Біологічне очищення водних об’єктів від 137Cs

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Біологічне очищення водних об'єктів від ¹³⁷Cs

^!О.М. Міхєєв, ^!О.В. Лапань, ²С.М. Маджд

¹Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України, Київ, 03143 Національний авіаційний університет, Київ

Розроблено мобільну конструкцію біоплато для доочищення водних об'єктів від радіонуклідів. Проведено порівняльне дослідження ефективності очищення наземними рослинами водного середовища на прикладі іонів ¹³⁷Cs. Представлені результати математичного моделювання динаміки накопичення ¹³⁷Cs в системі «експериментальна водойма - біоплато».

Ключові слова: фітодезактивація, біоплато, наземні рослини, ^I37Cs

O.M. Mikheyev, O.V. Lapan, S.M. Madzhd

Institute of Cell Biology and Genetic Engineering NAS of Ukraine

National Aviation University, Ukraine

BIOLOGICAL PURIFICATION OF WATER OBJECTS FROM ¹³⁷Cs

A mobile bio plateau design has been developed for water's bodies purification from radionuclides. To construct bio plateau chemically inert floating material was used as the substrate granular foam on top of which the seeds of higher terrestrial plants were placed. Constructed bio plateau on the 9th day 72ISSN 2078-2357. Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Біол., 2019, № 1 (75) of incubation were placed into tanks with a solution of ¹³⁷Cs to study the cleaning efficiency of terrestrial plants to the aquatic environment. Once a day, the solution of ¹³⁷Cs was poured into Marinelli's vessel to determine the specific activity of the radionuclide using a gamma spectrometer. A comparative study of the cleaning efficiency of terrestrial plants of the aquatic environment on the example of ¹³⁷Cs ions has been carried out. The results of mathematical modeling of the dynamics of accumulation of radioactive cesium in the “experimental reservoir - bio plateau” system was presented.

Key words: phyto-deactivation, bio plateau, terrestrial plants, ^I37Cs

В результаті антропогенної діяльності внаслідок випробування і застосування у військових цілях ядерної зброї, розвитку атомної енергетики, широкого використання джерел іонізуючого випромінювання у медицині, техніці та інших сферах діяльності почало прогресувати забруднення довкілля, у тому числі гідросфери, штучними радіонуклідами [2].

Як відомо, одним із дозоформуючих радіонуклідів являється ¹³⁷Cs, що чинить канцерогенний вплив на всі живі організми водних екосистем. Радіоізотоп ¹³⁷Cs є одним з найбільш небезпечних серед довгоживучих радіонуклідів, який має великий період напіврозпаду (Т_1/2 ~ 30 років), високу радіотоксичність (Я- і у-випромінювач) і підвищену розчинність у водних середовищах, що сприяє його інтенсивній геохімічній рухливості та ускладнює вилучення з водних об'єктів [1, 6]. Саме тому очищенню водних об'єктів від іонів ¹³⁷Cs приділяють особливу увагу.

Забруднені іонами ¹³⁷Cs стічні води, які проходять традиційну фізико-хімічну очистку, в недостатній мірі очищаються і не задовольняють більшість критеріїв якості води, яка скидається у водні об'єкти [3]. І тому важливим завданням являється доочищення водних об' єктів до необхідних нормативів за мінімальні фінансові витрати.

Біологічні методи очищення вод із застосуванням фітотехнологій, що засновані на використанні процесів природного самоочищення водних об'єктів, з використанням вищих водних рослин (ВВР) та водної біоти на сьогодні є найбільш раціональним рішенням поставленого завдання [8, 9].

На цій основі був розроблений новий тип очищення поверхневих водойм, заснований на використанні екосистемних механізмів, який в Україні отримав назву «біоплато», в Німеччині - «ботанічні майданчики», в Великобританії - «очеретяне ложе». У світовій науковій літературі найбільш поширеною назвою для водоочисних споруд такого типу є термін «Constructed Wetlands» або «Агїііісіаі Wetlands» [10-11].

Аналіз літературних джерел свідчить, що не тільки вищі водні рослини характеризуються високими коефіцієнтами накопичення, але й наземні рослини в умовах водної культури мають таку ж здатність до акумуляції токсичних речовин. Основними перевагами цього методу є низька енергоємність, високий ступінь очищення, висока ефективність, екологічність та здатність акумулювати радіонукліди [5, 7].

Мета роботи - розробка нової конструкції біоплато для доочищення водних об'єктів від іонів ¹³⁷Cs.

У ході розробки конструкції біоплато з використанням наземних рослин, що мають максимальну здатність до накопичення радіонуклідів, були поставлені і вирішені наступні завдання:

- визначення поглинальної здатності біоплато з рослинами вівса та вівсяниці щодо іонів ¹³⁷Cs;

- моделювання динаміки накопичення ¹³⁷Cs в системі «експериментальна водойма - рослини (біоплато)».

очищення водойма радіонуклід cs

Матеріал і методи досліджень

Для роботи були використані насіння: вівса посівного (Avena sativa) - однорічна рослина сімейства Злаки (Poaceae) та вівсяниці лучної (Festuca pratensis) - рід квіткових рослин з сімейства Бобові (Fabaceae).

Методика конструювання біоплато зводилася до: на дно кювети розміром 21*2,5*2,5 см розміщували сітку; в кювету додавали шар гранульованого пінопласту завтовшки 1,5 см; зверху пінопласту насипали шар перліту (70 см³); в кювету наливали 100 мл відстояної водопровідної води; пульверизатором зволожували поверхню субстрату; розміщували на поверхні насіння вівсяниці (5 см³), вівса (20 см³) і розміщували їх в термостаті при t = 24 °С.

Культивування рослин на розчині ¹³⁷Cs проводили в 0,5-літрових скляних ємностях, які попередньо обробляли протягом 3 діб 0,1 М розчином хлориду цезію з метою запобігання сорбції іонів ¹³⁷Cs внутрішньою поверхнею ємностей. Використовували відстояну водопровідну воду. Один раз на добу розчин ¹³⁷Cs переливали в посудину Марінеллі для визначення питомої активності радіонукліда за допомогою гамма-спектрометра СЕГ-001 «АПК-С»-63. Вихідна питома активність ¹³⁷Cs становила 3,0 кБк/л, яка за даними попередніх дослідів не викликала помітного впливу на ріст і розвиток рослин. Вимірювання питомої активності ¹³⁷Cs проводили до похибки вимірювання 3,8 %.

Ступінь очищення водного середовища від ¹³⁷Cs (СО, %) розраховували наступним чином:

де С₀, С_р - відповідно активність іонів ¹³⁷Cs у вихідному розчині і в розчині після сорбції, кБк/л.

Для опису перенесення і міграції ¹³⁷Cs в екосистемі «експериментальна водойма - рослини» застосовували метод камерних моделей, де весь ланцюг перенесення радіонуклідів ділять на камери, а взаємодію між ними задають за допомогою коефіцієнтів [4].

Результати досліджень та їх обговорення

Результати перевірки сорбційних властивостей рослин вівса щодо іонів ¹³⁷Cs представлені на рис. 1.

Рис. 1. Динаміка поглинання ¹³⁷Cs біоплато з рослинами вівса (2) та без них (1),

С₀=3,0 кБк/л

Наше дослідження показало, що вже через двадцять годин рівень вихідної активності ¹³⁷Cs зменшився більше, ніж в два рази, а через 80 годин ступінь очищення води від радіонукліду склав близько 90 %, що відбувалося лише за рахунок поглинальної здатності рослин вівса, адже у варіанті біоплато без рослин активність розчину майже не змінювалась.

Враховуючи отримані результати, було прийнято рішення дослідити сорбційні властивості рослин вівсяниці щодо іонів ¹³⁷Cs (рис. 2).

Рис. 2. Динаміка поглинання ¹³⁷Cs біоплато з рослинами вівсяниці, С₀=3,0 кБк/л ISSN 2078-2357. Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Біол., 2019, № 1 (75)

Було встановлено, що вже через одну добу ступень очищення водного середовища від ¹³⁷Cs склав 70 %, а на п'яту та шосту добу спостереження - цей показник варіював близько 92 %.

На рис. 3 представлені результати математичного моделювання динаміки накопичення ¹³⁷Cs в системі «експериментальна водойма - рослини (біоплато)».

Рис. 3. Результати моделювання динаміки накопичення ¹³⁷Cs в системі «експериментальна водойма - біоплато»: 1 - активність ¹³⁷Cs, 2 - корені, 3 - стебла, С₀=2,0 кБк/л

З аналізу рис. 3 випливає, що активність ¹³⁷Cs в середовищі різко зменшується. Очевидно, що іони ¹³⁷Cs поглинаються кореневою системою, а потім поступово «перекачуються» в стеблову частину рослин, що ми і спостерігали в експерименті. Дана модель дозволяє прогнозувати (передбачати) поведінку системи в діапазоні концентрацій, що не досліджували в експерименті, а також визначати подальші етапи поведінки з біоплато при здійсненні технології очищення - яку частину рослин (або все біоплато) видаляти в певний момент часу.

Висновки

Таким чином, для очищення водних об'єктів від іонів ¹³⁷Cs розроблено нову плаваючу конструкцію біоплато, біотичною складовою якої є наземні рослини. Вперше проведено серію досліджень з перевірки сорбційних властивостей рослин біоплато щодо іонів ¹³⁷Cs. Встановлено, що за допомогою рослин вівсяниці лучної ступінь очищення водного середовища склав 93 %.

З точки зору застосування біоплато в реальних умовах можна сказати, що передбачається або вилучати цілком біоплато з водойми з подальшим його озоленням (спалюванням) або здійснювати періодичні скошування зеленої маси рослин, яку також в подальшому піддавати озоленню з метою концентрування ¹³⁷Cs

Література

1. Волкова О.М. Параметри розподілу радіонуклідів у водоймах різного трофічного статусу / О.М. Волкова, В. В. Беляєв, О. О. Пархоменко, С. П. Пришляк // Природа Західного Полісся та прилеглих територій. -- 2014. -- № 11. -- С. 127--132.

2. Вплив радіонуклідного забруднення на гідробіонтів зони відчуження. Радіонукліди у водних екосистемах України / М.І. Кузьменко, В.Д. Романенко, В.В. Деревець і ін. -- К.: Чорнобиль- інтерінформ, 2001. -- 318 с.

3. Романенко В.Д. Гідроекологічна безпека атомної енергетики України / [В.Д. Романенко, М.І. Кузьменко, С.О. Афанасьєв та ін. ] // ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України. -- 2012. -- № 6. -- С. 41--51.

4. Кутлахмедов Ю.А. Аналіз ефективності контрзаходів для захисту екосистем на схилових ландшафтах методом камерних моделей. Вісник Національного авіаційного університету / Кутлахмедов Ю.А., Петрусенко В.П. -- 2006. -- № 4. -- С. 163--165.

5. Маджд С.М. Досвід експлуатації гідрофітних споруд в Україні та світі / Маджд С.М. // Наукоємні технології. -- 2016. -- № 2. -- С. 228--231.

6. Мірзоєва Н.Ю. Потоки міграції і депонування післяаварійних радіонуклідів 90Sr i137Cs у різних районах Чорного моря (елементи біогеохімічних циклів) / [Н. Ю. Мірзоєва, С. Б. Гулін, С.І. Архіпова та ін. ] // Наукові праці [Чорноморського державного університету імені Петра Могили]. Сер.: Техногенна безпека. -- 2013. -- Т. 210, Вип. 198. -- С. 45--51.

7. Міхєєв О.М. Адаптація гідрофітної системи для очистки стічних вод підприємств цивільної авіації / О.М. Міхєєв, С.М. Маджд, О.І. Семенова, Т.І. Дмитруха // Хімія і технологія води. -- 2015. -- № 3

- С. 574--581.

8. Крот Ю.Г. Высшие растения в биотехнологии очистки поверхностных и сточных вод / Крот Ю.Г. // Гидробиол. журн. -- 2006. -- 42, № 1. -- С. 47--61.

9. Оксиюк О. П. Биоплато и его применение на каналах / О.П. Оксиюк, Г.Н. Олейник // Гидротехника и мелиорация. -- 1990. -- № 8. -- С. 66--70.

10. Yammer D.A. Designing constructed wetlands system to treat agricultural nonpointsource pollution // Ecol. Eng. -- 1992. -- 1. -- P. 49--82.

11. Wolverton B., Duffer W. Microorganisms and higher plants for wastewater treatment / B. Wolverton, W. Duffer // J. Envirin. Qual. -- 1998. -- 12. -- P. 236--242.

References

1. Volkova O.M. Parametry rozpodilu radionuklidiv u vodoymakh riznoho trofichnoho statusu / O.M. Volkova, V. V. Beliaiev, O. O. Parkhomenko, S. P. Pryshliak // Pryroda Zakhidnoho Polissia ta prylehlykh terytoriy. - 2014. - No 11. - S. 127-132. (in Ukrainian).

2. Vplyv radionuklidnoho zabrudnennia na hidrobiontiv zony vidchuzhennia. Radionuklidy u vodnykh ekosystemakh Ukrainy / M.I.Kuz'menko, V.D.Romanenko, V.V.Derevets' i in. - K.: Chornobyl'-interinform, 2001. - 318 s. (in Ukrainian).

3. Romanenko V.D. Hidroekolohichna bezpeka atomnoi enerhetyky Ukrainy / V.D. Romanenko, M.I. Kuz'menko, S.O. Afanas'iev, D.I. Hudkov, P.M. Lynnyk, O.O. Protasov, V.M. Tymchenko,

V. I. Yuryshynets', V.M. Yakushyn // ISSN 0372-6436. Visn. NAN Ukrainy. - 2012. - No 6. - S. 41-51. (in Ukrainian).

4. Kutlakhmedov Yu.A.,Petrusenko V.P. Analiz efektyvnosti kontrzakhodiv dlia zakhystu ekosystem na skhylovykh landshaftakh metodom kamernykh modeley. Visnyk Natsional'noho aviatsiynoho universytetu.

- 2006. - No 4. - S. 163-165. (in Ukrainian).

5. Madzhd S.M. Dosvid ekspluatatsii hidrofitnykh sporud v Ukraini ta sviti // Naukoiemni tekhnolohii. - 2016.

- No2. - S. 228-231. (in Ukrainian).

6. Mirzoieva N.Yu. Potoky mihratsii i deponuvannia pisliaavariynykh radionuklidiv 90Sr i137Cs u riznykh rayonakh Chornoho moria (elementy bioheokhimichnykh tsykliv) / N. Yu. Mirzoieva, S. B. Hulin,

S.I. Arkhipova, N. F. Korkishko, L. V. Mihal', I. M. Mosieychenko, I. H. Sydorov //Naukovi pratsi [Chornomors'koho derzhavnoho universytetu imeni Petra Mohyly]. Ser.: Tekhnohenna bezpeka. - 2013. -

T.210, Vyp. 198. - S. 45-51.

7. Mikhieiev O.M. Adaptatsiia hidrofitnoi systemy dlia ochystky stichnykh vod pidpryiemstv tsyvil'noi aviatsii / O.M. Mikhieiev, S.M. Madzhd, O.I. Semenova, T.I. Dmytrukha // Khimiia i tekhnolohiia vody. - 2015. - No3 - S.574-581. (in Ukrainian).

8. Krot Yu.H. Vbisshye rastenyia v byotekhnolohyy ochystky poverkhnostnbikh y stochnbikh vod // Hydrobyol. zhurn. - 2006. - 42, No1. - S. 47-61. (in Russian).

9. Oksyiuk O. P. Byoplato y eho prymenenye na kanalakh / O.P. Oksyiuk, H.N. Oleynyk // Hydrotekhnyka y melyoratsyia. - 1990. - No8. - S. 66-70. (in Russian).

10. Yammer D.A. Designing constructed wetlands system to treat agricultural nonpointsource pollution // Ecol. Eng. - 1992. - 1. - P. 49-82.

11. Wolverton B., Duffer W. Microorganisms and higher plants for wastewater treatment / B. Wolverton,W.Duffer // J. Envirin. Qual. - 1998. - 12. - P. 236-242.

Размещено на Allbest.ru