Тамбов, Россия
Россия
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (эксперт)
Тамбов, Тамбовская область, Россия
Использование отходов в качестве сырья для получения коммерчески перспективных продуктов позволяет решить целый комплекс экологических, экономических и социальных проблем, особенно в кризисный период. Основную долю неиспользуемых отходов составляют отходы металлургии, которые могут являться источником микроэлементов для растений. Шлаковые отходы в силу своего компонентного состава также могут выступать в качестве раскилителя почв. Целью работы является создание технологии применения осушенных доменных шламов самостоятельно или в комбинации с конвертерным шлаком в сельскохозяйственном производстве в качестве микроэлементного удобрения для повышения урожайности сельскохозяйственных растений; снижение объема размещаемых на полигонах металлургических отходов. При помощи электронной микроскопии было установлено, что гранулы доменного шлама достигают размера 15 мкм, в то время как размер частиц конвертерного шлака лежит в пределах от 20 до 500 мкм. Анализ элементного состава образца шлака показал, что отход содержит в себе Ca, Fe, Mg, Si, Al, Mn. В состав доменного шлама входят Fe, Zn, Al, Ca, Si, Na. С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что преобладающим соединением в конверторном шлаке является оксид кальция (53%). В состав доменного шлама входит преимущественно оксид железа. По результатам исследования показана высокая толерантность вики посевной при концентрации шлама 0.1 г/кг в условиях закисленного грунта, прирост длины стебля увеличился на 17%, его сырая биомасса увеличилась на 30%. Прирост длины корня составил 48%. Наибольший прирост сухой массы стебля наблюдался при внесении шлама в концентрациях 0.01 г/кг (+71%) и 1 г/кг (+86%) в закисленном грунте на фоне добавления шлака. Также установлено накопление извлеченного из доменного шлама цинка в растительных тканях вики посевной. Таким образом, исследуемые отходы металлургического производства могут использоваться в качестве минерального удобрения, так как имеют в своем составе микроэлементы, необходимые для минерального питания растений.
доменный шлам; вика посевная; конвертерный шлак; мелиоранты; раскисление почв
Введение
На территориях, располагающихся около предприятий металлургической промышленности, размещается значительное количество полигонов хранения отходов металлургического производства, объем которых в Российской Федерации составляет около 2 млрд тонн [1]. Необходимость утилизации отходов металлургического производства заключается не только в снижении объемов их захоронения, но и в содержании в них опасных компонентов - тяжелых металлов. При несвоевременной утилизации таких отходов, содержащиеся в них тяжелые металлы, могут мигрировать на прилегающие территории и в подземные воды [2]. К отходам металлургического производства, содержащих тяжелые металлы, относятся, в частности, доменный шлам и конвертерный шлак, которые в свою очередь, имеют в своем составе кремниевую кислоту (SiO2), Mn, Fe, Zn, Si и др., что делает перспективным использование данных отходов в растениеводстве в качестве источника микроэлементов, что может способствовать решению проблемы утилизации отходов металлургического производства. Сообщается, что шлак содержит большое количество извести (CaO) и MgO, что делает его потенциальным агентом для известкования, способным увеличивать pH почвы, поэтому шлаковые отходы могут стать заменой традиционных известковых препаратов для мелиорации закисленных почв. Внедрение технологий применения шлаковых и шламовых отходов в сферу сельского хозяйства имеет большое значение, так как это позволит повысить не только урожайность сельскохозяйственных культур, но и улучшить качество посевов.
Цель исследования - изучение влияния доменного шлама, а также комбинации шлама и шлака в качестве агрохимиката для растениеводства в условиях лабораторного опыта по морфометрическим и биохимическим показателям вики посевной.
Материал и методы исследования. Морфологию и размер гранул отходов перед началом эксперимента определяли методом сканирующей электронной микроскопии. Оценка элементного состава осуществлялась с применением приставки для энергодисперсионного анализа. Рентгеноструктурные исследования проводились при комнатной температуре.
Для проведения эксперимента по оценке влияния доменного шлама и смеси шлама и шлака на растительную культуру были получены культивационные среды, содержащие различные концентрации отходов. В качестве основы для сред использовался предварительно простерилизованный песок. Обеззараживание проводили путем прокаливания песка в сухожаровом шкафу. Стерильный песок помещали в контейнеры объемом 0.5 л и доводили кислотность водной вытяжки из песка до рН 6.5 – модельный нейтральный грунт и рН 4.5 – модельный закисленный грунт. Внесение отходов осуществляли путем равномерного распыления по поверхности грунта. Рабочие концентрации: шлам – 0.01; 0.1 и 1 г/кг; шлак – 0.8 г/кг в закисленном субстрате и 0.6 г/кг в нейтральном.
Опыт проводился в лабораторных условиях согласно ГОСТу ИСО 22030-2009. Для проведения исследований, в полученный модельный грунт высеивали семена растительной культуры в количестве 30 шт. на контейнер. В качестве тест-объекта использовали вику посевную (сорт Льговская 22).
Измерения изучаемых показателей (всхожесть, длина стебля, сырая и сухая масса стебля, длина корня, сырая и сухая масса корня, интенсивность фотосинтеза) осуществляли в трех повторностях.
Для вычисления сухой биомассы стебли и корни растений помещали в бюксы и высушивали в течение 1 часа при 90 °C в сухожаровом шкафу. В ходе исследования также анализировался показатель максимального квантового выхода флуоресценции (Fv/Fm), который можно использовать для оценки эффективности ФСII.
Дополнительно определяли содержание цинка в растительных тканях при помощи атомно-абсорбционного спектрометра по методике ГОСТа [3].
Статистическую обработку получаемых данных осуществляли путем вычисления среднего арифметического значения, стандартного отклонения и расчета критерия Фишера.
Результаты исследования и их обсуждение
Физико-химический анализ конверторного шлака и доменного шлама
Установлено, что гранулы доменного шлама достигают размера 15 мкм, в то время как гранулы конвертерного шлака намного крупнее: их размер лежит в пределах от 20 до 500 мкм.
Элементный анализ образца шлака (Таблица 1) показал, что отход содержит в себе следующие химические элементы: Ca, Fe, Mg, Si, Al, Mn. В состав доменного шлама входят: Fe, Zn, Al, Ca, Si, Na. Рентгеноструктурный анализ показал, что преобладающим соединением в конверторном шлаке является оксид кальция (53%). В состав доменного шлама входит преимущественно оксид железа.
Таблица 1. Элементный состав образцов шлака и шлама
|
Образец шлака |
Образец шлама |
||
|
Элемент |
Вес,% |
Элемент |
Вес,% |
|
O |
43.98 |
O |
12.07 |
|
Mg |
3.37 |
Na |
0.42 |
|
Al |
1.96 |
Al |
0.74 |
|
Si |
3.31 |
Si |
0.61 |
|
Ca |
38.77 |
Ca |
0.71 |
|
Mn |
1.92 |
Fe |
84.42 |
|
Fe |
6.69 |
Zn |
1.03 |
Морфологические и биохимические показатели
В условиях закисленного грунта, всхожесть семян вики увеличилась на 20% при минимальной концентрации шлама (Рис. 1 а). Повышение дозы отхода снижало стимулирующее действие, а при 1 г/кг наблюдалось подавление всхожести на 5% относительно контрольных значений.
Оценка влияния анализируемых металлургических отходов на всхожесть семян вики посевной в условиях нейтрального грунта показала, что шлам в целом оказал ингибирующее влияние на данный показатель (Рис. 1 б). Добавление шлака усиливало подавление всхожести, но в то же время в варианте с максимальной концентрацией шлама добавление шлака нивелировало негативное действие шлама и анализируемый показатель был на уровне контрольных значений.
|
|
|
||
|
а) |
б) |
|
|
Рисунок 1. Всхожесть вики посевной: а) в закисленном грунте; б) в условиях нейтрального грунта (здесь и далее на графиках представлены: среднее арифметическое
и среднеквадратичное отклонение, * - обозначены варианты, в которых отмечено достоверное различие с контрольными значениями при p < 0,05)
Результаты оценки всхожести семян вики показывают разнонаправленное действие шлама в зависимости от кислотности грунта – в нейтральном субстрате всхожесть преимущественно подавлялась, в закисленном грунте наблюдался стимулирующий эффект.
В ходе оценки морфометрических параметров растений установлено, что анализируемый отход либо не оказывал влияния, либо стимулировал прирост стебля (рис. 2, а). Исключением стал вариант внесения шлама в максимальной концентрации в условиях нейтрального субстрата, где отмечено снижение показателя на 30 %. В целом можно отметить благоприятное влияние шлама в совокупности со шлаком в кислой среде.
|
|
|
|
а) |
б) |
Рисунок 2. а) влияние шлама и шлама/шлака на рост стеблей вики; б) влияние шлама
и шлама/шлака на рост корней вики
Развитие корневой системы стимулировалось во всех вариантах опыта в закисленном субстрате (Рис. 2 б). Наибольший прирост отмечен при максимальной дозе шлама – в чистом виде - +46%, с добавлением шлака - +57%. В нейтральном грунте отмечено снижение показателя при 0.01 и 1 г/кг шлама (- 10 – 30%), причем минимум зафиксирован в группах без добавления шлака.
На рисунке 3, а и б представлены результаты анализа массы стеблей растений вики. Как видно из диаграммы 3 а, в условиях закисленного грунта внесение шлама благоприятно сказалось на приросте биомассы, масса стебля увеличивалась на 12-31% обратно пропорционально концентрации шлама. Добавление шлака негативно сказалось на анализируемом показателе – при 0.01 г/кг не было эффекта, т.е. значения были на уровне контроля, однако при 0.1 г/л шлама масса стебля уменьшилась на 26%. При 1 г/кг показатель отличался от контроля на 7% в сторону уменьшения.
В нейтральном субстрате (Рис 3 б) наблюдался обратный эффект– внесение шлама без шлака либо не оказало влияния на массу стеблей (0.01 и 1 г/кг), либо наблюдалось подавление на 13% при 0.1 г/кг. Внесение раскислителя стимулировало прирост биомассы при 0.01 и 0.1 г/кг шлама на 4 и 9%, соответственно.
|
|
|
|
а) |
б) |
Рисунок 3. Масса стеблей вики посевной: а) сырая биомасса; б) сухая биомасса
Показанные эффекты можно связать с особенностями накопления влаги под действием металлургических отходов, т.к. после высушивания растений, масса стеблей при всех вариантах опыта была больше, чем в контрольном варианте.
В отличие от массы стеблей, сырая масса корней в целом увеличивалась под действием шлама, максимальный показатель (+82%) отмечен при 0.1 г/кг шлама в нейтральном субстрате на фоне шлака (Рис. 4 а). Сухая масса корней экспериментальных растений также была больше массы корней растений контрольной группы (Рис. 4 б).
|
|
|
|
а) |
б) |
Рисунок 4. Масса корней вики посевной: а) сырая биомасса; б) сухая биомасса
Также установлено, что анализируемые металлургические отходы не оказали достоверного влияния на эффективность фотосинтетической системы II растений вики посевной.
Результаты накопления цинка вегетативными органами растения
По результатам атомно-абсорбционной спектрометрии (Рис. 5) установлено, что накопление цинка надземной частью (прирост концентрации относительно контроля) растения составило 0.00018 мкг/г, корнями – 0.00025 мкг/г.
Рисунок 5 – Содержание цинка в растительных тканях вики посевной
По результатам исследования можно сказать, что исследуемый доменный шлам, отдельно, или в смеси со шлаком, благоприятно действует на изучаемые показатели вики посевной на кислых почвах.
Заключение
Согласно результатам анализа морфометрических признаков и биомассы, конверторный шлак и доменный шлам положительно влияют на данные показатели вики посевной на кислых почвах. Наибольший прирост длины стебля (17%) и его сырой массы (30%) наблюдается у проростков в кислом субстрате при концентрации шлама 0.1 г/кг. Прирост длины корня в кислой среде при концентрации шлама 0.1 – 1 г/составил 48 %. Также установлено накопление цинка в растительных тканях вики посевной.
Таким образом, доменный шлам может использоваться в качестве минерального удобрения, так как входящие в его состав компоненты являются микроэлементами, необходимыми для минерального питания растений. Добавление конвертерного шлака вызывал прирост всех исследуемых показателей по сравнению с внесением доменного шлама. Так как внесение конвертерного шлака в кислый субстрат способствует повышению ряда показателей у исследуемой сельскохозяйственной культуры по сравнению с действием чистого доменного шлама, то конвертерный шлак возможно применить в качестве аналога извести для мелиорации почв.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № 1023080200005-3-1.6.19 Фундаментальные основы формирования взаимодействий синтетических высокодисперсных частиц с микроорганизмами и растениями).
1. Бажин В. Ю. Отходы металлургического производства как альтернативный минерально-сырьевой ресурс / В. Ю. Бажин // Металлургия легких и тугоплавких металлов : материалы III Междунар. науч.-техн. конф., 10-11 октяб. 2014 г. — Екатеринбург : УрФУ, 2014. — С. 96-100.
2. Московченко, Е. Н. Загрязнение земель Московской области: масштабы и специфика // Теория и практика общественного развития. – 2013. – №. 5. – С. 327-329.
3. ФАО. 2013 год. Обеспечение качества работы лабораторий по анализу кормов для животных. Руководство ФАО по вопросам животноводства и здоровья животных, №14. – Рим, 2013.
