Использование сальвинии плавающей (Salvinia Natans L.) из водоемов Астраханской области в очищении воды от некоторых поллютантов и микроорганизмов

Али Елдин Мохамед Мохамед Абдель Наби

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Использование сальвинии плавающей (Salvinia Natans L.) из водоемов Астраханской области в очищении воды от некоторых поллютантов и микроорганизмов
ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Использование сальвинии плавающей (Salvinia Natans L.) из водоемов Астраханской области в очищении воды от некоторых поллютантов и микроорганизмов"

На правах рукописи

005019934 ^Г^

Али Елдин Мохамед Мохамед Абдель Наби

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ САЛЬВИНИИ ПЛАВАЮЩЕЙ (8АЬУ1МА ^ТА^ Ь.) ИЗ ВОДОЕМОВ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ В ОЧИЩЕНИИ ВОДЫ ОТ НЕКОТОРЫХ ПОЛЛЮТАНТОВ И МИКРООРГАНИЗМОВ

по специальности: 03.02.01 - ботаника, 03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 2 АПР 2С12

Астрахань - 2012г.

Г 1-7

005019934

Работа выполнена на кафедре биотехнологии и биоэкологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Астраханский государственный университет».

Научный руководитель:

Доктор биологических наук, профессор, Егоров Михаил Алексеевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Курочкина Татьяна Федоровна, доктор биологических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет», профессор

Кособокова Светлана Рудольфовна, кандидат биологических наук, доцент, Государственный научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого овощеводства и бахчеводства», и.о.зам. директора по науке

ФГБОУ ВПО "Астраханский

государственный технический университет"

Защита состоится «27» апреля 2012 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.009.10 при Астраханском государственном университете по адресу 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, 1. Естественный институт АГУ.

Тел./факс: (8512)51-82-64 E-mail: sovetei@rambler.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета по адресу 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, 1.

Автореферат разослан «2?» марта 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор биологических наук, профессор

А.В. Федотова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Практически всс поверхностные источники водоснабжения в последние годы подвергаются воздействию вредных антропогенных загрязнений. До 70-и процентов поверхностных и 30% подземных вод потеряли питьевое значение и перешли в категории загрязнённости - «условно чистая» и «грязная». Практически 70% населения Российской Федерации употребляет воду, не соответствующую ГОСТу «Вода питьевая» (Мышко, 1999).

Выбор оптимального экологически безопасного технологического процесса очистки промышленных сточных вод — это сложная задача, и поэтому создание дешевых эффективных сорбирующих материалов широкого спектра действия с использованием доступного сырья природного и растительного типа представляется одним из наиболее перспективных путей решения проблемы очистки воды.

Известна способность высших водных растений удалять из воды загрязняющие вещества — биогенные элементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, марганец, серу), тяжелые металлы (кадмий, медь, свинец, цинк), фенолы, сульфаты — и уменьшать ее загрязненность нефтепродуктами, синтетическими поверхностно-активными веществами, что контролируется такими показателями органического загрязнения среды, как биологическое потребление кислорода (БПК) и химическое потребление кислорода (ХПК), позволила использовать их в практике очистки производственных, хозяйственно-бытовых сточных вод и поверхностного стока (Дирепко и др., 2006).

Использование водных макрофитов в качестве сырья для очистки вод, в том числе и от тяжелых металлов, является надежным методом благодаря его высокой экономической эффективности и экологичности. Очистительная способность некоторых водных макрофитов (тростник, камыш, рогоз, эйхорпия и др.) хорошо изучена, и в настоящее время они широко применяются на практике для очистки различных по происхождению сточных вод (Вишнякова и Мельник, 2009; Kadlec и Wallace, 2008).

В настоящей работе исследована возможность создания сорбционных материалов на основе растительного сырья для очистки воды от спектра токсических веществ. В качестве сорбирующего материала было использовано измельченное растительное сырьё из сальвинии плавающей, обладающее аккумулирующими свойствами.

Цель и задачи исследования: Целью настоящей работы являлось обоснование использования сальвинии плавающей из водоемов Астраханской области в очищении воды от некоторых поллютантов и микроорганизмов. Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать морфометрические показатели развития сальвинии плавающей, содержание хлорофиллов, а также минеральных веществ (фосфора, азота и калия);

2. Охарактеризовать химический состав водпо-спиртовых экстрактов полученных из сальвинии плавающей и определить основные биологически активные вещества, содержащиеся в тшх;

3. Определить чистоту растительных экстрактов по отношению к тяжелым металлам и остаткам пестицидов;

4. Изучить антибактериальную активность водно-спиртовых экстрактов полученных из сальвинии плавающей;

5. Определить оптимальные условия для эффективного использования сальвинии плавающей как возможного биосорбента для удаления тяжелых металлов нефтепродуктов из загрязненных вод.

6. Разработать технологические схемы и описание производственного процесса и получения сорбента на основе сальвипии плавающей. Научная новизна работы:

1. Обоснована возможность использования сальвинии плавающей для очистки воды от тяжелых металлов и разливов нефти;

2. Охарактеризованы оптимальпые условия для использования сальвинии плавающей как возможного биосорбента;

3. Впервые получеппы данные химического состава водно-спиртовых экстрактов полученных из сальвинии плавающей, произрастающей в водоемах Астраханской области;

4. Определена чистота водно-спиртовых экстрактов из сальвинии плавающей на содержание тяжелых металлов и остатков пестицидов;

5. Изучены противомйкробные свойства экстрактов полученных из сальвинии плавающей.

6. Предложены технологические схемы производственного процесса и технические условия получения сорбента на основе сальвинии плавающей.

Практическая значимость работы: На основе изучения биологических особенностей экстрактов полученных из сальвипии плавающей экспериментально показана возможность ее использования для очищения воды от микроорганизмов. Результаты хроматографического анализа экстрактов сальвинии плавающей подтверждают содержание в них целого спектра биологических активных веществ, необходимых в качестве антимикробных компонентов. Полученные данные проведенных экспериментов по использованию сальвинии плавающей для очистки воды от некоторых тяжелых металлов и нефтяных загрязнений подтвердили важную характеристику - возможность использования сальвинии плавающей, широко произрастающей на территории Астраханской области, в качестве биосорбента для очистки воды от распространенных поллготаитов. Результаты исследования используются при чтении курсов «Введение в биотехнологию», «Биотехнология» и «Экологическая биотехнология», для студентов биологических специальностей Астраханского государственного университета.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Водно-спиртовые, экстракты, полученные из сальвинии плавающей, произрастающей па территории Астраханской области содержат биокомпоненты, имеющие антибактериальные свойства и способствующие предупреждению развития ряда микроорганизмов.

2. Биосорбционный метод очистки воды от различных поллютантов, в том числе от тяжелых металлов и нефтяного загрязнения таким гидрофитом как сальвиния плавающая является наиболее простым, эффективным и менее дорогостоящим методом.

3. Эффективность сорбции тяжелых металлов, а также нефтяных загрязнений сорбентом па основе сальвинии плавающей зависит от влияния группы факторов, в том числе от концентрации и размера частиц биомассы.

Апробация работы: Полученные экспериментальные исследования по данной работе представлены на научных конференциях: Международной научно-практической конференции «Приоритеты и интересы современного общества», Астраханский государственный университет, г. Астрахань, 12-13 апреля 2010 г; Международной конференции с элементами научной школы для Молодежи «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии», Министерства образования

и науки РФ, Астраханский государственный университет, г. Астрахань, 7-10 декабря 2010 г.

Публикации; По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертации.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, заключения, практических рекомендаций и списка литературы, включающего 340 библиографических ссылок, из них 218 иностранных источников. Содержание работы изложено на 164 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунков, 25 таблиц и 5 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность своему руководителю, заведующему кафедрой биотехнологии и биоэколога Астраханского государственного университета доктору, биологических наук профессору М.А. Егорову. Благодарность сотрудником инженерно-технического центра, отдела экологического контроля и нормирования ООО, «Газпром добыча Астрахань» за помощь в организации и проведении ряда экспериментов и осуществлении количественно анализа ионов тяжелых металлов. Выражаю также признательность сотрудникам кафедры биотехнологии и биоэкологи; а также другим сотрудником нашим университета за помощь в выполнении анализов, ценные консультации, поддержку и внимание, оказанные в период обучения в аспирантуре и в процессе написания работы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Образцы сальвинии плавающей (Salvinia natans), были собраны из реки Кутум в черте г, Астрахани. Растения были проанализированы в лаборатории биотехнологий АГУ, отдельные исследования были осуществлены на базе ООО «Газпром добыча Астрахань», инжснсрпо-тсхничсский центр, отдел экологического контроля.

Осуществляли оценку различных ботанических показателей сальвинии плавающей:

• длина спорофита (см);

• количество мегафиллов (шт);

• длина мегафилла (см);

• запас фитомассы;

• содержание хлорофиллов;

а также содержание азота, фосфора и калия. Методы экстракции биологически активных веществ (БАВ) из растений

Собраные растения мыли, высушивали, экстрагировали раствором 40% этанола при температуре 22°С в течение 7 дней. После этого экстракты фильтровали, стерилизовали и хранили в холодильнике для последующих анализов. Анализ тяжелых мегаллов и пестицидов:

Образцы экстракта сальвинии плавающей были проанализированы на базе «Испытательной лаборатории» ФГУ «Астраханский центр стандартизации, метрологии и сертификации» (аттестат аккредитации POCC.RU. 0001.21 ПФ17 от 28.03. 2008г.). Тяжелые металлы согласно методикам (ГОСТ Р 51301-99) и пестициды согласно методикам (МУ№. 4120-86; ГОСТ Р 51395-99). Хроматографический анализ:

Хроматографичсский анализ проводили с помощью хроматографического оборудования Shimadzu GC-MS (модели QP-5000, Shimadzu Corporation, Япония) в следующем режиме: начальная температура колонки 45°С, прогрев до 100 °С со скоростью программирования 10°С/мин, выдержка при 100°С 1 мин; затем прогрев до 200 С со скоростью программирования 5°С/мин, выдержка при 200°С 1 мин; затем

прогрев до 280 С со скоростью программирования 10°С/мин, выдержка при 280°С 1 мин; температура инжектора, ионов источника и детектора - 200°С, 250°С, и 310°С, соответственно. Газ носитель - гелий (99,99999%), расход газа по колонне 1 мл/мин, Капиллярной колотой использовали DB-WAX (60 х 0,2мм, идентификатор, и 0,25 мкм толщина пленки; J и W, США). Вводимый объем пробы 2 мкл с расходом 20 мл/мин. Ионизация электронным ударом 70 эВ. Микробиологические методы исследования:

Осуществляли оценку антимикробной активности по отношению к грамположительным Staphylococcus aureus (ВКПМ В-1899) и Bacillus subtilis (ВКПМ В-1919), грамотрицательным Escherichia coli (ВКПМ В-1911) микроорганизмам. Штаммы были получены из Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов (ВКПМ), ФГУП ГосНИИГенетика, г. Москва.

Чувствительность бактерий к экстракту сальвинии плавающей определяли методом диффузии в агар (метод «зон») и диско-диффузионным методом (бумажные диски пропитывали экстрактами), на поверхности среды Л (дрожжевая среда) и МПА, засеянные соответственно микроорганизмами. Затем чашки Петри инкубировали в термостате при t=37°C. Через 1-3 дня измеряли диаметры зоны задержки роста микроорганизмов (ДЗЗР) вокруг дисков и лунок с точностью до 0,1 мм (Сухенко, 1999а, Сухенко, 19996; Bradshaw, 1992). В качестве контроля использовали растворитель — спирт этиловый 40%.

Подготовка растительного сырья для анализа на способность к биосорбции:

Сушеную биомассу растений превращали в порошок, затем полученные молотые компоненты из растений разделяли на 3 фракции (частицы разного диаметра) (ф,, ф2 и фз) по ГОСТ 16187-70 путем рассева сорбента через стандартные сита с размерами ячеек (мм) 1; 2; 3.

Подготовка растворов тяжелых металлов для проведепия экспериментов:

По отношению к свинцу, маточный раствор готовили путем растворения в дистиллированной воде ацетата свинца (II) при концентрации 1000 мг/л в пересчете на ион металла, а из маточного раствора приготавливали разбавленные растворы в следующих концентрациях иона свинца: 1; 5; 10; 20; 30 мг/л.

По отношению к цинку, маточный раствор готовили путем растворения в дистиллированной воде сернокислого цинка (ZnS04.7H20) (II) при концентрации 1000 мг/л в пересчете на ион металла, а из маточного раствора приготавливали разбавленные растворы в следующих концентрациях иона цинка: 1; 5; 10; 20; 30 мг/л.

По отношению к меди, маточный раствор готовили путем растворения в дистиллированной воде сернокислой меди (CuS04.5H20) (II) при концентрации 1000 мг/л в пересчете на ион металла. Из маточного раствора приготавливали разбавленные растворы в следующих концентрациях иона свинца: 1; 5; 10; 20; 30 мг/л.

По отношению к кадмию, маточный раствор готовили путем растворения в дистиллированной воде нитрата кадмия (II) при концентрации 1000 мг/л в пересчете на ион металла, а из маточного раствора приготавливали разбавленные растворы в следующих концентрациях иона кадмия: 1; 5; 10; 20; 30 мг/л. Методы исследования биосорбции у экспериментальных растений:

1- Оценка влияния веса сухой биомассы Для изучения эффективности биосорбции в зависимости от количества массы растения использовали одну концентрацию металла, равную 1 мг/л. В склянки емкостью 250 мл наливали подготовленные растворы солей металлов и высыпали высушенную массу папоротника в следующих навесках: 1; 2,5; и 5 г. Все склянки размещались на шейкере для перемешивания в течение одного часа. После этого, растительную

суспензию фильтровали, а остаточные концентрации металлов определяли в фильтратах.

2- Характеристика размера частиц биосорбеита

Для изучения эффективности биосорбции в зависимости от размера частиц биосорбента использовали одну концентрацию металлов, равную 1 мг/л. В склянки емкостью 250 мл наливали растворы металлов (100 мл) и высыпали высушенную массу папоротника в следующих размерах (диаметрах) частиц: ф,; ф2; и фз. Все склянки размещались на шейкерс для перемешивания в течение одного часа. После этого, суспензию растений фильтровали, а остаточные концентрации металлов определяли в фильтратах.

3- Влияние температуры

Данные эксперименты проводились в стеклянных бутылках емкостью 250 мл, в которые вносили по 2,5 г высушенного папоротника (размер частиц фО и по 100 мл раствора металлы (1мг/л) при температуре 20, 30 и 40 °С соответственно.

4-Влияние рП раствора

Для изучения влияния рН на процесс биосорбции использовали концентрацию металлов, равную 1 мг/л. В склянки емкостью 250 мл наливали растворах металлов (100 мл).

Исследование вели в диапазоне рН 4.0-12.0. рН растворов металлов были приведены к требуемым значениям с помощью NaOH 1 мол/л или НС1 1 моль/л. Анализ рН проводили нарН Метре (METTLER- TOLEDO 320 рН Meter).

5-Оценка роли интенсивности перемешивания

Эксперименты проводились в стеклянных бутылках емкостью 250 мл, в которые вносили по 2,5 г высушенного папоротника (размер частиц ф0 и по 100 мл растворов солей металлов (1мг/л) при разных скоростях перемешивания.

6-Влияние концентраций металлов

Опыты для изучения влияния различных концентрации ионов тяжёлых металлов (Cd, Pb, Zn, Си) на эффективность биосорбции металлов из загрязненных вод проводили в стеклянных колбах емкостью 250 мл, в которые вносили по 2,5 г высушенного папоротника (размер частиц ф,) и по 100 мл раствора солей металлов в указанных выше концентрациях (1; 5; 10; 20; 30 мг/л).

7-Оценка зависимости биосорбции от времени

Эксперименты для изучения зависимости биосорбции от времени проводили в стеклянных бутылках емкостью 250 мл, в которые вносили по 2.5 г высушенного папоротника (размер частиц ф,) и по 100 мл растворов солей металлов (1мг/л). Все емкости размещали одновременно и затем (через 1, 2, 3 часа соответственно) отбирали пробы для последующего анализа.

8-Зависимость биосорбции от времени сбора растений

Изучение зависимости биосорбции от времени сбора проводили в стеклянных бутылках емкостью 250 мл, в которые вносили по 1 г высушенного папоротника (размер частиц ф]), которые мы собирали в августе и сентябре, и по 100 мл растворов солей тяжелых металлов (1 мг/л).

Выполните анализов на содержание ионов тяжёлых металлов проводили по стандартному методу (М 01-29, 2006; М 01-37, 2006) на анализаторе атомно-абсорбциониого спектрофотометра «МГА-915» и атомно-абсорбционного спектрофотометра «Shimadzu 6601 F». Результаты проведенных анализов рассчитывали по формуле: _ . „ f

Г' _'S» Jp

где С - концентрация элемента в экспериментальном растворе, мг/л; Сра -концентрация элемента в растворе-аиалите, определенная на приборе, мг/л; С10 -концентрация этого элемента в холостом опыте, мг/л; /р- фактор предварительного разбавления, если разбавление не проводилось, то /р = 1; /к- фактор предварительного концентрирования (п раз, получали как соотношение объема фильтрата к объему раствора-аналита).

Коэффициент эффективности биосорбции (К11ЬФ) ТМ биосорбентом из экспериментальных растворов рассчитывалась по уравнению (Магигщгиепд и РауавагН, 2006):

(С. - С,) К*м = —-— * 100.

с,

где Ci - исходная концентрация, и Сг- окончательная концентрация металла. Восстановление биосорбентых материалов

Комплекс биомассы металл-сальвиния проверялись на изучение восстановленной способности сорбента. Десорбировали при использовании различных десорбентных агентов: НС1, НГГОз и Ыа^ЭД'ГА (тетранатривая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты) в концентрации 1 моль в течение 60 минут. Дссорбционнуга эффективность определяли с помощью следующего уравнения:

где С<)„ - степень восстановления сальвинии плавающий с помощью 1Ча4ЭДТА, НС1иШОэ%;

Сс-концентрация ионов тяжёлых металлов в растворе Ка4ЭДТА; НС1 и НЫ03; С - Концентрация ионов тяжелых металлов в экспериментальном растворе после биосорбции.

Очищение воды от нефтяных загрязнений

1- Влияние размера частиц на биосорбцнонный процесс

Для изучения влияния размера частиц биосорбента на биосорбционную эффективность при разливах нефти, 10 мл нефти был поставлен эксперимент на 50 мл дистиллированной воды, которую на нее наносили 1 г папоротника в следующих размерах частиц: фь ф2; и ф3. После 5 минут, мы визуальным наблюдением устанавливали эффективность процесса сорбции в зависимости от размера частиц биосорбента.

2- Оценка влияния места отбора на биосорбцнонный процесс

Для определения влияния места отбора растений на биосорбционную эффективность при воздействии нефти, брали 10 мл нефти и помещали в 50 мл дистиллированной воды. Виосили по 1 г папоротника, который был собран из разных мест (ерик Большая Дарма и р. Кутум в черте города Астрахани). После 4 минут, визуальным наблюдением устанавливали эффективность процесса сорбции в зависимости от места отбора.

3- Характеристика влияние дозы сорбента на биосорбцнонный процесс Для оценки влияния дозы сорбента на биосорбционную эффективность при

разливах нефти, брали 10 мл нефти и помещали в 50 мл дистиллированной воды. Вносили высушенную массу папоротника в следующих навссках: 0,01; 0,1; 0,5; 0,7; и 1г. После 3 минут, визуальным наблюдением устанавливали эффективность процесса сорбции на дозе сорбента.

4- Влиннне времени на биосорбциоппын процесс

Для изучения биосорбционной эффективности при разливах нефти в зависимости от времени, брали 10 мл нефти и помещали в 50 мл дистиллированной воды. Вносили по 0,7 г папоротника. Затем (через I, 3, 5, 7 и 10 минут соответственно) визуальным наблюдением устанавливали эффективность процесса.

Во всех опытах, все содержимое чашки Петри медленно перемешивали стеклянном штабиком, чтобы весь биосорбент находился в контакте с нефтяной пленкой.

Статические методы исследования:

Статистическую обработку результатов проводили общепринятыми методами математической статистики (Доспехов, 1985; Лакин, 1990). При анализе табличных данных и построении графических зависимостей была использована статистическая обработка результатов с помощью стандартной программы Microsoft Excel 2003 и программ CoStat version 6.311.

Общая схема проведённых исследований по диссертации представлена на рисунке 1):

Рис. 1 . Схематическое изображение проведенной работы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Описание водных сообществ растений экосистемы реки Кутум

Результаты описания сообществ растений реки Кутум, соответственно с местом исследования (станция 1, станция 2, станция 3, станция 4, и станция 5) приведены в таблице 1.

При сравнении сообществ из разных мест отбора растений отмечено, что станция №1 содержит самые низкие показатели биомассы сальвинии плавающей (6 единиц/м2), чем значения биомассы на других станциях. Самые высокие показатели биомассы сальвинии плавающей выявлены в месте отбора -станция №5 (1899 единиц/м2), в то же время, значения по станции № 4 (1200 единиц/м2) занимают не много меньший уровень по отношению к станции №5. Это может быть связано с расположением в районе данных мест отбора дачных участков, которые могут быть источником избыточного поступления органических веществ в воду реки Кутум.

Таблица 1.

Видовой состав и плотность характеристики водных растительных сообществ реки Кутум

Станция Флористическая насыщенность, единиц Обилие видов, % /100 м2 Плотность популяции Salvinia natans, единиц /м2

1 2 3 4

№1-Гребная база 3 Salvinia natans -10,0 Lemna minor- 15,0 Vallisneria spiralis-10,0 6

№2- а/м мост микр. «Юго-Восток-3» 5 Salvinia natans - 10,0 Phragmites australis- 75,0 Atriplex littoralis- 62,5 Stachys pahistris-1,0 Trapa astrachanica-10,0 360

№3-перед ж/д мостом микр. «Юго-Восток-3» 4 Salvinia natans - 75,0 Vallisneria spiralis-75,0 Potamogeton crisps- 62,5 Ceratophyllum demersum- 15,0 546

№4 под ж/д мостом микр. «Юго-Восток-3 ». до дамбы 3 Salvinia natans - 75,0 Vallisneria spiralis-75,0 Ceratophyllum demersum- 15,0 1200

№5 под ж/д мостом микр. «Юго-Восток-3». после дамбы 3 Satvinia natans - 75,0 Vallisneria spiralis-75,0 Ceratophyllum demersum- 15,0 1899

Оценка запасов и распространения Сальвинии плавающей

Среднее значение фитомассы, образованной БаЫша пЖапз в водной экосистеме малопроточного водоема реки Кутум, составило 3524 г/м2, среднее значение суховоздушного веса составило 149,29 г/м2 (таблица 2).

Таблица 2

Запасы фитомассы БаК'цпа паишв, в местах отбора проб из реки «Кугум», г/м2

Место отбора Свежая фнто масса Биомасса (суховоздушный вес)

№1-Грсбная база 70 4,25

№2« а/м мост микр. «Юго-Восток-3» 1100 40,09

№3-перед ж/д мостом микр. «Юго-Восток-3» 1630 55,03

№4 под ж/д мостом микр. «Юго-Восток-3». до дамбы 5640 284,4

№5 под жУд мостом микр. «Юго-Восток-3». после дамбы 9180 362,7

Среднее значение 3524 149,29

Как видно в таблице 2, запасы фитомассы сальвинии плавающей по отношению к площади водной поверхности существенно отличаются в разных местах исследования и отбора проб. Так в первой точке отбора всего 70 г/м2, а на участке №5 9180 г/м2. В среднем это 3524 г/м2, что является показателем неравномерного формирования фитомассы водного папоротника па изучаемой территории. Запасы фитомассы также могут напрямую зависеть от гидрологического режима водоема, скорости течения, и наличия питательных веществ.

Характеристика морфометрических параметров растений

Морфометричсская характеристика сальвинии плавающей представлена в таблице 3.

Таблица 3

Морфометричсская характеристика растений Баїуіпіа паїагк в экосистеме реки Кутум

Место отбора Длина спорофита, см (п=15) Количество мегафиллов, штуки (»=25) Длина мсгафплла, см (п=22)

Л» 1-Гребная база 9,8 ± 0,1 42,0 ± 0,9 1,2 ± 0,01

№2- а/м мост микр, «Ю го-Восток- 3» 5,9 ± 0,07 31,8 ± 1 1,3 ± 0,01

№3-перед ж/д мостом микр. «Юго-Восток-3» 6,5 ± 0,08 26,0 ± 0,85 1,1 ± 0,08

№4 под ж/д мостом микр. «Юго-Восток-3». до дамбы 7,6 ± 0,05 39,0 ± 0,2 1,4 ± 0,01

№5 под ж/д мостом микр. «Юго-Восток-3». после дамбы 9,2 ± 0,08 40,0 ± 0,3 1,7 ± 0,1

Среднее значение 7,8 ± 1,68 35,76 ± 6,68 1,34 ± 0,23

Установлено, что морфомстрические характеристики растений БаМта гШаи во всех исследованных местах отбора отличаются незначительно. Отличия результатов вызваны условиями окружающей среды между станциями. Так, наибольшая длина спорофита определена на участке №1 (9,8 см). Среднее значение составило 7,8 см. Среднее количество мегафиллов было 35,76 шт. на одно растение 8. па(ап5. Длина мегафиллов в среднем составила 1,34 см. СЬипуаг^ и др. (2005) отмечают, что морфологически и физиологически растения отличаются при изменении условий окружающей среды, таких как температура воздуха и атмосферные концентрации СО2.

Характеристика некоторых биохимических показателей: оценка хлорофилла (а+Ь)

Результаты определения концентрации пигментов хлорофилла (а+Ь) в листьях ЭаМша па1ап5, собранных в водной экосистеме реки Кутум свидетельствуют, что количество хлорофилла в листьях сальвинии плавающей в местах отбора изменялось незначительно и в среднем составило 0,303 мг/50 мл. Среднее содержание хлорофилла в сырых листьях (%) в местах взятия проб колебалось незначительно. На участке №5 он составил 0,0693 % (от сырых листьев), наименьший процент в участке №1 0,0563 % (от сырых листьев), в среднем - 0,061%.

Оценка остатков тяжелых металлов в экстрактах сальвинии плавающей

Осуществляли сравнение содержания тяжелых металлов кадмия и свинца в экстрактах, полученных из сальвинии плавающей с ПДК для воды и некоторых водных объектов. Проведенный анализ полученных данных показал, что содержание токсических веществ в исследуемых образцах для сальвинии плавающей было следующим (мг/кг): кадмия - 0,01 мг/кг, свинца - 0,01 мг/кг.

Данные значения сравнивали со стандартами. Как видно в таблице 5, содержание кадмия и свинца в растениях было в пределах нормы.

Оценка остатков хлорорганических пестицидов в экстрактах сальвииии плавающей:

Содержание пестицидов в экстрактах сальвинии плавающей приведено в таблице 4.

Таблица 4

Сравнение Количество пестицидов в экстрактах, полученных из сальвинии плавающей в

№ п/п Наименование показателя Фактическое значение мг/кг Оценка результатов й 00 СГч сл в 2 І сі Є Сагеоп, 1987 мг/л

1 Альдрип 0,00008 и § § 0,03 0,002 0,001

2 Гептахлор 0,00008 і і 0,1 0,05 0,0001

3 ДДТ 0,0029 а I І * в 1 0,1 0,05

Результаты анализа пестицидов показали, что пестициды (альдрин, гептахлор, и ДДТ) содержатся в небольших количествах (или не выявлены), что ниже допустимых норм российских стандартов, изложенных в (ГН 2.1.5.689-98).

Исследование органических компонентов водно-спиртовых экстрактов сальвинии плавающей (Баїуіпіа гШапв) методом газовой хроматографии и масс-спектрометрического анализа

На хроматограмме водно-спиртового экстракта из сальвинии плавающей, собранной в черте города Астрахани, показаны выявленные 213 пиков (рисунок 2).

Основными веществами, которые являются высококоличественными компонентами были: Три фтор метил три метил силан; Силан, диэтокси диметил-; Тетраэтил силикат; Силан, этоксидиметил фенил-; Нордазепам; Куассин; Б-Гомо-24-нор-17-оксахола-20,22-деин-3,16-дион,7-(ацетилокси) 1,2:14,15:21,23-триэпокси-4,4,8-триметил-,(5а, 7а, 134, 14а, 15а, 17аа)-; Ликоксантин; 4'Апо-а,.пси,- каротеноевая кислота; [5-(3-Метокси метокси-10, 13-диметил-2, 3,4, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17-

додекагидро-1Г-цнклопеита [а] фснантрс11-17-ил)-гскс-инил]-(тРИМстыл) силап; 3-Гидрохи-1-(4-{13-[4-(3- гидрохи-3-фенил акрилоил) фенил] тридецил}-фенил)-3-фепилпроп-2-си-1-оп; 2, 4, 6, 8, 10-Тстрадскапснтанойвая кислота, 9а-(ацетилокси)-1а, 1Ь, 4, 4а, 5, 7а, 7Ь, 8, 9, 9а-дскагидро-4а, 7Ь, дигидрокси-3-(гидроксимстил)-1, I, 6, 8-тетраметил-5-оксо-1Н-циклопропан[3, 4] бсиз[1, 2-е]азулен-9-нл эфир, [laR-(laä, Iba,

Рис. 2. G /MS хроматограмма водно-спиртовых компонентов, полученных из сальвинии плавающей

Большинство растений содержат несколько соединений БАВ с антибактериальными свойствами. Осуществленный информационный обзор по выделенным и идентифицированным бнокомпоментами показал, что в сальвинии содержится несколько хорошо известных химических псщсств, которые используются для контроля роста микроорганизмов. Несколько выявленных соединений и возможные механизмы их действия на микроорганизмы, согласуются с работами Коуэна (Cowan, 1999): катсхол, эпнкатсхин, коричная кислота, крнзин, таторол, эллагитанпин, фабатин и др.

Антибактериальная активность водио-сниртовык экстрактов сальвинии плавающей

Результаты исследований антибактериальной активности водно-спиртового экстракта сальвинии плавающей при использовании метода лунок по отношению к развитию всех исследованных бактерий: Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и Escherichia coli представлены в таблице 5.

Таблица 5

Результаты оценки антимикробной активности экстрактов полученных из сальвинии плавающей по отношению к некоторым микроорганизмам (метод лунок)

М IIKpOOpt 1111113МЫ диаметр зоны задержки роста микроорганизмов, МИ

1 лет. 2 дня 3 лиси

Staphylococcus aureus 11,25 ± 1,77 10,25 ± 1,06 9,25 ± 1,06

Escherichia coli 11,0 ± 0,71 11,0 ±0,71 10,0 ± 0,71

Bacillus subtilis 11,58 ± 1,07 11,08 ±0,86 10,25 ± 0,76

Данные, прсдстаилснныс и таблице 5, свидетельствуют, что исследуемый экстргмет проявляет антимикробную активность в разной степени в отношении всех использованных микроорганизмов. В основном, торможение зоны снижается с увеличением нремиш инкубации. Максимальная зона торможения была обнаружена для водно-спирипипо экстракта из сальвинии плавающей против Bacillus subtilis (11,58 мм) в первый ДСП!..

Результаты исследований антибактериальной активности водно-спиртового экстракта сальвшшй плавающей при использовании метода дисков по отношению к бактериям: Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и Escherichia coli представлены в таблице 6.

таблица 6

Результаты оценки антимикробного воздействия экстрактов полученных из сальвшшй плавающей по отношению к некоторым микроорганизмам (метод дисков).

микрооргап из мы диаметр зоны задержки рост* микроорганизмов, мм

1 день 2 ДНЯ 3 дней

Staphylococcus aureus 13,75 ± 1,77 12,0 ± 0,71 1 1,0 ± 0,71

Escherichia coli 11,0 ± 0,71 8,25 ± 0,35 7,75 ± 0,35

Bacillus subtilis 15,92 ± 1,43 12,08 ± ] ,32 12,0 ± 0,77

Данные, представленные в таблице б, в основном, торможение зоны роста снижается с увеличением времени инкубации. Максимальные зоны торможения были обнаружены в первый день для водпо-спиртового экстракта из сальвшшй плавающей против Bacillus subtilis (15,92 мм). Минимальная зона ипгибирования наблюдалась для водпо-спиртового экстракта из сальвшшй плавающей (7,75 мм) в отношении к Е. coli, через 72 часа.

Оценивая противомикробиос действие полученных экстрактов из сальвшшй плавающей мы пришли к выводу, что водно-спиртовой экстракт из этого растения представляет интерес в микробиологическом отношении на основании применения двух методов (метод лунок и дисков). Выявленные эффекты обусловлены выделенными компонентами, которые содержатся в изучаемых экстрактах.

Исследование влинпин физико-химических и технологических факторов иа сорбциониые свойства сальвииии плавающей

Сорбционную способность сухой биомассы сальвииии плавающей исследовали на модельных средах, содержащих соли кадмии, свинца, меди, и цинка при влиянии физико-химических и технологических факторов.

1- Оценка влияния веса сухой биомассы па биосорбциоипый процесс

Оценка сорбции экспериментально полученным биосорбентом, представлена в таблице 7.

Таблице 7

Влияние веса биомассы сальвииии (г) на эффективность биосорбции (К,м) при сорбции ионов Cd2+, Pb2\ Си2* и Zn2+ из водных растворов

вес биомассы (г) Сг мг/л Степень сорбции (Кзфф), отн. %

Cd Pb Си Zn Cd Pb Си Zn

1 0,026 0,022 0,108 0,065 97,40 97,80 89,20 93,50

2,5 0,034 0,033 0,113 0,085 96,60 96,70 88,70 91,50

5 0,046 0,036 0,114 0,11 95,40 96,40 88,60 89,00

Очевидно (из таблицы 7), что увеличение веса биосорбсита, ведет к уменьшению активности биосорбциошюго процесса па единицу Массы биосорбсита. Это может быть вызвано агрегацией/агломерацией частиц биосорбсита при более высокой навеске.

2- Влияние размера частиц биосорбеигя на биосорбцнопный процесс

Изотермы сорбции металлов биосорбснтом с различным размером частиц, представлены па рисуикс 3.

10Ч.П0 98.00 ? 96.(10 -| 94.00 I 92.00 •

«К .00

О 0.5 I 1.5 I 2.5 .1 Л.5

ралмер частиц (мм)

Рис. 3. Влияние размера частиц (мм) на эффективность биосорбцнн (!<„[„[,) при сорбции ионов С<12+, РЬ2+, Си2* и гп2+ из водных растворов.

Увеличение размера частиц биосорбента приводит к уменьшению площади контакта сорбента с очищаемым раствором и, как следствие, значительно уменьшает величину адсорбции ионов тяжелых металлов ич раствора.

3- Оценка влияния температуры на сиоПстин биосорбсита Оценка сорбции металлов при разных температурах, представлена в таблице 8.

Таблице 8

Влияние температуры (°С) на эффективность биосорбцнн (1<т,м,) при сорбции ионов С(12+, РЬ2+, Си2+ и из водных растворов

температура Гд Сг мг/л Степени сорбшш (1С,,.,,), спи. %

си РЬ Си 2п СМ РЬ Си

20 0,024 0,154 0,204 0,096 97,60 84,60 79,60 90,40

30 0,022 0,066 0,099 0,109 97,80 93,40 90,10 89,10

40 0,017 0,03 0,097 0,078 98,30 97,(X) 90,30 92,20

Как показано в таблице 8, изменение температуры повлияло на бносорбцшмшую емкость но отношению к кадмию (11), свинцу (11), меди (II) и цинку (II) по-разному. Различное поведение мощности биосорбцмошюй емкости, которая наблюдается для разных металлов, может быть связано с различными механизмами (С^нусг н др., 2009), которые вовлечены в биосорбционный процесс для этих металлов.

4- Влияние рН раствора на биосорбционный Процесс.

Исследование влияния рН водных растворов па величину адсорбции металла, представлены на рисунке 4.

s 40,00 ^ 20.00 -

O.DI) -1-т-1-1-.-,-1

(I 1 1 A S 10 II H

pli

Рис. 4. Влияние pH на эффективность биосорбции (K^,) при сорбции ионов Cdî+, РЬг+, Си"1 II Zir' Iii водных растворов.

Как видно из рисунка 4, pH раствора оказывает влияние на потенциал биосорбционных процессов. Из данных результатов мы отметили, что, потенциал биосорбционных процессов катионов металлов возрастает с увеличением pH системы сорбции (Schiewer и Wong, 2000; Vijayaraghavan и др., 2005; Chen и Yang, 2006; Andal и Siiklhi, 2010), но не н линейной зависимости. Слишком высокие значения pH могут вызвать осаждение комплексов металлов, как это наблюдается из наших результатов, которые приводят к снижению потенциала биосорбционных процессов. 5- Влияние интенсивности перемешивания на биосорбциоиный процесс.

Результаты по исследованию влияния интенсивности перемешивания на биосорбшюпиый процесс представлены на рисунке 5.

100,00 j 80.001 60.00 j

40.00

20.001 0.00

il &

jitiäU

Cil

■ 0 Об./UHH.

* 105 o6.ÎMrti.

• 210 об./мю.

РЬ Си исследованные металлы

Рис. 5. Влияние интенсивности перемешивания (об./мии.) па эффективность биосорбции (К1фф) при сорбции иоцов Сс1"', РЬ"', Си"' и из водных растворов.

11з диаграммы следует, что с увеличением интенсивности перемешивания, сорбциопиая эффективность возрастает до определенного предела. Это может быть связно с тем, что увеличение интенсивности перемешивания способствует оптимальному контакту между ионами металлов в растворе и в сайтах связывания биомассы о таким обр-азом стимулирует эффективную передачу сорбат-ионов в сайтах связывания сорбента (ВЬаМ« и др., 2007).

6- Влияние концентрации металлов на биосорбциоиный нроцем

Влияние концентрации металлов на эффективность сорбции, • > - ; , но на рисунке 6.

102.00 J 00.00 98.00 96.00 94.00 92.00 90.00 -88.00 -«6.00

10 15 20 25 KoiiucHipuuiiii металла (мг/л)

Рис. 6. Влияние концентрации металлов на эффективность биосорбции (K.„H,) при сорбции ионов Cd2+, Pb2\ Cu2+ и Zn2+ из водных растворов.

При более низких соотношениях металл / биосорбент происходит полное насыщение сайтов биосорбента ионами металлов в растворе, что способствуег максимальному удалению их из воды. При увеличении соотношения металл / биосорбент, все больше и больше металла остается в растворе не адсорбированным из-за насыщения биосорбента в основном из-за отсутствия мест адсорбции. При низких концентрациях металлов, биосорбционная емкость не Используется Полностью (Bai, Abraham, 2001).

7- Зависимость биосорбции от времени

Изменение концентрации ионов Металлов в водной фазе при контакте с биосорбентом в зависимости от времени сорбции отражено На рисунке 7.

100.00 -98.00 -96.00 -94.00 -92.00 90.00 ■ О

1 1.5 2 2.5 время контакта (ч)

—«—Cd —-—РЬ -•»•-Си -•-e-Zn

Рис. 7. Влияние времени контакта биосорбента с раствором металла (ч) на эффективность биосорбции (Кэфф) при сорбции ионов Cd2+, РЬ2+, Си2+ и 2гг+ из водных растворов.

Полученные нами данные свидетельствуют, что необходимое время, для наступления равновесия в настоящем исследовании, меньше, по сравнению с проанализированными информационными источниками. Обычно на поверхности биомассы присутствуют различные виды функциональных групп, с разным сродством к ионам металлам. Поглощение биосорбции возрастает с увеличением времени контакта для всех исследованных металлов, и она оставалась неизменной после наступления равновесия (Скфаска и др., 2005).

8- Зависимость биосорбции от времени сбора растений.

Результаты опытов по очистке воды от Ионов Сс12+, РЬ2+, Си21 и гп2^ в зависимости от времени сбора растений приведены на рисунке 8.

100.00 1 95.00 90.00 85.00 80.0(1 75.00

□ Август 53 Сентябрь

Pb Cu Zn

исследованные металлы

Рис. 8. Влияние времени сбора на эффективность биосорбции (К3фф) при сорбции ионов Cd2+, РЬ2+, Си2т и Zn2+ из водных растворов.

Выявлено, что растения, которые были собраны в августе, показывают большую эффективность удаления тяжелых металлов из загрязненной воды, чем растения, которые собраны в сентябре. Это может быть связано тем, что, биосорбция тяжелых металлов зависит от функциональных групп, которые существуют на поверхности биомассы, и в свою очередь зависят от жизненного этапа развития растений. Сорбциоппыс свойства любого сорбента обусловлены наличием некоторых функциональных групп, таких как карбоповыс, гидроксил, -SH, аминогруппы (-NH2), которые имеют высокое сродство к ионам металлам (Volcsky, 2007). Восстановление биосорбентых материалов

Поиск способов регенерации отработанного сорбента является одной из важных задач при изучении сорбционных процессов извлечения ионов тяжелых металлов из водных сред.

Оценка десорбции металлов при использовании разных десорбентных агентов (HNOj, №4ЭДТА и НС1) представлена на рисунке 9.

Кадмии Свинец Медь

Исследуемые металлы

Рис. 9. Оценка десорбции металлов при использовании разных десорбентных агентов (HNO.,, Na„3flTA и НС]).

Из данных результатов мы выявили, что минимальная абсолютная величина десорбционной эффективности (49,58%) наблюдалась при использовании HCl для восстановления меди. А наибольшая десорбционная эффективность (99,38%), была отмечена при использовании HN03 для восстановления цинка. В целом мы обнаружили, что десорбциоипыс способности за счет использования различных десорбентных

агентов убывают в ряду ШЧ03> Ыа4ЭДТЛ> НС1 . Эффективность процесса десорбции может зависеть от степени связывания любого металла с различными функциональными группами.

Очищение воды от нефтяных загрязнений

Изучена возможность использования сальвинии плавающей как возможного сорбента для удаления из воды нефтяных за1-рязнений на фоне воздействия различных факторов.

1- Влияние размера частиц на биосорбционимн процесс

Оценка влияния различных размеров частиц на очищение воды от нефти представлена на рисунке 10.

Рис. 10. Сорбированная нефть разным размером частиц после 5 минугного воздействия (А: с размером фь Б: с размером ф2; В: с размером ф3).

Из полученных результатов выявлено, что эффективная очистка достигнута при использовании размера частиц ф3. Снижение сорбционной емкости нефти с уменьшением размера частиц может быть связано с налипанием мелких частиц друг на друга, в результате которых снижается количество существующих пор и капилляров у сорбционных материалов.

2- Влияние места отбора на биосорбционНый процесс.

Результаты по оценке влияния места отбора растений на качество биосорбционного процесса, показаны на рисунке. 11.

Рис. 11. Влияние места отбора сальвинии плавающей на емкость биосорбционного процесса (А: растения из черты г. Астрахани; Б: растения из ерика Большая Дарма, Астраханская область).

Как видно из представленного рисунка, место отбора растений не имеет принципиального значения для осуществления биосорбционного процесса.

3- Влияние веса сорбента на биосорбционный процесс Результаты влияния веса сорбента на качество биосорбционного процесса, показаны на рисунке. 12.

г-

Рис. 12. Сорбированная нефть с биосорбентом различного веса после 3 минутного воздействия (А: с использованием 0,01 г; Б: с использованием 0,1 г; В: с использованием 1 0,5 г; Г: с использованием 0,7 г; Д: с использованием 1 г). I

Из полученных результатов мы отмстили, что, сорбционная емкость возрастает с 1 увеличением веса сорбента. Эффективная очистка была достигнута при использовании , 0,7 гбиосорбепта для удаления 10 мл нефти. 1

4- Влияние времени процесса сорбции на биосорбционный процесс. На рисунке 13 показаны результаты влияния времени (1-10 мин) на удаление нефтяных загрязнении.

Рис. 13. Сорбированная нефть в зависимости от времени (А: после 1 минуты; Б: после 3 | минут; В: после 5 минут; Г: после 7 минут; Д; после 10 минут).

Выявлено, что после одной минуты эксперимента, нефтяное загрязнение исчезает. Это может быть связано со снижением вязкости нефти, используемой в эксперименте, и / или качественными характеристиками биосорбснтов,

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И ОПИСАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТА НА ОСНОВЕ САЛЬВИНИИ ПЛАВАЮЩЕЙ.

Приготовление различных размеров частиц из сальвинии плавающей и их применение в качестве биосорбента показано на следующих схемах (рисунки 14, 15).

Промывание 1

Высушивание

Рис. 14. Схема процесса сорбции тяжелых металлов сорбентом па основе сальвинии плавающей.

Описание схемы получения частиц различного размера для очистки воды от некоторых тяжелых металлов,

1. Сбор растений.

2. Растения многократно промывают в чанах. Продолжительность промывания не менее 5 минут.

3. Растения высушивают в естественных условиях на затененных площадках. Сушку проводят на воздухе при температуре не выше 25-30 °С. В течение суток растения следует переворачивать 2-3 раза,

4. Размер частиц биосорбента уменьшают с использованием размельчителя.

5. Полученные молотые частицы растений разделяют на 3 фракции (фь ф2 и фз) с помощью просеивания через сито с размерами ячеек (мм) 1; 2; 3.

6. Различные гранулы помещают в воду, загрязненную тяжелыми металлами.

7. Осуществляют перемешивание.

8. Суспензию растений фильтруют, а остаточные концентрации металлов определяют в фильтратах. Эффективность сорбции определяется по уравнению:

(С,-С.)

—-— * 100,

С,

где С; - исходная концентрация, и С{- окончательная концентрация металла.

9. Комплекс биомассы металл-сальвиния проверяют на изучение восстановлетюй способности при использовании различных десорбентных агентов (HCl, HN03 и №4ЭДТА) в концентрации 1 моль.

Ю.Восстановленные растения высушивают и сохраняют для повторного использования.

Процесс сорбции нефтяных загрязнение сорбентом на основе сальвниии плавающей

Промывание I

Высушивание

Уменьшение размера частиц биосорбента |

Разделение биосорбента на различные по размеру гранулы

Гранулы помещают в воду, загрязненную нефтью

I ~

Еиосорбция нефтяных загрязнений

1 ~

Утилизация биосорбента

Рис. 15. Схема процесса сорбции нефтяных загрязнений сорбентом на основе сальвинии плавающей.

гг

Описание схемы получения частиц различного размера для очистки йоды от нефтяных загрязнений.

1. Сбор растений.

2. Растения многократно промывают в чипах. Продолжительность промывания не менее 5 минут.

4. Размер частиц биосорбента уменьшают с использованием размсльчитсля.

5. Полученные молотые растения разделяют на 3 фракции (ф|, и ф3) с помощью просеивания через сито с размерами ячеек (мм) 1; 2; 3.

6. Различные гранулы помещают в воду, загрязненную нефтью.

7. Осуществляют медленное перемешивание, чтобы все частицы сорбента находились в контакте с нефтяной пленкой.

8. Эффективность сорбции определяется визуально.

Выводы

1. Основные показатели плотности растительных сообществ всех пяти станции приходится на Salvinia natans. Повторяющимися видами являются Salvinia natans (на 5-х станциях), Vallisneria spiralis (на 4-х станциях), Ceratophyllum demersum (на 3-х станциях). Самые высокие показатели биомассы сальвинии плавающей наблюдались в месте отбора станции №5 (1899 едипиц/м2).

2. Количество хлорофилла в листьях сальвинии плавающей в местах отбора изменялось незначительно, так наибольшее количество хлорофилла обнаружено на участке №5 (0,347 ± 0,003 мг/50 мл), наименьшее количество содержалось в листьях в местах на участке №1 (0,282 % ± 0,006 мг/50 мл), а в среднем составило 0,303 ± 0,004 мг/50 мл.

3. Результаты химических анализов показали, чистоту образцов водно-спиртовых экстрактов сальвинии плавающей на содержание тяжелых металлов (кадмий и свинец), и пестицидов (альдрин, гептахлор и ДДТ), что свидетельствует о возможности их безопасного использования.

4. Сальвииия плавающая содержит ценные биологически активные вещества: (три фтор метил три метил силан; силан, диэтокси диметил-; тетраэтил силикат; силан, этоксидиметил фенил-; иордазепам; куассин; ликоксантип; 4'апо-а,.пси.-каротепоевая кислота; ликопин и другие), которые обладают различной степенью торможения роста Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и Escherichia coli, что отражает их бактерицидную активность.

5. Сальвиния плавающая является доступным, эффективным и экологически безопасным биосорбентом для удаления тяжелых металлов и нефтяных загрязнений из воды, при определенных условиях.

6. Сальвиния плавающая имеет высокую биосорбционную емкость по сравнению с другими сорбентами для удаления ряда ионов металлов Pb (II), Zn (II), Cd (II) и Си (II).

7. Определена практическая возможность и разработаны схемы получения и использования сальвинии плавающей в качестве биосорбента для очистки водоемов от нефтяных загрязнений.

8. Сорбент, приготовленный из сальвинии плавающей и использованный для очистки воды от тяжелых металлов, можно регенерировать для повторного использования в последующих циклах.

9. На основании проведенного исследования показано, что сорбенты из сальвинии плавающей являются перспективными биокомпонентами для очистки воды от некоторых тяжелых металлов и нефтяных загрязнений.

Практические рекомендации

1. Для использования сальвинии плавающей в качестве сорбента тяжелых металлов из воды, необходимо использовать размеры частиц 1 мм и меньше. Не целесообразно увеличивать биомассу биосорбснта более чем 1-2,5 г на 100 мл, чтобы очистить 1 мг/л свинца растворе.

2. Для использования сальвинии плавающей в качестве сорбента нефтяных загрязнений, необходимо использовать размер частиц между 2 - 3 мм. Эффективная очистка достигается при использовании в соотношении 0,7 г биосорбснта для удаления 10 мл нефти.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Лли-Эльдии М,А, Изучение микробиологической активности экстракта из Сальвинии плавающей/ М.А. Али-Эльдйн, И.Й. Абдул-Хафез, Л.Т. Сухенко, М.А. Егоров// Естественные Науки №1 (30), 2010. С. 34-37.

2. Али-Эльдин М.А, Исследование содержания некоторых токсических веществ в экстракте сальвинии плавающей (Salvinia natans) как возможного компонента в биотсхнологичсских производствах/ М.А. Али-Эльдин// Естественные Науки №4 (33), 2010. С. 52-55.

3. Али-Эльдин М.А. Оценка антибактериальных эффектов экстрактов, полученных из сусака зонтичного (Butomus umbellatus) и сальвинии плавающей (Salvinia natans) / М.А. Али-Эльдин, М.А- Егоров// Естественные Науки №1 (34), 2011. С. 77-80.

4. Али-Эльдин М.А. Efficiency of biosorption of some heavy metals by Salvinia natans/ М.А. Али-Эльдин// Естественные Науки №3 (36), 2011. C.71-75.

5. Али-Эльдин М.А. Efficiency of different particle sizes of dried Salvinia natans in the removing of Cu(IJ) and oil pollutions from water/ М.А. Али-Эльдин, М.А. Егоров// Химия и технология воды, №3, 2012.

6. Али-Эльдим М.А. Сорбциоппая активность сухой биомассы сальвинии плавающей (Salvinia natans) в процессе утилизации кадмия из водных растворов/ М.А. Али-Эльдин, М.А. Егоров// Вода: химия и экология, №6, 2012.

7. Али-Эльдин М.А. Применение водных растений как возможных сорбентов тяжелых металлов/ М.А. Али-Эльдин// Приоритеты и интересы современного общества [Текст]: материалы Международной научно-практической конференции (г. Астрахань, 12-13 апреля 2010 г.)/ под ред. Г.Г. Глинина. - Астрахань; Издательский дом «Астраханский университет», 2010. С. 214-216.

Заказ № 2663. Тираж 100 экз.

_Уч.-изд. л. 1,5. Усл. печ. л. 1,3._

Издательский дом «Астраханский университет»

414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20 Тел. (8512) 48-53-47 (отдел маркетинга), 48-53-45, 48-53-44, тел./факс (8512) 48-53-46 E-mail: asupress@yandex.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Али Елдин Мохамед Мохамед Абдель Наби, Астрахань

61 12-3/1252

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Али Елдин Мохамед Мохамед Абдель Наби

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ САЛЬВИНИИ ПЛАВАЮЩЕЙ (БАЬУГША МАТАШ Ь.) ИЗ ВОДОЕМОВ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ В ОЧИЩЕНИИ ВОДЫ ОТ НЕКОТОРЫХ ПОЛЛЮТАНТОВ И МИКРООРГАНИЗМОВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности: 03.02.01 - ботаника, 03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор

Егоров М.А.

Астрахань - 2012г.

Содержание

Введение 6

Глава 1. Литературый обзор 11

1.1. Современные представления о биологии и экологии водных 11 растений.

1.1.1. Классификация водных растений. 12

1.1.2. Факторы влияющие на развитие водных растений. 19

1.1.2.1 Доступное освещение 20

1.1.2.2 Тип субстрата 22

1.1.2.3 Скорость потока 22 1.1.2.4. Химический состав воды: 23

1.1.2.4.1 Растворенный кислород и диоксид углерода 23

1.1.2.4.2 рН, жесткость и проводимость 24

1.1.2.4.3 Азот и фосфор 24

1.1.2.4.4 Температура 26 1.1.3 Роль и запасы чистой воды на Земле. 28

1.2. Систематика и морфологические особенности сальвинии 29 плавающей, как потенциального вида растений, для использования в качестве возможных биосорбентов тяжелых металлов

1.3. Токсическое действие ионов тяжелых металлов на гидробионтов 37 и организм человека

1.4. Основные методы очистки воды 41

1.4.1. Реагентный метод очистки 42

1.4.2. Флотационный метод очистки 42

1.4.3. Мембранный метод очистки 43

1.4.4. Метод электродиализа 44

1.4.5. Ионообменный метод очистки 45

1.4.6. Электрохимический метод очистки 45

1.4.7. Биосорбционный метод очистки 46

1.5. Механизмы и преимущества метода биосорбционной очистки 47

Глава 2. Материалы и методы 50

2.1. Структура проведенных исследований. 50

2.2. Методы сбора и анализа растений (растительного сырья). 51

2.2.1 Ботанические методы исследования 52

2.2.2 Оценка содержания хлорофиллов в растениях 53

2.2.3 Определение фосфора, азота и калия 54

2.3. Методы экстракции биологически активных веществ (БАВ) из 54 растений

2.4. Микробиологические методы исследования 54

2.5. Хроматографический анализ 56

2.6. Подготовка растительного сырья для анализа на способность к 56 биосорбции

2.7. Подготовка растворов тяжелых металлов для проведения 57 экспериментов

2.8. Методы исследования биосорбции у экспериментальных 58 растений

2.8.1 Оценка влияния веса сухой биомассы 5 8

2.8.2 Характеристика размера частиц биосорбента 58

2.8.3 Влияние температуры 59

2.8.4 Влияние рН раствора 59

2.8.5 Оценка роли интенсивности перемешивания 59

2.8.6 Влияние концентраций металлов 59

2.8.7 Оценка зависимости биосорбции от времени 60

2.8.8 Зависимость биосорбции от времени сбора растений 60

2.9. Восстановление биосорбентых материалов 61

2.10. Очищение воды от нефтяных загрязнений 61

2.10.1 Влияние размера частиц на биосорбционный процесс 62

2.10.2 Оценка влияния места отбора растений на 62 биосорбционный процесс

2.10.3 Оценка влияния дозы сорбента на биосорбционный 62 процесс

2.10.4 Влияние времени на биосорбционный процесс 62

2.11. Статические методы исследования 63 Глава 3 Результаты исследования и их обсуждение 64

3.1. Описание водных сообществ растений экосистемы реки Кутум 64

3.2. Оценка запасов и распространения сальвинии плавающей 69

3.3. Характеристика морфометрических параметров растений 71

3.4. Характеристика некоторых биохимических показателей: оценка 72 хлорофилла (а+Ь).

3.5. Определение фосфора, азота и калия в растительном сырье 74

3.6. Оценка остатков тяжелых металлов и хлорорганических 75 пестицидов в экстрактах сальвинии плавающей

3.7. Антибактериальная активность водно-спиртового экстрактов 79 сальвинии плавающей

3.8. Исследование органических компонентов водно-спиртовых 83 экстрактов сальвинии плавающей (Salvinia natans) методом газовой хроматографии и масс-спектрометрического анализа

3.9. Исследование влияния физико-химических и технологических 90 факторов на сорбционные свойства сальвинии плавающей

3.9.1 Оценка влияния веса сухой биомассы на 90 биосорбционный процесс

3.9.2 Влияние размера частиц биосорбента на 92 биосорбционный процесс

3.9.3 Оценка влияния температуры на свойства биосорбента 93

3.9.4 Влияние pH раствора на биосорбционный процесс 95

3.9.5 Влияние интенсивности перемешивания на 98 биосорбционный процесс

3.9.6 Влияние концентраций металлов на биосорбционный 99

процесс

3.9.7 Зависимость биосорбции от времени 101

3.9.8 Зависимость биосорбции от времени сбора растений 102

3.10. Восстановление биосорбентых материалов 105

3.11. Очищение воды от нефтяных загрязнений 107

3.11.1 Влияние размера частиц биосорбента на 109 биосорбционный процесс

3.11.2 Влияние места отбора растений на биосорбционный 110 процесс

3.11.3 Влияние веса сорбента на биосорбционный процесс 112

3.11.4 Влияние времени процесса на биосорбционный процесс 113

Глава 4. Технологические схемы и описание производственного 116 процесса получения сорбента на основе сальвинии плавающей

4.1. Технология получения экстрактов из сальвинии 116 плавающей для их использования в биотехнологических целях

4.1.1 Описание получения экстрактов из сальвинии 118 плавающей

4.1.2 Описание применения экстрактов полученных из 118 сальвинии плавающей с противомикробными свойствами

4.2. Технология получения различных размеров частиц из 119 сальвинии плавающей для их использования в качестве

сорбента

4.2.1 Описание схемы получения частиц различного 122 размера для очистки воды от некоторых тяжелых металлов

4.2.2 Описание схемы получения частиц различного 123 размера для очистки воды от нефтяных загрязнений

Заключение Выводы

Практические рекомендации Список использованной литературы Приложения

124 126

127

128 165

Введение

Актуальность темы: Практически все поверхностные источники водоснабжения в последние годы подвергаются воздействию вредных антропогенных загрязнений. До 70-и процентов поверхностных и 30% подземных вод потеряли питьевое значение и перешли в категории загрязнённости - «условно чистая» и «грязная». Практически 70% населения Российской Федерации употребляет воду, не соответствующую ГОСТу «Вода питьевая» (Мышко, 1999).

Использование водных макрофитов в качестве сырья для очистки вод,

в том числе и от тяжелых металлов, является надёжным методом благодаря

его высокой экономической эффективности и экологичности. Очистительная

способность некоторых водных макрофитов (тростник, камыш, рогоз,

эйхорния и др.) хорошо изучена, и в настоящее время они широко

применяются на практике для очистки различных по происхождению сточных вод (Вишнякова и Мельник, 2009; Kadlec и Wallace, 2008).

2. Охарактеризовать химический состав водно-спиртовых экстрактов полученных из сальвинии плавающей и определить основные биологически активные вещества, содержащиеся в них;

3. Определить чистоту растительных экстрактов по отношению к тяжелым металлам и остаткам пестицидов;

4. Изучить антибактериальную активность водно-спиртовых экстрактов полученных из сальвинии плавающей;

6. Разработать технологические схемы и описание производственного процесса и получения сорбента на основе сальвинии плавающей.

Научная новизна работы:

2. Охарактеризованы оптимальные условия для использования сальвинии плавающей как возможного биосорбента;

3. Впервые полученны данные химического состава водно-спиртовых экстрактов полученных из сальвинии плавающей, произрастающей в водоемах Астраханской области;

5. Изучены противомикробные свойства экстрактов полученных из сальвинии плавающей.

Практическая значимость работы: На основе изучения биологических особенностей экстрактов полученных из сальвинии плавающей экспериментально показана возможность её использования для очищения воды от микроорганизмов. Результаты хроматографического анализа экстрактов сальвинии плавающей подтверждают содержание в них целого спектра биологических активных веществ, необходимых в качестве антимикробных компонентов. Полученные данные проведенных экспериментов по использованию сальвинии плавающей для очистки воды от некоторых тяжелых металлов и нефтяных загрязнений подтвердили важную характеристику - возможность использования сальвинии плавающей, широко произрастающей на территории Астраханской области, в качестве биосорбента для очистки воды от распространённых поллютантов. Результаты исследования используются при чтении курсов «Введение в биотехнологию», «Биотехнология» и «Экологическая биотехнология», для студентов биологических специальностей Астраханского государственного университета.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Водно-спиртовые экстракты, полученные из сальвинии плавающей, произрастающей на территории Астраханской области содержат биокомпоненты, имеющие антибактериальные свойства и способствующие предупреждению развития ряда микроорганизмов.

3. Эффективность сорбции тяжелых металлов, а также нефтяных загрязнений сорбентом на основе сальвинии плавающей зависит от влияния группы факторов, в том числе от концентрации и размера частиц биомассы.

Апробация работы: Полученные экспериментальные исследования по данной работе представлены на научных конференциях: Международной научно-практической конференции «Приоритеты и интересы современного общества», Астраханский государственный университет, г. Астрахань, 12-13 апреля 2010 г; Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии», Министерства образования и науки РФ, Астраханский государственный университет, г. Астрахань, 7-10 декабря 2010 г.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертации.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 4

глав, выводов, заключения, практических рекомендаций и списка

литературы, включающего 340 библиографических ссылок, из них 218

иностранных источников. Содержание работы изложено на 164 страницах

машинописного текста, содержит 32 рисунков, 25 таблиц и 5 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность своему руководителю, заведующему кафедрой биотехнологии и биоэкологи Астраханского государственного университета доктору, биологических наук профессору М.А. Егорову. Благодарность сотрудником инженерно-технического центра, отдела экологического контроля и нормирования ООО «Газпром добыча Астрахань» за помощь в организации и проведении ряда экспериментов и осуществлении количественно анализа ионов тяжелых металлов. Выражаю также признательность сотрудникам кафедры биотехнологии и биоэкологи; а также другим сотрудником нашим университета за помощь в выполнении анализов, ценные консультации, поддержку и внимание, оказанные в период обучения в аспирантуре и в процессе написания работы.

ГЛАВА. 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Современные представления о биологии и экологии водных растений

Водные растения (гидрофитные растения или гидрофиты)- это растения, которые приспособились жить только в воде или во влажном грунте. Среди водных сосудистых растений встречаются, например, папоротники, и покрытосеменные растения (в том числе однодольные и двудольные растения различных семейств) (Park и др., 2009). Размеры гидрофитов варьируют от микроскопических (одноклеточные формы) до сравнительно крупных (такие макрофиты, как кувшинки). Встречаются также гигантские макрофиты, например некоторые бурые водоросли, достигающие в длину 30 м (Библиотека 5 баллов, 2011).

Значение водных растений для природных экосистем и человека трудно переоценить. Высшие водные растения являются первичными продуцентами в водных экосистемах, они принимают участие в обмене биогенных элементов, самоочищении воды, способны накапливать и трансформировать поллютанты (Морозов, Телитченко, 1977; Кокин, 1982; Эйнор, Дмитриева, 1984; Морозов, 2001; Кудряшов и Садчиков, 2002) и, таким образом являются важнейшим звеном процессов самоочищения и повышают устойчивость водной экосистемы к внешним воздействиям. Гидрофиты используются при биоиндикации и биотестировании состояния водоёмов. Однако недостаточность сведений по экологии и физиологии большинства видов макрофитов ограничивает возможности для их использования в качестве индикаторных видов (Садчиков и Кудряшов, 2005; Бреховских и др., 2008; Кокин, 1982; Егоркина и др., 2000; Мелихова и др., 2008).

Водные растения играют важную роль в очищении заболоченных мест, болот, рек и сохранении запасов пресной воды. Чрезмерное обилие водных растений может помешать купанию, рыбалке, катанию на лодках, водных

лыжах и эстетической привлекательности водоемов.

Водная растительность является важным компонентом гидроэкосистем: от них зависит состояние водоемов, разнообразие и обилие населяющих их животных, для многих из которых растения служат источником питания, местом разведения или убежища молоди (Гаевская. 1966; Пшенникова, 2005).

В ходе фотосинтеза гидрофиты не только образуют органические вещества, но и выделяют в окружающую среду кислород, который аэрирует воду и используется для дыхания рыбами и другими обитателями водоемов. Высока роль водных растений в самоочищении загрязненных вод (Nichols 1986; Scheffer 1998; Jürgens и Jeppeson 1997; Мережко и др., 1996; Матвеев и др., 2004). Водные растения служат барьером для поступления в водоемы тяжелых металлов, нефтепродуктов, пестицидов, радионуклидов и других загрязняющих веществ (Кокин, 1982).

Кроме того, сообщества гидрофитов улучшают среду обитания для водной фауны, места гнездования водоплавающих птиц и продуцируют корм для крупных копытных (Scheffer 1998, Lodge и др. 1997, Nichols 1986, Fraser и др. 1982). Географическое распределение и биомасса водных растений влияют непосредственно на водные экосистемы и косвенно на изменение биоразнообразия через фрагментацию мест обитания и создание различных условий окружающей среды. 1.1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ.

Существует множество классификаций для водных растений, на основе различных критериев (Den Hartog и Segal, 1964; Mäkirinta, 1978; Pearsall, 1918).

I- в зависимости от требований к химическому составу воды (Библиотека 5 баллов, 2011):

1) виды, произрастающие в мягких, нейтральных или слегка кислых водах, обычных для областей, где мало известняка;

2) виды пресных вод, богатых карбонатом кальция;

3) виды опресненных

Информация о работе

Али Елдин Мохамед Мохамед Абдель Наби
кандидата биологических наук
Астрахань, 2012
ВАК 03.02.01

Диссертация

Использование сальвинии плавающей (Salvinia Natans L.) из водоемов Астраханской области в очищении воды от некоторых поллютантов и микроорганизмов - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы