Архангельск, Архангельская область, Россия
Цель исследования – определение фитотоксичности компонентов и субстратов с использованием отходов очистных сооружений Архангельского целлюлозно-бумажного комбината. Субстраты изготавливали на основе верхового торфа со степенью разложения 15 %, с добавкой Биогумуса «Архангельский», который представляет собой компостированный остаточный активный ил очистных сооружений (ОАИ). Для тестирования вытяжек из материалов, применяемых для подготовки опытных субстратов, использовали овес посевной (Avena sativa L.) и кресс-салат (Lepidium sativum L.). Сравнение проводили с дистиллированной водой и смесью Кнопа. Для подбора оптимального для произрастания растений соотношения остаточного активного ила и торфа был поставлен модельный опыт с выращиванием овса посевного. Исследованы субстраты, приготовленные по объему фракций с градацией активного ила 10 %. Установлено, что компостированный активный ил не обладает фитотоксичностью по отношению к тест-объектам. Вытяжка на основе обезвоженного активного ила очистных сооружений Архангельского целлюлозно-бумажного комбината не оказывает угнетающего действия на прорастание тест-объектов – семян овса и кресс-салата, а согласно показателям длины корня и колеоптиля овса оказывает стимулирующее действие, сопоставимое или превышающее действие смеси Кнопа. Фитостимулирующего эффекта вытяжки торфа не обнаружено. Добавка ОАИ в верховой торф при приготовлении субстратов положительно влияет на показатели роста. Отмечается увеличение длины стебля и корня, массы подземной и надземной частей растений. Оптимальной в субстрате для выращивания овса является добавка компостированного активного ила в количестве 10–20 %. При больших долях добавки компостированных отходов активного ила (более 40 %) рост овса снижается, но масса стеблей и корней увеличивается.
фитотоксичность, субстраты, торф, отходы активного ила, овес посевной (Avena sativa L.)
Введение. Приготовление субстратов для выращивания посадочного материала в тепличных условиях является актуальной задачей, особенно в вопросе использования компонентов, производимых в региональных условиях с учетом элементов ресурсосбережения. В приготовлении грунтов для теплиц традиционно применяют почву, торф, минеральные и органические удобрения и др. [1, 2]. В органические компоненты могут вводить различные добавки, одной из которых традиционно считаются отработанные активные илы очистных сооружений различных производств [3].
Существуют различные способы утилизации отходов активного ила [4]. Наиболее популярные из них – сжигание, хранение на иловых площадках, применение в биологической рекультивации грунтов, использование в качестве удобрений и мелиорантов [5–9]. Также есть исследования применения остаточного активного ила в качестве компонентов субстратов для выращивания растений с закрытой корневой системой [10]. При правильном их использовании такие субстраты могут выступать альтернативой обычным торфяным субстратам [11, 12] и привести к экономии при замене коммерческих субстратов и применении минеральных удобрений [13, 14]. Согласно исследованиям, обезвоженный активный ил очистных сооружений может содержать тяжелые металлы, что ограничивает его использование в качестве мелиоранта или удобрения [15–19]. Учитывая возможную токсичность отходов активного ила, для использования в сельском и лесном хозяйстве их необходимо перерабатывать, подготавливая к технологическим процессам дальнейшего применения, в том числе компостированию.
Цель исследований – изучить фитотоксичность компонентов и субстратов, приготовленных на основе разного состава из компостированного остаточного активного ила Архангельского целлюлозно-бумажного комбината и верхового торфа, используя в качестве тест-объектов овес и кресс-салат.
Материалы и методы. Для приготовления субстратов использовали торф с предприятия «Архангельская клюква» с глубины торфяной залежи 40–80 см и степенью разложения 15 %. Вторым компонентом выступал компостированный активный ил (ОАИ) очистных сооружений Архангельского целлюлозно-бумажного комбината (АЦБК) с коммерческим названием Биогумус «Архангельский». Для данного биогумуса при поддержке АЦБК предприятием «Биолаборатория» (г. Архангельск) разработан регламент (срок действия 2014–2024 гг.) на его производство и использование. Согласно данным исследованиям, отходы активного ила АЦБК относятся к веществам 5-го класса опасности (Протокол 10-БО от 23.04. 2018 г.), яйца гельминтов отсутствуют (Протокол лабораторных испытаний от 2021 г.). Содержание тяжелых металлов в составе компостированного активного ила: медь – 840 мг/кг; цинк – 530; железо – 4 600; марганец – 1 800; никель – 42 мг/кг, что превышает, согласно ГОСТ 17.4.3.07-2001, нормативы содержания для осадков 1-й группы по меди в 1,12 раза. Торф и биогумус были высушены, размолоты и просеяны через сито 2 мм. Характеристика исходных компонентов представлена в таблице 1.
Таблица 1
Характеристика исходных компонентов
|
Компонент |
Плотность сложения, г/см3 |
Истинная плотность, г/см3 |
Полная полевая влагоемкость, % |
Пористость, % |
Зольность, % |
рН сол |
Содержание, мг/кг |
|||
|
NO3- |
NH4+ |
Р2О5 |
К20 |
|||||||
|
Торф |
0,046±0,003 |
0,768 |
1778,6 |
94,0 |
2,3±0,1 |
3,2±0,1 |
˂25 |
54,0±10,0 |
24 ±10 |
56±10 |
|
Ил |
0,381±0,001 |
1,440 |
227,0 |
73,5 |
29,0±0,5 |
6,4±0,01 |
˂25 |
˂14 |
1161±38 |
51±9 |
У этих компонентов была определена фитотоксичность – один из эффективных показателей, дающих информацию о суммарном негативном влиянии на объекты исследования. Исследование проводили на 2 тест-объектах – овес посевной (Avena sativa L.) и кресс-салат (Lepidium sativum L.) методом проращивания.
При постановке опыта по влиянию смеси компонентов на всхожесть семян тест-объектов в качестве контроля отсутствия фитотоксического эффекта использовали дистиллированную воду, а для контроля фитостимулирующего эффекта – смесь Кнопа. Для получения вытяжек в течение 1 часа интенсивно перемешивали компоненты при соотношение активный ил : вода / смесь Кнопа в количестве 1:10. 25 семян тест-культур помещали в вытяжки в чашках Петри в 5-кратной повторности. Через 72 часа нахождения в термостате при 25 °С проводили определение количественных и биометрических показателей – длины корня (см), длины колеоптиля/гипокотиля (см) и энергии прорастания семян (%), которая рассчитывалась как отношение числа проросших семян к общему числу семян.
Модельный опыт по выращиванию растений овса был проведен с целью определения влияния субстрата на основе разного соотношения ОАИ и торфа верховых болот на количественные и биометрические показатели для подбора оптимального для произрастания растений соотношения остаточного активного ила и торфа. Были подготовлены композиции субстратов из верховного торфа и биогумуса на основе остаточного активного ила в соотношениях, подобранных и исследованных по водно-физическим свойствам ранее [20] в следующих вариантах, приготовленных по объему используемых фракций в количествах: контроль, полностью состоящий из торфа; 90 % торфа с добавкой 10 % ила, 80 % торфа с добавкой 20 % ила т.д. Всего 8 вариантов с градацией ила 10 %.
В качестве тест-объекта использовался овес посевной, который чувствителен к химическим и физико-химическим показателям почвы, что делает его хорошим индикатором состояния субстрата. Благодаря короткому циклу роста и развития овса возможно быстро определить изменения в почвенных условиях. Это особенно важно для мониторинга изменений в почвенном состоянии на небольших участках или при частых исследованиях.
Каждая композиция субстрата рассматривалась в трехкратной повторности. Всего исследовали 24 образца. Семена овса высеивали на глубину заделки 3–4 см в пластиковые контейнеры (объем 1,5 л, площадь поверхности грунта 0,02 м2). Предварительно определенная всхожесть по ГОСТ 12038-84 составила 74 %. Соответствуя такой всхожести, норма высева составила 17 семян на поверхность грунта. Растения выращивали с поддержанием постоянной влажности, которая составляла 60 % от влагоемкости субстратов в течение 20 дней. Количественные показатели прорастания, всхожести, биометрические и массовые данные обрабатывались общепринятыми статистическими методами в программах MS Excel и Statistica. Достоверность различий средних величин оценивалась по критериям Стьюдента, Краскела –Уоллиса и Манна – Уитни, нормальность распределений – по критериям Пирсона хи-квадрат и Колмогорова – Смирнова. Различия для всех приведенных данных по показателям считались значимыми при р < 0,05.
Результаты и их обсуждение. На рисунке 1 представлены средние количественные и биометрические показатели тест-культур при изучении фитотоксичности компонентов субстратов.
Рис. 1. Средние количественные показатели прорастания тест-культур
(число исследуемых образцов n = 100)
Средняя энергия прорастания овса в вытяжках биогумуса на основе ОАИ составляет 72,5 %, что несколько выше, чем в торфяных вытяжках (63,3 %). Однако статистически значимой разницы в показателях энергии прорастания овса в используемых вытяжках и контроле не найдено (р = 0,058). Стимулирующих эффектов ОАИ и фитотоксичности по показателям энергии прорастания для овса не обнаружено (р = 0,074). Сравнение таких показателей, как длина корня и длина колеоптиля овса, показывает стимулирующее действие вытяжки на основе ОАИ. Этот показатель статистически превышает значения (р = 0,00023 для показателей длины корня и р = 0,0047 для показателей длины колеоптиля), полученные в контроле с водой, и сопоставим со значениями, полученными на смеси Кнопа.
Для кресс-салата средние значения энергии прорастания составляют 92 % и не показывают статистически значимой (р = 0,061) разницы в исследуемых вытяжках и контроле. Однако отмечается стимулирующее действие на рост кресс-салата вытяжки активного ила. Особенно активно это проявляется в увеличении длины корня (р = 5,01·10-9), где данный показатель значимо превышает длину корня в смеси Кнопа. Аналогично данным по овсу показатели растений в вытяжке торфа сопоставимы с данными по воде.
Таким образом, вытяжка на основе обезвоженного активного ила очистных сооружений Архангельского целлюлозно-бумажного комбината не оказывает угнетающего действия на прорастание тест-объектов – семян овса и кресс-салата, а согласно показателям длины корня и колеоптиля овса, оказывает стимулирующее действие, сопоставимое или превышающее действие смеси Кнопа. Фитостимулирующего эффекта вытяжки торфа не обнаружено.
Результаты вегетационного опыта по испытанию субстратов с разным соотношением торфа и ОАИ представлены в таблице 2.
Таблица 2
Всхожесть и биометрические показатели овса на различных композициях субстратов
на основе торфа и ОАИ
|
Содержание биогумуса на основе ОАИ, % |
Всхожесть, % |
Длина стебля, см |
Длина корня, см |
|
|
0 |
72,5 |
1,4±0,3 |
||
|
10 |
74,5 |
19,8±4,8 |
10,1±3,1 |
|
|
20 |
76,5 |
18,2±2,6 |
11,1±1,1 |
|
|
30 |
84,3 |
17,5±0,8 |
8,7±2,8 |
|
|
40 |
90,2 |
17,5±1,2 |
7,2±2,6 |
|
|
50 |
72,5 |
18,2±1,4 |
7,8±1,7 |
|
|
60 |
90,2 |
18,4±1,7 |
7,6±0,9 |
|
|
70 |
82,4 |
18,1±2,8 |
8,9±7,4 |
В контрольных образцах на торфе растения были ослаблены и к концу эксперимента пожелтели (рис. 2, слева), что не позволяет говорить о применении чистого верхового торфа при выращивании культур.
Рис. 2. Овес посевной, выращенный без добавления ОАИ (слева) и с 70 % ОАИ (справа)
Общая всхожесть семян овса в вариантах без добавления остаточного активного ила составляет 72,5 %, с добавлением остаточного активного ила – 72,5–90,2 % (среднее 81,5 ± 2,7). Дисперсионный анализ показал, что добавление ОАИ в субстрат оказывает влияние на всхожесть семян (F = 9, Р = 0,009, Fкрит. 0,05 = 4,6), на длину стебля (F = 47, P = 0,0007, Fкрит. 0,05 = 4,6), на длину корня (F = 39, P = 0,0002, Fкрит. 0,05 = 4,6). Подобные выводы сделаны и с применением непараметрических критериев Манна –Уитни и Краскела – Уоллиса – различия групп с добавлением ОАИ и без добавления значимы на уровне p < 0,05 для всех исследуемых параметров – всхожесть, длина стебля, длина корня.
Средняя длина стебля овса в вариантах без добавления ОАИ составила 8,5 см, что достоверно ниже образцов с добавлением ОАИ (среднее 18,2 ± 0,29 см). Статитически доказано, что добавка ОАИ даже в количестве 10 % приводит к увеличению длины стебля более чем в два раза по сравнению с контрольным образцом – торфом (критерий Стьюдента = 7,5). Между вариантами с добавлением ОАИ достоверного различия не наблюдается (величина критерия Стьюдента находится в пределах 0,1–0,8 при стандартных значениях 2,4–3,7).
Средняя длина корня в контрольном образце без добавления ОАИ составляет 1,4 см. Статистически доказано, что добавка ОАИ в субстрат приводит к увеличению длины корня более чем в 6 раз. Максимальные значения наблюдаются при добавлении 10–20 % ОАИ к торфу. Среднее значение для различных вариантов добавления ОАИ составило 8,7 ± 0,53 см.
Также было произведено измерение биомассы надземной и подземной части растений после их предварительного высушивания при температуре 105 °C (рис. 3).
Рис. 3. Массовые показатели овса (в пересчете на одно растение)
Связь массы надземной и подземной части выражается уравнениями
МНЧ = 0,05869+0,0305·ОАИ0,2111; R2 = 0,73
МПЧ = 0,00343+0,00855·ОАИ0,2928; R2 = 0,68,
где МНЧ – масса надземной части, г; МПЧ – масса подземной части, г.
Распределение полученных значений массы надземной и подземной части оценивается как нормальное. Критерий Колмогорова – Смирнова составил 0,11 при стандартном значении 1,36, критерий Пирсона хи-квадрат – 21 при стандартном значении 33,9.
Добавка компостированного остаточного активного ила в верховой торф при приготовлении субстратов положительно влияет на показатели роста овса посевного. Увеличивается длина стебля и корня, масса подземной и надземной частей растений. Оптимальным в субстрате для выращивания овса является добавка биогумуса на основе ОАИ в количестве 10–20 %. Это согласуется с данными других авторов: внесение добавок ОАИ в небольших дозах улучшает свойства дерново-подзолистых почв и рост
сеянцев сосны и ели в теплицах.
Заключение. Таким образом, активный ил в виде биогумуса при добавке к верховому торфу не обладает фитотоксичностью по отношению к тест-объектам (кресс-салат и овес посевной). В добавках 10–20 % к верховому торфу ОАИ повышает ростовые показатели тест объекта (овса посевного), что важно для стандартизации полученного посадочного материала по высоте. При больших долях добавки биогумуса (более 40 %) прирост овса замедляется, но масса стеблей и корней увеличивается. На стабильность роста и развития растений может влиять качество перемешивания компонентов субстрата, имеющих различную плотность, что необходимо предусматривать при использовании в тепличном хозяйстве.
1. Mechanization of soil preparation for greenhouses / P.I. Pavlov [et al.] // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2018. № 3 (9). P.1023–1030.
2. Shiliu C. Research and application of peat in agriculture // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2019. P. 384
3. Haile A., Gelebo G.G., Tesfaye T. Pulp and paper mill wastes: utilizations and prospects for high value-added biomaterials // Bioresour. Bioprocess. 2021. 8. 35 p.
4. Ручкинова О.И., Зверева А.Н. Методы утилизации осадков городских очистных сору¬жений // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2020. Т. 1. С. 192–196.
5. Reuse of water and sludge in agriculture: new technologies for the treatment / S.C. Fernandes [et al.] // Research, Society and Development. 2023. 12. e30012128262. DOI:https://doi.org/10.33448/rsd-v12i1.28262.
6. Waste to resource: use of water treatment residual for increased maize productivity and micronutrient content / T. Gwandu [et al.] // Environ Geochem Health 2021. 44. DOI: 10.1007/ s10653-021-01100-z.
7. Improvement of Thermal Dehydration and Agronomic Properties of Products Obtained by Combining Sewage Sludge with Industrial Residues / A. Santos [et al.] // Waste and Bio-mass Valorization. 2021. 12. 1-11. DOI:https://doi.org/10.1007/s12649-021-01371-8.
8. Thermal dehydration of urban biosolids with green liquor dregs from pulp and paper mill / L. Gomes [et al.] // Journal of Environmental Management. 2020. 261. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jenv-man.2019.109944.
9. Repetitive land application of urban sewage sludge: Effect of amendment rates and soil texture on fertility and degradation parameters / H. Hamdi [et al.] // Catena. 2018. 172. 11-20. DOI:https://doi.org/10.1016/j.catena.2018.08.015.
10. Composted sewage sludge as an alternative substrate for forest seedlings production / M.M. Gabira [et al.] // iForest. 2021. 14. P. 569–575.
11. Sewage Sludge: An Important Biological Resource for Sustainable Agriculture and Its Environmental Implications / K. Usman [et al.] // American Journal of Plant Sciences. 2012. V. 03. P. 1708–1721.
12. Наквасина Е.Н., Коптев С.В., Никитина М.В. Субстраты на основе торфа и компостированного активного ила Архангельского целлюлозно-бумажного комбината для выращивания посадочного материала хвойных пород // Лесной вестник. 2024. Т. 28, № 3. С. 67–77.
13. Опыт разработки и использования контейнерных субстратов для лесных питомников. Альтернативы торфу / E.Д. Pобонен [и др.] // Resources and Technology. 2015. 12 (1). С. 47–76.
14. Better together: Water treat-ment residual and poor-quality compost improves sandysoil fertility / C.E. Clarke [et al.] // Journal of Environmental Quality. 2019. 48(6), P. 1781–1788.
15. Effects of sewage sludge fertilizer on heavy metal accumulation and consequent responses of sunflower (Helianthus annuus) / D. Bel¬haj [et al.] // Environmental Science and Pollution Research. 2016. 23. DOI: 10.1007/ s11356-016-7193-0.
16. Analysis of potentially toxic metal constraints to apply sewage sludge in Portuguese agricultural soils / L. Gomes [et al.] // Environmental Science and Pollution Research. 2019. 26. DOI:https://doi.org/10.1007/s11356-019-05796-6.
17. Effect of sludge amelioration on yield, accumulation and translocation of heavy metals in soybean grown in acid and alkaline soils / M. Choudhary [et al.] // Environmental Science and Pollution Research. 2023. 30. DOI:https://doi.org/10.1007/s11356-023-29568-5.
18. Jalali M., Imanifard A., Jalali M. Heavy metals accumulation in wheat (Triticum aestivum L.) roots and shoots grown in calcareous soils treated with non-spiked and spiked sewage sludge // Environmental Science and Pollution Research. 2022. 30. 1-12. DOI:https://doi.org/10.1007/s 11356-022-23604-6.
19. Yakamercan E., Ari A., Aygun A. Land application of municipal sewage sludge: Human health risk assessment of heavy metals // Journal of Cleaner Production. 2021. 319. 128568. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128568.
20. Водно-физические свойства субстратов на основе торфа и компостированных отходов активного ила Архангельского целлюлозно-бумажного комбината / Е.Н. Наквасина [и др.] // Успехи современного естествознания. 2023. № 2. С. 13–17.
