VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Фиторемедиация почв промышленно-урбанизированных территорий
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Тульская область является крупным промышленным регионом Центральной России, что обусловлено высокой концентрацией предприятий химической, металлургической промышленности, производства и распределения электроэнергии [1].
Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о максимальном загрязнении почв города Тулы и некоторых районов Тульской области (Суворовского, Щекинского, Новомосковского) тяжелыми металлами, что коррелирует с развитием промышленности в данном регионе [1].
Загрязнение природной среды ионами тяжелых металлов (ТМ) представляет большую опасность для человека. Широко применяемые в настоящее время методы удаления тяжелых металлов из таких природных объектов, как почвенный покров и водоемы, связаны с образованием большого количества токсичных шламов, являются дорогостоящими и сложными в исполнении.
Поэтому актуальным становится поиск и разработка методов, позволяющих извлекать экотоксиканты без дополнительной нагрузки на окружающую среду.
Одним из перспективных методов очистки почв от ТМ является фиторемедиация – детоксикация почв с использованием растений, который основан на способности некоторых видов к гипераккумуляции ТМ в своей биомассе. Положительная сторона данного метода обусловлена не только его эффективностью и безопасностью для окружающей среды, но и экономическими выгодами. Требуется только посадить «нужные виды» растений в загрязненную почву, а в конце сезона утилизировать их.
В последние годы многие российские и зарубежные ученые занимаются поиском растений гипераккумуляторов, однако данные исследования больше направлены на изучение сельскохозяйственных культур и это, конечно же, очень важно, поскольку помимо непосредственного токсического действия на живые организмы тяжелые металлы имеют тенденцию к накоплению в пищевых цепях, что является опасным для человека [1,3,4].
В своём исследовании мы хотим обратить внимание на почвы промышленно-урбанизированных территорий, которые даже в большей степени, чем почвы сельскохозяйственных территорий подвержены загрязнению ТМ и имеют важное значение в круговороте веществ в биосфере и поэтому нуждаются в защите.
Решением данной проблемы может стать подбор растений гипераккумуляторов, который заключается в определении фиторемедиационного потенциала растений [2,7,8].
В связи с этим целью данной работы является оценка уровня устойчивости растений Tagetes patula L. токсическому воздействию ионов цинка и кобальта с целью применения для фиторемедиации почв промышленно-урбанизированных территорий.
Задачи исследования:
Изучить основные технологии фиторемедиации, найти преимущества и недостатки данного метода
Провести модельный эксперимент и исследовать влияние цинка и кобальта на рост и развитие вида Tagetes patula L.
Разработать схему проведения эксперимента на учебно-опытном участке
Оценить возможность использования данного вида растений с целью применения в технологии фиторемедиации.
Объект исследования – бархатцы (Tagetes patula L.), растения которые выполняют не только экологические функции, но и декоративно-эстетические.
Исходя из вышеизложенного, мы сформулировали гипотезу исследования: выращивая декоративные культуры такие как, бархатцы (Tagetes L.) на загрязненных территориях можно уменьшить содержание ионов Zn+2 и Co+2 в почве.
Литературный обзор
Эколого-геохимические особенности почв промышленно-урбанизированных территорий
Согласно литературным данным, промышленно-урбанизированные территории отличается от природных экосистем [3,4,6,8]. В первую очередь, это связано с большим притоком концентрированной энергии, поступающей в виде горючих ископаемых, а также более мощным потоком отходов жизнедеятельности человека, многие из которых намного токсичнее, чем естественное сырье. Необходимо отметить, что антропогенные экосистемы характеризуются ярко выраженным разорванным циклом элементов, поскольку техногенные потоки вещества, которые образуются в городах, обладают высокими концентрациями многих химических элементов и их соединений.
Включаясь в природные циклы миграции, они приводят к быстрому распространению поллютантов в различных компонентах городского ландшафта [2,3,4].
С эколого-геохимической точки зрения главной особенностью городских почв является формирование техногенных геохимических аномалий, в которых уровни содержания многих химических элементов, особенно тяжелых металлов, многократно превышают не только природный фон, но и гигиенические нормативы [2,5].
Тяжелые металлы в почвах содержатся в разных формах и могут нести положительный заряд, выступая как катионы, или отрицательный заряд, являясь анионами, а так называемые амфотерные элементы в зависимости от рН почвы могут быть заряжены и отрицательно, и положительно[5].
Основные требования, предъявляемые к различным способам фиторемедиации почв, сводятся к следующим положениям [3, 6]:
1) возможность применения метода in situ (способы и методы, применяемые непосредственно на месте заражения);
2) селективность метода по отношению к конкретным поллютантам;
3) «экологическая чистота» применяемого метода;
4) относительно высокие степень и скорость очистки;
5) экономическая эффективность метода.
1.2. Преимущества и недостатки метода фитоэкстракции
Как и любая другая технология, метод фитоэкстракции имеет свои плюсы и минусы.
Положительные стороны метода:
Низкая себестоимость по сравнению с другими методами очистки почвы.
Процесс происходит быстрее, чем при естественном распаде загрязняющих веществ.
Снижение количества загрязняющих веществ.
Метод фиторемедиации практически не имеет вредного воздействия на окружающую среду и хорошо воспринимается населением.
Основным препятствием к применению метода фиторемедиации является его новизна и недостаточное распространение.
Ограничения метода:
Процессы экстракции и аккумуляции загрязняющих веществ растениями медленные, более того они зависят от химической доступности поллютанта для растений.
Существует зависимость растений от климатических условий.
В большинстве случаев загрязнения должны находиться на небольшой глубине, так как данный метод зависит от глубины проникновения в почву корневой системы растений.
Этот метод дает хорошие результаты на тех территориях, где уровень загрязнения невысок, поскольку высокие концентрации могут ограничивать рост растений и процесс очищения занимает больше времени.
Высокая концентрация ТМ и других загрязняющих элементов может быть токсичной для большинства растений, в связи с этим необходимо использование только растений-накопителей.
Необходим контроль доступа к полигону, так как растения могут представлять опасность для домашних животных и людей.
Методы исследования
Растения выращивали в виде водной культуры, используя дистиллированную воду в контрольном варианте и с добавлением сульфата кобальта СoSO4, сульфата цинка Zn SO4 в опытных пробах (0-10000 мкМ).
Оценку темпов накопления биомассы проводили гравиметрическим методом на аналитических весах с точностью до 0,1мг. Перед проведением исследования корневую систему промывали дистиллированной водой и подсушивали на фильтровальной бумаге.
Содержание цинка и кобальта определяли на атомно-абсорбционном спектрометре с электротермической атомизацией МГА-915М.
Навеску воздушно-сухого растительного материала массой 0,5-1 г помещали в коническую термостойкую колбу вместимостью 100 см3, приливали 10 мл раствора HNO3 с молярной концентрацией 5 моль/дм3и тщательно перемешивали. Колбу закрывали стеклянной воронкой и помещали в кипящую водяную баню на 3 часа. Каждый час пробу перемешивали. После остывания раствор фильтровали через фильтр «красная лента» в мерную колбу вместимостью 50 см3. Полученный фильтрат доводили до метки бидистиллированной водой. В полученном растворе определялисодержание ТМ в соответствии с руководством по эксплуатации спектрометра.
Для градуировки спектрометра проводили серию последовательных измерений аналитического сигнала от содержания никеля в диапазоне от 0 до 400 пг с использованием ГСО 8001-93 [5].
Определение фотосинтетических пигментов проводили согласно следующей методике: 1г проростков измельчали в фарфоровую ступку, добавляли сухой CaCО3,растирали до получения однородной рассыпчатой массы. Добавляли 10 мл 90% спирта, растирали еще 2 минуты, затем профильтровали в чистые химические стаканы.
Полученные вытяжки пигментов подвергали колориметрированию649 на спектрофотометре с использованием длин волн 665; 654; нм.
Для количественного определения часть полученного экстракта наливали в кювету (d = 1 см). Вторая кювета заполнялась чистым растворителем (96% этанолом). Кюветы помещали в кюветную камеру фотоколориметра и определяли оптическую плотность (D) при данных длинах волн.Результаты измерений использовали для расчета содержания хлорофиллов в соответствии со следующими формулами (Гавриленко, Жигалова, 2003):
Ca (мг/л) =13,70×D665 – 5.76×D649,
Cb (мг/л) =25,80×D649 – 5.76×D665,
Ca+b (мг/л) =6,10×D665 + 20,04×D649= 25.1×D654(Где Ca - концентрация хлорофилла «a», Cb - концентрация хлорофилла «б», Ca+b - суммарная концентрация хлорофиллов).
Статистическая обработка данных и достоверность
результатов исследования
Эксперименты проведены в трех-пяти биологических повторностяхпо три аналитические повторности в каждой. Результаты экспериментов обработаны статистически с использованием программы Excel. Уровень значимости результатов (=0,05) соответствует вероятности событий Р = 0,95.
Результаты исследования
В общем виде технология фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв включает два этапа: подготовительный и собственно фитоэкстракцию.
Подготовительный этап нами был разделен на следующие стадии:
Модельный эксперимент
Составление схемы проведения эксперимента на учебно-опытном участке.
В рамках модельного эксперимента были проведены исследования по оценке фиторемедиационного потенциала Tagetes patula L. Для этого определяли сырую и сухую биомассу выбранных растений, как основных показателей биопродуктивности (рис.1, 2).
Рис.1. Зависимость сырой биомассы растений Tagetes patula L. от концентрации ионов цинка и кобальта.
Рис. 2. Зависимость сухой биомассы растений Tagetes patula L. от концентрации ионов цинка и кобальта.
Результаты проведенных экспериментов показали, что характер изменения параметров роста и развития растений находился в прямой зависимости от концентрации ионов цинка и кобальта в среде.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение концентрации ионов цинка приводило к повышению сырой массы побега и корня до концентрации 100мкМ. В то время как увеличение ионов кобальта в среде приводило к снижению данного параметра.
Н аличие пигментов фотосинтетического процесса – хлорофиллов является важнейшей биохимической характеристикой возможностей фотосинтетического аппарата растений, поскольку пигменты отвечают за поглощение энергии света и ее трансформацию в энергию химических связей.
Рис. 3. Зависимость содержания суммарного хлорофилла от концентрации ионов цинка и кобальта
Исследование содержания хлорофилла показало, что даже при минимальной концентрации 1мкМ ионов цинка содержание хлорофилла (Хл) было выше, чем в контрольном варианте.
Данный показатель увеличивался до концентрации сульфата цинка равной 100мкМ, однако дальнейшее увеличение содержания ионов металла в среде приводило к уменьшению количества пигмента (рис.3).
Многие физиологические и биохимические показатели зависят от того, в каком количестве ионы металла проникают внутрь формирующегося растения. Поэтому важным было количественное содержания ионов цинка и свинца в корнях и побегах растений и сравнение полученных данных с эффектами изменений, которые были обнаружены нами ранее. В связи с этим необходимым стало определение индекса устойчивости и фактора биоконцентрации.
Индекс устойчивости– отношение сухой массы опытных образцов к контрольному варианту.
Рис. 4 Определение индекса устойчивости
Биоконцентрация – это отношение содержания ионов ТМ в тканях растений к содержанию ионов ТМ в питательном растворе.
Рис. 5 Определение фактора биоконцентрации
По полученным данным можно утверждать, что ионы Co2+ оказывают угнетающие действие на растения во всех выбранных концентрациях.
Так же в концентрациях 1000 мкМ и 10000 мкМ наблюдалось ингибирующие действие иона Co2+ на синтез хлорофиллов. Можно предположить, что это происходило из-за сильного токсичного свойства иона Co2+ даже в незначительном количестве. Также наблюдается систематическое снижение биомассы, и индекса устойчивости, что приводит к снижению адаптивного потенциала. И как следствие снижение эффективности использования этого вида для фиторемедиации почв с высоким содержанием кобальта.
Таким образом, подводя итоги исследования, можно говорить о том, что физиологически значимые концентрации сульфата цинка (необходимые для активации роста и развития бархатцев находятся в диапазоне менее чем 100 мкМ. Токсические эффекты (сокращение биомассы и количества хлорофилла) начинаются с концентрации, равной 1000 мкМ, в то время как содержание в среде даже минимальной концентрации 1мкм ионов кобальта приводило к снижению всех исследованных параметров.
Нами была составлена схема проведения эксперимента на учебно-опытном участке.
Схема эксперимента
Данный сценарий эксперимента необходим для создания имитационной модели системы «почва-растение», позволяющий выявить закономерности и прогнозирующей накопление тяжёлых металлов в органах растения, в зависимости от их концентрации в почве.
При тестировании на участке к выбранным технологиям будут предъявлены следующие требования:
безопасность методов фиторемедиации для окружающей среды;
экономическая выгода для заказчика;
отсутствие дополнительной рекультивации,
эффективность проведения мероприятий (выражается в % и определяется степенью извлечения поллютантов (тяжелых металлов) из почвы);
незначительная продолжительность во времени.
Результат проведенных мероприятий определяется качеством почвы, прошедшей все стадии технологии фиторемедиации. Поэтому будут проведены лабораторные исследования на содержание тяжелых металлов, выявленных на начальном этапе исследования. Их концентрация после проведенных мероприятий не должна превышать ПДК.
Заключение
Таким образом, подводя итоги исследования, можно говорить о том, что физиологически значимые концентрации нитрата цинка (необходимые для активации роста и развития растений Tagetes patula L. находятся в диапазоне менее чем 100 мкМ. Токсические эффекты (сокращение биомассы и количества хлорофилла) начинаются с концентрации, равной 1000 мкМ, в то время как содержание в среде даже минимальной концентрации 1мкм ионов кобальта приводило к снижению всех исследованных параметров.
Выводы:
Определили, что Tagetes patula L. не подходит для извлечения кобальта из почв с высоким его содержанием, так как произойдёт увеличение сроков очистки почвы или повышение содержание этого элемента, в связи с возможной гибелью растений.
Установили, что Tagetes patula L. является перспективным растением - фиторемедиатором в отношении ионов цинка в диапазоне концентраций до 1000 мкМ.
Разработали схему проведения эксперимента на учебно-опытном участке.
В дальнейшем планируется тестирование на учебно-опытном участке Областного эколого-биологического центра учащихся (весна-лето 2019). При положительных результатах данное исследование будет включать следующие стадии:
приемка (сотрудниками ФГБУ «Тулаагрохимрадиология»);
эксплуатация на территории города Тулы по согласованию с Управлением по благоустройству г. Тулы
Список использованных источников и литературы
Арляпов В. А., Волкова Е. М, Нечаева И. А, Скворцова Л. С. Содержание тяжёлых металлов в почве как индикатор антропогенного загрязнения Тульской области // Тульский государственный университет Естественны науки, 2015. – С. 195, 197-199.
Беспамятов Г.Р. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде // Химия. М.: Вокруг Света, 2007. - №4. – С. 34-35.
Буренков Э.К., Борисенко И.Л., Москаленко Н.Н., Янин Е.П. Экологическая геохимия городских агломераций. – М.: Геоинформмарк, 1991. – 79 с.
Гальченко С.В. Оценка влияния техногенных выбросов на экологическое состояние урбанизированных систем (на примере города Рязани) [Тест.]: дис. … канд. Биол. Наук / РГСХА имени П.А. Костычева. – Рязань, 2002. – 160с
Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях: Пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – 439 с.
Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении. М.: Высш. шк., 2002. 334 с.
Янин Е.П. Ремедиация территорий, загрязненных химическими элементами: общие подходы, правовые аспекты, основные способы (зарубежный опыт) // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов, 2014, № 3, с. 3–105.
Anil, K.G. Bioremediation: Ecotechnology for the Present Century / K.G. Anil, Y. Mohammad, K.P. Pramod // International Society jf Environmental Botanists -Vol. 9 No. 2 - April 2003.