CC BY
88
ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ
УДК 581.526,3:(602.4:628.1) (28)
ВОЗДЕЙСТВИЕ КВАЗИВЫСОКИХ ЧАСТОТ НА РАСТЕНИЯ РЯСКА МАЛАЯ (LEMNA M.) И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД О.А. Арефьева, доцент, к.б.н., Л.Н. Ольшанская, профессор, д.х.н., М.Л. Русских, аспирант, Энгельсский технологический институт (филиал) ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет, г. Энгельс, Россия
Аннотация. Исследовалось воздействие ионов некоторых тяжелых металлов на растения ряска малая (Lemna m.) под влиянием электромагнитного излучения. Установлено увеличение выживаемости растений в среде с тяжелыми металлами, стимулирование их роста и способности клеток к аккумуляции металлов под действием исследуемого фактора.
Ключевые слова: тяжелые металлы, электромагнитное излучение, сточные воды, проводимость клеточной мембраны.
ВПЛИВ КВАЗІВИСОКИХ ЧАСТОТ НА РОСЛИНИ РЯСКА МАЛА (LEMNA M.) ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ В ОЧИЩЕННІ СТІЧНИХ ВОД О.А. Ареф’єва, доцент, к.б.н., Л.М. Ольшанська, професор, д.х.н., М. Л. Русських, аспірант, Енгельський технологічний інститут (філія) ДОУ ВПО Саратовський державний технічний університет, м. Енгельс, Росія
Анотація. Досліджувався вплив іонів деяких важких металів на рослини ряска мала (Lemna m.) під впливом електромагнітного випромінювання. Встановлено збільшення виживання рослин в середовищі з важкими металами, стимулювання їх росту та здатності клітин до акумуляції металів під дією досліджуваного фактора.
Ключові слова: важкі метали, електромагнітне випромінювання, стічні води, провідність клітинної мембрани.
INFLUENCE OF ENF ELECTROMAGNETIC RADIATION ON LEMNA M. PLANTS AND THEIR APPLICATION AT SEWAGE CLEANING
O. Arefieva, Associate Professor, Candidate of Biological Science, L. Olshanskaya, Professor, Doctor of Chemical Science, M. Russkyh, postgraduate, Engels Technological Institute (branch) Saratov State Technical University, Engels, Russia
Abstract. The influence of heavy metals upon Lemna m. plants under the action of electromagnetic radiation is studied. It is established that the electromagnetic radiation improves the survival of plants in an environment with heavy metals, stimulates their growth and the ability of cells to absorb toxicants.
Key words: heavy metals, electromagnetic radiation, waste water, conductivity of cell membrane.
Введение очистных сооружениях большинства регио-
нов, не обеспечивают необходимой глубины Методы очистки сточных вод от тяжелых процессов и являются затратной статьей рас-
металлов, используемые на канализационных ходов.
Наиболее эффективными, рациональными и экологичными могут стать способы, основанные на сочетании применения энергии электромагнитных излучений и способности водной растительности аккумулировать токсиканты.
Анализ публикаций
Среди районированных в Саратовской области высших водных растений, неприхотливых и обладающих фитосорбцией, выделяют растения ряски малой (Lemna M.). Известно [1], что при воздействии электромагнитным излучением квазивысоких частот на растительные клетки достигается увеличение ионного тока через катионрегулирующие мембранные системы (К+, Са2+, Na). 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 [2, 3, 4].
Кроме того, исследования последних лет указывают на увеличение средней продолжительности жизни организмов и выживаемость под воздействием электромагнитного поля [5].
Цель и постановка задачи
Целью работы явилось изучение влияния электромагнитного излучения КВЧ-диапа-зона на процессы сорбции ионов тяжелых металлов растениями ряски, с целью разработки технологий, усиливающих очистку сточных вод от токсикантов.
Изучение сочетанного воздействия квази-высоких частот и тяжелых металлов на растение ряска малая (Lemna m.)
Была 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 150-170 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. Подсчет 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 питательную среду для тест-объектов до конечной концентрации 1 мг/мл. Были выбраны следующие условия эксперимента: 1) раствор тяжелых металлов с тест-объектами без воздействия ЭМИ КВЧ (Контроль); 2) одновременное воздействие ЭМИ КВЧ и растворов тяжелых металлов на тест-объекты; 3) предварительно облученные
ЭМИ КВЧ тест-объекты с последующим высаживанием их в раствор с солями металлов.
В ходе исследований выяснилось, что облученные группы живут несколько дольше контрольных (рис. 2). Полученные результаты позволили перейти к следующему этапу работы. Были проведены исследования воздействия электромагнитного излучения КВЧ-диапазона на процессы извлечения ионов тяжелых металлов из сточных вод растениями ряска.
Было установлено, что тест-реакция зависит от частоты, интенсивности и продолжительности облучения. Так как максимальный отклик зарегистрирован при 60 ГГц [1], все последующие эксперименты проводили при данной частоте излучения.
Рассматривая изменение концентрации ионов некоторых тяжелых металлов в пробах, нами выявлена зависимость изменения их концен-
трации в растворе от времени облучения и времени пребывания ряски в растворах сточных вод.
Количество листецов, шт
40
35 -30 25 -20 -15 10 -5 0
ГГц
Рис. 1. Численность растений ряски малой на 8-е сутки: К - контроль; а - 60 ГГц без водного окружения; б - 60 ГГц +Н20; в - 145 ГГц без водного окружения; г -145 ГГц+ Н2О
Численность листецов
20'
10'
ІІІІ
■ВО-Гги
■ 14БГЩ+Н20
■ К
□ ■145ГШ дво-гщшго1
Дни
Рис. 2. Динамика численности ряски малой в присутствии нитрата кадмия концентрации 1 мг/мл
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 течение 30 мин (рис. 3). При облучении ряски ЭМИ частотой 60 ГГц и длительности воздействия 5 и 10 мин наблюдается резкое уменьшение концентрации остаточных ионов С^+ в растворе. Из данных рис. 3 также следует, что концентрация ионов кадмия начала быстро уменьшаться уже 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 воз-
действие на ряску. Концентрация токсичных ионов С^+ 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. 3) 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.
Рис. 3. Зависимость изменения концентрации ионов кадмия в растворе от длительности облучения и времени выдержки ряски
Из данных, представленных на рис. 4, видно, что ионы цинка быстрее и лучше всего утилизировались после облучения в течение 30 мин.
Рис. 4. Зависимость изменения концентрации ионов цинка в растворе от длительности облучения и времени выдержки ряски
Также как и для С^+, по истечении 24 часов изменение остаточной концентрации металла
К
б
а
в
г
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 (рис. 5) 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, обладающие достаточно высокими электромагнитными свойствами, в сравнении с вышеперечисленными металлами, излучение не оказывает существенного влияния.
Рис. 5. Зависимость изменения концентрации ионов железа в растворе от длительности облучения и времени выдержки ряски
Из рис. 5 также следует, что на 7-е 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 ряской металла и одновременно о положительном воздействии излучения на растение в процессе фиторемедиации Бе2+.
Анализ данных (рис. 6) по извлечению ионов меди из стоков в начальный период времени (до 60 мин) показал, что Си2+ лучше всего 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.
Рис. 6. Зависимость изменения концентрации ионов меди в растворе от длительности облучения и времени выдержки ряски
Наилучший результат очистки сточной воды от всех исследуемых токсикантов наблюдался на седьмые сутки при облучении растений в воде в течение 30 мин (табл. 1) при 60 ГГц, что согласуется с результатами других авторов. По эффективности извлечения ионов тяжелых металлов ряской прослеживается следующая зависимость: Cd > Си > 2п > Бе. Эти данные не противоречат авторам работы [6].
Таблица 1 Изменение эффективности (Э) очистки раствора в зависимости от длительности облучения (т, мин) и времени пребывания ряски (t. час) в сульфатных растворах тяжелых металлов (Си^у = 1 мг/л)
Ме т, мин
t, час 1 5 24 72 120 168
са 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
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
Бе 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 может быть предложена схема опытно-лабораторной установки биологического реактора для очистки и доочистки сточной воды, который представляет собой железобетонный биопруд, выполненный с водоподводящей и отводящей трубами, куда 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, на корм скоту (при дозировании).
Предлагаемая технология позволит решить основные проблемы экологии - очистка сточных вод с минимальными затратами, быстрота и утилизация отходов.
Выводы
Установлено, что наибольшее воздействие излучения на растительные клетки происходит на частотах 60 и 145 ГГц при плотности потока энергии 120 мкВт/см2.
По эффективности извлечения независимо от длительности облучения и времени выдержки ряски в растворах ионы тяжелых металлов располагаются в ряд: Cd > Си > 2п > Бе.
Установлено, что ЭМИ оказывает различное воздействие на поглотительную способность растительной клетки по извлечению Cd2+, Бе2+, Си2+ и 2п2+. При этом скорость проникновения Cd2+ через мембрану уменьшается, а скорость проникновения ^2+ увеличивается.
Показано, что длительность облучения ряски оказала влияние на извлечение ионов 2п2+. Наилучший эффект достигался при времени облучения 30 минут.
В случае аккумуляции Бе2+ 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 аккуму-лирущие свойства и уже на 7-е сутки эксперимента наблюдался обратный выброс ионов в раствор.
Литература
1. Кулешова М. Л. Оценка влияния электро-
магнитного излучения КВЧ-диапазона на аккумуляцию меди ряской Lemna m. / М.Л. Кулешова, О.А. Арефьева, Л.Н. Ольшанская // Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики : материалы 7-й междунар. научно-практ. конф., 15-18 апр. 2010 г. - Тольятти : Волжский ун-т им. В.Н. Татищева, 2010. - С. 8-11.
2. Fesenko E. Changes in the state of water, in-
duced by radiofrequency electromagnetic fields / E. Fesenko, V. Geletyuk, V. Kazachenko, N. Chemeris // FEBS Letters. -1995. - № 1. - P. 49-52.
3. Кожокару А.Ф. Исследование действия
низкоинтенсивного ЭМИ радиочастотного диапазона на водные среды и биологические объекты / А.Ф. Кожокару // Современные наукоемкие технологии. -2010. - № 10. - С. 13-18.
4. Бецкий О. В. Миллиметровые волны и жи-
вые системы / О.В. Бецкий. - М. : Сайнс-пресс, 2004. - 272 с.
5. Чемерис Н.К. Некоторые физико-хими-
ческие механизмы действия электромагнитного излучения КВЧ на клетки животных / Н.К. Чемерис, А.Б. Гапеев, Е.Е. Фесенко // Электромагнитные поля и здоровье человека. - 1999. - № 1. -С.45-46.
6. Samkaram U. Heavy metal uptake and accu-
mulation by Thypha angustifolia from weltlands around thermal poweer station / U. Samkaram, S. Philip. // Int. J. Ecol. and Environ. Sci. - 1990. - № 16. - Р. 133-144.
Рецензент: В.А. Юрченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 29 октября 2010 г.
