ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 4, с. 502-508
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 574.586
УДАЛЕНИЕ БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ СТРЕЛОЛИСТОМ В ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ МЕЖДУ СУШЕЙ И РЕКОЙ В РАЗЛИЧНЫЕ
ПЕРИОДЫ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЯ1
© 2007 г. Ванг Пейфаиг, Ванг Чао
210098 Нанъинг, Ксиканг Роуд, 1 Поступила в редакцию 23.03.2005 г.
Определены концентрации общего азота и общего фосфора в водоеме. Установлена логарифмическая связь между биомассой стрелолиста на одном квадратном метре и скоростью удаления биогенов в три периода, соответствующие цветению, плодоношению и началу увядания. Выполнены сравнительные эксперименты для выявления относительных вкладов в деградацию биогенов за счет абсорбции почвой и влияния стрелолиста. Показано, что при наличии растений содержание общего азота уменьшается быстрее, чем без них (разница составляет ~20%), а содержание общего фосфора уменьшается, в основном, за счет абсорбции почвами и осаждения. Общие скорости их уменьшения в системах с растениями и без них почти одинаковы.
Поверхностные воды в Китае в основном ев-трофированы, что оказывает негативное влияние на функционирование озер и рек. В евтрофирова-нии важную роль играют N и Р [7, 14], поэтому удаление биогенных веществ чрезвычайно полезно для повышения качества воды. Для борьбы с повышенными концентрациями Р и N обычно используется биохимическая обработка сточных вод, создание искусственных болот и естественные системы очистки. Традиционные методы биохимической очистки - процессы с использованием активированного ила для удаления N и Р, слишком дороги для приемлемого решения проблемы при растущих объемах сточных вод в развивающихся странах [9]. Искусственно заболоченные территории эффективны для контроля за концентрациями N и Р, поступающих из рассредоточенных сельскохозяйственных источников загрязнений и точечных источников доочистки сточных вод [1, 11, 15]. Для уменьшения поступления частиц почвы и Р с водосборов используются небольшие болота в водотоках первого и второго порядка. Подобные системы широко применяются для этой цели в Норвегии. Однако они могут оказывать влияние и на потоки N [2]. Восстановление водотоков [13] и сооружение небольших прудов и болот [10] - обычные меры для снижения потока N в прибрежные воды, применяемые в Дании и Швеции соответственно. С другой стороны, наличие речного буфера полезно для уменьшения концентраций биогенов, посту-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке национального проекта "Технологии борьбы с загрязнением и восстановление экологии" (2002АА601012-05) и проекта "Фундаментальные исследования процесса евтрофирова-ния озер и цветения цианобактерий" (2002СВ412303).
пающих из рассредоточенных источников при сельскохозяйственном орошении и осушении, а также при свободном сбросе бытовых сточных вод [16, 17, 19].
Макрофиты болот и речных буферов могут поглощать N и Р из поверхностных вод, действуя как фильтрующий буфер для взвешенного органического вещества (ОВ), что способствует уменьшению их концентраций за счет снижения скоростей потока и увеличения времени пребывания воды в водотоках [21, 22]. Исследования систем стабилизационных прудов показали, что поглощение N растениями - основной механизм его устранения, а осаждение детрита обычно объясняет меньшие потери. Удаление N из прудов с использованием ряски было эффективнее, чем на основе водорослей, в холодные и теплые периоды на 20 и 12% соответственно [25]. Исследования макрофитов в озерах показали, что состояние ев-трофированных вод улучшают многие их виды [5, 18, 23]. Некоторые исследования прямостоячих макрофитов (камыш, канна, бамбук рогоз) в озерах, прудах, ландшафтных водах, а также в лабораториях показали, что эти растения весьма эффективно снижают содержание N и Р [6, 12].
Однако создание искусственных болот требует значительных площадей, которые трудно выделить, особенно в развивающихся странах [3]. Обычно заполняющая их водная масса содержит большие количества взвешенных веществ [24]. Кроме того, заполняющая болота вода обычно насыщена биогенами, поэтому использование искусственных болот в течение длительного времени не эффективно [20]. В связи с этим в последнее время все большее внимание уделяется способности макрофитов снижать концентрации биоге-
нов. В Китае соответствующие функции выполняют многие виды макрофитов, растущие на берегах рек, каналов и прудов в различных районах, в частности, на водосборах рек Тайху, Хуай и Янцзы. Фермеры выращивают стрелолист на неглубоких поверхностных участках для получения дохода [4], а также для снижения концентраций биогенов при поступлении загрязнений из рассредоточенных источников в эти речные зоны макрофитов. Стрелолист имеет пучки корней вокруг клубнелуковицы и множество широких листьев, способствующих удалению биогенов из водной массы. Информация о роли стрелолиста в очистке эвтрофных водоемов недостаточна. Немногочисленные исследования стрелолиста показали, что эти растения могут удалять ~80 N и 70% P из летнего стока [8]. В данном исследовании скорость деградации N и P оценена за счет стрелолиста в разные периоды его роста. Цель исследования - выяснить роль стрелолиста в удалении биогенов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Стрелолист
Стрелолист - многолетнее растение, широко распространенное в озерах, прудах и на мелководьях рек водосбора Тайху в Китае. Стрелолист имеет три периода развития в течение года. Его всходы (несколько листьев на поверхности) появляются весной, примерно с середины апреля, затем он цветет до сентября и с начала октября плодоносит, после чего продуктивность стрелолиста постепенно падает.
Методика эксперимента
Растения стрелолиста были собраны в мелководной прибрежной зоне реки недалеко от оз. Тайху, а затем высажены в пруду, подготовленном для экспериментов. Каждые четыре экземпляра стрелолиста пересаживались в три пластиковых емкости длиной 100, шириной 80, глубиной 60 см для моделирования прибрежных условий. На дно помещался 30-см слой почвы. В две емкости высаживались здоровые растения (примерно одного размера), а третья использовалась для сравнения.
Эксперименты проводились для периода цветения (с 7 по 22 июля), начала периода плодоношения (с 12 по 27 октября) и периода развития плодов (с 7 по 22 ноября). Каждый экспериментальный период продолжался 15 сут, что достаточно точно отражало условия естественного развития растений. После 15 сут условия развития в экспериментальных системах стабилизировались.
Вода для каждой экспериментальной емкости готовилась путем смешивания 10 крахмала, 30 декстрозы, по 15 г вторичного и первичного кислого фосфата калия, 30 карбоната натрия, 27 хлорида аммония, 15 карбамида и 60 л чистой воды с аммиаком. Содержание в воде общего азота TN и фосфора TP составило 11.67 и 6.96 мг/л, соответственно.
Экспериментальные методы и анализ данных
С июля 2004 г. из каждой емкости периодически отбирались пробы воды для оценки эффективности воздействия стрелолиста, почв и искусственной системы. Естественная вода добавлялась в системы перед началом каждого периода. Содержание TN и TP в емкостях проверялось методом SKALAR. Пробы на TN сначала смешивались с боратным буферным раствором, затем добавлялся в избытке раствор пероксодисульфата калия и полученная смесь помещалась в УФ-ре-актор. Содержание нитратов определялось по реакции Грисса после их восстановления при пропускании воды через редуктор с омедненным кадмием.
Автоматизированная процедура для определения TP была основана на определении УФ-разло-жимого фосфата. Органические фосфаты разрушались УФ-облучением; гептамолибдат аммония, катализируемый виннокислым антимония-калием в кислой среде с разбавленными растворами фосфата образовывал фосфорно-молибденовый кислый комплекс. Этот комплекс восстанавливался (при интенсивно голубой окраске) аскорбиновой кислотой.
Результаты экспериментов обрабатывались с использованием программы Excel и статистического пакета GraphPad Prism 4.0. Факторный анализ проводился с использованием бинарного корреляционного анализа, а сравнение групп данных проводилось с помощью двухстороннего t-теста. Разница в выборках данных считалась значимой при P < 0.03.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние периода развития на уменьшение концентраций биогенных веществ
Были исследованы процессы изменения концентраций TN и TP в каждой емкости в течение трех периодов развития. Стрелолист и почвенная система, в которой он растет, представляют собой единую экосистему, в которой снижается содержание биогенов. Исследуемые концентрации биогенов стимулируют естественную среду в воде, почве и растениях во время достижения системой состояния равновесия. Стрелолист поглощает биогены из водной среды в период роста. Его развивающиеся корни и их взаимодействие с
Концентрация, мг/л
14 (а)
12
0
100 80
60 40
20 0
07.07 08.07 12.07 15.07 19.07 22.07 14 80
12
0
(б)
60
40
20
0
12.10 13.10 17.10 21.10 24.10 27.10
14 80
(в)
12
60
40
20
07.11 08.11 12.11 15.11 19.11 22.11
□ 1 з Дата
2 4
Рис. 1. Изменения концентраций 1, 2 и скорости удаления 3, 4 для ТЫ и ТР соответственно из водной массы. а - июль, б - октябрь, в - ноябрь.
окружающей почвой способствуют уменьшению концентрации биогенов. В период цветения продуктивность растений максимальна, и они нуждаются в большом количестве биогенов для поддержания роста. Поэтому концентрации ТЫ и ТР в этот период значительно ниже, чем в остальные. Общие изменения концентраций биогенов и скоростей их удаления системой стрелолист-почва в каждый период эксперимента показаны на рис. 1.
На рис. 1 видно, что концентрации ТЫ и ТР уменьшались во всех экспериментах аналогичным образом. За 1-е сут содержание ТЫ снизилось мало, в 4-е сут скорость уменьшения концентрации ТЫ возрастает, а после 12 сут вновь падает (концентрация ТЫ при этом несколько возрастает). Содержание ТР за 1-е сут заметно снизилось, а на 5-е значительно уменьшилось, после чего продолжалось медленное снижение скорости его падения.
Кривые, отражающие суммарное уменьшение скорости, также демонстрируют сходные закономерности во всех трех периодах. Эфф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.