Комплексная оптимизация фиторемедиационных процессов по очистке земельных участков от тяжелых металлов Текст научной статьи по специальности «Математика»

ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ / APPLIED ECOLOGY Оригинальная статья / Original article УДК 631.95; 504.064

DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-4-156-160

КОМПЛЕКСНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ФИТОРЕМЕДИАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПО ОЧИСТКЕ ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

© M.M. Агагусейнова, С.О. Мамедова

Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности

Проведенный анализ существующих работ показал, что в настоящее время оптимизация фиторе-медиации почв осуществляется не в систематизированном виде, и рассматриваются частные технологические вопросы, решение которых позволило бы повысить эффективность очистки земель от тяжелых металлов. Целью проводимых исследований является разработка методических основ комплексной оптимизации процесса очистки множества земельных участков, загрязненных тяжелыми металлами в той или иной степени. Получены условия достижения наилучшего результата фиторемедиации применительно ко множеству разноформатных загрязненных участков. Разработана методика комплексной оптимизации фиторемедиационных процессов, позволяющая осуществить комплексный подход к решению задачи очистки в масштабах крупных производственных зон и оптимально планировать работы по фитоэкстракции тяжелых металлов на всех загрязненных участках зоны.

Ключевые слова: фиторемедиация, тяжелые металлы, оптимизация, моделирование, очистка.

Формат цитирования: Агагусейнова М.М., Мамедова С.О. Комплексная оптимизация фиторемедиационных процессов по очистке земельных участков от тяжелых металлов // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6, N 4. С. 156-160. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-4-156-160

COMPLEX OPTiMiZATiON OF PHYTOREMEDiATiON PROCESSES ON CLEANiNG OF LAND PLOTS FROM HEAVY METALS

M.M. Agaguseinova, S.O. Mamedova

Azerbaijan State Oil and Industry University

The analysis of existing researches shows that the optimization of soil phytoremediation is realized at present time in non-systematized type and some partial technological questions are considered to increase the effectiveness of soil cleaning from heavy metals. The aim of present research is to develop the methodological basis for complex optimization of land plots polluted by heavy metals. The conditions for achieving the best result of phytoremediation in respect for the polluted plots of different sizes are derived. The method of complex optimization of phytoremediation processes is developed to realize the integrated approach in solution of task on high-scale cleaning of large industrial zones and to plan the works on phytoremediation of heavy metals from all polluted land plots.

Keywords: phytoremediation, heavy metals, optimization, modeling, cleaning

For citation: Agaguseinova M.M., Mamedova C.O. Complex optimization of phytoremediation processes on cleaning of land plots from heavy metals. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2016, vol. 6, no 3, pp. 156-160. DOI: 10.21285/2227-29252016-6-4-156-160 (in Russian)

ВВЕДЕНИЕ

Хорошо известно, что фиторемедиация является наиболее экологически чистой технологией, позволяющей осуществить чистку земельных участков от тяжелых металлов. Одним из основных источников загрязнения земель такими

тяжелыми металлами как РЬ и Cd является ирригационные воды, обладающие высокой токсичностью [1-4].

В настоящее время имеется большое количество публикаций по использованию того или иного вида растений для осуществления фиторе-

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ Том 6 N 4 2016

медиации [5-8]. Также известны работы по оптимизации процесса фиторемедиации [9-12]. Так, например, в работе [9] рассмотрен вопрос об оптимальном использовании БРТА (этилендиа-минтетраацетат) с целью увеличения как фито-экстракции, так и толенрантности используемого растения. В работе [10] рассматривается вопрос оптимального удаления Cd и 2п с учетом концентраций этих металлов в почве, а также значения рН. В работе [11] рассмотрен вопрос об оптимизации удаления N из почвы с учетом концентрации загрязнения почвы и длительности процесса фиторемедиации. В работе [12] рассмотрен вопрос об оптимальных добавках органических веществ в загрязненную почву с целью повышения эффективности фиторемедиации.

В целом следует отметить, что исследования в области оптимизации фиторемедиации проводятся не в систематизированном виде, и рассматриваются частные технологические вопросы, решение которых позволило бы повысить эффективность фиторемедиации.

Вместе с тем, как нам представляется, усилия в области оптимизации фиторемедиации могут быть систематизированы, и, как результат, может быть проведена комплексная оптимизация процесса очистки множества земельных участков, загрязненных тяжелыми металлами в той или иной степени.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Прежде чем изложить предлагаемый метод комплексной оптимизации, рассмотрим основные показатели, используемые в технике фито-ремедиации зависимости, исследуемые в настоящее время в многочисленных научных публикациях.

Основными показателями процесса фиторемедиации являются:

1. Коэффициент транслокации, определяемый как

С

TF =

sh

(1)

где Csh - концентрация металла в ветках и ростках растения, в (мг/кг); Croot - концентрация металла в корнях растения, в (мг/кг).

2. Коэффициент биоаккумуляции (BAF), определяемый как

BAF =

C

sh

(2)

где Cs - концентрация металла в почве, в (мг/кг).

3. Отношение экстракции металла (MER), определяемое как

MER =

Cp ■ Mp Cs ■ Mr

(3)

где Cp - концентрация металла в собранной

биомассе в (мг/кг); Мр - масса собранного биоматериала в (кг); С5 - концентрация металла в почве; Мг - масса обрабатываемой почвы с использованием биоматериала в (кг).

Основными функциональными зависимостями, исследуемыми при проведении фиторе-медиационных работ и представляющими интерес для предлагаемых оптимизационных процедур, являются следующие:

1. Зависимость веса веток растений (РзЬ) от концентрации тяжелого металла в почве:

= ). (4)

2. Зависимость транслокационного фактора от концентрации металла в почве:

ТР = /2 (С ) . (5)

3. Зависимость коэффициента биоаккумуляции от концентрации тяжелого металла в почве:

BAF = {Cs ).

(6)

4. Зависимость отношения экстракции металла от концентрации металла в почве:

ЫЕЯ = /„С ). (7)

В качестве примера, на рис. 1, г-ё приведены типичные кривые функции (4)-(6), экспериментально полученные в работе [13], применительно к таким типам тяжелых металлов как Cd и РЬ. В качестве фитоэкстрактора применялось растение типа А. ШоггНэ.

ПРЕДЛАГАЕМАЯ МЕТОДИКА

И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Предлагаемая методика для оптимизации процесса фиторемедиации предусматривает совместное рассмотрение результатов фито-ремедиации применительно к элементам упорядоченного множества 5

S =

b 1

j = n

где 5, - площадь у-го загрязненного участка;

3/+1>3/>3/-1.

Далее в предлагаемой методике оптимизации принимается следующее ограничительное условие:

= | = С 0

(8)

где С1 = const; x(s) - функция зависимости концентрации металла от площади.

Условие (8) физически означает условие неизменности тотального количества тяжелого металла в рассматриваемых загрязненных участках. Это оправдывается тем, что при любых сценариях выбора рассматриваемых земельных

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ Том 6 N 4 2016

Рис. 1. Экспериментально полученные зависимости [13]: а - зависимость типа функции (4) для РЬ; Ь - зависимость типа функции (5) для РЬ; с - зависимость типа функции (6) для РЬ;

С - зависимость типа функции (7) для РЬ

участков мощность источника загрязнения (загрязнителя) осталось бы неизменной.

Для оценки суммарного показателя фито-ремедиации, выраженного функциями (4)-(7), введем на рассмотрение обобщенный показатель Z, определяемый как

°т ( ( \\ 2 = I /] И?)) • 5Р5, где -X = С.

0

(9)

С учетом выражений (8), (9) можно составить единый функционал безусловной вариационной оптимизации:

5т / / \\ хт / \

М = Л • ^ + 2 = I /,■ (х(?)) • 5Р5 + Л • I х(? рх (10) 0 0

Согласно методу Эйлера, оптимальная функция x(s)opt, при которой М достигает экстремальной величины, определяется из условия

М1 =

Р \fj (х(? )) • 5 + Лх(?)| Рх(? )

= 0

(11)

При этом, при удовлетворении условия М2 < 0,

где

М 2 =

Р2 \fj (х(?))• 5 + Л • х(?

Рх(? )

2

(12)

М достигает максимума, а при М2 > 0 - минимума.

В качестве примерного модельного исследования рассмотрим наиболее общий случай,

когда регрессионные зависимости, представленные на рис. 1, a и рис. 1, d, могут быть записаны в общем виде:

—Р0х

У = Рхв

2х

+ Р

3 .

(13)

С учетом выражений (10) и (13) получаем

М = I р • е 0

(р1

— Р2 х(5) \ -'т ( \

2 + Рз / • '5рх +Л^ I х(5 рх (14)

С учетом выражения (11) из (14) получим

р 2 х(5 )• 5 + Л = 0

Мх = — Рр2е

Из выражения (15) находим

х(5

1п

Р

2

25л Л

Из выражений (8) и (16) получим

1

5т

Р2 0

I 1п

25л Л

Р5 = С

(15)

(16)

(17)

V ^ У

Из выражения (17) находим множитель Ла-гранжа:

Л = ехр

- / 1п (^1 • Р 2 • 5 --2—1

"0

. (18)

Таким образом, при решении (16) функционал (14) достигает экстремального значения. Используя условие (12), можно показать, что этот экстремум - минимум. Следовательно, с

х

т

точки зрения достижения большой эффективности фиторемедиации желательно достичь обратной зависимости х от s, т.е. на участках с большой площадью иметь низкую концентрацию тяжелого металла и наоборот.

При этом применительно к функции fi(Cs) можно достичь наибольшего веса веток используемого растения по всем участкам, и применительно к функции f4(Cs) можно достичь наибольшей суммарной величины MER по всем участкам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Отметим, что подобно вышеописанному также могут быть получены условия дости-

1. Nazif W., Perveen S., Asif Shah S. Evaluation of irrigation water for heavy metals of akbarpura area // Journal of Agricultural and Biological Science. 2006. Vol. 1, N 1. P. 51-58.

2. Al-Jaboobi M., Zouahri A., Tijane M., Housni A.A., Mennane Z., Yachou H., Bouksaim M. Evaluation of heavy metals pollution in groundwater, soil and some vegetables irrigated with waste water in the Skhirat region «Morocco» // Journal of Material Environmental Science. 2014. Vol. 5, N 3. P. 961-966.

3. Parashar P., Prasad F.M. Study of heavy metal accumulation in sewage irrigated vegetables in different regions of Agra district, India // Open Journal of Soil Science. 2013. N 3. P. 1-8.

4. Bich M.H., Bello U.F. Heavy metal pollution in surface and ground waters used for irrigation along river Tatsawarki in the Kano, Nigeria // IOSR Journal of Engineering. 2013. Vol. 3, N. 8. P. 1-9.

5. Chhotu D.J., Madhusudan H., Fulekar Phitoremediation: The application of vermicompost to remove zinc, cadmium, copper, nickel and lead by sunflower plants // Environmental Engineering Management. 2008. Vol. 7, N 5. P. 547-558.

6. Jadia C.D., Fulekar M.N. Phytoremediation of heavy metals: Recent techniques // African Journal of Biotechnology. 2009. Vol. 8, N 6. P. 921-928.

7. Ochonogor R.O., Atagana H.R. Phytoreme-diation of heavy metal contaminated soil by Prosalea Pinnata // International Journal of Environmental Science and Development. 2014. Vol. 5, N 5. P. 440-443.

8. Laghlimi M., Baghdad B., Hadi H.E., Bouab-

жения наилучшего результата фиторемедиации применительно ко множеству разноформатных загрязненных участков для функций f2(Cs) и f3(Cs). Однако из-за отсутствия методологической новизны в подобных выкладках они здесь не приводятся.

Разработанная в настоящей статье методика комплексной оптимизации фиторемедиа-ционных процессов позволяет осуществить комплексный подход к решению задачи очистки в масштабах крупных производственных зон и оптимально планировать работы по фитоэкс-тракции тяжелых металлов на всех загрязненных участках зоны.

КИЙ СПИСОК

dli. Phytoremediation of heavy metal contaminated soi-ls: a review // Open Journal of Ecology. 2015. N 5. P.375-388.

9. Barocsi A., Csintalan Z., Kocsanyi L., Du-shenkov S., Kuperberg J.M., Kucharski R., Richter P. Optimizing Phytoremediation of Heavy Metal - Contaminated Soil by Exploiting Plants' Stress Adaptation // International Journal of Phytoremediation. 2003. Vol. 5, N 1. P. 13-23.

10. Caraiman P.C., Pohontu C., Soreanu G., Macoveanu M., Cretescu I. Optimization process of Cadmium and Zinc removal from soil by phytoreme-diation using. Brassica napus AND Triticales sp. // Environmental Engineering and Management Journal. 2012. Vol.11, N 2. P. 271-278. Avilable at: http://omicron.ch.tuiasi.ro/EEMJ/

11. Mojiri A., Abdul Aziz H., Qarani Aziz S., Se-lamat M.R.B., Gholami A., Aboutorab M. Phytoreme-diation of soil contaminated with Nickel by Lepidium Sativum; Optimization by Response Surface Methodology // Global Nest Journal. 2013. Vol. 15, N 1. P. 69-75.

12. Jahanbakhshi Sh., Rezaei M.R., Sayyari-Zahan M.H. Optimization of phytoremediation in Cd-contaminated soil by using Taguchi method in Spina-cia oleraces // Proc. of the Int. Academy of Ecology and Environmental Sciences. 2014. N 4 (4). P. 185-193.

13. Rezvani M., Zaefarian F. Bioaccumulation and translocation factors of cadmium and lead in Ae-luropus littoralis. Australian Journal of Agricultural Engineering, 2011. Vol.2, no.4, pp.114-119.

1. Nazif W., Perveen S., Asif Shah S. Evaluation of irrigation water for heavy metals of akbarpura area. Journal of Agricultural and Biological Science. 2006, vol. 1, no. 1, pp. 51-58.

2. Al-Jaboobi M., Zouahri A., Tijane M., Housni A.A., Mennane Z., Yachou H., Bouksaim M. Evaluation of heavy metals pollution in groundwater, soil and some vegetables irrigated with waste water in the Skhirat region «Morocco». Journal of Material Environmental Science. 2014, vol. 5, no. 3, pp. 961-966.

3. Parashar P., Prasad F.M. Study of heavy metal accumulation in sewage irrigated vegetables in different regions of Agra district, India. Open Journal of Soil Science, 2013, no. 3, pp. 1-8.

4. Bich M.H., Bello U.F. Heavy metal pollution in surface and ground waters used for irrigation along river Tatsawarki in the Kano, Nigeria. IOSR Journal of Engineering. 2013, vol. 3, no. 8, pp. 1-9.

5. Chhotu D.J., Madhusudan H., Fulekar Phitoremediation: The application of vermicompost to

remove zinc, cadmium, copper, nickel and lead by sunflower plants. Environmental Engineering Management. 2008, vol. 7, no. 5, pp. 547-558.

6. Jadia C.D., Fulekar M.N. Phytoremediation of heavy metals: Recent techniques. African Journal of Biotechnology. 2009, vol. 8, no. 6, pp. 921-928.

7. Ochonogor R.O., Atagana H.R. Phytoreme-diation of heavy metal contaminated soil by Prosalea Pinnata. International Journal of Environmental Science and Development. 2014, vol. 5, no. 5, pp. 440-443.

8. Laghlimi M., Baghdad B., Hadi H.E., Bouab-dli. Phytoremediation of heavy metal contaminated soi-ls: a review. Open Journal of Ecology. 2015, no. 5, pp. 375-388.

9. Barocsi A., Csintalan Z., Kocsanyi L., Du-shenkov S., Kuperberg J.M., Kucharski R., Richter P. Optimizing Phytoremediation of Heavy Metal - Contaminated Soil by Exploiting Plants' Stress Adaptation. International Journal of Phytoremediation.

Критерии авторства

Агагусейнова М.М., Мамедова С.О. выполнили теоретическую работу, на основании полученных результатов провели обобщение и написали рукопись. Агагусейнова М.М., Мамедова С.О. имеют на статью авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Минира М. Агагусейнова

Азербайджанский государственный университет

нефти и промышленности

AZ1010, Республика Азербайджан, г. Баку,

пр. Азадлыг, 20

Д.х.н., профессор

minira_baku@yahoo.com

Саадат О. Мамедова

Азербайджанский государственный университет

нефти и промышленности

AZ1010, Республика Азербайджан, г. Баку,

пр. Азадлыг, 20

Аспирант

mamedova-2014-mail.r@mail.ru

Поступила 07.09.16

2QQ3, vol. 5, no. 1, pp. 13-23.

10. Caraiman P.C., Pohontu C., Soreanu G., Macoveanu M., Cretescu I. Optimization process of Cadmium and Zinc removal from soil by phytoreme-diation using. Brassica napus AND Triticales sp. Environmental Engineering and Management Journal. 2Q12, vol.11, no. 2, pp. 271-278. Avilable at: http://omicron.ch.tuiasi.ro/EEMJ/

11. Mojiri A., Abdul Aziz H., Qarani Aziz S., Se-lamat M.R.B., Gholami A., Aboutorab M. Phytoreme-diation of soil contaminated with Nickel by Lepidium Sativum; Optimization by Response Surface Methodology. Global Nest Journal. 2Q13, vol. 15, no. 1, pp. б9-75.

12. Jahanbakhshi Sh., Rezaei M.R., Sayyari-Zahan M.H. Optimization of phytoremediation in Cd-contaminated soil by using Taguchi method in Spina-cia oleraces. Proc. of the Int. Academy of Ecology and Environmental Sciences. 2Q14, no. 4 (4), pp. 185-193.

Contribution

Agaguseinova М.М., Mamedova С.О. carried out the theoretical work, on the basis of the results summarized the material and wrote the manuscript. Agaguseinova М.М., Mamedova С.О. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

AUTHORS' INDEX Affiliations

Minira M. Agaguseynova

Azerbaijan State Oil and Industry University 2Q, Azadliq Ave., Baku, AZ1Q1Q, Azerbaijan Doctor of Chemical Sciences, Professor minira_baku@yahoo.com

Saadat O. Mammedova

Azerbaijan State Oil and Industry University 2 0, Azadliq Ave., Baku, AZ1010, Azerbaijan Postgraduate student mamedova-2014-mail.r@mail.ru

Received 07.09.16