Организация фиторемедиации сточных вод на биоплато: подбор видов макрофитов

Сточные воды редко содержат в качестве особо опасного поллютанта только один элемент группы тяжёлых металлов (ТМ), поэтому нами разработан и применён комплекс макрофитов для реабилитации вод в присутствии нескольких загрязнителей. В наших рекомендациях использованы наиболее неприхотливые виды макрофитов, распространенные повсеместно на территории Центральной России.

У погруженных макрофитов сорбционная способность по отношению как к меди, так и к кобальту выше, также зарегистрирована тенденция к накоплению водными растениями преимущественно кобальта. Самый низкий показатель остаточной концентрации тяжелых металлов, а значит лучшее поглощение и очистка раствора, наблюдались в случае с элодеей канадской.

На 12 сутки наблюдали уменьшение концентрации меди ниже уровня ПДК. Поглотительная способность растений в первые 3-6 суток экспозиции выше у роголистника погруженного как по отношению к катиону меди (концентрация металла снизилась в модельном растворе в 30 раз), так и к катиону никеля (зафиксировано снижение остаточной концентрации в 38 раз). Максимальный сорбционный эффект в отношении меди наблюдается у роголистника погруженного, на 15 сутки зафиксировано максимальное падение концентрации меди в 37 раз, явление десорбции меди не наблюдалось. Высокую поглотительную способность в отношении меди продемонстрировала пузырчатка, на 12 сутки концентрация меди уменьшилась в 31 раз, далее фиксировали увеличение концентрации меди в растворе.Цинк поглощается макрофитами более эффективно по сравнению с медью, что связано с химическим свойствами ионов, а также биогенностью элементов. Связь цинка с гетероатомами органических молекул клеток растений будет сильнее, чем связь меди, поэтому реакции сорбции цинка для растения «более энергетически выгодны». Медь и цинк активизируют сорбцию макрофитами ТМ при одновременном присутствии в растворе.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил сделать следующие выводы. Во-первых, подтверждается факт лучшей поглотительной способности в отношении ионов никеля у представителей подсемейства Lemnoideae. Самый низкий уровень ионов никеля зафиксирован вновь у ряски трехдольной. Во-вторых, в отношении ионов никеля макрофиты проявляют невысокую сорбционную способность. Как и в случае с рассмотренными ранее макрофитами, роголистник и пузырчатка не снижают концентрацию никеля даже до уровня ПДК. В-третьих, как и в выше рассмотренных экспериментах, растения преимущественно поглощают один ион из пары ионов ТМ. В данном случае – цинк. Причем, цинк поглощается преимущественно и в паре с медью. Цинк более эффективно сорбируется погруженными макрофитами: элодеей и роголистником. На 3 сутки эксперимента концентрация цинка максимально снизилась в растворе с ряской малой приблизительно в 55 раз, далее в растворе с ряской оставалась на том же уровне. На 6 сутки меньшее количество цинка зафиксировано в растворе с элодеей канадской – падение в 105 раз. На 12 и последующие сутки цинка не обнаружено. Аналогично в опыте с роголистником на 15 сутки прибором не зафиксировано следовых количеств цинка. В случае с остальными макрофитами на 15 сутки отмечалось незначительное увеличение концентрации цинка. Цинк поглощается эффективнее в присутствии кобальта в 2,4 раза для роголистника и в 7 раз для элодеи.Очевидным лидером по эффективности поглощения кобальта является роголистник. Максимальное снижение концентрации в 25,6 раз отмечено на 12 сутки эксперимента.

Исходя из вышеизложенного, сформулированы положения, которые позволят проектировать биоплато временного применения в ЦФО РФ:

· Поглощение Zn²⁺макрофитами активируется в присутствии ионов Сu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺. Причем по убыванию эффективности воздействия на сорбцию цинка ТМ можно расположить в ряд: Сu²⁺>Ni²⁺>Co²⁺. Лучшая поглотительная способность у видов Elodеacanadеnsis и Ceratophyllumdemersum.

· Поглощение Cu²⁺ активируется в следующем ряду Zn²⁺>Ni²⁺>Co²⁺. Лучшая поглотительная способность у вида Elodеacanadеnsis.

· Поглощение Со²⁺ ингибируется всеми ТМ: Сu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺. Лидер поглощения кобальта – Elodеacanadеnsis.

· Поглощение Ni ингибируется всеми ТМ: Сu²⁺, Co²⁺, Zn²⁺. Самая высокая сорбционная способность обнаружена у Lemnatrisulca.

· Доказано преимущественное поглощение ТМ исследованными видами из следующих пар неравентсв: Zn²⁺>Cu²⁺, Zn²⁺> Со²⁺, Zn²⁺>Ni²⁺, Co²⁺>Ni²⁺, Co²⁺>Cu²⁺, Ni²⁺>Cu²⁺.

Разработка моделей моно- и поликомпонентныхфитосистем для очистки вод, и оценка эффективности работы моделей показала следующее. Несмотря на обоснованные поглотительные возможности 8 видов широко распространенных (фоновых) макрофитов в отношении ТМ, снижения концентрации до уровня ПДК для вод культурно-бытовых водных объектов не достигается. Исследования показали особо низкую сорбционную способность макрофитов в отношении ионов никеля. Данные о накопительной способности водными растениями никеля также подтверждают невысокую склонность пресных (и эстуарных) видов растений поглощать широко распространённый при загрязнении вод ТМ. Вследствие чего возникла необходимость составления комплекса макрофитов, аккумулирующая способность которых будет выше, чем у равной (аналогичной по массе) биомассы растений одного вида.

Исследовалась сорбционная способность монокомплексов погруженных макрофитов в противовес двувидовым моделям погруженных гидатофитов и укореняющихся гидрофитов на примере рдеста Бертхольда (Potamogetonberchtoldii Fieb.), семейство Рдестовые (Potamogetonaceae L.) в отношении растворов соли никеля, концентрацией 2 мг/л (рис. 1).

Рисунок 1 – Изменение остаточной концентрации никеля

Данные эксперимента подтверждают снижение концентрации никеля после экспозиции макрофитов. На третьи сутки концентрация ТМ опустилась ниже уровня ПДК во всех модельных растворах.

В отношении токсического поллютанта свинца в сточных водах выяснили, что на 3-и сутки наблюдалось максимальное снижение концентрации свинца (в 800 раз) в растворе с роголистником, минимальное - в 63 раза - в растворе с рдестом, в случае с элодеей, концентрация ТМ упала в 190 раз. Концентрация свинца на третьи сутки эксперимента уменьшилась в 63 раза в случае с рдестом, в 190 раз в случае с элодеей и в 800 раз в случае с роголистником. Для фиторемедиационных мероприятий по очистке сточных вод от ионов свинца можно рекомендовать использование макрофитов вида Ceratophyllumdemersum и двувидовых комплексов с ним: «рдест Бертхольда + роголистник», «роголистник + ряска трехдольная», а также трехвидовой модели – «роголистник + ряска малая + водокрас лягушачий». Таким образом, определены лучшие экстракторы ионов группы тяжёлых металлов (ТМ) среди восьми исследованных макрофитов в камеральных условиях. Для меди наилучший адсорбент – Lemnaminor,Elodeacanadensis (снижение концентрации в 3,6 и 3,3 раза соответственно); для никеля – Lemnaminor и Lemnatrisulca (снижение концентрации в 250 раз): для цинка – Ceratophyllumdemersum (максимальное снижение концентрации в 46,5 раз); для свинца – Ceratophуllumdemersum, Elodеacanadеnsis, Batrachiumaquatile (снижение концентрации в 330 раз, в 440 раз соответственно): для кобальта – Ceratophyllumdemersum (снижение в 80 раз), Elodеacanadеnsis и Batrachiumaquatile. Обнаружено взаимное влияние ионов ТМ на процесс их поглощения исследуемыми макрофитами. Медь активирует поглощение цинка и ингибирует сорбцию никеля и кобальта, цинк активирует поглощение меди и также ингибирует экстракцию никеля и кобальта макрофитами, никель активирует поглощение цинка и меди, снижает сорбцию кобальта, в свою очередь, кобальт снижает экстракцию никеля, а поглощение меди и цинка – активирует.

Установлен видовой состав одно-, двух- и трёхвидовых поглотительных комплексов для эффективной очистки и доочистки сточных вод: Ceratophyllumdemersum + Hydrocharismorsus-ranae, Ceratophyllumdemersum + Lemnaminor, Elodeacanadеnsis + Ceratophyllumdemersum, Potamogeton berchtoldii + Ceratophyllumdemersum, Ceratophyllumdemersum + Lemnatrisulca, Ceratophyllumdemersum + Lemnaminor + Hydrocharismorsus-ranae, Potamogeton berchtoldii + Elodea canadеnsis.

Таким образом, система реабилитации почв и земель сельскохозяйственного назначения, сточных вод с загрязнением ТМ предусматривает использование природных компонентов экосистем: водных макрофитов и кремния в виде нанопористого препарата. Так как реабилитационные мероприятия были проведены ранее, в тексте ответов на решение проблемы описаны материалы двухлетних сезонных исследований. Растения для биоплато рекомендуем использовать посезонно, препарат торговой марки Ковелос (Рост и Сорб) – при весенней и осенней обработке почв.