+7 (342) 299 99 69

пн-пт с 900 до 1800

logotype
ГлавнаяО ТБОЛитератураПроблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производстваПрименение буроугольных гуминовых удобрений для фиторекультивации техногенных ландшафтов

Применение буроугольных гуминовых удобрений для фиторекультивации техногенных ландшафтов

Введение. Проблема рекультивации техногенных ландшафтов и восстановления нарушенных почвогрунтов особенно актуальна в регионах с интенсивной антропогенно-техногенной нагрузкой и почвенно-климатическими особенностями регионов с частыми засушливо-суховейными явлениями и неравномерным распределением осадков на протяжении года с большими колебаниями их по годам [1, 2]. Значимой проблемой в Донецком регионе является рекультивация породных отвалов коксохимического производства и шахтных терриконов.

Одним из наиболее высокоэффективных в экономическом и экологическом плане способов восстановления техногенных ландшафтов, снижения негативного влияния на среду и человека является фиторекультивация. При фиторекультивации породных отвалов углеобогащения и шахтных терриконов растения подвергаются ряду стрессовых факторов: повышенная кислотность среды произрастания, токсическое воздействие ксенобиотиков, промышленных поллютантов, несбалансированность макро-, мезо- и микроэлементного питания, недостаточное и неравномерное увлажнение, перепады температур. В связи с этим актуальным научно-практическим направлением является повышение адаптационных способностей растений.

В Донецком национальном университете разработана безотходная технология получения из бурого угля жидких гуматов аммония (ЖГА) - стимуляторов и адапто-генов растений [3-5]. Побочным продуктом производства ЖГА являются остаточные бурые угли (ОБУ), которые наиболее целесообразно применять в качестве органо-минеральных удобрений для рекультивации техногенных ландшафтов, а также в лесном хозяйстве и зеленом строительстве. Действие буроугольных гуминовых препаратов направлено на снижение уровня влияния стрессовых факторов среды и повышение адаптивных возможностей растений [6].

В НИО Донецкого национального университета проведен отбор растительных культур, а также выбор информативных биологических и биохимических показателей этих культур в условиях действия стрессовых факторов. Подтверждено, что любые неблагоприятные факторы вызывают нарушение единых ключевых процессов метаболизма, в первую очередь - энергетических и синтетических. Полученные экспериментальные данные являются основой для создания системы мероприятий экологической корректировки продуктивности агроэкосистем и рекультивации грунтов.

В настоящее время в НИО Донецкого национального университета решаются научно-практические задачи по использованию травянистых культур, таких как овсяница луговая(FestucapratensisHuds.) и донниклекарственньIЙMe/i/otusoffiCina/is (L.) Pall. для фиторекультивациизолошлаковых отвалов Авдеевского коксохимического завода (АКХЗ), путем создания оптимальных условий произрастания данных растений за счет снижения кислотности породы отвалов АКХЗ и подбора состава грунто-смеси при внесении пород террикона и буроугольных удобрений на основании биологических и биохимических показателей, позволяющих оценить уровень адаптивных реакций растений. Технологическое решение направлено на снижение уровня действия стрессовых факторов среды и повышение адаптивных возможностей растений [6].

Объекты и методы. В качестве объектов исследований были использованы: 1) гуминовый препарат - бурогумофоска (БГФ-1А, БГФ-1Б- органо-минеральные удобрения на основе остаточного бурого угля, отхода производства гуматов аммония с содержанием аммонийного азота 2 и 4% соответственно, оксидафосфора (V) 16 и оксидакалия 14%) [7]; 2) породы отвала углеобогащения Авдеевского коксохимического завода (АКХЗ) и шахтного террикона, а также их смеси.Добавка гумино-вогопрепарата (БГФ-1А или БГФ-1Б) составляла2 г на 1 кггрунтосмеси. Порода углеобогащения АКХЗ имеет кислое значение рН (3,0-3,6), при котором рост и развитие растений невозможны. Поэтому была проведена предварительная нейтрализация данной породы мелом (до рН 5,5).

Растительные объекты: овсяница луговая. Овсяница луговая и донник лекарственный не требовательны к почвам, обладают высокой устойчивостью к заболеваниям, зимостойкостью, засухоустойчивостью. Благодаря способности наращивать значительную зеленую массу и развивать мощную корневую систему являются ценными растениями для использования в мелиорации засоленных почв и для борьбы с водной и ветровой эрозией, а также в качестве зеленого удобрения.

Исследования проводили с помощью вегетационного метода в соответствии со стандартной методикой [9]. Использованы композиционные составы с различными соотношениями породы Авдеевского коксохимического завода и породы террикона (ПТР) без удобрений и с органоминеральными удобрениями БГФ-1А и БГФ-1Б.

Влияние состава грунтосмеси и удобрения оценивали по сумме показателей: накоплению сырой и сухой зеленой массы и массы корней, содержанию пигментов (хлорофиллов а, Ь, а также суммы каротиноидов и ксантофиллов), ферментативной активности цитоплазматической и ионосвязаннойпероксидазыв тканевых экстрактах из листьев растений.

Таблица 1 - Схема вегетационного опыта

Вариант

Содержание породы АКХЗ, %

Содержание породы террикона, %

Внесение буроугольного удобрения

1

100

0

Без внесения

2

100

0

БГФ-1А

3

100

0

БГФ-1Б

4

95

5

Без внесения

5

95

5

БГФ-1А

6

95

5

БГФ-1Б

7

90

10

Без внесения

8

90

10

БГФ-1А

9

90

10

БГФ-1Б

10

75

25

Без внесения

11

75

25

БГФ-1А

12

75

25

БГФ-1Б

Содержание фотосинтетических пигментов определяли фотоколориметрическим методом на КФК-3 по общепринятой методике, с использованием в качестве экстрагента ацетона [10].

Цитоплазматическую и ионосвязаннуюпероксидазу(КФ. 1.11.17.; донор:Н2О2-оксидоредуктаза) извлекали из гомогенизированной растительной ткани постадий-ным экстрагированием цитратно-фосфатным буфером (ЦФБ) с рН 4,8. Экстрагирование проводили по методике [11] с нашей модификацией. Активность цитоплазма-тической и ионосвязаннойпероксидазы в неочищенных тканевых ферментативных экстрактах (НТФЭ) из растений определяли фотоколориметрическим методом на КФК-3 с использованием в качестве субстрата 3,3,5,5 - тетраметилбензидина. За основу взята методика, применяемая в микроанализе [12], которую мы модифицировали с учетом специфики наших исследований.

Для расчета удельной активности пероксидазы определяли содержание белка в анализируемых НТФЭ по методу Бредфорда [13] с Ситта881ВгШашВше - 250 фирмы 8егуа на КФК-3 при Х= 595нм.

Результаты и обсуждение. В результате проведенных исследований установлено влияние как породного состава грунтосмеси (соотношение породы АКХЗ и террикона - ПТР), так и внесения удобрения на накопление массы шестидесятидневных растений овсяницы и донника. При внесении буроугольных удобрений наблюдается увеличение зеленой массы и снижение массы корней.

Показательным является реакция корневой системы как овсяницы так и донника на увеличение доли ПТР в составе грунтосмеси от 0-5% (соответственно 100-95 % породы АКХЗ) до 25% (75% породы АКХЗ): при отсутствии буроугольных удобрений наблюдается тенденция к увеличению корневой массы; на фоне же БГФ происходит довольно резкое снижение массы корня. Это свидетельствует о том, что при выращивании обеих культур на породе АКХЗ лимитирующим фактором является макроэлементное питание (NPK). Порода террикона содержит примеси легкодоступных соединений азота, фосфора и калия. Поэтому увеличение доли ПТР в составе грунтосмеси в некоторой степени улучшает корневое минеральное питание. Внесение БГФ устраняет дефицит NPK и снижает потребность наращивания корневой массы.

Установлено, что на фоне низкого содержания ПТР (0 - 5 %) и высокого содержания породы АКХЗ (100-95%) внесение буроугольных удобрений с содержанием азота 2 % (БГФ-1А) является оптимальным вариантом грунтосмеси среди исследованных для обеих культур, особенно при выращивании в условиях повышенных температур (+30-35оС). При соотношении породных компонентов в грунтосмеси 75% порода АКХЗ + 25% ПТР оптимальным является вариант с внесением БГФ -1Б с 4 %-м содержанием азота. Это можно объяснить увеличением конкуренции за азотное питание между растениями и литотрофной микрофлорой пород шахтного террикона при повышении доли ПТР.

Установлено, что на более низком фоне содержания породы АКХЗ внесение удобрений вызывает изменения в большей степени. Так, на примере овсяницы на фоне 95% содержания породы АКХЗ происходит увеличение зеленой массы на 60% и снижение массы корней на 36%, а на фоне 75% породы в составе грунтосмеси эти показатели составляют 84 и 70 % соответственно. Такой характер влияния удобрений на накопление зеленой массы и массы корней можно объяснить действием дополнительного внесения элементов минерального питания растений NPK, что способствует интенсификации синтетических процессов и снижает необходимость увеличения массы корневой системы в связи с большей доступностью минерального питания.

Более высокая чувствительность к действию удобрения при 75%-м содержании породы АКХЗ по сравнению с 95%-м, очевидно, связана, во-первых, с улучшением структурных, физико-химических свойств грунтосмеси (грунтосмесь с 75%-м содержанием породы АКХЗ более рыхлая), что обеспечивает лучшую аэрацию корней; во-вторых, со снижением токсического действия тяжелых металлов и иных токсикантов за счет перевода их в трудноусвояемые для растений формы путем химической модификации и физико-химических взаимодействий химических агентов двух разных пород в грунтосмеси. В результате снижается сила воздействия факторов стресса при 75%-м содержании породы АКХЗ и 25%-м содержании ПТР. Таким образом, очевидно, что лимитирующим фактором роста овсяницы и донника на грунтосмесях порода АКХЗ+ПТР является содержание основных элементов питания NPK. Содержание в нейтрализованной породе АКХЗ азота, фосфора, калия более низкое, чем в бедных почвах.

При внесении легкодоступных NPK с буроугольным удобрением фактор дефицита питания снимается и лимитирующим становится фактор избытка содержания тяжелых металлов и других токсикантов, который уменьшается при снижении концентрации породы с 95 до 75%. Баланс микро- и макро-элементного питания при этом оптимизируется, что снимает необходимость для растения увеличения массы корня и способствует стимуляции прироста зеленой массы растений.

При внесении буроугольных удобрений наблюдается снижение ферментативной активности в тканевых экстрактах из зеленой массы овсяницы как цитоплазма-тической (в среднем на 30,0%), так и ионосвязанной (в среднем на 27,6%) перокси-дазы. Совокупная удельная активность фермента также снижается на фоне удобрений на 31,1% при содержании в грунтосмеси 95% породы АКХЗ и на 28,0% при содержании 75% породы. У овсяницы цитоплазматическаяпероксидаза более чувствительна к внесению буроугольных удобрений, чем ионосвязанная.

Наблюдается уменьшение соотношения активностей цитоплазматической и ионосвязаннойперок-сидазы (на 3% при 95%-м и на 3,5 % при 75%-м содержании породы). Однако активности форм пероксидазы донника и овсяницы различны. Для овсяницы характерно варьирование в пределах 1-7 с оптимумом 2,9. Для донника этот показатель меньше единицы 0,18-0,73 с оптимумом 0,73 в условиях данного опыта. Очевидно, отношение цитоплазматической и ионосвязаннойпероксидазной активности - видоспеци-фический показатель. У донника, в отличие от овсяницы, более чувствительной к фактору оптимизации условий выращивания оказалась ионосвязаннаяпероксидаза: минимальная зеленая масса 0,75 г в варианте со 100%-й долей породы АКХЗ соответствовала максимальной активности ионосвязаннойпероксидазы 43,47 нкат/мг белка препарата и активности цитоплазматической пероксидазы 7,88 нкат/мг белка препарата.

В наиболее оптимальном варианте (95% породы АКХЗ + 5% терриконита + БГФ1А) с массой растений 7,13 г значения активности ионосвязаннойпероксидаз-ной соответствовали 8,14, а цитоплазматической - 5,93 нкат/мг белка препарата. На 75% уровне содержания породы АКХЗ и 25% ПТР оптимизация выращивания донника внесением БГФ-1Б также существенно снизила активность ионосвязаннойпе-роксидазы и в меньшей степени - цитоплазматической. Понижение пероксидазной активности однозначно является индикатором снижения уровня «стрессовости» условий жизни при внесении удобрения.

Установлено, что и породный состав грунтосмеси, и буроугольные удобрения оказывают влияние на содержание пигментов в растениях овсяницы. Максимальные показатели по содержанию как хлорофилла, так и каротиноидов соответствуют варианту грунтосмеси с содержанием породы АКХЗ 95% без удобрений.

В более стрессовых условиях растительный организм максимально реализует потенциальные генетически заложенные функциональные возможности систем фотосинтеза. Увеличение содержания пигментов является одной из неспецифических реакций адаптации в условиях действия любых стрессовых факторов и конкретно в данном опыте при неблагоприятных для произрастания растений структурных свойств грун-тосмеси и токсического воздействия тяжелых металлов.

Снижение содержания породы АКХЗ в составе грунтовой смеси до 75% вызывает уменьшение содержания фотосинтетических пигментов. Аналогичные изменения в пигментной системе овсяницы происходят и под влиянием буроугольных удобрений.

Результаты работы подтверждают высокую эффективность применения гуми-новых препаратов для экологической корректировки экосистем.

Выводы

1. При рекультивации грунтосмесей породы АКХЗ и ПТР использование буро-угольных удобрений способствует оптимизации условий выращивания и получению прироста растительной массы Festucapratensis и Melilotusofficinalis.

2. Овсяница луговая в условиях повышенных температур (+25-35оС) проявляет более высокие адаптивные способности к росту на грунтосмесях из пород,чем донник лекарственный.

3. Оптимальными по составу в ряду исследованных являются: грунтосмесь, содержащая 95% породы АКХЗ+5% ПТР+БГФ-1А, и грунтосмесь, содержащая 75%

породы АКХЗ+25% ПТР+БГФ-1Б.

4. При увеличении содержания ПТР в составе грунтосмеси от 5 до 25% для максимально возможной в данных условиях оптимизации жизнедеятельности растений необходимо увеличение содержания азота во внесенном буроугольном удобрении с 2 до 4%. Это можно объяснить увеличением конкуренции за азотное питание между растениями и литотрофной микрофлорой шахтных пород при повышении доли ПТР.

5. Повышение температуры при культивировании овсяницы на грунтосмесях ПТР и породы АКХЗ является дополнительным фактором, который влияет на подбор оптимальных соотношений пород и буроугольных удобрений и их состава. Поэтому в условиях повышенных температур +25-35оС эффект от внесения БГФ, стимулирующего специфический бактериальный рост хемолитотрофной микрофлоры и продуктом которого является, в частности, серная кислота, зависит от минералогического и химического состава грунтосмеси и уровня азотного питания.

6. Снижение совокупной удельной пероксидазной активности при рекультивации грунтосмесей породы АКХЗ и ПТР является показателем оптимизации условий выращивания овсяницы луговой и донника лекарственного.

7. Соотношение активностей цитоплазматической и ионосвязанной форм пе-роксидазы может служить показателем оптимизации системы грунт-растение. Для овсяницы оптимальным в условиях опыта является величина показателя 2,91-2,92, для донника - 0,73.

8. Увеличение содержания фотосинтетических пигментов, в первую очередь хлорофилла а, является одной из неспецифических реакций адаптации в условиях действия стрессового фактора, т. е. компенсаторный механизм фотосистем в условиях крайней стрессовости базируется, прежде всего, на увеличении содержания хлорофилла а, а потом уже хлорофилла bи суммы каротиноидов.

9. Оптимизация условий выращивания овсяницы луговой при внесении БГФ-1А и снижении доли ПТР приводит к снижению величины отношения содержания хлорофиллов а и b.В данных условиях произрастания для овсяницы оптимальным является значение показателя 1,2.

10. Обнаружена положительная корреляционная связь между совокупной удельной пероксидазной активностью единицы зеленой массы овсяницы с соотношением содержания хлорофиллов а и b, что говорит о согласованном участии пе-роксидазы и структурных изменений фотосистем в адаптационном механизме растении.

В целом полученные результаты подтверждают высокую эффективность применения гуминовых препаратов для экологической корректировки продуктивности экосистем, а также служат основой при разработке методических рекомендаций для восстановления эродированных почв и рекультивации промышленных грунтов.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голосов)
  • Комментарии к статье
  • Вконтакте
  • Facebook

Содержимое второго блока