CC BY
77
А СТРАХАНСКИЙ ВЕСТНИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
№ 1 (35) 2016. с. 46-49.
УДК 574.5
БИОКОНВЕРСИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ФИТОРЕМЕДИАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ДООЧИСТКИ И ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Елена Александровна Петракова, Лидия Николаевна Анищенко ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет им. акад. И.Г. Петровского», г.
Брянск [email protected]
макрофиты, тяжелые металлы, сточные воды, медь, никель, цинк, фиторемедиация.
В камеральных условиях исследована поглотительная способность макрофитов четырёх экологических групп по отношению к катионам тяжёлых металлов. Изучена остаточная концентрация ионов тяжёлых металлов после экспозиции растений в растворе как показатель биологического поглощения токсикантов. Доказана хорошая поглотительная способность погружённых гидрофитов в сточных водах с одновременным присутствием нескольких ионов тяжёлых металлов. Для фиторемедиационных мероприятий предложены виды Ceratophyllumdemersum и Elodeacanadensisпри экспонировании растений в водах не более 12 (15) сут.
BIOCONVERSION OF HEAVY METALS IN PHYTOREMEDIATION TECHNOLOGIES PURIFICATION AND WASTEWATER TREATMENT
Elena Petrakova, Lidiya Anischenko VPO "Bryansk State University. Acad. IG Petrovsky "Bryansk
macrophytes, heavy metals, waste water, copper, nickel, zinc, phytoremediation.
In laboratory conditions studied absorption capacity of macrophytes four environmental groups in relation to the heavy metal cations. Studied the residual concentration of heavy metal ions after plant exposure in the solution as an indicator of biological absorption of toxicants. It proved a good absorption capacity submerged hydrophytes in sewage with simultaneous presence of several heavy metal ions. For phytoremediation activities offered species Ceratophyllumdemersum and Elodea canadensis in the exposure of the plants in the water not more than 12 (15) days.
Внастоящеевремярастущеепоступлениесточныхводвприродныеводоёмыприобретаетхар актерглобальнойэкологическойугрозы. Водные экосистемы подвергаются значительному антропогенному загрязнению, что отражается на их продуктивности и качестве воды. Стоки предприятий химического и нефтехимического профилей содержат различные токсиканты, среди которых особую опасность представляют элементы группы тяжёлых металлов (ТМ), обладающие биологической активностью, мутагенными и канцерогенными свойствами. Для минимизации отрицательного влияния ТМ на гидросферу и гидробионтов необходима разработка новых и усовершенствование существующих методов очистки стоков путем снижения концентраций токсикантов, в том числе и методом биоконверсии с использованием высшей водной растительности.
Среди тяжелых металлов Cu2+, Ni2+, Zn2+ имеют наиболее широкое распространение в сточных водах многих предприятий (горнодобывающих, металлургических, текстильных, гальванических, машиностроения) [1, 3]. Наиболее перспективна биоремедиация при конструировании очищающих плато с водными макрофитами, широко распространённых в различных местообитаниях районов очистки вод.
Цель исследования - конструирование и апробация моно- и поликомпонентных (видовых) систем макрофитов для биоконверсии ТМ в биотехнологиях доочистки и очистки сточных вод, прудов, озёр в местах рекреации и хозяйствования (на примере вод
Нечерноземья РФ).Объект исследования - биохимические показатели водных растений, а также индикаторные особенности флоры водных макрофитов водоёмов и водотоков в бассейнах рек Ипути и Десны (Брянская область, Нечерноземье РФ).
Для оценки накопительной и фиторемедиационной возможности водных растений по отношению к ионам ТМ с площади 0,25 м2собиралась биомасса растений. Исследовались макрофиты - LemnammorL, LemnatrisulcaL., Hydrocharismorsus-ranaeL., UtriculariavulgarisL., CeratophyllumdemersumL., Макрофиты принадлежат к экологическим группам плейстофитов, плавающих в толще воды гидрофитов.
Растения 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 суток вода. Навеска макрофитов (1,5 ± 0,3 г.) помещалась в раствор ТМ с определенной концентрацией и выращивалась в стеклянных конических колбах емкостью 250 мл. В течение 15-22 суток через определенные промежутки времени проводился отбор и измерение концентрации ионов ТМ в растворах. Остаточная концентрация ТМ определялась методом спектрофотометрии и атомно-абсорбционной спектрометрии. Предельно допустимая концентрация (ПДК) для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения принималась в 1 мг/л.
Камеральные исследования по сорбционным возможностям четырех видов макрофитов по отношению к меди показали следующее (табл. 1).
Таблица 1
Изменение концентрации ионов Си2+ в растворах с начальной концентрацией 2 мг/л в присутствии макрофитов
Макрофиты Концентрация меди (мг/л)
3 сутки 7 сутки 9 сутки 14 сутки 22 сутки
Lemnaminor 1,75 0,385 0,78 1,1 1,19
Lemnatrisulca 1,8 0,43 0,98 1,3 1,35
ШсааАикаш 1,85 0,41 1,03 1,15 1,21
Elodeacanadensis 1,71 0,27 0,63 0,99 1,05
Контроль (без мкрофитов) 2, 18 2, 18 2, 18 2, 18 2, 18
Во всех опытных растворах концентрация ионов Си2+ уменьшалась после добавления макробионтов, что наблюдалось и в экспериментах других авторов [1, 5, 8,]. На 7 сут концентрация Си2+ уменьшилась более чем в 6 раз при начальной концентрации Си2+ 2 мг/л. Начиная с 3 сут после пребывания макрофитов в растворах регистрировалось снижение концентрации ионов Си2+, достигая минимального значения к седьмым суткам исследования. Далее для всех опытных растворов регистрировалось постепенное увеличение концентрации Си , что также подтверждено другими авторами [6, 8]. Поглотительная способность всех макрофитов по отношению к ионам Си2+ показала положительные результаты - наименьшая остаточная концентрация меди наблюдалась после введения ряски малой и элодее канадской.
При пребывании макрофитов в растворах с Си2+ при его исходной концентрации 2 мг/л наиболее частым морфологическим изменением растений на 9 суток диагностировалось обесцвечивание побегов, у риччии плавающей - полная потеря зеленой окраски. В опытных растворах имеет место не только сорбция и аккумуляция, но и десорбция ионов Си2+ в растворы. Подобные данные были получены и другими авторами [8]. Наилучшие экстракторы - Lemnaminor,Elodeacanadensis. Эти виды можно рекомендовать для фиторемедиационных мероприятий вод, они широко распространены в водных объектах Брянской области, прекрасно размножаются вегетативно. Использование их в фиторемедиации вод рекомендовано проводить определенное время (до 8-9 суток).
Также изучена индивидуальная поглотительная особенность катионов цинка для макрофитов ряски малой, ряски трёхдольной и лептодикциума берегового, элодеи канадской и лютика водного (табл. 2). Предварительно готовили серию растворов цинка,
концентрацией 2 мг/л. Для спектрофотометрического определения цинка применяли высокочувствительную методику с дитизоном [4].
Таблица 2
_Остаточная концентрация Zn2+ в растворах с макрофитами (метод спектрофотометрии)_
Макрофиты Концентрация цинка (мг/л)
1 сутки 3 сутки 6 сутки 12 сутки
Lemna minor 2,05 0,275 0,157 0,148
Lemnatrisulca 2,05 0,13 0,252 0,114
Ceratophyllum 2,05 0,159 0,051 0,043
Elodeacanadensis 2,05 0,267 0,144 0,127
Batrachiumaquatile 2,05 0,347 0,233 0,160
Результаты позволяют сделать вывод о том, что гидатофиты на примере роголистника в данном опыте проявляют наибольшую, в сравнении с плейстофитами, накопительную способность.
Камеральные исследования поглотительной способности водных макрофитов различных экологических групп по отношению к ионам никеля показали следующее (табл. 3).
Таблица 3
Изменение концентрации ионов №2+ в растворах с начальной концентрацией 4 мг/л в присутствии макрофитов
Видовой состав поглотительных комплексов 1 сутки 3 сутки 6 сутки 12 сутки 22 сутки
Hydrocharis morsus-ranae 4,097 3,210 1,30 0,630 _ *
Ceratophyllum demersum 4,097 2,270 0,369 0,360 0,200
Utricularia vulgaris 4,097 2,245 0,972 0,612 0,612
Lemnaminor 4,097 2,340 0,589 0,304 0,304
Lemnatrisulca 4,097 1,248 0,695 0,453 0,445
Контроль 4,097 4,097 4,097 4,097 4,097
Примечание: * - нет данных.
Во всех опытных растворах концентрация ионов № 2+ уменьшалась после добавления макробионтов, несмотря на значительную концентрацию этого ТМ. На шестые сутки концентрация № 2+ уменьшилась в три и четыре раза при экспонировании Hydrocharismorsus-ranaeи Utriculariavulgarisсоответственно, в 6 раз - видов рода Lemna, в 8 раз - Ceratophyllumdemersum и Lemnaminor, Ceratophyllumdemersum и Hydrocharismorsus-ranae, в 10 раз - Ceratophyllumdemersum.
Начиная с трех суток после пребывания макрофитов в растворах регистрировалось снижение концентрации ионов № 2+, достигая минимального значения к двенадцатым суткам исследования. Для всех опытных растворов не регистрировалось постепенное увеличение концентрации ТМ, т.е. десорбции ионов выявлено не было, что не подтверждено другими авторами [2, 8]. Ниже ПДК содержание № 2+ ни в одном из поглотительных комплексов не снижалось.
На следующем этапе исследования были составлены модели растворов с катионами двух металлов и проверена поглотительная способность макрофитов по отношению к № : Zn при их совместном присутствии. Для вод Нечерноземья РФ эти данные представлены впервые. Использование макрофитов в фиторемедиации вод необходимо проводить в течение определенного срока (не более 15 суток). Камеральные исследования поглотительной способности водных макрофитов различных экологических групп представлены в таблице 4.
Таблица 4.
Изменение концентрации ионов тяжелых металлов № : Znв присутствии макрофитов
Макрофиты Мeталлы Концентрация (мг/л)
3 сутки 6 сутки 12 сутки 15 сутки Контроль
Utriculariavulgaris Ni 0,069 0,095 0,087 0,080 1,96
Zn 0,078 0,059 0,054 0,008 2,15
Lemnatrisulca Ni 0,060 0,052 0,040 0,045
Zn 0,063 0,038 0,038 0,037
Lemnaminor Ni 0,088 0,070 0,070 0,094
Zn 0,067 0,037 0,050 0,062
Elodeacanadensis Ni 0,072 0,070 0,059 0,051
Zn 0 0 0 0
Ceratophyllum demersum Ni 0,093 0,084 0,044 0,083
Zn 0, 021 0 0 0
Во всех опытных растворах наблюдалось снижение концентрации металлов, причем все виды, не зависимо от экологической группы преимущественно поглощали катионы цинка. Более того, в опыте с
погруженными макрофитами - элодеей и роголистником - остаточная концентрация катионов цинка не фиксировалась атомно-адсорбционным спектрометром с 3 по 15 сутки. Также не наблюдалась обратной сорбции в раствор катионов цинка в эксперименте с этими растениями. В опыте с плавающими макрофитами, а также с пузырчаткой наблюдалось постепенное снижение концентрации тяжелых металлов с минимумом на 6 сутки, затем незначительное увеличение концентрации цинка и никеля на 12 и последующие сутки. Это говорит о меньшей поглотительной способности плавающих гидрофитов.
Таким образом, в качестве сорбентов тяжелых металлов рекомендовано использовать Ceratophyllumdemersum и Elodeacanadensis, в результате чего достигается снижение концентрации ионов меди, цинка и никеля ниже уровня ПДК в первые - девятые сутки экспозиции растений. На 10-12 сутки в большинстве случаев начинается процесс сорбции металлов обратно в раствор, поэтому данные сроки необходимо учитывать при построении технологического цикла очистки вод.
Поглощение водными макрофитами различных химических элементов, в том числе и металлов, способствует очищению природных вод. Водные растения не только поглощают металлы в концентрациях, превышающих ПДК, но при этом не теряют жизнеспособность на момент сорбции и аккумуляции.
Литература
1. Boyle R.W. Geochemistry of nickel. In: Effects of nickel in the Canadian environment, Ottawa // National Research Council of Canada, 1981. Publication №. NRCC 18568. P.31-44.
2. Буховец Т.Н. Эколого-флористическая характеристика водной растительности бассейнов рек Ипути и Десны (в пределах Брянской области): Дисс.....канд.биол.наук. Брянск, 2010. 262 с.
3. Линник П. Н., Набиванец Б. И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. Л.: Гидрометеоиздат,1986. 270 с.
4. Марченко 3., Бальцежак М. Методы спектрофотометрии в УФ и видимой областях в неорганическом анализе М.: Бином: Лаборатория знаний, 2007. 712 с.
5. Оспанова Ж.Х., Хантурин М.Р. Фиторемедиация нефтезагрязненной сточной воды // Вестник ОГУ № 12. 2010. С. 74-77.
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. Субботина Ю.М. Альтернативный опыт использования высшей водной растительности для доочистки сточных вод// Наука и Мир. №3. 2014. С. 99-105.
8. Чан Х.К. Использование водных макрофитов в очищении воды от тяжелых металлов: Автореф.дисс.....канд.биол.наук. Астрахань, 2012. 24 с.
