CC BY
48
УДК 504.4:628.32
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛИСТОСТЕБЕЛЬНЫХ МХОВ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
© Д.В. Ульрих1, С.С. Тимофеева2, М.Н. Брюхов3
1Южно-Уральский государственный университет,
454000, Россия, г. Челябинск, пр. Ленина, 76.
2 3
, Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Дан анализ применения фитотехнологий, направленных на рекультивацию нарушенных земель. Для разработки фитотехнологий произведено исследование листостебельных мхов рода скорпидий или скорпидиум Scorpidium ^сЫтр.) Limpr. Выявлена динамика извлечения мышьяка из сточных вод в присутствии листостебельного мха скорпидиум скорпионовидный и накопления его в растении.
Табл. 3. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: фитотехнологии; тяжелые металлы; биота; поллютанты; макрофиты; аккумуляция металлов.
POSSIBILITIES TO USE LEAFY MOSS IN WASTEWATER TREATMENT D.V. Ulrikh, S.S. Timofeeva, M.N. Bryukhov
South Ural State University,
76 Lenin pr., Chelyabinsk, 454000, Russia.
Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article analyzes the application of phytotechnologies intended for recultivation of disturbed soils. The leafy mosses of Scorpidium (Schimp.) Limpr. genus have been studied in order to develop phytotechnologies. Dynamics of arsenic extraction from wastewaters in the presence of the leafy moss of Scorpidium scorpioides and its accumulation in the plant is identified.
3 tables. 7 sources.
Key words: phytotechnologies; heavy metals; biota; pollutants; macrophytes; metal accumulation.
В последнее время в практике внедрения экобио-защитных технологий, обеспечивающих сохранение окружающей среды, все чаще стали применяться фитотехнологии. Этим термином обозначают защитновосстановительные мероприятия для окружающей среды с использованием растительности. Они используются для охраны атмосферного воздуха жилых массивов от пылегазовых выбросов промышленных предприятий путем высаживания древесно-кустарниковых насаждений определенной ширины вдоль автомагистралей и железных дорог и создания санитарнозащитной зоны. Эти посадки дорог локализуют и очищают отработанные транспортные выбросы, при этом в качестве растений используют именно те, что обладают высокой поглотительной способностью по отношению к пыли и токсичным газам.
Фитотехнологии применяют для рекультивации земельных участков, нарушенных вследствие естественного или техногенного повреждения. Высев определенных видов трав и посадка кустарников за-
щищают почвы от водной и ветровой эрозии. В водоохранных зонах создают фитофильтрационные полосы, препятствующие поступлению в водоемы загрязнений с поверхностным стоком, несущим в реки продукты эрозии почв, остатки ядохимикатов и минеральных удобрений.
Фитотехнология внедряется при глубокой или дополнительной очистке (доочистке) сточных вод с применением высшей водной растительности, которая успешно используется во многих странах мира на протяжении последних 50 лет.
Более 30 лет под руководством профессора С.С.Тимофеевой ведутся исследования по разработке и внедрению фитотехнологий очистки сточных и обезвреживания отходов в условиях резко континентального климата [1-4]. Водные растения по биомассе живого вещества в водоемах занимают лидирующее положение и выполняют двоякую роль:
- являются стимуляторами жизнедеятельности микроорганизмов;
1Ульрих Дмитрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения и водоотведения, тел.: (351) 2679666.
Ulrikh Dmitry, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Water Supply and Sanitation, tel.: (351) 2679666.
2Тимофеева Светлана Семеновна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой промэкологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: (3952) 405106.
Timofeeva Svetlana, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: (3952) 405106.
Брюхов Михаил Николаевич, аспирант, тел.: (351) 2679666.
Bryukhov Mikhail, Postgraduate, tel.: (351) 2679666.
- поглощают загрязняющие вещества, регулируют солевое равновесие.
Водные растения (гидрофиты) в водоемах выполняют следующие основные функции:
- фильтрационную (способствуют осаждению взвешенных веществ);
- поглотительную (поглощают биогенные элементы, некоторые органические вещества);
- накопительную (способны накапливать некоторые металлы и трудно разлагаемые органические соединения);
- санитарную (обладают бактерицидными свойствами);
- окислительную (в процессе фотосинтеза обогащают воду кислородом);
- детоксикационную (способны накапливать токсичные вещества и превращать их в нетоксичные).
Доминирование у растений той или иной функции зависит от вида растения, его принадлежности к той или иной экологической группе, стадии вегетации, характера загрязнения и т.д.
В практике фитотехнологической обработки сточных вод чаще всего используют три основных группы водных растений:
- гидатофиты - погруженные растения, весь жизненный цикл которых проходит под водой, основная растительная масса находится в толще воды;
- нейстофиты - растения с плавающими ассимиляционными органами. У них большая часть вегетативных побегов и листьев плавает на поверхности воды, иначе их называют свободноплавающими;
- гелофиты - воздушно-водные растения с побегами, часть которых находится в воде, часть над поверхностью. Гелофиты - это промежуточная группа между водными и сухопутными растениями.
При разработке фитотехнологии очистки сточных вод необходимо из местной флоры подобрать растения, которые бы по технологическим параметрам были оптимальными.
Перед авторами была поставлена задача найти из местной флоры Южно-Уральского региона растения, которые можно рекомендовать для использования в фиторемидиации воды на территории, подверженной воздействию Карабашского медеплавильного комбината.
Многолетняя добыча на территории г. Карабаша колчеданных руд и обработка их на Карабашском медеплавильном комбинате нанесли ущерб окружающей природной среде, в том числе и водным объектам. Особенно техногенному загрязнению подверглись бассейны рек Сак-Элга, Аткус и Аргазинское водохранилище. Отходы производства обогатительной фабрики до ее закрытия в 1989 г. сбрасывались в реку Сак-Элга и специально созданные хвостохранилища. Вследствие сброса «хвостов» в пойме р. Сак-Элга и непосредственно в хвостохранилищах образовались обширные площади (и объемы) отложений, сложенных сульфидными материалами, которые окисляются на поверхности под воздействием воды и воздуха. Исследование данной территории позволило установить, что происходит смыв «хвостов» в Аргазинское
водохранилище, благодаря чему наблюдается многократное превышение ПДК по меди, цинку, марганцу, железу. Ретроспективный анализ показывает, что в течение многих лет происходит и будет происходить транспортировка токсичных элементов поверхностными и подземными водами в Аргазинское водохранилище - источник водоснабжения Челябинского промышленного узла. Источниками загрязнения рек Сак-Элга и Аткус являются:
- загрязненные газопылевыми выбросами в результате их аэразольного переноса почвы водосборов;
- промышленные и хозбытовые сточные воды г. Карабаша;
- пруд-отстойник (шламонакопитель) нейтрализованных рудничных вод шахты «Центральная»;
- кислые прудки, образовавшиеся вследствие затопления отработанной шахты «Южная»;
- Рыжий ручей, собирающий ливневые и промышленные стоки с комбината, прилегающей территории и горы Золотой;
- отложения сульфидно-силикатного состава -«хвосты» в речной пойме;
- дренаж хвостохранилищ и хозбытовые сточные воды г. Карабаша;
- сточные воды городской ливневой канализации.
Основными загрязнителями на данной территории
являются тяжелые металлы (ТМ), которые способны аккумулироваться в биоте. Из химических элементов приоритетными загрязнителями являются медь, цинк, железо, свинец, мышьяк, кадмий и другие. Многие ТМ обладают большим сродством к физиологически важным органическим соединениям (например, к ферментам) и способны их инактивировать. Избыточное поступление ТМ в живые организмы нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие. В сельском хозяйстве это отражается на качестве продукции и в снижении её выхода. В овощных и кормовых культурах накопление ТМ нередко достигает опасного для людей и животных уровня без заметных внешних проявлений. Поступившие в организм человека ТМ выводятся очень медленно, и даже небольшие их поступления с пищей могут вызвать кумулятивный эффект. Поглощение ТМ растениями может происходить как через корни (пассивное и активное - метаболическое), так и через наземные части растений. Пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из внешнего раствора в эндодерму корней, а при активном необходимы затраты энергии метаболических процессов, и оно направлено против химических градиентов. Покровная ткань корней обладает значительной адсорбирующей способностью, и поступление ионов металлов из почвы в надземную часть может тормозиться за счет этого барьера. Основная часть ТМ находится в эпидермисе и эндодерме корней, а поступающий в ксилему надземных органов поток элементов значительно очищается от загрязнителей. Высокое содержание ТМ в почве слабо отражается на их концентрации в плодах и семенах. ТМ распределяются по органам растений в следующем порядке: кор-ни>стебли>листья>плоды (семена). Корневая система
растений может активно переводить микроэлементы, связанные с различными компонентами почвы, в подвижное состояние.
На начальном этапе разработки фитотехнологии нами было проведено обследование территории, ближайших водотоков, болот и установлено, что наиболее распространенными видами на данной территории являются листостебельные мхи, в частности представители рода скорпидий или скорпидиум Scorpidium (Schimp.) Limpr. Это широко распространенный вид двудомных болотных и водных мхов, образующих очень рыхлые, блестящие, от желтоватозеленых до почти черных дерновинки. Растение имеет прямостоячие, лежачие или плавающие, вздутооблиственные, без парафиллов, с крючковатоизогнутыми, утолщенными окончаниями ветвей стебли, прямые и прямоотстоящие или серповидно согнутые и обращенные в одну сторону, сильновогнутые, без складок, от яйцевидных до яйцевидно-ланцетных, с закругленной колпачковидной или с остроконечной верхушкой, цельнокрайние, с более или менее короткой, часто неясновильчатой жилкой или без жилки листья.
Данный вид широко распространен в Арктике и на севере бореальной зоны; относительно недалеко проникает на юг в горах Евразии - до Центральной Европы, Алтая, севера Монголии, в то время как в Америке по Андам он заходит в Центральную и Южную Америку. В европейской части России он относительно нередко встречается в Карелии и на Кольском полуострове, но южнее становится очень редким. Этот вид обычно растет в мочажинах и озерках болотных комплексов, питаемых сильно минерализованными грунтовыми водами; иногда растения лежат в пятнах сильно обводненного, никогда полностью не пересыхающего торфа. Встречается на территории Восточной Сибири, в озере Байкал на глубине 0,5-1,5 м в устье р. Сарма, в Чивыркуйском заливе, губах Мужи-най, Слюдянка, устье р. Верхняя Ангара.
Исследования возможности использования данного растения в качестве компонента биоценоза для очистки сточных вод нами были выполнены в условиях лабораторного и натурного моделирования биоплато.
В условиях лабораторного моделирования в сосуды емкостью 3-5 л помещали определенные навески растений из расчета 1-10 г/л, заполняли исследуемыми сточными водами, экспонировали в термолюмино-стате при освещенности 2-3,5 тыс. лк и температуре от 0 до 25оС. Спустя определенные интервалы времени отбирали пробы и анализировали остаточное содержание металлов. Во всех исследованиях параллельно ставили контрольные эксперименты: сточные воды без растений, с инактивированными растениями.
В условиях натурного моделирования создавали искусственное биоплато на участке хвостохранилища, высаживая скорпидиум из расчета 20 дерновин на кв. м, и подавали сточную воду, после экспозиции через определенное время отбирали пробы для анализа на содержание металлов. Содержание металлов в воде
определяли колориметрическим методом по известными методикам. Пробы растений после тщательного ополаскивания последовательно высушивали до воздушно-сухого, а затем абсолютно сухого состояния и озоляли до белой золы в муфельной печи при 450оС . Содержание металлов в золе растений определяли методом плазменной !БР спектроскопии в лаборатории кафедры водоснабжения и водоотведения ЮжноУральского государственного университета.
Экспериментально установлено, что скорпидиум скорпионовидный накапливает в листьях (%) до 0,05 Cd, 0,09 Си, 0,013 РЬ, 2,15 Ре, 0,6 гп, 0,03 Лб.; в корнях до 0,03 Cd, 0,3 Си, 0,16 РЬ, 10,3 Ре, 0,7 гп, 0,01 Лб при экспозиции в сточной воде в течение 7 суток.
Для характеристики процессов накопления загрязнителей в растениях используют не только абсолютные содержания веществ в растительных тканях, но и коэффициент биологического поглощения или коэффициент накопления элементов [5]. Коэффициент накопления элемента - это величина, которая рассчитывается как отношение концентрации элемента в золе водных растений к его содержанию в донных отложениях: Кн =Сраст/Сдо. Коэффициент накопления свидетельствует о наличии факта «контроля» со стороны растений за поступлением загрязнителей в метаболически важные центры и позволяет косвенно судить о степени доступности элемента в среде обитания для растительных организмов и о поведении поллютантов в системе «среда обитания - растение».
По величине аккумуляции металлов, макрофиты условно подразделяют на макро-, микро- и деконцентраторы [6]. К макроконцентраторам относят растения с Кн > 2, к микро - с Кн =1-2 и к деконцентраторам - с Кн <1. Один и тот же вид при разных уровнях содержания металлов в донных отложениях может одновременно относиться к разным классификационным группам. По характеру накопления и распределения металлов в зависимости от содержания их в среде обитания растения также делят на 3 группы [7]: 1) «накопители» - характеризуются повышенным содержанием металлов в органах независимо от концентрации последних в среде обитания (Кн >1); 2) «индикаторы» -поглощение металлов пропорционально их концентрации в среде обитания (Кн =1); 3) «исключители» -концентрация данного металла поддерживается на постоянно низком уровне независимо от внешних концентраций (Кн <<1). Предполагается, что механизмы устойчивости растений к токсичности отдельных тяжелых металлов действуют независимо один от другого. Для растений характерно наличие активной «внутренней» детоксикации соединений металлов. Растения разных групп различаются местом, где происходит обезвреживание: у «накопителей» оно осуществляется, главным образом, в надземной части, а у «исклю-чителей» - в корнях.
В качестве примера в табл. 1 приведены результаты экспериментальных исследований по накоплению мышьяка в скорпидиуме скорпионовидном из модельной сточной воды при экспозиции в течение 21 суток и биомассе растений 10 г/дм3.
Таблица 1
Динамика извлечения мышьяка из сточных вод в присутствии листостебельного мха скорпидиум ___________________________скорпионовидный и накопления в растении____________________________
Время, сут. Удержание As в листе, % Удержание As в корне, % К накопл. в листе К накопл. в корне
0 7 14 21
3 Концентрация As в воде, мг/дм
2 0,5 0,4 0,1 0,0005 0,0025 24,5 13
5 1 0,5 0,2 0,0012 0,005 24 10
7 1,5 0,7 0,35 0,0017 0,008 24 11,4
8,5 2 1,5 0,9 0,002 0,011 23,5 12,9
10 3 2 1,2 0,0023 0,013 25 13
12 5,2 2,25 1,5 0,003 0,016 25 13,3
14 5,6 2,5 1,6 0,03
В условиях натурного моделирования в летний период 2013 г. на экспериментальной ботанической площадке, площадь 100 м2, объём 100 м3, расположенной в зашламованной пиритом пойме р. Сак-Элга, исследовали накопление металлов посадками скор-пидиума скорпионовидного из сточных вод (табл. 2).
Установлено, что биомасса растений в течение 3 месяцев эксперимента на биоплато увеличилась примерно в 3-4 раза (табл. 3).
Таблица 2 Накопление тяжелых металлов скорпидиумом скорпионовидным_________
Металлы Cd2+ Cu2+ Pb2+ Fe Zn AsY+
Листья, % 0,22 0,05 0,13 2,13 0,66 0,01
Корень, % 0,03 0,3 0,16 10 0,7 0,05
Поглощено, мг/кг 86,0 629 510 2127 234 108
Таблица 3 Прирост биомассы скорпидиума скорпионовидного на биоплато_________
Дата отбора Количество растений на 1 кв.м Вес наземной части, кг Вес подземной части, кг
15.06 20 0,35 0,94
15.07 25 1,22 2,18
15.09 20 1,21 2,015
Таким образом, результатами лабораторных и натурный испытаний доказана возможность и целесообразность использования листостебельного мха -скорпидиума скорпионовидного в качестве компонента фитоценоза гидроботанических очистных сооружений. Скорпидиум скорпионовидный относится к растениям-макроконцентраторам тяжелых металлов. Растения способствуют изменению рН и соосаждению металлов в виде гидроксидов.
Библиографический список
1. Тимофеева С.С., Русецкая Г.Д. Роль макрофитов в обезвреживании флотореагентов // Водные ресурсы. 1989. №4. С.130-134.
2. Тимофеева С.С., Бейм А.М. Роль макрофитов в обезвреживании хлорированных фенолов // Водные ресурсы. 1992. №1. С.89-96.
3. Тимофеева С.С., Меньшикова О.А. Использование макрофитов для интенсификации биологической очистки роданидсодержащих сточных вод // Водные ресурсы.1985. №6. С.80-85.
4. Тимофеева С.С., Тимофеев С.С. Биотехнологическая
очистка сточных вод объектов нефтедобычи // Безопасность в техносфере. 2010. №4.-20. С.12-16.
5. Ялынская Н.С., Лопотун А.Г. Накопление микроэлементов и тяжелых металлов в растениях рыбоводных прудов // Гидробиологический журнал. 1993. Т.29, №5. С.40-46.
6. Никаноров А.М., Жулидов А.В., Емец В.М. Тяжелые металлы в организмах ветлендов России. СПб.: Гидроме-теоиздат, 1993. 282 с.
7. Лукина Л.Ф., Смирнова Н.Н. Физиология высших водных растений. Киев: Наукова думка, 1998. 184 с.
