Перспективы использования свободноплавающих гидрофитов для биоремедиации водных объектов от ионов тяжелых металлов

В условиях активной хозяйственной деятельности человека, загрязнение природных вод антропогенными поллютантами стало актуальной экологической проблемой. Одним из опаснейших и наиболее распространенным химическим загрязнением поверхностных водных объектов является загрязнение тяжелыми металлами.

Наибольший вклад в загрязнение водоемов вносят недостаточно очищенные сточные воды. В связи с тем, что тяжелые металлы обладают высокой биологической активностью, мутагенными и канцерогенными свойствами, они способны нанести серьезный экологический ущерб водным экосистемам, приводя к отравлению и гибели гидробионтов [1]. Поэтому, для снижения негативного влияния на гидросферу, необходима разработка новых и усовершенствование существующих методов очистки стоков от данного рода поллютантов.

Существует три основных группы методов, применяемых для очистки вод: физические, химические и биологические. Последняя группа методов, называемая биоремедиацией, базируется на способности природы к самоочищению, и получила в настоящее время широкое распространение благодаря относительно низкой себестоимости проводимых работ, безопасности для окружающей среды, достаточно высокому уровню очистки (особенно при небольшом объеме вод).

Одним из направлений биоремедиации вод является фиторемедиация – комплекс методов очистки сточных вод с использованием зеленых растений. Данное направление базируется на видоспецифических взаимодействиях растений с окружающей средой, таких как:

1) ризофильтрация – корни всасывают воду и химические элементы, необходимые для жизнедеятельности растений;

2) фитоэкстракция – накопление в организме растения опасных загрязнений (например, тяжёлых металлов);

3) фитосорбция – способность растений поглощать различные вещества из окружающей среды;

4) фитоволатилизация – испарение воды и летучих химических элементов (As, Se) листьями растений;

5) фитотрансформация:

– фитостабилизация– перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму (снижает риск распространения загрязнений);

– фитодеградация – деградация растениями и симбиотическими микроорганизмами органической части загрязнений;

6) фитостимуляция – стимуляция развития симбиотических микроорганизмов, принимающих участие в процессе очистки.

Фиторемедиация сточных вод от ионов тяжелых металлов обладает рядом преимуществ:

– возможность проведения ремедиации in situ;

– относительно низкая себестоимость проводимых работ по сравнению с традиционными очистными сооружениями;

– в отличие от микроорганизмов, растения способны аккумулировать различные токсиканты, в том числе тяжелые металлы, долго сохраняя морфо-функциональные свойства;

– отмершие остатки растений с накопленными поллютантами легко подвергаются утилизации;

– существует теоретическая возможность экстракции ценных веществ  из зеленой массы растений;

– безопасность для окружающей среды [2].

Основным принципом, на основании которого строится гидроботаническая очистка вод (фиторемедиация), является фитосорбция. В настоящее время изучением биоремедиационного потенциала водных растений, основанного на их фитосорбционной способности, занимается ряд ученых из различных стран. Опубликовано множество работ, свидетельствующих о возможности очистки водных объектов от антропогенных поллютантов с помощью различных природных фитосорбентов. Однако, вопрос о выявлении наиболее эффективных ремедиантов среди представителей местной флоры по-прежнему остается открытым.

Перспективными для целей биоремедиации водных объектов от химических загрязнений являются свободноплавающие гидрофиты – водные не укореняющиеся растения, плавающие на поверхности воды.  Связано это с тем, что представители данной экологической группы получают элементы минерального питания преимущественно из водной среды, что свидетельствует о хорошо развитой поглотительной способности у этих растений, а как следствие, и высоком ремедиационном потенциале.

Оценка возможности использования пистии телорезовидной (Pistia stratiotes) для фиторемедиации водной среды дана в работе специалистов из Института экономики, управления и природопользования Сибирского федерального университета.

В статье рассмотрены возможности использования данного гидрофита для очистки водной среды от ионов тяжелых металлов. По выводам авторов, использовать пистию телорезовидную для биоремедиации водной среды целесообразно при концентрации ионов меди от 0,125 мг, ионов цинка от 4 мг, ионов никеля от 5 мг на 1 г веса растения и ниже. В случае с никелем стоит учитывать гендерную специфику действия этого тяжелого металла на растение. В ходе проведения экспериментов было отмечено, что пистия хорошо адаптируется в загрязненной медью и никелем водной среде. Из всего вышесказанного следует, что данный вид является перспективным фитосорбентом тяжелых металлов и может быть использован для биологической очистки сточных вод [3].

В Институте водных проблем Российской академии наук проведен ряд исследований по изучению ремедиационного потенциала сальвинии плавающей (Salvínia nátans), которая представляет собой плавающий папоротник и в обилии встречается в южных областях Европейской части России, в Западной Сибири и на Дальнем Востоке.

Доказано, что данный вид является гиперконцентратором тяжелых металлов. Проведен сравнительный анализ аккумулирующей способности сальвинии с тростником обыкновенным (Phragmites commúnis) и рогозом узколистным (Typha Angustifolia L.). По полученным данным, сальвиния плавающая способна концентрировать количество меди почти в 100 раз большее, чем тростник обыкновенный и рогоз узколистный. Несколько ниже значения для цинка, который сальвиния концентрирует почти в 10 и 2 раза больше, чем тростник и рогоз, соответственно. Учитывая то, что сальвиния является свободноплавающим видом и может быть легко удалена с поверхности воды, ее применение в фитотехнологиях открывает широкие перспективы для искусственных установок и очистки естественных водных объектов [4].

Группой ученых из Томского государственного университета проведена работа посвященная изучению поглощения ионов меди, свинца, кадмия и цинка из водных растворов в модельных условиях водным гиацинтом (Eichhornia crassipes (Mart. ) Solms).

Отмечено, что растения выдерживают превышение предельно допустимых концентраций данных элементов в воде, сохраняют жизнеспособность и успешно размножаются. За десять дней модельного эксперимента концентрация металлов снижается более чем в 5 раз для цинка, в 6 раз для кадмия, в 4 раза для свинца, в 8,5 раза для меди. При этом в вегетативной массе растения значительного накопления данных металлов не отмечено. Полученные результаты доказывают эффективность использования растений водного гиацинта (эйхорнии отличной) для очистки вод от тяжелых металлов [5].

Сотрудниками Омского государственного технического университета проведена работа по оценке возможности использования высших водных растений для доочистки канализационных сточных вод, в рамках которой была изучена аккумуляционная способность таких растений, как валлиснерия спиралевидная (Vallisneria spiralis), пистия телорезовидная (Pistia stratiotes), ряска малая (Lemna minor). Сравнительный анализ полученных данных показал, что наиболее эффективными фитосорбентами являются представители свободноплавающих гидрофитов – ряска и пистия.

При этом интенсивной азотопоглощающей и фосфатопоглащающей способностью обладает ряска, а аккумуляция жиров, алюминия, железа, цинка, меди, СПАВ и нефтепродуктов более эффективно осуществляется пистией [6].

Довольно часто в качестве объектов исследований среди свободноплавающих гидрофитов используются представители рода ряска (Lemna L.), в виду их широкого географического распространения (встречаются на всех континентах, кроме Антарктиды, в умеренных и тропических широтах, но только в пресной воде).

Положительные результаты оценки возможности использования ряски для очистки водных объектов от различного рода загрязнений, в том числе меди, цинка, свинца и кадмия, были получены специалистами из Университета науки и технологии гуру Джембхешво в Индии [7,8].

Сравнительный анализ фитосорбционных способностей ряски малой (Lemna minor L.) и сальвинии (Salvinia auriculata) по отношению к ионам меди был проведен специалистами из Университета Перуджи (Италия), результат которого показал, что ряска обладает более высоким потенциалом очистки вод [9].

Многочисленные исследования, посвященные изучению способности ряски извлекать тяжелые металлы из водной среды, были проведены на базе  Энгельсского технологического института (филиал) Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А.. Так, было изучено извлечение меди, цинка и кадмия из вод фитосорбентом ряской малой (Lemna minor L.).

Анализ полученных данных показал, что несмотря на высокие концентрации тяжелых металлов, ряска способна к их извлечению и накоплению в фитомассе. Скорость и степень удаления металлов не одинаковы и зависят от природы и концентрации извлекаемого металла. Наиболее высокая скорость извлечения меди – в начальный период, далее она уменьшается; скорость извлечения кадмия, напротив, увеличивается с течением времени. В ходе экспериментов установлено, что даже в случае гибели растения удерживают до 30% извлеченных ионов металлов [10].

Специалистами данного учреждения также было изучено влияние полей различной природы на процессы  фиторемедиации водной среды от ионов тяжелых металлов ряской малой (Lemna minor L.) [11].

Было исследовано воздействие ионов некоторых тяжелых металлов на ряску малую под влиянием электромагнитного излучения квазивысоких частот (60 и 145 ГГц). В ходе исследования было установлено увеличение выживаемости растений в среде с тяжелыми металлами, стимулирование их роста и способности клеток к аккумуляции металлов под действием изучаемого фактора. Выявлено, что тест-реакция зависит от частоты, интенсивности и продолжительности облучения. Максимальный отклик был зарегистрирован при частоте 60 ГГц. Электромагнитное излучение КВЧ-диапазона оказывает различное воздействие на поглотительную способность растительной клетки по извлечению Cd²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺ и Zn²⁺. Скорость проникновения Cd²⁺ через мембрану уменьшается, а скорость проникновения Cu²⁺ увеличивается. Показано, что длительность облучения ряски оказала влияние на извлечение ионов Zn²⁺, наилучший эффект достигался при времени облучения 30 минут. В случае аккумуляции Fe²⁺ наибольшая скорость достигалась в первые часы нахождения растений в растворе, при времени облучения ряски 30 мин [12].

Проведено исследование воздействия постоянного параллельного магнитного поля (ПарПМП) напряженностью 4,0, 2,0, 1,0, 0,5 кА/м на эффективность процессов извлечения катионов меди (Cu²⁺) из сточных вод с помощью ряски малой. Полученные результаты позволили установить, что процессы фиторемедиации отличаются от процессов, протекающих без участия магнитного поля. Удаление ионов меди происходит более глубоко и протекает достаточно эффективно в течение первых 5 суток. Наиболее высокая скорость извлечения наблюдается в первые часы пребывания растения в модельных растворах как при воздействии ПарПМП, так и в его отсутствии. С течением времени скорости извлечения ионов ряской выравниваются. При действии ПарПМП 2,0 кА/м ряска сорбирует ионы металлов в большем количестве, чем при воздействии полей напряженностью 1,0; 0,5; 4,0 кА/м или без воздействия магнитного поля [13].

Исследовано влияние ультрафиолетового излучения (длина волны λ = 257 нм) на рост и размножение ряски малой и на процессы извлечения растением меди из сточных вод. Было выявлено, что УФ-излучение, независимо от длительности, оказывает угнетающее воздействие на рост и размножение ряски малой. Установлено, что малые дозы ультрафиолета положительно влияют на последующее извлечение растением катионов меди из стоков.  Длительное воздействие УФ-излучения является для растения стрессовым фактором, оказывая отрицательное влияние на процесс фиторемедиации [14].

В Республике Беларусь детальные исследования фиторемедиационного потенциала свободноплавающих гидрофитов, основанного на их фитосорбционной способности в отношении тяжелых металлов, не проводились. Однако, на базе Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины была проведена работа в смежном направлении, посвященная изучению фитоэкстракции тяжелых металлов прибрежно-водной растительностью в природных водоемах, результаты которой  показали, что для плейстогидрофитов неукореняющихся (свободноплавающих  гидрофитов), характерны высокие коэффициенты накопления различных металлов (железа, меди, цинка и марганца), что свидетельствует о хорошо развитой фитосорбционной способности у данной группы водных растений [15].

Таким образом, результаты перечисленных выше исследований подтверждают, что представители свободноплавающих гидрофитов являются перспективными фиторемедиантами водных объектов от ионов тяжелых металлов и могут быть использованы для биоремедиации загрязненных вод.

Литература

1. Теплая, Г.А. Тяжелые металлы как фактор загрязнения окружающей среды (обзор литературы) / Г.А. Теплая // Астраханский вестник экологического образования. – 2013. – № 1 (23). – С. 182–192.
2. Остроумов, С.А. Биоконтроль загрязнения водной среды: проблемы реабилитации и ремедиации, включая фиторемедиацию и зооремедиацию / С.А. Остроумов // Токсикологический вестник. – 2009. – № 6. – С. 31–38.
3. Оценка возможности использования пистии телорезовидной (Pistia stratiotes) и ряски малой (Lemna minor) для фиторемедиации водной среды / Г.А. Сорокина [и др.] // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. – 2013. – №11. – С.182–186.
4. Казмирук, В.Д. Охрана и очистка вод методами фитотехнологий / В.Д. Казмирук, Т.Н. Казмирук // Научное обеспечение реализации «Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года»: сборник научных трудов Всероссийской научной конференции, Петрозаводск, 6–11 июля 2015 г. / Институт водных проблем РАН, Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН. – 2015. – С. 294–301.
5. Поглощение ряда тяжелых металлов из водных растворов растениями водного гиацинта (Eichhornia crassipes (Mart. ) Solms) / О.М. Минаева [и др.] // Вестник Томского государственного университета. Биология. – 2009. – №4 (8). – С.106–111.
6. Чачина, С.В. Использование высших водных растений: эйхорнии, ряски малой и валлиснерии спиралевидной для доочистки городских сточных вод / С.В. Чачина, Н.В. Мамай // Омский научный вестник. – 2010. – №1 (94). – С.238–242.
7. Chaudhary, E. Use of Duckweed in Wastewater Treatment / E. Chaudhary, Pr. Sharma // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. – 2014. – Vol. 3. – P. 13622–13624.
8. Chaudhary, E. Praveen Sharma Duckweed as Ecofriendly Tool for Phytoremediation / E. Chaudhary, Pr. Sharma // International Journal of Science and Research (IJSR) – 2014. – Vol.3, № 6. – P. 1615–1617.
9. Combination of aquatic species and safeners improves the remediation of copper polluted water / I. Panfili [et al.] // The Science of the Total Environment – 2017. – Vol. 601–602. – P. 1263–1270.
10. Ольшанская, Л.Н. Извлечение металлов из вод фитосорбентом ряской малой (Lemna minor) / Л.Н. Ольшанская, Н.А. Собгайда // Техногенная и природная безопасность: материалы IV Всероссийской научно-практической конференции, Саратов, 20–21 апреля 2017 г. / Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова. – 2017. – С. 77–80.
11. Ольшанская, Л.Н. Влияние полей различной природы на ускорение процессов электрохимической фиторемедиации тяжелых металлов из сточных вод / Л.Н. Ольшанская // Вестник Самарского государственного технического университета. – 2011. – №3 (61). – С.140–147.
12. Арефьева, О.А. Воздействие квазивысоких частот на растения ряска малая (Lemna m.) и их применение в очистке сточных вод / О.А. Арефьева, Л.Н. Ольшанская, М.Л. Русских // Вестник ХНАДУ. – 2011. – № 52. – С.64–68.
13. Изучение влияния магнитного поля на процессы биоэлектрохимического извлечения тяжелых металлов ряской из сточных вод / Л.Н. Ольшанская [и др.] // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. – 2010. – №48. – С.69–72.
14. Ольшанская, Л.Н. Изучение влияния ультрафиолетового излучения на процессы размножения ряски малой (Lemna m.) и извлечение меди из сточных вод / Л. Н. Ольшанская, Н. А. Собгайда, А. В. Стоянов // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. – 2011. – №52. – С.87–90.
15. Дайнеко, Н.М. Накопление тяжелых металлов прибрежно-водной растительностью водоемов вблизи г. Жлобина Гомельской области Республики Беларусь / Н.М. Дайнеко, С.Ф. Тимофеев, С.В. Жадько // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2016. – Т. 327. № 5. – С. 124–132.

Главная картинка взята по ссылке.

---

© Алеся Бардюкова, младший научный сотрудник лаборатории моделирования и минимизации антропогенных рисков