CC BY
60ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
Т 56 (4) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2013
УДК 504.53.06. 001.8 Л.Н. Ольшанская, А.С. Халиева, О.В. Титоренко, Н.А. Ефремова
ВЛИЯНИЕ МЕДИ И СВИНЦА НА РАЗВИТИЕ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ И ФИТОРЕМЕДИАЦИЮ ПОЧВЫ
(Энгельсский технологический институт (филиал) Саратовского государственного технического университета им. Ю.А. Гагарина)
e-mail: [email protected]
Изучены процессы очистки почв от ионов тяжелых металлов (ИТМ) методом фиторемедиации. Рассчитанные величины эффективности очистки почв и адсорбционной емкости растений показали зависимость этих параметров от концентрации ИТМ в почве. Адсорбционная емкость растений по ионам меди оказалась ниже, чем для более токсичных ионов свинца. Установлен следующий ряд сорбируемости ИТМ растениями: салат> горчица >фасоль >тыква.
Ключевые слова: фиторемедиация, почва, тяжелые металлы, высшие растения, эффективность очистки, адсорбция
ВВЕДЕНИЕ
Для обезвреживания ядовитых веществ, попадающих в окружающую среду с отходами химических предприятий, уже давно и довольно успешно используют различные микроорганизмы. Однако они не способны удалять из почвы и воды вредные для здоровья тяжелые металлы - например, мышьяк, кадмий, медь, ртуть, селен, свинец, а также радиоактивные изотопы стронция, цезия, урана и другие радионуклиды [1]. Вместе с тем, зеленые растения эффективно извлекают из окружающей среды и концентрируют в своих тканях различные элементы. Растительную массу не составляет особого труда собрать и сжечь, а образовавшийся пепел или захоронить, или использовать как вторичное сырье. Этот метод очистки окружающей среды был назван фиторемедиацией от греческого «фитон» (растение) и латинского «ремедиум» (восстанавливать) [2]. Фиторемедиация стала эффективным и экономически выгодным методом очистки окружающей среды только после того, как обнаружили растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов, способные накапливать в своих листьях до 5% никеля, цинка или меди в пересчете на сухой вес - то есть в десятки раз больше, чем обычные растения. Биологическое значение этого феномена еще до конца не раскрыто: можно, например, предположить, что высокое содержание
токсичных элементов защищает растения от вредителей и делает их более устойчивыми к болезням. Использовать гипераккумуляторы для очистки почвы и воды предложили еще в начале 80-х годов [3]. Однако до практики было еще далеко -во-первых, потому, что биомасса этих растений была невелика, а во-вторых, потому, что не была разработана технология их выращивания.
Известно, что химический состав растений отражает элементный состав почв. Избыточное накопление тяжелых металлов (ТМ) растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. Растения контактируют только с доступными формами ТМ, количество которых тесно связано с буферностью почв. Способность почв связывать и инактивировать ТМ имеет свои пределы, и когда они уже не справляются с поступающим потоком металлов, важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению [4].
Очистка почв с помощью растений (фито-ремидиация, фитомелиорация), запатентована в США. Выявлено, что растения способны адсорбировать металлы в корневой системе и затем переводить их в стебельную часть, извлекая загрязнители из почвы [5]. Растения, идеально подходящие для целей фиторемедиации, должны обладать сле-
дующими свойствами: способностью аккумулировать металлы преимущественно в надземных органах; иметь устойчивость к накапливаемому металлу; обладать быстрыми темпами роста, большой биомассой и др. [5-8].
Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ проявляются по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступление путем использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество ТМ, следующий - стебли и листья, и, наконец, последний - органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции (чаще всего семена и плоды, а также корне-, клубнеплоды и др.) [9, 10].
Цель настоящей работы заключалась в изучении влияния природы и концентрации ионов тяжелых металлов (ИТМ: медь, свинец) на рост и развитие растений (горчица, листовой салат, тыква, фасоль), и процессы фиторемедиации ими почвы от ИТМ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Тестовыми культурами (фитосорбенты) служили высшие растения (BP: (горчица - Sinápis, салат - Lactuca sativum, тыква - Cucurbita peto, фасоль обыкновенная - Phaséolus vulgaris),); загрязняющими веществами - растворы сульфатов меди и свинца с разными концентрациями катионов ТМ в почве: 5, 10, 15 и 20 ПДК (для меди ПДК=3 мг/кг, для свинца ПДК=6 мг/кг почвы). Почвы брали из пахотного горизонта - это каштановые и светло-каштановые малогумусные (2 - 3%) почвы, с мощностью гумусового горизонта 36 - 48 см, механический состав- тяжелый и легкий суглинок, глина и супеси; глубина опреснения почвенного профиля 1,5 - 2,5 м, рН водной вытяжки равна 8. Подготовку почв и растений при контроле в них ИТМ проводили в соответствии с [7, 8, 11]. Готовили растворы солей поллютантов необходимой концентрации, тщательно проливали раствором почву. Семена высеивали в ящики по 10 штук на 1 кг почвы на глубину 1-2 см. Повторные поливы производили через 1 -2 дня, по мере подсыхания почвы. В ходе опытов контролировали содержание ИТМ в почве и фитомассе растений. Качественное и количественное содержание тяжелых металлов определяли при помощи роботизированного комплекса «Экспертиза ВА- 2D» с электродом «3 в 1» (рисунок). В основе работы прибора лежит инверсионный вольтамперометри-ческий анализ при электрохимическом накопле-
нии определяемых элементов на поверхности рабочего электрода в виде амальгамы при заданном потенциале поляризации с последующей количественной оценкой величин их анодных токов электрорастворения, имеющих вид пиков на вольтамперограмме. Высота (площадь) пика пропорциональна концентрации катиона металла в растворе электролита. При наличии в исследуемом растворе нескольких электрохимически активных ионов с отличающимися стандартными потенциалами, вольтамперограмма представляет собой совокупность разрешенных пиков, которую можно использовать для качественного и количественного анализа.
Погрешность измерения во всех экспериментах составляла 8-12 % и определялась погрешностью приборов и погрешностью в параллельных опытах.
Рис. Роботизированный комплекс «Экспертиза - ВА- 2D» с электродом «3 в 1»: 1 - автосамплер - 01/3Д; 2 - электрод «3 в 1»
Fig. Robotized complex "Expertiza -BA-2D" with the elec-trode"3 in 1": 1 - autosampler -01/3D; 2 - electrode «3 in 1»
Все методы анализа предъявляют жесткие требования к чистоте используемой посуды и реактивов. Посуду необходимо тщательно промывать высококачественной дистиллированной водой и перед измерением несколько раз приводить в контакт с исследуемым раствором для достижения равновесного состояния. Необходимо помнить, что концентрация разбавленных растворов неустойчива: значительная часть исследуемого вещества может быть адсорбирована стенками ячейки и частицами примесей, что может привести к образованию коллоидов. При электрохимических инверсионных определениях используется метод сравнения, поэтому адсорбционный и другие эффекты, неодинаковые в анализируемом растворе сравнения, могут вызвать значительные погрешности определения.
Так же основным условием успешного анализа является чистота растворителя, в большинстве случаев - воды. Дистилляцию воды проводили в кварцевой аппаратуре с добавлением
гидроксида бария для разрушения примесей органических веществ.
Проведенные исследования по влиянию природы и концентрации ТМ на рост и развитие растений показали, что по истечении 14 суток у фитосорбентов начали проявляться признаки угнетения роста и отмирание листьев. С увеличением концентрации токсикантов эти процессы усиливались, и особенно, при загрязнении почвы свинцом. Практически во всех пробах с загрязненной почвой растения отставали в росте и развитии по сравнению с контролем. В пробах с максимальным содержанием ТМ Cu2+, Pb2+ (20 ПДК) салат практически не рос, и в конце эксперимента (28 дней) он мало отличался от недельной рассады. Это обусловлено тем, что салат сразу реагирует на присутствие ТМ в почве [10]. Фенологические наблюдения показали, что в меньшей степени уровень загрязнения почвы ионами меди оказывает влияние на рост и развитие фасоли и тыквы, в наибольшей - на салат и горчицу. Установлено, что свинец при содержании в почве более 10 ПДК способствует уменьшению биомассы фито-сорбентов в сравнении с медью. Полученный эффект может быть обусловлен тем, что медь, явля-
Таблица
Результаты анализа почв по извлечению ИТМ растениями в течение 30 дней (медь - числитель, свинец -
знаменатель)
Table. Analysis results of soils on extraction HMI by the plants during 30 days (copper is a numerator, lead is a denominator)
ясь биогенным элементом, оказывает благоприятное влияние на растения [12]. Наиболее устойчивой к воздействию тяжелых металлов оказалась фасоль. Это связано с тем, что бобовые обладают важной биологической особенностью - перси-стентностью, то есть способностью противостоять поступлению в наземную часть токсичных веществ, в том числе и ТМ за счет их иммобилизации в корневой системе.
Данные по фиторемедиации ионов меди и свинца из загрязненных почв растениями представлены в таблице. Величины эффективности (Э) очистки почв и адсорбционной емкости (Ai) растений показали, что эти параметры сильно зависят от концентрации ТМ в почве.
Эффективность очистки почвы определяли по разности концентраций ИТМ в почве до (Сн) и после извлечения (Ск): Э = [(Сн - Ск) / Сн]-100 %
Адсорбционную емкость устанавливали по количеству поглощенного металла растениями, после их сушки и мокрого озоления (в расчете на абсолютно сухой вес (асв)). Определение концентрации металлов проводили на роботизированном комплексе.
аач. итм СКон. ИТМ Масса Адсорбционная
Растение до извлечения ПДК после извлечения Э,% растений, емкость Ai 10,
(мг/кг) (мг/кг) траСт, мг мг/кг (асв)
5 (15/30) 10,2 / 9,8 32 / 67 9,8 / 10,2 5,8 / 29,6
Горчица 10 (30/60) 10,5 / 10,1 65/ 83 11,9 / 12,6 30,0 / 59,1
15 (45/90) 10,3 / 10,3 77 / 88 11,3 / 11,1 43,2 / 98,3
20 (60/120) 10,0 / 10,6 83 / 91 12,9 / 12,5 63,1 / 130,6
5 (15/30) 7,5 / 9,1 50 / 69 8,4 / 8,1 22,4 / 39,0
Листовой салат 10 (30/60) 9,9 / 9,9 67 / 83 10,1 / 9,0 42,9 / 83,1
15 (45/90) 9,7 / 10,2 78 / 89 10,7 / 10,2 131,7 / 132,3
20 (60/120) 8,9 / 10,6 85 /91 10,1 / 10,0 152,5 / 204,1
5 (15/30) 10,7 / 9,9 29 / 67 297,3/ 311,2 1,5 / 4,2
Тыква 10 (30/60) 11,0 / 10,3 63 / 82 348,5 / 350,4 5,7 / 9,9
15 (45/90) 11,2 / 10,2 75 / 89 347,8 / 355,0 10,7 / 15,8
20 (60/120) 11,6 / 10,4 81 / 92 419,3 / 424,0 14,6 / 19,9
5 (15/30) 10,5 / 9,7 30 / 67 139,7 / 142,6 1,4 / 21, 2
Фасоль 10 (30/60) 10,0 / 10,4 66 / 83 176,4 / 173,7 12,0 / 43,1
15 (45/90) 10,1 / 10,6 77 / 88 158,1 / 156,6 23,1 / 76,4
20 (60/120) 9,9./ 10,8 84 / 90 166,3 / 165,5 30,3 / 98,3
Установлено, что эффективность очистки почвы от ионов свинца для разных культур изменялась от 65-70 % (5 ПДК) до 90-92 % (20 ПДК), а эффективность очистки при одинаковой концентрации загрязнений отличалась не более чем на 10-15 %, и оказалась наивысшей для салата. С
увеличением концентрации ИТМ свинца в исследуемой почве адсорбционная емкость для горчицы и салата увеличивалась от ~ 30 мг/кг (5 ПДК) до ~ 200 мг/кг (20 ПДК). Следует отметить, что адсорбционная емкость растений по ионам меди оказалась ниже, чем для более токсичных ионов свин-
ца. Это свидетельствует об избирательности фито-мелиорантов: медь, принимает участие в жизненно важных биохимических процессах в клетках растений, поэтому ее концентрация в фитомассе растением «отслеживается и контролируется».
Рассчитанные величины адсорбционной емкости мг/кг асв (абсолютно сухой вес растений) позволили предложить следующий ряд сорбируе-мости для ИТМ: салат> горчица> фасоль>тыква.
Разница сорбционной емкости салата по сравнению с фасолью и тыквой достигает 10 -20 раз.
Таким образом, для очистки почвы от ИТМ рекомендуется использовать листовой салат и горчицу.
ВЫВОДЫ
Изучены процессы очистки почв от катионов меди и кадмия методом фиторемедиации с использованием различных растений биосорбентов.
Рассчитаны эффективность очистки почв от катионов ТМ и величины адсорбционной емкости растений. Показано, что эти параметры зависят от содержания катионов в почве и увеличиваются с увеличением концентрации поллютантов.
Установлено, что адсорбционная емкость растений по ионам меди оказалась ниже, чем для более токсичных ионов свинца. Это свидетельствует о селективных свойствах фитомелиорантов: учитывая, что медь, принимает участие в жизненно важных биохимических процессах в клетках растений, ее концентрация в фитомассе растением «отслеживается и контролируется».
Установлен следующий ряд по скорости сорбции и адсорбционной емкости ИТМ растениями: салат> горчица >фасоль >тыква. Для очистки почвы от ИТМ меди и свинца рекомендуется использовать листовой салат и горчицу.
Для увеличения сорбционной емкости высших растений при извлечении тяжелых металлов из почв можно рекомендовать предварительную обработку семян и (или) растений внешними физическими полями [13].
ЛИТЕРАТУРА
1. Бричкова Г.Г., Картель Н.А. // Вести HAH Беларуси.
2003. № 1. С. 58-63;
Brichkova G.G., Kartel N.A. // Vestnik NAN Belarus. 2003. N 1. P. 58-63 (in Russian).
2. Чупрова В.В. Экологическое почвоведение. Красноярск: КрасГАУ. 2007. 172 с.;
Chuprova V.V. Ecologycal pedology. Krasnoyarsk: Krasnoyarsk State Agricultural University. 2007. 172 p. (in Russian).
3. Душенков В., Раскин И. // Химия и жизнь - 21 век. 1999. Т. 11-12. С. 48-49;
Dushenkov V., Raskin I. // Khimiya i zhuzn - 21 vek. 1999. V. 11-12. P. 48-49 (in Russian).
4. Прасад М.Н. // Физиология растений. 2003. № 5. С. 764785;
Prasad M.N. // Physiologiya rasteniy. 2003. N 5. P. 764-785 (in Russian).
5. Kumpiene J., Lagerkvist A., Maurice С. // Waste Management. 2008. V. 28. P. 277-283.
6. Барсукова B.C. Физико-гигиенические аспекты устойчивости растений к тяжелым металлам. Новосибирск: Институт почвоведения и агрохимии. 1997. 621 с.; Barsukova V.S. Physical and hygienic aspects of tolerance of plants to heavy metals. Novosibirsk: Institute of pedology and agrochemistry. 1997. 621 p. (in Russian).
7. Линдиман А.В, Шведова Л.В., Тукумова Н.В., Невский А.В. // Экология и промышленность России. 2008. Сентябрь. С. 45-47;
Lindiman A.V., Shvedova L.B., Tukumova N.V., Nevsky A.V. // Ecologiya i promyshlennost Rossii. 2008. September. P. 45-47 (in Russian).
8. Шведова Л.В. Чеснокова Т.А., Невский А.В. // Инженерная экология. 2004. № 6. С. 46-53;
Shvedova L.B., Chesnokova T.A., Nevsky A.V. // Engenernaya ekologiya. 2004. N 6. P. 46-53 (in Russian).
9. Евсеева Т., Юранева И., Храмова Е. // Физиология растений. 2003. Т. 133. С. 218-229;
Evseeva T., Yurneva I., Khramova E. // Phyziologiya ras-teniy. 2003. V. 133. P. 218-229 (in Russian).
10. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат. 1987. 67 с.
Alekseev Y.V. Heavy metals in soils and plants. L.: Agro-promizdat. 1987. 67 p. (in Russian).
11. Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей природной среды металлами. М.: Гидрометеоиздат. 1981. 251 с.; Guidelines for conducting field and laboratory studies of soils and plants at the control of environmental pollution by metals. M.: Gidrometeoizdat. 1981. 251 p. (in Russian).
12. Кабата-Пендиас А., Пендиас ХМ. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир. 1989. С. 109-164; Kabata-Pendias A., Pendias H.M. Microelements in soils and plants. M.: Mir. 1989. P. 109-164 (in Russian).
13. Ольшанская Л.Н., Собгайда Н.А., Стоянов А.В., Кулешова М.Л. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 9. С. 87-91;
Оlshanskaya L.N., Sobgayda N.A., Stoyanov AV., Kuleshova M.L. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 9. P. 87-91 (in Russian).
