Исследование возможности обессоливания водоема-охладителя Балаковской АЭС с помощью высших водных растений

Губина Тамара Ивановна, доктор химических наук, профессор кафедры «Экология»

токсичные вещества поглощаются растениями, инактивируются, после чего вместе с биомассой удаляются из водоемов.

Цель данной работы: изучить способность отдельных видов ВВР изменять солевой состав водоемов с повышенной минерализацией на примере водоема-охладителя Балаковской АЭС.

В качестве исследуемых растений нами были выбраны роголистник погруженный ( Ceratophillum demersum L. ) , элодея канадская ( Elodea сanadensis Rich. et Michx. ) и эйхорния ( Eichornia crassipes Mart .). Анализ воды водоема-охладителя Балаковской АЭС (БалАЭС) показал, что содержание в нем солей составляет 1,2-1,3 г/л, что превышает фоновые показатели солесодержания в 4 раза. Повышенная минерализация ВО обусловлена присутствием сульфатов и хлоридов натрия, калия, кальция и магния. Чтобы установить возможность культивирования макрофитов в водоеме-охладителе, нами определялись пределы толерантности растений к солям, преобладающим в воде ВО БалАЭС. Исследования проводили на модельных растворах солей с известной концентрацией (0,5-2,5 г/л). В ходе эксперимента оценивались состояние каждого растения и изменение солесодержания в воде в зависимости от концентрации в растворах хлорида натрия, сульфата натрия и хлорида калия (рис. 1).

Показано, что роголистник и элодея в большей степени поглощают сульфат натрия, эйхорния – хлорид калия. Отмечено, что все растения интенсивно поглощают хлорид натрия до концентрации соли 1 г/л, после чего процесс обессоливания замедляется. По степени поглощения хлорида натрия растения можно расположить в следующей последовательности: эйхорния > роголистник > элодея. По поглощению сульфата натрия при его концентрации до 1 г/л растения располагаются аналогичным образом: эйхорния > роголистник > элодея. При концентрации Na2SO4 больше 1 г/л отмечается высокая степень его поглощения роголистником и элодеей. По степени поглощения хлорида калия до концентрации 1 г/л растения можно расположить в последовательности: эйхорния > элодея > роголистник. При содержании KCl 1,5-2,5 г/л наблюдается увеличение интенсивности его поглощения роголистником. Концентрации солей выше 1 г/л угнетают рост и развитие растений, вероятно, увеличение интенсивности их поглощения при высоком содержании связано с усилением транспорта ионов в растительную клетку и вызываемым ими токсическим эффектом [1]. Однако содержание солей NaCl, Na2SO4 и KCl в ВО БалАЭС гораздо меньше указанных значений, что свидетельствует о возможности применения выбранных растений для деминерализации данного водоема.

Известно, что температура водоемов и освещенность являются основными лимитирующими факторами для функционирования ВВР. Поэтому представляло интерес изучить влияние температуры и освещенности (длины светового дня) на способность ВВР к экстракции солей. Эксперименты проводились в воде из ВО БалАЭС. Содержание солей оценивалось по данным гравиметрического анализа. Влияние температуры на рост растений изучено при температурах 14°С, 20°С, 24°С при 10-и 12-часовом световом дне. Исключение составляла эйхорния, поскольку, являясь растением тропического климата, не способна переносить длительное понижение температуры. Исследования с эйхорнией проводились при температурах 20 и 24°С. Результаты экспериментов представлены на рис. 2. При 10часовом световом дне максимальные значения деминерализации для всех растений отмечены при температуре 24°С: поглощение элодеей составляет 2,3%, роголистником – 2,1%, эй-хорнией – 5,9%. Для всех видов ВВР прослеживается тенденция к увеличению степени обессоливания при повышении температуры. При удлинении светового дня до 12 часов поглощение солей макрофитами становится более интенсивным с сохранением тенденции к росту степени деминерализации с ростом температуры (рис. 2).

Наиболее значимые результаты в процессах деминерализации получены при использовании эйхорнии. Так, культивирование эйхор-нии в течение 10 суток при 20°С приводит к снижению содержания солей на 6,3%; при температуре 24°С – на 11,5%, для элодеи в тех же условиях отмечается уменьшение солесо- держания на 1,1 и 2,6% соответственно, для роголистника – на 0,8% и 2,9%. У всех растений в этих опытах не наблюдается морфологических изменений.

А

Б

В

• -    NaCl;   - N 2 SO 4 ;   - KCl

Рис. 1. Зависимость степени деминерализации (%) от концентрации и состава соли при культивировании элодеи (А), роголистника (Б) и эйхорнии (В)

При понижении температуры воды до 14°С нами обнаружен выброс поглощенных солей элодеей и роголистником, о чем свидетельствует повышение их концентрации в воде. Так, в экспериментах с элодеей при указанной температуре и продолжительности светового дня 10 ч увеличение солесодержания в воде составляет 2,8%, а при освещенности 12 ч – 5,8%. В опытах с роголистником аналогичные показатели составляют, соответственно, 1,7% и 0,46%. Для элодеи определено, что по- вышение солесодержания связано с увеличением концентрации ионов Mg2+ - на 56%, Ca2+ -на 12% и К+ - на 4,6%, при этом содержание ионов Na+ уменьшается на 3,3%. Выброс солей элодеей и роголистником при понижении температуры, возможно, связан с механизмами адаптации макрофитов к низкой температуре. Подобное явление для температур около 0°С описано для наземных растений [1, 2]. Авторы объясняют его выделением свободной воды из клетки, что предотвращает образование кристаллов льда. При этом из растения выводятся не только вода, но и соли, которые находятся в составе клеточного сока.

А

Б

В

• -    t=14°C;   - t=20°C;   - t=24°C

Рис. 2. Изменение солесодержания (в % от контроля) в воде ВО при инкубации элодеи (А), роголистника (Б), эйхорнии (В) в зависимости от температуры и длины светового дня (10 ч, 12 ч). Солесодержание в контрольном образце – 100 %

Роголистник Элодея Эйхор ния

Рис. 3. Динамика изменения солесодержания в воде ВО при культивировании макрофитов. Жирная линия – начальное значение солесодержания в ВО

Исследована динамика процесса деминерализации. Для этого растения культивировали в воде из ВО в течение 30 суток при температуре 24°С и 12-часовом световом дне, каждые 10 дней измеряя содержание солей (рис. 3). Отмечено стабильное уменьшение солесодержания в водных образцах только при культивировании эйхорнии: на 30-е сутки оно составляло 25,8% от первоначального значения. Элодея и роголистник за то же время культивирования снижали содержание солей в воде ВО, соответственно, на 11,4% и 3,5%.

Изучена также динамика изменения концентрации ионов, определяющих засоленность ВО, а именно, ионов натрия, кальция и хлора. Анализ проведен с помощью ионоселективных электродов. Определено, что в пробах с эйхор-нией концентрация всех определяемых ионов монотонно убывает во времени, причем скорость поглощения ионов в течение наблюдаемого периода различна. Наиболее интенсивно поглощение ионов протекает в первые 10 суток. В последующий период наблюдения скорость поглощения замедляется. Данный факт можно объяснить эффектом насыщения растительной клетки ионами солей и «включением» механизмов, предотвращающих токсическое действие солей на растение. Подобное явление описано для процесса фиторемедиации водоемов с высоким содержанием тяжелых металлов (Cd²⁺, Cu²⁺) [3]. Для C. demersum и E. сanadensis значимого снижения концентрации исследуемых ионов не обнаружено.

Выводы: из трех изученных растений наилучшие показатели обессоливания воды получены для эйхорнии. Мы полагаем, что применение E. сrassipes позволит снизить минерализацию водоема-охладителя БалАЭС. Поскольку эйхорния является плавающим не-укореняющимся тропическим макрофитом, произрастающим в интервале температур 16-32°С, ее культивирование и сбор в условиях района расположения АЭС не представляется сложным. Данные исследования будут продолжены в природных условиях.