Введение к работе
Актуальность исследования. Водные экосистемы в настоящее время подвергаются значительному антропогенному загрязнению, что отражается как на их продуктивности, так и на качестве воды (Arnold, 2006). Из загрязняющих веществ особую опасность представляют тяжелые металлы (ТМ), которые при избытке оказывают существенное негативное воздействие на водную биоту и способны накапливаться в компонентах экосистем, в конечном итоге ухудшая качество воды и водной продукции, используемых человеком. В этой связи проблема снижения содержания ТМ в водоемах в настоящее время сохраняет свою актуальность.
Среди тяжелых металлов 4 иона Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+ имеют наиболее широкое распространение в сточных водах многих предприятий (горнодобывающих, металлургических, текстильных, гальванических, машиностроения, топливно-энергетического комплекса, сельскохозяйственного производства), которые к тому же характеризуются широким диапазоном рН среды – от 3 до 12 (Овцов и др., 1989; Кривошеин и др., 2003; Колесников, Меньшутина, 2005; Каплин, 2006; Титов и др., 2007).
Эффективность очистки воды от данных ионов с концентрацией ниже 5 мг/л традиционными методами низкая и составляет только 10-75% (Колесников, Меньшутина, 2005; Oliveira et al., 2007; Johnson et al., 2008). В некоторых случаях отдельные методы очистки, такие как коагуляция и флокуляция могут дать более высокие результаты, но использование при этом дорогих химических реагентов неоправданно увеличивает затраты. Поэтому назрела необходимость в новых экологически и экономически более эффективных методах очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов.
Одним из перспективных способов очистки сточных вод является фиторемедиация. Известно (Vymazal, 2005; Nelson et al., 2006; Wallace, Knight, 2006), что в Америке и Европе широкое применение получили искусственные и естественные ветланды для очистки сточных вод от тяжелых металлов многих промышленных и сельскохозяйственных предприятий, где используются, в основном, такие водные макрофиты, как Phragmites australis, Typha latifolia, Scirpus lacustris, Eichhornia crassipes, Potamogeton natans. По этим видам имеются многочисленные исследования их очистительной способности, проведенные как в лабораторных условиях, так и в промышленных масштабах. Напротив, Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis, Lemna minor и Salvinia natans, распространенные повсеместно, обладающие высокой продуктивностью и играющие важную роль в самоочищении воды (Лукина, Смирнова, 1988; Эйнор, 1992; Морозова, 2001; Kadlec, Wallace, 2008), еще недостаточно изучены с точки зрения их способности к очищению воды от тяжелых металлов. Поэтому требуется проведение новых экспериментов с данными видами макрофитов с целью поиска путей их практического применения для очистки сточных вод от тяжелых металлов.
Другое современное направление в очистке воды от тяжелых металлов - использование фитомассы водных макрофитов в качестве сорбентов для извлечения тяжелых металлов из воды. Особый интерес это направление представляет для развивающихся стран, в том числе и Вьетнама, из-за низких капиталовложений, обильного источника сырья и технологической простоты. Применение сорбентов в сочетании с очистными ветландами позволяет наладить непрерывный процесс очистки, исключая его зависимость от сезонов года. Следовательно, данное направление является перспективным не только с научной точки зрения, но и с экономической.
Цель исследования: Экспериментально определить возможность использования водных макрофитов (Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis, Lemna minor, Salvinia natans) в очищении воды от тяжелых металлов (Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+).
Задачи исследования:
1. Выявить реакцию Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis на воздействие ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+ с концентрацией 0,1; 1,5; 2 и 0,5 мг/л, соответственно, при различных значениях pH воды.
2. Определить способность Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis снижать концентрации ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+.
3. Экспериментально определить продолжительность экспозиции Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis и значение pH воды, оптимальные для очистки воды от ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+.
4. Определить возможность и эффективность использования порошка из фитомассы Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis, Lemna minor, Salvinia natans в качестве сорбентов ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+.
Научная новизна работы.
Экспериментально доказана возможность использования Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis, Lemna minor, Salvinia natans) в качестве активных агентов фиторемедиации
Определена продолжительность экспозиции Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis, при которой обеспечивается максимальная очистка воды от ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+.
Получены новые сведения об использовании в качестве сорбентов ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+ порошка из фитомассы Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis, Lemna minor, Salvinia natans
Установлены значение pH воды и количество сорбента из растений (Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis, Lemna minor, Salvinia natans), необходимые для эффективной очистки воды от ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+.
Установлены математические уравнения, описывающие зависимость остаточной концентрации ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+ в конце очистки от значений pH и количества сорбента из растений.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Результаты диссертационной работы позволяют рекомендовать наиболее подходящий вид макрофитов для использования в очистных ветландах и эффективный сорбент из них для извлечения ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+ из воды.
На основе полученных результатов предложены оптимальные параметры (продолжительность экспозиции, значение pH, количество сорбента из растений) для достижения максимальной эффективности использования изучаемых макрофитов в очищении воды от ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+.
Построенные математические уравнения можно использовать для расчета остаточной концентрации ионов тяжелых металлов в растворах после очистки при заданных значении pH и количестве сорбента из растений.
Таким образом, полученные результаты могут быть использованы при разработке очистных ветландов и производстве сорбентов из фитомассы Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis, Lemna minor, Salvinia natans для очищения воды от тяжелых металлов.
Методология и методы исследования.
Методологической базой диссертации являются исследования ученых, такие как Н.В. Морозов (2001), А.Г. Дмитриева (2002), А.С. Гринин (2003), О.А. Розенцвет (2006), А.Ф. Титов (2007), Л.Г. Бондарева (2008), О.П. Калякина (2008), Т.А. Зотина (2009), С. А. Остроумов (2009), B. Voleksy (1990), I.A.H. Schneider (1995), T.C. Wang (1996), M.N.V. Prasad (2004), R.H. Kadlec (2008), R.L. Knight (2008), J. Wang (2009) и др.
Концентрация ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ в растворах определялась на фотометре Эксперт-003 (Россия) по принятым стандартным методам: для Cr6+ по РД 52.24.446-2008; для Fe3+ - ПНД Ф 14.; 2.2-95 и для Cu2+ - ПНД Ф 14.; 2.48-96. Концентрация ионов Cd2+ измерялась лабораторным иономером И-160 МИ (Россия) (Мидгли, Торренс, 1980).
В диссертационной работе использованы методы обработки статистических данных, наименьших квадратов, регрессионного анализа и математического моделирования с помощью статистических методов. Результаты экспериментов обработаны с помощью программы STATISTICA 8 и Microsoft Excel 2010.
Положения, выносимые на защиту.
Максимальное снижение концентрации ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+ и Cd2+ в воде в присутствии Ceratophyllum demersum, Najas guadalupensis, Elodea сanadensis достигалось в определенных продолжительности экспозиции и значении pH.
Интервал значения pH, оптимальный для очистки воды от ионов Cr6+, Fe3+, Cu2+, Cd2+ сорбентами из изучаемых макрофитов различный для каждого иона.
Зависимость остаточной концентрации ионов тяжелых металлов в воде после очистки от значения pH и количества сорбента из растений описывается нелинейными уравнениями с высокой адекватностью.
Декларация личного участия автора. Автор самостоятельно разработал и проводил все эксперименты, и сделал обработку и анализ полученных данных. Диссертационная работа написана автором самостоятельно под руководством к.б.н., доц. Мельник И.В.
Степень достоверности результатов определяется применением современного сертифицированного аналитического оборудования, соблюдением требований действующих стандартов, а также общепринятыми статистическими методами обработки данных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на следующих конференциях: International scientific conference on environment and biodiversity (Beograd, Serbia, 2010); Ежегодной Всероссийской научной конференции учащихся, студентов и молодых ученых «Научное творчество XXI века» (Красноярск, 2010); III-й Международной научно-практической конференции молодых ученых “Молодёжь и наука XXI века” (Ульяновск, 2010); Международной отраслевой научной конференции профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета, посвященная 80-летию основания Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2010); Международной научно-практической конференции “Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс” с участием в рамках программы “Участник молодёжного научно-инновационного конкурса”, “У.М.Н.И.К.” (Астрахань, 2010); Всероссийской научной конференции, посвященной 15-летию биологического факультета Сургутского государственного университета (Сургут, 2011); V-й Международной научной конференции молодых ученых и талантливых студентов (Москва, 2011); Международном молодежном научном форуме «ЛОМОНОСОВ-2012» (Москва, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материала и методов исследования, результатов собственных исследований и их обсуждения, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 178 источников, из них 89 зарубежных.
