Изучение влияния ультрафиолетового излучения на процессы размножения ряски малой (Lemna m. ) и извлечение меди из сточных вод

УДК 504.4.06

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕССЫ РАЗМНОЖЕНИЯ РЯСКИ МАЛОЙ

И ИЗВЛЕЧЕНИЕ МЕДИ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД

Л.Н. Ольшанская, профессор, д.х.н., Н.А. Собгайда, доцент, к.х.н., А.В. Стоянов, аспирант, Энгельсский технологический институт (филиал) ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет, г. Энгельс, Россия

Аннотация. Исследовано влияние длительности ультрафиолетового излучения на рост и размножение ряски малой (Lemna m.) и на процессы извлечения растением тяжелых металлов (меди) из сточных вод методом фиторемедиации.

Ключевые слова: ультрафиолетовое излучение, ряска малая (Lemna m.), тяжелые металлы, размножение, сточные воды, фиторемедиация.

ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ УЛЬТРАФІОЛЕТОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ПРОЦЕСИ РОЗМНОЖЕННЯ РЯСКИ МАЛОЇ (LEMNA M.) І ВИТЯГАННЯ

МІДІ ЗІ СТІЧНИХ ВОД

Л.Н. Ольшанська, професор, д.х.н., Н.А. Собгайда, доцент, к.х.н., А.В. Стоянов, Енгельський технологічний інститут (філія) ДОУ ВПО Саратовський державний

технічний університет, м. Енгельс, Росія

Анотація. Досліджено вплив тривалості ультрафіолетового випромінювання на зростання і розмноження ряски малої (Lemna m.) і на процеси витягання рослиною важких металів (мідь) зі стічних вод методом фіторемедіації.

Ключові слова: ультрафіолетове випромінювання, ряска мала (Lemna m.), важкі метали, розмноження, стічні води, фіторемедіація.

АNALYSIS OF ULTRAVIOLET RADIATION EFFECT ON PROCESSES OF DUCKWEED (LEMNA M.) REPRODUCTION AND COPPER EXTRACTION

FROM WASTEWATER

L. Olshanskaya, Professor, Doctor of Chemical Science, N. Sobgayda, Associate Professor, Candidate of Chemical Science, A. Stoyanov, postgraduate, Engels Technological Institute (branch) Saratov State Technical University, Engels, Russia

Abstract. The influence of UV radiation duration on the growth and reproduction of duckweed (Lemna m.) and the processes of extraction by the plant of heavy metals (copper) from wastewater are investigated by means of the method ofphytoremediation.

Key words: UV radiation, duckweed (Lemna m.), heavy metals, wastewater, reproduction, wastewater, phytoremediation.

Энергия внешних физических факторов (магнитное поле, инфракрасное, лазерное излучение и др.) по-разному воздействует на любой биообъект. Это воздействие зависит

Введение

от характеристик данного фактора: длины волны, частоты колебаний излучений, их мощности и времени воздействия, и может оказывать как стимулирующее, так и тормозящее влияние [1-6].

Анализ публикаций

В работе [7] изучено воздействие магнитного поля (МП) различной напряженности и направления на процессы фиторемедиации. Показано, что МП напряженностью 2 кА/м оказывает стимулирующее действие на процессы извлечения меди ряской, вследствие чего эффективность очистки достигает через сутки 60 % и возрастает на ~ 8-12 % в сравнении с очисткой без воздействия МП. Большие или меньшие по напряженности магнитные поля или практически не оказывают влияния на ход процессов (Н=0,5 кА/м), или снижают эффективность фиторемедиации (Н=3 и 4 кА/м). Это подтвердило известные литературные данные [8] о том, что МП может оказывать как стимулирующее, так и тормозящее действие на процессы роста и развития клетки, а посредством этого и на процессы фиторемедиации. В работе [9] исследовано совместное влияние магнитного и геомагнитного полей Земли, совпадающих по направлению. При создании таких условий скорость извлечения тяжелых металлов растениями повышается еще на 15-17 % (достигая 77 %).

Известно, что ультрафиолетовое излучение (УФ) обладает активным и разносторонним биологическим действием на живые организмы. Ультрафиолет - это лучи света с длиной волны от 10 до 400 нм, невидимые человеческим глазом. Проникая в ткани на глубину 0,5-1,0 мм, лучи приводят к активизации биохимических процессов [1]. УФ является мощным стрессовым фактором для живых систем, в том числе и растений [2]. Под воздействием УФ-излучения изменяются многие морфофизиологические и биохимические параметры растительных клеток. Эти изменения зависят от ткани, стадии развития организма, его генотипа, условий облучения (длительности и спектрального состава излучения). Различают коротковолновое УФ-излучение - с длиной волны от 200 до 280 нм (так называемое УФ-С), средневолновое -280-315 нм (УФ-В) и длинноволновое - 315380 нм (УФ-А). Излучение с различной длиной волны по-разному воздействует на растительные клетки. Мишенью коротковолновой УФ-С радиации в клетке является ДНК, мишенью УФ-Б - преимущественно белки [2]. УФ-А обладает в основном фиторегуляторным действием и определяет изменение метаболизма растительных тканей при стрес-

совом воздействии. Однако в высоких дозах УФ-А также способно вызывать повреждения в живых клетках. В природных условиях солнечное УФ-А излучение достигает земной поверхности, а УФ-Б и УФ-С задерживаются компонентами атмосферы [4]. В последние десятилетия прогнозируется увеличение поступления УФ-Б (280-320 нм) к земной поверхности в результате сокращения концентрации озона (О3) - основного протектора проникновения УФ-излучения. В результате земной поверхности будет достигать не только УФ-А, но и УФ-Б, обладающее значительным стрессовым и мутагенным эффектом.

Цель и постановка задачи

Целью настоящей работы явилось исследование влияния УФ-излучения на рост и размножение ряски малой (Lemna m.) и процессы фиторемедиации ионов меди высшим водным растением из сточных вод.

Воздействие УФ-излучения на размножение ряски малой и фиторемедиацию

В качестве источника УФ-излучения использовали бактерицидную лампу марки СБПе 3x30 Вт, которая излучала постоянное УФ-С излучение с длиной волны X = 257 нм.

Объектом исследования в работе служила ряска малая, которую в весенне-осенний период брали из речных или озерных экосистем. В лабораторных условиях ряску выдерживали и выращивали в воде, содержащей все необходимые питательные ингредиенты, взятой из аэротенка Энгельсских канализационных очистных сооружений. Сульфатные модельные растворы CuSO4 содержали концентрацию меди 5 мг/л Cu2+.

При изучении влияния УФ на рост и размножение ряски растения одинакового срока вызревания в количестве 20 штук высаживали в воду в чашки Петри, которые располагали на расстоянии 1 м от источника УФ-облучения, и проводили непрерывное облучение объектов в течение различного времени, часы: 0,0; 0,5; 1,0 и 5,0. После этого растения оставляли в воде, и в последующие дни проводили подсчет листецов (рис. 1, табл. 1).

Полученные данные по исследованию влияния длительности УФ-облучения на рост и размножение ряски малой свидетельствуют об угнетающем воздействии УФ-излучения, особенно при его длительном воздействии на ряску.

Ряски, шт 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Рис. 1. Влияние УФ-излучения на размножение ряски малой

Таблица 1 Рост и размножение ряски малой под воздействием УФ-излучения

Выдержка ряски в растворе, сутки Длительность воздействия УФ, час

без УФ 0,5 1,0 5,0

0 20 20 20 20

1 26 22 21 20

3 29 23 22 21

5 34 25 23 22

6 35 26 24 23

7 35 28 23 некроз

9 35 28 некроз

Установлено, что в контрольных образцах

без воздействия УФ размножение ряски происходит достаточно эффективно. Анализ состояния ряски после воздействия на нее УФ в течение 0,5 часа показал, что интенсивность размножения ряски снижается примерно в 2 раза по сравнению с данными, полученными без воздействия УФ.

Если на ряску воздействовать УФ в течение 1 часа, численность ее снижается, но незначительно, по сравнению с длительностью облучения 0,5 ч. Вместе с тем по истечении 5 суток размножение ряски практически прекращалось, наблюдался цитоплазмолиз (растение изменяло окрас от ярко-зеленого на болотный цвет), и после 7 суток ряска подвергалась некрозу (то есть погибала).

Еще более отрицательное влияние УФ на растение проявляется после 5-часового облучения растения ультрафиолетом. У ряски уже после 5-6 суток активно прогрессировал процесс деградации структуры растительного материала, происходило проникновение воды в фитомассу, изменялся окрас растения от ярко-зеленого, в исходном состоянии, на бурый цвет, в период угнетения. При дальнейшей выдержке растения в растворе оно погибало.

Параллельно нами проведены исследования по влиянию УФ на процессы фиторемедиации меди из сточных вод. Ряску массой 20 г в 1 литре Си804 с концентрацией ионов Си2+ 5 мг/л располагали на расстоянии 1 м от источника облучения и так же, как описано выше, проводили облучение объектов. По истечении различного времени, часы: 0, 1, 5, 12, 24 и 72 отбирали пробы воды и анализировали их на остаточное содержание ионов меди с помощью фотокалориметрического метода (табл. 2). В работе использовали фотокалориметр КФК-3-01.

Таблица 2 Изменение концентрации (С) меди, скорости извлечения (V) и эффективности очистки (Э) от времени пребывания (Л ряски в

Си804 (с„сх.=5 мг/л), без и при воздействии УФ

4 ч УФ-излучение с '^кон? мг/л V, мг/ч £ ,

1 3,40 1,6 32

2 2,70 2,3 46

3 3,60 1,4 28

4 4,80 0,2 4

1 2,70 0,46 46

2 1,85 0,63 63

5 3 3,30 0,34 34

4 3,50 0,30 30

1 2,14 0.24 57

2 1,60 0,28 68

12 3 2,00 0,25 60

4 2,45 0,21 51

1 1,60 0,14 68

2 1,45 0,15 71

3 1,80 0,13 64

4 2,15 0,12 57

1 0.80 0.06 84

2 0,65 0,06 87

/2 3 1,25 0,05 75

4 1,80 0,04 64

Примечание: воздействие УФ в течение часов: 1 - без УФ; 2 - 0,5; 3 - 1,0; 4 - 5,0.

Полученные данные свидетельствуют о том, что малые дозы ультрафиолета (в течение

0.5.ч) положительно влияют на извлечение растением катионов меди из стоков. Для этих условий достигается наиболее высокая эффективность (87 %) очистки.

Более длительное УФ-облучение в течение 1 и 5 часов оказывает неблагоприятное воздействие на процессы извлечения меди ряской, способствует изменению метаболизма растительных тканей при стрессовом воздействии.

Выводы

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. УФ-излучение, независимо от длительно -сти, оказывает угнетающее воздействие на рост и размножение ряски малой.

2. Малые дозы ультрафиолета положительно влияют на последующее извлечение растением катионов меди из стоков.

3. Длительное воздействие УФ является для растения стрессовым фактором, оказывая отрицательное влияние на фиторемедиаци-онные процессы.

Литература

1. Ауэрбах Ш. Проблемы мутагенеза /

Ш. Ауэрбах. - М. : Мир, 1978. - 461 с.

2. Bomman J. UV-radiation as an environmental

stress in plants / J. Bornman // J. Photo-chem. р^ШЬю1. - 1991. - Vol. 8, № 3. -Р.337-341.

3. Frederick J. The budget of biologically active

ultraviolet radiation in the earth atmosphere system / J. Frederick, D. Lubin // Ecology. -

1988. - Vol. 44. - Р. 342-347.

4. Frederick J. Solar ultraviolet radiation at the

earths sufase / J. Frederick, H. Snell, C. Haywood // J. Photochem. Photobiol. -

1989. - Vol. 50, № 8. - P. 443-450.

5. Влияние магнитного поля на процессы из-

влечения тяжелых металлов из сточных вод ряской / Л.Н. Ольшанская, Н.А. Соб-гайда, Ю.А. Тарушкина, А.В. Стоянов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 8. - С. 41-44.

6. Воздействие слабых электрических полей

на процесс фиторемедиации / Л.Н. Ольшанская, Н.А. Собгайда, А.В. Стоянов, М.Л. Кулешова // Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення : збірник матеріалів наукових статей V міжнародної науково-практичної конференції 7-11 вересня 2009 р., Алушта АР Крим, Украіна. Том 1. Укр. НДІЕП. - Харків : Райдер, 2009. - С. 302-305.

7. Влияние силы и направления магнитного

поля на процесс биоэлектрохимической сорбции ионов тяжелых металлов ряской / Л.Н. Ольшанская, Н.А. Собгайда, А.В. Стоянов, А.Е. Александрова // Та-тищевские чтения: Актуальные проблемы науки и практики : материалы VI междунар. научно-практич. конф., г. Тольятти 16-19 апреля 2009 г. - Тольятти: Волжский ун-т им. В.Н. Татищева (ВУиТ), 2009. - С. 66-68.

8. Холодов Ю. А. О механизме биологическо-

го действия постоянного магнитного поля / под ред. Ю.А. Холодова. - М. : Наука, 1971. - 215 с.

9. Собгайда Н.А. Влияние геомагнитного,

магнитного и электрического полей на процесс фиторемедиации / Н.А. Собгай-да, Л.Н. Ольшанская, А.В. Стоянов // Экологические проблемы промышленных городов: материалы Всероссийской конференции Саратов 4-6 апреля 2009 г. В 2-х частях. Часть 1. - Саратов : СГТУ, 2009.- С. 62-65.

Рецензент: С.С. Душкин, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 29 октября 2010 г.