Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 8
1.1 Проблемы рециклинга шламовых отходов доменного производства 8
1.2 Экологические проблемы утилизации шламов доменного производства 11
1.3 Использование шламовых отходов в сельском хозяйстве 18
1.4 Роль микроэлементов для растений 21
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследований
2.1 Объект исследования 29
2.2 Тест–объекты 30
2.3 Методики исследования
2.3.1 Физико–химическое исследование образца металлургического шлама 35
2.3.2 Лабораторная методика оценки всхожести и исследования морфометрических параметров растений под воздействием компонентов металлургических шламов в составе культивационных сред 36
2.3.3 Методика исследования влияния металлургических шламов на вегетативные и генеративные параметры растений в условияхтеплицы 38
2.3.4 Методы биохимических исследований 39
2.3.5 Методика проведения полевых исследований 46
2.3.6 Статистическая обработка данных 51
2.3.7 Методика исследования накопления металлов в тканях растений и почве 51
ГЛАВА 3. Результаты 52
3.1 Результаты физико–химического исследования образца металлургического шлама 52
3.2 Результаты исследования влияния шлама металлургического производства на сельскохозяйственные культуры 55
3.2.1 Лабораторное исследование 55
3.2.2 Результаты исследования в теплице 76
3.2.3 Результаты полевого исследования 94
3.3 Результаты исследования экологической безопасности применения шламовых отходов в растениеводстве 111
3.3.1 Содержание металлов в органах экспериментальных растений 111
3.3.2 Содержание металлов в почве опытных участков 112
3.3.3 Анализ характера накопления компонентов шлама в органах растений
Выводы 118
5. Практические предложения 119
Список использованных источников 121
- Использование шламовых отходов в сельском хозяйстве
- Лабораторная методика оценки всхожести и исследования морфометрических параметров растений под воздействием компонентов металлургических шламов в составе культивационных сред
- Результаты исследования влияния шлама металлургического производства на сельскохозяйственные культуры
- Результаты исследования экологической безопасности применения шламовых отходов в растениеводстве
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема образования и переработки техногенных отходов является одной из важнейших и недостаточно изученных проблем XXI столетия (Деринг, 2007; Липенков, Фарафонов, 2006; Ануров и др., 2007; Бакаев, Бушуева, 2005; Байтелова, Гарицкая, 2007; Kozhevnikov et al., 2014). Значительную долю неиспользуемых отходов составляют отходы металлургии (Lis et al., 2015). По имеющимся данным, на современных металлургических предприятиях при выплавке 1 млн. т стали образуется 800 тыс. т шлаков, 100 тыс. т пыли и 30 тыс. т шламов (Волынкина, 2007). На сегодняшний день в России и странах СНГ отсутствуют экономически доступные промышленные технологии рециклинга высокодисперсных отходов электрометаллургического и доменного производств – зол и шламов, которые характеризуются высоким содержанием железа (до 40-50%), а также таких металлов, как цинк, медь, никель, свинец, кадмий и др. Данные отходы, потенциально являющиеся богатым железом металлургическим сырьем, не могут быть использованы в аглодоменном процессе из-за высокого содержания цинка (более 0,5%), разрушающего футеровку доменных печей. (Kiventer et al., 2016). Вследствие этого на большинстве российских металлургических предприятий утилизация шламов осуществляется путем помещения в отвалы (Брызгалов и др., 2009; Кузнецов и др., 2013). Неконтролируемо поступая оттуда в подземные воды и почву, шламовые отходы представляют экологическую угрозу, являясь источником тяжелых металлов, избыток которых негативно влияет на состояние природных экосистем и качество растениеводческой продукции (Черных, Черных, 1995).
В то же время присутствие в составе шлама железа, цинка, меди, марганца и молибдена делает перспективным его использование в растениеводстве в качестве источника микроэлементов в высокодисперсной форме. Например, железо входит в состав ряда растительных ферментов, а также участвует в синтезе хлорофилла, в дыхании и в обмене веществ; цинк играет важную роль в белковом, углеводном и фосфорном обмене, в биосинтезе витаминов и гормонов роста – ауксинов (Школьник, Макарова, 1957; Дмитриев, 2006).
Известны примеры успешного использования шламов сточных вод, содержащих переходные металлы, в качестве органоминерального удобрения для питания растений и повышения плодородия почв (Пахненко, 2009; Андронова, 2002; Пасенко, 2013), однако высокодисперсные металлургические отходы до сих пор не рассматривались как перспективный почвенный стимулятор.
Цель и задачи исследования. Цель – исследование морфофизиологических реакций сельскохозяйственных растений на воздействие высокодисперсного металлосодержащего отхода в лабораторных, тепличных и полевых условиях для определения пределов толерантности растительных организмов и разработки подходов к биоутилизации металлургических шламов.
Задачи:
1. Проведение структурного и элементного анализа исследуемого
высокодисперсного металлургического отхода (шлама).
2. Оценка влияния исследуемого отхода в составе культивационных сред
на показатели всхожести семян сельскохозяйственных растений в
лабораторных условиях.
3. Анализ биологической и хозяйственной продуктивности, оценка
биохимического статуса сельскохозяйственных растений под воздействием
исследуемого отхода в условиях теплицы.
4. Оценка биологической и хозяйственной продуктивности растений,
выращенных в полевых условиях под воздействием металлургического шлама.
5. Исследование экологической безопасности применения шлама в
растениеводстве.
6. Разработка рекомендаций по дальнейшему исследованию подходов к
использованию шламовых отходов в растениеводстве.
Научная новизна работы.
В работе предложен возможный вариант использования накопленных в ходе применения традиционных способов утилизации запасов высокодисперсных отходов металлургической промышленности России (более 1250 тыс. тонн в год) в качестве микроэлементного компонента удобрений.
Новизна предлагаемого подхода заключается в попытке одновременно решить сразу две задачи – экологически безопасной биоутилизации металлосодержащих шламов и создания на их основе эффективных и дешёвых сельскохозяйственных удобрений.
Впервые в условиях лаборатории, теплицы и полевых экспериментов проведено исследование влияния шлама металлургического производства на показатели всхожести, биологической и хозяйственной продуктивности, а также на биохимические параметры распространенных сельскохозяйственных культур. Впервые проведена оценка экологической безопасности металлургического шлама, с учетом накопления его компонентов в органах растений и почве опытных участков.
Практическая значимость работы.
Впервые сформулированы практические рекомендации для разработки подходов к использованию шлама в качестве компонента микроэлементных удобрений, установлены оптимальные и пороговые концентрации для рапса ярового, свеклы сахарной и льна посевного.
Результаты исследований используются в учебном процессе по дисциплинам «Биоиндикация окружающей среды», «Расчёты и прогнозирование в экологии», «Экологическая токсикология», «Техногенные системы и экологический риск» у студентов специальности «Экология и природопользование».
Разработаны объекты интеллектуальной собственности: «Способ
экологически чистой биоконверсии высокодисперсных отходов металлургической
индустрии, содержащих тяжелые металлы» (Пат. №2541642) Российская Федерация, «Способ приготовления водных суспензий высокодисперсных материалов с использованием ультразвуковой обработки» (ноу-хау Свид. №2013– 0002 от 19.06.2013 г.).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
В лабораторных, тепличных и полевых условиях установлено достоверное воздействие металлургического шлама на всхожесть, развитие вегетативных органов, активность ферментов антиоксидантной системы, содержание фотосинтетических пигментов и урожайность растений рапса ярового, свеклы сахарной и льна посевного.
-
Почвенное использование исследуемого отхода при норме внесения до 4 т/га не приводит к накоплению металлов в почве до значений, превышающих уровень ПДК (СанПиН № 42–123–4089–86; ГН 2.1.7.2041–06).
-
Металлургический шлам, при нормах внесения 0,5 т/га и 2 т/га, является перспективным материалом для дальнейших исследований по разработке микроэлементных удобрений для рапса ярового, свеклы сахарной и льна посевного.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены и обсуждены
на всероссийских и международных научно–практических конференциях: научно–
практический семинар «Наноматериалы и живые системы. Технологии
медицины», НИТУ «МИСиС», Москва, 2013; I международная научно–
техническая конференция «Научно–технический прогресс в черной металлургии»,
Череповец, 2013; научно–практический семинар «Наноматериалы и живые
системы», НИТУ «МИСиС», Москва, 2014; 7–ая Всероссийская научно–
практическая конференция с международным участием «Экологические проблемы
промышленных городов», Саратов, 2015; 19–ая Международная Пущинская
школа–конференция молодых ученых «БИОЛОГИЯ – НАУКА XXI ВЕКА»,
Пущино, 2015; III Международная молодежная научно–практическая конференция
"Междисциплинарные проблемы нанотехнологий, биомедицины и
нанотоксикологии", Тамбов, 2015; Всероссийская научная конференция "Растения в условиях глобальных и локальных природно–климатических и антропогенных воздействий", Петрозаводск, 2015; II международная научно–техническая конференция «Научно–технический прогресс в черной металлургии – 2015», Череповец, 2015; 2–nd International Young Scientists School “NANOSTRUCTURED MATERIALS”, Tomsk, 2016.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа изложена на 143 страницах, содержит 12 таблиц, 100 рисунков и состоит из следующих разделов: введение, обзор литературы, материалы и методы исследований, результаты исследований и их обсуждение, выводы, практические предложения, список использованной литературы (291 источник, 172 из которых – иностранные).
Личный вклад автора заключается в поиске и анализе литературы по теме
диссертации, постановке цели и задач исследования, в организации и проведении
экспериментальных работ по оценке влияния металлургического шлама на
сельскохозяйственные растения в лабораторных, тепличных и полевых условиях,
анализе и обработке полученных результатов. Автором были разработаны научно-
методические подходы для дальнейших работ по созданию технологии
утилизации металлургических шламов с получением микроэлементных
комплексов и почвенных мелиорантов.
Использование шламовых отходов в сельском хозяйстве
Однако, влияние различных органических удобрений неоднозначно. Так, степень разложенности органических удобрений оказывает влияние на подвижность тяжелых металлов - при внесении неразложившейся соломы она увеличивается за счет образования органоминеральных низкомолекулярных растворимых комплексов, а потом, по мере разложения, проявляется иммобилизующий эффект (Сизов и др., 1990; Zaccone et al., 2010).
Имеющиеся рекомендации по применению в качестве химических мелиорантов органических удобрений носят неопределенный характер, что связано с противоречивостью имеющихся данных и недостаточным количеством проведенных исследований.
Вопрос о применяемых дозах также является неразработанным. Некоторые исследователи рекомендуют на загрязненных участках вносить повышенные дозы органики, учитывая относительную экологическую безопасность данного класса удобрений, однако при быстром разложении и минерализации больших доз удобрений в почве могут накапливаться значительные количества нитритов и нитратов (Ильин, 1991).
В то же время, применение оптимальных норм органических удобрений улучшает гумус, который играет важную роль в связывании токсичных металлов. Однако, тот факт, что положительный эффект скорее всего, проявится спустя некоторое время, внесение органических удобрений нужно осуществалять в комплексе с другими мероприятиями (фосфоритование, известкование, внесение сорбентов и др.). Из перечня органических удобрений наилучшие эффекты оказывают торф и торфо-навозные компосты с высокой степенью разложенности (Дабахов и др., 2005).
Известкование - метод химической мелиорации кислых почв, заключающийся во внесении в них известковых удобрений: кальцита, доломита, известняка, отходов сахарного производства, гашёной извести и т. д. Известь оказывает защитное действие в виде позитивных изменений в почвенной системе на разных уровнях - физическом, химическом и биологическом: известковые материалы образуют с катионами тяжелых металлов труднорастворимые соли: Ме2+ + СаСО3 МеСОз +Са2+; при нейтрализации почвенной среды возрастает прочность металлоорганических комплексов, увеличивается катионообменная емкость почвы, усиливаются некоторые химические и физико-химические процессы, которые способствуют сорбции металлов, увеличивая специфическое и неспецифическое поглощение тяжелых металлов; - реакция среды близкая к нейтральной активизирует почвенную микрофлору, способную включать катионы металлов в свою биомассу. Долговременное закрепление токсичных элементов поисходит в случае, если процесс образования органического вещества идет интенсивнее минерализации; - кальций, поступающий в результате известкования, улучшает физические свойства почв: способствет коагуляции почвенных коллоидов, укрепляет почвенную структуру, улучшает водоудерживающую способность и водопроницаемость; - содержащиеся в известковых материалах кальций и другие катионы, при поступлении в растение, являются антагонистами катионов тяжелых металлов (Титова и др., 2001).
Многочисленные исследования показывают, что растения, выращиваемые в известкованной почве, содержат меньше тяжелых металлов, чем те, которые выращиваются на неизвесткованной. Данный эффект связян с тем, что повышение рН способствует образованию гидроксидов. Например, для железа уровень рН, при котором образуется труднорастворимый Fe(OH)3 – 3,5. Увеличение рН на 1,8…2,0 снижает подвижность кадмия в 4–8 раз, а свинца – в 3–6 раз. Установлено, что значение рН, обеспечивающее наименьшую растворимость тяжелых металлов составляет 6,5.
К примеру, загрязненные тяжелыми металлами кислые почвы, эффективно известковать минеральнам удобрением на основе фосфат–содержащей породы доломита (Chena et al., 2006).
Внесение природных сорбентов. Перспективным химическим мелиорантом считается цеолит – природный гидроалюмосилик каркасного строения. Структура цеолитов включает каналы и полости молекулярного размера, заполненные молекулами воды и подвижными катионами. Цеолиты работают по принципу молекулярных сит, которые разделяют вещества в зависимости от размеров молекул и атомов. Структурные особенности таких минералов определяют участие в катионном обмене, наибольшая емкость характерна для натриевых цеолитов (Цилу, 1992). Например, в эксперименте с почвой, загрязненной Pb (200 мг/кг) показано, уменьшение концентрации свинца в растениях, выращенных на этой почве, при внесении 0,2 г/кг цеолита.
Несмотря на вышесказанное, чаще встречается точка зрения, что цеолиты не являются эффективными дезактиваторами тяжелых металлов, т.к. положительные эффекты отмечаются при высоких дозах – от 100 т/га (Freedman, Hutchinson, 1981). Кроме того, внесение цеолита может приводить к нарушению питания растений азотом, фосфором и калием (Овчаренко и др., 1994). Имеющиеся данные по использованию цеолитов носят противоречивый характер, что, вероятно, может быть связано с использованием в экспериментах их различных форм, а также различных типов почв. Внесение искусственных сорбентов. Помимо природных сорбентов, предпринимаются попытки создания искусственных сорбентов, обладающих высокой емкостью, селективностью и низкой стоимостью производства и применения. В качестве искусственных сорбентов испытываются комплексообразователи, ионообменные смолы, активированный уголь, отходы некоторых производств и т.п.
Глинование. Существенное влияние на подвижность поллютантов оказывает гранулометрический и минералогический состав почв, в связи с чем, неплохие результаты может дать глинование легких почв. Внесение глин, содержащих минералы с расширяющейся кристаллической решеткой (монтмориллонит, иллит, вермикулит), позволяет значительно увеличить катионообменную емкость почв. Прочность связи тяжелых металлов с глинистыми минералами зависит от их строения и возрастает от каолинита к монтмориллониту. Прочность связи также зависит от рН среды и содержания органического вещества. Отмечено, что почвенные глинистые минералы сорбируют тяжелые металлы тем сильнее, чем больше органического вещества содержится в почве. Имеет значение свойства самих металлов. Установлено, что прочность фиксации глинистыми минералами убывает в ряду: Pb2+ Zn2+ Cd2+
В то же время норма применяемой глины должна быть очень высокой. Для того, чтобы увеличить долю физической глины на 10% (по классификации Н.А. Качинского) (Качинский, 1946) и перевести почву из одной категории (например супесчаную) в другую (легкосуглинистую), требуется 200–300 т/га глины. При этом необходимо учитывать, как говорилось ранее, ее минералогический состав. В связи с этим глинование является весьма дорогостоящим мероприятием, которое может проводиться, если месторождение глины находится недалеко.
Лабораторная методика оценки всхожести и исследования морфометрических параметров растений под воздействием компонентов металлургических шламов в составе культивационных сред
Далее представлена краткая биолого-хозяйственная характеристика выбранных культур: Горчица белая Горчица белая, или Горчица английская – вид однолетних травянистых растений рода Горчица (Sinapis) семейства Капустные (Brassicaceae).
Горчица белая – прекрасная медоносная культура. Другим важным достоинством горчицы белой является ее роль в севообороте. Корневые выделения горчицы содержат органические кислоты, которые при взаимодействии с почвой могут переводить ряд элементов питания из ранее недоступной в легко усваиваемую растениями форму. Кроме того, корневые выделения оказывают мощное фитосанитарное воздействие против накопления в почве таких распространённых болезней картофеля, как фитофтороз, ризоктониоз, парша клубней, фузариозные гнили. Кроме того, установлено снижение в почве численности проволочника. Запашка горчицы поздней осенью также способствует гибели этого вредителя из-за нарушения условий его перезимовки (Синская, 1939). Горчица скороспела, быстро развивается и, даже при недостатке тепла, в короткий срок может сформировать значительный урожай зелёной массы, который может использоваться как зелёное удобрение, являющееся источником органического вещества для растений и почвенных микроорганизмов. Немаловажно и то, что при использовании на сидерат зелёная масса быстро разлагается в почве (в ней выгодное с этой точки зрения соотношение углерода и азота и мало грубой клетчатки) (Губанов, И. А. и др., 2003). Горчица белая обладает лекарственными свойствами. Семена применяют в кулинарии, делают столовую горчицу (Дудченко и др., 1989). Клевер красный Клевер красный (луговой) – двухлетнее или многолетнее растение семейства Бобовые (Fabaceae). Это ценное кормовое растение, способное без применения азотных удобрений давать дешёвые высокобелковые корма для животноводства. Наряду с сахарной ценностью всё большее значение уделяется почвоулучшающей роли клевера, в том числе стабилизации баланса азота в сельскохозяйственном производстве за счёт его способности в симбиозе с клубеньковыми бактериями фиксировать азот воздуха. По потенциальной азотфиксирующей способности он занимает одно из первых мест в группе многолетних бобовых трав (Посыпанов и др., 2006). Козлятник восточный Козлятник восточный или Галега восточная – вид многолетних травянистых растений рода Козлятник семейства Бобовые (Fabaceae). Уникальная долголетняя бобовая культура для зеленой подкормки, заготовки сена, сенажа, силоса и выпаса скота. Это хороший раннелетний медонос с продолжительным сроком цветения и отличный пыльценос. Широкое распространение получил в районах клеверосеяния на черноземных, дерново–подзолистых, песчаных, пойменных почвах и легких суглинках. В посеве он держится 8-10 лет. Козлятник восточный – растение морозостойкое, скороспелое, устойчивое к засухе. Отличительное достоинство козлятника восточного – высокая облиственность, листья не теряются даже при сушке сена (Вавилов, Райг, 1982).
Лён-долгунец
Лён-долгунец (обыкновенный) – род растений семейства Льновые (Linaceae). Лен относится к числу лучших прядильных культур. Его возделывают главным образом для получения натурального волокна, а также семян, из которых добывают масло. Льняное волокно является одним из оптимальных текстильных волокон, оно хорошо противостоит гниению, в 2 раза крепче хлопкового и в 3 раза – шерстяного. Из льняных семян вырабатывают масло, которое используют также для технических целей. Способность его быстро высыхать, образуя прочную, тонкую и эластичную пленку, используют для приготовления высококачественной олифы, а также лаков и эмалей. Среди технических масел по объему производства льняное масло занимает первое место в мире. Его широко применяют в электротехнической, бумажной и мыловаренной отраслях промышленности, а также в медицине и парфюмерии. Отходы маслобойного производства (жмых и шроты) – ценный высокобелковый корм (Быков, Смирнов, 1975; Вайнруб и др., 1984).
Люцерна посевная
Люцерна посевная – многолетнее травянистое растение семейства Бобовые (Fabaceae), которое используют на сено, сенаж, травяную муку, а также на зеленую подкормку. Люцерна посевная отличается высокой потенциальной урожайностью, быстро отрастает весной и после укосов. В посевах держится до 10 лет и более, наилучшего развития достигает на 2–3 годы жизни. Как и все виды семейства Бобовые, люцерна в симбиозе с клубеньковыми бактериями фиксирует азот воздуха. После разложения в почве биомасса люцерны становится легкоусвояемым удобрением, образует перегной, обогащающий почву питательными веществами и улучшающий ее структуру. Способствует уменьшению кислотности почвы. Мощная, глубоко расположенная корневая система люцерны способствует улучшению структуры почвы, повышает ее водо- и воздухопроницаемость и способствует накоплению гумуса (Шишкин, 1945; Месяц и др., 1998). Озимая пшеница
Озимая пшеница – род травянистых, в основном однолетних, растений семейства Злаки, или Мятликовые (Poaceae). Является одной из самых распространенных важнейших продовольственных культур на земном шаре, ценность, зерна которой определяется высоким содержанием белка, жира, углеводов и т.д. По содержанию белка озимая пшеница превосходит все зерновые. Пшеничная мука широко используется в хлебопечении, кондитерской промышленности, сильные и твердые сорта пшеницы используют для производства качественного хлеба, макаронных изделий, манной крупы и т.д. (Бобров и др., 1981).
Рапс яровой
Рапс яровой – вид травянистых растений рода Капуста семейства Капустные (Brassicaceae). Рапс является одной из важнейших технических культур в России и в мире. Это связано с его возросшей в последние годы ролью как источника биотоплива. Распространению возделывания рапса способствовало то, что он является не только источником растительного масла, но и представляет универсальную кормовую культуру – один из важнейших источников кормового белка. По своим пищевым и кормовым качествам рапс значительно превосходит многие сельскохозяйственные культуры. На корм животным можно использовать рапсовую зеленную массу, приготовленный из нее силос, сами семена рапса и отходы их переработки (жмых, шрот). Рапс очень ценен и с агрономической точки зрения, так как способствует повышению структуры и плодородия почвы, является зеленым удобрением (Артёмов, 1989; Клочкова, 2000). Фацелия пижмолистная
Фацелия – род растений семейства Бурачниковые (Boraginaceae), идеальное зеленое удобрение, прекрасная кормовая и медоносная культура. Очень быстро растет, образовывая большую зеленую массу.
Фацелия не только обогащает почву органикой и легкоусвояемыми минеральными соединениями и микроэлементами, но прекрасно разрыхляет, структурирует землю. Покрывая почву зимой, защищает от глубокого промерзания, задерживает снег, содействуя накоплению влаги. Защищает от засух, водной и ветровой эрозии. Обеспечивает быстрое смыкание травостоя и подавляет сорняки. Преодолевает такие сорняки как мокрица и другие однолетние, путем изменения кислотности почв от кислой к нейтральной. Предупреждает появление вирусных (фитофтора), грибковых (корневые гнили и другое) заболеваний. От соседства с фацелией гибнет саранча, почвенные нематоды, поражающие картофель и корнеплоды, исчезает проволочник (Бородина, 2004; Губанов и др., 1992).
Результаты исследования влияния шлама металлургического производства на сельскохозяйственные культуры
Из рисунка 55 видно, что растения группы 1% значительно отличались по биомассе, как от растений других экспериментальных групп, так и контрольных растений. Именно в этой группе так и не начался процесс цветения.
Анализируя полученные результаты, нельзя сделать однозначного вывода о влиянии шлама на рапс яровой при проведении тепличного эксперимента, при снижении одних показателей (дружность всходов, длина и масса вегетативных частей, количество стручков), наблюдалось существенное повышение других (всхожесть, масса семян при некоторых концентрациях). Наиболее важные при выращивании рапса параметры (всхожесть и масса семян) стимулировались при 0,1%–ой концентрации шлама в субстрате, показавшей положительный эффект и в лабораторных условиях.
Исследование активности полифенолоксидазы в растениях рапса (рис. 56) показало некоторое снижение активности фермента при низких концентрациях шлама (0,001 и 0,01%), а также при концентрации 1%. При концентрациях 0,1 и 10% активность полифенолоксидазы увеличилась и превысила значения контрольной группы.
Влияние шлама металлургического производства на активность полифенолоксидазы рапса ярового Отмечено снижение активности каталазы при средних концентрациях (0,01 и 0,1%) шлама в субстрате, а также в группе 10% . В то же время при концентрациях 0,001и 1% зафиксировано существенное повышение активности исследуемого фермента по сравнению с контролем (рис. 57).
На рисунке 59 представлены результаты исследования содержания пигментов в растениях рапса. Наибольший рост концентрации хлорофиллов а и b в рапсе на фоне контрольных растений отмечен при содержании в субстрате 1% шлама (рис. 59 а), в этой же группе был отмечен значительный прирост биомассы (рис. 53 (б)). При 10% шлама концентрации пигментов не отличались от контрольных (рис. 59 а). Содержание каротиноидов немного снизилось в варианте 0,001, в остальных случаях значения близки к контрольным. Соотношение Са+b/Ск достоверно не изменялось (рис. 59 б).
Анализируя полученные данные можно отметить, что при внесении шлама в субстрат наблюдалось замедление прорастания семян рапса, в то же время увеличилась всхожесть, особенно на средних концентрациях (максимально +23% при 0,1% шлама), в этой же группе активность каталазы и перокидазы была ниже контрольных значений. Данный факт может быть свидетельством благоприятности условий для рапса, либо снижение активности этих ферментов компенсируется повышением активности полифенолоксидазы, происходящим под действием тяжелых металлов, что является защитным механизмом (Martins et al., 2011; Mourato et al., 2012). Максимальный прирост биомассы отмечен при 1%, однако в этой группе растений так и не начался процесс цветения. Результаты сопоставимы с данными исследования активности пигментов, т.е. в этом варианте зафиксировано наибольшее содержание пигментов. Положительное влияние железа и меди на всхожесть и урожайность зеленной массы отмечено многими исследователями, в частности в работах Чурилова (2009) и Сушилиной (2004; 2011) показано стимулирующее действие этих металлов. Максимальное развитие хозяйственно ценных признаков (масса семян) зафиксировано при концентрации 0,1%.
Имеющиеся результаты не позволяют сделать однозначного вывода о влиянии шлама на рапс яровой, однако наиболее важные при выращивании рапса параметры (всхожесть и масса семян) стимулировались при 0,1%–ой концентрации шлама в субстрате, показавшей положительный эффект и в лабораторных условиях. 3.2.2.2 Свекла сахарная
В ходе исследования установлено, что дружность всходов снижается во всех опытных группах, максимально при концентрации 0,01%. В то же время отмечено повышение всхожести на максимальных концентрациях 1 и 10% (13 и 23% соответственно) (рис. 60). Нужно заметить, что при концентрации шлама 0,001%, при которой в лабораторном эксперименте отмечена максимальная стимуляция всхожести семян (на 27%), в условиях теплицы наблюдается обратный эффект, т.е. максимальное подавление данного показателя (на 20%).
Результаты морфометрического исследования показали, что шлам в концентрации 0,01% значительно увеличил прирост длины стебля (+ 60 %) (рис. 61 (а)). В этой же концентрации отмечен максимальный прирост биомассы, особенно массы корня (в 5 раз), что является наиболее важным при выращивании свеклы. Самые низкие показатели биомассы наблюдались при 1 и 10% шлама в культивационной среде (рис. 61 (б)).
На рисунке 62 представлен внешний вид экспериментальных растений (до прореживания), где визуально видно значительное увеличение биомассы надземной части при средней концентрации (0,01%) металлургического шлама в субстрате.
Подводя итоги тепличного эксперимента, стоит отметить следующее: внесение шлама в субстрат замедлило дружность всходов, однако при максимальных концентрациях повысило всхожесть. Отмечено снижение длины корнеплодов, в то же время средняя масса корнеплода увеличилась при всех концентрациях, особенно при 0,01% шлама (более чем в 5 раз), что является наиболее важным показателем при выращивании свеклы. При этой же концентрации отмечен максимальный прирост длины и массы надземной части. Таким образом, можно сказать, что доза металлургического шлама 0,01% является наиболее приемлемой.
Была изучена активность ферментов антиоксидантной защиты (полифенолоксидазы, каталазы, пероксидазы) для растений сахарной свеклы, выращенных на субстрате, содержащем шлам металлургического производства. На рисунке 63 представлена зависимость активности фермента полифенолоксидазы от концентрации вводимого в среду шлама. Установлено, что низкие концентрации шлама (0,001–0,1%) снижали активность фермента, что может свидетельствовать о положительном влиянии компонентов шлама на биохимические процессы. Однако, в присутствии концентрации 1% активность полифенолоксидазы по сравнению с контрольными растениями увеличилась. При 10% шлама активность фермента вновь немного снизилась.
Результаты исследования экологической безопасности применения шламовых отходов в растениеводстве
В ходе полевого эксперимента было установлено, что внесение шлама привело к увеличению высоты растений льна – от 63,9 см (4 т/га) до 68,5 см (0,5 т/га), что превышало контрольные значения на 9,3–13,9 см соответственно (рис. 89, 90).
Урожайность посевов льна складывается из таких компонентов, как общее количество растений на единицу площади, количество плодов, масса семян. Анализ компонентов урожайности посевов льна показал, что в зависимости от концентрации внесения шлама их значения были различными (рис. 91). Количество плодов, % 300 -250 -200 - 150 -100 -50 - 0 "I Контроль 0.5 т/га 2 т/га 4 т/га НСР05 - 2.32 Рисунок 91 – Количество плодов на 1 растение льна в зависимости от дозы внесения шлама Наибольшее количество коробочек на одном растении в среднем было сформировано в варианте с внесением шлама в концентрации 0,5 т/га – 17,4 шт., наименьшее количество – в контрольном варианте – 6,4 шт.
Наиболее полновесные семена сформировались в варианте с внесением шлама в концентрации 0,5 т/га. Масса 1000 таких семян составила 16,46 г. Наименьшую массу имели семена льна в варианте с внесением шлама в концентрации 4 т/га (рис. 92).
Таким образом, анализируя полученные данные, можно сделать выводы, что для получения высоких урожаев льна и повышения качества продукции (высота растений) рекомендуется использовать шлам в концентрации 0,5 т/га. Также отмечено достоверное положительное влияние на рост и развитие льна и более высоких концентраций.
В целом, в ходе полевого эксперимента, установлено, что металлургический шлам в дозах 0,5 т/га и 2 т/га стимулировал фотосинтетическую продуктивность растений, и увеличил урожайность всех исследуемых культур. Полученные результаты подтверждают имеющиеся данные о том, что тяжелые металлы в небольших количествах положительно влияют на рост и развитие растений (Sharma, Sharma, 1993; Jayakumar et al., 2007; Jayakumar et al., 2008; Manivasagaperumal, 2011; Jayakumar et al., 2013; Syuhada et al., 2014)
В данном случае, вероятно, наблюдается действие закона Либиха – «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени» (Либих, 1936). Т.е. результаты исследования показывают лимитирующее действие микроэлементов, присутствующих в почве в небольших и непостоянных количествах.
Анализ растений выращенных в полевых условиях проводился в специализированной лаборатории ФГБУ Государственный центр агрохимической службы «Тамбовский». В образцах осуществлялся поиск металлов содержащихся в шламе и концентрации, которых в продовольственном сырье и пищевых продуктах регламентируются в СанПиН № 42–123–4089–86. В таблицах 9 – 11 показаны результаты исследования.
Как видно из таблиц, присутствует некорое накопление меди и цинка, в основном в семенах рапса и льна. Максимальное превышение норм ПДК наблюдалось в группах 4 т/га. Для растений свеклы сахарной отмечено незначительное превышение норм ПДК по цинку в корнеплодах группы 2 т/га. С учетом полученных данных нецелесообразно использование исследуемого металлургического шлама в дозах более 2 т/га.
Анализ содержания регламентируемых металлов в почве (мг/кг) после уборки урожая, выращенного с использованием высокодисперсных шламовых отходов, не показал превышения норм ПДК (табл. 12).
Содержание металлов в почве (мг/кг) после уборки урожая, выращенного с использованием высокодисперсных шламовых отходов. Наименованиеанализируемогопоказателя Наименование ГОСТа, МУ и др. НД на методы испытаний Контроль Доза внесения 0,5 т/га Доза внесения 2 т/га Доза внесения 4 т/га Норма Pb (свинец) Подвижные формы металлов (ацетатно– аммонийный буферный раствор с рН 4,8) РД 52.18.289–90; «МУ по определению тяжелых металлов в почвахсельхозугодий и продукции растениеводства» М.ЦИНАО 1992 0,4 0,91 0,89 0,93 6,0
Анализ характера накопления компонентов шлама в органах растений Согласно проведенным исследованиям, в экспериментальных растениях, выращенных при внесении шлама, в различных концентрациях были обнаружены – Fe, Zn и Cu.
Картирование железа в образцах растений рапса представлено на рисунке 93. Как видно из микрофотографий, железо не отличается однородностью распределения в частях растений. Так, в гомогенизированных образцах стеблей и, особенно, семян растений можно отметить очаги более плотного накопления металла (рис. 93 б, в). В корнях растений распределение Fe относительно равномерно.