ПОГЛОЩЕНИЕ РЯДА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХРАСТВОРОВ РАСТЕНИЯМИ ВОДНОГО ГИАЦИНТА(EICHHORNIA CRASSIPES (MART.) SOLMS) | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2009. № 4 (8).

ПОГЛОЩЕНИЕ РЯДА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХРАСТВОРОВ РАСТЕНИЯМИ ВОДНОГО ГИАЦИНТА(EICHHORNIA CRASSIPES (MART.) SOLMS)

Изучено поглощение ионов меди, свинца, кадмия и цинка из водныхрастворов водным гиацинтом в модельных условиях. Отмечено, что растения выдерживают превышение ПДК данных элементов в воде, сохраняют жизнеспособность и успешно размножаются. За десять дней модельного эксперимента концентрация металлов снижается более чем в 5 раз для цинка, в 6 раз для кадмия, в4 раза для свинца, в 8,5 раза для меди. При этом в вегетативной массе эйхорниизначительного накопления данных металлов не отмечено. Таким образом, показана эффективность использования растений водного гиацинта для очистки водразличного назначения от тяжелых металлов.

UPTAKE OF SOME HEAVY METALS FROM WATER BY WATERHYACINTHS (EICHHORNIA CRASSIPES (MART.) SOLMS).pdf Тяжелые металлы относят к числу наиболее опасных для природной сре-ды химических загрязняющих веществ. Известно, что медь, свинец, кадмий,цинк являются опасными токсичными металлами. Избыток меди в организмечеловека и других теплокровных животных приводит к изменениям в тканяхпочек, печени и мозга [1]. Ионы свинца и его соединения тормозят синтезпорфирина, вызывают нарушение функций центральной и периферическойнервной системы. Растворимые соединения кадмия денатурируют белки, со-держащиеся в стенках пищевого канала. Поступившие в кровь ионы кадмиясоединяются с сульфгидрильными группами ферментов, нарушая их функ-ции [2]. Токсичность цинка не так велика, и он не аккумулируется, а выво-дится организмом, прием внутрь соединений цинка может вызвать остроеотравление. Основным источником поступающих в организм ионов меди,свинца, кадмия и цинка является вода, при этом содержание тяжелых метал-лов в сточных водах в последние годы возрастает [3]. Существуют различныеспособы очистки вод, в том числе и от тяжелых металлов [3]: механические,химические, физико-химические и биологические, но только комплексноевнедрение всех методов позволит сделать этот процесс не только эффектив-ным, но и более экономичным и экологичным.Поглощение ряда тяжелых металлов из водных растворов 107Для биоремедиации очистки и доочистки сточных вод в настоящее времяшироко используются водные макрофиты, а в России одним из первых в про-мышленных условиях апробирован и применяется водный гиацинт (Eichhorniacrassipes (Mart.) Solms) [4]. Указанные растения эффективно очищают водо-емы, занесенные в список мертвых или находящихся на грани вымирания, ма-лые реки, стоки, отстойники промышленного, хозбытового и другого происхо-ждения; заметно снижают в стоках содержание большинства элементов и ужеза неделю полностью устраняют неприятный запах [4]. Эйхорния, как и боль-шинство высших водных растений, способна в значительных количествах на-капливать в себе тяжелые металлы (ТМ) (свинец, ртуть, медь, кадмий, никель,кобальт, олово, марганец, железо, цинк, хром), а также радионуклиды и такимобразом изымать данные металлы из воды, делая ее пригодной для использо-вания [4-6].Целью данной работы являлось изучение потребления ряда тяжелых ме-таллов (медь, свинец, кадмий и цинк) растениями водного гиацинта в лабора-торных условиях.Материалы и методыДля изучения качества очистки воды от тяжелых металлов растениямиводного гиацинта была создана модельная искусственная экосистема. В каче-стве питательного субстрата для растений использовалась талая снеговая во-да, в которую дополнительно вводили соли тяжелых металлов до расчетногоуровня при сохранении нейтрального значения кислотности. Высадка расте-ний проводилась из расчета: одно взрослое растение на литр очищаемой во-ды, покрытие водной поверхности составляло 75%. Освещение модельныхсистем проводилось лампами накаливания (3 500 Лк) при 12-часовом свето-вом дне. Температура воды в экспериментах +22…24°С, окружающего воз-духа +24…26°С. В качестве контроля был использован вариант без растенийсо снеговой водой с добавлением солей тяжелых металлов при тех же усло-виях, что и опытные варианты. По мере потребления воды гиацинтом и испа-рения с поверхности в опытных и контрольных сосудах проводился доливдистиллированной водой до первоначального уровня.В ходе экспериментов проведены следующие анализы: снеговой воды до ипосле добавления стандартных солей металлов (Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+), после де-сятидневной очистки воды с помощью эйхорнии, а также зеленой массы расте-ний по завершении экспериментов. Анализ содержания тяжелых металлов впробах проводился методом атомно-абсорбционной спектроскопии.Пробоподготовка и ход анализа. Минерализация проб проводилась с ис-пользованием СВЧ-минерализатора «Mars». Воду объемом 1,5 мл помещалив контейнер для минерализации, добавляли 1,0 мл НNO3 конц. Минерализа-ция проводилась при градиенте температур +120…200°С. Биомассу растенийводного гиацинта массой 1,5 г с добавкой 1,5 мл НNO3 предварительно ос-тавляли на 12 ч, минерализация проводилась при тех же условиях, что и приподготовке воды. По окончании цикла облучения и удаления окисных паровобъем минерализата доводили до 10 мл 0,5Н НNO3 конц. Определение про-О.М. Минаева, Е.Е. Акимова, К.108 М. Минаев, С.Ю. Семенов, А.Д. Писарчукводили на атомно-адсорбционном спектрофотометре «Varian SpectrAA220FS».Результаты и обсуждениеШирокое использование водного гиацинта для доочистки сточных вод,содержащих значительные количества тяжелых металлов, а также для очист-ки городских и пригородных водоемов в настоящее время показывает несо-мненную эффективность растений эйхорнии [3-4]. Однако сведения о пре-дельно допустимых концентрациях тяжелых металлов в воде, которые спосо-бен выдержать водный гиацинт, а также о скорости очистки воды от тяжелыхметаллов сведения либо недостаточны, либо противоречивы [6-13]. В связисо сказанным концентрация солей тяжелых металлов в эксперименте подби-ралась эмпирически.В качестве субстрата была выбрана талая вода из снега, собранного в цен-тре г. Томска, в которой предполагалось наличие значительной концентрациитяжелых металлов, таких как свинец. Предварительно проведенный анализпоказал отсутствие в воде ионов меди и кадмия, а концентрация свинца ицинка находилась на уровне, значительно превышающем ПДК для питьевыхи рыбохозяйственных водных объектов, однако значительно ниже ПДК этихэлементов, установленных для культурно-бытовых водоемов (табл. 1).Исходя из литературных данных, свидетельствующих о накоплении в рас-тениях эйхорнии металлов в концентрациях, в десятки раз превышающихсодержание элементов в очищаемой воде [6-7], а соответственно и о способ-ности водного гиацинта в десятки раз снижать содержание данных металловв окружающей среде, а также учитывая чувствительность используемого ме-тода анализа, в талую воду была введена стандартная добавка солей ТМ(см. табл. 3). Последующий анализ показал значительное превышение содер-жания указанных ТМ, по сравнению с ПДК, для культурно-бытовых водо-емов для цинка, кадмия, свинца и меди [14].Т а б л и ц а 1Содержание элементов в талой снеговой воде до и после введениястандартной добавки солей тяжелых металлов, мг/лТалая снеговая водаОпределяемыйэлемент до введения стан-дартной добавкипосле введениястандартнойдобавкиПДК для водо-емов культурно-бытовогоназначенияZn 0,17±0,04 16,8±0,9 1Cd - 0,11±0,04 0,001Pb 0,082±0,05 0,76±0,09 0,01Cu - 25,7±1,2 1В ряде литературных источников встречаются сведения о токсичном влия-нии свинца, цинка, меди и кадмия на растения водного гиацинта [6-9]. На-пример, Stratford H. Kay с соавт. [6] указывают на токсичность для эйхорнииПоглощение ряда тяжелых металлов из водных растворов 109ионов меди в концентрации свыше 2 мг/л, проявляющуюся в виде некрозов ихлорозов вегетативных органов, в статье M. Delgado с соавт. [8] описано ток-сичное действие ионов цинка в концентрации свыше 9×10-3 мг/л. Несмотряна то, что в наших модельных экспериментах концентрация указанных ме-таллов значительно превышает указанные в качестве токсичных концентра-ции, растения не только перенесли значительное превышение концентрацииданных элементов и сохранили свою жизнеспособность, но и вегетативноразмножались.Через десять дней с момента высадки растений был проведен повторныйанализ содержания ТМ в воде в контрольных и опытных сосудах (табл. 2).Т а б л и ц а 2Содержание элементов в воде в эксперименте, мг/лОпределяемыйэлементВода до начала экс-перимента Контроль Биоочистка с по-мощью эйхорнииZn 16,8±0,9 16,4±0,9 3,1±0,5Cd 0,11±0,04 0,11±0,04 0,018±0,03Pb 0,76±0,09 0,72±0,09 0,18±0,02Cu 25,7±1,2 26,0±1,2 3,0±0,2Полученные данные свидетельствуют о том, что за десять дней концен-трация изучаемых элементов в модели с растениями водного гиацинта значи-тельно снизилась (более чем в 5 раз для цинка, в 6 раз для кадмия, в 4 разадля свинца, в 8,5 раза для меди), тогда как в контроле осталась на том жеуровне, что и в начале эксперимента.Учитывая скорость очистки воды растениями водного гиацинта, можнозаключить, что через три-четыре недели вода станет соответствовать норма-тивам СанПиН, предъявляемым к культурно-бытовым водоемам.Кроме воды через десять дней с начала эксперимента было также проана-лизировано содержание указанных ТМ в растительной ткани. Для анализаотбирались листья эйхорнии, выросшие непосредственно в эксперименте, т.к.мобильностью в растительной ткани, как правило, обладают только макро-элементы (табл. 3).Т а б л и ц а 3Содержание элементов в листьях эйхорнии, мг/кг а.с.б.ОпределяемыйэлементКонцентрацияв растительной тканиПДК для кормовс/х животныхZn 0,17±0,02 50,0Cd 0,030±0,01 0,3Pb 0,020±0,005 5,0Cu 0,61±0,13 10,0Примечание. а.с.б. - абсолютно сухая биомасса.Примечательно, что несмотря на то, что растения находились на субстра-те, в котором содержание меди, цинка, свинца и кадмия в 25, 16, 76 и 110 разсоответственно превышало установленные ПДКводы данных металлов, расте-О.М. Минаева, Е.Е. Акимова, К.110 М. Минаев, С.Ю. Семенов, А.Д. Писарчукния в зеленой массе накопили данные элементы в незначительном количест-ве. Известно, что около 77% содержащихся в водном гиацинте металлов кад-мия сохраняются в корнях растений и 23% - в вегетативной массе [15], т.е.основная масса элементов, поглощенных из воды, накопилась в корнях вод-ного гиацинта. В целом, содержание тяжелых металлов в листьях не превы-шало установленные ПДК для кормов сельскохозяйственных животных.Кроме того, данные растения эйхорнии могли быть использованы даже в ка-честве сырья для изготовления препаратов ветеринарного значения.Таким образом, установлена возможность использования растений водногогиацинта для очистки вод различного назначения от тяжелых металлов. Приэтом в вегетативной массе эйхорнии, выращенной на загрязненном субстрате втечение 10 дней, не происходит значительного накопления данных элементов,несмотря на то что снижение концентрации ТМ в воде происходит в 4-8 раз.

Ключевые слова

водный гиацинт, ПДК, тяжелые металлы, фиторемедиация, водные макрофиты, the water hyacinth, MPC (maximum permissible concentration), heavy metals, phytioremediation, aquatic macrophytes

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Писарчук Анна Дмитриевнаиологический институт Томского государственного университетастудент 5-го курса кафедры сельскохозяйственной биотехнологииbiotech@sibmail.com
Семенов Сергей Юрьевичиологический институт Томского государственного университетакандидат биологических наук, доцент кафедрысельскохозяйственной биотехнологииpure@sibmail.com
Минаев Константин МодестовичТомский государственный университетаспирант кафедры аналитической химии химического факультетаkosty316@mail2000.ru
Акимова Елена ЕвгеньевнаНаучно-исследовательский институт биологии и биофизикиТомского государственного университетаандидат биологических наук, младший научный сотрудник лаборатории биокинетики и биотехнологииbiotech@sibmail.com
Минаева Оксана Модестовнаиологический институт Томского государственного университетакандидат биологических наук, доцент кафедры сельскохозяйственной биотехнологииbiotech@sibmail.com
Всего: 5

Ссылки

Бингам Ф.Т., Коста Э., Эйхенбергер Э. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. М.: Мир, 1993. 368 с.
Крамаренко В.Ф. Токсилогическая химия. Киев: Выща школа, 1989. 447 с.
Черников В.А. Агроэкология. М.: Колос, 2004. 398 с.
Дмитриев А. Г., Рыженко Б.Ф., Змиевец Ю.Ф., Сокол К. Г. Технология биологической очистки и доочистки малых рек, водоемов и истоков // Городское управление. 2000. № 10. С. 60-68. URL: http://emsu.ru/um/default.asp?god=2000&nom=10
Knipling E.B., West S.H., Haller W.T. Growth characteristics, yield potential and nutritive content of water hyacinths // Proc. Soil Crop Sci. Soc. Fla. 1971. Vol. 30. P. 51-63.
Stratford H. Kay, William T. Haller, Leon A. Garrard. Effects of heavy metals on water hyacinths (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) // Aquatic Toxicology. May 1984. Vol. 5, iss. 2. P. 117-128.
Schneiders I.A.H., Ribios J., Misrat M., Smitht R.W. Eichhornia crassipes as biosorbent for heavy metal ions // Minerals Engineering. 1995. Vol. 8, № 9. P. 979-988.
Delgado M., Bigeriego M., Guardiola E. Uptake of Zn, Cr and Cd by water hyacinths // Water Research. February 1993. Vol. 27, iss. 2. P. 269-272.
Hasan S.H., Talat M., Rai S. Sorption of cadmium and zinc from aqueous solutions by water hyacinth (Eichchornia crassipes) // Bioresource Technology. 2007. Vol. 98, iss. 4. P. 918-928.
Vesk P.A., Nockolds C.E., Allaway W.G. Metal localization in water hyacinth roots from an urban wetland // Plant Cell Environm. 1999. Vol. 22, № 2. P. 149-158.
Moenandir J., Murgito F. Kemampuan penyerapan logam berat oleh eceng gondok // Agrivita. 1994. Vol. 17, № 2. Р. 61-64.
Moenandir J., Hidayat S. Peranan eceng gondok dan kangkung air pada peningkatan mutu air limbah // Agrivita. 1993. Vol. 16, № 2. P. 54-57.
Mazen A.M.A., el-Maghraby O.M.O. Accumulation of cadmium, lead and strontium, and a role of calcium oxalate in water hyacinth tolerance // Biol. Plantarum. 1997-1998. Vol. 40, № 3. P. 411-417.
Нормативы ПДК примесей в воде хозяйственного, питьевого и бытового назначения использования СанПиН 2.1.4.1074-01 // URL: http://ozonika.ru/content/normativy-pdkprimesej- v-vode-hozjajstvennogo-pitevogo-i-bytovogo-naznachenija-ispolzovanija
Cooley T.N., Martin D.F. Cadmium in naturally-occurring water hyacinths // Chemosphere. 1979. Vol. 8, iss. 2. P. 75-78.
 ПОГЛОЩЕНИЕ РЯДА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХРАСТВОРОВ РАСТЕНИЯМИ ВОДНОГО ГИАЦИНТА<i>(EICHHORNIA CRASSIPES </i>(MART.) SOLMS) | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2009. № 4 (8).

ПОГЛОЩЕНИЕ РЯДА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХРАСТВОРОВ РАСТЕНИЯМИ ВОДНОГО ГИАЦИНТА(EICHHORNIA CRASSIPES (MART.) SOLMS) | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2009. № 4 (8).

Полнотекстовая версия