Ocena efektywności usuwania wybranych mikrozanieczyszczeń organicznych z wód i ścieków przez rośliny pływające

Abstract

Celem badań przedstawionych w rozprawie doktorskiej był dobór optymalnych warunków oraz określenie kinetyki, mechanizmów i efektywności usuwania wybranych mikrozanieczyszczeń organicznych (OMP) z matryc laboratoryjnych i rzeczywistych przez rośliny pływające z gatunków Wolffia arrhiza, Lemna minor, Spirodela polyrhiza oraz Azolla caroliniana. Dodatkowym aspektem było określenie toksyczności wybranych mikrozanieczyszczeń w stosunku do badanych roślin. Podstawę pracy doktorskiej stanowi cykl pięciu prac opublikowanych w czasopismach naukowych o zasięgu międzynarodowym (z listy JCR), w których przedstawiono wnikliwą analizę dostępnej literatury dotyczącej zastosowania procesu fitoremediacji do usuwania OMP ze środowiska, a także wyniki przeprowadzonych prac eksperymentalnych. Prace badawcze dotyczyły usuwania 15 związków chemicznych należących do grup zanieczyszczeń przemysłowych (benzotriazoli małocząsteczkowych, benzotriazolowych filtrów UV, bisfenolu A), hormonów (estronu, 17-β-estradiolu, dietylostilbestrolu) i środków higieny osobistej (triklosanu, DEET). Dokonano wyboru czynników mogących wpływać na efektywność usuwania badanych OMP, które następnie poddano procesom optymalizacji, dobierając optymalne warunki z zastosowaniem chemometrycznych metod planowania eksperymentu. Określono kinetykę oraz efektywność usuwania OMP z wód. Stwierdzono, że usuwanie wszystkich badanych OMP przez drobne makrofity pływające przebiega zgodnie z kinetyką pseudo-pierwszego rzędu, a efektywność tych procesów dla większości związków zawiera się w przedziale od 70 do 100 % w ciągu 14 dni hodowli. Eksperymenty przeprowadzone w różnych warunkach, w ciemności i w oświetleniu, bez rośliny, z rośliną żywą i martwą pozwoliły stwierdzić, że zarówno mechanizmy abiotyczne, jak i biologiczne odpowiadają za usuwanie OMP, przy czym największy udział w efekcie końcowym mają pobieranie przez roślinę oraz sorpcja. Większość z pobranych przez roślinę zanieczyszczeń ulega dalszym przemianom, a tylko niewielka ich część bioakumuluje się w roślinie w niezmienionej postaci. W celu oceny możliwości zastosowania usuwania OMP przez rośliny pływające w warunkach rzeczywistych przeprowadzono hodowle z użyciem ścieków surowych i oczyszczonych oraz odcieków składowiskowych. Otrzymane wyniki wykazały, że w większości przypadków można zauważyć zasadę, że im bardziej zanieczyszczony jest roztwór z którym mają kontakt rośliny, tym usuwanie badanych związków zachodzi z mniejszą efektywnością. W niektórych hodowlach przeprowadzonych z użyciem ścieków surowych otrzymano wyższe wydajności usuwania i poprawę parametrów fizykochemicznych ścieków w porównaniu z hodowlami przeprowadzonymi na ściekach oczyszczonych, co wynika ze zdolności badanych roślin do wykorzystania w procesach życiowych składników pokarmowych obecnych w ściekach. W ramach przeprowadzonych badań dokonano oceny toksyczności badanych OMP w stosunku do roślin z którymi miały kontakt. Otrzymane wyniki (bilans masy, zawartość barwników fotosyntetycznych, aktywność enzymów antyoksydacyjnych, poziom antyoksydantów nieenzymatycznych, zawartości białek, cukrów oraz kwasów tłuszczowych) wskazują, że kontakt z badanymi OMP zaburza funkcje życiowe organizmów, ale uruchomione mechanizmy detoksykacji umożliwiają aklimatyzację roślin do warunków stresowych.

The aim of the research presented in the following doctoral thesis was to select optimal conditions and determine kinetics, effects, and removal of selected organic micropollutants (OMPs) from laboratory and real matrices by floating plants of species Wolffia arrhiza, Lemna minor, Spirodela polyrhiza, and Azolla caroliniana. An additional aim was to determine the toxicity of OMPs to the tested plants. As a result, the following doctoral thesis consists of a series of five papers published in international scientific journals (JCR-listed), which present a thorough analysis of the available literature on the use of phytoremediation to remove OMPs from the environment, as well as the results of the conducted experiments. The research focused on the removal of 15 chemical compounds belonging to groups of industrial pollutants (low-molecular weight benzotriazoles, benzotriazole UV filters, bisphenol A), hormones (estrone, 17-β-estradiol, diethylstilbestrol), and personal care products (triclosan, DEET). The research included the assessment of the impact of phytoremediation conditions on its efficiency, which led to the selection of optimal conditions using a chemometric design of experiments. The kinetics and efficiency of OMP removal were determined. The results show that removal of all tested OMPs by small floating macrophytes proceeds according to the pseudo-first-order kinetics, with the efficiency of these processes ranging from 70 to 100% for most compounds within 14 days of cultivation. Experiments conducted under various conditions (in darkness and with light, without plants, and with living and dead plants) allowed for the conclusion that both abiotic and biological mechanisms are responsible for OMP removal, with plant uptake and sorption contributing the most to the final effect. Most of the pollutants taken up by the plant are further transformed, and only a small part bioaccumulates in unchanged form in the plant. In order to assess the possibility of application removal by OMPs floating plants in real conditions, cultures were conducted using raw and treated sewage, as well as landfill leachate. The obtained results indicate that in most cases, the more contaminated the matrix with which the plants come into contact, the less effective the removal of the tested compounds. Some plant breeding carried out using raw sewage achieved higher removal efficiencies and improved physicochemical parameters of the wastewater compared to cultures conducted using treated sewage, which results from the ability of the studied plants to utilize nutrients present in the wastewater in their life processes. As part of the conducted studies, the toxicity of the studied OMPs was assessed in relation to aquatic plants. The obtained results (mass balance, content of photosynthetic pigment, antioxidant enzyme activity, non-enzymatic antioxidant levels, along with the content of protein, sugar, and fatty acid) indicate that contact with the studied OMPs disrupts the vital functions of the tested organisms, but the activation of detoxification mechanisms allows plants to adapt to stress conditions.