Роль органических кислот в повышении фитоэкстракции свинца древесными растениями из водного раствора

РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ В ПОВЫШЕНИИ ФИТОЭКСТРАКЦИИ СВИНЦА ДРЕВЕСНЫМИ РАСТЕНИЯМИ ИЗ

ВОДНОГО РАСТВОРА

И.Е. АВТУХОВИЧ, докторант кафедры лесоводства МГУЛ, канд. биол. наук

Тяжелые металлы, попадая в окружающую среду, оказывают неблагоприятное воздействие на наземные и водные экосистемы. При этом эмиссии таких химических элементов, как цинк, свинец, никель, марганец, медь и кадмий, образуемые в результате добычи руд и выплавки из них металлов значительно больше загрязняют водоисточники, чем почвенный покров. Экологическая ситуация регионов может быть еще более усугублена, если загрязненные воды рек используются для орошения сельскохозяйственных земель. Поступление тяжелых металлов в водные экосистемы приводит к загрязнению питьевой воды, рыбной продукции и орошаемых сельскохозяйственных культур, а, следовательно, может иметь тяжелые последствия для здоровья человека.

Дороговизна и недостаточная эффективность способствовали поиску более дешевых и простых способов очистки и/или доочистки сточных вод от тяжелых металлов [1]. К числу таких технологий будущего следует отнести фиторемедиацию промышленных сточных вод, заключающуюся в очистке последних от тяжелых металлов путем их поглощения, аккумуляции или осаждения с помощью высших водных растений (макрофитов) и наземных растений с последующей переработкой, утилизацией или захоронением их загрязненной биомассы на специальных участках. В настоящее время уже разработаны технологии для переработки загрязненных растений для выделения из них металлов [2].

К настоящему времени уже проведен ряд экспериментов по очистке вод, загрязненных тяжелыми металлами, с помощью

водных и некоторых сельскохозяйственных растений: Elodea Canadensis, Potamogeton natans, Helianthus annus, Curcubita maxima и Brassica juncea, Indian mustard, Calama-grostis sp., Zebrina pendula Schnizl., Pereskia aculeate Mill., Nicotiana rustica L., гинура золотистая Gynura aurantiaca Bl. DC и сыть очереднолистная Cyperus alternifolius L..

Предполагается [2], что деревья окажутся особенно удобными для реализации технологии фиторемедиации благодаря большим корневым системам, долгому периоду жизни и огромной надземной биомассе. Это подтверждено в опытах И. А. Золотухина и др. (1995) для тополя черного (Popu-lus nigra L.) и фикуса вишневидного (Ficus cerasiformis Desf.). Так, данные растения за одни сутки заметно снизили содержание Cd, Cu, Zn, Co, Gr и Mn в водном растворе.

Однако естественная способность древесных растений к накоплению металлов относительно невысока. Поэтому повышение аккумуляции и выноса поллютан-тов из водных растворов, посредством применения индукторов этих процессов является вполне целесообразным. К эффективным индукторам фитоэкстракции относятся органические кислоты, являющиеся хелато-образующими агентами. Они действуют как транспортные средства для металлов, снижая их токсичность и облегчая поглощение растениями.

Цель нашей работы - проведение сравнительного изучения влияния различных органических кислот: ЭДТА, лимонной и щавелевой - на повышение поглощения и выноса свинца четырехлетними сеянцами лиственницы сибирской из водного питательного раствора.

lO

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2005

Объекты и методика

Объектами исследований явились четырехлетние сеянцы лиственницы сибирской (Larix sibirica). Внесение свинца в дозе 5мг/л раствора, а также вышеуказанных органических кислот, осуществлялось в дозах 1 ммоль/л раствора 3 раза за вегетационный сезон по схеме: I - Pb, без кислоты; II - Pb + ЭДТА; III - Pb + щавелевая кислота; IV - Pb + лимонная кислота, в восьмикратной по-вторности. Состав питательного раствора был следующим в г/л воды: NH4NO3-0,24; CaHPÜ4 • 2H2O-O,172; MgSO4 безводная-0,06; KCl-0,16; FeCh-0,025; CaSÜ4 • 2H2O-0,344; MnSO4 • 5H2O-0,5; CUSO4 • 5H2O-0,1 и ZnSO4 • 7H2O-0,1 мг/л, при рН в начале опыта = 6,62.

Для анализа растений на содержание в них поллютанта было осуществлено их разделение на части: корни, стволики + ветки и листья, высушивание, измельчение и сжигание в муфельной печи при температуре t = 450°C. После этого пробоподготовка растительного материала производилась по методике [4]. Анализ металлов осуществлялся на атомноабсорбцонном спектрофотометре «Perkin Elmer».

Результаты и обсуждение

По сравнению с другими вариантами в нашем эксперименте наибольшее содержание свинца в корнях растений отмечено в варианте II - с применением ЭДТА. Так, по снижению накопления этого элемента, внесенного в дозе 5 мг/л, варианты можно рас-

положить в следующей последовательности: II - (5Pb + ЭДТА) > III - (5Pb + щав.к-та) > IV - (5Pb + лим.к-та) > I - контроль (5Pb + 0) (табл. 1). Таким образом, применение ЭДТА увеличивает накопление свинца в корнях в

1.4 раза по сравнению с контролем, в вариантах же с применением щавелевой и лимонной кислот, соответственно в 1,2 и 1,1 раза. Аналогичная закономерность сложилась по накоплению свинца в стволиках и листьях лиственниц. Так, в варианте с применением ЭДТА содержание свинца в стволиках возросло в 3 раза, а в варианте с внесением щавелевой и лимонной кислот - в 1,5 и 1,4 раза. В листьях растений варианта II содержание свинца увеличилось в 3,2, а в вариантах III и IV - в 1,6 и 1,5 раза (табл. 1).

В целых растениях варианта с применением ЭДТА содержание свинца в среднем увеличилось в 2,4 раза, а в вариантах с применением щавелевой и лимонной кислот - в

1.5 и 1,4 раза. Так, по мере снижения накопления поллютанта в тканях растений варианты можно расположить в следующей последовательности: II > III > IV > I (табл. 1).

Данная закономерность в аккумуляции свинца растениями зависит от величин констант стабильности комплексов, образуемых этим металлом с вносимыми органическими кислотами. Так, по данным В.А. Рабиновича и З.Я. Хавина [3] наибольшая величина этой константы отмечена для Pb-ЭДТА комплекса, далее по убыванию величин следуют константы комплексов, образованных свинцом с щавелевой и лимонной кислотами.

Таблица 1

Накопление и вынос Pb, часть растения Вариант эксперимента

I II III IV

Накопление Pb, мг/кг корнями 7,93 ± 0,206 10,90 ± 0,204 9,55 ± 0,194 8,88 ± 0,064

стволиками 6,30 ± 0,025 18,92 ± 0,066 9,24 ± 0,134 8,73 ± 0,159

листьями 5,75 ± 0,149 18,64 ± 0,179 8,99 ± 0,142 8,64 ± 0,168

цел. растением 6,66 16,15 9,26 8,75

Вынос РЬ, мг/растение 0,184 0,513 0,277 0,254

Процент выноса РЬ от дозы его внесения в раствор 0,7 2,1 1,1 1,0

Накопление и вынос Pb сеянцами лиственницы из водного раствора

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2005

11

Следует отметить, что во всех вариантах, кроме варианта с применением ЭДТА, свинец накапливался преимущественно в корнях, в то время как в вариантах с применением ЭДТА - в надземных органах. Это также объясняется более высокой константой стабильности РЬ-ЭДТА комплексов и большей их растворимостью, что обеспечивает беспрепятственное прохождение свинцом поясков Каспари в пределах эндодермы [5]. Это облегчает перемещение хелатированного поллютанта в корни по апопластическому пути к сосудам ксилемы для дальнейшего его транспорта в надземные органы.

Нами также был подсчитан средний вынос свинца (мг/растение). Этот показатель оказался наиболее высоким в варианте II -(5РЬ+ЭДТА) и составил 0,573 мг (табл. 1). Это составило соответственно 2,1 от общей дозы внесения данного поллютанта, рассчитанной на сосуд, тогда как в вариантах I, III и IV вынос этого элемента составил соответ-

ственно: 0,7; 1,1 и 1,0 % от общего свинца, внесенного в питательный раствор.

Таким образом, применение органических кислот повышает фитоэкстракцию тяжелых металлов и, тем самым, способствует очистке загрязненных вод. При этом, наиболее эффективной является ЭДТА.

Библиографический список

1. Галиулин Р.В., Галиулина Р.Р. Профилактика загрязнений ландшафтов тяжелыми металлами: фиторемедиация сточных вод // Агрохимия. -№3. - 1999. - С. 84-91.

2. Прасад М.Н. Практическое использование растений для восстановления экосистем, загрязненных металлами // Физиол. раст. - Т. 50. - № 5. - 2003. - С. 764-780.

3. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. - Ленинград: Химия, 1978. - 392 с.

4. Ягодин Б.А., Дерюгин И.П., Жуков Ю.П. и др. Практикум по агрохимии. - М.: Агропромиздат, 1987. - 511 с.

5. Jarvis M.D., Leung D.W.M. Chelated lead transport in Pinus radiata: an ultrastructural study // Environ. and Exp. Botany, 48, 2002, pp. 21-32.