Цель исследования – проведение ретроспективного анализа литературных данных для обобщения знаний о значении фиторемедиаторов в очистке сточных вод и при выращивании рыб в индустриальных условиях. В ходе исследования было проанализировано более 120 отечес-твенных и зарубежных источников. Для поиска использованы такие базы данных, как Cyberleninka, Elibrary, Frontiersin, Google Scholar, Researchgate и др. Проведенный обзор существующей литературы, описывающий возможности различных видов высших водных растений, позволяет сделать вывод, что большинство из растений обладает способностью эффективно осуществлять биоремедиацию воды в различных условиях. Это открывает перспективы для разработки новых методов использования растительных компонентов в очистных сооруже¬ниях. Кроме того, они имеют потенциал для удаления токсичных соединений и органических отходов из водной среды, а также могут быть применены в качестве компонента биофильтра или основного элемента для циклической очистки воды. В настоящее время существуют некоторые технологии, которые используют водные растения для ремедиации воды, однако данное направление требует дальнейшего исследования и развития. С учетом оценки потенциала различных растений-ремедиаторов можно сделать вывод, что большинство высших водных растений имеют способность утилизировать из воды опасные соединения и участвовать в очистке от органических элементов. В первом случае имеет место разработка новых способов утилизации растительных отходов, содержащих токсичные элементы. А при получении растительной продукции, выращенной на рыбохозяйственных водоемах или в условиях гидропоники, возникает необходимость разработки рецептуры новых кормов с применением данной продукции для кормления животных.
фиторемедиация, сточные воды, аккумуляция, фитоочистка, макрофиты, ряска, высшие водные растения
Введение. Индустриальное развитие общества сильно сказывается на антропогенном загрязнении, многие производства и заводы рыбохозяйственного назначения оказывают прямое воздействие на окружающую среду, в т. ч. и водную, так как чаще всего используют природные воды для работы. Подобные действия
неоспоримо оказывают влияние на естественные водоемы и гидробионтов в них [1–3].
Фиторемедиация представляет собой естественный процесс очищения окружающей среды от антропогенных загрязнителей. Данный термин используется для обозначения способов очистки сточных вод, природных водоемов и прудов с применением метаболического потенциала водных растений и макрофитов [6].
Чаще всего для очистки применяют водные растения, поскольку они в отличие от микроорганизмов обладают способностью накапливать ионы тяжелых металлов. Более того, водные растения сохраняют жизнеспособность в течение длительного времени и их остатки с накопленными ядовитыми веществами легче утилизировать, если речь идет об очистке воды от опасных веществ [7, 8]. Фиторемедиация предлагает несколько значимых преимуществ: экономическая эффективность, поскольку затраты намного ниже, чем у традиционных методов; возможность извлечения загрязнителей вместе с растениями-ремедиаторами и дальнейшая утилизация, а также обеспечение безопасности для очищаемой среды и окружающих объектов. В то же время необходимо учитывать некоторые недостатки этого метода, такие как продолжительность процесса и глубина очистки [9].
В системах фитотехнологий органические вещества способны разлагаться как в аэробных, так и анаэробных условиях. В аэробном случае кислород поступает из атмосферы благодаря конвективно-диффузионным процессам и через корни макрофитов. Для эффективного извлечения органических и биогенных веществ из сточных вод необходимо учитывать различные факторы, такие как pH, температура воды, количество кислорода, содержание углерода, нагрузка на систему и условия поступления загрязнителей. Кроме того, важно учитывать время нахождения воды в системе, ее гидрологический баланс и своевременность удаления водных растений. Обычно в качестве субстрата используют песок и гравий, но также в некоторых ситуациях для улучшения условий очищения применяют древесные опилки, цеолит, слюду, золу, уголь, торф или компост. Многие из этих материалов можно комбинировать с растениями для достижения синергетического эффекта в очистке [10].
Исследования, направленные на изучение возможности фиторемедиации воды с использованием высших водных растений для очистки природной воды от органических загрязнений и токсичных соединений, на данный момент практически не проводились. Исходя из этого, исследования в данной области являются на сегодняшний день актуальными [4].
Цель исследования – проведение ретроспективного анализа литературных данных для обобщения знаний о значении фиторемедиаторов в очистке сточных вод и при выращивании рыб в индустриальных условиях.
Материалы и методы. В ходе исследования было проанализировано более 120 отечественных и зарубежных источников. Для поиска использованы такие базы данных, как Cyberleninka, Elibrary, Frontiersin, Google Scholar, Researchgate и др.
Результаты и их обсуждение. Для фиторемедиации воды могут быть использованы как наземные, так и водные растения, способные накапливать различные соединения из окружающей среды. Наиболее распространенными водными растениями, используемыми для фиторемедиации воды, являются: ряска малая (Lemna minor), вольфия (Wolffia), пистия телорезовидная (Pistia stratiotes), роголистник (Ceratophyllum), водный гиацинт (Eichornia) и другие, которые встречаются на территории Российской Федерации [9].
Водные растения способны удалять из среды различные биогены, такие как азот и фосфор, и включать их в собственный процесс метаболизма. А в процессе ризофильтрации ряска малая (Lemna minor) способна накапливать в своих тканях белковые соединения [11]. В ряске малой содержится почти столько же белка, сколько в листьях бобов, а питательные свойства этой травы приближены к культурным зерновым злакам [12].
Известно, что растения рода Lemnoideae можно использовать не только для очистки вод, но и впоследствии перерабатывать в качестве кормовой добавки для животных, дополнительного источника белка, растительных волокон и минеральных веществ. По литературным данным, в сухом веществе ряски содержится до 38 % белка, до 5 % жира, 17–23 % клетчатки, 6 % кальция, 3 % фосфора, 2 % магния. Ряска содержит незаменимые аминокислоты (аргинин, лизин), аспарагиновую и глютаминовую кислоты, углеводы, витамины группы А, В и E. Из важнейших макро- и микроэлементов она богата бромом, йодом, кальцием, что делает ее хорошим источником питательных веществ [12, 13].
Растения, используемые в качестве ремедиаторов, имеют немаловажное значение при очистке вод от органических соединений. В работе Е.Э. Нефедьевой (2017) в ходе эксперимента было установлено, что растения, помещенные в отстойник с загрязненной отходами водой, успешно вбирали в себя различные
соединения, по окончании эксперимента отработанные растения утилизировали, сжигая в электропечах. После сжигания в печи зола брикетировалась и применялась как удобрение. Данный способ может быть успешно использован для утилизации растений после ремедиации, если они находились в сильно загрязненной водной среде. Кроме того, погруженные в воду растения, к примеру рода Elodea, могут быть размещены внутри несущего элемента для биологической загрузки в качестве добавочной загрузки или как один из блоков очистки. Применение данного способа является хорошей возможностью создать биофильтр полностью или частично из растительных компонентов [14].
Помимо снижения количества органических соединений в воде с помощью фиторемедиаторов возможно и извлечение из водоема тяжелых металлов и других токсичных соединений. Г.А. Сорокиной и соавторами (2013) была изучена возможность адаптации пистии телорезовидной (Pistia stratiotes) к действию ионов меди. Согласно полученным данным, взрослые образцы пистии телорезовидной могут сохранять жизнеспособность при воздействии ионов меди в концентрациях, в 125 раз превышающих ПДК [15]. Также в литературных данных [16, 17] упоминается, что содержание большинства металлов в высших водных растениях, как правило, отмечается в большем количестве в плавающих макрофитах, чем в корневых надводных гелофитах, поэтому они могут быть более перспективны для ремедиации вод.
Исследование С.А. Остроумова и Т.В. Шестакова (2009) позволило установить, что макрофит роголистник погруженный (C. demersum) оказывает значительное влияние на снижение концентрации металлов в растворе. Эксперименты показали, что присутствие роголистника погруженного способствует ускорению процесса снижения концентрации поллютантов (металлов Cu, Zn, Cd, Pb) в воде. Это имеет большое значение для разработки фитотехнологий очистки воды. Интересно отметить, что согласно данным авторов, снижение концентрации металлов в воде наблюдалось и после гибели растения [18]. А согласно представленным Т.А. Кирдей данным (2017) добавление гуминовых кислот служит эффекторами фитоэкстракции и повышает уровень накопления свинца, меди и кадмия в растениях, тем самым повышая эффективность фиторемедиации [19].
Авторами Б.А. Каримовым и А.М. Исмаиловой (2017) проведено исследование, посвященное культивированию ряски малой на сточных водах очистных сооружений, очищенных в аэротенках. В результате эксперимента было установлено, что оптимальными условиями для максимального массонакопления ряски малой являются смесь сточных вод и водопроводной воды в пропорции 50 : 50 %, при этом среднесуточный прирост ряски составлял 126,4 г/м. Органические соединения из сточных вод могут использоваться для получения из них более питательной растительной продукции, которая в случае соответствия пищевым требованиям может быть использована для приготовления кормов сельскохозяйственным животным [20].
При работе с водными участками, загрязненными опасными или токсичными соединениями, целесообразно использование водных растений, способных впитывать данные соединения, с последующей утилизацией полученной растительной массы. Этот способ экономически оправдан, так как очистительные сооружения чаще всего дорогостоящие, а в случае с фиторемедиаторами стоит вопрос только правильной переработки.
Однако если нет необходимости очистки воды от токсичных соединений, а речь идет о ремедиации воды при выращивании рыб в установке замкнутого водоснабжения или водоемах, то при добавлении водных макрофитов в цикл выращивания можно значительно снизить количество растворенной в воде органики, так как растения после поглощения используют ее для собственного метаболизма. Впоследствии растения, накопившие в себе вещества, могут применяться как кормовая добавка для сельскохозяйственных животных или быть составной частью корма.
Как показывает практика, в рыбохозяйственных водоемах отсутствуют опасные загрязнения, а отходы от выращивания рыб (их экскременты и остатки кормов) создают питательную среду и имеют необходимые удобрения для полноценного развития растений, в связи с чем данная фитопродукция является безопасной для кормления животных.
В работе Т.В. Кирилиной и соавторов (2011) рассматривается возможность очистки сточных вод от соединений азота и фосфора с помощью погруженных макрофитов. Растения помещались в секционный проточный резервуар, разделенный перегородками, конструкция представляла из себя фитофильтр. В процессе опыта были экспериментально изучены особенности утилизации органических веществ из сточных вод с использованием роголистника Ceratophyllum demersum и Ceratophyllum submersum. В течение проведенного эксперимента исследователями было отмечено снижение концентраций азота и фосфора, а в дальнейшем выдвинута гипотеза о возможности формирования на поверхности растений микробиоценоза, участвующего в протекании процесса нитрификации. Подтверждением является тот факт, что микроорганизмы крепятся к поверхности растений, формируя подобие биопленки, аналогичной пленке, формирующейся в биофильтре [21, 22].
Также известен способ, описанный авторами Н.Ю. Кирюшиной и В.С. Юровой (2022), при котором в тонущую биозагрузку фильтра высаживались растения таким образом, чтобы комбинировалась классическая технология биофильтра и фитофильтра [23].
Проведенный обзор существующей литературы, описывающий возможности различных видов высших водных растений, позволяет сделать вывод, что большинство из растений обладает способностью эффективно осуществлять биоремедиацию воды в различных условиях. Это открывает перспективы для разработки новых методов использования растительных компонентов в очистных сооружениях. Кроме того, они имеют потенциал для удаления токсичных соединений и органических отходов из водной среды, а также могут быть применены в качестве компонента биофильтра или основного элемента для циклической очистки воды. В настоящее время существуют некоторые технологии, которые используют водные растения для ремедиации воды, однако данное направление требует дальнейшего исследования и развития.
Заключение. С учетом оценки потенциала различных растений-ремедиаторов можно сделать вывод, что большинство высших водных растений имеют способность утилизировать из воды опасные соединения и участвовать в очистке от органических элементов. В первом случае имеет место разработка новых способов утилизации растительных отходов, содержащих токсичные элементы. А при получении растительной продукции, выращенной на рыбохозяйственных водоемах или в условиях гидропоники, возникает необходимость разработки рецептуры новых кормов с применением данной продукции для кормления животных.
1. Бригида А.В., Елизарова А.С., Шишанов Г.А. Влияние кислородных режимов водной среды на физиологическое состояние осетровых рыб, разводимых в установках замкнутого водоснабжения (обзор) // Рыбоводство и рыбное хозяйство. 2023. Т. 17, № 9 (212). С. 629–638.
2. Елизарова А.С., Бригида А.В. Влияние условий инкубации икры на процент выклева и выживаемость личинки русского осетра (Acipenser guldenstadtii Brandt) // Современные проблемы и перспективы развития рыбного хозяйства и аквакультуры в регионах: мат-лы Всерос. науч.-практ. конф. / Дагестан. гос. аграр. ун-т им. М.М. Джамбулатова, 2023. С. 62–68.
3. Елизарова А.С., Шишанов Г.А., Бригида А.В. Возможность использования ихтиогенного осадка для удовлетворения кормовых пот¬ребностей последующих трофических уровней в биологических системах // Современное состояние и перспективы развития кормопроизводства и рационального кормления животных: сб. науч. мат-лов Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Уфа, 2022. С. 109–113.
4. Петухова Д.Е., Бахирева О.И., Пан Л.С. Исследование макрофитов с целью применения для очистки природных вод от ионов стронция // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. 2022. № 3. С. 5–15.
5. Полякова Е.В. Стронций в источниках водоснабжения Архангельской области и его влияние на организм человека // Экология человека. 2012. № 2. С. 9–14.
6. Бочка В.В. Устойчивость роголистника погруженного (Ceratophyllum demersum L.) к воздействию ионов меди и цинка // Мат-лы XV Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2022. С. 74–78.
7. Душенков В., Раскин И. Фиторемедиация: зеленая революция в экологии // Химия и жизнь – XXI век. 1999. № 11/12. С. 48–49.
8. Бардюкова А.В. Оценка перспективы использования свободноплавающих гидрофитов для фиторемедиации вод // Молодые исследователи – регионам: мат-лы Междунар. науч. конф. Вологда: Вологод. гос. ун-т, 2019. С. 418–419.
9. Деменкова Л.Г., Мартынюк Т.В. Фиторемедиация сточных вод рыбохозяйственного производства // Экология и безопасность техносфере: современные проблемы и пути решения: сб. тр. Всерос. науч.-практ. конф. Томск: Нац. исследовательский Томский политехнический ун-т, 2017. С. 78–80.
10. Казмирук В.Д. Барьерная роль макрофитов при загрязнении водных объектов микропластиком // Наука. Инновации. Технологии. 2021. № 3. С. 133–149. DOI:https://doi.org/10.37493/2308-4758.2021.3.9.
11. Аль Кассаб А.А., Шевченко Г.А., Хващевская А.А. Применение ряски (Lemna minor) для очистки сточных вод из метантенка // Высокие технологии в современной науке и технике (ВТСНТ-2016): сб. науч. тр. V Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. Томск, 2016. С. 314–315.
12. Хишова О.М., Дубашинская Н.В., Авдавченок В.Д. Некоторые аспекты безопасности травы ряски малой // Рецепт. 2016. Т. 19, № 4. С. 463–467. EDN WXDSPD.
13. Климова Е.В., Евсютичева Д.Е. Возможности использования макрофита lemna minor в пищевой промышленности // Все о мясе. 2020. № 5S. С. 134–136.
14. Доочистка сточных вод с помощью фиторемедиации / Е.Э. Нефедьева [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. 2017. Т. 20, № 10. С. 145–148.
15. Оценка возможности использования пистии телорезовидной (Pistia stratiotes) и ряски малой (Lemna minor) для фиторемедиации водной среды / Г.А. Сорокина [и др.] // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2013. № 11. С. 182–186.
16. Филипенко Е.Н., Тихоненкова Л.А., Филипенко С.И. Способность макрофитов Кучурганского водохранилища к накоплению металлов в водоеме-охладителе Молдавской ГРЭС // Вестник Приднестровского университета. Сер. «Медико-биологические и химические науки». 2019. № 2 (62). С. 73–81.
17. Ekperusi A., Sikoki F., Nwachukwu E. Sorption of cadmium, chromium, lead, and vanadium from artificial wetlands using Lemna aequino¬ctialis // International Journal of Phytoremediation. 2023. DOI:https://doi.org/10.1080/15226514.2023.2272 766.
18. Остроумов С.А., Шестакова Т.В. Снижение измеряемых концентраций Cu, Zn, Cd, Pb в воде экспериментальных систем с Ceratophyllum demersum: потенциал фиторемедиации // Доклады Академии наук. 2009. Т. 428, № 2. С. 282–285.
19. Кирдей Т.А. Влияние гумусовых кислот низинного торфа на ремедиационные свойства растений пшеницы при комплексном загрязнении тяжелыми металлами // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11, № 2. С. 228–235. DOI: 10.21285/ 2227-2925- 2021-11-2-228-235.
20. Каримов Б.А., Исмаилова А.М. Культивирование Lemna minor L. на сточных водах городской канализации // Universum: химия и биология. 2017. № 1 (31). С. 16–19.
21. Аспекты биотрансформации фосфора в микробной дефосфотации сточных вод / А.А. Хасанова [и др.] // Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии: сб. тез. XXXIII Зимней междунар. молодежной науч. шк. (Москва, 08–11 февраля 2021 года). М.: Ин-т биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 2021. С. 177. EDN WLTTGU.
22. Савельева Л.С., Эпов А.Н. Очистка сточных вод на биоплато // Экология и промышленность России. 2000. № 8. С. 26–28.
23. Кирюшина Н.Ю., Юрова В.С. Использование фитофильтров при очистке сточных вод // Рациональное использование природных ресурсов и переработка техногенного сырья: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, химия и биотехнология: мат-лы Междунар. науч. конф. (Алушта-Белгород, 30 мая – 3 июня 2022 г.). Белгород: Белгород. гос. технолог. ун-т им. В.Г. Шухова, 2022. С. 173–176. EDN KBPSCF.
