ЭКОЛОГИЯ (последнее)
Биоконтроль загрязнения водной среды: проблемы реабилитации и ремедиации, включая фиторемедиацию и зооремедиацию
Актуальные публикации по вопросам экологии и природопользования.
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.
1.2 Альгоремедиация. Этим термином предлагаем обозначать использование водорослей (включая макроводоросли) для удаления из воды нежелательных веществ. Примером может служить потенциал красных макроводорослей для удаления биогенов. Обнадеживающие результаты в этом направлении получены в работе испанских авторов, которые показали эффективность красных водорослей Gracilariopsis longissima для удаления фосфора и азота (в форме аммония) из вод, куда эти биогены поступают в результате интенсивной марикультуры и выращивания рыб Sparus aurata (gilthead seabream) (Hernandez et al., 2006 [21]). Технология использования этого подхода включала выращивание водорослей на канатах. Скорость извлечения биогенов из воды при этом достигала следующих величин (в расчете на 1 см длины каната за один день): извлечение фосфора - 24.9 микрограммов, извлечение азота – 170 микрограммов. Это существенные значения, поскольку в пересчете на 1 м каната, покрытого водорослями, это составляет 2.49 миллиграммов фосфора и 17 миллиграммов азота. Снижение концентрации фосфора и аммонийного азота в воде имеет большое значение, поскольку они вызывают не только эвтрофирование. Как известно, аммоний в повышенных концентрациях опасен и как токсикант.
1.3. Бриоремедиация. Этим термином предлагается обозначить использование бриофитов (Bryophyta, мохообразные) для целей ремедиации. Автор проводил опыты по использованию сфагновых мхов и других бриофитов для ремедиации сред, содержащих различные поллютанты.
1.4. Микоремедиация (фунгоремедиация). Под этим понимается использование грибов для целей ремедиации. Многие виды грибов образуют высокоактивные ферменты, способные трансформировать и / или разрушать широкий круг веществ. Эта способность может использоваться для целей ремедиации сред, содержащих те или иные поллютанты.
1.5. Зооремедиация. Под этим предлагается понимать использование функциональной активности животных с целью внести вклад в деконтаминацию загрязненной среды.
Опыт исследований автора на беспозвоночных животных, которые фильтруют воду (фильтраторах), свидетельствует о существенной роли этих организмов в поддержании качества воды и очищении воды от взвесей в природных и экспериментальных водных системах. Автором проводились эксперименты по использованию ряда фильтраторов, которые показали существенный потенциал в удалении из воды взвесей (см. таблицу 2 ).
Предложения использовать водных беспозвоночных для целей очищения морских вод неоднократно выдвигались проф. О.Г. Мироновым (Институт биологии южных морей, Севастополь). Им были начаты интересные разработки установки, которая использовала моллюсков (мидий) для доочистки морских вод, загрязненных нефтепродуктами.
Были проведены оценки роли моллюсков в извлечении из воды (учитывая и изъятие взвесей) металлов. Так, с учетом фильтрационной активности дрейссен Dreissena polymorpha в водоемах, молдавскими учеными (И.К. Тодерашем, Е.И. Зубковой и сотрудниками) были сделаны оценки изъятия из воды (учитывая взвешенное в воде вещество) металлов, на примере Кучурганского водохранилища [24] (см. табл. 3 и 4).
Оценки, сделанные в вышеупомянутых таблицах (см. табл. 3 и 4), показывают существенную роль двустворчатых моллюсков (и фильтраторов в целом) в изъятии из воды металлов. Это имеет большое значение для общего понимания вклада этих организмов в очищение воды (поскольку тяжелые металлы – важный класс поллютантов). Это еще раз доказывает потенциально большую роль водных беспозвоночных животных для ремедиации воды, т.е. еще раз доказывает оправданность рассмотрения зооремедиации в ряду других подходов для очищения и восстановления загрязненных водных систем. Материал о моллюсках был приведен в качестве одного из многих возможных примеров, иллюстрирующих разностороннюю роль водных организмов (биоты). Автор полагает необходимым подчеркнуть, что ни в коем случае нельзя выпячивать роль одной группы организмов в ущерб оценки вклада, вносимого другими группами организмами.
Функциональная активность моллюсков и их вклад в самоочищение вод реализуется при очень существенном участии многих других организмов водных экосистем. Моллюски образуют большое количество пеллет, которые вносят весомый вклад в формирование органического вещества донных осадков. Это вещество служит кормовым ресурсом для сообщества микроорганизмов и многих донных организмов-детритофагов. Все эти организмы также вносят вклад в очищение воды и водной экосистемы.
Следует подчеркнуть, что для зооремедиации водных систем существенную роль могут играть не только моллюски, но и другие группы фильтраторов. Об этом свидетельствуют, например, результаты исследования итальянских авторов, показавших высокую эффективность губок в снижении численности бактерий, содержащихся в воде (Stabili et al., 2006 [23]) .
Вышеприведенная теория полифункциональной роли организмов выявляет разностороннее участие практически всех основных групп организмов для очищения воды, что создает теоретическую базу для более эффективного и успешного использования отдельных групп организмов в целях очищения водной среды. В зависимости от того, какие группы организмов задействованы в практической работе по деконтаминации среды, эти направления работ могут носить название фиторемедиации, биоремедиации или зооремедиации – однако, следует постоянно помнить, что в любом из этих случаев действует комплексный, полифункциональный биологический механизм. Учет по возможности более широкого круга процессов (они охарактеризованы в первых разделах статьи) поможет более успешной реализации этих методов.
Целесообразно отметить, что существенное значение имеет объективная оценка эффективности очищения водной среды с участием гидробионтов (водных организмов). Эта оценка необходима и должна включать в себя и химические, и биологические методы. При такой оценке представляется целесообразным учет рыбохозяйственных и гигиенических ПДК, а также других нормативов, разработанных и разрабатываемых с целью контроля качества воды.
2. Некоторые рекомендации и основанные на теории [18, 19] выводы для практики и устойчивого использования водных ресурсов.
Наши опыты и разработанные элементы теории привели к следующим выводам и рекомендациям, существенным для устойчивого использования водных ресурсов [17].
1. Практические подходы, при которых используются отдельные группы организмов для целей очищения, восстановления загрязненных водоемов и водотоков (фиторемедиация, биоремедиация и др.) целесообразно основывать на тех или иных сторонах функционирования комплексных биомеханизмов самоочищения вод. Эти биомеханизмы, в свою очередь, тесно связаны с проявлением полифункциональной роли водных организмов.
2. При анализе групп организмов, участвующих в очищении воды, в работах [5-12, 18, 19] сравнительно большое место занимают водные растения и моллюски. Однако, это ни в коей мере не преуменьшает той существенной роли, которую играют и другие группы организмов.
3. Анализ роли конкретных групп организмов для формирования качества воды способствует разработке научных основ практических мер по очищению и восстановлению водных объектов, по сохранению качества воды в водоемах и водотоках. При реконструкции, реабилитации, проведении биоинженерных работ на восстанавливаемых и реконструируемых водных объектах следует стремиться к созданию благоприятных условий для максимально широкого разнообразия организмов.
4. Поскольку почти все водные организмы участвуют в формировании качества воды, самоочищении водных экосистем либо в регуляции этих процессов, то сохранение биоразнообразия в водных экосистемах – важная предпосылка сохранения имеющегося самоочистительного и ремедиационного потенциала водоемов и водотоков [9]. Поэтому природоохранные меры и сохранение биоразнообразия должны занимать приоритетное место в программах устойчивого использования водных ресурсов.
5. Поскольку в очищении воды активно участвуют также и виды наземных экосистем и местообитаний, пограничных с водоемами и водотоками, то в целях сохранения качества воды необходима охрана биоразнообразия и этих прибрежных наземных экосистем.
6. Для определения критических антропогенных нагрузок [3] на водную экосистему необходимо учитывать лабильность и уязвимость процессов биологического самоочищения экосистемы. Для оценки допустимых нагрузок на макрофиты некоторую информацию можно получить с применением предложенного автором метода рекуррентных добавок (Остроумов , 2006 [13]).
7. Нарушение тех или иных биологических процессов, ведущих к самоочищению вод, представляет собой еще одни тип экологической опасности химических веществ, на который указано в работах [7, 10, 11, 12]. Это необходимо учитывать при оценке степени опасности химических веществ.
8. Сохранение биомеханизмов самоочищения вод, всех его основных участников, в том числе моллюсков-фильтраторов и их высокой функциональной активности – необходимая предпосылка успешной борьбы с эвтрофикацией [6], важное условие формирования водоохранного режима на акваториях [9] и устойчивого водопользования. В современных условиях, ввиду несовершенства водного законодательства РФ (и конкретно Водного Кодекса РФ), к сожалению, данная рекомендация (а также рекомендации № 6 и 7) не везде осуществляется на практике. Отсюда вытекает, что имеются экологические аргументы, требующие пересмотра и совершенствования Водного Кодекса РФ.
9. Последние работы подтверждают ранее высказанное предсказание, что будут выявлены новые загрязняющие вещества, которые снижают способность водоемов и водотоков к самоочищению [5]. Это предсказание остается в силе – по мнению автора, в дальнейшем появятся новые данные о таком действии загрязняющих веществ. Поэтому в программах борьбы с загрязнением среды необходимо уделять существенное внимание предупреждению загрязнения водных объектов этими веществами.
Дополнительное свидетельство адекватности предлагаемых подходов для практических мероприятий по сохранению и улучшению качества воды получено при анализе качества вод в водотоках Северной Америки, загрязняемых диффузными источниками поллютантов (non-point sources of pollution) (Fisenko, 2004 [20]).
Вышесказанное целесообразно принимать во внимание в практической работе по охране водных объектов, в том числе при совершенствовании экологического законодательства.
В рамках научного обобщения новых фактов и анализа всей суммы существующих данных, выявление полифункциональной роли биоты (комплекса организмов) в самоочищении воды [5-18] дополнительно детализирует тезис В.И.Вернадского о том, что "Живое вещество…геологически…является самой большой силой в биосфере и определяет… все идущие в ней процессы" [1].
Благодарность. Автор благодарит В.В.Малахова, Е.А.Криксунова, Г.С.Розенберга, В.К.Жирова, Т.И.Моисеенко, С.В.Котелевцева, А.П.Садчикова, Г.Е.Шульмана, О.Г.Миронова, И.К.Тодераша, Е.И.Зубкову за обсуждение некоторых затронутых вопросов и критические замечания, Н.Н.Колотилову, А.А.Солдатова и Е.А.Соломонову за помощь в опытах, А.В. Клепикову за помощь в оформлении статьи. Часть работы поддержана грантом РФФИ по проекту 06-04-90824Мол_а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление. М.: Наука, 1991. 272 с.
2. Кураков А.В., Ильинский В.В., Котелевцев С.В., Садчиков А.П. Биоиндикация и реабилитация экосистем при нефтяных загрязнениях. М. : Графикон. 2006. 336 с.
3. Моисеенко Т.И. Методология и методы определения критических нагрузок (применительно к поверхностным водам Кольской Субарктики) // Изв. АН. Сер. географ. 1999. № 6. С. 68-78.
4. Морозов Н.В. Эколого-биотехнологические пути формирования и управления качеством поверхностных вод (региональные аспекты). Автореф….докт. биол. наук. М. МГУ. 2003. 53 с.
5. Остроумов С.А. Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы. М.: МАКС-Пресс, 2001а. 334 с.
6. Остроумов C.А. Синэкологические основы решения проблемы эвтрофирования // Докл. РАН. 2001б. Т.381. № 5. С.709-712.
7. Остроумов С.А. Опасность двухуровневого синергизма при синэкологическом суммировании антропогенных воздействий // Докл. РАН. 2001в. Т.380. №6. С. 847-849.
8. Остроумов С.А. Сохранение биоразнообразия и качество воды: роль обратных связей в экосистемах // Докл. РАН. 2002а. Т.382. № 1. С. 138-141.
9. Остроумов С.А. Система принципов для сохранения биогеоценотической функции и биоразнообразия фильтраторов // Докл. РАН. 2002б. Т.383. № 5. С.710-713.
10. Остроумов С.А. Новый тип действия потенциально опасных веществ: разобщители пелагиально-бентального сопряжения // Докл. РАН. 2002д. Т.383. № 1. С.138-141.
11. Остроумов С.А. 2004. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // Доклады академии наук (ДАН). 2004. т.396. № 1. С.136-141.
12. Остроумов С.А. О некоторых вопросах поддержания качества воды и ее самоочищения // Водные ресурсы. 2005. т.32. № 3. С. 337-347.
13. Остроумов С.А. Модельная система в условиях рекуррентных (реитерационных) добавок ксенобиотика или поллютанта // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2006. – Т. 11. – С. 72-74.
14. Остроумов С.А., Вальц Н., Руше Р. Воздействие катионного амфифильного вещества на коловраток // Доклады РАН (ДАН). 2003. т. 390. № 3. С.423-426.
15. Остроумов С.А., Донкин П., Стафф Ф. Ингибирование анионным поверхностно-активным веществом способности мидий Mytilus edulis фильтровать и очищать морскую воду // Вестник МГУ. Сер. 16. Биол. 1997. № 3. C. 30-35.
16. Остроумов С.А., Соломонова Е.А. К разработке гидробиологических вопросов фиторемедиации: взаимодействие трех видов макрофитов с додецилсульфатом натрия.—Вода и экология. 2006. № 3. стр. 45-49.
17. Остроумов С.А., Подходы к очищению и оздоровлению водных объектов (фиторемедиация, биоремедиация, зооремедиация) в связи с теорией полифункциональной роли биоты в самоочищении вод // Вода: технология и экология" 2007 № 2 с.49-69.
18. Остроумов С.А. Гидробионты в самоочищении вод и биогенной миграции элементов. М. МАКС-Пресс. 2008. 200 с.
19. Остроумов С.А. Биоконтроль загрязнения водной среды: элементы теории. (предыдущая статья этой серии из двух статей ) Токсикологический вестник. в печати.
20. Fisenko A. I. A New Long-Term On Site Clean-Up Approach Applied to Non-Point Sources of Pollution // Water, Air, & Soil Pollution. 2004, Volume 156, Numbers 1-4, p. 1-27.
21. Hernandez I. , Perez-Pastor A., Vergara J. J. , Martinez-Aragon J. F. , Fernandez-Engo M. A. , Perez-Llorens J. L. Studies on the biofiltration capacity of Gracilariopsis longissima : From microscale to macroscale. - Aquaculture, 2006, vol. 252, no 1, p. 43-53
22. Ostroumov S.A., Yifru D., Nzengung V., McCutcheon S. Phytoremediation of perchlorate using aquatic plant Myriophyllum aquaticum // Ecological Studies, Hazards, Solution. Vol. 11, M.: MAX Press, 2006, P. 25-27.
23. Stabili, L., Licciano, M., Giangrande, A., Longo, C., Mercurio, M., Marzano, C.N., Corriero, G. Filtering activity of Spongia officinalis var. adriatica (Schmidt) (Porifera, Demospongiae) on bacterioplankton: Implications for bioremediation of polluted seawater // Water Research 2006, v.40 (16), p.3083-3090.
24. Toderas I., Zubcov E., Biletchi L., Zubcov N., Botnaru A. Functional role of populations of benthic invertebrates in biogenic migration of microelements // Anale stiintifice ale Universitatii de Stat din Moldova, Seria Stiinte chimico-biologice. (Научный ежегодник Молдавского гос.ун-та. Серия: химико-биол. науки) 1999. p. 137-140.
Табл. 1 . Фиторемедиационный потенциал некоторых водных растений (примеры).
виды растений поллютант Комментарии ссылки
Роголистник Ceratophyllum demersum Тяжелые металлы
Pb, Cd, Cu, Zn В присутствии растений ускоряется снижение концентрации металлов в воде Новые данные С.А.Остроумова, Т.В. Шестаковой и сотрудников
Роголистник Ceratophyllum demersum ПАВ додецилсульфат натрия (ДСН) В присутствии растений ускоряется снижение концентрации ПАВ в воде Новые данные С.А.Остроумова, Е.В.Лазаревой
Myriophyllum aquaticum перхлорат начальная концентрация перхлората 21-26 мг/л [22]
Элодея Elodea canadensis Mchk. ПАВ додецилсульфат натрия (ДСН) суммарная нагрузка 4 мг/л (нагрузка распределена частями в течение 18 сут.) [16]
Рдест Potamogeton crispus L. ДСН суммарная нагрузка 3,3 мг/л (нагрузка распределена частями в течение 8 сут.) [16]
Najas guadelupensis L. ДСН суммарная нагрузка свыше 120 мг/л (нагрузка распределена частями в течение 168 сут) [16]
Sphagnum teres (Schimp.) Ångstr. in Hartm. и S. Sphagnum angustifolium (C. Jens. ex Russ.) C. Jens. ДСН серия добавок по 2 мг/л Новые исследования автора
макрофит OST-1 представители анионных и катионных ПАВ
серия добавок ДСН и ТДТМА, различные нагрузки Исследования автора (1999), продолженные аспирантом Е.А.Соломоновой
несколько видов макрофитов СМС различные нагрузки, использовали СМС "Аист" Новые результаты (Остроумов, Соломонова)
Табл. 2. Изучение фильтрационной активности и удаления взвесей из воды организмами-фильтраторами (примеры)
Организмы взвеси одноклеточных организмов ссылки Примечание
Дафнии Daphnia magna Планктонные зеленые водоросли Scenedesmus quadricauda (Turp.) de Brébisson Новые результаты Опыты И.М. Ворожун и С.А. Остроумова показали ингибирование (подавление) фильтрации воды при действии ПАВ ДСН
Перловицы Unio sp. водоросли, цианобактерии [5-7] Показано ингибирование фильтрационной активности при воздействии ПАВ
Unio tumidus Scenedesmus quadricauda (опыт с ПАВ Тритоном Х-100)
Saccharomyces cerevisiae (опыт с СМС ОМО) [12] Показано ингибирование фильтрационной активности при воздействии Тритона Х-100, 5 мг/л, и синтетического моющего средства ОМО, 50 мг/л,
Мидии Mytilus edulis водоросли [15] Показано ингибирование фильтрационной активности ПАВ
Мидии Mytilus galloprovincialis водоросли; дрожжи Saccharomyces cerevisiae [5-7] Показано ингибирование фильтрационной активности при действии ПАВ, СМС, металлов, нефтепродуктов
Mytilus galloprovincialis S. cerevisiae [8] Ингибирование фильтрационной активности при действии СМС IXI 20 мг/л
Устрицы Crassostrea gigas водоросли;
S. cerevisiae [8] Ингибирование фильтрационной активности при действии ПАВ, СМС (Дени-автомат, 30 мг/л)
Unio tumidus, M. galloprovincialis, Crassostrea gigas водоросли;
S. cerevisiae [9] Показано ингибирование
фильтрационной активности пятью детергентами (1-50 мг/л)
коловратки
Brachionus calyciflorus Nannochloropsis limnetica L. Krienitz, D. Hepperle, H.-B. Stich & W. Weiler (Eustigmatophyceae) [14] Показано ингибирование фильтрационной активности катионным ПАВ (0,5 мг/л)
Табл. 3 Накопление металлов в биомассе популяции дрейссен Dreissena polymorpha (пояснения и ссылка в тексте).
Элементы включение в состав биомассы дрейссен
мкг/м2
Mn 18360
Pb 277
Al 21750
Ti 6730
Ni 4740
Mo 1020
V 1090
Cu 6990
Zn 63840
Табл. 4. Примеры биогенной миграции элементов (некоторых металлов) в течение вегетационного сезона вследствие жизнедеятельности популяции дрейссен Dreissena polymorpha в Кучурганском водохранилище (см. пояснения и ссылку в тексте).
Элементы Изъятие из воды в составе взвесей и дальнейшая седиментация с осаждением на дно, кг
Mn 450
Pb 106
Al около 750
Ti около 300
Ni 205
Mo 15
V 56
Cu 455
Zn около 2000
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.
1.2 Альгоремедиация. Этим термином предлагаем обозначать использование водорослей (включая макроводоросли) для удаления из воды нежелательных веществ. Примером может служить потенциал красных макроводорослей для удаления биогенов. Обнадеживающие результаты в этом направлении получены в работе испанских авторов, которые показали эффективность красных водорослей Gracilariopsis longissima для удаления фосфора и азота (в форме аммония) из вод, куда эти биогены поступают в результате интенсивной марикультуры и выращивания рыб Sparus aurata (gilthead seabream) (Hernandez et al., 2006 [21]). Технология использования этого подхода включала выращивание водорослей на канатах. Скорость извлечения биогенов из воды при этом достигала следующих величин (в расчете на 1 см длины каната за один день): извлечение фосфора - 24.9 микрограммов, извлечение азота – 170 микрограммов. Это существенные значения, поскольку в пересчете на 1 м каната, покрытого водорослями, это составляет 2.49 миллиграммов фосфора и 17 миллиграммов азота. Снижение концентрации фосфора и аммонийного азота в воде имеет большое значение, поскольку они вызывают не только эвтрофирование. Как известно, аммоний в повышенных концентрациях опасен и как токсикант.
1.3. Бриоремедиация. Этим термином предлагается обозначить использование бриофитов (Bryophyta, мохообразные) для целей ремедиации. Автор проводил опыты по использованию сфагновых мхов и других бриофитов для ремедиации сред, содержащих различные поллютанты.
1.4. Микоремедиация (фунгоремедиация). Под этим понимается использование грибов для целей ремедиации. Многие виды грибов образуют высокоактивные ферменты, способные трансформировать и / или разрушать широкий круг веществ. Эта способность может использоваться для целей ремедиации сред, содержащих те или иные поллютанты.
1.5. Зооремедиация. Под этим предлагается понимать использование функциональной активности животных с целью внести вклад в деконтаминацию загрязненной среды.
Опыт исследований автора на беспозвоночных животных, которые фильтруют воду (фильтраторах), свидетельствует о существенной роли этих организмов в поддержании качества воды и очищении воды от взвесей в природных и экспериментальных водных системах. Автором проводились эксперименты по использованию ряда фильтраторов, которые показали существенный потенциал в удалении из воды взвесей (см. таблицу 2 ).
Предложения использовать водных беспозвоночных для целей очищения морских вод неоднократно выдвигались проф. О.Г. Мироновым (Институт биологии южных морей, Севастополь). Им были начаты интересные разработки установки, которая использовала моллюсков (мидий) для доочистки морских вод, загрязненных нефтепродуктами.
Были проведены оценки роли моллюсков в извлечении из воды (учитывая и изъятие взвесей) металлов. Так, с учетом фильтрационной активности дрейссен Dreissena polymorpha в водоемах, молдавскими учеными (И.К. Тодерашем, Е.И. Зубковой и сотрудниками) были сделаны оценки изъятия из воды (учитывая взвешенное в воде вещество) металлов, на примере Кучурганского водохранилища [24] (см. табл. 3 и 4).
Оценки, сделанные в вышеупомянутых таблицах (см. табл. 3 и 4), показывают существенную роль двустворчатых моллюсков (и фильтраторов в целом) в изъятии из воды металлов. Это имеет большое значение для общего понимания вклада этих организмов в очищение воды (поскольку тяжелые металлы – важный класс поллютантов). Это еще раз доказывает потенциально большую роль водных беспозвоночных животных для ремедиации воды, т.е. еще раз доказывает оправданность рассмотрения зооремедиации в ряду других подходов для очищения и восстановления загрязненных водных систем. Материал о моллюсках был приведен в качестве одного из многих возможных примеров, иллюстрирующих разностороннюю роль водных организмов (биоты). Автор полагает необходимым подчеркнуть, что ни в коем случае нельзя выпячивать роль одной группы организмов в ущерб оценки вклада, вносимого другими группами организмами.
Функциональная активность моллюсков и их вклад в самоочищение вод реализуется при очень существенном участии многих других организмов водных экосистем. Моллюски образуют большое количество пеллет, которые вносят весомый вклад в формирование органического вещества донных осадков. Это вещество служит кормовым ресурсом для сообщества микроорганизмов и многих донных организмов-детритофагов. Все эти организмы также вносят вклад в очищение воды и водной экосистемы.
Следует подчеркнуть, что для зооремедиации водных систем существенную роль могут играть не только моллюски, но и другие группы фильтраторов. Об этом свидетельствуют, например, результаты исследования итальянских авторов, показавших высокую эффективность губок в снижении численности бактерий, содержащихся в воде (Stabili et al., 2006 [23]) .
Вышеприведенная теория полифункциональной роли организмов выявляет разностороннее участие практически всех основных групп организмов для очищения воды, что создает теоретическую базу для более эффективного и успешного использования отдельных групп организмов в целях очищения водной среды. В зависимости от того, какие группы организмов задействованы в практической работе по деконтаминации среды, эти направления работ могут носить название фиторемедиации, биоремедиации или зооремедиации – однако, следует постоянно помнить, что в любом из этих случаев действует комплексный, полифункциональный биологический механизм. Учет по возможности более широкого круга процессов (они охарактеризованы в первых разделах статьи) поможет более успешной реализации этих методов.
Целесообразно отметить, что существенное значение имеет объективная оценка эффективности очищения водной среды с участием гидробионтов (водных организмов). Эта оценка необходима и должна включать в себя и химические, и биологические методы. При такой оценке представляется целесообразным учет рыбохозяйственных и гигиенических ПДК, а также других нормативов, разработанных и разрабатываемых с целью контроля качества воды.
2. Некоторые рекомендации и основанные на теории [18, 19] выводы для практики и устойчивого использования водных ресурсов.
Наши опыты и разработанные элементы теории привели к следующим выводам и рекомендациям, существенным для устойчивого использования водных ресурсов [17].
1. Практические подходы, при которых используются отдельные группы организмов для целей очищения, восстановления загрязненных водоемов и водотоков (фиторемедиация, биоремедиация и др.) целесообразно основывать на тех или иных сторонах функционирования комплексных биомеханизмов самоочищения вод. Эти биомеханизмы, в свою очередь, тесно связаны с проявлением полифункциональной роли водных организмов.
2. При анализе групп организмов, участвующих в очищении воды, в работах [5-12, 18, 19] сравнительно большое место занимают водные растения и моллюски. Однако, это ни в коей мере не преуменьшает той существенной роли, которую играют и другие группы организмов.
3. Анализ роли конкретных групп организмов для формирования качества воды способствует разработке научных основ практических мер по очищению и восстановлению водных объектов, по сохранению качества воды в водоемах и водотоках. При реконструкции, реабилитации, проведении биоинженерных работ на восстанавливаемых и реконструируемых водных объектах следует стремиться к созданию благоприятных условий для максимально широкого разнообразия организмов.
4. Поскольку почти все водные организмы участвуют в формировании качества воды, самоочищении водных экосистем либо в регуляции этих процессов, то сохранение биоразнообразия в водных экосистемах – важная предпосылка сохранения имеющегося самоочистительного и ремедиационного потенциала водоемов и водотоков [9]. Поэтому природоохранные меры и сохранение биоразнообразия должны занимать приоритетное место в программах устойчивого использования водных ресурсов.
5. Поскольку в очищении воды активно участвуют также и виды наземных экосистем и местообитаний, пограничных с водоемами и водотоками, то в целях сохранения качества воды необходима охрана биоразнообразия и этих прибрежных наземных экосистем.
6. Для определения критических антропогенных нагрузок [3] на водную экосистему необходимо учитывать лабильность и уязвимость процессов биологического самоочищения экосистемы. Для оценки допустимых нагрузок на макрофиты некоторую информацию можно получить с применением предложенного автором метода рекуррентных добавок (Остроумов , 2006 [13]).
7. Нарушение тех или иных биологических процессов, ведущих к самоочищению вод, представляет собой еще одни тип экологической опасности химических веществ, на который указано в работах [7, 10, 11, 12]. Это необходимо учитывать при оценке степени опасности химических веществ.
8. Сохранение биомеханизмов самоочищения вод, всех его основных участников, в том числе моллюсков-фильтраторов и их высокой функциональной активности – необходимая предпосылка успешной борьбы с эвтрофикацией [6], важное условие формирования водоохранного режима на акваториях [9] и устойчивого водопользования. В современных условиях, ввиду несовершенства водного законодательства РФ (и конкретно Водного Кодекса РФ), к сожалению, данная рекомендация (а также рекомендации № 6 и 7) не везде осуществляется на практике. Отсюда вытекает, что имеются экологические аргументы, требующие пересмотра и совершенствования Водного Кодекса РФ.
9. Последние работы подтверждают ранее высказанное предсказание, что будут выявлены новые загрязняющие вещества, которые снижают способность водоемов и водотоков к самоочищению [5]. Это предсказание остается в силе – по мнению автора, в дальнейшем появятся новые данные о таком действии загрязняющих веществ. Поэтому в программах борьбы с загрязнением среды необходимо уделять существенное внимание предупреждению загрязнения водных объектов этими веществами.
Дополнительное свидетельство адекватности предлагаемых подходов для практических мероприятий по сохранению и улучшению качества воды получено при анализе качества вод в водотоках Северной Америки, загрязняемых диффузными источниками поллютантов (non-point sources of pollution) (Fisenko, 2004 [20]).
Вышесказанное целесообразно принимать во внимание в практической работе по охране водных объектов, в том числе при совершенствовании экологического законодательства.
В рамках научного обобщения новых фактов и анализа всей суммы существующих данных, выявление полифункциональной роли биоты (комплекса организмов) в самоочищении воды [5-18] дополнительно детализирует тезис В.И.Вернадского о том, что "Живое вещество…геологически…является самой большой силой в биосфере и определяет… все идущие в ней процессы" [1].
Благодарность. Автор благодарит В.В.Малахова, Е.А.Криксунова, Г.С.Розенберга, В.К.Жирова, Т.И.Моисеенко, С.В.Котелевцева, А.П.Садчикова, Г.Е.Шульмана, О.Г.Миронова, И.К.Тодераша, Е.И.Зубкову за обсуждение некоторых затронутых вопросов и критические замечания, Н.Н.Колотилову, А.А.Солдатова и Е.А.Соломонову за помощь в опытах, А.В. Клепикову за помощь в оформлении статьи. Часть работы поддержана грантом РФФИ по проекту 06-04-90824Мол_а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление. М.: Наука, 1991. 272 с.
2. Кураков А.В., Ильинский В.В., Котелевцев С.В., Садчиков А.П. Биоиндикация и реабилитация экосистем при нефтяных загрязнениях. М. : Графикон. 2006. 336 с.
3. Моисеенко Т.И. Методология и методы определения критических нагрузок (применительно к поверхностным водам Кольской Субарктики) // Изв. АН. Сер. географ. 1999. № 6. С. 68-78.
4. Морозов Н.В. Эколого-биотехнологические пути формирования и управления качеством поверхностных вод (региональные аспекты). Автореф….докт. биол. наук. М. МГУ. 2003. 53 с.
5. Остроумов С.А. Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы. М.: МАКС-Пресс, 2001а. 334 с.
6. Остроумов C.А. Синэкологические основы решения проблемы эвтрофирования // Докл. РАН. 2001б. Т.381. № 5. С.709-712.
7. Остроумов С.А. Опасность двухуровневого синергизма при синэкологическом суммировании антропогенных воздействий // Докл. РАН. 2001в. Т.380. №6. С. 847-849.
8. Остроумов С.А. Сохранение биоразнообразия и качество воды: роль обратных связей в экосистемах // Докл. РАН. 2002а. Т.382. № 1. С. 138-141.
9. Остроумов С.А. Система принципов для сохранения биогеоценотической функции и биоразнообразия фильтраторов // Докл. РАН. 2002б. Т.383. № 5. С.710-713.
10. Остроумов С.А. Новый тип действия потенциально опасных веществ: разобщители пелагиально-бентального сопряжения // Докл. РАН. 2002д. Т.383. № 1. С.138-141.
11. Остроумов С.А. 2004. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // Доклады академии наук (ДАН). 2004. т.396. № 1. С.136-141.
12. Остроумов С.А. О некоторых вопросах поддержания качества воды и ее самоочищения // Водные ресурсы. 2005. т.32. № 3. С. 337-347.
13. Остроумов С.А. Модельная система в условиях рекуррентных (реитерационных) добавок ксенобиотика или поллютанта // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2006. – Т. 11. – С. 72-74.
14. Остроумов С.А., Вальц Н., Руше Р. Воздействие катионного амфифильного вещества на коловраток // Доклады РАН (ДАН). 2003. т. 390. № 3. С.423-426.
15. Остроумов С.А., Донкин П., Стафф Ф. Ингибирование анионным поверхностно-активным веществом способности мидий Mytilus edulis фильтровать и очищать морскую воду // Вестник МГУ. Сер. 16. Биол. 1997. № 3. C. 30-35.
16. Остроумов С.А., Соломонова Е.А. К разработке гидробиологических вопросов фиторемедиации: взаимодействие трех видов макрофитов с додецилсульфатом натрия.—Вода и экология. 2006. № 3. стр. 45-49.
17. Остроумов С.А., Подходы к очищению и оздоровлению водных объектов (фиторемедиация, биоремедиация, зооремедиация) в связи с теорией полифункциональной роли биоты в самоочищении вод // Вода: технология и экология" 2007 № 2 с.49-69.
18. Остроумов С.А. Гидробионты в самоочищении вод и биогенной миграции элементов. М. МАКС-Пресс. 2008. 200 с.
19. Остроумов С.А. Биоконтроль загрязнения водной среды: элементы теории. (предыдущая статья этой серии из двух статей ) Токсикологический вестник. в печати.
20. Fisenko A. I. A New Long-Term On Site Clean-Up Approach Applied to Non-Point Sources of Pollution // Water, Air, & Soil Pollution. 2004, Volume 156, Numbers 1-4, p. 1-27.
21. Hernandez I. , Perez-Pastor A., Vergara J. J. , Martinez-Aragon J. F. , Fernandez-Engo M. A. , Perez-Llorens J. L. Studies on the biofiltration capacity of Gracilariopsis longissima : From microscale to macroscale. - Aquaculture, 2006, vol. 252, no 1, p. 43-53
22. Ostroumov S.A., Yifru D., Nzengung V., McCutcheon S. Phytoremediation of perchlorate using aquatic plant Myriophyllum aquaticum // Ecological Studies, Hazards, Solution. Vol. 11, M.: MAX Press, 2006, P. 25-27.
23. Stabili, L., Licciano, M., Giangrande, A., Longo, C., Mercurio, M., Marzano, C.N., Corriero, G. Filtering activity of Spongia officinalis var. adriatica (Schmidt) (Porifera, Demospongiae) on bacterioplankton: Implications for bioremediation of polluted seawater // Water Research 2006, v.40 (16), p.3083-3090.
24. Toderas I., Zubcov E., Biletchi L., Zubcov N., Botnaru A. Functional role of populations of benthic invertebrates in biogenic migration of microelements // Anale stiintifice ale Universitatii de Stat din Moldova, Seria Stiinte chimico-biologice. (Научный ежегодник Молдавского гос.ун-та. Серия: химико-биол. науки) 1999. p. 137-140.
Табл. 1 . Фиторемедиационный потенциал некоторых водных растений (примеры).
виды растений поллютант Комментарии ссылки
Роголистник Ceratophyllum demersum Тяжелые металлы
Pb, Cd, Cu, Zn В присутствии растений ускоряется снижение концентрации металлов в воде Новые данные С.А.Остроумова, Т.В. Шестаковой и сотрудников
Роголистник Ceratophyllum demersum ПАВ додецилсульфат натрия (ДСН) В присутствии растений ускоряется снижение концентрации ПАВ в воде Новые данные С.А.Остроумова, Е.В.Лазаревой
Myriophyllum aquaticum перхлорат начальная концентрация перхлората 21-26 мг/л [22]
Элодея Elodea canadensis Mchk. ПАВ додецилсульфат натрия (ДСН) суммарная нагрузка 4 мг/л (нагрузка распределена частями в течение 18 сут.) [16]
Рдест Potamogeton crispus L. ДСН суммарная нагрузка 3,3 мг/л (нагрузка распределена частями в течение 8 сут.) [16]
Najas guadelupensis L. ДСН суммарная нагрузка свыше 120 мг/л (нагрузка распределена частями в течение 168 сут) [16]
Sphagnum teres (Schimp.) Ångstr. in Hartm. и S. Sphagnum angustifolium (C. Jens. ex Russ.) C. Jens. ДСН серия добавок по 2 мг/л Новые исследования автора
макрофит OST-1 представители анионных и катионных ПАВ
серия добавок ДСН и ТДТМА, различные нагрузки Исследования автора (1999), продолженные аспирантом Е.А.Соломоновой
несколько видов макрофитов СМС различные нагрузки, использовали СМС "Аист" Новые результаты (Остроумов, Соломонова)
Табл. 2. Изучение фильтрационной активности и удаления взвесей из воды организмами-фильтраторами (примеры)
Организмы взвеси одноклеточных организмов ссылки Примечание
Дафнии Daphnia magna Планктонные зеленые водоросли Scenedesmus quadricauda (Turp.) de Brébisson Новые результаты Опыты И.М. Ворожун и С.А. Остроумова показали ингибирование (подавление) фильтрации воды при действии ПАВ ДСН
Перловицы Unio sp. водоросли, цианобактерии [5-7] Показано ингибирование фильтрационной активности при воздействии ПАВ
Unio tumidus Scenedesmus quadricauda (опыт с ПАВ Тритоном Х-100)
Saccharomyces cerevisiae (опыт с СМС ОМО) [12] Показано ингибирование фильтрационной активности при воздействии Тритона Х-100, 5 мг/л, и синтетического моющего средства ОМО, 50 мг/л,
Мидии Mytilus edulis водоросли [15] Показано ингибирование фильтрационной активности ПАВ
Мидии Mytilus galloprovincialis водоросли; дрожжи Saccharomyces cerevisiae [5-7] Показано ингибирование фильтрационной активности при действии ПАВ, СМС, металлов, нефтепродуктов
Mytilus galloprovincialis S. cerevisiae [8] Ингибирование фильтрационной активности при действии СМС IXI 20 мг/л
Устрицы Crassostrea gigas водоросли;
S. cerevisiae [8] Ингибирование фильтрационной активности при действии ПАВ, СМС (Дени-автомат, 30 мг/л)
Unio tumidus, M. galloprovincialis, Crassostrea gigas водоросли;
S. cerevisiae [9] Показано ингибирование
фильтрационной активности пятью детергентами (1-50 мг/л)
коловратки
Brachionus calyciflorus Nannochloropsis limnetica L. Krienitz, D. Hepperle, H.-B. Stich & W. Weiler (Eustigmatophyceae) [14] Показано ингибирование фильтрационной активности катионным ПАВ (0,5 мг/л)
Табл. 3 Накопление металлов в биомассе популяции дрейссен Dreissena polymorpha (пояснения и ссылка в тексте).
Элементы включение в состав биомассы дрейссен
мкг/м2
Mn 18360
Pb 277
Al 21750
Ti 6730
Ni 4740
Mo 1020
V 1090
Cu 6990
Zn 63840
Табл. 4. Примеры биогенной миграции элементов (некоторых металлов) в течение вегетационного сезона вследствие жизнедеятельности популяции дрейссен Dreissena polymorpha в Кучурганском водохранилище (см. пояснения и ссылку в тексте).
Элементы Изъятие из воды в составе взвесей и дальнейшая седиментация с осаждением на дно, кг
Mn 450
Pb 106
Al около 750
Ti около 300
Ni 205
Mo 15
V 56
Cu 455
Zn около 2000
У автора есть сайт: http://scipeople.com/users/2943391/ →.
Опубликовано 09 июля 2010 года
Новые статьи на library.by:
ЭКОЛОГИЯ:
Комментируем публикацию: Биоконтроль загрязнения водной среды: проблемы реабилитации и ремедиации, включая фиторемедиацию и зооремедиацию
подняться наверх ↑
ССЫЛКИ ДЛЯ СПИСКА ЛИТЕРАТУРЫ
По стандарту ВАК Республики Беларусь
Стандарт используется в белорусских учебных заведениях различного типа.
По ГОСТу Российской Федерации
Для образовательных и научно-исследовательских учреждений РФ
Прямой URL на данную страницу для блога или сайта
Полностью готовые для научного цитирования ссылки. Вставьте их в статью, исследование, реферат, курсой или дипломный проект, чтобы сослаться на данную публикацию №1278652126 в базе LIBRARY.BY.
подняться наверх ↑
ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!
подняться наверх ↑
ОБРАТНО В РУБРИКУ?
Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.
Добавить статью
Обнародовать свои произведения
Редактировать работы
Для действующих авторов
Зарегистрироваться
Доступ к модулю публикаций