Поглощение органических и неорганических газовых загрязнителей высшими растениями в условиях антропогенных нагрузок

УДК 613.155

К. В. Воробьев, М. Н. Мешалкина, Н. С. Пщелко, О. Н. Рублевская, Г. Л. Спичкин

Поглощение органических и неорганических газовых загрязнителей высшими растениями в условиях антропогенных нагрузок

Ключевые слова: газовые загрязнители, биологический метод очистки воздуха, растения, уровень освещенности растений, скорость поглощения газовых загрязнителей, аппаратно-биологический комплекс, натурные испытания. Keywords: gas pollutants, biological method of purification of air, plant, level of illumination of plants, speed of absorption of gas pollutants, hardware and biological complex, natural tests.

Описаны проблемы длительного пребывания людей в помещениях, воздух в которых насыщен газовыми органическими и неорганическими загрязнителями. Показана перспективность биологического метода очистки воздуха от газовых загрязнителей. Описана методика проведения эксперимента по определению численных показателей скорости поглощения газовых загрязнителей высшими растениями. Приведены результаты лабораторных экспериментов, показывающих, какова поглотительная способность растений по отношению к газовым загрязнителям, сколько времени им необходимо для восстановления поглотительной способности и каково влияние аэроионного состава воздуха на эффективность поглощения растениями загрязнителей. Показано влияние уровня освещенности растений на их поглотительную способность. Приведены результаты натурных испытаний эффективности поглощения растениями газообразных загрязнений с помощью аппаратно-био-логических комплексов, установленных в помещениях очистных сооружений. Показано снижение концентрации угарного газа, углеводородов и углекислого газа в помещениях, где установлены аппаратно-биологические комплексы, в среднем в 2—3 раза по сравнению с соседними помещениями.

Введение

Офисные помещения, находящиеся на территории очистных сооружений, а также вблизи заводов по сжиганию осадков, характеризуются повышенным содержанием меркаптанов, углеводородов, угарного газа, сероводорода, аммиака и т. д.

Для повышения качества воздуха данных помещений приточную вентиляцию и обычное про-

ветривание использовать неэффективно, поскольку источник загрязнений находится снаружи помещений и чистить воздух необходимо в первую очередь внутри помещений.

Длительное пребывание людей в помещениях, воздух которых перенасыщен газовыми органическими и неорганическими загрязнителями, приводит к развитию у них таких симптомов, как недомогание, головные боли, головокружение, хроническая усталость, быстрая утомляемость, раздражительность, депрессия, бессонница, беспокойный сон, снижается творческая активность, учащаются простудные заболевания. В частности, хроническая усталость — один из часто встречающихся симптомов у трудоспособного населения — значительно снижает работоспособность. Американское агентство по охране окружающей среды признало загрязнение воздуха проблемой номер один.

Традиционно воздух в помещениях очищается с помощью различных технических средств: фильтров разной степени очистки, ионизаторов, увлажнителей, систем вентиляции и кондиционирования. Эти технические средства имеют как достоинства, так и недостатки. Основными их достоинствами являются относительно невысокая стоимость и наличие на рынке в значительном ассортименте. К недостаткам относится принципиальная неспособность создать в помещении воздух, по своему физико-химическому составу адекватный природному воздуху, к которому адаптирован человек [3]. Кроме этого, технические средства создают дополнительные воздействия на окружающую среду. В частности, использование технических средств зачастую увеличивает шумовую и электромагнитную нагрузку, деформирует аэроионный состав воздуха и лишает человека привычной экологической среды [6].

В последнее время все большее внимание уделяется биологическим способам повышения качества воздуха в помещениях [10].

24

Теория и практика биомединженерии

Исследования последних лет показали, что некоторые комнатные растения нейтрализуют органические и неорганические газовые загрязнители (различные углеводороды, аммиак, угарный газ и др.), которые могут содержаться в воздухе помещений. Кроме этого, комнатные растения при достаточном освещении в результате фотосинтеза выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Растения способны насыщать воздух помещения биологически активными веществами, поддерживать влажность воздуха на оптимальном уровне [1]. Однако невысока интенсивность перечисленных процессов. Для ее повышения растениям необходимо создать благоприятные условия их жизнедеятельности. Данная задача решена в рамках аппаратно-биологического комплекса [9], обеспечивающего интенсивное освещение растений, своевременный полив и подкормку растений.

Аппаратно-биологические комплексы способны создать в помещениях воздух высокого качества, снизить уровень воздействия основных загрязнителей воздуха внутри помещений на человека, уменьшить риск заболеваний, улучшить психологическое и эмоциональное состояния людей, повысить их иммунный статус [2, 3].

В зависимости от объема помещения, типа и концентрации загрязнителя количество и виды растений, входящих в состав аппаратно-биологическо-го комплекса, могут различаться [4, 5]. Представляет научный и практический интерес выяснить, каковы численные показатели поглотительной способности растений без особого вреда для себя по отношению к различным газовым загрязнителям и от чего зависит эта поглотительная способность. Экспериментальному изучению этих вопросов посвящена настоящая работа.

Методика проведения эксперимента

Эксперименты проводились на стенде, основной элемент которого герметичная камера из коррозионно-стойкой стали объемом 300 л.

Искусственное загрязнение воздуха в камере осуществлялось парами углеводородов, а также смесями органических и неорганических загрязнителей — сигаретного дыма.

Загрязнение парами органических веществ производилось путем впрыскивания нескольких капель растворителей (бензин, ацетон) на дно камеры с последующим их быстрым испарением с помощью перемешивающих воздушных потоков. Количество испаряемой жидкости рассчитывали таким образом, чтобы при ее полном испарении и переходе в газообразную фазу концентрация загрязнителя в воздухе камеры была примерно на уровне ПДК рабочей зоны.

Загрязнение воздуха камеры сигаретным дымом осуществлялось путем его прокачки через камеру.

В состав газообразной фазы сигаретного дыма входят такие загрязнители, как монооксид и диоксид углерода, аммиак, диметилнитрозамин, формальдегид и многие другие.

Перед началом эксперимента (перед загрязнением воздуха) в камеру устанавливали распространенные комнатные растения традесканции (Tradescantia £1ит1пеп818 Уе11.) с общей площадью листовой мозаики около 0,5 м2. Камера имела прозрачную для видимого света крышку, через которую растения получали искусственную досветку контролируемой интенсивности. Досветка осуществлялась люминесцентными лампами «белого» света, имеющими в своем спектре повышенное количество наиболее любимого растениями красного и синего цветов. Для определенности средний уровень искусственной освещенности растений выбран 1100 и 80 люкс. В отдельных экспериментах растения вообще не получали искусственной досветки, и уровень их освещенности не превышал 4 люкса. Другими словами, изучалась возможность нейтрализации растениями органических загрязнителей в условиях их «сна».

Для исследования влияния ионизированного воздуха на растения испытательную камеру заполняли отрицательными и (или) положительными ионами в концентрации 50 000—200 000 ионов/см3. Генерация ионов осуществлялась непосредственно в камере в потоке воздуха, проходящего через зону коронного разряда низкой интенсивности.

Для равномерного заполнения камеры органическими загрязнителями и аэроионами во всех экспериментах обеспечивалось перемешивание воздуха в камере.

Исследования поглотительной способности растений по отношению к внесенным загрязнителям воздуха проводились в течение 1—8 ч.

Растения, как и любые другие живые организмы, имеют пороговые пределы любой функции, которые определяются так называемой нормой реакции и представляют собой индивидуальные особенности модификационной изменчивости, характерной для данного вида. Это означает, что поглотительная способность растений исследуемых видов жестко ограничена видовыми характеристиками.

Кроме этого, в работе учитывалась биогенная динамика поглощения, а именно его циклическая составляющая (поглощение — насыщение — регенерация — поглощение). Для определения периода регенерации (восстановления поглотительной активности традесканций по отношению к газообразным загрязнителям) растения после первичного «химического» воздействия вновь помещали в камеру с загрязненным воздухом, после чего повторно определяли эффективность нейтрализации загрязнителя.

Концентрацию загрязнителей измеряли с помощью прибора «Колион-1А», проградуированного на различные органические загрязнители, в том чис-

Теория и практика биомединженерии

ле на ацетон и бензин. Измеряемые концентрации данных загрязнителей в камере были получены в абсолютных значениях (мг/м3). При определении поглотительной способности растений по отношению к газообразным компонентам табачного дыма значения концентраций загрязнителей были получены в относительных величинах.

Результаты лабораторных экспериментов

Основные результаты экспериментов приведены на рис. 1-3.

Анализ зависимостей поглотительной способности традесканций по отношению к газообразным загрязнителям показал следующее.

В присутствии растений концентрация газообразных загрязнителей в испытательной камере со временем уменьшается (рис. 1). Имеется определенная закономерность данного уменьшения: падение концентрации имеет два характерных участка — участок быстрого спада концентрации, который можно характеризовать как этап высокой эффективности поглощения, и участок замедленного спада концентрации, соответствующий этапу низкой эффективности поглощения или насыщения.

Первый участок (этап высокой эффективности поглощения) характеризуется высокими скоростями поглощения. Его продолжительность 1-2 ч. Максимальные значения скорости поглощения для интактных растений, т. е. растений, не подвергавшихся ранее интенсивному химическому воздействию, приходятся на первые 15-30 мин химического воздействия и для органических газовых загрязнителей (как для бензина, так и для ацетона) в среднем составляют:

• на единицу листовой мозаики 3-4 мг/м2 мин;

• в пересчете на одно растение (площадь листовой мозаики каждого из использованных в эксперименте растений составляла около 0,06 м2) около 0,2 мг/мин.

К концу первого участка скорость поглощения падает примерно в 10-15 раз. Примерно такой же темп снижения скорости поглощения растениями наблюдается и для смесей органических и неорганических загрязнителей — газообразных компонентов, входящих в состав табачного дыма.

Второй участок характеризуется низкими скоростями поглощения. Характерной особенностью второго участка является примерное постоянство скорости поглощения органических загрязнителей, во всяком случае в течение времени проведения экспериментов до 8 ч.

Скорость поглощения интактными растениями органических газовых загрязнителей на этом участке не превышает:

• на единицу листовой мозаики 0,06 мг/м2 мин,

• в пересчете на одно растение 3 мкг/мин.

Очевидно, что скорость поглощения газообразных загрязнителей на этом участке составляет не более 1,5 % от максимальной скорости поглощения.

Таким образом, можно считать, что основное поглощение газообразных загрязнителей растениями осуществляется в течение первых одного-двух часов от начала химического воздействия, что и следует учитывать в прикладных задачах, связанных с очисткой воздуха от газообразных загрязнителей с помощью растений.

Количество поглощенного газообразного загрязнителя одним растением за первые два часа очистки достигает 6 мг, что в пересчете на единицу листовой мозаики растения соответствует 0,1 г/м2.

300

"s 250

а н о Ы

200

150

100

50

Ч-

v

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240

Время, мин

Риг 1

Зависимость концентрации паров ацетона 1 и концентрации газообразных компонентов, входящих в состав табачных дымов 2, в испытательной камере объемом 300 л, заполненной интактными растениями; освещенность традесканций — 1100 люкс; общая площадь листовой мозаики традесканций — около 0,5 м2

п

Теория и практика биомединженерии

4 —

3 -

1

2

Рис. 2

Последовательность воздействий

Количество поглощаемых паров бензина одним растением (традесканцией) с площадью листовой мозаики около 0,06 м2 за 1 ч; освещенность растения 1100 люкс:

1 — интактное растение; 2 — растение, подвергшееся повторному химическому воздействию сразу после предыдущего воздействия; 3 — растение, подвергшееся повторному химическому воздействию через 20 ч после предыдущего воздействия

3

1 -

2

Последовательность воздействий

6

5

6

5

4

2

1

П

Рис. 3

Количество поглощаемых паров бензина одним растением (традесканцией) с площадью листовой мозаики около 0,06 м2 за 1 ч; освещенность растения 1100 люкс:

1 — интактное растение; 2 — растение, подвергшееся повторному

химическому воздействию и воздействию аэроионов отрицательной

полярности; 3 — растение, подвергшееся повторному химическому воздействию и воздействию аэроионов положительной полярности;

4 — растение, подвергшееся только повторному химическому воздействию (аэроионное воздействие отсутствует); 5 — растение, подвергшееся повторному химическому воздействию и повторному воздействию аэроионов отрицательной полярности

При использовании растений для очистки воздуха от газообразных загрязнителей необходимо иметь в виду, что метаболизм токсикантов в растениях может протекать по нескольким механизмам. Все механизмы в той или иной степени основываются на энергетической либо на пластической составляющей метаболизма растения. Поэтому насыщение и переработка того или иного экзогенного субстрата напрямую ограничены наличием соответ-

ствующего ему фермента или иной метаболической группы и, таким образом, не могут продолжаться бесконечно и должны иметь циклы накопления и выделения химических агентов клеточного происхождения [7, 11]. Следовательно, растения после химического воздействия не сразу восстанавливают свои поглотительные способности. Для этого необходимо продолжительное время. Так, если в камеру с растениями, подвергшимися первичному

химическому воздействию, повторно ввести газообразный загрязнитель, например пары бензина, с концентрацией на уровне ПДК, т. е. с примерно той же концентрацией, что и при первичном воздействии, максимальная скорость поглощения растениями загрязнителя при повторной экспозиции значительно падает и составляет всего 6—10 % от максимальной скорости поглощения при воздействии на интактное растение. Количество поглощенного загрязнителя (паров бензина) в течение первого часа интактными растениями и растениями, уже подвергшимися химическому воздействию, различаются в несколько раз (рис. 2). Для повышения (восстановления) поглотительной способности растение должно «отдохнуть» как минимум в течение суток.

Создание в камере с растениями высокой концентрации аэроионов на уровне 100 000 ион/см3 способствовало быстрому восстановлению сорбци-онной активности растений по отношению к газообразным загрязнениям. При аэроионном воздействии скорость поглощения этих загрязнителей растениями, уже подвергавшимися химическому воздействию, примерно соответствовала максимальной, а общее количество поглощенных органических веществ значительно возросло.

На рис. 3 приведены результаты поочередных одночасовых воздействий загрязнителя с начальной концентрацией на уровне ПДК на растения, установленные в испытательной камере.

В течение первого часа загрязнитель поглощался интактными растениями. По окончании первого часа в испытательную камеру повторно поступал загрязнитель также с концентрацией на уровне ПДК. Загрязнитель поступал в камеру по окончании также второго, третьего и четвертого часа эксперимента. В течение второго часа в камеру подавались аэроионы отрицательной полярности, в течение третьего часа — аэроионы положительной полярности, в течение четвертого часа аэроионное воздействие отсутствовало, а в течение пятого часа снова подавались аэроионы отрицательной полярности. Результаты эксперимента следующие:

• вследствие аэроионного воздействия резко возрастает поглотительная способность даже у подвергшихся химическому воздействию растений;

• значительно возрастает общее количество газообразных загрязнений, которое растения способны сорбировать и метаболизировать за короткое время;

• эффект аэроионного воздействия весьма устойчивый: после резкого спада поглотительной способности растений в отсутствии аэроионного воздействия в течение четвертого часа эксперимента данная способность восстанавливалась при воздействии на растения аэроионами в течение пятого часа;

• декоративные качества растений после аэроионного воздействия не ухудшались, однако некоторое время отмечалась шершавость поверхности листьев, что свидетельствовало об изменении со-

стояния опушенности листьев, характерной для используемых в эксперименте традесканций — по-видимому, изменение опушенности связано с изменением электрического заряда клеток эпидермиса листа [4].

Интенсивность поглощения растениями органических загрязнителей зависит от освещенности: чем больше освещенность, тем выше скорость поглощения.

Значения максимальной скорости поглощения паров бензина «свежими» (интактными) растениями при различных уровнях освещенности

Уровень освещенности растений, люкс. . . 1100 80 4 Максимальная скорость поглощения в пересчете на единицу листовой мозаики, мг/ м2 мин.................. 3,75 1,2 До 0,1

Обсуждение результатов лабораторных экспериментов

1. Способность растений поглощать и перерабатывать токсичные газы, содержащиеся в воздухе, обусловлена их эволюционным развитием. Известно, что древнейшие растительные формы обитали в земной атмосфере, которая очень сильно отличалась от современной атмосферы по газовому составу и была насыщена вулканическими газами. Поскольку именно деятельность фотосинтезирую-щих организмов привела к созданию современной атмосферы, способность не только дезактивировать, но и использовать вредные для человека газы является вполне ожидаемой функцией растений. Данная функция у современных растений, безусловно, несколько редуцирована по сравнению с аналогичной функцией у древнейших растительных форм, но тем не менее существует.

2. Содержащиеся в загрязненном воздухе газообразные вещества используются растениями в качестве источников макроэлементов (С, N Н, О, Р, 8). Для осуществления жизнедеятельности растения включают эти элементы в свои клеточные метаболические пути, т. е. используют эти вещества для питания [13].

3. Метаболические процессы у растений, а именно пластический обмен и синтез, представлены очень большой группой развитых реакций, поскольку растения относятся к автотрофным организмам и все необходимые им вещества способны синтезировать сами.

4. Свет является основным источником энергии для всех химических процессов в растениях, в том числе для реакций автотрофного синтеза (их в растениях около 200), поэтому трудно переоценить влияние освещенности на растения и с точки зрения их способности сорбировать газообразные загрязнения.

Влияние освещенности на поглотительную способность растений относительно понятно и пред-

2!

Теория и практика биомединженерии

сказуемо, объяснить наличие порога насыщения поглотительной способности растений по отношению к газообразным загрязнителям тоже можно. Однако эффект увеличения порога насыщения поглотительной способности растений в несколько раз при воздействии аэроионов наблюдался впервые.

Как уже было сказано выше, порог насыщения связан с расходованием ферментов растения и зависит от работы устьиц — специальных отверстий, которые ограничены чрезвычайно чувствительными клетками [7, 8]. Эти клетки открывают и закрывают входы во внутренние паренхимальные каналы тканей листа, через которые растение осуществляет газообмен с внешней средой. Свободная диффузия газообразных загрязнений через устьица, характерный поперечный размер которых находится на уровне 10 мкм, а длина — на уровне 100 мкм, ощутима при значительных начальных диффузионных градиентах, т. е. при высоких начальных уровнях концентраций загрязнителей, и заметно падает при снижении концентрации загрязнителей. Вероятно, именно диффузионным механизмом может быть объяснено наличие участков с высокой эффективностью поглощения и участков с низкой эффективностью поглощения.

Устьичные клетки реагируют на малейшие изменения условий окружающей среды (температуры, влажности), тем более они реагируют на изменение ионного состава воздуха [7, 13]. Под действием аэроионов изменяются заряд и электрическое поле на мембранах клеток эпидермиса листьев и соответственно механизм работы устьиц. Возможно также, что вследствие электростатического отталкивания, обусловленного наличием одноименно заряженных молекул газообразных загрязнений, увеличивается интенсивность их транспорта через устьица во внутренние каналы тканей листьев —

на диффузионную составляющую транспорта накладывается дрейфовая составляющая движения заряженных молекул в электрическом поле. Интенсификация транспорта молекул загрязнителя приводит в конечном итоге к увеличению поглотительной способности растений.

Изменение порога сорбционной емкости растений при аэроионном воздействии также может быть связано с влиянием активных форм кислорода (О-и О2+), которые часто выступают как катализаторы клеточных процессов [14].

Натурные испытания эффективности поглощения растениями газообразных загрязнений проводились в фойе цеха сжигания осадка сточных вод Юго-Западных очистных сооружений и в помещении диспетчерской цеха обработки осадка Северной станции аэрации. В этих помещениях установили аппаратно-биологические комплексы «Зеленая стена», содержащие около 80 взрослых растений (рис. 4).

Цель испытаний — экспериментальная проверка возможности улучшения состояния воздушной среды в непроизводственных помещениях очистных сооружений с помощью растений. Продолжительность испытаний на каждом объекте 1-1,5 месяца. Методика проведения испытаний — периодическое определение типовых газообразных загрязнителей воздушной среды помещений площадью около 40 и 20 м2, в которых были установлены аппаратно-биологические комплексы.

В ходе испытаний определялись:

• суммарное содержание углеводородов (прибор — газоанализатор для контроля суммы углеводородов, способный определять содержание смесей меркаптанов);

• содержание угарного газа (прибор — газоанализатор для определения концентрации угарного газа в атмосферном воздухе);

Рис. 4 \ Аппаратно-биологический комплекс «Зеленая стена»

• содержание углекислого газа (прибор — газоанализатор для определения концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе).

Основные результаты испытаний

В обоих помещениях, где был установлен ап-паратно-биологический комплекс, на расстоянии 1—2 м от комплекса концентрация газовых загрязнителей (угарного газа и углеводородов), а также углекислого газа в среднем в 2—3 раза ниже, чем на отдаленном расстоянии от комплекса или в соседних помещениях. Эффективность снижения концентрации загрязнителей повышается при уменьшении площади (объема) помещения.

К сожалению, запахи, фиксируемые в помещении органолептически, полностью нейтрализовать не удалось, что связано с тем, что порог органо-лептического восприятия меркаптанов, одного из основных дурно пахнущих газов, на 3—4 порядка ниже ПДК атмосферного воздуха населенных мест (например, предельно допустимые концентрации смеси меркаптанов составляют 0,05 мкг/м3). По словам сотрудников, аппаратно-биологиче-ский комплекс вызывает у них положительные эмоции.

Кроме улучшения качества воздуха, комплексы также создают и поддерживают адекватный визуальный ряд, необходимый для обеспечения позитивного эмоционального настроя, способствуют уменьшению симпатического напряжения нервной системы. Это, в свою очередь, приводит к восстановлению нормальной нервной регуляции, а также к обеспечению условия более комфортного пребывания людей в помещениях. Аппаратно-биоло-гические комплексы «Зеленая стена» могут быть рекомендованы для установки в диспетчерских и других непроизводственных помещениях, в которых персонал занят интенсивным напряженным трудом.

I Литература I

1. Беркинблит М. Б., Глаголева Е. Г. Электричество в живых организмах. М.: Наука, 1988. 287 с.

2. Веселовский В. А. О роли биоантиоксидантов в устойчивости растений к неблагоприятным условиям существования. Биоантиоксиданты в регуляции метаболизма в норме и патологии. М.: Наука, 1982. С. 150-162.

3. Воронин В. А. Главный жизненный ресурс: воздушная среда помещений. СПб.: ДЕАН, 2004. 128 с.

4. Жолкевич В. Н. Транспорт воды в растении и его эндогенная регуляция. М.: Наука, 2001. 73 с.

5. Неер Ян Ван дер. Всё о комнатных растениях, очищающих воздух. СПб.: Кристалл, 2009. 128 с.

6. Олейников А. Н. Геологические часы. Л.: Недра, 1987. 227 с.

7. Толокнова А. Н. Разработка концепции определения самоочищающей способности водных экосистем и ее аппаратурная реализация // Исследовано в России. С. 1012.

8. Рубин Б. А., Арциховская Е. В., Аксенова В. А. Биохимия и физиология иммунитета растений: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1975. 318 с.

9. Федоров М. П., Воробьев К. В., Спичкин Г. Л. Применение аппаратно-биологических комплексов для снижения уровня углекислого газа в воздухе помещений // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. 2010. № 3. С. 56-59.

10. Изучение возможностей некоторых декоративных растений как фильтров для очистки газовоздушной среды помещений от формальдегида и других карбонильных соединений / Н. В. Цыбуля, Н. А. Рычкова, Г. Г. Дульцева, Г. И. Скубневская // Химия в интересах устойчивого развития. 2000. № 8. С. 881-884.

11. Cooke J. P., Bitterman H. Nicotine and angiogenesis: a new paradigm for tobacco-related diseases // Ann Med. 2004. N 36(1). P. 33340.

12. Djordjevic M. V., Stellman S. D., Zang E. Doses of nicotine and lung carcinogens delivered to cigarette smokers // Journal of the National Cancer Institute. 2000. N 90. P. 106-111.

13. Dyshinevich N. E., Sova R. Polymeric Constructive Materials and Air Quality in Buildings: Impact on the Health of the Population on Environment and Health. 1998. P. 236-241.

14. Wallace L., Pellizzari E. The influence of personal activies on exposure, to volatile organic compunds // Environ. Res. 1989. Vol. 50. N 1. P. 37-55.

15. Wolverton B. C., Johnson A., Bounds K. Interior landscape plants for indoor air pollution abatement // Final report: NASA, 1989. 30 p.