CC BY
136
ЭКОЛОГИЯ
УДК 581.526,3: (602.4:628.1) (28)
М.Л. Русских, О.А. Арефьева, Л.Н. Ольшанская
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КВЧ - ДИАПАЗОНА НА РАСТЕНИЯ LEMNA M. И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Исследовалось воздействие ионов некоторых тяжелых металлов на растения ряска малая под влиянием электромагнитного излучения квазивысоких частот. Установлено, что электромагнитное излучение повышает выживаемость растений в среде с тяжелыми металлами, стимулирует их рост и способность клеток поглощать токсиканты. При этом выявлено, что на выживаемость растений и поглотительную способность растительной мембраны влияют параметры излучения. Наибольший эффект обнаружен при воздействии излучения на частотах 60 и 145 ГГц с плотностью потока энергии 120 мкВт/см2. Обнаруженный эффект может быть использован для усиления процессов очистки воды.
Тяжелые металлы, электромагнитное излучение, сточные воды, проводимость клеточной мембраны
M.L. Russkikh, O.A. Arefyeva, L.N. ОкИашкауа
INFLUENCE OF ELECTROMAGNETIC RADIATION ENF ON PLANTS LEMNA M.
AND THEIR USAGE FOR CLEANING SEWAGES
The influence of heavy metals on the plants Lemna under the influence of electromagnetic radiation ENF was studied. It was traced that electromagnetic radiation improves survival of plants in the environment with heavy metals, stimulates their growth and ability of cells to absorb toxicants. Radiation parameters influence the absorption capacity of the plant membrane. The maximum effect is found under radiation with frequencies at 60 and 145 GHz, and the energy flux densities at 120 pW/cm2, respectively. The observed absorption effect can be used to strengthen the processes of water purification.
Heavy metals, electromagnetic radiation, waste water, the conductivity of the cell membrane
Методы очистки сточных вод от тяжелых металлов, используемые на канализационных очистных сооружениях большинства регионов, не обеспечивают необходимой глубины процессов и являются затратной статьей расходов. Поэтому необходима доочистка стоков. Наиболее эффективными, рациональными и экологичными могут стать способы, основанные на сочетании применения энергии электромагнитных излучений и способности водной растительности аккумулировать токсиканты.
Среди районированных в Саратовской области высших водных растений, неприхотливых и обладающих фитосорбцией, выделяют растения ряски малой. Известно [1, 2], что при воздействии электромагнитным излучением квазивысоких частот на растительные клетки достигается увеличение ионного тока через катионрегулирующие мембранные системы (К+, Са+2, Na+). Повышение ионного тока через растительные мембраны под воздействием ЭМИ связывают с резонансным действием на слабые водородные связи дипольных молекул воды, с усилением конвекции растворов и ускорением транспорта протонов [3, 4, 5]. Кроме того, исследования последних лет указывают на увеличение средней продолжительности жизни организмов и выживаемость под воздействием электромагнитного поля [6].
Целью работы явилось изучение влияния электромагнитного излучения КВЧ-диапазона на процессы сорбции ионов тяжелых металлов растениями ряски с целью разработки технологий, усиливающих очистку сточных вод от токсикантов.
Была проведена оценка воздействия электромагнитного излучения КВЧ-диапазона низкой интенсивности на динамику численности растений ряска малая. Тест-объекты подвергали в течение 30 мин воздействию резонансных частот (60 Гц и 145 ГГц). Облучение проводили с помощью генератора Г4-142 и высокочастотной установки, источником излучения в которой являлась лампа обратной волны ЛОВ-87 «А» (диапазон частот 53-75 ГГц и 150— 170 ГГц). Плотность потока энергии в месте расположения растений составляла 120 мкВт/см2. Использовалось несколько вариантов облучения: 1) ряска облучалась в водном растворе; 2) облучение ряски без водного окружения с последующим высаживанием растений в водный раствор в чашки Петри. Длительность эксперимента составила 8 дней. Подсчет количества листецов проводился на 2-е сутки и далее через сутки. В каждой чашке подсчитывалось общее количество листецов.
Исследования показали, что ЭМИ оказало стимулирующее действие на скорость роста и размножение ряски (рис. 1). Наибольший эффект наблюдался при облучении тест-объктов на частоте 60 ГГц в двух опытных комбинациях. При воздействии частоты 145 ГГц стимулирование роста наблюдали при облучении ряски, находящейся в водном растворе.
Для оценки сочетанного воздействия резонансных частот и ионов тяжелых металлов на ростовые характеристики соли (сульфат меди, сульфат цинка, нитрат кадмия) добавлялись в питательную среду для тест-объектов до конечной концентрации 1 мг/мл. Были выбраны следующие условия эксперимента: 1) раствор тяжелых металлов с тест-объектами без воздействия ЭМИ КВЧ (Контроль); 2) одновременное воздействие ЭМИ КВЧ и растворов тяжелых металлов на тест-объекты; 3) предварительно облученные ЭМИ КВЧ тест-объекты с последующим высаживанием их в раствор с солями металлов.
В ходе исследований выяснилось, что облученные группы живут несколько дольше контрольных (рис. 2). Полученные результаты позволили перейти к следующему этапу работы. Были проведены исследования воздействия электромагнитного излучения КВЧ-диапазона на процессы извлечения ионов тяжелых металлов из сточных вод растениями ряска.
Было установлено, что тест-реакция зависит от частоты, интенсивности и продолжительности облучения. Так как максимальный отклик зарегистрирован при 60 ГГц [2], все последующие эксперименты проводили при данной частоте излучения.
Рассматривая изменение концентрации ионов некоторых тяжелых металлов в пробах, нами выявлена зависимость изменения их концентрации в растворе от времени облучения и времени пребывания ряски в растворах сточных вод.
Установлено, что без предварительного облучения ионы кадмия в течение первого часа извлекались из растворов с наиболее высокой скоростью. Остаточная концентрация ионов тяжелых металлов в 342
Численно СТЪЛИСТеЦОЕ 20'
Дни
этом случае оказалась самой низкой - 0,164 мг/л. Эти результаты сравнимы с данными, полученными после воздействия электромагнитного излучения в течение 30 мин (рис. 3). При облучении ряски ЭМИ частотой 60 ГГц и длительности воздействия 5 и 10 мин наблюдается резкое уменьшение концентрации остаточных ионов Сё2+ в растворе. Из данных рис. 3 также следует, что концентрация ионов кадмия начала быстро уменьшаться уже через 5 часов после облучения и через сутки кадмий в растворе практически не обнаруживался. Таким образом, можно предположить, что в случае экотоксиканта кадмия электромагнитное излучение оказывает щадящее воздействие на ряску. Концентрация токсичных ионов Сё2+ в фитомассе растений не столь высока, как в контрольной пробе. Вместе с тем известно, что кадмий не участвует в биохимических процессах, протекающих в клетке растений, накапливается в межклеточном пространстве или вакуолях и поэтому не оказывает токсического воздействия на ряску.
Результаты анализа остаточных концентраций ионов цинка в растворах (рис. 4.) показали, что в отличие от кадмия наибольшее извлечение ионов цинка происходило в пробах с облученной ряской, по сравнению с контролем, что свидетельствует о повышении поглотительной способности ряски по отношению к цинку при воздействии электромагнитного излучения.
Из данных, представленных на рис. 4, видно, что ионы цинка быстрее и лучше всего утилизировались после облучения в течение 30 мин.
Так же как и для Сё2+ по истечении 24 часов изменение остаточной концентрации металла в растворе практически не наблюдалось, и она в зависимости от длительности облучения составляла 0,01 +0,002 мг/л (10 и 30 мин соответственно) и 0,1 + 0,05 мг/л при длительности облучения 5 и 15 минут.
Ионы железа лучше всего аккумулировались растительной клеткой, не подвергшейся облучению.
В пробах, в которых ряска облучалась, наблюдалось уменьшение скорости извлечения ионов железа.
Можно предположить, что на ионы железа, обладающие достаточно высокими электромагнитными свойствами в сравнении с вышеперечисленными металлами, излучение не оказывает существенного влияния. На 7 сутки эксперимента для ряски, подвергшейся облучению в течение 15 мин произошел обратный выброс ионов железа из фитомассы обратно в раствор. Это может свидетельствовать о величине предельного накопления ряски металлом и одновременно о положительном воздействии излучения на растение в процессе фиторемедиации Бе2+.
Анализ данных (рис. 5) по извлечению ионов меди из стоков в начальный период времени (до 60 мин) показал, что Си 2+ лучше всего извлекались из пробы с необлученной ряской. После выдержки ряски в растворе в течение часа и более в пробах с облучением длительностью 5, 15 и 30 минут наблюдается лучшее извлечение ионов меди, чем в пробе без облучения.
Таким образом, наши результаты подтверждают данные об активации Са2+ -активируемых К+ - каналов растительных клеток после однократного облучения ЭМИ КВЧ-диапазона. Наилучший результат очистки сточной воды от всех исследуемых токсикантов наблюдался на седьмые сутки при облучении растений в воде в течение 30 мин (таблица) при 60 Ггц, что согласуется с результатами других авторов. По эффективности извлечения ионов тяжелых металлов ряской прослеживается следующая зависимость: Сё > Си > 2л > Бе. Эти данные не противоречат авторам [7].
Изменение эффективности (Э) очистки раствора в зависимости от длительности облучения (т, мин) и времени пребывания ряски (1,час) в сульфатных растворах тяжелых металлов
(Сисх=1 мг/л)
Ме т, мин Э, % Э, % Э, % Э, % Э, % Э, %
^ ч 1 5 24 72 120 168
Сс1 к 83,6 94,8 97,1 98,0 98,8 99,0
30 81,8 92,0 99,2 99,5 99,7 99,9
7п к 43,4 51,8 84,0 86,3 89,4 91,7
30 34,7 88,4 90,1 98,2 98,5 99,1
Ре к 26,4 30,5 35,6 47,2 63,0 84,7
30 8,4 50,9 52,8 49,9 46,9 40,3
Си к 8,5 45,7 62,6 80,5 91,4 97,7
30 10,3 27,3 49,9 51,3 75,5 90,6
На основании полученных данных может быть предложена схема опытно-лабораторной установки биологического реактора для очистки и доочистки сточной воды, который представляет собой железобетонный биопруд, выполненный с водоподводящей и отводящей трубами, куда на очистку поступает сточная вода. Биопруд населяют растениями ряски. Направленный генератор электромагнитных волн облучает растение, находящееся в растворе. В этом случае происходят ускорение и усиление процесса поглощения токсикантов растениями. Отработанная ряска собирается механически и может быть использована в качестве удобрения в сельском хозяйстве, для производства бумаги, корм скоту (при дозировании).
Выводы
1. Установлено, что наибольшее воздействие излучения на растительные клетки происходит на частотах 60 и 145 ГГц при плотности потока энергии 120 мкВт/см2 .
2. По эффективности извлечения независимо от длительности облучения и времени выдержки ряски в растворах ионы тяжелых металлов располагаются в ряд: Cd > Cu > Zn > Fe.
3. Установлено, что ЭМИ оказывает различное воздействие на поглотительную способность растительной клетки по извлечению Cd2+, Fe2+, Cu2+ и Zn2+. При этом скорость проникновения Cd2+ через мембрану уменьшается, а скорость проникновения Cu2+ увеличивается.
4. Показано, что длительность облучения ряски оказала влияние на извлечение ионов Zn2+. Наилучший эффект достигался при в2р+емени облучения 30 минут.
5. В случае аккумуляции Fe2+ наибольшая скорость достигалась в первые часы нахождения растений в растворе, при времени облучения ряски 30 мин. При воздействии ЭМИ в течение 15 мин растение проявило слабоаккумулирущие свойства и уже на 7 сутки эксперимента наблюдался обратный выброс ионов в раствор.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зотова Е.А. Влияние комбинированного воздействия электромагнитного излучения и химических реагентов на биологические системы: автореферат дис.... канд. хим. наук / Е.А. Зотова. Саратов: СГУ, 2007. С. 10-45.
2. Кулешова М.Л. Оценка влияния электромагнитного излучения КВЧ-диапазона на аккумуляцию меди ряской Lemna m. / М.Л. Кулешова, О.А. Арефьева, Л.Н. Ольшанская // Татищевские чтения: Актуальные проблемы науки и практики: материалы 7 Междунар. научно-практ. конф., г.Тольятти, 15-18 апр. 2010 г. Тольятти: Волжский ун-т им. В.Н. Татищева, 2010. С. 8-11.
3. Fesenko E.E. Changes in the state of water, induced by radiofrequency electromagnetic fields / E.E. Fesenko, V.I. Geletyuk, V.N. Kazachenko, N.K. Chemeris // FEBS Letters. 1995. №1. С. 49-52.
4. Кожокару А.Ф. Исследование действия низкоинтенсивного ЭМИ радиочастотного диапазона на водные среды и биологические объекты / А.Ф. Кожокару // Современные наукоемкие технологии, 2010. №10. С. 13-18.
5. Бецкий О.В. Миллиметровые волны и живые системы / О.В. Бецкий. М.: Сайнс-пресс, 2004. 272 с.
6. Чемерис Н.К. Некоторые физико-химические механизмы действия электромагнитного излучения КВЧ на клетки животных / Н.К. Чемерис, А.Б. Гапеев, Е.Е. Фесенко // Электромагнитные поля и здоровье человека. 1999. №1. С. 45-46.
7. Samkaram U.K. Heavy metal uptake and accumulation by Thypha angustifolia from weltlands around thermal poweer station / U.K. Samkaram, S. Philip // Int. J. Ecol. and Environ. Sci. 1990. № 16. Р. 133-144.
Ольшанская Любовь Николаевна - Liubov N. Olshanskaya -
профессор, доктор химических наук, заведующая Dr. Sc., Professor
кафедрой «Экология и охрана окружающей среды» Head: Department of Ecology
Энгельсского технологического института (филиала) and Environmental Protection
Саратовского государственного технического Engels Institute of Technology - Branch
университета имени Гагарина Ю. А. of Gagarin Saratov State Technical University
Арефьева Оксана Анатольевна - Oksana A. Arefyeva -
кандидат биологических наук, доцент кафедры PhD, Associate Professor
«Экология и охрана окружающей среды» Department of Ecology and Environmental Protection
Энгельсского технологического института (филиала) Engels Institute of Technology - Branch
Саратовского государственного технического of Gagarin Saratov State Technical University
университета имени Гагарина Ю.А.
Русских Марина Леонидовна - Marina L. Russkikh -
аспирант, лаборант кафедры «Экология и охрана Postgraduate, Laboratory Assistant
окружающей среды» Энгельсского Department of Ecology and Environmental Protection
технологического института (филиала) Саратовского Engels Institute of Technology - Branch
государственного технического of Gagarin Saratov State Technical University
университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 01.11.11, принята к опубликованию 01.12.11
