Средоулучшающие фитотехнологии

Краткое сообщение. Доработанный вариант 10июля2012.
В журнал «Технологии живых систем» info@radiotec.ru Наталье Павловне
В журнал послал 18.10.2011 с адреса ar55@yandex.ru
Fujitsu
УДК 574. 632.12:574.581.550.46/47.631: 579
Средоулучшающие фитотехнологии: Micranthemum umbrosum и другие водные
макрофиты как фактор снижения содержания в воде тяжелых металлов
Остроумов С.А., Поклонов В. А., Котелевцев С.В., Шестакова Т.В., Демина Л.Л.,
Шелейковский В.Л.
Название по-английски (рефераты, ключевые слова в конце)
Ostroumov S.A., Poklonov V.A., Kotelevtsev S.V., Shestakova, T.V., Demina, L.L.,
Sheleykovsky V. L.,
Phytotechnology to improve the environment: Micranthemum umbrosum and other aquatic
macrophytes as a factor in decreasing the concentrations of heavy metals in water
Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова,
Институт океанологии РАН,
Главный ботанический сад РАН
г. Москва, Россия
для связи: ar55@yandex.ru, warvir@rambler.ru
Введение. Во многих областях практики возникает задача лучше понимать и
прогнозировать химико-биотические взаимодействия с участием химических веществ,
загрязняющую окружающую среду, в том числе водную. Химико-биотические
взаимодействия в биосфере [1] исследовались на многих объектах, в том числе на
примере взаимодействий различных неорганических и органических поллютантов с
водными макрофитами [2-5]. Исследованиями многих лабораторий в РФ и за рубежом
показано, что тяжелые металлы проявляют токсичность для различных организмов, в том
числе нарушают физиологические и биохимические процессы, в ряде систем оказывают
генотоксичное и мембранотропное действие [ 6, 7 ].
Цель данного краткого сообщения – изложить новые данные о взаимодействии
кадмия и трех других тяжелых металлов с тремя видами водных макрофитов с
использованием апробированной ранее методики [2-4].
Методы.
1
Авторы использовали в данной работе ранее практически не исследованные виды
водных растений:
Ludwigia repens J.R. Forst., Micranthemum micranthemoides (Nutt.)
Wettst. и Micranthemum umbrosum (J.F. Gmel.) S.F. Blake при воздействии на них смеси
тяжелых металлов, в которую входили кадмий, свинец, цинк и медь. Номинальные
концентрации при начале инкубации водных растений в водной среде, куда была
добавлена эта смесь, составили: Cd 0,1 мг/л, Pb 0,2 мг/л, Zn 3 мг/л, Cu 3 мг/л.
Состав водных микрокосмов, в которых инкубировали макрофиты, указан в таблице 1
ниже. Объем воды в сосудах составлял по 100 мл. Инкубацию проводили при 18± 1,5° С
в условиях естественной фотопериодичности.
Концентрации тяжелых металлов меди, цинка, свинца и кадмия (Cu, Zn, Pb, Cd) в
водной среде измеряли методом инверсионной вольтамперометрии,
как описано в
работах [2-4 ]. Концентрации элементов в фитомассе растений изучали методом атомноабсорбционной спектрометрии (ААС): Fe, Mn, Zn и Cu
- в пламенном варианте на
спектрометре КВАНТ-2А; Pb, Cd, Cr, - в электротермическом варианте на спектрометре
КВАНТ-Z.ЭТА (с Зеемановским корректором фона).
Таблица 1. Состав экспериментальных микрокосмов и количество находящейся в них
биомассы водных макрофитов
№№
Вид растения
Биомасса
растений,
сырой вес, г
Контроль (без растений, но с добавкой
четырех тяжелых металлов)
0
микрокосмов
1,2
3
Ludwigia repens
7,5
4
L. repens
8,1
5
Micranthemum. micranthemoides
5,9
6
M. micranthemoides
5,5
7
M. umbrosum
8,1
8
M. umbrosum
7,7
9,10
Контроль (без растений, без тяжелых
металлов)
2
-
Результаты. Проведенные эксперименты показали, что уже после двух часов
инкубации макрофиты значительно снижали концентрации тяжелых металлов. После
первых суток инкубации появились признаки неблагополучия состояния водных
макрофитов за исключением микрокосмов с Ludwigia repens, где не имелось признаков
фитотоксичности. Концентрации металлов в водной среде после двух суток инкубации
приведены в таблице 2 ниже. На шестые сутки была выявлена гибель двух видов
макрофитов от воздействия тяжелых металлов, а именно Micranthemum micranthemoides и
Micranthemum umbrosum.
Таблица 2. Средние значения концентраций свинца и других металлов в водной среде
микрокосмов с макрофитами трех видов после двух суток инкубации. В качестве
контроля использовали микрокосмы №1 и 2 без водных растений.
№
мик
рок
осм
а
1, 2
Виды
макрофитов
микрокосмах
Единицы
в измерения,
концентрац
ии
металлов
без мг/л
7, 8
1, 2
Контроль
растений
Ludwigia repens
Micranthemum
micranthemoides
M. umbrosum
Контроль
3, 4
L. repens
5, 6
M.
micranthemoides
M. umbrosum
3, 4
5, 6
7, 8
Концентрации тяжелых металлов в указанных
слева единицах
Cu
Zn
Pb
Cd
2,6
1,47
0,085
0,095
мг/л
мг/л
0,095
0,32
1,33
0,27
0,007
0,01
0,024
0,0135
мг/л
% от
контроля
% от
контроля
% от
контроля
% от
контроля
0,575
100
0,95
100
0,0075
100
0,0095
100
3,7
90,5
8,2
25,3
12,3
18,4
11,8
14,2
22,1
64,6
8,8
10,0
Из таблицы видно, что наличие биомассы макрофитов во всех микрокосмах ускоряло
снижение концентраций металлов в воде по сравнению с контрольными микрокосмами
без растений (таб.2).
Таким образом, для всех трех видов макрофитов показано, что в их присутствии
концентрация всех четырех тяжелых металлов ниже, чем в контроле (микрокосмы без
3
растений). Это означает, что в присутствии макрофитов концентрации всех четырех
тяжелых металлов снижалась значительно быстрее и значительнее, чем в контроле.
С тем фактом, что в присутствии макрофитов быстро снижалась концентрация
металлов в воде, хорошо согласовались результаты изучения концентрации металлов в
биомассе растений, проведенного методом ААС. А именно, было установлено, что
концентрации всех четырех добавленных в воду элементов (Cd, Zn, Cu, Pb) в биомассе
(фитомассе) растений увеличивались по сравнению с контрольной биомассой - т.е.
биомассой растений, которые инкубировали в водной среде без добавления металлов.
При этом дополнительное измерение концентрации мышьяка, который в опыте не
добавляли в водную среду микрокосмов, показало, что содержание этого элемента в
биомассе растений и в опыте, и в контроле не различалось. Концентрации железа,
марганца и никеля, которые не были добавлены в микрокосмы, также существенно не
различалось в водной среде микрокосмов в опыте и контроле (Демина, Остроумов, в
подготовке).
Для целей фиторемедиации большое значение имеет не только воздействие растений
на концентрации металлов в водной среде, но и воздействие растворенных металлов на
растения. При воздействии металлов на растения может проявляться фитотоксичность
металлов. Эта возможность должна исследоваться, поскольку она должна приниматься во
внимание при разработке экологических технологий очищения воды.
Исследования, проведенные ранее, выявили фитотоксичность смеси четырех тяжелых
металлов (Zn, Cu, Pb, Cd) для водного макрофита (Ceratophyllum demersum) в условиях
микрокосмов [3]. Аналогичный результат был получен для Elodea сanadensis [4] и
макрофитов Utricularia gibba L.; Echinodorus quadricostatus Fasset; Synnema triflorum O.
Kuntze; Hydrotriche hottoniiflora, Lilaeopsis sp. и Lilaeopsis brasiliensis [5]. В данной работе
было установлено, что смесь четырех тяжелых металлов вызывала гибель Micranthemum
micranthemoides и Micranthemum umbrosum через 6 суток. Третий вид - Ludwigia repens оказался более устойчивым.
В последнее время уделяется внимание разработке фундаментальных проблем
экологии и гидробиологии, связанных с созданием теории функционирования водных
экосистем [ 8
]. Развитием такого подхода является разработка элементов теории
самоочищения воды в водных экосистемах [9, 10]. Выявлено, что в самоочищении воды
участвуют многие гидробионты, в том числе водные растения [11, 12 ]. К очищению
воды ведут многие процессы, перечень которых приведен в работе [11]. Результаты
4
данной работы вносят вклад в экспериментальные данные, которые детализируют
упомянутую теорию самоочищения воды с участием многих гидробионтов, включая
водные растения [9, 11, 13-23].
Выводы.
1. Выявлена способность трех видов водных растений (Ludwigia repens, Micranthemum
micranthemoides и Micranthemum umbrosum) способствовать снижению концентраций в
водной среде четырех тяжелых металлов – Cd, Zn, Cu, Pb.
2. Показано, что смесь четырех тяжелых металлов вызывала гибель Micranthemum
micranthemoides и Micranthemum umbrosum через 6 суток. Третий вид - Ludwigia repens оказался более устойчивым.
3.
Новые
данные
опытов
дополняют
ранее
полученные
результаты
о
фиторемедиационном потенциале водных макрофитов и вносят вклад в разработку
фитотехнологий очищения воды, а также в выявление диапазона условий, в рамках
которых можно использовать данные виды в целях фиторемедиации.
4. Новые результаты детализируют представления о роли гидробионтов, в том числе
водных растений, в экологически важных процессах очищения воды в природных водных
экосистемах.
Авторы благодарят канд. биол. наук Е.А. Соломонову за помощь.
5
Литература
1. Добровольский Г.В. К 80-летию выхода в свет книги В.И. Вернадского “Биосфера”.
Развитие некоторых важных разделов учения о биосфере. - Экологическая химия. 2007, т.
16(3), с.135–143.
2. Остроумов С.А., Поклонов В.А., Шелейковский В.Л., Шестакова Т.В., Котелевцев С.В.,
Козлов Ю.П.; фиторемедиационный потенциал пяти видов макрофитов (Utricularia gibba и
другие) в условиях микрокосмов и внесения в воду смеси тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb,
Cd) // Ecological Studies, Hazards, Solutions, 2010, том 15, с. 91-94.
3.Остроумов С.А., Шестакова Т.В., Котелевцев С.В., Соломонова Е.А., Головня Е.Г.,
Поклонов В.А. Присутствие макрофитов в водной системе ускоряет снижение
концентраций меди, свинца и других тяжелых металлов в воде // Водное хозяйство
России. 2009. No. 2. С. 58-67.
4.Остроумов С.А., Шестакова Т.В., Котелевцев С.В., Колотилова Н.Н., Поклонов В.А.,
Соломонова Е.А. Новое о фиторемедиационном потенциале: ускорение снижения
концентраций тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb, Cd) в воде в присутствии элодеи //
Экологическая химия. 2009, 18(2): с.111-119.
5. Остроумов С.А., Соломонова Е.А. Изучение диапазона устойчивости макрофита
Potamogeton crispus L. в условиях микрокосмов, содержащих додецилсульфат натрия //
Технология живых систем. 2010, № 2.
6. Rand G. Fundamentals of Aquatic Toxicology. Phyladelphia: Taylor&Francis. 1995. 1126 p.
7. Моисеенко Т.И., Кудрявцева Л.П., Гашкина Н.А. Рассеянные элементы в
поверхностных водах суши : технофильность, биоаккумуляция и экотоксикология. М.:
Наука, 2006. – 261 с.
8. Алимов А.Ф. 2000. Элементы теории функционирования водных экосистем. СПб.:
Наука, 147 с.
9. Остроумов С.А. Гидробионты в самоочищении вод и биогенной миграции элементов.
М.: МАКС. Пресс 2008. 200 с.
10. Ермаков В.В. О книге С.А.Остроумова «Гидробионты в самоочищении вод и
биогенной миграции элементов» // Вода: химия и экология. 2009. № 8. С. 25-29.
11. Остроумов С.А. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории //
ДАН. 2004, Т. 396. С. 136-141.
12. Кокин К.А. Экология высших водных растений. М.: Издательство Московского
университета. 160 с.
6
13. Остроумов С.А., Соломонова Е.А. Метод определения допустимых нагрузок
загрязняющих веществ на высшие водные растения и перспективы его применения.
Экология промышленного производства. 2012. №2. С. 54-60.
14. Шелейковский В.Л., С.В. Котелевцев, С.А. Остроумов, Т.В. Шестакова, В.А.
Поклонов. Взаимодействия кадмия и других тяжелых металлов с водными макрофитами
Ludwigia repens, Micranthemum micranthemoides и Micranthemum umbrosum // Проблемы
биогеохимии и геохимической экологии. 2011, №3 (17), с.149-152.
15. Поклонов В.А., Котелевцев С.А., Шестакова Т.В., Шелейковский В.Л., Остроумов
С.А. Изучение фиторемедиационного потенциала водных растений Lilaeopsis brasiliensis и
Utricularia gibba // Вода: химия и экология, 2012, № 5, С. 66-69.
16. Остроумов С.А., Шестакова Т.В. Снижение измеряемых концентраций Cu, Zn, Cd, Pb
в воде экспериментальных систем с Ceratophyllum demersum: потенциал фиторемедиации
// ДАН. 2009. т.428. № 2. С. 282-285.
17.
Ostroumov S.A., Shestakova T.V. Decreasing the measurable concentrations of Cu, Zn,
Cd, and Pb in the water of the experimental systems containing Ceratophyllum demersum: The
phytoremediation potential // Doklady Biological Sciences, 2009, vol. 428, № 1, p. 444-447.
18. Остроумов С.А., Котелевцев С.В., Шестакова Т.В., Поклонов В.А., Соломонова Е.А.,
Головня Е.Г. Водные макрофиты способствуют снижению измеряемой концентрации
кадмия и других металлов в воде. - Ecological Studies, Hazards, Solutions, 2009, vol.14. Ecological Studies, Hazards, Solutions, 2009, vol.14. p. 67.
19.
Остроумов, С.А., Поклонов, В. А., Шелейковский, В.Л., Шестакова, Т.В.,
Котелевцев, С.В., Козлов, Ю.П., Методические вопросы и оценка фитотоксичности
смеси тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb, Cd ) для пяти видов макрофитов (Utricularia gibba и
другие) в условиях микрокосмов // Ecological Studies, Hazards, Solutions, 2010, Т.15, С.8791.
20. Solomonova E.A., Ostroumov S.A. Tolerance of an aquatic macrophyte Potamogeton crispus
L. to sodium dodecyl sulphate. - Moscow University Biological Sciences Bulletin. 2007. Volume
62, Number 4. P.176-179.
21. Соломонова Е.А., Остроумов С.А. Изучение устойчивости водного макрофита
Potamogeton crispus L. к додецилсульфату натрия. - Вестник Московского ун-та. Сер. 16.
Биология. 2007. № 4. С.39-42.
7
22. Остроумов С.А., Соломонова Е.А. Изучение фиторемедиационного потенциала трех
видов макрофитов: взаимодействие с додецилсульфатом натрия // Экологические системы
и приборы, 2007. № 5. - C. 20-22.
23. Тимофеева С.С., Тимофеев С.С. Фитотехнологии и возможности их применения в
условиях
Восточной
Сибири.
Вестник
//
Иркутской
государственной
сельскохозяйственной академии. 2012. № 48. С. 136-145.
Аннотации, ключевые слова, координаты для переписки – ниже и на последующих
страницах
Ключевые слова по-английски:
Interactions, inorganic contaminants, plants, aquatic, microcosms, heavy metals, hydrobiology.
Ключевые слова по-русски:
Взаимодействия,
неорганические
загрязняющие
вещества,
растения,
водные,
микрокосмы, тяжелые металлы, гидробиология.
Информация об авторах:
Шелейковский Вадим Львович – без степени, главный специалист Главного
ботанического сада РАН;
Шестакова Татьяна Владимировна – кандидат химич наук, старший научн сотрудник
геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова;
Поклонов Владислав Александрович - аспирант МГУ им. М.В.Ломоносова, без степени;
Котелевцев Сергей Васильевич – доктор биологических наук, ведущий научн сотрудник
биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова;
Демина Людмила Львовна – доктор геолого-минералогических наук, ведущ научн
сотрудник Института океанологии РАН;
Остроумов Сергей Андреевич -– доктор биологических наук, ведущий научн сотрудник
биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова;
Адрес для переписки:
Д.б.н., ведущий научный сотрудник Остроумов Сергей Андреевич,
8
Москва 119991, ГСП-1, Ленгоры, МГУ им. М.В.Ломоносова, биофак, лаборатория
физхимии биомембран;
Ar55@yandex.ru;
Тел дом. 495-331-06-93
**
Короткий реферат на русском языке:
Авторы статьи выявили фиторемедиационный потенциал ранее не исследованных видов
водных макрофитов Ludwigia repens J.R. Forst., Micranthemum micranthemoides (Nutt.)
Wettst., и Micranthemum umbrosum (J.F. Gmel.) S.F. Blake при воздействии на них смеси
тяжелых металлов (Pb=0,2 мг/л, Zn=3 мг/л, Cu=3 мг/л, Cd=0,1 мг/л). Концентрации
измеряли методом инверсионной вольтамперометрии. Опыты авторов доказали, что в
присутствии водных растений ускорялось снижение концентрации всех четырех металлов
по сравнению с контролем (водные системы без растений). Авторы обнаружили
фитотоксичность исследованной смеси тяжелых металлов для макрофитов Micranthemum
micranthemoides, и M. umbrosum .
(короткий реферат на англ)
ASTRACT. The authors discovered the phytoremediation potential of previously unstudied
species of aquatic macrophytes, namely, Ludwigia repens JR Forst., Micranthemum
micranthemoides (Nutt.) Wettst., And Micranthemum umbrosum (JF Gmel.) SF Blake. The
plants were exposed to a mixture of heavy metals (Pb = 0,2 mg / L, Zn = 3 mg / L, Cu = 3 mg /
L, Cd = 0,1 mg / L). Experiments of the authors showed that in the presence of the aquatic
plants, an accelerated decrease in the concentrations of all four metals as compared to control
(water systems without plants) took place. The authors found phytotoxicity of the studied
mixture of the heavy metals to macrophytes Micranthemum micranthemoides, and M.
umbrosum.
**
Большой реферат на англ – на отдельной странице
9
Большой реферат на англ :
Ostroumov S.A., Poklonov V.A.,
Kotelevtsev S.V.,
Shestakova T.V.,
Demina L.L.,
Sheleykovsky V. L.,
Phytotechnology to improve the environment: Micranthemum umbrosum and other aquatic
macrophytes as a factor in decreasing the concentrations of heavy metals in water.
ASTRACT. The authors discovered the phytoremediation potential of the three previously
unstudied species of aquatic macrophytes, namely, Ludwigia repens JR Forst., Micranthemum
micranthemoides (Nutt.) Wettst., and Micranthemum umbrosum (JF Gmel.) SF Blake. The
plants were exposed to a mixture of heavy metals (Pb = 0,2 mg / L, Zn = 3 mg / L, Cu = 3 mg /
L, Cd = 0,1 mg / L). Experiments of the authors showed that in the presence of the aquatic
plants, an accelerated decrease in the concentrations of all four metals as compared to control
(water systems without plants) took place. The concentrations of Pb, Zn, Cu, Cd were measured
using the method of inversion volt-amperometry.
For instance, in case of copper (Cu), after the 2-day incubation, the average concentration
of this metal in the aquatic medium of the systems with the macrophyte L. repens was only 3,7
% of the control value. In the systems with another species, M. micranthemoides, the average
concentration of copper was only 12,3% of that in the control, in the systems with M.
umbrosum, the average concentration of copper was 22,1% of the control. Among the three
species of plants, the most efficient in removing copper was L. repens.
In case of zink (Zn), the degree of removal of the metal from the aquatic medium varied
greatly depending on the species of the plant. In the water of the systems with L. repens, the
average concentration of zink was 90,5% of the control value. In the water of the systems with
M. micranthemoides, the average level of Zn was 18,4% of that in the control. In the microcosms
with M. umbrosum, the average concentration of zink in the aquatic medium was 64,6% of the
control. Among the three species, the most effective in decreasing the level of zink in the water
was M. micranthemoides.
As for Pb, all of the tree species of plants contributed to efficient removal of this metal
from the aquatic medium. After the incubation, the average concentration of Pb in the
microcosms with
L. repens was only 8,2 % of the control value. In the system with M.
micranthemoides, the average concentration of Pb was 11,8% of that in the control. In the
microcosms with M. umbrosum, the average level of this metal was 8,8% of the control. All
10
three species of plants decreased the concentration of Pb in the aquatic medium by an order of
magnitude.
When the concentration of cadmium (Cd) was measured, the decrease in the
concentration was as following. In the aquatic medium of the microcosms with L. repens, the
average concentration of Cd was 25.3 % of the control value. In the systems with
M.
micranthemoides, the average level of the metal was 14,2% of that in the control. In the
microcosms with M. umbrosum, the average concentration of cadmium was the least of all the
three plant species, only 10,0% of the control. Among the three species of plants, this species, M.
umbrosum , was most efficient in removing cadmium.
The authors found phytotoxicity of the studied mixture of the heavy metals to the
macrophytes Micranthemum micranthemoides, and M. umbrosum.
The new data contributed to establish a data base for developing new ecotechnology to
improve water quality. Moreover, the new facts provided additional support to the theory of the
biota-dependent water self-purification that was developed by one of the co-authors in his
previous publications (Ostroumov, 2004, 2008).
11