водокрасом. Особо необходимо выделить элодею канадскую, в опыте с которой, на 3 сутки прибором не зафиксировано присутствие ионов кобальта, следовые количества катиона появляются лишь на 6-12 сутки. Немного меньшую, но все же высокую поглотительную способность показал роголистник, как в одновидовом, так и в комплексном экспонировании. Явление десорбции для роголистника не наблюдалось. Низкие значения остаточной концентрации кобальта наблюдались после экспонирования в раствор с ТМ шелковника. Ниже ПДК содержание Со 2+ ни в одном из поглотительных комплексов не снижалось [5]. Поглотительная способность всех макрофитов по отношению к ионам Со2+ показала положительные результаты. Вид роголистник, шелковник и элодею канадскую можно рекомендовать для фиторемеди-ационных мероприятий для поверхностных вод в отношении кобальта.
Поглотительная способность макрофитов по отношению к ионам свинца показана в таблице 3 и рисунке 2.
Таблица 3 - Изменение концентрации катиона свинца (4 мг/л) в контрольных и опытных растворах
Макрофиты Концентрация свинца (мг/л)
1 сутки 3 сутки 6 сутки 12 сутки 15 сутки
Hydrocharis morsus-ranae 3,85 2,4 0,067 0,00 0,00
Lemna minor 3,85 0,008 0,009 0,015
Lemna trisulca 3,85 0,058 0,028 0,032
Ceratophyllum demersum 3,85 1,55 0,02 0,021 0,012
Elodea canadensis 3,85 0,055 0,016 0,009
Batrachium circinatum 3,85 0,012 0,034 0,010
Utricularia vulgaris 3,85 0,083 0,04 0,046 0,029
Роголистник погруженный + ряска малая 3,85 0,97 0,056 0,043
Роголистник погруженный + ряска трехдольная 3,85 0,036 0,027 0,004
Ряска малая + водокрас лягушачий + роголистник погруженный 3,85 0,088 0,077 0,017 0,007
Контроль 3,85 3,85 3,85 3,85 3,85
4,5
Hydrocharis morsus-ranae (водокрас) Lemna minor (ряска малая) Lemna trisulca (ряска трехдольная) Ceratophyllum (роголистник) Elodea canadensis (элодея) Batrachium aquatile (шелковник) Utricularia vulgaris (пузырчатка) Роголистник + ряска малая Роголистник + ряска трехдольная Ряска малая + водокрас + роголистник
Рисунок 2 - Иллюстрация поглотительной способности макрофитов по отношению к катиону свинца (4 мг/л) в течение времени
Результаты исследований свидетельствуют о том, что во всех опытных растворах концентрация свинца резко уменьшалась после добавления макробионтов. Поглотительная способность всех растений показала положительные результаты, наименьшая остаточная концентрация свинца на третьи сутки эксперимента наблюдалась в опыте с шелковником водным, ряской малой и элодеей канадской. Этот виды широко распространены, прекрасно размножаются вегетативно. В конце эксперимента концентрация уменьшилась более, чем в 1000 раз. В опыте с водокрасом лягушачим и шелковником округлолистным практически весь свинец был поглощен (чувствительность прибора ниже остаточной концентрации свинца). Особый интерес представляет изменение концентрации свинца в сообществах макробионтов. Если в опытных растворах с добавлением водо-краса лягушачьего на третьи и шестые сутки зарегистрировано незначительное снижение концентрации свинца, то в растворах с двувидовым поглотительным комплексом из роголистника погруженного и ряски малой тенденцию снижения концентрации катионов Pb2+ наблюдали уже на третьи сутки. Причем, если при сравнительно низких остаточных концентрациях ряски малой и ряски трехдольной в начале, мы наблюдали явление десорбции катионов свинца обратно в раствор уже на шестые сутки, то в сообществе с роголистником погруженным десорбция не наблюдалась в течении двух недель. Таким образом, ряска малая и ряска трехдольная в сравнении с другими исследованными в ходе экспериментов плейстофитами обладает самой высокой в своем типе поглотительной способностью, однако и экстракция свинца обратно в раствор происходит в минимальные сроки по сравнению со всеми другими макрофитами. Поглотительная способность свинца максимальная у гидатофитов (лидер -элодея канадская) и укореняющихся гидрофитов (лидер - шелковник округлолистный), десорбция катионов обратно в раствор не наблюдалась в ходе эксперимента. Необходимости использования их в сообществе с другими гидрофитами нет.
Таким образом, в качестве сорбентов тяжелых металлов рекомендовано использовать Ceratophyllum demersum, Elodea canadensis, Batrachium circinatum, а также комплексы этих видов с плейстофитами Lemna minor, Lemna trisulca, в результате чего достигается увеличение поглотительной способности и максимум сорбции в первые сутки экспозиции растений.
Эти виды можно рекомендовать для фиторемедиационных мероприятий для поверхностных вод, они распространены повсеместно в водных объектах Брянской области, прекрасно размножаются вегетативно.
In laboratory conditions was investigated adsorption capacity in relation to lead and cobalt species of aquatic plants (macrophytes). Species of Ceratophyllum demersum, Batrachium circinatum and Elodea canadensis can be recommended for phytoremediation activities for surface water in respect to cobalt. Adsorption capacity of lead maximum of gidrofitov (leader - Elodea canadensis) and become rooted hydrophytes (leader -Batrachium circinatum). In pilot experiments we observed the process of desorption of heavy metals in solution. XX centuries adsorption complexes of macrophytes have significant accumulative ability in relation to ions of lead and cobalt. Keywords: macrophytes, nutrient and abiogenic heavy metal, lead, cobalt, bioconversion of waste water.
Список литературы
1. Бингам Ф. Т., Коста Э., Эйхенбергер Э. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. М.: Мир, 1993. 368 с.
2. Золотухина Е.Ю., Гавриленко Е.Е. Тяжелые металлы в водных растениях. Аккумуляция и токсичность // Биоло-гич. науки. №9. 1989. С. 93-106.
3. Линник П. Н., Набиванец Б. И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. Л.: Гидрометеоиз-дат,1986. 270 с.
4. Марченко 3., Бальцежак М. Методы спектрофотометрии в УФ и видимой областях в неорганическом анализе М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. 712с.
5. Никаноров А. М., Жулидов А. В. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 312 с.
6. Петракова Е.А., Анищенко Л.Н., Белов С.П. Накопительная и фиторемедиационная возможность водных растений по отношению к ионам меди // Вода: химия и экология. 2014. № 6 (июнь). С. 45-49.
7. Чан Х.К. Использование водных макрофитов в очищении воды от тяжелых металлов: Авто-реф.дисс.....канд.биол.наук. Астрахань, 2012. 24 с.
Об авторе
Петракова Е.А. - аспирант кафедры экологии и рационального природопользования Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского, [email protected]
