Ecological aspects of heavy metals accumulation in higher aquatic plants in the process of phytoremediation

Full Text

Введение

В настоящее время существует достаточно широкий выбор методов обезвреживания различных загрязнений в водной и воздушной средах, а также в почвах. Фитотехнологии, в частности фиторемедиация, – один из способов обезвреживания. [1]. Эти технологии применяются уже более 50 лет в разных странах. Высшие водные растения хорошо справляются с корректировкой состава природной воды по содержанию биогенных элементов [2], в настоящее время появляется много подтверждающих исследований по возможности использования ВВР для извлечения из природных и сточных вод токсичных компонентов – ионов тяжелых металлов, радионуклеидов и т.п. [3].

Цель и объекты исследования

Авторы работы на базе Самарского государственного технического университета определяют возможность извлечения загрязняющих веществ неорганического происхождения с помощью высших водных растений урути мутовчатой и элодеи канадской в [4] лабораторных условиях.

Материалы, методика и результаты исследований

В результате экспериментов по определению степени извлечения ионов загрязнителей в зависимости от времени обработки фитофагов модельными растворами, количества биомассы [5], а также возможности извлечения поллютантов с помощью микроорганизмов [6], находящихся на поверхности растения, было доказано, что только при совместном использовании высших водных растений и перифитона достигается максимальная эффективность очистки [7]. И следовательно, стала очевидной необходимость определить возможность накопления ионов загрязнителей в теле фитофагов.

При рассмотрении взаимодействия растворов солей, содержащих ионы изучаемых загрязнителей, с высшими водными растениями и их накопления в растительном организме, в литературе выделяют некоторые механизмы [8]:

– внутриклеточное накопление металлов, как участвующих, так и не участвующих в метаболизме, в результате активного или пассивного связывания либо осаждения на клеточной стенке или мембранах [9]. Это ряд процессов: комплексообразование и хелатирование, пассивная адсорбция на поверхности, осаждение, ионообменный процесс. Процесс осаждения осуществим только в случае гидролиза сорбированных форм металлов, а также при их восстановлении и окислении;

– внутриклеточное накопление металлов, как важных для обмена веществ металлов (медь, железо, никель и др.), так и менее значительных (кобальт, кадмий и др.), посредством мембранного активного транспорта ионов, захвата частиц по типу пиноцитоза, микропреципитации при гидролизе металлов в сорбированной форме, поглощения частиц внутриклеточными органеллами или выпотами (экссудатами) [10].

Существуют механизмы повышения толерантности растений [11] к тяжелым металлам, ориентированные на уменьшение концентрации металла в цитоплазме, и таким образом предупреждение его вероятного токсичного воздействия [12]. Как правило, для выработки толерантности к определенному металлу применяется несколько различных механизмов, а не один. Так же как и определенного механизма, обеспечивающего устойчивость растения к различным металлам, нет [13]. В настоящее время не известно, каким образом происходит восприятие растением сигнала от воздействия тяжелого металла, а также передача этого сигнала к генам [2].

Для изучения механизма накопления и преобразования загрязнителя в массе растения было проведено исследование с участием отработанной фитомассы, загрязненной ионами рассматриваемых тяжелых металлов и обладающей высокой влажностью, по определению ее компонентного состава. Для чего с помощью растрового электронного микроскопа JEOL-6390A проводился анализ составных частей урути мутовчатой и элодеи канадской.

Результаты данного исследования можно увидеть на фото (рис. 1–4). Как видно из материалов, после обработки соответствующими растворами структура листовой части и урути и элодеи подвергается существенным изменениям: становится более плотной, структурированной, с уменьшением расстояния между слоями (сжимается). Визуально можно увидеть появление более четкой структуры листа. Это можно объяснить эффектом тургора тканей, обусловленным осмотическим давлением внутренним и внешним, а также жесткостью клеточной стенки. В момент сорбции водного раствора загрязнителя в растительной клетке происходит постепенное увеличение внутреннего давления в результате осмоса [14]. Цитоплазма прижимается к клеточной стенке и сорбция загрязнителя происходит до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное насыщение клетки, а следовательно, и максимальная эффективность очистки [15].

По данным эксперимента по извлечению ионов железа (III), ионов меди (II) и ионов хрома (VI) с исходной концентрацией всех металлов 0,1 мг/л [16], временем обработки 2 часа и при соотношении массы растения к количеству раствора, равной 1/40, были получены положительные результаты, демонстрирующие накопление металлов как в листе, так и в стебле фитофага.

 

Рисунок 1 – Лист урути до эксперимента

 

Рисунок 2 – Лист урути после эксперимента

 

Рисунок 3 – Лист элодеи до эксперимента

 

Рисунок 4 – Лист элодеи после эксперимента

 

Эффективность извлечения растением из растворов ионов железа (III) из модельного раствора составила 16%, ионов меди (II) – 61%, ионов хрома (VI) – 14%. По анализу содержания металлов в теле макрофита были получены результаты, показывающие, что содержание ионов железа (III) в растении до эксперимента составляет 0,96% масс, а после обработки его раствором достигает 4,08% масс. Содержание ионов меди (II) увеличилось с 0,17% масс до 1,19% масс. Ионов (Cr₂O₇)²⁻ в чистом растении обнаружено не было, но после эксперимента их содержание увеличилось до 0,23% масс.

Таким образом, можно сделать вывод, что содержание тяжелых металлов в образцах увеличилось для всех рассмотренных компонентов, что позволяет говорить о возможной аккумуляции загрязнителей в теле растения.

Однако загрязненная биомасса представляет собой отход. Необходимо упомянуть, что данный вид отхода может быть опасен для биосферы, так как содержит ионы тяжелых металлов. Представленная проблема актуальна на уровне Самарской области, что ясно из доклада об экологической ситуации в Самарской области за 2017 год [17]. Всего за 2017 год на собственных объектах предприятий было захоронено 1803,54 тыс. тонн, что составляет 53,9% от общего объема образования промышленных отходов. В отношении захоронения максимальные объемы характерны для следующих отходов: осадки от очистки сточных вод и подготовки воды, твердые коммунальные отходы, строительный мусор, обрабатывающие производства. Из общего объема сформировавшихся и ранее скопленных отходов в период 2017 года: 1001,16 тыс. тонн употреблено (используется) самими предприятиями области; 1046,84 тыс. тонн обезврежено на предприятиях и организациях; 1324,65 тыс. тонн отдано для использования и обезвреживания другим предприятиям. По данным доклада видно, что из органических отходов полностью используется только отходы из выгребных ям – 142,02 тыс. тонн [17]. Неблагоприятно, что общий объем отходов, накопленных за 2017 год, несколько вырос по сравнению с предыдущим, в связи с чем важно находить новые решения данной экологической проблемы.

Для изучения возможности извлечения компонентов на примере меди был проведен ряд экспериментов с использованием урути мутовчатой и элодеи канадской.

В результате лабораторных исследований процессов фиторемедиации воды содержащей ионы меди с участием высших водных растений: урути мутовчатой и элодеи канадской были получены данные об эффективности проведения экстракции токсиканта из биомассы.

Для проведения процесса экстракции были выбраны три экстрагирующих вещества: деци- и сантинормальный растворы соляной кислоты и раствор гидрокарбоната натрия (3,73 мг Na⁺/л). Содержание перешедшей в раствор меди определяли на фотоэлектроколориметре по методике ГОСТ 4388–72 «Вода питьевая. Методы определения массовой концентрации меди» [18].

По диаграмме видно, что при использовании в качестве экстрагирующего вещества децинормального раствора соляной кислоты эффективность экстракции наибольшая и составляет порядка 100%. Это значение достигается за счет извлечения меди, содержащейся в растении от природы, при учете «фоновой» массы поллютанта в объекте (рис. 5, 6). Таким образом, децинормальный раствор соляной кислоты является оптимальным экстрагентом.

Растения, не участвовавшие в процессе фиторемедиации, тоже подвергались экстракции выбранными экстрагирующими веществами с целью определения «фонового» содержания меди в биомассе.

 

Рисунок 5 – Графическая зависимость эффективности экстракции от времени обработки урути мутовчатой модельным раствором

 

Рисунок 6 – Графическая зависимость эффективности экстракции из биомассы элодеи канадской от времени обработки при сорбции

 

В результате исследования процессов сорбции и экстракции меди из биомассы урути мутовчатой и элодеи канадской был составлен материальный баланс исследуемых процессов [19].

Выводы

Результаты исследований говорят о возможности очистки воды от ионов тяжелых металлов (трехвалентного железа, двухвалентной меди, бихромат-ионов) с помощью высших водных растений – урути мутовчатой и элодеи канадской [4; 16].

About the authors

Olga Fedorovna Galdeeva

Samara State Technical University

Email: olgazavodskaya@gmail.com

assistant of Chemical Technology and Industrial Ecology Department

Russian Federation, Samara

Olga Viktorovna Kozlovskaya

Samara State Technical University

Email: savenkoov@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Chemical Technology and Industrial Ecology Department

Russian Federation, Samara

Alina Yurievna Kopnina

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: alina-kopnina@yandex.ru

candidate of chemical sciences, associate professor of Chemical Technology and Industrial Ecology Department

Russian Federation, Samara

References

Supplementary files