Evaluation of the effectiveness of phytoextraction in the treatment of surface wastewater from residential areas from heavy metals

Full Text

Введение

На рубеже XX-XXI веков произошла смена приоритетов политики многих стран и человеческого мышления с экономического направления на экологическое. Активное развитие технологий и промышленного производства привело к негативным экологическим последствиям во всей экосфере, ликвидация которых требует колоссальных экономических затрат, перехода к новым технологиям природопользования для снижения риска неблагоприятного воздействия, в том числе направленных на оздоровление водных объектов [1‒6]. Одним из методов по снижению экологических рисков при очистке сточных вод является разработка и строительство современных биоинженерных сооружений. На эффективность работы биоинженерных сооружений определяющее влияние оказывает подбор растений-биоаккумуляторов, способных эффективно удалять поллютанты, неприхотливых, устойчивых к неблагоприятным условиям окружающей среды, адаптированных к климатическим условиям селитебной территории, обладающих эстетическим видом.

Целью данной работы является исследование биоакумулятивной способности и оценка возможности использования душицы обыкновенной и мяты полевой в качестве растений-биоаккумуляторов тяжелых металлов из поверхностных сточных вод селитебных территорий.

Материалы и методы

В качестве растений для исследования были выбраны многолетние травянистые растения душица обыкновенная и мята полевая.

Душица обыкновенная (лат. Origanum vulgare L.) – многолетнее травянистое растение высотой 30–70 см с ползучим корневищем и прямостоячим стеблем. Листья супротивные, продолговато-яйцевидные (рис. 1). Цветки мелкие, с двугубым бледно-пурпуровым или беловатым венчиком, собраны в четырехгранные продолговато-овальные колоски, образующие в свою очередь многоцветковые щитковидно-метельчатые соцветия. Цветет с июня до осени. Плоды темно-бурые, созревают в разное время, начиная с июля. Растет на сухих лугах, в степях, на опушках и полянах, в светлых лесах, среди кустарников, на вырубках. Широко распространенное растение во всех областях Средней России. Обладает рядом полезных свойств [7‒10].

 

Рис. 1. Внешний вид растений: А ‒ душица обыкновенная; Б ‒ мята полевая

Fig. 1. Appearance of plants: A ‒ common oregano; B ‒ Field mint

 

Мята полевая (лат. Mentha arvensis L.) ‒ многолетнее ароматное растение высотой 20–50 см (в некоторых случаях до 100 см), опушенное наклоненными вниз волосками, с чешуйчатым корневищем и олиственными побегами. Стебли прямостоячие или восходящие, большей частью разветвленные. Листья черешковые, яйцевидные или продолговато-эллиптические, с 3–6 парами боковых жилок. Размер листьев колеблется в пределах 1,5–3 см в ширину и 3–8 см в длину. Цветет с конца июня до сентября [11]. Растет на сырых лугах, травяных болотах, по берегам водоемов, вдоль канав, на полях. Растение предпочитает сырое место или заболоченный берег, но также его можно погружать в мелкую воду до 10 см. Имеет широкое распространение. Растение широко используется в фармакологии и народной медицине [12‒14].

Выбранные растения использовали для очистки от тяжёлых металлов поверхностных сточных вод с селитебных территорий города Челябинска.

Поверхностные сточные воды с территорий города отбирали по общепринятым методикам. Химический состав пробы сточных вод приведен в табл. 1.

 

Таблица 1. Химический состав смешанной пробы сточных вод

Table 1. Chemical composition of mixed wastewater sample

Элемент	Al	Cr	Cu	Fe	Mn	Zn
Содержание в городском поверхностном стоке, мг/л	2,707	0,01	0,028	2,624	0,307	0,286

 

Эффективность процесса биоаккумуляции оценивали в статических условиях. Растения помещали в стаканы со сточными водами. Температура при проведении исследования составляла 20 °С. Пробы сточной воды для анализа отбирали через 1, 2, 3, 24, 48, 72 часа.

Анализ содержания тяжёлых металлов в растениях выполняли на электронном растровом микроскопе JEOL JSM-6460 LV с приставкой для микрорентгеноспектрального анализа.

Для определения концентрации тяжёлых металлов в сточной воде использовали эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой OPTIMA 2100DV Perkin Elmer», США. В качестве фонового раствора применяли воду особой степени очистки, полученную на приборе «Simplicity UV» (Франция). Водородный показатель измеряли рН-метром 150МИ.

Результаты исследования

Полученные результаты по извлечению поллютантов из сточных вод селитебных территорий исследуемыми растениями представлены в табл. 2.

 

Таблица 2. Эффективность биоаккумуляции тяжелых металлов из сточных вод в статических условиях, %

Table 2. Bioaccumulation efficiency of heavy metals from wastewater under static conditions, %

Показатель	Время, ч
	1	2	3	24	48	72
Душица обыкновенная
Алюминий	47	47	41	41	41	29
Хром	100	100	100	100	100	100
Медь	100	100	100	100	100	100
Железо	90	91	91	91	91	91
Марганец	100	100	100	100	100	100
Цинк	0	33	33	17	17	17
Мята полевая
Алюминий	59	41	41	41	41	41
Хром	0	100	100	100	100	100
Медь	80	80	80	80	80	80
Железо	96	94	91	91	91	91
Марганец	100	100	100	100	100	100
Цинк	50	50	50	50	50	50

 

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о полном извлечении из сточных вод душицей обыкновенной и мятой полевой хрома и марганца. При извлечении марганца время контакта растений со сточной водой не имеет значения. Для биоаккумуляции хрома мятой полевой время контакта должно быть более двух часов.

Выбор душицы обыкновенной предпочтительнее, если основной поллютант ‒ медь, она позволяет извлечь его на 100 % независимо от времени экспозиции. Мята полевая аккумулирует 80 % меди независимо от времени контакта со сточными водами.

Для извлечения таких металлов, как алюминий, железо и цинк лучше использовать мяту полевую, в связи с лучшими результатами по сравнению с душицей обыкновенной. Максимальная эффективность биоаккумуляции по извлечению алюминия составляет 59 % при времени контакта один час, далее эффективность снижается до 41 %. Душица позволяет извлекать данный поллютант на 47 % при времени контакта один-два часа, далее также наблюдается снижение эффективности.

Наибольшая эффективность извлечения железа из сточных вод достигается мятой полевой и составляет 96 % при одном часе контакта растения со сточной водой, а душицей ‒ 91 % при времени экспозиции от 2 до 72 часов.

Максимальная степень извлечения цинка мятой полевой составляла 50 % (при экспозиции от 1 до 72 часов) и 33 % ‒ при помощи душицы (при экспозиции от 2 до 3 часов).

На рис. 2 и 3 приведены микрофотографии, полученные при электронно-микроскопическом исследовании вегетативных органов душицы обыкновенной и мыты полевой.

 

Рис. 2. Микрофотографии душицы обыкновенной и данные микрорентгеноспектрального анализа: А – корень; Б – стебель; В – лист

Fig. 2. Micrographs of common oregano and microrentgenospectral analysis data: A ‒ root; B ‒ stem; B ‒ sheet

 

Рис. 3. Микрофотографии мяты полевой и данные микрорентгеноспектрального анализа: А – корень; Б – стебель; В – лист

Fig. 3. Micrographs of field mint and microrentgenospectral analysis data: A ‒ root; B ‒ stem; B – sheet

 

Результаты микрорентгеноспектрального анализа растений приведены в табл. 3, из которой видно, что состав растений до проведения эксперимента по очистке сточных вод достаточно однотипен, существуют незначительные отклонения по концентрации элементов.

 

Таблица 3. Результаты микрорентгеноспектрального анализа растений до исследования, %

Table 3. Results of micro-X-ray spectral analysis of plants before the study, %

Вегетативный орган растения	Среднее содержание элемента, %
	C	O	Mg	Al	Si	S	Cl	K	Ca	Fe
Душица обыкновенная
Корень	53,0	44,8	0	0	0,4	0	0,3	0,4	0,6	0,6
Стебель	50,8	47,2	0	0	0,1	0	0,2	0,5	1,2	0
Лист	42,3	40,5	0,7	2,8	9,8	0	0	1,2	1,2	1,5
Мята полевая
Корень	47,6	42,8	0,5	1,4	3,8	0,2	0,4	2,0	0,8	0,6
Стебель	55,7	37,9	0,8	0,3	0,7	0,4	0,5	2,1	1,3	0,3
Лист	52,5	41,4	0,7	0,3	0,3	0,3	0,6	2,8	1,1	0

 

В табл. 4 приведены результаты микрорентгеноспектрального анализа опытных образцов мяты полевой и душицы обыкновенной, полученные после эксперимента по очистке сточных вод городских территорий от тяжёлых металлов (усреднённые значения).

 

Таблица 4. Результаты микрорентгеноспектрального анализа образцов растений после очистки сточных вод, %

Table 4. Microentgenospectral analysis of plant samples after wastewater treatment, %

Вегетативный орган растения	Среднее содержание элемента, %
	C	O	Mg	Al	Si	S	Cl	K	Ca	Fe
Душица обыкновенная
Корень	51,7	45,8	0	0	0	0	0,5	0,8	0,7	0,6
Стебель	49,5	47,1	0,4	0	0,1	0	0,5	0,7	1,7	0
Лист	52,3	38,3	0,8	2,9	0,2	0	1,2	0,9	1,9	1,5
Мята полевая
Корень	47,3	41,0	0,6	1,4	3,6	0,1	0,2	2,5	2,3	1,0
Стебель	55,6	34,8	1,1	0,4	1,2	0	1,5	3,7	1,3	0,4
Лист	51,3	39,5	0,9	0,2	0,7	0,3	1,1	3,7	2,1	0,2

 

При сравнительном анализе табл. 3 и 4 можно выявить тенденцию к накоплению железа в мяте полевой. Прирост содержания железа составляет для корня 67 %, для стебля – 33 %. Увеличение концентрации железа наблюдается и в листьях. Душица обыкновенная, скорее всего, аккумулирует металлы не на поверхности, а в более глубоких слоях, поэтому микрорентгеноспектральный анализ показал увеличение содержания алюминия в листьях на 3,6 %, а концентрацию железа ‒ без изменения.

На рис. 4 приведена зависимость водородного показателя от времени контакта в системе растение–сточная вода.

 

Рис. 4. Изменение рН в зависимости от времени контакта растений со сточной водой

Fig. 4. Change in pH as a function of from the time of contact of plants with wastewater

 

Как видно из рис. 4, после контакта исходного стока с растениями происходит незначительный рост водородного показателя (в пределах 4,7 %). Причем более высокий прирост pH зафиксирован при контакте сточной воды с мятой полевой.

Заключение и обсуждение

Исследована эффективность биоаккумуляции мятой полевой и душицей обыкновенной металлов Al, Cr, Cu, Fe, Mn, Zn при очистке поверхностных сточных вод с селитебных территорий.

Показана высокая степень биоаккумуляции этих металлов. Наилучшая достигнутая эффективность составляет: для хрома, меди и марганца ‒ от 80 до 100 %, для железа ‒ от 90 до 96 %, алюминия ‒ от 29 до 59 %, цинка ‒ от 0 до 50 %.

Установлено, что для наиболее эффективного извлечения из сточных вод алюминия, железа и цинка предпочтительнее использовать мяту полевую. При преобладающем загрязнении сточных вод медью наиболее эффективным растением-биоаккумулятором является душица обыкновенная. Возможно использование двух растений для получения синергетического эффекта при очистке сточных вод.

Отмечена адаптация растений при их пребывании в неблагоприятной экологической среде в ходе исследования.

Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о возможности использования душицы обыкновенной и мяты полевой в качестве растений-биоаккумуляторов для удаления тяжёлых металлов в составе биоинженерных сооружений, так как растения толерантны к исследуемым металлам, хорошо переносят неблагоприятные условия, имеют невысокую стоимость и приятный эстетический внешний вид.

About the authors

Olesya A. Samodolova

St Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering; South Ural State University

Author for correspondence.
Email: samodolova@mail.ru

Assistant of the Water Use and Environment Chair, St Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering; Postgraduate Student of the Town Planning, Engineering Networks and Systems Chair, South Ural State University

Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 2nd Krasnoarmeyskaya str., 4; 454080, Chelyabinsk, 76 Lenin Prospekt, 76

Dmitrii V. Ulrikh

St Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Email: dulrikh@lan.spbgasu.ru

Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor, Dean of the Faculty of Environmental Engineering and Urban Management, Professor of the Water Use and Environment Chair

Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 2nd Krasnoarmeyskaya str., 4

Tatiana M. Lonzinger

South Ural State University

Email: lonzingertm@susu.ru

PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Town Planning, Engineering Networks and Systems Chair

Russian Federation, 454080, Chelyabinsk, 76 Lenin Prospekt, 76

References

Supplementary files