Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №40 (декабрь) 2016
Разделы: Экология
Размещена 07.12.2016. Последняя правка: 14.12.2016.

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЯСКИ ГОРБАТОЙ (LEMNA GIBBA L.), ПИСТИИ ТЕЛОРЕЗОВИДНОЙ (PISTIA STRATIOTES) И РОГОЛИСТНИКА ПОГРУЖЕННОГО ТЕМНО-ЗЕЛЕНОГО (CERATOPHILLUM DEMERSUM L.) ДЛЯ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ ИЗ ВОДНОЙ СРЕДЫ ИОНОВ Мn2+

Каменец Алексей Федорович

Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.

аспирант кафедры Природная и техносферная безопасность

Рогачева Светлана Михайловна, доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры Природная и техносферная безопасность Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А.


Аннотация:
Показано, что в результате процесса культивирования пистии телорезовидной (Pistia stratiotes), ряски горбатой (Lemna gibba L.) и роголистника погруженного темно-зеленого (Ceratophillum demersum L.) концентрация марганца в воде уменьшается, а в растении увеличивается, что свидетельствует о накоплении металла в биомассе растений. При этом пистия телорезовидная обладает более выраженной способностью аккумулировать ионы марганца (II), чем ряска горбатая и роголистник погруженный темно-зеленый, хотя последние два растения также имеют хорошую способность к биоремедиации.


Abstract:
It is shown that as a result of process of cultivation of a Pistia stratiotes, Lemna gibba L. and the Ceratophillum demersum L. concentration of manganese in water decreases, and in a plant increases, that demonstrates accumulation of metal in biomass of plants. At the same time the P. stratiotes layered has more expressed ability to accumulate ions of manganese (II), than a L. gibba L. and the C. demersum L., though the last two plants also have good ability to bioremediation.


Ключевые слова:
марганец; биоремедиация; тяжелые металлы; Lemna gibba L.; Pistia stratiotes; Ceratophillum demersum L.

Keywords:
manganese; bioremediation; heavy metals; Lemna gibba L.; Pistia stratiotes; Ceratophillum demersum L.


УДК 574.52 : 57.044

Введение

В настоящее время особое значение приобретает проблема очистки сточных вод и вод естественных и искусственных водоемов от большого количества загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов [1]. Существуют три основных группы методов очистки вод: физические, химические и биологические [2]. Именно последняя группа методов, названная биоремедиацией, в последнее время используется все шире благодаря относительной дешевизне и простоте выполнения. Биоремедиация – это одна из способностей природы к самоочищению при воздействии антропогенных загрязнителей. Чаще данный термин используется в значении комплекса методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов – растений, грибов, насекомых, червей и других организмов [3]. В особую группу выделяют очищение вод с помощью зеленых растений – фиторемедиацию, так как высшие растения, в отличие от микроорганизмов, способны накапливать соли тяжелых металлов, долго оставаясь живыми, при этом легче утилизировать их отмершие остатки с накопленными ядовитыми веществами [4]. В настоящее время уже разработаны и активно применяются на практике методики использования нескольких растений-гидробионтов, но важно расширить перечень используемых растений для очистки водоемов, в том числе и от тяжелых металлов [5].

Цель исследования: изучить способности к фиторемедиации и установить возможности использования ряски горбатой (Lemna gibba L.), пистии телорезовидной (Pistia stratiotes) и роголистника погруженного темно-зеленого (Ceratophillum demersum L.) в качестве биосорбентов ионов марганца (II) в водной среде.

Материалы и методы

В работе использовали высшие растения: 1) ряска горбатая (Lemna gibba L.); 2) пистия телорезовидная (Pistia stratiotes); 3) роголистник погруженный темно-зеленый (Ceratophillum demersum L.). Культивирование проводили на отстоянной водопроводной воде при естественном освещении и комнатной температуре (22-25°С) с внесенным в нее сернокислого марганца (II) 1-водного марки «ч» по ГОСТ 435-77, ООО «ЛАБТЕХ», Россия; pH=7. Концентрация марганца в контрольном растворе составила 0,0067 мг/л.

Для создания модельных растворов, загрязненных ионами Mn2+, в образцы отстоянной водопроводной воды вносили соль MnSO4∙H2O до получения определенной концентрации и тщательно перемешивали. В экспериментах использовали образцы растворов: К1 – контрольный образец без добавления ионов Mn2+; К2 – контрольный образец без высадки растений (для вычета влияния физико-химических факторов на изменение концентрации ионов Mn2+); Э – экспериментальный образец концентрацией ионов Mn2+ 0,3 мг/л (30 ПДК). В модельные растворы высаживали растения: ряску горбатую (L. gibba L.), пистию телорезовидную (P. stratiotes) и роголистник погруженный темно-зеленый (C. demersum L.). Ряску горбатую (L. gibba L.) и пистию телорезовидную (P. stratiotes) помещали в контейнеры с раствором объемом 0,5 л, а роголистник погруженный темно-зеленый (C. demersum L.) – в контейнеры с раствором объемом 2,5 л. Опыт осуществляли в трех повторностях. Эксперимент проводили на протяжении 24 дней в мае месяце, в застекленной теплице, в условиях естественного освещения при температуре 22-25°С.

Через 24 дня растения извлекали из раствора, промывали и сушили на воздухе при комнатной температуре, затем – в сушильном шкафу марки СНОЛ-3,5И (Россия) при температуре 50-60°С в течение 3-4 ч до постоянной массы. После высушивания охлаждали в эксикаторе с хлористым кальцием в течение 2 ч. Высушенные пробы измельчали дисковым истирателем до частиц размером 50-70 мкм.

Анализ содержания марганца в подготовленных пробах воды и фитомассе проводили рентгенофлуоресцентным способом на спектроскане «Макс-G» (Россия) [6].

Результаты и обсуждение

Выбор ряски горбатой (L. gibba L.), пистии телорезовидной (P. stratiotes) и роголистника погруженного темно-зеленого (C. demersum L.) обусловлен их способностью извлекать из водных растворов тяжелые металлы, а также простотой сбора растений для их удаления из водоема и довольно высокой стойкостью данных растений к высоким концентрациям тяжелых металлов в водных растворах [7,8].

Растения высаживали в водные растворы, загрязненные ионами Mn2+ концентрацией 30 ПДК металла в воде. Значение ПДК Mn2+ в воде для рыб хозяйственного назначения составляет 0,01 мг/л воды [9].

Растения культивировали в течение 24 суток на загрязненной воде. Далее была проведена оценка фиторемедиационной способности растений. Для этого после культивирования контрольные и испытуемые образцы растений анализировали на содержание марганца.

В результате процесса культивирования ряски, пистии и роголистника концентрация марганца в воде уменьшается, а в растении увеличивается. Это свидетельствует о накоплении металла в биомассе растений. Самое большое изменение содержания массы марганца в экспериментальном растворе наблюдалось в эксперименте с пистией. Результаты исследования приведены в таблице 1.

Таблица 1. Среднее содержание марганца в образцах воды до и после культивирования L. gibba L., C. demersum L. и P. stratiotes

Название растения

Образцы растений

Соотношение биомассы растений к объему воды, г/л

Масса марганца в воде до начала эксперимента, мг

Масса марганца в воде после завершения эксперимента в мг

L. gibba L.

К1

6,1800±0,0048

0,0034±0,0006

0,0011±0,0003

К2

-

0,1520±0,0007

0,1500±0,0039

Э

10,8420±0,0417

0,1520±0,0007

0,1303±0,0008

C. demersum L.

К1

5,6625±0,0689

0,0168±0,0003

0,0151±0,0005

К2

-

0,7654±0,0050

0,7643±0,0018

Э

3,9437±0,0120

0,7654±0,0050

0,7389±0,0020

P. stratiotes

К1

9,7700±0,0028

0,0034±0,0013

0,0019±0,0005

К2

-

0,1515±0,0006

0,1501±0,0040

Э

9,5100±0,0029

0,1515±0,0006

0,1140±0,0064

На рис. 1 приведены значения изменения концентрации марганца в воде в результате культивирования L. gibba L., C. demersum L. и P. stratiotes, из которых видно, что в экспериментальном образце с P. stratiotes больше металла переходит из воды в растение.

Рисунок 1. Изменение концентрации марганца в воде (мг/л) в результате культивирования L. gibba L., C. demersum L. и P. stratiotes в зависимости от исходной концентрации металла.

Рассчитана степень поглощения марганца L. gibba L., C. demersum L. и P. stratiotes (рис. 2) по формуле (1):

Э=((m1-m2)/m1)·100%,                                                (1)

где m1 – масса металла в воде до культивирования растений, а m2 – масса металла в воде после культивирования растений.

Из диаграммы (рис. 2) видно, что наибольшая степень поглощения марганца зафиксирована L. gibba L. и P. stratiotes в контрольных (концентрацией 0,0067 мг/л) и экспериментальных (концентрацией 0,3067 мг/л) образцах. В контрольном растворе растения L. gibba L. и P. stratiotes используют 38,2 и 32,4% общего Mn2+ соответственно для своего роста и развития. В случае загрязнения воды металлом на уровне 30 ПДК степень поглощения марганца у L. gibba L. составляет 13,7%, у P. stratiotes – 24,8%.

Рисунок 2. Степень поглощения марганца L. gibba L., C. demersum L. и P. stratiotes в процентах

Если принять, что изменение концентрации марганца в воде обусловлено его аккумуляцией в растительной культуре, можно рассчитать концентрацию (табл. 2) металла в сухой фитомассе (СMn(II), мг/г сух.веса) по формуле (2):

CMn(II)=(m1-m2)/mраст,                                            (2)

где m1 – масса марганца в воде до культивирования растений, мг; m2 – масса марганца в воде после культивирования растений, мг; mраст – масса растения, г.

Таблица 2. Расчетные и измеренные значения концентрации марганца в фитомассе L. gibba L., C. demersum L. и P. stratiotes

Образцы растений

Концентрация марганца (II) в сухой фитомассе L. gibba L., мг/г сухой массы растения

Концентрация марганца (II) в сухой фитомассе C. demersum L., мг/г сухой массы растения

Концентрация марганца (II) в сухой фитомассе P. stratiotes, мг/г сухой массы растения

Расчетные

Измеренные

Расчетные

Измеренные

Расчетные

Измеренные

К1

0,0042±

0,0009

0,0029±

0,0008

0,0011±

0,0003

0,0007±

0,0002

0,0023±

0,0007

0,0017±

0,0003

Э

0,0403±

0,0043

0,0365±

0,0029

0,0333±

0,0042

0,0318±

0,0048

0,0784±

0,0101

0,0754±

0,0083

Рассчитанные величины мы сравнили с результатами измерения концентрации марганца в фитомассе L. gibba L., C. demersum L. и P. stratiotes, полученными рентгенофлуоресцентным методом (табл. 2). Видно, что результаты расчетов и измерений оказываются сопоставимыми, что свидетельствует о достоверности полученных нами данных.

Вывод

Анализ полученных данных показал видовые отличия растений по способно­сти аккумулировать марганец. По результатам проведенных экспериментов можно заключить, что пистия телорезовидная среди изученных видов обладает наиболее выраженной способностью аккумулировать ионы марганца (II). Ряска горбатая и роголистник погруженный темно-зеленый обладают меньшей, но также довольно хорошей способностью аккумулировать марганец (II) водной среды. В целом можно сделать положительное заключение о возможности использования L. gibba L., C. demersum L. и P. stratiotes для фиторемедиации водной среды от ионов марганца (II).

Библиографический список:

1. ISO 8288-1986 Water quality; Determination of cobalt, nickel, copper, zinc, cadmium and lead; Flame atomic absorption spectrometric methods. Publ.date: 01. 01.1986. Geneva: International Organization for Standardi-zation, 1986. – 11 p.
2. Калыгин В.Г. Промышленная экология: курс лекций. – М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. – 240 с.
3. Келль Л.С., Середа М.В. Биологические методы борьбы с цветением воды в биопрудах // Экология производства. – 2010. – № 8. – С. 60–65.
4. Душенков В., Раскин И. Фиторемедиация: зеленая революция в экологии // Химия и жизнь – XXI век. – 1999. – № 11/12. – С. 48–49.
5. Жиров В.К. О новых исследованиях взаимодействия загрязняющих веществ с макрофитами в связи с изучением их фиторемедиационного потенциала // Вода: технология и экология. – 2009. – № 1. – С. 72–74.
6. Ильяшенко Н.В. Использование метода Фурье-ИК спектроскопии для изучения изменений химического состава Potentilla erecta (L.) Raeusch. под действием антропогенных факторов / Н.В. Ильяшенко, В.Д. Ильяшенко, Дементьева С.М., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. // Вестн. ТвГУ. Сер. Биология и экология. − 2009.
7. Остроумов С.А. Биоконтроль загрязнения водной среды: проблемы реабилитации и ремедиации, включая фиторемедиацию и зооремедиацию // Токсикологический вестник. 2009. №.6, с.31-38
8. Сорокина, Е.В. Злобина, Л.Г. Бондарева, М.А. Субботин оценка возможности использования пистии телорезовидной (Pistia stratiotes) и ряски малой (Lemna minor) для фиторемедиации водной среды// Вестник Крас ГАУ. 2013. №11,с. – 182 – 186.
9. Приказ Федерального агентства по рыболовству от 18 января 2010 г. № 20 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения».
10. Садчиков А.П. Кудряшов М.А. Гидроботаника: Прибрежно-водная растительность: учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений. − М.: Академия, 2005.




Рецензии:

8.12.2016, 7:46 Исаева Акмарал Умирбековна
Рецензия: При знакомстве со статьей отмечены следующие не совсем понятные моменты: 1. В абзаце "На рис.1 приведены значения..." фраза "...больше металла переходит из почвы в растения" из-за слова "почва" вызывает недоумение. 2. В статье необходимо представить еще один контрольный вариант: раствор, содержащий внесенное количество металла без растений, т.е.экспериментальный образец, с концентрацией ионов Mn2+ 0,3 мг/л (30 ПДК) без введения растений. Это необходимо для вычета влияния физико-химических факторов на изменение концентрации марганца. 3. В табл 1. от столбца "Объем взятой воды..." можно было отказаться, т.к. он описан прежде.В качестве альтернативы рассмотреть соотношение биомассы растений к объему воды. 4. Необходимо уточнить русское название Pistia stratiotes, которое автор статьи приводит как пистия слоистая, несмотря на общеизвестное название пистия телорезовидная. При этом, в библиографическом списке статьи указано последнее название растения:Сорокина, Е.В. Злобина, Л.Г. Бондарева, М.А. Субботин оценка возможности использования пистии телорезовидной (Pistia stratiotes) и ряски малой (Lemna minor) для фиторемедиации водной среды// Вестник Крас ГАУ. 2013. №11,с. – 182 – 186. Вместе с тем, статья экспериментально доказывает роль высших сосудистых растений в процессах ремедиации вод,загрязненных металлами.С учетом указанных замечаний может быть рекомендована к публикации.

11.12.2016 16:16 Ответ на рецензию автора Каменец Алексей Федорович:
Здравствуйте! Ознакомился с рецензией. 1. Вкралась опечатка. Исправлено. 2. Добавлено. 3. Внесены дополнения и исправления. 4. Pistia stratiotes в русском языке может именоваться как пистия телорезовидная или как пистия слоистая, а также имеет и иные названия. Однако, первое название действительно является более общепринятым, поэтому, соглашаясь с Вашим замечанием, по тексту исправил на "пистию телорезовидную".



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх