ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КВАЗИВЫСОКИХ ЧАСТОТ НА ПРОЦЕССЫ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ ВОД ОТ КАТИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

К.т.н. Русских М.Л., д.х.н. Ольшанская Л.Н., к.б.н. Арефьева О.А.

Энгельсский технологический институт (филиал)

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» Россия, г. Энгельс Саратовской обл., пл. Свободы 17

Тел/факс (8453) 55-80-84 (95-35-53), е-mail: ecos123@mail.ru

Аннотация Исследовано влияние длительности (5 ÷ 30 минут) электромагнитного излучения частотой 65 Ггц и времени выдержки ряски малой (Lemna minor) в сульфатных растворах солей тяжелых металлов (ТМ Cu²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺) на процессы извлечения ионов ТМ растением. Установлено влияние природы катионов на процессы фиторемедиации, показано, что скорость извлечения ИТМ ряской во всем временном диапазоне облучения уменьшается в ряду: Cd²⁺>Zn²⁺>Cu²⁺, Fe²⁺>Ni²⁺ и зависит от размера катионов металла.^.

ключевые слова: фиторемедиация, электромагнитное излучение, квазивысокие частоты, растение ряска, катионы тяжелых металлов

Введение

Известно, что при воздействии на растительные клетки электромагнитного излучения КВЧ диапазона достигается увеличение ионного тока через катионрегулирующие мембранные системы (Н⁺, К⁺, Са⁺², Na⁺), что объясняется резонансным действием ЭМИ на слабые водородные связи дипольных молекул воды, усилением конвекции растворов и ускорением транспорта протонов [1, 2]. Авторами [3] показано, что эффекты, вызываемые КВЧ-излучением приводят не только к ускорению роста, увеличению биомассы, интенсификации процессов фотосинтеза растений, сопровождающихся повышением выделения кислорода и содержания в клетках фотосинтезирующих пигментов, но и одновременно к изменению реакционной способности, изменению транспорта ионов, проницаемости мембран, изменению электрических свойств и др.

Постановка задачи

Целью настоящего исследования явилось изучение процессов фиторемедиации вод, загрязненных ионами тяжелых металлов (ИТМ: Cu²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺) с помощью ряски малой (Lemna minor) без облучения растений и после облучения (5 ÷ 30 минут) электромагнитным полем квазивысокой частоты (ЭМИ КВЧ) 65 ГГЦ при различном времени выдержки растений в сульфатных растворах солей ИТМ.

Результаты

Способность растительной клетки к аккумуляции катионов тяжелых металлов (ИТМ: Cu²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺) под воздействием ЭМИ КВЧ - диапазона исследовали на частоте 65 ГГц, при облучении растений ряски малой (Lemna minor) в течение 5, 10, 15 и 30 мин с помощью генератора Г4-142 (диапазон частот 53–75 ГГц) и высокочастотной установки, источником излучения в которой являлась лампа обратной волны ЛОВ-87 «А». Остаточные концентрации ионов тяжелых металлов в модельных растворах определяли фотометрическим способом и вольтамперометрическим методом с использованием роботизированного комплекса «Экспертиза ВА – 2D» с электродом «3 в 1».

Установлено изменение концентрации ионов отдельных металлов в пробах в зависимости от времени облучения и времени пребывания ряски в модельных растворах сточных вод (табл. 1, рис.1) [4, 5].

Таблица 1.

Изменение концентрации ИТМ в пробе (С_Ме,) в зависимости от длительности облучения (τ, мин) и времени пребывания ряски (t,час) в растворах МеSO₄ (С_{исх Ме 2+}= 1 мг/л)

Металл	τ, мин	СМе, мг/л	СМе, мг/л	СМе, мг/л	СМе, мг/л	СМе, мг/л	СМе, мг/л
t, час		1	5	24	72	120	168
Cd	к*	0,164	0,052	0,029	0,02	0,012	0,01
	5	0,66	0,073	0,014	0,011	0,01	0,009
	10	0,809	0,155	0,026	0,023	0,013	0,011
	15	0,509	0,027	0,024	0,015	0,009	0,001
	30	0,182	0,08	0,008	0,005	0,003	0,001
Zn	к*	0,566	0,482	0,16	0,137	0,106	0,083
	5	0,469	0,268	0,136	0,129	0,123	0,111
	10	0,529	0,308	0,096	0,072	0,055	0,042
	15	0,539	0,127	0,027	0,023	0,033	0,018
	30	0,553	0,116	0,019	0,018	0,015	0,009
Fe	к*	0,736	0,695	0,644	0,528	0,37	0,153
	5	0,989	0,903	0,873	0,678	0,45	0,285
	10	0,777	0,695	0,368	0,346	0,327	0,294
	15	0,808	0,736	0,524	0,312	0,082	0,543
	30	0,916	0,491	0,472	0,501	0,531	0,537
Cu	к*	0,915	0,543	0,374	0,195	0,08	0,023
	5	0,893	0,604	0,43	0,257	0,129	0,068
	10	0,945	0,749	0,567	0,429	0,245	0,109
	15	0,845	0,637	0,449	0,37	0,197	0,081
	30	0,897	0,627	0,501	0,427	0,245	0,094
Ni	к*	0,95	0,85	0,75	0,63	0,55	0,48
	5	0,93	0,83	0,78	0,68	0,68	0,70
	10	0,9	0,80	0,71	0,6	0,53	0,65
	15	0,84	0,72	0,65	0,52	0,44	0,52
	30	0,86	0,83	0,6	0,47	0,42	0,56

*Контрольная проба без облучения ЭМИ

Полученные результаты свидетельствуют о том, что без предварительного облучения ионы кадмия в течение первого часа извлекались из растворов с наиболее высокой скоростью. Остаточная концентрация ИТМ Сd²⁺ оказалась самой низкой среди исследованных катионов – 0,164 мг/л. При облучении ряски ЭМИ частотой 65 ГГц и длительности воздействия 5 и 10 мин наблюдалось резкое уменьшение концентрации остаточных катионов Cd²⁺ в растворе уже через 5 часов после облучения, а через сутки кадмий в растворе практически не обнаруживался (эффективность очистки Э=98 %). Концентрация токсичных ионов Cd²⁺ в фитомассе оказалась ниже, чем в контрольной пробе. Таким образом, можно предположить, что в случае экотоксиканта кадмия электромагнитное излучение оказывает щадящее воздействие на ряску. Это может быть обусловлено известным фактом, что кадмий не участвует в биохимических процессах, протекающих в клетке растений, накапливается в межклеточном пространстве или вакуолях и поэтому не оказывает токсического воздействия на ряску, активно фитосорбируется растением, не нанося ему особого вреда.

Анализ данных по извлечению ионов цинка (рис. 1) из стоков показал, что ЭМИ стимулирует процессы биосорбции в широком временном диапазоне облучения (10, 15, 30 минут). В этих условиях эффективность очистки стоков от ионов Zn ²⁺ составила 93–97 %. Воздействие ЭМИ в течение 5 минут не влияло на ускорение процесса адсорбции в сравнении с контролем.

Ионы меди лучше всего аккумулировались растительной клеткой, не подвергнутой облучению (табл.1). В пробах, в которых ряска облучалась, наблюдалось уменьшение скорости извлечения ионов. Это свидетельствует о сенсорных свойствах растения - избыточные количества меди, отличающейся высокой реакционной способностью и токсичностью для биообъектов инактивируются и не поглощаются. Кроме этого полученные данные согласуются с результатами [6] где обнаружено, что электромагнитные волны компенсируют отрицательное влияние атомов тяжелых металлов на жизнедеятельность гидробионтов, оказывают реабилитирующий и протекторный эффекты при воздействии ионизирующего излучения и электромагнитных полей других диапазонов [7]. Эффективность очистки стоков от меди в оптимальных условиях составила Э=85-90%.

а б

Рис. 1. Изменение концентрации ИТМ Zn²⁺ (а) и Ni²⁺ (б) в растворах

от длительности облучения ЭМИ КВЧ и времени выдержки ряски

Извлечение ионов никеля растением, как без облучения, так и при облучении в исследованном временном диапазоне происходило с самыми низкими, в сравнении с другими катионами, скоростями. Так после пребывания ряски в растворе сульфата никеля в течение 3 суток после ее облучения в течение 15 и 30 мин. остаточная концентрация составила всего 0,52 и 0,47 мг/л, соответственно. На 5 сутки наблюдался обратный выброс ионов в раствор (рис. 1), что свидетельствует о предельном накоплении фитомассы металлом. В период сброса растениями накопленной избыточной концентрации ТМ наблюдалось изменение внешнего вида растения. Так у ряски активно прогрессировал процесс деградации структуры растительного материала, происходило проникновение воды в фитомассу, изменялся окрас растения от ярко зеленого, в исходном состоянии, на бурый цвет, в период угнетения. При дальнейшей выдержке растения в растворе оно погибало. Аналогичные изменения наблюдали авторы работ [8] по воздействию постоянного магнитного поля и других ЭМИ на процессы извлечения металлов из сточных и промывных вод.

С самыми низкими скоростями происходило удаление ионов никеля после предварительной высокочастотной обработки растения в течение 5 минут. По-видимому, ЭМИ стимулирует процесс метаболизма, и этим можно объяснить более быстрый выброс ионов никеля из объема фитомассы обратно в раствор в сравнении с контролем. Эффективность очистки стоков от никеля составила Э=55 – 60 % (облучение 15 и 30 мин).

Поглощение ряской ионов железа с достаточно высокой эффективностью наблюдалось после облучения биообъекта ЭМИ КВЧ в течение 15 мин. На пятые сутки, как и в случае ионов никеля, достигалось предельное накопление фитомассы металлом и последующий выброс избыточной концентрации в раствор (табл.1). После облучения биообъекта в течение 30 мин. время для насыщения и сброса ионов Fe²⁺ сократилось до 24 часов. Это согласуется с известным фактом, что аккумуляция элементов может длиться от нескольких секунд до нескольких часов. Металлы накапливаются в клетках до насыщающей концентрации, после чего при дальнейшем повышении их содержания в среде поглощение металлов клетками не увеличивается, а может, напротив, уменьшаться. Тяжелые металлы могут концентрироваться как внутри клеток, так и на их поверхности. Накопление металлов происходит, как правило, в две стадии. После введения в среду металл в течение 2 - 3 мин. связывается с клеточной поверхностью в результате физико – химических и биохимических процессов, а затем медленно переносится в цитоплазму клеток.

Эффективность извлечения по ионам Fe²⁺ составила для исследуемого диапазона облучений 52 – 75 %.

Таким образом, полученные данные по влиянию природы катионов на процессы фиторемедиации позволили установить, что скорость и эффективность извлечения ИТМ ряской во всем исследованном временном диапазоне облучения уменьшается в ряду: Cd²⁺ > Zn²⁺ > Cu²⁺ > Fe²⁺ > Ni²⁺

и зависит от размера радиуса (R) катионов металла. В этом же ряду уменьшаются и радиусы гидратированных катионов металлов [9]. Катион с бóльшим радиусом (Cd²⁺) имеет более слабую связь к гидратной оболочкой, легче отрывается от нее и сорбируется в растительную клетку. Напротив, катионы меньших размеров (Fe²⁺, Ni²⁺) прочнее удерживают гидратную оболочку, и им сложнее проникнуть внутрь клеточной ткани. Эффективность очистки возрастала с длительностью выдержки растения в растворе и в вышеперечисленном ряду ИТМ для лучших условий облучения составила от 98% (для Cd²⁺) до 60% (для Ni²⁺).

Механизм биосорбции токсикантов растением, под действием электромагнитного излучения КВЧ диапазона можно объяснить увеличением ионного тока через клеточную мембрану, который возникает за счет перестроения сетки водородных связей и изменения дипольного момента молекул [1]. При этом изменяется конформация липидных молекул, образующих двойной липидный слой в клеточной мембране, и как следствие, при этом образуются дополнительные мембранные поры большого размера [10], что в свою очередь облегчает проникновение токсикантов в клетку и способствует более эффективному очищению сточной воды от ИТМ.

Проявление различных эффектов ЭМИ КВЧ, а в отдельных случаях и полное их отсутствие, как указывалось выше, можно объяснить кластерной структурой воды, вступающей во взаимодействие с факторами среды и организмами. С увеличением времени воздействия ЭМИ КВЧ увеличивается количество энергии, поглощенное исследуемой культурой клеток. Восприятие электромагнитной энергии осуществляется молекулами свободной и связанной воды, входящей в состав биологических мембран. При этом происходит изменение структуры воды, увеличение проницаемости биологических мембран, что способствует ускорению транспорта веществ в клетку.

С другой стороны известно, что растительная клетка представляет собой элекрохимически активную мембрану [8, 11]. Для того чтобы проникнуть в клетку, ионы тяжёлых металлов, как впрочем, и любые другие вещества, должны пройти клеточную стенку. Клеточные стенки легко проницаемы для ионов из-за наличия сквозных пор, диаметр которых (3 - 4 нм) на порядок больше, чем диаметры гидратированных ионов [9]. На мембране генерируется электрический потенциал, энергия которого также принимает участие в транспорте. Транспорт заряженных частиц через клетку осуществляется за счет электрохимического и фиторемедиационного потенциалов [11, 12]. Биопотенциал создается на границе раздела клетка / раствор, величина его изменяется от -60 до -260 (300) мВ, и зависит от многих факторов, в том числе от силы и длительности воздействия ЭМИ. Благодаря диффузионно-электрохимическому механизму проницаемости клеточных мембран растений происходит извлечение катионов тяжелых металлов из растворов растениями (эйхорния, ряска). Растительная клетка при этом является природным электрохимическим нанореактором, способным эффективно извлекать и утилизировать ТМ.

Выводы: Таким образом, полученные данные по влиянию природы катионов на процессы фиторемедиации позволили установить, что скорость извлечения ИТМ ряской во всем временном диапазоне облучения уменьшается в ряду: Cd²⁺>Zn²⁺>Cu²⁺, Fe²⁺>Ni²⁺ и зависит от размера катионов металла.^.В этом же ряду уменьшаются радиусы гидратированных катионов металлов. Катион с бóльшим радиусом имеет более слабую связь к гидратной оболочкой, легче отрывается от нее и сорбируется в растительную клетку, катионы меньших размеров прочнее удерживают гидратную оболочку, и им сложнее проникнуть внутрь клеточной ткани.

Эффективность очистки возрастала с длительностью выдержки растения в растворе и для лучших условий облучения составила от 98 % (Cd²⁺) до 60 % (Ni²⁺).

Проявление различных эффектов ЭМИ КВЧ, а в отдельных случаях и полное их отсутствие, как указывалось выше, можно объяснить тем, что с увеличением времени воздействия ЭМИ КВЧ увеличивается количество энергии, поглощенное растением. Восприятие электромагнитной энергии осуществляется молекулами свободной и связанной воды, входящей в состав биологических мембран. При этом происходит изменение структуры воды, увеличение проницаемости биологических мембран, что способствует усилению транспорта веществ из окружающей среды в клетку.

Литература

1. Частотозависимое влияние миллиметровых электромагнитных волн на ионные токи водоросли Nitellopsis. Нетепловые эффекты / А.А. Катаев, А.А. Александров, Л.И. Тихонова и др. // Биофизика. 1993. -Т. 38, вып.3.- С. 446 -462.

2. Гапеев, А.Б. Механизмы биологического действия электромагнитного излучения крайне высоких частот на клеточном уровне / А.Б. Гапеев, Н.К. Чемерис // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2007. - № 2-4. - С. 44 - 61.

3. Тамбиев, А.Х. Взаимодействие миллиметровых волн с фотосинтезирующими организмами, в том числе объектами фитобиотехнологии / А.Х. Тамбиев // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника.- 2007. - № 2 - 7. - С. 140 - 156.

4. Аккумуляция ионов кадмия, цинка и железа из сульфатных растворов ряской под воздействием электромагнитного поля КВЧ-диапазона / Л.Н. Ольшанская, О.А. Арефьева, М.Л. Русских и др. // Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания: материалы Всероссийской научно-практической конференции, Саратов 19 - 22 октября 2010 г.- Саратов: Изд-во СГТУ. - 2010. - С.115 - 116.

5. Русских М.Л. Разработка энергосберегающей технологии доочистки промышленных и бытовых стоков от ионов тяжелых металлов / М.Л. Русских, О.А. Арефьева, Л.Н. Ольшанская // Альтернативная энергетика и экология. -2011. -№ 6. -С. 84 – 89.

6. Экологические аспекты действия миллиметрового излучения низкой интенсивности на живой организм / С.М. Рогачева, С.А. Денисова, С.В. Шульгин и др. // Проблемы региональной экологии. – 2008. –№ 1. – С. 72–76.

7. Бецкий, О.В. Миллиметровые волны и живые системы / О.В. Бецкий, В.В. Кислов, Н.Н. Лебедева. –М.: Сайнс пресс, 2004. –271 с.

8. Ольшанская, Л.Н. Исследование динамики накопления цинка, меди и кадмия из высококонцентрированных растворов водными растениями / Л.Н. Ольшанская, Ю.А. Тарушкина, Н.А. Собгайда // Экология и промышленность России. – 2008. – Февраль. – С. 32 – 33.

9. Смирнов, П.Р. Структура концентрированных водных растворов электролитов с кислородосодержащими анионами / П.Р. Смирнов, В.Н. Тростин.- Иваново: ИХНР РАН, 1994.- 260 с.

10. Экспериментальные модели для исследования влияния гетероауксина на состояние приповерхностной воды белков и мембран / П.Е. Кузнецов, З.А. Симонова, Е.В. Грекова и др. // Вестник СГАУ. 2006. - № 5. - С. 3 -7.

11. Петров, И.Ю. Изменение потенциалов плазматических мембран клеток зелёного растения при электромагнитном облучении / И.Ю. Петров, О.В. Бецкий // ДАН СССР.- 1989.- Т. 305, № 2, С. 474 - 476.

12. Опритов, В.А. Непосредственное сопряжение генерации потенциала действия в клетках высшего растения Cucurbita pepo L. с работой электрогенного насоса / В.А. Опритов, С.С. Пятыгин, В.А. Воденеев // Физиология растений.- 2002.-Т.49, №1. -С.160 - 165.