Возможности доочистки сточных вод от ионов меди методом фиторемедиации злаковыми культурами

УДК 579.66

Е. А. Журавлёва, Е. Э. Нефедьева, И. Г. Шайхиев, А. А. Меликян, М. Ю. Брикнер

ВОЗМОЖНОСТИ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ МЕДИ

МЕТОДОМ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ ЗЛАКОВЫМИ КУЛЬТУРАМИ

Ключевые слова: фиторемедиация, тяжелые металлы, очистка сточных вод, пшеница, ячмень.

Данная статья посвящена экспериментальному определению возможностей поглощения ионов меди (II) фиторемедиантом В качестве растения для фиторемедиации были взяты пшеница и ячмень, которые выращивали в водной культуре на питательной среде Гельригеля без фосфора. В среду добавляли медь (II) в концентрации 0 мг/л (контроль), 0,5 мг/л, 1,0 мг/л, 2,5 мг/л, 5 мг/л, 10 мг/л,, 20 мг/л. При помощи иономера были определены концентрации меди в растворах через 2 недели культивирования.

Key words: phytoremediation, heavy metals, sewage purification, wheat, barley.

This article is devoted to the experimental identification of the copper ions (II) uptake by the remediation plant. Wheat and barley were used as plants for phytoremediation. They were cultivated in the aqueous culture on the Hellriegel nutritive medium prepared without phosphorus. The copper was dissolved in the medium in the concentration 0 mg/l (control variant), 0,5 mg/l, 1,0 mg/l, 2,5 mg/l, 5 mg/l, 10 mg/l, 20 mg/l. The concentrations of the copper were identification in solutions using the ionomer in 2 weeks of cultivation.

Введение

Из года в год ухудшается качество воды рек, озер, родников и других природных водоисточников. Вода почти 20 % источников центрального водоснабжения загрязнена нефтепродуктами, производными фенола, солями тяжелых металлов (ТМ) и множеством других поллютантов. Наибольшую опасность представляют ионы ТМ, которые ежегодно тысяв мировой практикечами тонн сбрасываются различными предприятиями в окружающую среду [1]. Все ТМ обладают биологической активностью [2]. Попадая в природные среды в активном состоянии, они начинают мигрировать, включаясь в той или иной степени в биологический круговорот, а при определенных биогеохимических условиях и концентрациях оказывают токсическое воздействие на живые организмы [3].

Технология очистки промышленных сточных вод, загрязненных ионами ТМ, с помощью различных растений, носит название фиторемедиации [4]. Процесс включает в себя выращивание растений и пересадку их в металлозагрязненные воды, где растения поглощают и концентрируют ионы металлов в своих тканях. Как только растения насыщаются загрязняющими веществами, их части или они целиком отправляются на утилизацию с использованием или извлечением полезных компонентов. Способность растений к накоплению, утилизации и трансформации ионов ТМ делает их незаменимыми в общем процессе очищения водоемов [5]. Для выбора растений-фиторемедиантов необходимо изучить их устойчивость к токсическому воздействию того или иного ТМ.

Фиторемедиация широко применяется в мировой практике для очистки или доочистки сточных вод, содержащих поллютанты различной природы и происхождения, в том числе и ИТМ [6-15].

Известны устройства для очистки сточных вод с помощью высших макрофитов [16-18].

В данной работе в качестве модельного растения для фиторемедиации выбраны пшеница и овес ввиду того, что последние обладают такими достоинствами, как большая поглотительная способность ионов металлов [19-22], легкость в выращивании, сушке и утилизации.

Материалы и методы исследования

Целью работы было экспериментальное определение способности к поглощению и устойчивости к токсическому воздействию ионов меди (II) фиторемедиантами.

Эксперимент состоял из двух этапов:

1) Пророщенные пшеница и ячмень были перенесены в водную культуру в 6 емкостей с растворами, содержащих различные концентрации ионов меди(П), приготовленных на питательном растворе Гельригеля без фосфора. Отсутствие последнего связано с тем, что фосфаты образуют с катионами меди труднорастворимое соединение, что делает ионы Си2+ недоступноми для растений.

2) После 2-х недель эксперимента определялись концентрации ионов Си(П) в растворах, масса корней и длина побегов растений.

В первой части экспериментов проростки растений помещались в пластины с отверстиями и погружались корнями в растворы, содержащие ионы меди на среде Гельригеля без фосфора объемом 200 см3.

Концентрации ионов меди (II) были следующие: для ростков пшеницы - от 0,5 до 10 мг/дм3; для ростков ячменя - от 1,0 до 20 мг/дм3.

Во второй части опыта в течение 2-х недель растения росли и поглощали катионы Си(П). По истечении названного промежутка времени определялись длина проростков, сухая масса корней и остаточная концентрация ионов меди в растворе с использованием иономера марки «Экотест-2000».

Обсуждение результатов

По окончании экспериментов визуально отмечено, что наибольший прирост биомассы наблюдался в контрольных образцах растений. При повышении концентрации ионов меди (II) в растворах заметно угнетение растений. Проведенными экспериментами определено, что летальная концентрация ионов Си2+ для ростков пшеницы составляет 10 мг/дм3, для ростков ячменя -20 мг/дм3.

Рассчитана поглотительная активность корней по формуле:

А = К^1000/М^200,

где К - масса поглощенных ионов Си(П); М - масса корней; 200 - объем опытной емкости, см3.

Таблица 1 - Концентрации ионов меди в водных культурах после поглощения ростками зерновых культур

Пшеница Ячмень

Концентрац ия ионов меди исходная Сисх,Сш мг/дм3 Концентра Концентра Концентра

ция ионов ция ионов ция ионов

меди после меди меди после

поглощени я, мг/дм3 исходная, мг/дм3 поглощени я, мг/дм3

Р-р Гельригеля - Р-р Гельригеля -

0,5 0,3 1,0 0,0

1,0 0,5 2,5 1,0

2,5 2,2 5,0 4

5,0 4,8 10,0 9,0

10,0 10,0 20,0 20,0

По полученным данным строились графики зависимости длины побегов, активности и массы корней пшеницы от исходной концентрации ионов Си(11) (рис. 1), из которых очевидно, что оптимальная поглотительная способность корней наблюдается при концентрации ионов меди в растворе 1 мг/дм3.

Рис. 1 - Зависимость морфологических показателей и поглотительной активности ростков пшеницы от исходной концентрации ионов Си (II): Д - длина проростков; А -поглотительная активность корней; М - сухая масса корней

По данным, полученным с использованием ростков ячменя, также построены графики, по которому видно, что максимальная поглотительная способность корней ростков ячменя наблюдается при концентрации ионов меди 2,5 мг/дм3 (рис. 2). При меньших концентрациях ионы меди поглощаются полностью.

Рис. 2 - Зависимость морфологических показателей и поглотительной активности ростков ячменя от исходной концентрации меди (II): Д - длина проростков; А - поглотительная активность корней; М - сухая масса корней

Исходя из полученных результатов, очевидно, что для доочистки сточных вод от катионов Си(11) методом фиторемедиации предпочтительнее применение ячменя. Он более устойчив к токсическому воздействию и его поглотительная способность выше таковой ростков пшеницы.

Литература

1. Г.А. Теплая, Астраханский вестник экологического образования, 1(23), 182-192 (2013).

2. Т.А. Прокопенко, С. В. Степанова, И. Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 8, 60-64 (2011).

3. А.А. Халилова, А.В. Яковлева, А.С. Сироткин, Вестник Казанского технологического университета, 10, 392400 (2010).

4. М.В. Вдовина, Л.И. Матус, Е.А. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 3, 184-186 (2014).

5. Ю.А. Тарушкина, Экология и промышленность России, 5, 36-39 (2006).

6. Н.А. Собгайда, Л.Н. Ольшанская А.В. Стоянов М.Л. Кулешова, Вестник Харьковского национального. автомобильно-дорожного университета, 4, 45-47 (2010).

Н.А. Собгайда, Л.Н. Ольшанская А.В.Стоянов, Химическое и нефтегазовое машиностроение, 6, 3841 (2010).

Н.А. Собгайда, Л.Н. Ольшанская, А.В.Стоянов, М.Л. Кулешова, Известия ВУЗов. Химия и химическая технология, 53, 9, 87-91 (2010).

Л.Н. Ольшанская, А. В. Стоянов, Н. А. Собгайда, Л.А.Булкина, Р.Ш. Валиев, Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение, 9, 26-31 (2011).

7

10. Л.Н. Ольшанская, Ю.А. Тарушкина, А.В. Стоянов, М.Л. Русских, Фиторемедиационные технологии в защите гидросферы, СГТУ, Саратов, 2011. 136 с.

11. N. Elhawat, T. Alshaal, Е. Domokos-zabolcsy, H. El-Ramady, L. Marton, M. Czako, J. Katai, P. Balogh, A. Sztrik, M. Molnar, J. Popp, M. G. Farl, Environmental Science and Pollution Research, 21, 12, 7773-7780 (2014).

12. Jinxiang Yang, Duoxi Yao, Xiaolong Li, Zhiguo Zhang, Advances in Intelligent and Soft Computing, 106, 679-684 (2011).

13. J.R. Peralta-Videa, M.L. Lopez, M. Narayana, G. Saupea, J. Gardea-Torresdey, The International Journal of Biochemistry and Cell Biology, 41, 1665-1677 (2009).

14. Liqiong Li, Hongliang Liu, Zunji Shi, Gejiao Wang, International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 63, 604-609 (2013).

15. N. Sutrisno Sa'ad, R. Artanti, T. Dewi, Indonesian Journal

of Agriculture, 4, 1, 17-21 (2011).

16. М.В. Вдовина, В.П. Мишта, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 3, 184-186 (2014),

© Е. А. Журавлёва - магистрант кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», E-mail: rizhia.93@mail.ru, тел. 89178404814; Е. Э. Нефедьева -д. биол. н., профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности», ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», E-mail: nefedieva@rambler.ru, тел. 89275425376; И. Г. Шайхиев - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной экологии ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»; А. А. Меликян - студентка Института естественных наук ФГАОУ ВПО "Волгоградский государственный университет"; М Ю. Брикнер - студентка Института естественных наук ФГАОУ ВПО "Волгоградский государственный университет".

© E. A. Zhuravleva - post-graduate student, department "Industrial ecology and life safety", Volgograd State Technical University, email: rizhia.93@mail.ru; E. E. Nefedieva - Dr. of Biological Sciences, Professor, department "Industrial Ecology and Life", Volgograd State Technical University, email: nefedieva@rambler.com; 1 G. Shaikhiev - Dr of Technical Sciences, Head of Engineering Ecology Dept. of Kazan National Research Technological University, e-mail: ildars@inbox.ru; A. A. Melikyan - third year student of the Institute of Natural Sciences, "Volgograd State University"; M. Yu. Brickner - third year student of the Institute of Natural Sciences, "Volgograd State University".

17. Полезная модель 13б797 Российская Федерация (2014).

1S. Патент 2530173 Российская федерация (2014).

19. E. Pehlivanhttp://www. sciencedirect. com/science/article/pii/ S030SS1461201129б -cor1mailto:erolpehlivan@gmail.com, T. Altun, Ç. Parlayici, Food Chemistry, 135, 4, 2229-2234 (2012).

20. E. Pehlivanhttp: // www.sciencedirect.com/science/article/pii/S03043S940S0 1319S - corlmailto: erolpehlivan@gmail.commailto: erolpehlivan@yahoo.com, T. Altun, S. Parlayici, Journal of Hazardous Materials, 1б4, 2-3, 9S2-9S6 (2009).

21. U. Farooq http: // www.sciencedirect.com/science/article/pii/S09608524100 03019 - cor1mailto:umar.farooq@usask.ca, J.A. Kozinski, M.A. Khan, M. Athar, Bioresource Technology, 101, 14, 5043-5053 (2010).

22. M. Anis, S. Haydar, A.J. Bari, Environmental Engineering and Management Journal, 12, 11, 2117-2124 (2013).