CC BY
81
УДК 58.072
К ВОПРОСУ АКТУАЛЬНОСТИ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ ПОМОЩИ ВЫСШИХ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ
ON THE RELEVANCE OF INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT FROM HEAVY METAL IONS USING HIGHER AQUATIC PLANTS
Мищенко О.А., Тищенко В.П.
(Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск, РФ) Mishchenko O.A., Tishchenko V.P. (Pacific State University, Khabarovsk)
Проведен анализ применяемых методов для очистки сточных вод от тяжелых металлов. Обоснован выбор способа фиторемедиацией при помощи высших водных растений для очистки сточных вод шламонакопителя.
The analysis of applied methods for wastewater treatment from heavy metals is carried out. The choice of the method ofphytoremediation using higher water plants for wastewater treatment of the sludge accumulator is justified.
Ключевые слова: тяжелые металлы, заагрязнение, экологичесая катастрофа, шламонакопитель, экология, фиторемедиацией
Key words: heavy metals, pollution, environmental disaster, sludge storage, ecology, phytoremediation
Существует немало методов применяемых как в России, так и за рубежом для очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов: электрохимические, ионообменные, окислительные, мембранные, биологические. Из указанных методов не все являются применимыми для шламонакопителей. Это обусловлено тем, что воды шламонакопителя не отводятся, это стоячая вода. Использование электрохимических, ионообменных, окислительных, мембранных методов подразумевает выпуск очищенных вод в водный объект, что повлечет за собой опустошение шламонакопителя и тогда появится новая проблема - загрязненные осадки, которые также нужно обезвреживать, а при использовании указанных методов это не предусмотрено. Более того, при осушении озера шламонакопителя возможно загрязнение токсичными атмосферными выпадениями прилегающие поселения [1]. Таким образом, решение одной проблемы порождает другую, не менее опасную.
Среди биологических методов очистки на сегодняшний день получили два вида: использование микроорганизмов и использование высших водных растений. Помимо микроорганизмов к биологическим методам относятся биопруды с использованием высших водных растений. Данный метод основан на способности некоторых высших водных растений использовать загрязняющие вещества и ионы тяжёлых металлов в процессе своей жизнедеятельности [2,3,4].
Применение зеленых растений для очистки сточных вод, грунтов и атмосферного воздуха получило название фиторемедиации [5], и включает в себя такие подвиды как фитоэкстракция, консорционная биоремедиация, ри-зофильтрация, фитотрансформация, фитостабилизация, фитоволатилизация
и др. [6, 7, 8, 9].
Водные растения, как в естественных водоемах, так и биопрудах, выполняют следующие функции:
- фильтрационную (способствуют оседанию взвешенных частиц);
- поглотительную (поглощение биогенных элементов и некоторых органических веществ);
- накопительную (способность накапливать некоторые металлы и органические вещества, которые трудно разлагаются);
- окислительную (в процессе фотосинтеза вода обогащается кислородом);
- детоксикационную (растения способны накапливать токсичные вещества и преобразовывать их в нетоксичные).
Способность высших водных растений удалять из воды загрязняющие вещества - биогенные элементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, марганец, серу), тяжелые металлы (кадмий, медь свинец, цинк и др.), фенолы, сульфаты - и уменьшать ее загрязненность нефтепродуктами, синтетическими поверхностно-активными веществами, что контролируется такими показателями органического загрязнения среды, как биологическое и химическое потребление кислорода, позволила использовать их в практике очистки производственных, хозяйственно-бытовых сточных вод и поверхностного стока.
Не все растения окружающей среды подойдут для очистки водоемов. К растениям предъявлены следующие требования [10]:
- максимальная устойчивость к сильно загрязненным стокам;
- наличие мощной корневой системы;
- способность поглощать и перерабатывать многие загрязнения;
- хороший рост в загрязненных водоемах;
- образование высокорослых и густых зарослей;
- продуцирование большой биомассы и численности;
- способность аккумулировать многие минеральные и токсичные вещества;
- легкость удаления;
- легкость возобновления при удалении.
В биопрудах помимо корневищных растений также применяются ин-тродуцирующие водные растения: плавающие - водный гиацинт (Eichornia crassipes) [11] и ряска (Lemna a Spirodella spp.) [12].
В работе [13] отмечено, что высшим водным растениям свойственна избирательность в накоплении не только макро-, но и микроэлементов, в том числе и тяжелых металлов.
Так, содержание никеля в водных растениях колеблется от следовых количеств до 41 мг/кг сухого веса (максимальное значение отмечено у частухи подорожниковой), что в 135 раз превышает среднее фоновое содержание никеля в гидрофитах.
Среднее фоновое содержание меди в гидрофитах относительно чистых водоемов составляет 3,5 мг/кг сухого веса. В загрязненных водоемах содержание меди в водных растениях намного превышает фоновые величины, причем максимальные концентрации зафиксированы у воздушно-водных
растений (136 мг/кг - у сусака зонтичного).
Высокое содержание свинца наблюдается у разных видов гидрофитов загрязненных водоемов. При средней фоновой величине содержания свинца в гидрофитах 2,4 мг/кг (в относительно чистых водоемах) максимальные значения отмечаются у воздушно-водных растений, в частности тростнике -833 мг/кг сухого веса. Вблизи промышленных городов содержание свинца в растениях составляет 6-56 мг/кг сухого веса, что в 3-20 раз превышает фоновые величины.
Содержание цинка в гидрофитах в среднем составляет 1,4 мг/кг сухого веса, а максимальное - наблюдается у элодеи канадской и штукении гребенчатой (178 и 108 мг/кг сухого веса).
Самое высокое содержание титана отмечено у харовых водорослей (до 130 мг/кг сухого веса), элодеи канадской и урути мутовчатой (около 100 мг/кг сухого веса) при среднем фоновом содержании титана в гидрофитах 8 мг/кг сухого веса.
Содержание хрома у водных растений в среднем составляет 0,3 мг/кг сухого веса, однако у гидрофитов (элодея, рдесты, роголистник, уруть), произрастающих вблизи промышленных городов, зафиксированы высокие концентрации хрома, в 125 раз превышающие средние фоновые значения.
Максимальное содержание ванадия (около 19 мг/кг) наблюдается у погруженных растений (харовые водоросли, элодея, штукения гребенчатая, роголистник, уруть), тогда как среднее фоновое значение составляет 3,6 мг/кг сухого веса. Высокие концентрации ванадия отмечаются у растений, как в загрязненных, так и в относительно чистых водоемах.
Концентрация марганца колеблется в водных растениях в широких пределах: от следовых до 3180 мг/кг сухого веса (харовые водоросли). Больше всего марганца накапливают погруженные гидрофиты, причем как в загрязненных, так и в относительно чистых водоемах.
По мнению ряда исследователей [14, 15], чем теснее жизнедеятельность растений связана с водной средой, тем более высокие концентрации ионов тяжелых металлов могут в них содержаться. Более того, это подтверждается в работе [16], где указано, что влаголюбие вида может играть большую роль в аккумуляции ионов тяжелых металлов, чем систематическое положение. Отмечено, что мощность накопления тяжёлых металлов у водных растений выше, чем у наземных, что обусловлено потреблением минеральных и питательных веществ корнями прямо из воды [17, 18].
Для повышения накопительной способности металлов растениями применяются хелатообразющие агенты, среди которых ЭДТА (этилендиамин-тетрауксусная кислота). Благоприятная роль ЭДТА в применении к фиторе-медиации уже отмечена многими учеными [7, 19, 20, 21, 22]. ЭДТА также входит в состав питательных растворов для растений, используемых при их выращивании, например раствор Хатнера [23].
Хелатообразующие агенты, такие как цитраты, ацетаты, малаты и пр., не только повышают аккумуляцию тяжёлых металлов, а также усиливают механизм устойчивости и детоксификации у растений. В работе [24] отмечено, что хелатированные металлы в растительной клетке из цитоплазмы попада-
ют в вакуолярное отделение, которое исключает их из процессов клеточного деления и дыхания, тем самым предоставляя эффективный защитный механизм.
В работе [25] отмечена эффективность использования ЭДТА по сравнению с контрольным образцом. Результаты исследования показали, что при использовании ЭДТА при концентрациях 20, 30 и 40 ммоль/кг грунта кукурузой (Zea mays L.) было извлечено кадмия в 6; 9,2; 22,5 раз и свинца в 46,6; 75,6; 80,3 раза больше.
В настоящее время научный и практический интерес представляют плавающие высшие водные растения Ряска малая [26] и водный гиацинт. Это обусловлено тем, что эти растения быстро размножаются, легко удаляется отработанная биомасса, высокая сорбционная способность.
Ряска малая (Lemna minor) - многолетнее водное растение (рис. 1), вид рода Ряска (Lemna) подсемейства Рясковые семейства Ароидные, или Арон-никовые (Araceae) [27].
Вегетативное тело ряски малой в виде обратнояйцевидной пластинки, верхняя сторона которой слабовыпуклая или с выдающимся горбиком, а нижняя - плоская, чаще с тремя, реже с четырьмя или пятью жилками. Длина пластинки 2-7 мм, ширина 2-4 мм.
Рисунок 1- Ряска малая: а - вид растения, б - естественный водоем с ряской
Верхняя сторона пластинки зелёная, блестящая, с неясными устьицами вдоль средней линии. Нижняя сторона пластинки желтовато-зелёная или беловато-зелёная, редко с красноватыми пятнами. Пластинка разделена на дистальную, рассечённую жилками, и проксимальную зоны узлом, от которого отходит тонкий, неразветвлённый, полупрозрачный корень. На узле располагаются 2 почечных кармашка, в которых формируются соцветия. Нижняя поверхность пластинки осуществляет абсорбцию (поглощение) минеральных веществ, а корень удерживает пластинку на поверхности воды. Конец корня заключён в округлый кармашек. Цветки однополые, без околоцветников, состоят из одного пестичного и двух тычиночных цветков. Цветет очень редко в мае - сентябре. Плод - односемянный нераскрывающийся орешек. Семена беловатые, с 10-16 заметными рёбрами, после созревания остаются внутри плода. Длина семян 0,7-1 мм, толщина - 0,4-0,6 мм.
Ряска малая произрастает в застойных пресных водоёмах и часто полностью покрывает их поверхность. Данное растение распространено по всему земному шару, на территории нашей страны встречается повсеместно [28].
Ряска малая размножается преимущественно вегетативно - отростками. Отростки отделяются от пластинки и становятся самостоятельными растениями.
Распространение Ряски малой осуществляется посредством водоплавающих птиц, лягушек и тритонов. Прилипая к их телу, она перемещается из одного водоёма в другой. Ряска малая не погибает в отсутствии воды до 22 часов, а за это время может быть перемещена дикими утками на расстояние до 300 км [27]. Температура воды, при которой существует Ряска малая колеблется в очень широком диапазоне - от 12 до 30 0С. Жёсткость и активная реакция воды для неё значения не имеют [28]. В процессе фотосинтеза ряска выделяет кислород и является хорошим очистителем воды, особенно если та загрязнена отходами животноводства.
Согласно [29], ряска обладает не только резистентностью к тяжелым металлам, но и высокой аккумулирующей способностью. Так, проведенный эксперимент показал, что степень очистки промышленных вод золотоизвле-кающей фабрики с использованием ряски малой высокая и составляет 95% по сравнению с химическим методом (78%), используемым на этой фабрике.
Эйхорния (Ею^гша crassipes) - травянистое плавающее растение. Типичный гидрофит. Надводная часть - укороченный стебель с розеткой овальных листьев. Черешки пузыревидно вздуты и заполнены воздухом, благодаря которому они обеспечены высокой плавучестью. Корневая система находится в воде в виде хорошо развитого пучка нитевидных корней, густо опушенных ресничками (рис. 2).
Рисунок 2- Эйхорния (водный гиацинт): а - вид растения сверху, б - вид растения вместе с корневой системой
Эйхорния является тропическим растением, родом с р. Ганг, Индия. Как отмечают ботаники, является сорняком ввиду высокой плодовитости при благоприятных условиях. Может активно вегетировать при интервале температур воды 16-32 оС, а при 32-35 оС - возможно семенное размножение [29].
Как отмечено в работе [30], эйхорния способна осветлять, дезодорировать сточные воды, вызывать гибель кишечной палочки, сальмонеллы, энте-роккока и других болезнетворных бактерий, поглощать соединения биогенов, ускорять процесс нитрификации, минерализировать нефтепродукты,
обезвреживать многие токсины и поглощать тяжёлые металлы.
Из двух приведённых растений для применения в условиях шламона-копителя г. Амурска в Амурской области наиболее перспективным является Ряска малая, так как:
- это растение-абориген и встречается повсеместно, в то время как Эй-хорния - завезённое из тропических стран;
- по исследованию, проведённому Карханисом и другими [8], результаты накопления из сточных вод цинка и меди Ряской малой выше, чем у водного гиацинта.
Анализ литературных данных в области очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов показал, что существует немало методов (электрохимические, ионообменные, окислительные, мембранные, реагентные, сорбцион-ные), которые применяются в зависимости от объекта и количества ИТМ. Рассмотренные методы обладают как индивидуальными недостатками: поддержание рН в определённом диапазоне, стоимость реагентов и/или оборудования, вторичное загрязнение и пр., так и общим - использование этих методов предполагает отвод очищенных сточных вод в водный объект и круглогодичное использование.
Фиторемедиационная очистка промышленных сточных вод от тяжёлых металлов - перспективное и развивающееся направление, о чём свидетельствуют исследования (камеральные и полевые) аккумулирующей способности различных растений в разных условиях. Применение фиторемедиационной очистки сточных вод может дополнять или даже замещать традиционные методы извлечения тяжёлых металлов.
Список использованных источников
1. Приваленко В. В., Черкашина И. Ф. Рекультивация шламонакопителей химических заводов в Ростовской области // Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель : материалы IX Всероссийской научной конференции с международным участием, Екатеринбург, 20-25 августа 2012 г. Екатеринбург : Изд-во Уральского университета, 2012. С. 205-209.
2. Фиторемедиационные энергосберегающие технологии в решении проблем загрязнения гидросферы. Ольшанская Л. Н. [и др.] // Инноватика и экспертиза. 2012. Вып. 2 (9). С. 166-172.
3. Русских М. Л. Разработка энергосберегающей технологии доочистки промышленных и бытовых стоков от ионов тяжёлых металлов / М. Л. Русских, О. А. Арефьева, Л. Н. Ольшанская // Альтернативная энергетика и экология, 2011. №7. С. 84-89.
4. Высшие водные растения для очистки сточных вод / Ю. А. Тарушкина [и др.] // Экология и промышленность России. 2006. №5. С. 36-39.
5. Фиторемедиация [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://g-global-expo.org/index.php/ru/new/165-biologicheskaya (дата обращения: 15.08.2020).
6. Phytoremediation of TCE in Groundwater using Populus [Электронный ресурс]. Режим доступа : https://clu-in.org/products/intern/phytotce.htm (дата обращения:01.08.2020)
7. Raskin I. Phytoremediation of metals: using plants to remove pollutants from the environment / I. Raskin, R. D. Smith, D. E. Salt // Current Opinion in Biotechnology. 1997. № 8. C. 221-226.
8. Jadia C. D., Fulenakar, M. H. Phytoremediation of heavy metals: Recent techniques / C. D. Jadia, M. H. Fulenakar // African Journal of Biotechnology. Vol. 8. 2009. P. 921-928.
9. Прикладная экобиотехнология : учебное пособие : в 2 т. Т. 2 / А. Е. Кузнецов [и др.]. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. 485 с.
10. Liao S., Chang, N. Heavy metal phytoremediation by water hyacinth at constructed wetlands in Taiwan / S. Liao, N. Chang // J. Aquatic Plant Manage. 2004. № 42. P. 60-68.
11. Sukumaran D. Phytoremediation of Heavy Metals from Industrial Effluent using Constructed Wetland Technology // Applied Ecology and Environmental Sciences. 2013. № 5. P. 92-97.
12. Application of Aquatic Plants for the Treatment of Selenium-Rich Mining Wastewater and Production of Renewable Fuels and Petrochemicals / Ana F. Miranda [et al.] // Journal of Sustainable Bioenergy Systems. 2014. № 4. P. 97-112.
13. Садчиков А. П., Кудряшов М. А. Экология прибрежно-водной растительности: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Изд-во НИА-Природа, РЭФИА, 2004. 220 с.
14. Никаноров, А. М., Жулидов, А. В. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах. Л. : Гидрометеоиздат, 1991. 312 с.
15. Артамонов В. И. Растения и чистота природной среды. М. : Наука, 1986. 172 с.
16. Коробова Е. М. Миграция меди, кобальта и йода в ландшафтах Юго-Восточной Мещеры // Эколого-геохимический анализ техногенного загрязнения. М. : ИМГРЭ. С. 317.
17. Fritioff A., Greger M. Aquatic and Terrestrial Plant Species with Potential to Remove Heavy Metals from Stormwater // International journal of phytoremediation. 2003. № 3. Р. 211-224.
18. A review on Heavy Metals (As, Pb and Hg) Uptake by Plants through Phytoremediation / B. V. Tangahu [et al.] // International journal of Chemical Engineering. 2011.
19. Гоготов И. Н. Аккумуляция ионов металлов и деградация поллютантов микроорганизмами и их консорциумами с водными растениями // Экология промышленного производства. М., 2005. №2 С. 33-37.
20. Кошкин Е. И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур. М.: Дрофа, 2010. 640 с.
21. Komаrek M. The role of Fe- and Mn- oxides during EDTA-enhanced phytoextraction of heavy metals // Plant Soil Environ, 2007. Vol. 5. P. 216-224.
22. Blaylock M. J., Huang J. W. Phytoextraction of metals // Phytoremediation of toxic metals. Using plants to clean up the environment / Eds. I. Raskin, B. D. Ensley. - New York.: J. Wiley and Sons, Inc., 2000. P. 53-70.
23. Media for Chlamydomonas: Hutner's trace elements [Электронный ресурс]. Режим доступа : http://www.chlamycollection.org/trace.html (дата обращения: 19.09.2020).
24. Hooda V. Phytoremediation of toxic metals from soil and waste water // Journal of Environmental Biology. Lucknow (India), 2007. №2. P. 367-376.
25. Аль Аруд, М.А.-Х., Автухович, И. Е. Загрязнение окружающей среды свинцом и кадмием и их влияние на некоторые физиологические свойства растения кукурузы (Zea Mays L.) и оценку процесса фитоэкстракции Pb-Cd из загрязненных почв // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. М., 2011. №5. С. 27-34.
26. Effects of heavy metals on ultrastructure and Hsp70 induction in Lemna minor L. exposed to water along the Sarno River, Italy / A. Basile [et al.] // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2015. P. 93-101.
27. Ряска малая [Электронный ресурс]. Режим доступа : http://ru.wikipedia.org/wiki/Ряска малая (дата обращения: 19.09.2020).
28. Цирлинг М. Б. Аквариум и водные растения. СПб.: Гидрометеоиздат, 1991, 256
с.
29. Гула К. Е. Использование Ряски малой (Lemna minor) в процессе очистки промышленных стоков золоторудных предприятий в бассейне р. Амур [Электронный ресурс] // Экономика и экологический менеджмент. 2012. № 2. URL: http://economics.open-mechanics.com/articles (дата обращения: 19.09.2020).
30. Петраш Е. П. Биологическая очистка сточных вод с использованием водной растительности [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://msuee.ru/science/1/sb-08/sb-08_1_89.pdf (дата обращения: 28.09.2020).
