27 декабря 2021

Учёные ОИЯИ разрабатывают метод использования зеленых растений для очистки сточных вод

В настоящее время одним из направлений исследований в секторе нейтронного активационного анализа и прикладных исследований Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка ОИЯИ (СНААПИ ЛНФ) является фиторемедиация.

Метод подразумевает использование зеленых растений для извлечения загрязняющих веществ из объектов окружающей среды. Данный метод применим для очистки почв, донных отложений, шлама или воды. Загрязняющие вещества, удаляемые данным методом, включают тяжелые металлы, радионуклиды, красители, пестициды и даже лекарства. Целью исследования, проводимого в СНААПИ ЛНФ, является оценка возможности применения данного метода для очистки промышленных сточных вод, содержащих тяжелые металлы, и подбор оптимальных условий эксперимента.

На сегодняшний день было проведено два типа экспериментов. В первом использовались промышленные сточные воды, содержащие ионы цинка. Для оценки эффективности извлечения рогоз грациозный (Typha gracilis) и тростник обыкновенный (Phragmites communis) были посажены в два типа субстрата. Одна половина растений была посажена в керамзит, другая в кварцевый песок и гравий. Еженедельный отбор проб воды показал быстрое извлечение ионов металла из сточной воды, содержащей цинк.

Далее был проведен модельный эксперимент, рогоз грациозный (Typha gracilis) сажали в субстрат из керамзита и добавляли воду, содержащую цинк в концентрациях от 10 до 100 мг/л. После извлечения цинка из воды все части растения (корень, стебель, листья) и субстрат были проанализированы. Содержание цинка в образцах было определено на атомно-эмиссионным спектрометре с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС). ИСП-АЭС использует индуктивно связанную плазму возбуждения атомов и ионов, которые испускают электромагнитное излучение с длинами волн характерными для конкретного элемента. Плазма представляет собой высокотемпературный источник ионизированного газа, а именно аргона. Результаты указывают на накопление цинка в определенных частях растения и его подвижность.

Выращивание образцов под светодиодными биолампами с тремя линейными фитосветильниками с много-спектральным окрашенным светом; синий цвет подходит для вегетативного роста растений, а красный свет стимулирует рост и цветение растений.

Другое исследование по биоремедиации, объединяющее Высшую горно-металлургическую школу — Остравский технический университет, университет Палацкого в Оломоуце и Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, основано на исследовании адаптации тростника, произрастающего в акваториях, подверженных воздействию шахтных вод. Во время горных работ из соображений безопасности воду, находящуюся в шахте, откачивают. Для обеспечения стабильного уровня воды и давления шахтных газов, воду откачивают не только из действующих, но и из закрытых шахт. Преобладающими загрязнителями шахтных вод являются растворенные вещества, особенно неорганические соли, как в случае с водами района Острава-Карвина, представляющего интерес для исследования. Эти воды сбрасываются из прудов-накопителей в водотоки, хоть и в регулируемых количествах. Хранение шахтных вод после добычи и их оценка с точки зрения риска загрязнения водотоков на данный момент не регулируются законодательством, которое регулирует только объемы сбрасываемой воды, а не ее качество.

Студенты кафедры экологической инженерии Горно-геологического факультета Высшей горно-металлургической школы — Остравского технического университета (в 2014 — 2016 гг. в основном — аспирантка Петра Лангерова, аспирантка Анна Бродска — с 2017 г.) под руководством Яны Новаковой выполнили ряд работ по фиторемедиации минерализованных шахтных вод с использованием тростника и оценке степени воздействия загрязненной воды на растения. В данном случае процесс фиторемедиации можно кратко описать как биоаккумуляцию, то есть перенос и накопление солей в клетках растений. Первоначальное воздействие минерализованных шахтных вод также может вызвать так называемый водный стресс, когда осмотическое давление в клетках снижается из-за повышенной солености воды. Это снижает способность растений поглощать не только воду, но и жизненно важные для них минералы. Данный эффект наблюдается вследствие токсического воздействия высоких концентраций ионов натрия и хлора, неблагоприятное воздействие которых проявляется на всех этапах развития растений. Проведенные исследования показали, что тростник (Phragmites australis), галофитное растение, приспосабливается и даже разрастается в прудах-накопителях с откаченными минерализованными шахтными водами. Также возможно взаимодействие с так называемыми пластовыми водами, в основном хлоридно-натриевыми водами с сульфатами и нейтральным pH. Яна Новакова и аспирантка Петра Лангерова вели эксперимент в течение трех лет и показали, что тростник, посаженный в иловый субстрат и поливаемый шахтной водой из шахты Lazy, способен выживать при чрезвычайно высоких концентрациях хлоридов и сульфатов.

Последующее исследование было направлено на оценку фиторемедиационных свойств тростника, стимулированного применением фитогормонов. Фитогормоны — важные компоненты метаболизма растений, существенно влияющие на их рост и развитие. Это исследование проводилось в сотрудничестве Лаборатории регуляторов роста в университете Палацкого в Оломоуце и Института экспериментальной ботаники Академии наук Чешской Республики под руководством Яны Кочиржовой, Карела Долежала и Петра Хекера. Использовали два типа фитогормонов: ауксины и цитокинины. Исследуемые растения были взяты из соленых вод района Острава-Карвина. Результаты исследования позволили сделать вывод, что тростник, обработанный фитогормонами, способен накапливать более высокие концентрации загрязнителей, чем необработанный тростник. Биомасса тростника была проанализирована методом нейтронно-активационного анализа (НАА) в Лаборатории нейтронной физики им И. М. Франка ОИЯИ на реакторе ИБР-2. Метод позволяет проводить качественный и количественный многоэлементный анализ образцов с определением присутствия как микроэлементов, так и макроэлементов.

Одной из главных целей вышеуказанных исследований было определение накопления и локализации солей и других элементов, являющихся загрязнителями окружающей среды в растениях, и оценка их влияния на физиогномию растений. Решение данной задачи возможно путем описания механизмов распределения элементов в различных частях растения: корень, стебель и листья.

При поддержке проектов 3 + 3 и гранта полномочного представителя правительства Чешской Республики в ОИЯИ ведется поиск возможных способов адаптации растений к засолению вод и почв. Перед сотрудниками ОИЯИ и чешскими научными организациями стоит задача оценить, как растения отреагируют на возможное изменение климата и на так называемое вторичное засоление, вызванное антропогенными воздействиями. Основной целью описанных исследований является разработка полноценной установки для биоремедиации промышленных сточных вод, поскольку ее использование будет менее затратным и технологически сложным по сравнению с применяемыми в настоящее время методами.