ГЛАВНАЯ » КОНФЕРЕНЦИИ » САБИНИНСКИЕ ЧТЕНИЯ » V Сабининские чтения - 2016 » по Материалам Международной конференции
«Экологическая физиология водных фототрофов: распространение, запасы, химический состав и использование»
V Сабининские чтения - 2016
» *Ростовые и биоремедиационные характеристики культуры водный гиацинт Eichornia crassipes (Martius)

по Материалам Международной конференции «Экологическая физиология водных фототрофов: распространение, запасы, химический состав и использование»
V Сабининские чтения 29 ноября 2016 - 29 января 2017


*Ростовые и биоремедиационные характеристики культуры водный гиацинт Eichornia crassipes (Martius)

Growth and bioremediation characteristics of water hyacinth culture Eichornia crassipes (Martius)

 

Горбунова С.Ю.

Svetlana Yu. Gorbunova 

 

Институт морских биологических исследований имени А.О.Ковалевского (г. Севастополь)

 

УДК 582.6/.9:628.35

 

Проведена оценка влияния исходных концентраций биогенных элементов в питательной среде на рост и размножение культуры Eichornia crassipes. Установлена зависимость продуктивности накопительной культуры E. сrassipes от начальных концентраций N–NO3 и P–PO4 в питательной среде. Впервые определены константы полунасыщения для культуры водный гиацинт.

Ключевые слова: биоремедиация; высшие водные растения; водный гиацинт; сточные воды; биогенные элементы.

 

Введение

Известно, что водный гиацинт – Eichornia crassipes (Martius) – высшее водное тропическое растение. Ранее нами экспериментально была установлена возможность его выращивания и в климатических условиях Крыма (Горбунова, 2009). Кроме того, данное растение было введено в культуру, где под культурой понимается разводимое растение, выращенное в питательной среде в лабораторных или промышленных условиях (Горбунова, Фомин, 2010).

Анализ современной литературы свидетельствует о том, что высшее водное растение (ВВР) водный гиацинт способен удалять из воды загрязняющие вещества, такие как макро- и микроэлементы, тяжелые металлы, фенолы, сульфаты, нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества (Xie, Yu, 2003; Mahamadi, Nharingo, 2010; Chuang et al., 2011; Chunkao et al., 2012; Malik et al., 2016). В его зарослях осаждается значительное количество приносимых с водой минеральных и органических взвесей. Таким образом, он является естественным биофильтром, предохраняющим водную массу от загрязнений и ограничивающим чрезмерное развитие фитопланктона, что позволяет использовать его в практике очистки производственных, хозяйственно-бытовых, ливневых сточных вод (Sankar, et al., 2005; Midgley et al., 2006; Dagno et al., 2007; Gunnarsson, Petersen, 2007; Kateregga, Sterner, 2009; Feikin. et al., 2010; Jafari, 2010; Villamagna, Murphy, 2010; Mironga et al., 2011; Ndimele et al., 2011; Dagno et al., 2012). Способность водного гиацинта ассимилировать биогенные элементы из вод, тем самым используя их в качестве ростового субстрата, свидетельствует о биоремедиационных свойствах данного высшего водного растения.

Целью настоящей работы являлось изучение влияния исходных концентраций биогенных элементов в питательной среде на интенсивность роста и размножения E. crassipes.

 

Материалы и методы

Экспериментальные исследования проводили в лабораторных условиях. Для выращивания водного гиацинта использовали бассейны объёмом 100 л (далее бассейны №1, №2, №3, №4). Для исследования кинетических характеристик роста водного гиацинта в заданных условиях применяли метод водных культур, разработанный в 70-х гг. XIX века немецкими биологами И. Кнопом и Ю. Саксом (Жданов, 1987). В основе метода лежит выращивание растений на жидкой (водной) питательной среде до получения устойчивой водной культуры. В качестве питательной среды использовали модельные сточные воды сельскохозяйственных производств, которые готовили путем смешивания в определенных пропорциях водопроводной воды и навоза крупного рогатого скота. В бассейн №1 внесли 50 л водопроводной воды и 0,625 кг навоза, в бассейн №2 – 50 л водопроводной воды и 1,25 кг навоза, в бассейн №3 – 50 л водопроводной воды и 2,5 кг навоза,  в бассейн №4 – 50 л водопроводной воды и  5 кг навоза.  Начальные концентрации  биогенных  элементов  в  бассейнах №№1–4  были заданы с кратным увеличением в 2, 4, 8 раз соответственно, и составили: в бассейне №1 – 5 мг/г N–NO3 и 16 мг/г P–PO4, в бассейне №2 – 10 мг/г N–NO3 и 31 мг/г P–PO4, в бассейне №3 – 18 мг/г N–NO3 и 58 мг/г P–PO4, в бассейне №4 – 38 мг/г N–NO3 и 117 мг/г P–PO4.

Эксперимент длился в течение 70 суток. Контролировали и измеряли следующие показатели и величины: температуру среды в бассейнах, рН среды в бассейнах, освещенность, массу водного гиацинта, концентрацию нитратного азота (N–NO3) и минерального фосфора (P–PO4) в питательной среде. Ежедневно перед началом измерений испарение воды в бассейнах компенсировали добавлением водопроводной воды.

 

Результаты и обсуждение

Начальная масса E. сrassipes в среднем во всех бассейнах составляла 4,6±0,4 г АСМ/л (абсолютно сухая масса).

 

Рис. 1. Динамика абсолютно сухой массы (АСМ) E. crassipes при культивировании на модельной сточной воде.

Fig. 1. Dynamics of absolutely dry mass (ADM) E. crassipes at cultivation with using model sewage.

 

Первые 10–12 суток эксперимента во всех культиваторах в среднем отмечена одинаковая динамика роста водного гиацинта. В культиваторе №1, где начальная концентрация биогенных элементов была минимальной, начиная с 13 суток зафиксировано постепенное снижение массы растений и уменьшение размеров дочерних кустов. С 37 суток размножение E. crassipes прекратилось, появилась ветошь и началась фаза отмирания. Аналогичную ситуацию наблюдали в остальных культиваторах: после полной ассимиляции биогенных элементов из питательной среды культура E. crassipes выходила на стационарную фазу роста. Через 12–15 суток после исчерпания внутриклеточных запасов питательных веществ начинался процесс отмирания водного растения.

В табл. 1 представлены кинетические характеристики роста водного гиацинта, рассчитанные для всех вариантов эксперимента.

 

Таблица 1. Кинетические параметры роста культуры E. crassipes.

Table 1. Kinetic parameters of growth E. crassipes culture.

 

Следует отметить, что во всех вариантах эксперимента отмечалось практически кратное увеличение урожая (Gr). Учитывая данные по коэффициентам ассимиляции азота и фосфора из питательной среды, полученные в предыдущих исследованиях (Горбунова, 2009), величины урожая соответствуют теоретически возможным значениям при заданных начальных концентрациях биогенных элементов в модельных сточных водах.

В литературе представлено большое количество кинетических моделей, описывающих зависимость роста водных фототрофов от обеспеченности субстратом (Левич, 1989; Левич, Личман, 1992; Фурсова, Левич, 2002). Изменение скорости роста водного гиацинта от обеспеченности биогенными элементами можно описать уравнением Михаэлиса-Ментен:

где Р − продуктивность культуры, г АСМ·л-1·сут-1; Рm − максимальная продуктивность культуры, г АСМл-1·сут-1; S – начальная концентрация субстрата, мг·л-1; Кm – константа полунасыщения.

 

Рис. 2. Зависимость продуктивности E. crassipes от начальной концентрации N–NO3 (a) и P–PO4 (b) в модельных сточных водах.

Fig. 2. Dependence productivity E. crassipes from the initial concentration of N–NO3 (a) and P–PO4 (b) in the model sewage.

 

Аппроксимацией экспериментальных данных накопительного режима культивирования водного гиацинта определили коэффициенты уравнения:   Pm = 0,52 г АСМ·л-1·сут-1;    Km (N–NO3) = 2,45;    
Km (P–PO4) = 8.

Эти коэффициенты свидетельствуют о том, что максимальный предел продуктивности культуры E. сrassipes на модельных сточных водах сельскохозяйственных производств при данных условиях составит 0,52 г АСМ·л-1·сут-1. При концентрации в среде нитратного азота 2,5 мг·л-1 и фосфора 8 мг·л-1 культура  E. сrassipes достигнет половинного значения от максимальной продуктивности.

 

Заключение

Экспериментально установлено, что нитратный азот и минеральный фосфор ассимилируются из питательной среды в соответствии с потребностями накопительной культуры E. сrassipes вне зависимости от их начальной концентрации. Впервые определены константы полунасыщения для культуры водный гиацинт.

Установлено, что лимитирование роста водного гиацинта биогенными элементами приводит к уменьшению среднего размера кустов в 2 раза. Увеличение концентрации биогенных элементов в питательной среде в 2, 4, 8 раз обеспечивает устойчивый рост культуры и кратное увеличение урожая (Gr). Учитывая данные по коэффициентам ассимиляции гиацинтом азота и фосфора, определив начальные концентрации биогенных элементов в загрязненных водах, можно рассчитать количество массы растения, которое необходимо вырастить для снижения уровня загрязняющих веществ до требуемого уровня, т.е. для биоремедиации стоков.

 

Работа выполнена по теме Госзадания ФГБУН ИМБИ № 1001-2014-0017.

 

Список литературы

1. Горбунова С.Ю. Использование Eichornia crassipes (Martius) для биологической доочистки бытовых сточных вод // Экология моря. 2009. Вып.78. C. 40–43.

2. Горбунова С.Ю., Фомин Н.В. Экспериментальное исследование роста водного гиацинта Eichornia crassipes // Экология моря. 2010. Спец. вып. №80: Биотехнология водорослей. C. 41–43.

3. Жданов В.С. Аквариумные растения. – М.: Лесная промышленность. – 1987. – 295 с.

4. Левич А.П. Потребности фитопланктона в ресурсах среды и пути управления структурой альгоценозов // Журнал общей биологии. 1989. 50, вып.3. С. 316–328.

5. Левич А.П., Личман Е.Г. Модельное изучение возможностей направленного изменения структуры фитопланктонного сообщества // Журнал общей биологии. 1992. 53, №5. С. 689–703.

6. Фурсова П.В., Левич А.П. Математическое моделирование в экологии сообществ. Обзор литературы // Проблемы окружающей среды (обзорная информация ВИНИТИ). 2002. №9.

7. Chuang, Y-S., Lay, C-H., Sen, B., Chen C-C., Gopalakrishnan. K., Wu J-H., Lin C-S, Lin C-Y. Biohydrogen and biomethane from water hyacinth (Eichhornia crassipes) fermentation: effects of substrate concentration and incubation temperature. // Int J Hydr Energy. 2011. №36. P. 14195–14203.

8. Chunkao K., Nimpee C. The King's initiatives using water hyacinth to remove heavy metals and plant nutrients from wastewater through Bueng Makkasan in Bangkok // Thailand. Ecological Engineering. 2012. №39. Р. 40–52.

9. Dagno K., Lahlali R., Friel D., Bajji M., Jijakli H. Review: problems of the water hyacinth, Eichhornia crassipes in the tropical and subtropical areas of the world, in particular its eradication using biological control method by means of plant pathogens. // Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 2007. №11 (4). Р. 299–311.

10. Dagno K., Lahlali R., Diourte M., Haissam J. Fungi occurring on water hyacinth (Eichhornia crassipes [Martius] Solms-Laubach) in Niger River in Mali and their evaluation as Mycoherbicides. // J. Aquat. Plant Manage. 2012. №50. Р. 25–32.

11. Feikin D., Tabu C., Gichuki J. Does water hyacinth on East African lakes promote cholera outbreaks? // American Journal of Tropical Medicine and Hygiene. 2010. №83. Р. 370–373.

12. Gunnarsson C.C., Petersen C.M. Water hyacinths as a resource in agriculture and energy production: a literature review. // Waste Management. 2007. № 27. Р. 117–129.

13. Jafari N. Ecological and socio-economic utilization of water hyacinth (Eichhornia crassipes Mart Solms) // J Appl Sci Environ Manag. 2010. № 14. P. 43–49.

14. Kateregga E., Sterner T. Lake Victoria fish stocks and the effects of water hyacinth. // The Journal of Environment & Development. 2009. №18. Р. 62–78.

15. Mahamadi C., Nharingo T. Competitive adsorption of Pb2+, Cd2+ and Zn2+ ions onto Eichhornia crassipes in binary and ternary systems. // Bioresour Technol. 2010. №101. Р. 859–864.

16. Malik А.A., Aremu A., Ayanwale B.A., Ijaiya A.T. A nutritional evaluation of Water Hyacinth [Eichhornia crassipes (Martius) Solms-laubach] meal diets supplemented with maxi grain enzyme for growing pullets // Journal of raw materials research. 2016. V.13, № 2. P. 18–44.

17. Midgley J.M., Hill M.P., Villet M.H. The effect of water hyacinth, Eichhornia crassipes (Martius) Solms-Laubach (Pontederiaceae), on benthic biodiversity in two impoundments on the New Year’s River, South Africa. // African Journal of Aquatic Science. 2006. №31. Р. 25–30.

18. Mironga J., Mathooko J., Onywere S. The Effect of Water Hyacinth (Eichhornia сrassipes) Infestation on Phytoplankton Productivity in Lake Naivasha and the Status of Control. // Journal of Environmental Science and Engineering. 2011. №5(10). Р. 1252–1261.

19. Ndimele P., Kumolu-Johnson C., Anetekhai M. The invasive aquatic macrophyte, water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart.) Solm-Laubach: Pontedericeae): problems and prospects. Res // J. Environ Sci. №5. 2011. Р. 509–520.

20. Sankar Ganesh P, Ramasamy E.V., Gajalakshmi S., Abbasi S.A. Extraction of volatile fatty acids (VFAs) from water hyacinth using inexpensive contraptions and the use of the VFAs as feed supplement in conventional biogas digesters with concomitant final disposal of water hyacinth as vermicompost. // Biochemical Engineering Journal. 2005. №27. P. 17–23.

21. Villamagna A., Murphy B. Ecological and socio-economic impacts of invasive water hyacinth (Eichhornia crassipes): a review. // Biology. 2010. №55. Р. 282–298.

22. Xie Y., Yu D. The significance of lateral roots in phosphorus (P) acquisition of water hyacinth (Eichhornia crassipes). // Aquatic Botany. 2003. №75. P. 311–321.

Статья поступила в редакцию 19.12.2016

.

 

Growth and bioremediation characteristics of water hyacinth culture Eichornia crassipes (Martius)

Svetlana Yu. Gorbunova

Estimathion of impact the initial concentrations of nutrients in the medium on the growth and reproduction of culture Eichornia crassipes has been made. Dependence batch culture productivity E. srassipes of initial concentrations of N–NO3 and P–PO4 in the medium has been determined. For the first time the half-saturation constant for the culture of water hyacinth have been identified.

Key words: bioremediation; higher water plants; water hyacinth; waste water; nutrients.

 

Об авторе

Горбунова Светлана Юрьевна - Gorbunova Svetlana Yu.

кандидат биологических наук
старший научный сотрудник, Институт морских биологических исследований им. А.О.Ковалевского РАН  (ФГБУН ИМБИ), г. Севастополь, Россия (Federal State Institution of Science «The A. O. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS» IMBR, Sevastopol, Russia)

svetlana_8423@mail.ru

Корреспондентский адрес: Россия, 299011, Севастополь, пр. Нахимова, 2, ФГБУН ИМБИ; тел. (869)-2550795.

 

ССЫЛКА НА СТАТЬЮ:

Горбунова С.Ю. Ростовые и биоремедиационные характеристики культуры водный гиацинт Eichornia crassipes (Martius) // Вопросы современной альгологии. 2017. № 1 (13). URL: http://algology.ru/1157

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

 

 

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

 

 

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

 

К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ








ГЛАВНАЯ

НОВОСТИ

О ЖУРНАЛЕ

АВТОРАМ

13 номеров журнала

ENGLISH SUMMARY

ОБЗОРЫ И СТАТЬИ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ


АКВАРИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
И  ИХ  СОДЕРЖАНИЕ


КОНФЕРЕНЦИИ

АЛЬГОЛОГИЧЕСКИЙ СЕМИНАР

СТУДЕНЧЕСКИЕ РАБОТЫ

АВТОРЕФЕРАТЫ

РЕЦЕНЗИИ


ПРИЛОЖЕНИЕ к журналу:


ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОПРЕДЕЛИТЕЛИ И МОНОГРАФИИ

ОТЕЧЕСТВЕННАЯ АЛЬГОЛОГИЯ
СЕГОДНЯ


ИСТОРИЯ АЛЬГОЛОГИИ

КЛАССИКА
ОТЕЧЕСТВЕННОЙ АЛЬГОЛОГИИ


ПУБЛИКАЦИИ ПРОШЛЫХ ЛЕТ

ВЕДУЩИЕ АЛЬГОЛОГИЧЕСКИЕ
ЦЕНТРЫ


СЕКЦИЯ  АЛЬГОЛОГИИ  МОИП

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ РАЗДЕЛ

СЛОВАРИ И ТЕРМИНЫ



НАШИ ПАРТНЕРЫ


ПРЕМИИ

КОНТАКТЫ

Новые публикации



Карта сайта






Рассылки Subscribe.Ru
Журнал "Вопросы современной альгологии"
Подписаться письмом


Облако тегов:
микроводоросли    макроводоросли    пресноводные    морские    симбиотические_водоросли    почвенные    Desmidiales(отд.Сharophyta)    Chlorophyta    Rhodophyta    Phaeophyceae    Диатомеи     Dinophyta    Prymnesiophyta_(Haptophyta)    Cyanophyta    Characeae    бентос    планктон    перифитон    кокколитофориды    Экология    Систематика    Флора_и_География    Культивирование    Химический_состав    Минеральное_питание    Ультраструктура    Загрязнение    Биоиндикация    Размножение    Морфогенез    Морфология_и_Морфометрия    Физиология    Морские_травы    Использование    ОПРЕДЕЛИТЕЛИ    Фотосинтез    Фитоценология    Черное_море    Белое_море    Баренцево_море    Дальний_Восток    Азовское_море    Каспийское_море    Чукотское_море    КОНФЕРЕНЦИИ    ПЕРСОНАЛИИ    ИСТОРИЯ    РЕЦЕНЗИЯ    Биотехнология    Динамические_модели    Экстремальные_экосистемы    Ископаемые_водоросли    Сезонные_изменения    Биоразнообразие    Аральское_море    

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147