CC BY
75
УДК 581.526,3:(602.4:628.1) (28)
М.Л. Русских, О.А. Арефьева, Л.Н. Ольшанская ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭМИ КВЧ - ДИАПАЗОНА НА РАСТЕНИЯ LEMNA M И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Исследовалось воздействие ионов некоторых тяжелых металлов на растения ряска малая под влиянием электромагнитного излучения квазивысоких частот. Установлено, что электромагнитное излучение повышает выживаемость растений в среде с тяжелыми металлами, стимулирует их рост и способность клеток поглощать токсиканты. При этом выявлено, что на выживаемость растений и поглотительную способность растительной мембраны влияют параметры излучения. Наибольший эффект обнаружен при воздействии излучения на частотах 60 и 145 ГГц с плотностью потока энергии 120 мкВт/см . Обнаруженный эффект может быть использован для усиления процессов очистки воды.
Тяжелые металлы, электромагнитное излучение, сточные воды, проводимость клеточной мембраны
M.L. Russkikh, O.A. Arefjeva, L.N. О^Иашкауа
INFLUENCE OF EMR ENF ON PLANTS LEMNA M. AND THEIR USS IN THE
CLEANING OF SEWAGE
The influence of heavy metals upon plants Lemna under the action of electromagnetic radiation ENF was studied. It was established that the electromagnetic radiation improves survival of plants in an environment with heavy metals, stimulates their growth and ability of cells to absorb toxicants. The absorption capacity of plant membrane of heavy metals is influenced by the parameters of radiation. The maximum effect was rendered by radiation with frequencies of 60 and 145 GHz and energy flux densities of 120 ¡uW/cm , respectively. Absorption observed effect can be used to strengthen the processes of water purification.
Heavy metals, electromagnetic radiation, waste water, the conductivity of the cell membrane
Методы очистки сточных вод от тяжелых металлов, используемые на канализационных очистных сооружениях большинства регионов, не обеспечивают необходимой глубины процессов и являются затратной статьей расходов. Поэтому необходима доочистка стоков. Наиболее эффективными, рациональными и экологичными могут стать способы, основанные на сочетании применения энергии электромагнитных излучений и способности водной растительности аккумулировать токсиканты.
Среди районированных в Саратовской области высших водных растений, неприхотливых и обладающих фитосорбцией выделяют растения ряски малой. Известно [1, 2], что при воздействии электромагнитным излучением квазивысоких частот на растительные клетки достигается увеличение ионного тока через катионрегулирующие мембранные системы (К+, Са+2, №+). Повышение ионного тока через растительные мембраны под воздействием ЭМИ связывают с резонансным действием на слабые водородные связи дипольных молекул воды, с усилением конвекции растворов и ускорением транспорта протонов [3,4,5]. Кроме того, исследования последних лет указывают на увеличение средней продолжительности жизни организмов и выживаемость под воздействием электромагнитного поля [6].
Целью работы является изучение влияния электромагнитного излучения КВЧ-диапазона на процессы сорбции ионов тяжелых металлов растениями ряски с целью разработки технологий усиливающих очистку сточных вод от токсикантов.
Проведена оценка воздействия электромагнитного излучения КВЧ-диапазона низкой интенсивности на динамику численности растений ряска малая. Тест-объекты подвергали в течение 30 мин воздействию резонансных частот (60 Гц и 145 ГГц). Облучение проводили с помощью генератора Г4-142 и высокочастотной установки, источником излучения в которой
являлась лампа обратной волны ЛОВ-87 «А» (диапазон частот 53-75 ГГц и 150170 ГГц). Плотность потока энергии в месте расположения растений составляла 120 мкВт/см2. Использовалось несколько вариантов облучения: 1) ряска облучалась в водном растворе; 2) облучение ряски без водного окружения с последующим высаживанием растений в водный раствор в чашки Петри. Длительность эксперимента составила 8 дней. Определение количества листецов проводился на 2-е сутки и далее через сутки. В каждой чашке подсчитывалось общее количество листецов.
Исследования показали, что ЭМИ оказало стимулирующее действие на скорость роста и размножение ряски (рис. 1). Наибольший эффект наблюдался при облучении тест-объектов на частоте 60 ГГц в двух опытных комбинациях. При воздействии частоты 145 ГГц стимулирование роста наблюдали при облучении ряски, находящейся в водном растворе.
Для оценки сочетанного воздействия резонансных частот и ионов тяжелых металлов на ростовые характеристики, соли (сульфат меди, сульфат цинка, нитрат кадмия) добавлялись в малой на 8 сутки.
Количество листецов, шт 40
35 -
30
25 -
20
15
10 -
5 -
0
ГГц
Рис.1. Численность растений ряски. К-контроль; а - 60 Ггц без водного окружения; б - 60 Ггц +Н20; в - 145 Ггц без водного окружения; г - 145 Г гц+ Н20
Рис. 2. Динамика численности ряски малой в присутствии нитрата кадмия концентрации 1 мг/мл
б
К
а
в
г
Рис. 3. Зависимость изменения концентрации ионов кадмия в растворе от длительности облучения и времени выдержки ряски
В ходе исследований выяснилось, что облученные группы живут несколько дольше контрольных (рис. 2). Полученные результаты позволили перейти к следующему этапу работы. Проведены исследования воздействия электромагнитного излучения КВЧ-диапазона на процессы извлечения ионов тяжелых металлов из сточных вод растениями ряска.
У становлено, что тест-реакция зависит от частоты, интенсивности и продолжительности облучения.
Так как максимальный отклик зарегистрирован при 60 ГГц [2], то последующие эксперименты проводили при этой частоте излучения.
Рассматривая изменение концентрации ионов некоторых тяжелых металлов в пробах нами выявлена зависимость изменения их концентрации в растворе от времени облучения и времени пребывания ряски в растворах сточных вод.
Установлено, что без предварительного облучения ионы кадмия в течение первого часа извлекались из растворов с наиболее высокой скоростью. Остаточная концентрация ионов тяжелых металлов в этом случае оказалась самой низкой - 0,164 мг/л. Эти результаты сравнимы с данными, полученными после воздействия электромагнитного излучения в течении 30 мин (рис. 3). При облучении ряски ЭМИ частотой 60 ГГц и длительности воздействия 5 и 10 мин наблюдается резкое уменьшение концентрации остаточных ионов Сё2+ в растворе. Из данных рис. 3 также следует, что концентрация ионов кадмия начала быстро уменьшаться через 5 часов после облучения и через сутки кадмий в растворе практически не обнаруживался.
Таким образом, можно предположить, что в случае экотоксиканта кадмия электромагнитное излучение оказывает щадящее воздействие на ряску. Концентрация токсичных ионов Сё2+ в фитомассе растений не столь высока, как в контрольной пробе. Вместе с тем известно, что кадмий не участвует в биохимических процессах, протекающих в клетке растений, накапливается в межклеточном пространстве или вакуолях и поэтому не оказывает токсического воздействия на ряску.
Результаты анализа остаточных концентраций ионов цинка в растворах (рис. 4) показали, что в отличие от кадмия наибольшее извлечение ионов цинка происходило в пробах с облученной ряской, по сравнению с контролем, что свидетельствует о повышении поглотительной способности ряски по отношению к цинку при воздействии электромагнитного излучения.
420
Рис. 4. Зависимость изменения концентрации ионов цинка в растворе от длительности облучения и времени выдержки ряски
Рис. 5. Зависимость изменения концентрации ионов меди в растворе от длительности облучения и времени выдержки ряски
Из данных, представленных на рис. 4 видно, что ионы цинка быстрее и лучше утилизировались после облучения в течение 30 мин.
Также как и для Сё2+ по истечении 24 часов изменение остаточной концентрации металла в растворе практически не наблюдалось, и она в зависимости от длительности облучения составляла 0,01 ± 0,002 мг/л (10 и 30 мин, соответственно) и 0,1 ± 0,05 мг/л при длительности облучения 5 и 15 минут.
Ионы железа лучше всего аккумулировались растительной клеткой, не подвергшейся облучению. В пробах, в которых ряска облучалась, наблюдалось уменьшение скорости извлечения ионов железа. Можно предположить, что на ионы железа, обладающими достаточно высокими электромагнитными свойствами, в сравнении с вышеперечисленными металлами, излучение не оказывает существенного влияния. На 7 сутки эксперимента для ряски, подвергшейся облучению в течение 15 мин произошел обратный выброс ионов железа из фитомассы обратно в раствор. Это может свидетельствовать о величине предельного накопления ряски металлом, и одновременно о положительном воздействии излучения на растение в процессе фиторемедиации Бе +.
Анализ данных (рис. 5) по извлечению ионов меди из стоков в начальный период времени (до 60 мин) показал, что Си 2+ лучше извлекались из пробы с необлученной ряской. После выдержки ряски в растворе в течение часа и более в пробах с облучением длительностью 5, 15 и 30 минут наблюдается лучшее извлечение ионов меди, чем в пробе без облучения.
Таким образом, наши результаты подтверждают данные об активации Са2+ - активируемых К+ - каналов растительных клеток после однократного облучения ЭМИ КВЧ-диапазона
Наилучший результат очистки сточной воды от всех исследуемых токсикантов наблюдался на седьмые сутки при облучении растений в воде в течение 30 мин (табл.) при 60 Г гц, что согласуется с результатами других авторов. По эффективности извлечения ионов тяжелых металлов ряской прослеживается следующая зависимость: Сё > Си > Zn > Бе. Эти данные не противоречат авторам работы [7].
Таблица
Изменение эффективности (Э) очистки раствора в зависимости от длительности облучения (т, мин) и времени пребывания ряски (^час) в сульфатных растворах тяжелых металлов
(Сисх = 1 мг/л)
Ме т, мин Э, % Э, % Э, % Э, % Э, % Э, %
1, час 1 5 24 72 120 168
Сс1 к 83,6 94,8 97,1 98,0 98,8 99,0
30 81,8 92,0 99,2 99,5 99,7 99,9
7п к 43,4 51,8 84,0 86,3 89,4 91,7
30 34,7 88,4 90,1 98,2 98,5 99,1
Ре к 26,4 30,5 35,6 47,2 63,0 84,7
30 8,4 50,9 52,8 49,9 46,9 40,3
Си к 8,5 45,7 62,6 80,5 91,4 97,7
30 10,3 27,3 49,9 51,3 75,5 90,6
На основании полученных данных предлагается следующая схема опытнолабораторной установки биологического реактора для очистки и доочистки сточной воды, который представляет железобетонный биопруд, выполненный с водоподводящей и отводящей трубами, в которой на очистку поступает сточная вода. Биопруд населяют растениями ряски. Направленный генератор электромагнитных волн облучает растение, находящееся в растворе. В этом случае происходит ускорение и усиление процесса поглощения токсикантов растениями. Отработанная ряска собирается механически и может быть использована в качестве удобрения в сельском хозяйстве, для производства бумаги, корм скоту (при дозировании).
Выводы
1. Установлено, что наибольшее воздействие излучения на растительные клетки происходит на частотах 60 и 145 Ггц при плотности потока энергии 120 мкВт/см .
2. По эффективности извлечения независимо от длительности облучения и времени выдержки ряски в растворах ионы тяжелых металлов располагаются в ряд: Cd > Cu > Zn > Fe.
3. Установлено, что ЭМИ оказывает различное воздействие на поглотительную способность растительной клетки по извлечению Cd2+, Fe2+, Cu2+ и Zn2+. При этом скорость проникновения Cd2+ через мембрану уменьшается, а скорость проникновения Cu2+ увеличивается.
4. Показано, что длительность облучения ряски оказало влияние на извлечение ионов Zn2+. Наилучший эффект достигался при времени облучения 30 минут.
5. В случае аккумуляции Fe2+, наибольшая скорость достигалась в первые часы нахождения растений в растворе, при времени облучения ряски 30 мин. При воздействии ЭМИ в течение 15 мин растение проявило слабо аккумулирущие свойства и на 7 сутки эксперимента наблюдался обратный выброс ионов в раствор.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зотова Е. А. Влияние комбинированного воздействия электромагнитного излучения и химических реагентов на биологические системы: автореферат диссертации. Саратов: СГУ, 2007. С.10-45.
2. Кулешова М.Л., Арефьева О.А., Ольшанская Л.Н. Оценка влияния электромагнитного излучения КВЧ-диапазона на аккумуляцию меди ряской Lemna m // Татищевские чтения: Актуальные проблемы науки и практики: матер. 7 Междунар. научно-практ. конф. Тольятти: Волжский ун-т им. В.Н. Татищева, 2010. С.8-11.
3. Changes in the state of water, induced by radiofrequency electromagnetic fields / E.E. Fesenko, V.I. Geletyuk, V.N. Kazachenko, N.K. Chemeris // FEBS Letters, 1995. №1. С. 4952.
4. Кожокару А.Ф. Исследование действия низкоинтенсивного ЭМИ радиочастотного диапазона на водные среды и биологические объекты // Современные наукоемкие технологии. 2010. №10. С. 13-18.
5. Бецкий О.В. Миллиметровые волны и живые системы. М.: Сайнс-пресс, 2004. 272 с.
6. Чемерис Н.К., Гапеев А.Б., Фесенко Е.Е. Некоторые физико-химические механизмы действия электромагнитного излучения КВЧ на клетки животных // Электромагнитные поля и здоровье человека. 1999. №1. С.45-46.
7. Samkaram U.K., Philip S. Heavy metal uptake and accumulation by Thypha angustifolia from wetlands around thermal power station // Int. J. Ecol. and Environ. Sci. 1990. № 16. Р. 133-144.
Ольшанская Любовь Николаевна -
доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой «Экология и охрана окружающей среды» Энгельсского технологического института (филиал) Саратовского государственного технического университета имени Г агарина Ю. А.
Арефьева Оксана Анатольевна -
кандидат биологических наук, доцент кафедры «Экология и охрана окружающей среды» Энгельсского технологического института (филиал) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Русских Марина Леонидовна -
аспирант кафедры «Экология и охрана окружающей среды» Энгельсского технологического института (филиал) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 15.02.12, принята к опубликованию 12.03.12
