Перспективные удобрения из металлургических отходов

Перспективные удобрения из металлургических отходов

Автор: Солодуша Петр Юрьевич,

9 класс, МБОУ г. Иркутска Лицей №1.

Научные руководители:

Минчева Елена Вячеславовна к.б.н., н.с., ЛИН СО РАН;

Нефедьева Марина Анатольевна, учитель информатики, МБОУ г. Иркутска Лицей №1.

Иркутск-2016

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Раздел 1. Важность макро- и микроэлементов для растений 4

Раздел 2. Экспериментальная часть 8

2.1. Описание объекта исследования 8

2.2. Биолого-хозяйственная характеристика опытных культур 9

2.3. Условия эксперимента 10

Раздел 3. Статистический анализ данных 10

Выводы 12

Список литературы 13

ПриложениЕ 14

Введение

Важность сельскохозяйственных растений в жизни человека очевидна. Растения дают пищу людям, служат кормом для сельскохозяйственных животных, применяются в качестве сырья в промышленном производстве.

Для роста растениям необходим солнечный свет, вода и питательные вещества (действующие вещества). Действующие вещества поступают из воздуха или из почвы. Если в почве содержится достаточное их количество, растения с большой вероятностью будут хорошо развиваться и дадут богатый урожай. При недостатке хотя бы одного действующего вещества развитие растения замедляется, а урожайность снижается. Удобрения необходимы для получения высоких урожаев, так как они снабжают растения питательными веществами, содержание которых в почве может быть недостаточным. Внесение удобрений во многих случаях позволяет удвоить и даже утроить урожай. Стоимость жидких минеральных микроудобрений на сегодняшний день варьируется от 2 до 157 рублей за 1 литр [1].

В то же время при металлургическом производстве остается большое количество отходов – пыли, шламы, шлаки и т.д. В настоящее время разработаны различные технологии комплексной переработки шламов (пылей); часть из них реализована в промышленном масштабе за рубежом. У нас такие технологии разрабатываются на уровне исследовательских работ и полупромышленных испытаний. В основном шламы накапливаются в специальных приемниках – шламонакопителях. В составе сталеплавильных шламов содержатся оксиды железа, кремния, марганца, кальция, алюминия, фосфора, магния, а также хрома, ванадия, титана, вольфрама. Согласно [2], некоторые из этих элементов в микро количествах могут быть полезны для растений. Кроме того, по оценке [2], использование шламов в качестве микроудобрения может составить существенный экономический эффект.

Перспектива использования шламов в качестве минеральных веществ позволила бы снизить экономические затраты на производство минеральных удобрений и отчасти решить проблему утилизации шлама.

Актуальность работы связана, во-первых, с необходимостью поиска ресурсосберегающих способов утилизации запасов высокодисперсных отходов металлургической промышленности России, во-вторых, с созданием дешёвых эффективных и экологически безопасных минеральных удобрений. Большинство описанных в литературе исследований по данной тематике концентрируются лишь на одной из проблем. Новизна данного исследования заключается в попытке найти решение обеих задач одновременно.

Целью данной работы стало исследование влияния различных концентраций сталеплавильных шламов на всхожесть семян и морфофизиологические показатели сельскохозяйственно-важных растений.

Для реализации данной цели были сформулированы и выполнены следующие задачи:

1. Анализ литературы по теме исследования.

2. Проведение лабораторных экспериментов для подбора концентрации шлама, оказывающей благотворное влияние на прорастание семян и рост корней у опытных растений.

3. Статистический анализ полученных результатов.

Краткие сведения, полученные из литературных источников, включены в разделы 1 и 2. Описание условий лабораторных экспериментов содержится в разделе 2. Результаты, полученные при решении задач № 2 и 3, изложены в третьем разделе данной работы.

Работа выполнялась в 2015-2016 учебном году на базе Лимнологического института Сибирского отделения Российской академии наук.

РАЗДЕЛ 1.

Важность макро- и микроэлементов для растений

Все элементы в зависимости от их количественного содержания в растении принято делить на макроэлементы (содержание более 0,01 %) и микроэлементы (содержание менее 0,01 %). К макроэлементам относятся: фосфор, сера, калий, кальций, магний, они необходимы растению в больших количествах. К микроэлементам (содержание менее 0,01 %) относятся: железо, марганец, медь, цинк, бор, молибден, кобальт, хлор.

Рассмотрим два макроэлемента, которые поглощаются растением из почвенных растворов: кальций и магний.

Кальций. Общее содержание кальция у разных видов растений составляет 5–30 мг на 1 г сухой массы. Много кальция содержат бобовые, гречиха, подсолнечник, картофель, капуста, гораздо меньше – зерновые, лен, сахарная свекла. В тканях двудольных растений кальция больше, чем у однодольных. Роль кальция разнообразна. Соединяясь с пектиновыми веществами, он дает пектаты кальция – очень важную составляющую клеточных оболочек растений. Кальций также необходим для нормального функционирования мембран. Его недостаток приводит к увеличению проницаемости мембран, нарушению их целостности и процессов мембранного транспорта. Кроме того, кальций принимает участие в поддержании структуры митохондрий, рибосом и хромосом, являясь связующим звеном между ДНК и белком. При недостатке кальция наблюдается повреждение хромосом и нарушение митотического цикла. Кальций является активатором ряда ферментов в растении (фосфорилазы, аденозинтрифосфатазы, дегидрогеназы, амилазы и др.). Ионы кальция служат посредниками для реакций растения на внешние и гормональные сигналы, входя в состав сигнальных систем.

Магний. Существование растения невозможно без магния, так как он является для растений гарантом фотосинтеза. Магний входит в состав фотосинтетического пигмента хлорофилла, участвует в аккумуляции солнечной энергии в процессе фотосинтеза, в передвижении фосфора и в углеводном обмене, влияет на активность окислительно–восстановительных процессов. В хлорофилле сосредоточено около 10 % всего магния, усвояемого растениями. Наибольшее количество магния содержится в семенах и в молодых частях растений. В зерне магний локализуется в основном в зародыше. В бобовых культурах, корне- и клубнеплодах магния больше всего в листьях.

Хорошее обеспечение растений магнием способствует усилению в них восстановительных процессов и приводит к накоплению органических соединений — эфирных масел, жиров и др. Этот элемент активизирует многие ферментативные процессы, особенно фосфорилирование и регулирование коллоидно-химического состояния протоплазмы клеток.

Недостаток магния тормозит синтез азотсодержащих соединений, особенно хлорофилла. Внешне недостаток магния проявляется в виде хлороза листьев. У хлебных злаков недостаток магния вызывает мраморность и полосчатость листьев, у двудольных растений желтеют участки листа между жилками. Постепенно пожелтевшая часть листьев буреет и отмирает. Признаки магниевого голодания проявляются в первую очередь на старых листьях растений.

Микроэлементы требуются растению в небольших количествах, но без них оно не способно завершить свой жизненных цикл. В основном микроэлементы поглощаются из почвы растением в ионном виде: Fe в виде Fe²⁺/Fe³⁺, Cu в виде Cu²⁺/Cu⁺, Mn в виде Mn²⁺, Zn в виде Zn²⁺, Ni в виде Ni²⁺, Mo в виде MoO₄^–, B в виде BO₃^3–, Cl в виде Cl^–) [3]. Также хоть и незначительные количества растению требуются кобальт (в виде Со²⁺), ванадий (VO₄^3–), стронций (Sr²⁺) и йод (I^–). Среди указанных элементов Fe, Mn, Cu, Zn и Mo функционируют в клетке главным образом как существенная составная часть ферментов. Многие важные ферменты представляют собой специфические белки, к которым присоединены особые группы, называемые простетическими группами, или коферментами, которые могут полностью или частично состоять из этих металлов. Рассмотрим физиологическую роль некоторых микроэлементов.

Кремний. Большая часть кремния сосредоточена в клеточных стенках растения. Поэтому чем больше кремния, тем более прочные стебли имеют растения, что повышает устойчивость растений против полегания. При недостатке кремния у растений задерживается рост, уменьшается количество семян во время репродуктивной стадии, уменьшается число зрелых семян и нарушается ультраструктура клеточных органелл.

Железо. Среднее содержание железа в растениях составляет 20–80 мг на 1 кг сухой массы. Железо входит в состав многих важных ферментов, в том числе цитохромов – переносчиков электронов, участвующих в процессе дыхания, а также окислительных ферментов пероксидазы и каталазы. Железо имеет существенное значение и для ферментов, участвующих в синтезе хлорофилла. Недостаток железа вызывает глубоких хлороз в развивающихся листьях, которые могут стать совершенно белыми.

Марганец. Марганец в клетки поступает в форме ионов Mn²⁺. Среднее его содержание составляет 1 мг на 1 кг сухой массы. Он накапливается в листьях и необходим для фотолиза воды с выделением кислорода и восстановления углекислого газа при фотосинтезе, а также способствует увеличению содержания сахаров и их оттоку из листьев. При недостатке марганца у растений виден точечный хлороз листьев (между жилками появляются желтые пятна, а затем клетки в этих участках отмирают).

Молибден. Молибден поступает в растения в форме аниона МоО^2–₄, концентрируется в молодых, растущих органах. Его больше в листьях, чем в корнях и стеблях, а в листе сосредоточен, в основном, в хлоропластах. Наибольшее содержание молибдена характерно для бобовых (0,5–20 мг на 1 кг сухой массы), злаки содержат от 0,2 до 2 мг на кг сухой массы. При недостатке молибдена в тканях накапливается большое количество нитратов, не развиваются клубеньки на корнях бобовых, тормозится рост растений, наблюдаются деформации листовых пластинок. При высоких дозах молибден токсичен.

Кобальт. Среднее содержание кобальта в растениях 0,02 мг на 1 кг сухой массы. Кобальт необходим бобовым растениям для обеспечения размножения клубеньковых бактерий. В растениях кобальт встречается в ионной форме и в витамине В₁₂. Растения не вырабатывают этот витамин. Он синтезируется бактероидами клубеньков бобовых растений. Внешние признаки недостатка кобальта сходны с признаками азотного (молибденового) голодания.

Медь. Среднее содержание меди в растениях 0,2 мг на 1 кг сухой массы. Основная часть всей меди, находящейся в листьях, сосредоточено в хлоропластах. Медь повышает устойчивость растений к полеганию, повышает засухо–, морозо– и жароустойчивость. Недостаток меди вызывает задержку роста и цветения, хлороз, завядание растений.

Цинк. Содержание цинка в надземных частях бобовых и злаковых растений составляет 15–60 мг на 1 кг сухой массы. Повышенная концентрация отмечается в листьях, репродуктивных органах и конусах нарастания, наибольшая – в семенах. Цинк помогает использованию углекислого газа в процессе фотосинтеза. При отсутствии цинка формируются чахлые растения.

Бор. Среднее содержание бора составляет 0,1 мг на 1 кг сухой массы растения. В клетках большая часть бора сосредоточена в клеточных стенках. Бор является активатором роста пыльцевых трубок, прорастание пыльцы, увеличивает количество цветков и плодов. Без него нарушается созревание семян. Бор снижает активность некоторых дыхательных ферментов, оказывает влияние на углеводный, белковый и нуклеиновый обмен.

Алюминий. В больших концентрациях алюминий содержится в папоротнике и чае. При недостатке алюминия наблюдается хлороз листьев, а при его избытке развивается токсический эффект – алюминий способен связывать фосфор, вызывая фосфорное голодание у растений.

Никель. Роль никеля для высших растений как микроэлемента была доказана недавно. До этого считали никель необходимым микроэлементом многих бактерий. У высших растений никель входит в состав фермента уреазы, который осуществляет реакцию разложения мочевины.

Таким образом, в физиологических концентрациях многие металлы представляют собой важнейшие микроэлементы, жизненно необходимые для нормального функционирования биосистем. Недостаточное содержание микроэлементов в почве часто приводит к развитию фитопатологии и снижению продуктивности растений. Установлено, что все перечисленные элементы равнозначны и полное исключение любого из них приводит растение к глубокому страданию и гибели, ни один из перечисленных элементов не может быть заменен другим, даже близким по химическим свойствам [4].

РАЗДЕЛ 2.

Экспериментальная часть

2.1. Описание объекта исследования

Объект исследования – высокодисперсные шламы. Шлам (от нем. грязь) – это отходы металлургического производства в виде осадка, образующегося при промывке какого-либо материала.

В настоящее время в России скопились миллиарды тонн промышленных отходов с предприятий чёрной и цветной металлургии. Только 15 – 30% металлургических отходов подвергаются переработке, направленной на извлечение ценных элементов состава. Примерно 20 – 30% промышленных отходов с предприятий чёрной и цветной металлургии применяются в строительной сфере. Основная же часть отработанных материалов хранится в отвалах (пластах, негодных для выработки), на шламовых полях и т.п. По подсчётам экологов, площадь территории России, занимаемая промышленными отходами металлургических предприятий, составляет свыше 1300 км². К примеру, ОАО «Северсталь» вырабатывает 32 типа промышленных отходов, представленных шлаками, шламами, пылью, окалиной, боем футеровки и т.п. Доля этих металлургических отходов благополучно утилизируется, остальная, внушительная, часть складируется в золошламонакопителях.

В работе были использованы образцы шлама ОАО «Северсталь» отобранные из золошламонакопителя № ДП ЗШН-2, к-2. Содержание железа в них в среднем составляет 62,17% по массе, цинка – 9,71%, никеля – 0,48%, титана – 0,22% и хрома – 0,08%, также периодически встречаются примеси других тяжёлых металлов.

В соответствии с целями и задачами проекта был осуществлен выбор ряда культур. Отбор проводился по следующим критериям:

1) Распространённость культуры в России, особенно в её средней полосе, поскольку результаты проекта будут востребованы в первую очередь, именно здесь.

2) Принадлежность культуры преимущественно к категории технических культур или растений–сидератов, т.к. использование данных категорий растений предполагает наименьшую потенциальную опасность поступления токсичных компонентов отходов непосредственно в пищу человека.

3) Быстрый вегетационный цикл, в связи в тем, что ограниченный срок выполнения проекта не позволяет использовать растения с длительной вегетацией, двулетние и многолетние культуры.

2.2. Биолого-хозяйственная характеристика опытных культур

Рожь посевная (Secale cereale) – однолетнее или двулетнее травянистое растение, важнейшая продовольственная и кормовая культура. Возделывают её в Германии, Польше, Скандинавии, России, Китае, Белоруссии, Канаде и США. На территории России она выращивается в основном в пределах лесной зоны. Рожь имеет мочковатую корневую систему, поэтому она хорошо переносит лёгкие песчаные почвы, а благодаря высокой физиологической активности быстро усваивает из почвы полезные вещества из труднорастворимых соединений. Существуют озимая и яровая форма ржи.

Овес посевной (Avéna satíva) – однолетнее травяное растение. Широко используется в сельском хозяйстве. Семена прорастают при +2°С, всходы переносят небольшие заморозки. Овес успешно выращивается в северных областях России. Корневая система мочковатая, может проникать в почву на глубину до 2 м, но основная часть корней (80 – 90 %) сосредоточена в пахотном слое.

Горох посевной (Písum sativum) – однолетнее травянистое растение семейства бобовых. Важнейшая зернобобовая культура. В использовании гороха как сельскохозяйственной культуры различают продовольственное, зернофуражное и укосное направления. Широкое распространение обусловлено высоким содержанием белка в зерне. Выращивается в регионах с умеренным климатом. Корень стержневой, проникает в почву до 1,5 м. Боковые корни расположены в пахотном слое почвы. Существуют озимая и яровая форма.

Чечевица культурная (Lens culinaris) – однолетнее травянистое растение. Основная зернобобовая культура. Наибольшие площади возделывания чечевицы находятся в Индии, Канаде, Турции, Непале, Иране; в Центральной Европе её разводят мало. Чечевицу выращивают для продовольственных целей. Растение теплолюбиво, страдает от заморозков. Корневая система чечевицы со стержневым корнем, проникающим на глубину до 1м. с большим количеством боковых корней, расположенных в пахотном слое почвы. На главном и боковых корнях образуются клубеньки.

2.3. Условия эксперимента

Исследования проводились в лабораторных условиях (температура окружающего воздуха в лаборатории от + 18°С до + 25°С, относительная влажность воздуха 80±5%, атмосферное давление 84-106 кПа (630-800 мм рт.ст.), освещение помещения естественное или искусственное, не ограничивается особыми требованиями). Культивирование семян растений осуществлялось в чашках Петри (100 семян в каждой чашке) на культивационных средах, содержащих различные концентрации шлама металлургического производства (от 0,001% до 1%) в дистиллированной воде. Контролем служила дистиллированная вода. Полив осуществлялся с помощью пипетки одинаковым количеством жидкости. Энергия прорастания и всхожесть определялись соответственно: на первые, вторые и третьи сутки эксперимента, измерение длины ростков и корней семян выполнялось с помощью миллиметровой линейки на третьи сутки эксперимента.

Раздел 3. Статистический анализ данных

Важнейшим свидетельством благополучия растений является группа показателей, которые обычно относятся к группе вегетативных показателей роста и развития. Сюда, в частности, входит масса надземных и подземных частей проростков, а также их длина. Учет перечисленных данных может лечь в основу объективного заключения о степени благополучия испытуемых растений.

Для оценки влияния компонентов металлургических шламов на вегетативные и генеративные функции растений были измерены корни семян, проросших на средах с различными концентрациями шлама. Данные заносились в сводную таблицу MS Excel [5]. Общее количество семян, участвующих эксперименте, равно 2000. При анализе экспериментальных данных учитывалась точечная оценка математического ожидания длины корней растений, подсчитанная по формуле

,

- объем выборки (количество семян в одной чашке Петри), - наблюдаемая длина корня.

Сравнительный анализ проводился в зависимости от корневой системы опытных растений. Результаты оформлены в таблицы 1-4.

Табл. 1

Как видно из табл. 1, наиболее благоприятное влияние на рост корней растений чечевицы оказали опытные растворы с концентрацией шлама 0,01%. Для гороха максимальный эффект оказал раствор с концентрацией шлама в 1%. Эти выводы иллюстрирует рис. 1 (Приложение). Табл. 2 демонстрирует результаты оценки влияния опытных растворов на формирование корней растений с мочковатой корневой системой.

Табл. 2

На основании данных из табл. 1, 2 построена диаграмма количества проросших семян (см. рис. 2 в приложении). Как видно из табл. 2 и рис. 3, увеличение числа корней в растениях стимулирует раствор с концентрацией шлама в 0,01%. В табл. 3, 4 представлены результаты расчетов соответственно для ржи и овса.

Табл. 3

Табл. 4

Как видно из табл. 3 и рис. 4, наиболее благоприятное влияние на рост корней растений ржи оказали опытные растворы с концентрацией шлама 0,01% и 1%. Из табл. 4 и рис. 4 видно, что наиболее благоприятное влияние на рост корней растений овса оказали опытные растворы с концентрацией шлама 0,01% и 0,1%.

Кроме того, в ходе эксперимента не было отмечено угнетающее действие растворов шламов на рост корней опытных растений.

В дальнейшем планируется изучение влияния шлама на формирование мочковатой корневой системы.

Выводы

В результате проведенных экспериментов можно отметить, что концентрационные эффекты шламов являются видоспецифичными. Так, для чечевицы наиболее благоприятной концентрацией шлама в культивационной среде оказалась 0,01%, для гороха – 1%, для ржи–0,01% и 1%, для овса– 0,01% и 0,1%. Изменение концентрации от 0,001% до 1% в растворах шлама не оказывало существенного влияния на энергию прорастания и всхожесть семян ржи и гороха посевного. Для прорастания семян овса наиболее оптимальной оказалась концентрация - 1%; для семян чечевицы – 0,01% и 1%. Мы считаем, что такие концентрации шлама могут быть рекомендованы к использованию при проращивании семян. Практически все концентрации шлама, за исключением 0,001%, стимулируют как процессы прорастания семян растений, так и последующую вегетацию, что выражается в приросте длины корней растений.

Таким образом, шламы металлургического производства, по всей видимости, представляют собой экономически выгодное сырье для производства микроудобрений. Тем не менее, необходимы дальнейшие исследования по влиянию различных концентраций шлама на рост надземных органов и развитие растений. Крайне важным, на наш взгляд, представляется проведение экспериментов по изучению накопления тяжелых металлов в растениях.

Список литературы

1. Каталог товаров ООО «ИнтенсАгро». Микроудобрения и агрохимикаты. http://intensagro.ru/agrochemical/mikroudobreniya

2. Патент РФ № 903364 (07.05.1980). Применение шламов горно-обогатительных фабрик по обогащению железных руд в качестве микроудобрения / Костенко И.Ф., Сулима Н.М., Казак В.М., Ярчук И.И., Айзикович Л.Е. / Научно-исследовательский горно-рудный институт, Днепропетровский сельскохозяйственный институт. Опубликовано 07.02.1982.

3. Малиновский В. И. Физиология растений: Учебное пособие. – Владивосток: Изд–во ДВГУ, 2004. 106с.

4. Гэлстон А., Девис П., Сеттер Р. Жизнь зеленого растения.– Москва: Мир, 1983. – 552с.

5. Орлова И.В. Экономическая информатика: учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. 208 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

15