Биоэкологические свойства почвогрунтов на основе отходов производства как фактор мониторинга и управления продукционным процессом растений

Полный текст

Введение Среди техногенных изменений среды обитания организмов наибольшую опасность вызывает ее загрязнение промышленными и бытовыми отходами. Загрязнитель как вещество/смесь веществ техногенного или природного характера нарушает циклы миграции химических элементов и трансформации энергии и оказывает неблагоприятное воздействие на функционирование экосистем в целом. В биосфере формируются глобальные, региональные и локальные потоки и круговороты ксенобиотиков, т. е. «чужеродных» для нее химических соединений [1, 2]. Следствием техногенеза как мощного антропогенного планетарного явления, отражающего состояние технологий общества, является изъятие (концентрирование) одних (Au, Ag, Pt, Fe), рассеяние других химических элементов (Cd, Hg, As, F, Pb, Al, Cr) в биосфере или сочетание обоих процессов одновременно [3, 4]. Локализация и интенсивность поступления техногенных потоков химических элементов обусловливает формирование техногенных аномалий и биогеохимических провинций с различной степенью экологической напряженности [5]. Преобразование среды приводит к обеднению флористического и фаунистического состава биогеоценозов, сопровождающемуся биогеохимической дифференциацией живого вещества различных таксонов биосферы. При этом возрастает значение взаимодействий различных химических элементов и веществ природного и техногенного характера в биогеохимических циклах. Для того, чтобы масштабы загрязнения окружающей среды (почвы, грунты, воды) не приняли необратимого и катастрофического характера, необходимы, с одной стороны, изменения стратегии природопользования, устранение путей и источников дальнейшего загрязнения среды, с другой стороны - разработка и практическое внедрение способов, а также технологий подавления токсичности и очистки различных элементов геологической среды от этих загрязнений, что и явилось целью нашего исследования. Цель исследования состояла в биоэкологической оценке эффективности действия удобрительных свойств отходов металлургического производства в питательных грунтах. Задачи исследования: 1. разработать субстраты с введением в их составы шлаковых отходов, природных цеолитов для проявления ими защитных геохимических барьерных свойств и выращивания на них рассады овощных культур; 2. провести оценку токсических эффектов действия водных вытяжек из питательных грунтов по жизнедеятельности дафний (Daphnia magna); 3. определить влияние исследуемых составов питательных субстратов на рост и развитие растений, их биопродуктивность; 4. использовать цветовую оценку растений салата листового для индикации их состояния и характеристики степени токсического действия шлаков. Материалы и методы Отсевы солевого алюминиевого шлака Мценского металлургического завода АООТ «Цветные металлы и сплавы» характеризуются следующими физикохимическими свойствами: агрегатное состояние - сыпучий материал, фракции 3 мм, цвет - светло-серый, запах - специфический, водородный показатель водной вытяжки рН8, основные фазы - хлорид калия (КСl), хлорид натрия (NaCl), оксид алюминия (Аl О ), оксид кремния (SiO ). 2 З 2 Химический состав солевого отвального шлака,%: Al O - 50,02; Сu - 0,54; 2 3 Si - 3,22; Mg - 1,64; Mn - 0,21; Ti - 0,033; Sb - 0,036; Co - н/о; As - 0,0002; Ca - 0,2; Zn - 0,49; Fe - 0,69; Ni - 0,08; Pb - 0,08; Sn - 0,018; Na - 2,39; K - 7,37; Cl - 8,6; SO -0,28; Fe - 1,0; П.п.п. - 23,1028. 4 мех Отсевы солевого алюминиевого шлака относятся к IV классу малоопасных веществ по ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества в промышленности. Классификация и общие требования». 2 Цеолиты представлены цеолитсодержащими трепелами хотынецкого месторождения со следующими показателями: рН - 8,3, содержание СаО - 8,17 %, MgO - 2,20 %, К О - 1,82 %, Сu - 2,7×10-3 %, Zn - 7,4×10-3 %, Мn - 46×10-3 %, Со - 0,12×10-3 %, Мо - 0,72×10-3 %. В кристаллической структуре цеолита содержится: клиноптилолгита - 35 %, кристобалита - 27 %, монтмориллонита - 5 %, слюды - 8 %, кальцита - 3 %, емкость катионного обмена достигает 600 м-экв/100 г. Почва темно-серая лесная среднесуглинистая, гумусовый горизонт (содержание физической глины 40-42 %; гумус - 5,4-5,5 %; рНсол - 5,2-5,5; рН вод - 5,8 6,0; сумма поглощенных оснований 35 мг-экв/100 г; Р О -12,5-15,0 мг/100г, 2 5 2 К О - 12,0-12,6 мг/100г). Салат листовой (Lactuca sativa var. secalina) - однолетнее растение. Высокие урожаи салата получают на плодородных, богатых азотом и достаточно влажных почвах. Прорастание семян начинается при 2-4 оС, лучше всего происходит при 20-25 оС. Оптимальная температура для роста 15-20 оС, при +5 оС продолжает расти. Переносит заморозки до -8 оС. Корни салата стержневые с многочисленными разветвлениями, располагаются в пахотном слое. Сорт листового салата Московский парниковый наиболее распространенный. Его выращивают как в защищенном, так и в открытом грунте. Вегетативная масса лучше нарастает при 9-,12-часовом дне. Для опытов использовали полиэтиленовые горшочки емкостью 300 мл. Масса субстрата в горшочке составляла 450-550 г, влажность 70-75 % от сухой массы. Повторность четырехкратная. Семена салата высевали в количестве 30 шт. в каждый горшочек. Через 30 суток проводили определение биометрических показателей: площади листовой поверхности, длины корней, количества корней, накопления биомассы. В ходе эксперимента проводили фенологические наблюдения. Определение степени токсичности питательных грунтов проводили методом биотестирования по оценке выживаемости тест-организмов в стандартных условиях - дафний (Daphnia magna). Класс опасности устанавливается по водной вытяжке, разведенной до такой степени, когда не проявляется вредное воздействие на биологические объекты (РД 118-02-90). Методика оценки недостатка отдельных элементов по цветным фотографиям цветовой гаммы листьев проводилась с использованием программы Adobe Photoshop согласно [6]. Контроль за состоянием агроценозов и эффективностью агротехнологии обеспечивает визуальная количественная оценка цветовых характеристик растений с использованием оцифрования цветовой шкалы, так как при росте и старении растений, изменениях в окружающей среде изменяется цветовая характеристика растений в результате взаимосвязанных физиологических процессов. Результаты Стабильность и продуктивность техногенных экосистем в существенной степени зависят от интенсивности биологических процессов, протекающих в почвах. Одним из биотических подходов в системе контроля природной среды является экспериментальное определение класса опасности отходов, основанное на лабораторном исследовании экологической токсичности анализируемых образцов с использованием биологических объектов. Вид дафний - Daphnia magna Straus признан самым универсальным тест-объектом по чувствительности и адекватности реагирования на различные загрязняющие вещества, они используются в качестве модельных организмов во многих экологических, токсикологических и генетических исследованиях. Критерий токсичности (индекс токсичности) - достоверное количественное значение тест-параметра, на основании которого делается вывод о токсичности изучаемого объекта. В результате исследований по оценке токсических эффектов действия водных вытяжек из питательных грунтов на жизнедеятельность дафний (Daphnia magna) установлены изменения в реакции данного тест-объекта в зависимости от состава компонентов в питательном субстрате (табл. 1). Определение степени токсичности питательных грунтов Таблица 1 Варианты опыта Кратность разведения водных вытяжек Степень токсичности 50 % 12,5 % 3,12 % 0,78 % 2 8 32 128,3 Почва (контроль) - + + + + Нетоксично Почва + шлак 1:1 - - + + + Малотоксично Почва + шлак 1:0,5 + + + + + Нетоксично Почва + шлак 1:2 - - - + + Среднетоксично Почва + цеолит + шлак 1:1:1 - - + + + Малотоксично Почва + цеолит +шлак 1:2:1 - - + + + Малотоксично Условные обозначения: + дафнии живы; - дафнии погибли. Determination of the toxicity of nutritive soils Table 1 Variation Dilution ratio of water extracts Toxicity 50% 12,5% 3,12% 0,78% 2 8 32 128,3 Soil (reference) - + + + + Nontoxic Soil + slag 1:2 - - + + + Low toxic Soil + slag 1:1 + + + + + Nontoxic Soil + slag 1:0.5 - - - + + Mediumtoxic Soil + zeolite + slag 1:1:1 - - + + + Low toxic Soil + zeolite + slag 1:2:1 - - + + + Low toxic Note: + daphnia are alive; - daphnia perished. Как показывают данные табл. 1, степень токсичности водных вытяжек из анализируемых питательных грунтов определялась прежде всего долей шлаковых отходов в составе питательного грунта. Так, присутствие в грунтах шлаковых отходов в разных пропорциях от 1 : 0,5 до 1 : 2 изменило степень токсичности с нетоксичной до среднетоксичной соответственно. Добавление цеолита в состав питательного грунта обусловило малую токсичность грунтов вне зависимости от доли шлаковых отходов в составе. Следует отметить, что жизнедеятельность организмов установлена во всех испытуемых грунтах при 32-кратном разбавлении водных вытяжек. Таким образом, добавление шлаковых отходов и цеолита в почву обуславливают 100 %-ную жизнеспособность организмов дафний при 8-кратном разведении водных вытяжек и малый уровень токсичности; увеличение массовой доли шлака в составе питательных грунтов из почвы и шлаковых отходов обуславливает повышение уровня токсичности до среднетоксичного. Основная роль микроэлементов заключается в регулировании активности разнообразных биологических катализаторов (ферментов). В связи с тем, что чувствительность проростков растений к концентрациям солей микроэлементов различна и эти различия могут быть значительными для разных культур, мы исследовали степень влияния удобрительного действия различных типов питательных грунтов на основе почвы, шлака и цеолита на всхожесть, рост и развитие проростков мелкосемянной овощной культуры салата. Выбор культуры обусловлен тем, что салат относится к культурам повышенного выноса микроэлементов с невысокой усваивающей способностью. Мелкие семена впитывают очень небольшие количества раствора микроудобрений и нуждаются в увеличении дозы микроудобрения или увеличении кратности внесения. Поскольку испытуемые питательные грунты содержат не только макроэлементы питательных веществ, но и широкий набор биофильных микроэлементов, они представляют собой благоприятную питательную среду для роста и развития растений [7, 8]. Изучение роста и развития растений салата на питательных грунтах из почвы и шлака показало, что влияние шлаковых отходов изменяется в зависимости от массовой доли в составе грунта (табл. 2). В грунтах с наибольшим содержанием шлака отмечаются низкие показатели всхожести семян 43,3-46,7 % при небольших значениях показателей роста растений. Так, интенсивность развития вегетативной массы по показателю площади листовой поверхности ниже контрольного значения в 3,2-6,6 раза. Общая длина корней составила 24,3 см, что ниже контрольного значения в 3,1 раза. Коэффициент токсичности на данном типе грунтов составил 20,4 %, что по значению показателя близко к токсичному, когда уменьшение длины корней относительно контроля составляет ≤ 20 %. Таблица 2 Влияние питательных грунтов из почвы, шлаковых отходов и цеолита на рост и развитие проростков салата Вариант Всхожесть, % Показатели роста Коэффициент токсичности, % Накопление биомассы, г Общая длина корней, см Сырая Сухая Почва (контроль) 93,3 113,4 119,3 - 6,55 0,63 Почва + шлак 1 : 2 46,7 17,2 24,3 20,4 1,8 0,15 Почва + шлак 1 : 1 53,3 27,5 85,7 71,8 2,2 0,29 Почва + шлак 1 : 0,5 80,0 85,2 91,8 76,9 5,29 0,48 Почва + цеолит + шлак 1 : 1 : 1 93,3 35,1 44,3 37,1 2,62 0,21 Почва + цеолит + шлак 1 : 2 : 1 93,3 74,5 50,1 42,0 3,8 0,5 The influence of nutritive soils made of natural soil, slag waste and zeolite on the growth and development of the lettuce seedlings Table 2 Variation Germination capacity, % Growth indicators Toxicity coefficient, % Biomass accumulation, g Total root length, cm Moist Dry Soil (reference) 93,3 113,4 119,3 - 6,55 0,63 Soil + slag 1 : 2 46,7 17,2 24,3 20,4 1,8 0,15 Soil + slag 1 : 1 53,3 27,5 85,7 71,8 2,2 0,29 Soil + slag 1 : 0,5 80,0 85,2 91,8 76.9 5,29 0,48 Soil + zeolite + slag 1 : 1 : 1 93,3 35,1 44,3 37,1 2,62 0,21 Soil + zeolite + slag 1 : 2 : 1 93,3 74,5 50,1 42,0 3,8 0,5 При уменьшении массовой доли шлаковых отходов в составе питательных грунтов токсический эффект действия шлака снижается. Так, в грунтах из почвы и шлака в массовом отношении 1 : 0,5 всхожесть семян салата увеличилась в 1,5 раза в сравнении с грунтами при соотношении компонентов 1 : 1 и в 1,7 раза при соотношении 1 : 2 и составила 80,0 %. При этом в грунте с уменьшенной долей шлака отмечается интенсивное развитие корневой системы растений, общая длина корней достигала 91,8 см, что составляет 93 % по отношению к контрольному варианту. Площадь листовой поверхности также находится в пределах контрольного значения и составляет 85,2-128,4 см2. Накопление биомассы растений на данном типе грунта составило 5,29 г, что выше данного показателя на грунтах с увеличенными дозами шлаковых отходов примерно в 2 раза. Таким образом, при повышенном содержании шлаковых отходов в составе питательных грунтов наблюдается угнетение роста и развития растений салата. В грунтах из почвы и шлака 1 : 2 общая длина корней ниже контроля в 4,9 раза при уменьшении площади листовой поверхности в 6,6 раза. При уменьшении массовой доли шлаковых отходов в составе питательных грунтов токсический эффект действия шлака снижается. При этом показатели интенсивности роста растений салата находятся в пределах контрольного значения. Накопление биомассы растений на данном типе грунта составило 5,29 г, что выше данного показателя на грунтах с увеличенными дозами шлаковых отходов в 3 раза. Добавление цеолита в состав питательных грунтов из почвы и шлака обусловливает повышение содержания питательных веществ, что способствует активизации ростовых процессов на ранних стадиях развития растений. Наблюдается увеличение всхожести семян салата до 90-93,3 %. Однако в дальнейшем повышенные концентрации почвенного раствора оказывают угнетающее действие на развитие корневых систем растений. Общая длина корней уменьшается в 2,5 раза при соотношении компонентов 1:1:1 и в 1,8 раза при удвоенной доле цеолита в составе грунта по сравнению с контрольным значением. При добавлении удвоенной дозы цеолита рост вегетативной массы растений салата выше в 2,1 раза по сравнению с вариантом почва + цеолит + шлак 1:1:1. Можно сделать вывод о том, что на всхожесть семян, рост и развитие проростков оказывают влияние водно-физические свойства грунтов и количество доступных макрои микроэлементов. Использование сорбционных свойств цеолита в составе питательных грунтов обусловливает более тесный контакт семени с питательной средой и благоприятную концентрацию макрои микроэлементов для повышения всхожести и интенсивности роста проростков. Цветовая оценка растений используется для индикации их состояния как при наземных исследованиях, так и при дистанционном зондировании. В наших исследованиях был проведен анализ цветовой характеристики листьев салата в условиях разного уровня загрязнения питательных грунтов шлаковыми отходами в вариантах опыта с благоприятными условиями для роста растений салата (табл. 3). Характеристика цветовой гаммы листьев салата с разным уровнем загрязнения почвы Таблица 3 Вариант Интенсивность цвета G M K L a b Почва (контроль) 60,2 ± 0,5 37,2 ± 1,1 45,3 ± 1,9 35,4 ± 1,2 8,7 ± 0,6 6,9 ± 0,9 Почва + шлак 1 : 2 16,1 ± 1,2 20,7 ± 1,1 5,2 ± 0,5 76,1 ± 0,5 1,7 ± 1,1 58,1 ± 1,1 Почва + шлак 1 : 1 34,2 ± 6, 5,5 ±0,9 1,0 ± 0,0 81,0 ± 1,5 20,2 ± 1,3 60,2 ± 1,3 Почва + шлак 1 : 0,5 54,3 ± 0,3 26,7 ± 3,8 27,0 ± 1,8 49,3 ± 2,2 14,7 ± 3,0 17,0 ± 2,7 Почва + цеолит + шлак 1 : 1 : 1 50,0 ± 0,6 19,7 ± 0,2 19,2 ± 1,7 57,0 ± 0,9 20,0 ± 0,9 32,7 ± 1,9 Почва + цеолит + шлак 1 : 2 : 1 45,0 ± 2,7 20,0 ± 3,7 17,3 ± 5,9 60,0 ± 5,2 16,3 ± 1,5 31,0 ± 2,9 Characteristics of the color range of the lettuce leaves with different levels of soil contamination Table 3 Variation Color intensity G M K L a b Soil (reference) 60,2 ± 0,5 37,2 ± 1,1 45,3 ± 1,9 35,4 ± 1,2 8,7 ± 0,6 6,9 ± 0,9 Soil + slag 1 : 2 16,1 ± 1,2 20,7 ± 1,1 5,2 ± 0,5 76,1 ± 0,5 1,7 ± 1,1 58,1 ± 1,1 Soil + slag 1 : 1 34,2 ± 6,0 5,5 ±0,9 1,0 ± 0,0 81,0 ± 1,5 20,2 ± 1,3 60,2 ± 1,3 Soil + slag 1 : 0,5 54,3 ± 0,3 26,7 ± 3,8 27,0 ± 1,8 49,3 ± 2,2 14,7 ± 3,0 17,0 ± 2,7 Soil + zeolite + slag 1 : 1 : 1 50,0 ± 0,6 19,7 ± 0,2 19,2 ± 1,7 57,0 ± 0,9 20,0 ± 0,9 32,7 ± 1,9 Soil + zeolite + slag 1 : 2 : 1 45,0 ± 2,7 20,0 ± 3,7 17,3 ± 5,9 60,0 ± 5,2 16,3 ± 1,5 31,0 ± 2,9 Исследованиями В. Церлинга установлено, что недостаток отдельных элементов выявляется по изменениям цвета, характерным как для отдельных видов растений, так и для отдельных частей листа, определенных ярусов листьев [6]. Для визуальной и компьютерной оценки цветовой гаммы листьев с целью оценки уровня загрязнения нами проведено фотографирование листьев, а также их сканирование. Полученные цветовые изображения пригодны для углубленного исследования и компьютерного анализа цветовой гаммы [9]. В таблице 3 приведены характеристики колористической гаммы листьев салата с разным уровнем загрязнения, обусловленным введением в питательные грунты шлаковых отходов (фракция менее 0,5 мм) в разных соотношениях с почвой и цеолитами, рассчитанным по цветовым фотографиям с использованием программы Adobe Photoshop. Как видно из представленных данных, цвет листьев салата при нарушенном питании растений достоверно отличается от контрольного варианта. Интенсивность цвета G и М с учетом цветовых пятен в контроле выше, чем в других вариантах. Это же относится и к интенсивности К. При этом показатель L во всех вариантах выше, чем в контрольном варианте. Соотношение цветов, характеризующееся показателями а и b, меняется неоднозначно. В контрольном варианте величина b ниже, чем в других вариантах с разными уровнями загрязнения, создаваемых шлаковыми отходами. Постольку в системе CJE-Lab отражается вклад в цветность четырех цветов: степень красноты (+а) и зелености объекта (-а); степень желтизны (+b) и степень синевы (-b); (а-b) и они определяют светлоту (L). При недостатке элементов питания для салата явное уменьшение зелености отмечается при недостатке меди, азота. В отдельных частях листа происходит увеличение степени зелености, в других уменьшается. Таким образом, выполненные исследования по оценке изменения цвета листьев салата с компьютерной идентификацией цветовой гаммы листьев доказывают эффективность использования данного метода для оценки состояния растений на антропогенно измененных землях и оценки степени загрязнения почв. Заключение Питательные грунты на основе гумусового горизонта почвы, шлаковых отходов, цеолитов оказывают стимулирующее и удобрительное действие на всхожесть семян, рост, развитие, продуктивность растений салата листового. Показана эффективность использования визуальной и компьютерной оценки цветовой гаммы листьев салата для оценки уровня загрязнения грунтов по интенсивности потребления растениями питательных элементов.

Об авторах

Лидия Павловна Степанова

Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина

Email: steplena66@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5568-1411

доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры земледелия, агрохимии и агропочвоведения

Российская Федерация,302019, Орел, ул. Генерала Родина, д. 69

Екатерина Анатольевна Коренькова

Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина

Email: korkatya@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9984-3803

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры ландшафтной архитектуры

Российская Федерация,302019, Орел, ул. Генерала Родина, д. 69

Елена Ивановна Степанова

Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина

Email: steplena66@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1338-670X

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры агроэкологии и охраны окружающей среды

Российская Федерация,302019, Орел, ул. Генерала Родина, д. 69

Елена Валерьевна Яковлева

Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина

Автор, ответственный за переписку.
Email: elenavalerevna79@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3038-6808

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры БЖД на производстве

Российская Федерация,302019, Орел, ул. Генерала Родина, д. 69

Список литературы