Опубликовано: Остроумов С.А. Биоконтроль загрязнения водной среды: проблемы реабилитации и ремедиации, включая фиторемедиацию и зооремедиацию // Токсикологический вестник. 2009. №.6, с.31-38.
Published: Ostroumov S.A. Biocontrol of the pollution of aquatic environment: issues of rehabilitation and remediation, including phytoremediation and zooremediation. - Toksikologicheskij Vestnik. 2009. No.6, p.31-38.(in Rus.)
УДК 574.635:574.632.017
БИОКОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ: ПРОБЛЕМЫ РЕАБИЛИТАЦИИ И РЕМЕДИАЦИИ, ВКЛЮЧАЯ ФИТОРЕМЕДИАЦИЮ И ЗООРЕМЕДИАЦИЮ
BIOCONTROL OF THE POLLUTION OF AQUATIC ENVIRONMENT: ISSUES OF REHABILITATION AND REMEDIATION, INCLUDING PHYTOREMEDIATION AND ZOOREMEDIATION
© 2009 С.А.Остроумов
Московский госуниверситет им. М.В.Ломоносова, 119991 Москва, Воробьевы горы
Ключевые слова: токсичные загрязняющие вещества, водные ресурсы, водные экосистемы, качество воды, самоочищение воды, реабилитация, фиторемедиация, биоремедиация, химическое загрязнение, поллютанты, макрофиты, моллюски, токсиканты, тяжелые металлы, альгоремедиация, бриоремедиация, микоремедиация, фунгоремедиация, зооремедиация
Key words: toxic pollutants, water resources, aquatic ecosystems, water quality, water self-purification, rehabilitation, phytoremediation, bioremediation, chemical pollution, pollutants, macrophytes, molluscs, toxicants, heavy metals
Реферат:
С.А.Остроумов. Биоконтроль загрязнения водной среды: проблемы реабилитации и ремедиации, включая фиторемедиацию и зооремедиацию. - Токсикологический вестник. 2009. №.6, с.31-38.
Фиторемедиация, альгоремедиация и зооремедиация рассматриваются в связи с поисками экотехнологий очищения водной среды от загрязняющих веществ, в том числе токсикантов.
В рамках выявления роли организмов, в качестве примера анализируются данные об элементах, в том числе о тяжелых металлах, вовлекаемых моллюсками в биогеохимические потоки в результате изъятия их из водного столба водоема. На основе теории сформулированы выводы, имеющие практическое значение для устойчивого использования природных ресурсов. Библиогр. 24 назв.
Реферат на английском языке:
Ostroumov S.A. Biocontrol of the pollution of aquatic environment: issues of rehabilitation and remediation, including phytoremediation and zooremediation.-Toksikologicheskiy Vestnik. 2009. No.6, p.31-38.
Phytoremediation, algaeremediation and zooremediation are considered in connection with search for ecotechnologies of removal of pollutants (including toxicants) from water. As part of the analysis of the role of organisms, we included the data on heavy metals that are involved by mollusks into biogeochemical flows as a result of their removal from water column of aquatic bodies. On the basis of the theory, some conclusions were formulated that are relevant of sustainable use of natural resources.
Цель данной публикации - продолжить анализ биоконтроля химического загрязнения водной среды, начатый в предыдущей статье [19]. В предыдущей статье [19] и работах [5-12, 18] были изложены основы теории биологического контроля качества воды. В этой статье основное внимание уделяется практическому приложению знаний о возможностях биоконтроля загрязнения водной среды для внесения вклада в снижение химического загрязнения водных объектов.
Ведутся активные разработки использования бактерий для биоремедиации загрязненных участков, чему посвящены многочисленные публикации. Поскольку использование микроорганизмов довольно подробно освещено в научной литературе [2], в данной публикации целесообразно осветить другие стороны потенциального использования организмов – а именно, подходы к созданию экотехнологий на основе использования других организмов, а именно высших растений и беспозвоночных животных. В данной работе использован ряд предыдущих публикаций автора, в том числе [17, 18].
1. Фиторемедиация, биоремедиация, зооремедиация: связь с проявлением различных аспектов биотических механизмов самоочищения воды
Исторически раньше других, по-видимому, появилось понятие "биоремедиация". Под этим понимают различные методы очищения вод и почв с использованием живых организмов – согласно сложившейся практике употребления этого термина, подразумевается применение различных штаммы микроорганизмов – отдельных штаммов или комплекса нескольких штаммов. Подробнее вопросы биоремедиации освещены в других работах (например, [2]).
При использовании организмов для очищения среды нередко происходит накопление загрязняющих веществ в организмах. Для объективности анализа необходимо отметить, что подобные процессы накопления имеют несколько аспектов. С одной стороны, происходит удаление соответствующих поллютантов из воды, что может рассматриваться как вклад в самоочищение воды. С другой стороны, острота проблемы полностью не снимается – при чрезмерном накоплении поллютантов в организмах могут проявляться те или иные отрицательные эффекты для физиологии и жизнедеятельности организмов. Если рассматриваемые организмы используются человеком или служат основой для пищевых цепей, ведущих к продуктам питания человека, то возникает потенциальная опасность появления поллютантов в пищевых продуктах.
Можно отметить еще один аспект аккумуляции загрязняющих веществ в гидробионтах: последние могут служить в качестве биоиндикаторов опасности загрязнений для водных экосистем, человека и животных. Именно такому аспекту использования организмов была посвящена недавно прошедшая в Москве международная научная конференция (17th International Conference on Environmental Bioindicators, 18-22 мая 2009), на которой автор статьи сделал доклад по теме данной статьи.
1.1. Фиторемедиация. В последние годы стал развиваться подход к очищению загрязненных природных сред (почв, вод) c использованием растений (например, [4, 13, 16]) , называемый фиторемедиацией.
Под этим понимается использование растений (прежде всего высших растений) для целей деконтаминации среды, в которой эти растения выращиваются. Выделяется несколько (не менее пяти) видов фиторемедиации, которые упоминаются ниже (по данным работ многих авторов):
1. Фитоэкстрация (phytoextraction). Способность растений, водорослей, культур тканей растений секвестрировать (sequester) токсичные элементы, включая металлы, путем поглощения или биосорбции (biosorption). Контаминированные организмы (например, растения) изымаются из системы. В некоторых случаях используется выражение biomining – т.е. добыча полезных компонентов с использованием фитоэкстракции.
2. Ризофильтрация (rhizofiltration). Использование растений для адсорбции (to absorb) корнями и иногда осаждения (to precipitate) контаминантов из загрязненных вод.
3. Фитостабилизация (phytostabilization). Использование толерантных растений для стабилизации контаминантов путем снижения биодоступности (bioavailability).
4. Фитодеградация (phytodegradation). Использование растений и ассоциированных микроорганизмов для разрушения органических поллютантов.
5. Фитоволатилизация (phytovolatilization). Использование растений для испарения (volatilize) поллютантов.
Этот список не исчерпывает всех возможных направлений применения фитотехнологий и фиторемедиации.
Отметим, что в разложении и окислении углеводородов могут участвовать и микроорганизмы, ассоциированные с растениями; возможна стимуляция активности микроорганизмов выделениями макрофитов.
Исследования растений в связи с фиторемедиацией загрязнения среды нефтью проведены в [4]. Были исследованы камыш Scirpus lacustris L., рогоз Typha angustifolia L., T. latifolia L. и другие виды [4].
Автор организовал экспериментальные исследования взаимодействий растений с загрязняющими веществами, которые вносят вклад в разработку научных основ фиторемедиации водных сред, загрязненных перхлоратом (совместная работа автора с учеными США [22]), поверхностно-активными веществами (ПАВ) и детергентами (синтетическими моющими средствами, СМС). Нами с соавторами показана возможность использования растений Myriophyllum aquaticum (Vell.) Verdc. для фиторемедиации водных сред, загрязненных перхлоратом [22], растений нескольких других видов (Elodea canadensis Mchk., Potamogeton crispus L., Najas guadelupensis L.) для фиторемедиации водных систем, загрязненных представителем ПАВ из класса алкилсульфатов, додецилсульфатом натрия (ДСН) [16], а также смесевыми препаратами из группы синтетических моющих средств (новые результаты; опыты проводились в нашей группе аспирантом Е.А. Соломоновой).
Нами предложен новый метод рекуррентных добавок, который помогает исследовать фиторемедиационный потенциал водных растений [13]. Этот метод был успешно апробирован на нескольких видах макрофитов (Elodea canadensis Mchk., Potamogeton crispus L., Najas guadelupensis L.). [16]; опыты были проведены и на других видах макрофитов. Примеры изучения фиторемедиационного потенциала растений даны ниже в таблице 1.
С использованием метода рекуррентных добавок было показано, что растения E. canadensis выдерживали суммарную нагрузку ДСН 4 мг/л (8 добавок по 0.5 мг/л, нагрузка распределена в течение 18 сут.) и погибали при нагрузке 83 мг/л (10 добавок по 8.33 мг/л за 19 сут.). Растения P. crispus выдерживали суммарную нагрузку ДСН 3,3 мг/л (4 добавки по 0.83 мг/л, нагрузка распределена в течение 8 сут.) и погибали при нагрузке 33 мг/л (4 добавки по 8.33 мг/л за 8 сут.) [16].
Растения N. guadelupensis выдерживали значительно более высокую нагрузку свыше 120 мг/л (распределенную в течение 168 сут как 72 добавки по 1,67 мг/л), причем опыт и рекуррентные добавки продолжаются (новые результаты опытов С.А.Остроумова и аспиранта Е.А. Соломоновой).
Гибель N. guadelupensis наблюдали при суммарной нагрузке 141,6 мг/л, распределенной в течение 39 суток как 17 добавок по 8,33 [16].
Опыты с использованием метода рекуррентных добавок вносят вклад в изучение толерантности водных макрофитов и допустимых антропогенных нагрузок на модельные водные системы (микрокосмы).
Нами проводятся также опыты по изучению взаимодействия других поллютантов (тяжелых металлов) с макрофитами. Получены данные, свидетельствующие об ускорении снижения концентрации тяжелых металлов в воде экспериментальных систем, содержащих макрофиты (в работе участвуют Т.В.Шестакова, аспирант В. А.Поклонов, студентка Е. Г.Головня)
Подчеркнем, что фиторемедиация – сложный комплекс процессов, в которых, наряду с водными растениями, участвуют многие другие организмы, в том числе бактерии и сложный комплекс организмов перифитона. По-видимому, в тех или иных случаях фиторемедиации могут существенную роль играть комплекс организмов, конкретная роль которых пока неясна или не изучена детально – комплекс, включающий такие организмы, как грибы, цианобактерии, простейшие и другие группы организмов, входящие в биологическое сообщество водной системы.