Исследование возможности обессоливания водоема-охладителя Балаковской АЭС с помощью высших водных растений Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 574.5

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ БАЛАКОВСКОЙ АЭС С ПОМОЩЬЮ ВЫСШИХ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ

© 2010 А.С. Жутов, С М. Рогачева, Т.И. Губина

Саратовский государственный технический университет

Поступила в редакцию 01.10.2010

В данной работе изучена способность макрофитов элодеи (Elodea сanadensis Rich. et Michx.), роголистника (Ceratophillum demersum L.) и эйхорнии (Eichornia crassipes Mart.) к деминерализации воды из водоема-охладителя Балаковской АЭС. Установлена высокая эффективность обессолива-ния воды с помощью эйхорнии.

Ключевые слова: макрофиты, фиторемедиация, деминерализация

Одной из основных проблем объектов атомной энергетики, использующих системы замкнутого водоснабжения для охлаждения, является повышение минерализации оборотной воды. Увеличение солесодержания обусловлено активным испарением воды с поверхности водоема из-за повышенной температуры и растворением подстилающих пород. Для обеспечения штатной работы энергообъектов необходимо или производить сброс воды с повышенной минерализацией в окружающие водные системы, или подпитывать водоем-охладитель водой из близлежащих источников, или применять для очистки водоема физико-химические методы. Сброс оборотной воды в естественные водоемы может привести к изменению их химического состава. Подпитка водой из других источников осуществима только в летнее время и ограничена периодами засухи. Существующие физико-химические методы слишком материально или энергоза-тратны и не могут использоваться для больших объемов воды. В последнее время для очистки водных систем применяются биологические методы, в частности фиторемедиация, в которой используется способность высших водных растений (ВВР) к накоплению, утилизации и трансформации веществ различной химической природы. В процессе фиторемедиации

Жутов Александр Сергеевич, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Природная и техносферная безопасность». E-mail: [email protected] Рогачева Светлана Михайловна, доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой «Природная и техносферная безопасность». E-mail: smro 13@land. ru

Губина Тамара Ивановна, доктор химических наук, профессор кафедры «Экология»

токсичные вещества поглощаются растениями, инактивируются, после чего вместе с биомассой удаляются из водоемов.

Цель данной работы: изучить способность отдельных видов ВВР изменять солевой состав водоемов с повышенной минерализацией на примере водоема-охладителя Балаковской АЭС.

В качестве исследуемых растений нами были выбраны роголистник погруженный (Ceratophillum demersum L ), элодея канадская (Elodea сanadensis Rich. et Michx.) и эйхорния (Eichornia crassipes Mart ). Анализ воды водоема-охладителя Балаковской АЭС (БалАЭС) показал, что содержание в нем солей составляет 1,2-1,3 г/л, что превышает фоновые показатели солесодержания в 4 раза. Повышенная минерализация ВО обусловлена присутствием сульфатов и хлоридов натрия, калия, кальция и магния. Чтобы установить возможность культивирования макрофитов в водоеме-охладителе, нами определялись пределы толерантности растений к солям, преобладающим в воде ВО БалАЭС. Исследования проводили на модельных растворах солей с известной концентрацией (0,5-2,5 г/л). В ходе эксперимента оценивались состояние каждого растения и изменение солесодержания в воде в зависимости от концентрации в растворах хлорида натрия, сульфата натрия и хлорида калия (рис. 1).

Показано, что роголистник и элодея в большей степени поглощают сульфат натрия, эйхорния - хлорид калия. Отмечено, что все растения интенсивно поглощают хлорид натрия до концентрации соли 1 г/л, после чего процесс обессоливания замедляется. По степени поглощения хлорида натрия растения можно расположить в следующей последовательности: эйхорния > роголистник > элодея. По

2125

поглощению сульфата натрия при его концентрации до 1 г/л растения располагаются аналогичным образом: эйхорния > роголистник > элодея. При концентрации Na2SÜ4 больше 1 г/л отмечается высокая степень его поглощения роголистником и элодеей. По степени поглощения хлорида калия до концентрации 1 г/л растения можно расположить в последовательности: эйхорния > элодея > роголистник. При содержании KCl 1,5-2,5 г/л наблюдается увеличение интенсивности его поглощения роголистником. Концентрации солей выше 1 г/л угнетают рост и развитие растений, вероятно, увеличение интенсивности их поглощения при высоком содержании связано с усилением транспорта ионов в растительную клетку и вызываемым ими токсическим эффектом [1]. Однако содержание солей NaCl, Na2SÜ4 и KCl в ВО БалАЭС гораздо меньше указанных значений, что свидетельствует о возможности применения выбранных растений для деминерализации данного водоема.

Известно, что температура водоемов и освещенность являются основными лимитирующими факторами для функционирования ВВР. Поэтому представляло интерес изучить влияние температуры и освещенности (длины светового дня) на способность ВВР к экстракции солей. Эксперименты проводились в воде из ВО БалАЭС. Содержание солей оценивалось по данным гравиметрического анализа. Влияние температуры на рост растений изучено при температурах 14°С, 20°С, 24°С при 10-и 12-часовом световом дне. Исключение составляла эйхорния, поскольку, являясь растением тропического климата, не способна переносить длительное понижение температуры. Исследования с эйхорнией проводились при температурах 20 и 24°С. Результаты экспериментов представлены на рис. 2. При 10-часовом световом дне максимальные значения деминерализации для всех растений отмечены при температуре 24°С: поглощение элодеей составляет 2,3%, роголистником - 2,1%, эй-хорнией - 5,9%. Для всех видов ВВР прослеживается тенденция к увеличению степени обессоливания при повышении температуры. При удлинении светового дня до 12 часов поглощение солей макрофитами становится более интенсивным с сохранением тенденции к росту степени деминерализации с ростом температуры (рис. 2).

Наиболее значимые результаты в процессах деминерализации получены при использовании эйхорнии. Так, культивирование эйхор-нии в течение 10 суток при 20°С приводит к снижению содержания солей на 6,3%; при температуре 24°С - на 11,5%, для элодеи в тех же условиях отмечается уменьшение солесо-

держания на 1,1 и 2,6% соответственно, для роголистника - на 0,8% и 2,9%. У всех растений в этих опытах не наблюдается морфологических изменений.

В 6

ч я . а 4

и £

-Г1

т I-

1 1 -f 1 li 1 F i

0,5

1,5

2,5 С, г/л

А

16

=

я 12

=

л

я 8

ig

IS

u и 4

0

а

i

LS

i

£

G

i

i

Й

0,5

1,5

2,5

С, г/л

10

8 -

и £

2

В

□ - NaCl; □ - N2SO4; □ - KCl Рис. 1. Зависимость степени деминерализации

(%) от концентрации и состава соли при культивировании элодеи (А), роголистника (Б) и эйхорнии (В)

При понижении температуры воды до 14°С нами обнаружен выброс поглощенных солей элодеей и роголистником, о чем свидетельствует повышение их концентрации в воде. Так, в экспериментах с элодеей при указанной температуре и продолжительности светового дня 10 ч увеличение солесодержания в воде составляет 2,8%, а при освещенности 12 ч - 5,8%. В опытах с роголистником аналогичные показатели составляют, соответственно, 1,7% и 0,46%. Для элодеи определено, что по-

2126

8

2

0

1

2

2

Б

6

4

0

вышение солесодержания связано с увеличением концентрации ионов Mg2+ - на 56%, Ca2+ -на 12% и К+ - на 4,6%, при этом содержание ионов Na+ уменьшается на 3,3%. Выброс солей элодеей и роголистником при понижении температуры, возможно, связан с механизмами адаптации макрофитов к низкой температуре. Подобное явление для температур около 0°С описано для наземных растений [1, 2]. Авторы объясняют его выделением свободной воды из клетки, что предотвращает образование кристаллов льда. При этом из растения выводятся не только вода, но и соли, которые находятся в составе клеточного сока.

110

« 106

102

98

94

90

i

I

10 ч

12 ч

А

106

102

98

94

90

100

96

92

S

88

84

80

10 ч

12 ч

10 ч

12 ч

□ - t=14°C; □ - t=20°C; □ - t=24°C Рис. 2. Изменение солесодержания (в % от контроля) в воде ВО при инкубации элодеи (А), роголистника (Б), эйхорнии (В) в зависимости от температуры и длины светового дня (10 ч, 12 ч). Солесодержание в контрольном образце - 100 %

Б

Рис. 3. Динамика изменения солесодержания в воде ВО при культивировании макрофитов. Жирная линия - начальное значение солесодержания в ВО

Исследована динамика процесса деминерализации. Для этого растения культивировали в воде из ВО в течение 30 суток при температуре 24°С и 12-часовом световом дне, каждые 10 дней измеряя содержание солей (рис. 3). Отмечено стабильное уменьшение солесодержания в

водных образцах только при культивировании эйхорнии: на 30-е сутки оно составляло 25,8% от первоначального значения. Элодея и роголистник за то же время культивирования снижали содержание солей в воде ВО, соответственно, на 11,4% и 3,5%.

2127

Изучена также динамика изменения концентрации ионов, определяющих засоленность ВО, а именно, ионов натрия, кальция и хлора. Анализ проведен с помощью ионоселективных электродов. Определено, что в пробах с эйхор-нией концентрация всех определяемых ионов монотонно убывает во времени, причем скорость поглощения ионов в течение наблюдаемого периода различна. Наиболее интенсивно поглощение ионов протекает в первые 10 суток. В последующий период наблюдения скорость поглощения замедляется. Данный факт можно объяснить эффектом насыщения растительной клетки ионами солей и «включением» механизмов, предотвращающих токсическое действие солей на растение. Подобное явление описано для процесса фиторемедиации водоемов с высоким содержанием тяжелых металлов (Cd2+, Cu2+) [3]. Для C. demersum и E. сanadensis значимого снижения концентрации исследуемых ионов не обнаружено.

Выводы: из трех изученных растений наилучшие показатели обессоливания воды получены для эйхорнии. Мы полагаем, что применение E. crassipes позволит снизить минерализацию водоема-охладителя БалАЭС. Поскольку эйхорния является плавающим не-укореняющимся тропическим макрофитом, произрастающим в интервале температур 16-32°С, ее культивирование и сбор в условиях района расположения АЭС не представляется сложным. Данные исследования будут продолжены в природных условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ипатова, В.И. Адаптация водных растений к стрессовым абиотическим факторам среды. - М.: Графикон-принт, 2005. 224 с.

2. Полевой, В.В. Физиология растений. - М.: Высш. шк., 1989. 464 с.

3. Тарушкина, Ю.А. Высшие водные растения для очищения сточных вод / Ю.А. Тарушкина, Л.Н. Ольшанская, О.Е. Мечева, А. С. Лазуткина // Экология и промышленность России. 2006. №5. С. 36-39.

STUDY OF THE POSSIBILITY TO USE THE MACROPHYTES FOR DEMINERALIZATION OF BALAKOVO NUCLEAR POWER STATION RESERVOIR-COOLER

© 2010 A.S. Zhutov, S.M. Rogacheva, T.I. Gubina Saratov State Technical University

It was studied the possibility of macrophytes Elodea canadensis., Ceratophillum demersum and Eichornia crassipes to demineralizate water of Balakovo nuclear power station reservoir-cooler. High efficiency of water demineralization by E. crassipes was established.

Key words: macrophytes, phytoremediation, demineralization

Alexander Zhutov, Candidate of Biology, Associate Professor at the Department "Natural and Technosphere Safety". E-mail: [email protected] Svetlana Rogacheva, Doctor of Biology, Professor, Head of the Department "Natural and Technosphere Safety". E-mail: [email protected] Tamara Gubina, Doctor of Chemistry, Professor at the Ecology Department

2128