книги / Растения как средство очистки олиготрофных сточных и природных вод

Рис.3.21. Схема установки для минерального питания растений одновременно из 2-х растворов с различной концентрацией солей:

1 - основной вегетационный сосуд, 2 - аэролифтный аэратор, 3 - сосуд дополнительного питания, 4 - система циркуляции богатой

питательной среды, 5 - сосуд с богатой питательной средой, 6 - трубка для слива и залива воды, 7 - ёмкость с дистиллированной водой для автоматической компенсации испарения.

Таким образом, доля растений в общем снижении солесодержания составила 34 %. Остальные 66% снижения обусловлены прочими физико-химическими и мик­ робиологическими процессами.

В сосуде с богатой средой среднесуточное снижение концентрации в присутст­ вии корней составило 45±33 мг/дм3'сут и в контрольном сосуде 35±26 мг/дм3 сут (5 измерений). В этом варианте на долю растений пришлось 19 % от общего снижения солесодержания.

Анализ изменения рН показал, что эта характеристика сред в ходе культивиро­ вания в пределах точности измерений существенно не менялась. Можно отметить слабое подщелачивание бедной среды на 0,013±0,034 в сутки в сосуде с корнями (17 замеров) и на 0,040+0,033 в контрольном сосуде (16 замеров) и ещё более слабое подкисление богатой среды на 0,008±0,066 в эксперименте (6 замеров) и на 0,019+0,035 в контроле (9 замеров).

3.8.2. Развитие зебрины при дополнительном питании

Конечные параметры растений после 3-месячного культивирования представ­ лены в табл.3.15. Все три варианта достаточно отличались по адгезионной способ­ ности при наиболее высоком значении показателя А в первом варианте. Преобла­ дание третьего варианта над вторым хорошо соответствует известной зависимости стимулирующего действия малопитательных сред на относительное развитие корня. В данном случае корень в бедной питательной среде был массивней не только по отношению к собственной полной

массе растения, но и по абсолютной величине превышал примерно в 1,4 раза массу корня в богатой среде при массе надземной части в 3,6 раза меньшей массы надзем­ ной части второго варианта. В то же время, масса основного корня первого варианта превышала массу корня третьего варианта в 1,6 раза, а вместе с корнем дополни­ тельного питания - 1,8 раза. При этом масса надземной части растений первого ва­ рианта превышала соответствующую массу третьего варианта в 5,5 и второго - 1,6 раза. Такой результат позволяет сделать вывод, что использование в технологиче­ ских системах очистки воды дополнительной подпитки растений может позволить повысить не только эффект очистки, но и увеличить выход биологической продук­ ции примерно, в 1,5 раза даже по сравнению с обычным гидропонным выращивани­ ем растений на богатой питательной среде. Следует отметить, что масса корней до­ полнительного питания не превышает 1/10 части общей массы корней.

Анализ динамики развития адгезионной способности показывает (рис.3.24), что основная корневая система первого варианта в первый месяц культивирования заметно уступает остальным вариантам, что можно объяснить меньшей исходной массой (часть корней находится в дополнительном сосуде) и необходимостью опре­ делённой физиологической перестройки и адаптации к новому режиму культивиро­ вания. В дальнейшем скорость развития резко увеличивается и к концу второго ме­ сяца по адгезионной способности уже превосходит варианты бедного и богатого пи­ тания, относительное положение которых не менялось в ходе развития.

Во всех сосудах и в системе дополнительного питания в процессе культивирования наблюдалось постепенное снижение концентрации солей (рис.3.25). Для первого ме­ сяца вегетации характерно относительно медленное почти линейное снижение кон­ центрации. Особенностью второго и третьего месяцев является значительно более резкое снижение солесодержания в первые дни после замены сред со значительным замедлением этого процесса в конце периодов. Вариант двойного питания характе-

ризуется более интенсивным снижением концентрации солей как в бедной (по срав­ нению с вариантом 3), так и в богатой (по сравнению с вариантом 2) питательных средах.

Таблица 3.15

Конечные параметры растений зебрины

*- сырой массы

Каждая кривая на рис.3.25 представляет собой графическое изображение функции С=Д{), где С - общая концентрация солей, 4 - время. Это позволяет с ис­ пользованием метода геометрического дифференцирования определить скорость снижения концентрации в любой заданный момент времени как значение первой производной указанной функции в данной точке: С1=/(()=с1С/с11. Наибольший прак­ тический интерес представляют значения скоростей в первые сутки замены сред, поскольку они максимальны и наиболее близки (практически равны) скоростям, ко­ торые должны наблюдаться при проточном режиме работы водоочистных аппара­ тов. Наибольшие скорости снижения наблюдаются в системе дополнительного пи­ тания первого варианта и находятся в пределах 60-80 мг/дм3 сут.

Для бедной среды этого варианта соответствующие скорости имеют значения порядка 20 мг/дм3'сут. Аналогичные максимальные скорости для вариантов 2 и 3 составляют соответственно 35-40 и 10 мг/дм3 сут. Каждая из указанных скоро­ стей является суммарным результатом активного поглощения растениями солей и пассивных физико-химических процессов. Поскольку в первые дни культивирова­ ния доля растений в суммарном процессе невелика, то можно принять, что скорости в этот период целиком определяются физико-химическими процессами. В соответ­ ствии с рис.3.25 эти скорости составляют для богатой и бедной сред соответственно «10 и «3 мг/дм3 сут. Вычитание этих величин из суммарных скоростей позволяет определить скорости поглощения солей растениями.

Адгезионная способность,

Транспирация, г/сут

Рис.3.24. Изменение адгезионной способности корней и транспирации зебрины: 1 - основной сосуд варианта с двойным питанием, Ь - дополнительный сосуд этого же варианта, 2 - вариант с богатым питанием, 3 - вариант с бедным питанием

139

Эти скорости не превышают при двойном питании для богатой и бедной сред, соответственно, 50-70 и «17 мг/дм3'сут,.для вариантов 2 и 3 25-30 и «7 мг/дм3‘сут.

Данные, представленные на рис.3.25, с учетом объёмов сосудов позволяют оп­ ределить также общую массу солей, удалённую из каждого сосуда. Из этих же дан­ ных следует, что на долю растения приходится от 40 до 65 % этой массы. Поскольку известна полная сухая масса растения (табл.3.15), можно определить процентное со­ держание в ней поглощённых солей, которое находится в пределах 10-20 %, то есь, соответствует нормальным пределам.

Представляет интерес сравнение количества солей, поглощённых из основного и дополнительного сосудов. Расчёты показывают, что в первом случае корневая сис­ тема работала со средней производительностью 1,4, а во втором - 3,9 мг/сут, не­ смотря на то, что масса корней во втором случае примерно в 7,6 раза меньше. Это означает, что удельная производительность корня дополнительной системы питания примерно в 20 раз выше. Удельная скорость поглощения солей корнем во втором варианте в 5,6 раза ниже, чем дополнительного корня первого варианта. В третьем варианте удельная скорость поглощения солей корнем в 1,9 раза выше, чем у основ­ ного корня первого варианта.

Изменение рН питательных растворов показано на рис.3.26. В первый месяц культивирования этот показатель изменялся несущественно и во всех вариантах сходным образом. В первой декаде происходило небольшое повышение на 0,3-0,5 единицы, обусловленное аэрацией воды. Во второй декаде, по мере развития корне­ вых систем и проявления их подкисляющих свойств, возрастание рН менялось на снижение, которое более значительно проявилось в богатых питательных средах.

После второй заливки питательных сред во втором варианте с богатым пита­ нием наблюдалось резкое снижение рН с 7,2 до 6,0 в первой декаде с постепенным повышением во второй и третьей декадах. В третьем варианте изменение рН было таким же, как и в первый месяц. В основном сосуде с бедной средой первого варианта первоначально происходило небольшое повышение рН, переходящее в постоянное снижение в течение последующих 3 недель с 8,2 до 6,5.

После третьей замены сред во всех вариантах сначала наблюдалось только снижение рН. Во втором варианте и в основном сосуде первого варианта в течение первых 3 недель величина рН снизилась на 2-2,5 единицы, перейдя к концу месяца на небольшое повыше­ ние на 0,5 единицы. В третьем варианте величина рН почти монотонно снизилась за месяц на 0,4 единицы.

В системе дополнительного питания в течение второго и третьего месяцев культивирования величина рН скачкообразно менялась в пределах 6,5-8,0, что мож­ но объяснить малой массой корней по отношению к объёму циркулирующей среды и относительно большим влиянием случайных факторов.

Следует подчеркнуть, что наблюдаемое в эксперименте подкисление заметно уступает обычному подкиселнию стандартных питательных сред, подобных среде Хогланда-Снайдерса, у которых рН снижается на 2-4 единицы в течение недели. Бо­ лее слабое подкисление в эксперименте обусловлено тем, что общая концентрация солей составляла лишь 1/2 от нормального оптимума и при этом была умышленно занижена примерно вдвое концентрация калия, что сделало среду менее физиологи­ чески кислой.

Все три варианта достоверно отличались по содержанию воды в корнях и зе­ лёных частях растений (табл.3.15). Одинаковую влажность имели только надземные части первого и третьего вариантов, которая на 2,2% была меньше, чем в варианте 2.

Рис.3.26. Изменение рН в опыте с зебриной:

1 - основной сосуд варианта с двойным питанием,

Ь- дополнительный сосуд этого же варианта, 2 - вариант огатым питанием, 3 - вариант с бедным питанием

Влажность корневых систем была на 6-12 % ниже, чем у надземных частей; максимальная во втором варианте и минимальная в третьем.

Абсолютная транспирация в течение первых 2-х месяцев вегетации (рис.3.24) полностью положительно коррелирует с конечной сырой массой растений. В по­ следний месяц вегетации наблюдалось резкое увеличение транспирации во втором варианте, который по этому показателю к окончанию эксперимента заметно пре­ взошёл первый вариант. Конечное значение удельной транспирации находилось в обратной зависимости от полной сырой массы растений.

Третий вариант отличался полным отсутствием ветвления побегов, в то время как растения первого и второго вариантов имели в среднем по 5-6 боковых побегов различных порядков.

На основании проведённых экспериментов можно сделать следующие выво­

ды.

1.Дополнительное независимое питание позволяет повысить эффективность ис­ пользования высших растений (древесных и травянистых) в технологических про­ цессах очистки воды, содержащей недостаточное количество питательных элемен­ тов.

2.Адгезионная способность корней тополя, развивающих в среде с недостатком пи­ тания (очищаемая вода), не уступает адгезионной способности корней этого же рас­ тения, развивающихся в богатой питательной среде.

3.Адгезионная способность корней растений зебрины, развивающихся в очищае­ мой воде, при дополнительном независимом питании, превосходила на 5 % анало­ гичный показатель растений, развивающихся только за счёт очищаемой воды, и на

11% - адгезионную способность корней растений, развивающихся целиком на бога­ той питательной среде.

4.Кроме повышения эффективности очистки воды, дополнительное независимое питание позволяет значительно увеличить биологическую продуктивность растений. Полная сухая масса растений при двойном питании превосходила массу растений, выросших целиком на богатой питательной среде, в среднем в 1,7 раза и массу рас­ тений, выросших целиком на очищаемой воде, в 4,3 раза.

5.Скорости поглощения солей растениями из очищаемой воды при обычном куль­ тивировании и при культивировании с дополнительным питанием были практиче­ ски одинаковыми.

3.9. Совместное использование различных видов растений

Из-за чувствительности высших растений к колебаниям факторов среды, для надёжной работы очистных сооружений целесообразно использовать одновременно несколько видов с различными адаптационными возможностями, что уменьшит ве­ роятность их одновременной гибели. Совместное использование может иметь и ещё один очень полезный эффект, выражающийся во взаимном дополнении растениями друг друга. Нередко растение, обладающее очень разветвлённой корневой системой с большим количеством тонких корешков и корневых волосков, не может реализо­ вать свой потенциал большой адсорбционной поверхности из-за слабой механиче­ ской прочности тканей. Корни такого растения, не обладая достаточной жёсткостью, слипаются в водной среде в один жгут и не создают никакого водоочищающего эф­ фекта. Возможен и другой крайний вариант, когда крупная корневая система с тол­ стыми, механически прочными корнями, равномерно распределёнными по объёму воды, также не имеет водоочищающего эффекта из-за относительно небольшой аб­