Диссертация (1141579), страница 9
Текст из файла (страница 9)
В зависимости от особенностейметаболизма растения и физиологической роли конкретного металла, происходитего дальнейший перенос из тканей корневой системы к надземным органам(листьям, стеблям, плодам) либо накопление в клетках корня.Поступление металлов в апопласт происходит под действием процессовдиффузии, а также физико-химической и обменной адсорбции. В работе [144]показано, что поглощение двухвалентных катионов происходит преимущественноза счет обменной адсорбции. По данным И. И.
Колосова возможно и необменноесвязывание ионов за счет прикрепления анионов к свободным валентностямкатионов, которые связанны с адсорбирующей поверхностью корня толькочастью валентностей [145].Проникновение тяжелых металлов из апопласта в симпласт возможно двумяспособами: 1) пассивный (неметаболический) перенос ионов в клетку всоответствии с градиентом их концентрации; 2) активный (метаболический)процесс поглощения клеткой против градиента концентрации [146, с.
17-21; 147].Пассивный (неметаболический) транспорт ионов тяжелых металлов вклетку происходит благодаря неселективным катионным каналам трех видов: 1)кальциевым каналам, активируемым деполяризацией; 2) кальциевым каналам,активируемым гиперполяризацией мембраны; 3) катионным каналам, нечувствительным к изменению электрического потенциала [148; 149].47Активный транспорт тяжелых металлов в клетку растения происходит сучастиеммножестваспециальныхбелков-переносчиков,относящиесякразличным семействам: HMA (heavy metal АТPase), ZIP (zink-ironregulatedtransporter), IRT (iron regulated transporter); CTR (copper transporter family); CDF(cation diffusion facilitator); CAX (cation exchanger) и др.
[150;151; 152].Преобладание пассивного или активного механизмов поступления тяжелыхметаллов в клетки растения определяется их концентрацией, метаболическимиособенностями растений и физиологической функцией поглощаемого металла.При высоких концентрациях металлов в окружающей среде поглощение имеетпреимущественно неметаболический характер, в то время как при низкихконцентрациях происходит активное метаболическое поглощение [153].Несмотря на то, что концентрация ТМ в растительных тканях может бытьвыше, чем в фильтрующей загрузке, основное количество металлов, задержанныхна фитофильтре, находится в загрузке вследствие значительно большей её массыпо сравнению с фитомассой. Davis [99], Muthanna [154] и Sun [155] оценили этудолю ТМ, поглощенных растениями, в 5–10% от массы поступающих нафитофильтр.
Тем не менее, нужно отметить и косвенное участие растений визвлечении растворенных веществ. Оно заключается в том, что корневая системарастений является средой развития прикрепленной микрофлоры и микрофауны.Основным способом деградации нефти у растений является ризодеградация,при которой коневая система способствует развитию ризосферной микробиоты –бактерий, грибов, актиномицетов, водорослей, синтезирует и выделяет вещества(СО2, аминокислоты, сахара и т.д.), активизирующие рост микроорганизмовдеструкторов, которые утилизируют наиболее доступные фракции углеводородов.Рост корней создает благоприятный воздушный режим в почве, что способствуетокислению некоторых компонентов нефтепродуктов. Результаты исследованийфиторемедиациипочв,загрязненныхнефтепродуктами,показали,чтовыращивание растений на нефтезагрязненной почве способствовало увеличениюдеструкции нефти на 35-39% [156].48Известно, что многие микроорганизмы способны накапливать металлы вбольших количествах.
В ходе эволюции в них сформировались системыпоглощенияотдельныхметалловиихконцентрированиявклетках.Микроорганизмы, помимо включения в цитоплазму, способны также сорбироватьметаллы на поверхности клеточных стенок, связывать их метаболитами внерастворимые формы, а также переводить в летучую или нерастворимую форму[157 ; 158 ]. В превращении органических веществ, поступающих в почву иобразующихся в ней, принимают участие различные группы микробов:гнилостные, нитрифицирующие, азотфиксирующие, денитрифицирующие и др.2.2.3 Прочие механизмыПри анализе работы фитофильтра нельзя не учитывать тот факт, чтофитофильтр в период отсутствия дождей длительное время находится поддействием солнечного света. Известно, что ультрафиолетовая часть спектраосвещения обладает бактерицидным действием и способствует деструкциинекоторых органических соединений [159].Решающее значение в биологическом действии УФ-излучения имеет егопоглощение нуклеиновыми кислотами в области 240-290 нм [160].
ВозникновениепривоздействииУФ-излучениямолекулярныхповрежденийДНК,фотодеструкция белков и биологических мембран обуславливает развитиемногочисленных биологических эффектов, приводящих к летальному исходу.Установлено, что при наличии ультрафиолетового излучения скоростьхимической деструкции нефти повышается почти в 2 раза [161], а при повышениитемпературы на 10° - в 2.4 раза [162].Таким образом, работа фитофильтров основана на одновременномпротекании химических, биохимических и физико-химических процессов.Зависимость этих процессов от множества факторов не позволяет прозвестиисчерпывающее теоретическое описание работы фитофильтров, поэтому дляпроектирования и расчета используются преимущественно эмпирические данные.492.3 Анализ особенностей работы фитофильтров при низких температурахАктуальным вопросом эксплуатации фитофильтров в климатическихусловиях умеренных широт является их работа при околонулевых температурах,наблюдающихся в период весеннего снеготаяния и поздней осенью.
Дляумеренногопериодов,климатаанаиххарактерназначительнаяпротяженииобразуетсяпродолжительностьдо40%годовоготакихобъемаповерхностного стока.Низкие температуры практически не оказывают влияния на эффективностьпроцесса фильтрования грубодисперсных примесей и ассоциированных на ихповерхности тяжелых металлов и нефтепродуктов. Также известно, чтоэффективность адсорбции растворенных металлов в фильтрующей среденезначительноизменяетсявдиапазонахтемпературхарактерныхдляэксплуатации фитофильтра (0-20С) [163; 164]. Однако, скорость биохимическихпроцессов при снижении температуры изменяется весьма значительно, чтоприводит к сезонному снижению активности растений и микроорганизмов.Такимрастворенныхобразом,эффективностьнефтепродуктовиочисткитяжелыхповерхностногометалловпристокаотоколонулевыхтемпературах зависит от работы фильтрующей загрузки.
С учетом рассмотреннойранее связи между размером частиц и их способностью к поглощениюрастворенныхпримесей,однимизрешенийявляетсяувеличениедолимелкодисперсных частиц в составе фильтрующей загрузки. Однако, это приведетк снижению скорости фильтрования, что особенно критично при околонулевыхтемпературах, когда возможно замерзание жидкости в толще загрузки.В ряде источников утверждается, что замерзание загрузки не оказываетзначительного эффекта на её пропускную способность [165;166; 167].
Существуетпредположение, что талый сток способен оттаивать замерзшую загрузку. Тем неменее, результаты исследований [168; 169; 170; 171] свидетельствуют о снижениискорости фильтрования при низких температурах.50В работе [172 ] показано, что пропускная способность замерзших почвопределяется содержанием в них влаги в момент замерзания, структурой итемпературой почвы.
Различные сочетания указанных параметров приводят квозможности появления разных форм замерзания [173 ]. Полное замерзание собразованием твердого ледяного слоя происходит при замерзании почвы,насыщенной водой. Фильтрация воды при такой форме замерзания загрузкипрактически невозможна. Зернистое замерзание происходит в почве с низкойвлажностью, обуславливается замерзанием пленочной воды на поверхностичастиц и характеризуется более высокой пропускной способностью. Поровоезамерзание оказывает наименьшее влияние на снижение пропускной способности,т.к.
наблюдается при замерзании почвы с низкой влажностью, когда вода призамерзании находится лишь в крупных порах загрузки.Установлено, что тип замерзания оказывает на пропускную способностьфильтрующего материала большее влияние, чем глубина промерзания [174].Таким образом, при проектировании фитофильтров в условиях умеренногоклимата должны быть приняты меры по снижению содержания почвенной влаги иэффективного дренажа поступившего стока [175; 176; 177].
Это необходимо дляснижения риска формирования льда, который может ограничить или дажеполностью остановить фильтрацию воды через загрузку.Следовательно, для успешной эксплуатация сооружений фитофильтрацииповерхностного стока в регионах с умеренным климатом необходимо выполнениедвух взаимоисключающих требований к фильтрующей загрузке: применениегранулометрического состава, обеспечивающего высокую скорость фильтрованияпри высокой сорбционно-ионообменной способности.2.4 Предлагаемое решение по применению фитофильтров в регионахумеренного климатического поясаВкачествефильтрующейтехническогозагрузкиизвлекатьрешенияпоувеличениюнефтепродуктыиспособноститяжелыеметаллы,находящиеся в растворенной форме, в т.ч.
при низких температурах, без51уменьшения крупности частиц предлагается внесение в состав фильтрующейзагрузки материалов, обладающих сорбционными и ионообменными свойствами,а именно торфа и цеолита. При этом, в периоды низких температур очистка отрастворенных примесей будет обеспечиваться процессами сорбции и ионногообмена на указанных материалах, а в период вегетации растительности будетпроисходить фито- и биорегенерация фильтрующей загрузки за счет поглощения,трансформации, стабилизации и деградации накопленных веществ под действиемрастений и почвенных микроорганизмов [178].Выбор цеолита в качестве добавки к фильтрующей загрузке обусловлен егоумеренной стоимостью при высокой сорбционной и ионообменной способностипо отношению к нефтепродуктам и тяжелым металлам, что подтверждаетсямногочисленными исследованиями [178; 179 - 190].Основным механизмом задержания тяжелых металлов цеолитом являетсяпроцесс ионного обмена, при котором происходит эквивалентная заменавходящих в состав природного цеолита катионов Na+, K+, Ca+, реже Ba2+, Sr2+,Mg2+, закрепленных на анионном алюмосиликатном каркасе [191; 209].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
