Возможность использования гелофитов Acorus calamus, Typha angustifolia и Comarum palustre в технологиях очистки сточных вод фиторемедиационными сооружениями

Гелофиты как биоаккумуляторы могут накапливать тяжелые металлы, в тканях или на их поверхности вследствие больших возможностей адаптации к изменениям химических свойств окружающей среды, что дает возможность применять в сооружения фиторемедиации для очистки сточных вод.

Сооружения фиторемедиации – искусственные или природные заболоченные участки, ботанические площадки, фильтрационные устройства, пруды с посадками водных растений (биоплато) - используются в схемах очистки загрязненных вод и грунтов. В англоязычных странах такие сооружения имеют название Constructed Wetlands (искусственные болота) и нашли широкое применение для очистки бытовых, ливневых, шахтных, карьерных и других сточных вод.

Корневая система растений проявляет большую активность в переводе металлов, связанных с различными компонентами почвы, в подвижное состояние.

Определение на фитотоксичность величины рН и различных концентраций тяжелых металлов, таких как: медь, цинк, железо, свинец, никель, кадмий проводилось экспериментальным путем. Контролем служили растения в нормальных условиях.

Эксперименты с такими гелофитами, как: Аир обыкновенный (Acorus calamus), Рогоз узколистный

(Typha angustifolia), Сабельник болотный (Cоmarum palustre) показали, что при рН 3-3,5 данные растения не выявили пределов токсичности. Это объясняется тем, что корневые выделения создают благоприятную среду для развития микрофлоры, способствуя образованию селективных гидробиоценозов, определенно влияющих не только на поглотительную способность корневой системы, но и на реакцию окружающей среды, в частности, на рН. При значениях рН 3-3,5 частично у растений повышается ломкость стеблей.

Проведенные исследования значительно расширяют наши знания о механизмах поглощения меди. В тканях корней медь почти целиком присутствует в комплексных формах, однако в клетки корневой системы она проникает в диссоциированных формах. Заметная доля меди, присутствующей в зеленых тканях, связана, в пластоцианине и в некоторых белковых фракциях. Установлено, что концентрация меди в листьях от 20-23 мг/кг, в корнях от 1,1-2,3 мг/кг, а в семенах от 0,35–0,68 мг/кг и присутствует в основном в комплексных соединениях с низкомолекулярными органическими веществами и протеинами в составе энзимов, имеющих жизненно важные функции для метаболизма растений и в веществах с неизвестными функциями.

Форма поступления цинка в корни растений - это ион цинка и гидратированные формы цинка. Цинк выполняет важные функции в метаболизме растений. Наиболее существенная из них - это вхождение в состав разнообразных энзимов, таких, как дегидрогеназы, протеиназы, пептидазы и фосфогидролазы. Основные функции цинка в растениях связаны с метаболизмом углеводов, протеинов и фосфата, а также с образованием ауксина, ДНК и рибосом. Установлено, что в наших исследованиях концентрация цинка в листьях от 40 – 43,2 мг/кг, в корнях от 1,0-1,42 мг/кг, а в семенах от 0,008 – 0,12 мг/кг.

Поглощение железа растениями осуществляется метаболическим путем, несмотря на то, что оно может абсорбироваться как в виде Fe3+, Fe2+, так и в виде хелатных форм. Способность корней восстанавливать Fe3+ до Fe2+ является основой для потребления этого катиона большинством растений. Разделение хелатных форм железа до абсорбции ускоряет восстановление Fe3+ до Fe2+ на поверхности корней, которые обычно поглощают катион Fe2+ [128]. В соках ксилемы железо находится не в хелатных формах, перенос его осуществляется главным образом цитрат-хелатами. В растительных тканях подвижное железо связано с цитратами и растворимым ферредоксином. Перенос железа в тканях растений затруднен. Метаболические функции железа в исследуемых растениях установлены относительно хорошо.

Симптомы железистой токсичности не выявлены. Экспериментальным путем нами установлено, что концентрация железа в листьях от 115,75–123,6 мг/кг, в корнях от 7,8-8,5 мг/кг, а в семенах от 5,3 – 6,2 мг/кг.

Свинец поглощается корневыми волосками и задерживается в стенках клеток. Свинец извлекается корнями растений из почвы как при низких, так и при высоких его концентрациях и управляют этим процессом почвенные и растительные факторы.

Субклеточное воздействие свинца на ткани растений связано с ингибированием дыхания и фотосинтеза, вызванным нарушением реакций переноса электронов.

Исследуемые нами растительные виды способны вырабатывать толерантность к свинцу, которая, по-видимому, связана со свойствами мембран. Отложение свинца на мембранах рассматриваемых растений не нарушает их функции. Концентрация свинца в листьях от 8,7 – 9,1 мг/кг, в корнях от 0,9-1,79 мг/кг, а в семенах от 0,54 – 0,95 мг/кг.

Как и другие двухвалентные катионы (Сu2+ и Zn2+), никель способен формировать органические соединения и комплексы. Перенос и накопление никеля метаболически регулируются, этот металл в растениях отличается подвижностью и концентрируется как в листьях и корнях, так и в семенах.

Никель быстро и легко извлекается из почв растениями, и, пока его концентрации в растительных тканях, не достигнут определенных значений, темпы поглощения положительно коррелируют с содержанием в почвах. Хлороз, а также ослабление роста растений и их повреждение при концентрации никеля в листьях от 7,3 – 8,3 мг/кг, в корнях от 1,15-1,25 мг/кг, а в семенах от 0,005 – 0,074 мг/кг не выявлено.

Кадмий не входит в число необходимых для растения элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листьями. В некоторых случаях наблюдается линейная корреляция между содержанием Cd в растительном материале и в среде роста.

Наиболее важное биохимическое свойство ионов кадмия - их сильное сродство к сульфгидрильным группам некоторых соединений (уже известны комплексы Cd с металлотионеинподобными протеинами).

Видимые симптомы, вызванные содержанием Cd при концентрации в листьях от 0,05 – 0,14 мг/кг, в корнях от 0,33-0,68 мг/кг, в семенах от 0,0011 – 0,0017 мг/кг, - это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев, красно-бурая окраска их краев или прожилков не выявлены.

Общую картину биоаккумуляции растений по отношению к тяжелым металлам можно рассмотреть на рис. 1.

Было установлено, что наибольшая часть металлов после поглощения растениями скапливалась в листьях трав, что позволяет рекомендовать скашивание растений в технологиях очистки сточных вод в виде искусственных ветландов и иных фиторемедиацион-ных сооружениях с последующей их утилизацией.

■ Cd(ll) еРЫП) BZn(ll) еСи(11) aNi(ll) еРсСИ)

Рис. 1. Концентрация металлов в вегетативных органах растений, мг/кг.