Фиторемедиация вод, загрязнённых медицинскими препаратами и средствами личной гигиены. Методы фитотехнологического эффективного удаления из воды таких известных препаратов, как салициловая кислота, сульфадиметоксин, атенолол, кофеин, тетрациклин и др.
Использование фитотехнологий находит всё большее применение в разных областях человеческой деятельности, в т.ч. и для охраны и экологической реконструкции водных объектов. Так, в США искусственные ветленды рассматриваются как составная часть системы устойчивого развития и возобновляемого природопользования. В Агентстве охраны окружающей среды США (U.S. Environmental Protection Agency) эта тематика является приоритетной на длительную перспективу и разрабатывается Национальной исследовательской лабораторией управления рисками (National Risk Management Research Laboratory). Исследования и разработки по этой тематике являются приоритетными и в странах-членах Евросоюза, прежде всего, для устойчивого обеззараживания и очистки промышленных, сельскохозяйственных и муниципальных сточных вод. В целом исследования в этом направлении проводятся в более чем 80 странах, в основном в Северной Америке, Европе, Юго-Восточной Азии и Океании. С 1991 г. на эту тему в мире опубликовано около 4 тыс. работ, и их число растёт в геометрической прогрессии, удваиваясь примерно каждые 2-4 года. Целью данной работы является анализ и обобщение современных тенденций использования фитотехнологий для очистки и охраны вод.
Фитотехнологии - быстрорастущая индустрия во многих странах мира.
В последнее десятилетие резко возросло количество исследований, проводимых в Китае, а также количество биоинженерных сооружений, создаваемых с применением фитотехнологий. Согласно статистическим данным, в 2011 г. в Китае действовало 425 таких сооружений, используемых в основном для очистки сельскохозяйственных ирригационных стоков, при искусственном обводнении водных объектов и обводнении территорий для восстановления лесов. При этом каждый год строятся и вводятся в эксплуатацию 15-30 новых сооружений.
Первые биоинженерные сооружения с использованием высшей водной растительности (ВВР) были созданы в 1960-е годы, однако массовое развитие эти технологии получили в последние десятилетия, как в развитых, так и развивающихся странах. Кроме различий в видовом составе используемых макрофитов, принципиальным отличием искусственных ветлендов является наличие или отсутствие свободной поверхности воды. В свою очередь, сооружения без свободной поверхности воды могут быть разделены на сооружения с горизонтальным и вертикальным движением потока. В последних возможно движение загрязнённых вод сверху вниз, снизу вверх и U-образно. Существует целый ряд комбинированных гибридных систем, где на отдельных участках используются различные схемы. Вызвано это необходимостью создания оптимальных условий для аэрации воды и субстрата, а также комфортных условий для существования ВВР и сопутствующих им микроорганизмов, что в конечном счёте, должно дать максимальную эффективность очистки воды. Сооружения с подповерхностным течением воды, как правило, более эффективны, чем со свободной водной поверхностью.
В той или иной степени с помощью фито- технологий можно очищать от сотни различных загрязнителей и их комбинаций, что особенно актуально для коммунальных, муниципальных, промышленных и сельскохозяйственных сточных вод. Основными преимуществами фитотехнологий для очистки вод являются универсальность использования практически для любых загрязнителей, природный характер очистки вод, отсутствие каких-либо побочных эффектов, длительный срок и низкая стоимость эксплуатации сооружений и установок, малые ресурсо- и энергозатраты, небольшая и простая инфраструктура. Строительство осуществляется из местных материалов, не требует высокой квалификации кадров и специальных механизмов и оборудования. В последнее десятилетие значительно расширился спектр использования ВВР для охраны и очистки вод. Наряду с традиционными направлениями очистки и перехвата биогенных и органических веществ, тяжёлых металлов и радионуклидов, появились быстро- развивающиеся технологии по очистке вод от медицинских препаратов и средств личной гигиены, а также технологии, основанные на совершенствовании и управлении очисткой воды естественными ассоциациями макрофитов, селекции и генетической модификации растений с целью получения желаемых характеристик, использовании наночастиц, биофумигации, совмещении водоочистки с производством биотоплива, оценке рисков возникновения экстремальных явлений.
Сооружения и установки для извлечения из сточных вод соединений азота и органических веществ с использованием фитотехнологий быстро развиваются во всем мире, прежде всего, благодаря низкой стоимости эксплуатационных расходов. Классический путь превращения и извлечения соединений азота включает биологические (аммонификацию, нитрификацию, денитрификацию, ассимиляцию биомассы и т. д.) и физико-химические процессы (адсорбцию). Новые подходы основаны на микробиологическом метаболизме. Их принципиальным отличием является то, что в этих процессах не требуется присутствие органического углерода как донора электронов.
Органические соединения в системах фитотехнологий разлагаются в аэробных и анаэробных условиях. При этом в аэробную зону кислород поступает из атмосферы в результате конвективно-диффузионных процессов, а также через корни макрофитов. Анаэробные условия создаются в закрытых порах грунтов наполнения.
Уровень извлечения биогенных и органических веществ из сточных вод в значительной степени зависит от созданных условий: pH, температуры, наличия доступного кислорода, присутствия органического углерода, нагрузки на сооружение, условий и режима поступления загрязнителей, времени нахождения воды в системе, гидрологического режима, удаления растительной массы. Обычными субстратами являются песок и гравий, однако в тех или иных случаях для совершенствования условий очистки применяют древесные опилки, рисовую шелуху, цеолит, слюду, золу, угольные шлаки, торф, мёртвый сестон, компост.
Второй большой группой загрязнителей, в детоксикации и удалении которых используются фитотехнологии, являются тяжёлые металлы, металлоиды (иногда относимые к тяжёлым металлам) и радионуклиды. Свинец, кадмий, мышьяк и ртуть являются наиболее опасными токсикантами, прежде всего, в силу того, что они не подвержены биодеградации. Растения, участвующие в обеззараживании тяжёлых металлов и радионуклидов, должны соответствовать определённым требованиям: 1) быстро расти; 2) иметь высокую толерантность к металлам; 3) быть устойчивыми к болезням и пестицидам; 4) иметь развитую корневую систему и побеги, а также способность синтезировать особые вещества как отклик на токсичную внешнюю среду; 5) быть непривлекательными для животных, чтобы избежать переноса загрязнителей на более высокие трофические уровни; 6) не быть специфичными к определённым элементам для того, чтобы существовала возможность извлечения и детоксикации других металлов.
Основными типами фиторемедиации тяжёлых металлов и радионуклидов являются:
- фитостабилизация/фитосеквестрация - перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму;
- фитоаккумуляция/ фитоэкстракция - накопление в организме растения опасных загрязнений;
- фитоволатилизация - испарение воды и летучих химических элементов листьями растений;
- ризофильтрация - корни всасывают воду и химические элементы, необходимые для жизнедеятельности растений.
Кроме того, органические и неорганические загрязнители, содержащие тяжёлые металлы, могут быть удалены из воды и донных отложений в результате различных механизмов биосорбции: адсорбции, абсорбции, выпадения в осадок, поверхностного комплексообразования или ионного обмена. При этом активными биосорбентами являются как живые растения, так и мёртвая фитомасса, поскольку основными агентами в этом случае являются бактерии.
В последние годы значительно продвинулись фитотехнологии по обеззараживанию вод, загрязнённых мышьяком, который является одним из наиболее опасных канцерогенов. Повышенный интерес к поиску недорогих, экологических и устойчивых методов очистки воды от соединений мышьяка в крупных и мелких масштабах вызван наличием огромных территорий, загрязнённых этим металлоидом. Так, более половины подземных вод в Индии и Бангладеш загрязнены мышьяком выше ПДК, а в некоторых районах его концентрации достигают 200 ПДК для питьевой воды. Аналогичная ситуация наблюдается в Латинской Америке, Португалии и Калифорнии (США).
Хорошими концентраторами и гиперконцентраторами мышьяка являются горец перечный (Polygonum hydropiper), ряска многокоренная (Spirodela polyrhiza), ряска горбатая (Lemnagibba), вольфия шаровидная (Wolffiagiobosa), азолла Каролинская (Azolla caroliniana). Последний вид принадлежит к семейству сальвиниевых. В этой связи следует обратить внимание на ещё один вид - сальвинию плавающую (Salcinia natans) - единственный вид этого семейства, произрастающий в России.
Сальвиния плавающая представляет собой плавающий папоротник и в обилии встречается в южных областях Европейской части России, в Западной Сибири и на Дальнем Востоке. Этот вид также является гиперконцентратором тяжёлых металлов. По нашим данным, полученным на Пижней Волге, сальвиния плавающая способна концентрировать количество меди почти в 100 раз большее, чем тростник обыкновенный (Phragmites communis) и рогоз узколистный (Typha angustifolia).
Несколько ниже значения для цинка - сальвиния концентрирует этот элемент почти в 10 и 2 раза больше, чем тростник и рогоз соответственно. Следует отметить, что сальвиния плавающая пресноводное растение, однако средние содержания цинка, никеля, кобальта, меди и хрома в этом виде близки к их содержанию в морских растениях. Учитывая то, что сальвиния является свободноплавающим видом и может быть легко удалена с поверхности воды, её применение в фитотехнологиях открывает широкие перспективы как для искусственных установок, так и для очистки естественных водных объектов.
Как уже было отмечено, в последние годы появилось новое направление - очистка и обеззараживание с помощью фитотехнологий фармацевтических препаратов и средств личной гигиены. Присутствие в воде медицинских препаратов отмечалось давно, но только в последние 15 лет, когда появились новые аналитические методы, позволяющие определять экстремально низкие концентрации (от нано- до микрограмм в литре), они начали считаться загрязнителями. Новые аналитические методы дают возможность количественно проанализировать присутствие в окружающей среде около 3000 биологически активных химических соединений с целью исследования их источников, поведения, трансформации, а также контроля, поскольку наличие фармацевтических препаратов в воде даже в малых концентрациях может иметь долговременные побочные эффекты и создаёт риски экологическому благополучию водных экосистем и здоровью человека.
Основными механизмами очистки вод, загрязнённых фармацевтическими препаратами, в биоинженерных системах с ВВР являются фотолитическая деградация, сорбция, поглощение растениями и фитодеградация, микробная деградация. Принципиально конструкции сооружений по извлечению и обеззараживанию фармацевтических препаратов на основе фитотехнологий мало чем отличаются от таковых для очистки от других загрязнителей. Все они имеют субстрат, ВВР и бактериальное население.
Существуют установки со свободной водной поверхностью и с подповерхностным движением воды в горизонтальном или вертикальном направлениях, а также гибридные установки. Используются укореняющиеся и свободноплавающие растения. Производственные (не экспериментальные) ветленды для этих целей, как правило, имеют площадь более 100 м2 и глубину воды до 30 см. В зависимости от конструкции ветленда, время нахождения воды в системе составляет от 1 до 15 суток. Такие системы уже функционируют в США, Канаде, Дании, Италии, Португалии, Испании, Китае, Сингапуре и позволяют очищать и доочищать сточные воды от 115 фармацевтических препаратов.
В качестве субстратов в таких установках наиболее часто используют гравий, реже легкий керамзит, вспученный перлит и чистый песок. Для извлечения антибиотиков используют песчаную, супесчаную почву или почву на основе песчаных суглинков. Иногда в качестве субстратов используют камни и вулканический туф.
В последнее время в этом качестве нашли применение биосорбенты, такие как рисовая шелуха, сосновая кора, гранулированная кора пробкового дуба. Обычными растениями в таких ветлендах являются рогозы узколистный (Typha angustifolia) и широколистный (Typha latifolia), тростник обыкновенный (Phragmites communis), малый камыш (Scirpus validus). Для выращивания последних часто используют методы гидропоники.
Суть метода заключается в том, что корни растений получают питательные вещества не из почвы, а из воды. При этом замечено, что применение тростника более эффективно, чем рогозов. Плотность растений обычно составляет 10-50 шт/м2. Реже для этих целей используются погруженные и свободноплавающие макрофиты, такие как элодея канадская (Elodea canadensis), роголистник темно-зелёный (Ceratophyllum demersum), гигантская сальвиния (Salvinia molesta), ряска малая (Leinna minor).
По средней эффективности извлечения из воды с помощью фитотехнологий лекарственные препараты могут быть разделены на легко-, средне-, слабоудаляемые и почти не удаляемые. Легко удаляемыми препаратами (средняя эффективность удаления более 70%) являются ацетаминофен, салициловая кислота, сульфадиазин, сульфадиметоксин, сульфа- метазин, сульфаметоксазол, сульфапиридин, триметоприм, атенолол, метопролол, фуросе- мид, кофеин и тетрациклин. Лекарственные препараты, средняя эффективность удаления которых 50-70%, включают ибупрофен, на- проксен, доксициклин и гемфиброзил. Слабо удаляемыми с помощью фитотехнологий (средняя эффективность удаления 20-50%) являются диклофенак, кетопрофен, амокси- циллин, кларитромицин, триклозан, соталол, 2- (2-метил-4-хлорфенокси) пропионовая кислота и карбамазепин.
Наконец, существует целый ряд лекарственных препаратов, удаление которых с помощью фитотехнологий проблематично (эффективность удаления менее 20%). Это, прежде всего, ампициллин, эритромицин и линкомицин.
Из новых перспективных методов совершенствования фитотехнологий следует отметить использование генной инженерии и совмещение технологий очистки воды и производства биотоплива. В данном контексте методы генной инженерии призваны помочь получить генно-модифицированные микробы и ВВР с характеристиками, позволяющими микроорганизмам и макрофитам самим быть устойчивыми к загрязнителям, а также более активно и стабильно аккумулировать, абсорбировать и обеззараживать сточные воды. Что касается микробного населения, то здесь принципиальное значение имеют микроорганизмы, в целом - населяющие субстрат и отдельно - ризосферная микрофлора - совокупность микроорганизмов, содержащихся в большом количестве в узкой зоне вокруг корней. Пока нам не известно о существовании трансгенных ВВР, хотя для сухопутных растений уже получены первые результаты на резуховидке Таля (Arabidopsis thaliana) и табаке обыкновенном (Nicotiana tabacum).
Контроль зарастаемости, переработка и утилизация загрязнённой растительной массы входят в ряд основных проблем при использовании фитотехнологий для очистки вод, особенно - для быстрорастущих растений, имеющих значительную фитомассу. Примером такого растения является водный гиацинт (Eichhornia crassipes) - многолетнее свободноплавающее растение, которое является хорошим концентратором и де- токсикатором многих загрязнителей, однако в силу своего быстрого распространения и захвата новых территорий как инвазивный вид может создать ряд экологических проблем. С помощью эйхорнии возможно извлечение и обезвреживание фосфатов, сульфатов, фенола, синтетических поверхностно активных веществ, тяжёлых металлов, радионуклидов, формальдегида, диметиламина и даже ракетного топлива (диметилгидразина). Однако следует напомнить, что это один из десяти самых худших сорняков в мире. Именно этот инвазивный вид, имеющий своё происхождение из бассейна р. Амазонки, сейчас вторгся в водоёмы Европы, Африки, Азии и Северной Америки. В некоторых странах водный гиацинт распространился до такой степени, что заполнил все водоёмы и стал национальным бедствием. Так, в Повой Гвинее распространение растительности, завезённой в бассейн р. Сепик, привело к полному зарастанию озёр и проток, исчезновению рыбы, голоду среди местного населения и его вынужденной миграции. Для борьбы с зарастанием водоёмов водным гиацинтом в Японии налажено производство по переработке биомассы этого растения в биотопливо.
Таким образом, всё более очевидным становится то, что, используя природный характер очистки вод и имея существенные экономические преимущества, фитотехнологии имеют значительную перспективу. В связи с этим, при разработке энерго- и ресурсосберегающих программ государственного и регионального уровней следовало бы уделить больше внимания практической реализации результатов научных исследований по использованию фитотехнологий для очистки вод, как в России, так и за её пределами.