Перспективность использования хитозана для повышения эффективности фиторемедиации почв, загрязненных медью

Азовцева Н.А. (azovtseva@mail.ru) (1), Францев В.В. (2),

Лазарева Е.В. (3)

(1) Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова,

(2)Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова,

(3)Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

Развитие техносферы сопровождается интенсивным поступлением в природную среду различных загрязняющих веществ. В почву - начальное звено пищевой цепи - поступают тяжелые металлы. Это вызывает серьезные нарушения растительных организмов на уровне клетки, ткани, организма, популяции [1]. Культивирование растений вблизи крупных городов проводится на почвах сильно загрязненных тяжелыми металлами. Самоочищение почв от этих поллютантов либо совсем не происходит, либо протекает очень медленно. Остро встает вопрос о рекультивации почв, одним из видов которой является фиторемедиация - очистка почв с помощью растений. При фиторемедиации тяжелые металлы, поступающие в растения, удаляются с биомассой. Для повышения эффективности фиторемедиации предлагается применять вещества, повышающие подвижность тяжелых металлов и увеличивающие скорость их поступления в растения.

Миграционная способность тяжелых металлов в почве связана со способностью их сорбироваться на почвенных органно-минеральных соединениях. Поэтому изучение адсорбционных характеристик почвенных минералов важно для понимания механизмов фиторемедиации, так как адсорбция на почвенной матрице ведет к иммобилизации тяжелых металлов, тогда как, образование более прочных комплексов с несорбированной формой органического вещества приводит к увеличению миграционной способности металлов и, тем самым, облегчает их переход в корневые системы растений. Последнее можно использовать при фиторемедиации.

Поскольку почва является сложной многофазной системой, при изучении миграционной способности меди в системе почва-растение использовалась модельная система, где в качестве модельного тяжелого металла была рассмотрена медь, в качестве минеральных модельных почвенных составляющих - мономинеральный мелкозернистый кварцевый песок (Раменский ГОК, Московская область) и бентонит из Серпуховского карьера (Московская область), а в качестве модельного органического вещества был рассмотрен природный полисахарид хитозан (рисунок 1). Благодаря наличию в структуре хитозана гидроксо- и аминогрупп он является эффективным комплексообразующим сорбентом для ионов меди; находится в почве в

естественном свойствами -

СНгОН

состоянии. Кроме того, хитозан обладает элеситорными повышает устойчивость растений к фитопатогенам [2,3].

Для оценки адсорбции

в модельной системе

использован

Рисунок 1. Структурная формула хитозана.

был метод

специфической адсорбции, предложенный Е.А.Нечаевым[4].

Основная идея метода состоит в том, что взаимодействия адсорбата и адсорбента зависят от совпадения потенциалов ионизации органических веществи

характеристических

(резонансных) потенциалов минералов. Исследование адсорбции стандартного набора органических веществ с потенциалами ионизации в диапазоне от 7 до 12 эВ на определенных сорбентах позволяет определить резонансные потенциалы исследуемых сорбентов. Изучение зависимости адсорбции органических веществ от потенциалов ионизации в случае хитозана и кварца показало наличие аналогичных резонансных потенциалов 10,2 и 10,7 эВ, что дает возможность предположить наличие взаимодействия этих соединений с образованием органоминеральной структуры. Однако если адсорбционные центры с резонансными потенциалами 10,2 и 10,7 эВ на минералах будут заняты другими веществами, которые образуют более прочную связь с поверхностью минерала, чем хитозан, то возможно сохранение хитозаном подвижной несорбированной формы.

При использовании хитозана для фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами, требуется знать потенциальную минерализуемость хитозана. Скорость разложения полисахарида определяли по количеству выделившегося углекислого газа методом газовой хроматографии [5]. Для этого был проведен опыт по инкубации дерново-подзолистой почвы и кварца с различными дозами хитозана и в разных термодинамических условиях. В варианте с дерново-подзолистой почвой минерализация максимальна при температуре 20°С и концентрации хитозана 0,05% от массы почвы. В опыте с кварцевым песком максимум минерализации наблюдается при температуре 30°С и концентрации хитозана равной 0,05%. Вероятно эти условия являются оптимальными для жизнедеятельности почвенных гидролитиков.

Нами была изучена миграция хитозана в колонках через модельные пористые среды: кварцевый песок и смесь кварцевого песка с бентонитом, с фильтрующимися потоками почвенной влаги при различных уровнях рН. Количество вымытого хитозана находили методом определения аминогрупп с TNBSA.

Вынос хитозана происходит интенсивнее при рН 4,91 в обоих вариантах эксперимента. На миграцию полисахарида влияют и сами сорбенты. Вынос хитозана из смеси кварцевого песка с бентонитом почти в 1,5 раза меньше по сравнению с пористой системой представленной кварцевым песком. Это можно объяснить как различной дисперсностью минералов, так и характером поверхности (см. ранее).

Вероятно, в почве под влиянием деятельности микроорганизмов происходит частичная десорбция и деполимеризация хитозана, образующего с минеральной матрицей органно-минеральный комплекс. Наличие в почве миграционно активной формы хитозана и ионов меди приводит к переводу металла в более мобильную форму и способствует ее поступлению в корневую систему пшеницы. При изучении миграционной способности меди в системе почва- растение был поставлен опыт с проростками пшеницы методом миниатюр. Содержание меди в проростках пшеницы определяли методом атомной спектрофотометрии.

Показано, что присутствие хитозана в почве может повышать содержание меди в ростках пшеницы в (фазе первого листка) примерно в 2 раза по сравнению с контролем.

Эффективность фиторемедиации почв зависит от продуктивности растений. С большей биомассой из почвы удаляется большее количество поллютантов. поступивших в растения. В ряде исследований [6, 7] показана прямая зависимость продуктивности растений от их фотосинтетической активности. То есть, эффективность работы фотосинтетического аппарата растений является одним из важнейших показателей, определяющих эффективность фиторемедиации.

Исследование влияния хитозана на фотосинтетическую активность пшеницы в модельном опыте проводили с помощью измерения медленной индукции флуоресценции. Высечку из листьев пшеницы подвергали 30 секундному освещению синим светом, затем 5 минутной темновой адаптации, а после непрерывному освещению синим светом с одновременным измерение флуоресценции на длине волны 625 нм. Как показано в работе [8] отношение максимума флуоресценции к ее стационарному уровню (Fm/Fs) положительно коррелирует с фотосинтетической активностью. В результате опыта было достоверно определено, что внесение хитозана в почву приводит к увеличению Fm/Fs по сравнению с фоном в 1,15 раз. Это свидетельствует о стимулирующем влиянии хитозана на активность фотосинтетического аппарата.

Таким образом, хитозан помимо увеличения фотосинтетической активности растений пшеницы увеличивает миграционную способность ионов меди. Показана перспективность использования хитозана для повышения эффективности фиторемедиации.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 05-08-50256.