CC BY
103
ь Серия «Биология. Экология» ИЗВЕСТИЯ
ГшЙШ! 2013. Т. 6, № 3(1). С. 73-77 Иркутского
Онлайн-доступ к журналу: государственного
^IPtt^ http://isu.ru/izvestia 'университета
УДК 574.635:574.623.017
Роль фитотехнологий в улучшении среды обитания человека
С. С. Тимофеева, С. С. Тимофеев, Е. А. Мишенькина
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, Иркутск E-mail: timofeeva&.istu. edu
Аннотация. Рассмотрена роль фитотехнологий в обезвреживании цианидсодержащих сточных вод, очистке воздуха производственных помещений, в управлении техносферной безопасностью. Показана принципиальная возможность комнатных растений утилизировать цианиды из воздуха рабочей зоны. Рекомендованы фитокомпозиции комнатных растений для улучшения внутренней среды производственных помещений.
Ключевые слова: фитотехнологии, водные растения, водоросли, сточные воды, цианиды, внутренняя среда помещений, комнатные растения, техносферная безопасность.
В результате развития производства и прочих областей активной деятельности человека возникла искусственная среда обитания человека, техносфера - район биосферы, преобразованный людьми в целях наилучшего удовлетворения своих потребностей. Сегодня около 70 % населения Земли проживает именно в техносфере. Создавая её, человек стремится к повышению комфортности среды своего обитания. Результат этих усилий налицо: рост численности населения, продолжительности жизни и т. д. Однако качество техносферы сегодня не соответствует требованиям безопасности ни по отношению к человеку, ни по отношению к природе: преобразованная среда в свою очередь стала вредить своему преобразователю Производственная среда является постоянным источником несчастных случаев, аварий и катастроф, постоянно растёт химическая нагрузка на объекты биосферы. В закрытых помещениях, прежде всего производственных, формируется внутренняя среда, в которой применение всевозможных технологий безопасности всё же не обеспечивает необходимую степень защиты. Создаваемые человеком в помещениях искусственные экосистемы в большинстве случаев не отвечают комфортным условиям жизнедеятельности. В условиях возрастающих проблем необходимо изыскивать новые методы управления техносферной безопасностью.
В последнее время в практике внедрения экобиозащитных технологий, обеспечивающих сохранение окружающей среды, все чаще стали применяться фитотехнологии - защитно-восстановительные мероприятия для окружающей среды с использованием растительности
Так, для охраны жилых массивов от пылегазо-вых выбросов используется высаживание дре-весно-кустарниковых насаждений вдоль автомагистралей и железных дорог и создание са-нитарно-защитной зоны. Эти посадки локализуют и очищают отработанные транспортные выбросы, в них используются растения, обладающие высокой поглотительной способностью по отношению к пыли и токсичным газам. Фитотехнологии применяют для рекультивации земельных участков, нарушенных вследствие естественного или техногенного повреждения. Высев определённых видов трав и посадка кустарников защищает почвы от водной и ветровой эрозии. В водоохранных зонах создают фитофильтрационные полосы, препятствующие поступлению в водоёмы загрязнений с поверхностным стоком, несущих в реки продукты эрозии почв, остатки ядохимикатов и минеральных удобрений. На протяжении последних 50 лет в мире при глубокой или дополнительной очистке (доочистке) сточных вод используется фитотехнология с применением высшей водной растительности. Автором настоящей статьи в течение более 30 лет разрабатывались и внедрялись на предприятиях разных отраслей промышленности фитотехнологии очистки сточных вод [3; 5-9]. Они отработаны не только для регионов с умеренными температурами, но и для условий Восточной Сибири и северных районов.
Мощный очистительный резерв растений можно использовать и при оздоровлении вредных условий труда для повышения физической и умственной работоспособности. В 1980-е гг. в науке появилось направление фитоэргономи-
ка, входящее составной частью в молодую науку эргономику. Термин «фитоэргономика» был введён в связи с выделением особого объекта исследования - системы «человек - машина- окружающая среда». В последние годы появляется все больше публикаций по разработке средоулучшающих фитотехнологий, основанных на следующих свойствах растений:
- обогащение среды кислородом и поглощение углекислого газа;
- выделение фитонцидов, уничтожающих или подавляющих развитие бактериальных, грибных, вирусных инфекций;
- обладание инсектицидным, аккарицид-ным, нематодоцидным, моллюскоцидным и другим действием;
- наличие противоэрозийных, мелиоративных и защитных свойств;
- способность к шумопоглощению и снижению радиационного фона;
- устойчивость к низкой освещённости и относительной влажности, кислотности и засолению почв, загазованности и запылённости;
- способность улучшать окружающую среду путём поглощения и детоксикации вредных газов, пыли, дыма;
- биоиндикация загрязнений окружающей среды и характеристик почв, поиск определённых химических веществ.
- способность оказывать эстетико-психологическое воздействие [1].
По приблизительным подсчётам, растения Земли, как зелёные экраны, ежегодно усваивают 6-1017 ккал энергии солнечной радиации, поглощая до 300-600 млрд т углекислого газа и 2 млрд т азота, выделяют в атмосферу примерно 150-300 млрд т свободного кислорода и синтезируют 150-450 млрд т органического вещества. Подсчитано, что 1 га хвойного леса может производить годовую норму потребления кислорода для трёх человек, а 1 га кукурузы - значительно больше [1].
Авторы настоящей работы многие годы изучали роль водных растений в процессах детоксикации компонентов сточных вод. Серией экспериментов [3-6; 9] показано, что водоросли и водные растения устойчивы к цианидам. Концентрация цианида натрия 100 мг/л не оказывает существенного влияния на ростовые реакции элодеи канадской и сценедесмуса квадрикауда. Напротив, при действии цианида в концентрациях 1-50 мг/л наблюдается интенсивный рост растений и увеличение содержания белка. Ингибиторный эффект зависит от уровня рН: при рН 8-10 он выражен значи-
тельно слабее, чем при рН 6, что, вероятно, является следствием деструкции цианидов в кислой среде и наличием цианидутилизирующей способности у микроводорослей и высших водных растений.
Результаты биохимического анализа показали, что в течение всего эксперимента содержание белка в растениях остаётся постоянным или увеличивается при высоких концентрациях цианидов (10-100 мг/л). Активность оксидоре-дуктаз в растениях при их экспозиции на растворах цианидов в концентрации 10 мг/л (фи-томасса растений 5 г/л) изменяется незначительно, разница статистически недостоверна. Хотя известно, что цианиды являются ингибиторами металлсодержащих ферментов, наблюдаемый феномен можно объяснить наличием в растениях систем детоксикации цианидов. Резюмируя токсикометрические экспериментальные данные, можно заключить, что водоросли и водные растения обладают высокой токсико-резистентностью к цианидам. Их накопления не происходит, растения содержат ферменты, способные использовать цианиды как сырьё в биохимических превращениях.
Доказано, что водные растения с высокими скоростями разрушают цианиды и роданиды, процесс биодеструкции осуществляется ферментативным путём при катализе специфической ферментной системой (3-цианоаланинсинтаза -(3-цианоаланингидратаза. Продуктами ферментативной деструкции являются нетоксичные вещества- аминокислоты: аспарагин, цистеин и тиоэфиры. Процесс обезвреживания токсичных цианидов, роданидов, меркаптанов и сульфидов является истинным, так как происходит полная их нейтрализация, сопровождающаяся образованием веществ, используемых в биосинтезе белка. Фитотехнологическая очистка сточных вод рекомендована и внедрена на золотоизвлекательных фабриках.
В настоящее время нами выполнены предварительные экспериментальные исследования по использованию фитотехнологий для очистки воздуха рабочей зоны золотоизвлекательных фабрик от цианидов путём использования комнатных растений. Ранее специалисты Агентства по аэронавтике и космическим исследованиям (NASA) США экспериментально установили, что некоторые растения обладают высокоэффективными избирательными свойствами очищать воздух закрытых помещений от формальдегида, бензола и др. Например, при выращивании в изолированном помещении хлорофитума, драцены содержание формальде-
гида за 24 ч снижается на 80-90 %. Исследованиями Н. В. Цыбули и соавторов [2] доказано, что поглощение формальдегида хлорофитумом достигает 52 мкг/м3.
Наши исследования по изучению роли комнатных растений в детоксикации цианидов проводились как непосредственно в закрытых производственных помещениях (лаборатории ОАО «Иркутский научно-исследовательский институт благородных и редких металлов и алмазов» (Иргиредмет)), так и в модельных аэрофитомодулях - закрытых камерах, в которые помещали растения и вводили цианид.
Основываясь на ранее выявленных механизмах детоксикации цианидов высшими
водными растениями путём истинной детоксикации при катализе специфической ферментной системой (3-цианоаланинсинтаза - (3-цианоаланингидратаза, нами применительно к комнатным растениям отработана методика определения (3-цианоаланинсинтазы и определён уровень ферментативной активности у комнатных растений, непосредственно произрастающих в лаборатории, в воздухе которой присутствует цианид (табл. 1). В качестве контроля служили растения тех же видов, произрастающие в помещениях без поступления цианидов.
Таблица 1
Уровень активности Р-цианоаланинсинтазы Р-цианоаланингидратазы в комнатных растениях, произрастающих в лабораториях с поступлением в воздух цианидов и в отсутствии цианидов
Комнатное растение Активность P -цианоаланинсинтазы нМоль мин"1 мг"1 белка по цианиду Активность Р -цианоаланингидратазы нМоль аспарагина мин"1 мг"1 белка
Драцена Dracaena deremenais 1,0/0, 65 1,19/0,04
Филодендрон Philodendron domesticum 2,8/0,93 1,87/0,06
Спатифиллум Spathiphylum Маипа Loa 1,2/0,4 0,67/0,9
Хлорофитум Chlorophytum capense 4,5/1,2 1,57/0,78
Мох Sparganium gramineum Georgi 1,0/0,4 0,88/0,08
На основе анализа литературных данных и результатов собственных исследований нам удалось сформировать список семейств и родов растений, наиболее часто рекомендуемых для очистки воздуха производственных помещений: Акантовые Acanthaceae (Acanthus, Aphelandra, Justicia, Ruellia, Sanchezia); Агавовые Agavaceae (Agave, Yucca); Луковые Alliaceae (Agapanthus); Ароидные Araceae (Aglaonema, Anthurium, Dieffenbachia, Epipremnum, Philodendron, Spathiphyllum, Syngonium); Араукариевые Araucariaceae (Agatis, Araucaria); Асфоделовые
Asphodelaceae (Aloe, Asphodelus, Chlorophytum, Gasteria, Haworthia); Жимолостные Caprifoliaceae (Abelia, Kolkwitzia, Lonicera); Го-ловчатотиссовые Cephalotaxaceae
(Cephalotaxus); Ландышевые Convallariaceae (Liriope, Ophiopogon); Кипарисовые Cupressaceae (Actinostrobus, Biota, Calocedrus, Chamaecyparis, Cupressus, Deselma, Juniperus, Microbiota, Platycladus, Thuja, Widdringtonia); Драценовые Dracenaceae (Dracena, Sansevieria); Гераниевые Geraniaceae (Geranium, Pelargonium); Яснотковые Lamiaceae (Hyssopus, Lavandula, Origanum, Plectranthus, Rosmarinus,
Salvia, Teucrium, Thymus)', Лавровые Lauraceae (Appolonias, Cinnamomum, Cryptocarya, Laurus, Lindera, Persea, Sassafras); Миртовые Myrtaceae (Acca, Eucalyptus, Myrtus, Pimenta, Psidium, Rhodomyrthus); Сосновые Pinaceae (Keteleeria, Pseudotsuga, Tsuga); Питтоспоро-вые Pittosporaceae (Bursaria, Pittosporum, Solly а)-, Подокарповые Podocarpaceae (Ac тору le, Afrocarpus, Dacrydium, D aery carpus, Nageia, Phyllocladus, Podocarpus); Рутовые Rutaceae (Citrus, Fortunella, Microcitrus, Murray a, Pilocarpus, Poncirus, Zanthoxylum); Тиссовые Taxaceae (Amentotaxus, Torreya); Таксодиевые Taxodiaceae (Athrotaxis, Cryptomeria, Cunninghamia, Glyptrostrobus, Metasequoia, Sequoia, Sciadopitys); Вербеновые Verbenaceae (Duranta, Lantana, Phryma, Verbena, Vitex); Калиновые Viburnaceae (Viburnum); Виноградовые Vitaceae (Ampelocissus, Ampélopsis, Cissus,
Parthenocissus, Tetrastigma, Vitis) и др.
Фитозоны в производственных помещениях можно устраивать в виде зимних садов, инте-рьерных фитокомпозиций, аранжировок и букетов в зависимости от площади и назначения помещений.
Серия «Биология. Экология». 2013. Т. 6, № 3(1)
Таким образом, инновационная фитотехно-логия обеспечения техносферной безопасности - метод экологического фитодизайна, опробованный нами в помещениях кафедр и лабораторий ОАО «Иргиредмет», принципиально отличается от действия современных технических средств очистки воздуха в помещениях экологической безопасностью и пригодностью в условиях любого интерьера. По воздействию на патогенный стафилококк, наиболее распространённый в закрытых пространствах, летучие выделения некоторых видов растений оказались эффективнее, чем технические устройства и дезинфицирующие средства. Растения проявляют оздоравливаю-щие свойства непрерывно и в течение многих лет, при этом не требуется больших затрат на поддержание их функционирования.
Технология может быть переориентирована на использование в любых типах помещений -в офисах фирм, служебных, общественных и производственных помещениях, где имеется оргтехника, присутствуют источники техногенного загрязнения воздушной среды, в помещениях с постоянным или меняющимся контингентом сотрудников или посетителей.
Публикация статьи осуществлена при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта № 13-04-06068- г.
Литература
1. Жученко А. А. Средоулучшающие фитотех-нологии в северных мегаполисах/ А. А. Жученко, А. И. Труханов. - М. : Красанд, 2009. - 192 с.
2. Научные и практические аспекты фитодизайна/ Н. В. Цыбуля [и др.] - Новосибирск : Новосиб. кн. изд-во, 2004. - 149 с.
3. Тимофеева С. С. Влияние компонентов золо-тоизвлекательных фабрик на растительные тест-объекты/ С. С. Тимофеева// Обобщённые показатели качества воды. Практ. вопр. биотестирования и биоиндикации. - Черноголовка, 1983. - С. 159-161.
4. Тимофеева С. С. Бета-цианоаланинсинтаза в высших водных растениях и водорослях (оз. Байкал и р. Ангары) / С. С. Тимофеева, В. 3. Краева// Эко-лого-физиологические основы повышения продуктивности фитоценозов : операт. информ. материалы. - 1983. - С. 34-36.
5. Тимофеева С. С. Роль водорослей и высших водных растений в обезвреживании цианидсодер-жащих сточных вод / С. С. Тимофеева, В. 3. Краева, О. А. Меньшикова // Водн. ресурсы. - 1985. - № 6. -С. 111-116.
6. Тимофеева С. С. Использование макрофитов для интенсификации биологической очистки рода-нидсодержащих сточных вод/ С. С. Тимофеева, O.A. Меньшикова// Водн. ресурсы .- 1985. — № 6. - С. 80-85.
7. Тимофеева С. С. Биотехнологическая очистка сточных вод объектов нефтедобычи / С. С. Тимофеева, С. С. Тимофеев // Безопасность в техносфере. -
2010,-№4.-С. 12-16.
8. Тимофеева С. С. Системы с высшей водной растительностью для очистки сточных вод / С. С. Тимофеева, С. С. Тимофеев // Вода Magazine. -
2011.-№ 10(50).-С. 56-60.
9. Treatment of sewage containing aromatic amines with participation of macrophytes / S. S. Timofeeva [et al.]// Acta hydrochim. hydrobiol. - 1987,- Part 1: Bd. 15, Hf. 6. - S. 611-622; 1988. - Part 2:- Bd. 16, Hf. l.-S. 73-80.
Role of phytotechnologies in improving of human environment
S. S. Timofeeva, S. S. Timofeev, E. A. Misherfkina
National Research Irkutsk State Technical University, Irkutsk
Abstract. We examined the role of phytotechnologies in disposal of cyanide-containing wastewater, air cleaning of industrial premises, and in management of technosphere safety. A principal possibility of indoor plants recycling cyanides from the air in the working area is shown. The phyto-composition of indoor plants to improve the internal environment of the production facilities is recommended.
Keywords: phytotechnology, aquatic plants, algae, waste water, cyanide, indoor environment, indoor plants, technosphere safety.
Тимофеева Светлана Семеновна
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой
Национальный исследовательский Иркутский
государственный технический университет
664047, Иркутск, ул. Лермонтова, 83
тел.: (3952) 40-51-06
E-mail: timofeeva@istu.edu
Timofeyeva Svetlana Semenovna
Dr. Sci. in Technics, Professor
National Research State Irkutsk Technical University
83 Lermontov st., Irkutsk, 664047
tel.: (3952) 40-51-06
E-mail: timofeeva@istu.edu
Тимофеев Семён Сергеевич старший преподаватель
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет 664047, Иркутск, ул. Лермонтова, 83 тел.: (3952) 40-51-06 E-mail: samtim@mail.ru
Мишенькина Екатерина Андреевна магистрант
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83 тел.: (3952) 40-51-06 E-mail: timofeeva@istu.edu
Timofeev Semen Sergeevich Senior Lecturer
National Research State Irkutsk Technical University 83 Lermontov st., Irkutsk, 664074 tel.: (3952) 40-51-06 E-mail: samtim@mail.ru
Mishen 'kina Ekaterina Andreevna Master's Degree Student
National Research State Irkutsk Technical University 83 Lermontov st., Irkutsk, 664074 tel.: (3952) 40-51-06 E-mail: timofeeva@istu.edu
Серия «Биология. Экология». 2013. T. 6, № 3(1)
