Нейтралізація фітотоксичності перегорілої породи відвалів кам’яновугільних шахт попелом ТЕС і гуматом калію

Дослідження впливу кам’яновугільного попелу з теплоелектростанції та гумату калію на фітотоксичність субстрату перегорілої породи з відвалів кам’яновугільних шахт. Зменшення стресового впливу на рослини при внесенні попелу разом із гуматом калію.

Рубрика Экология и охрана природы
Вид статья
Язык украинский
Дата добавления 27.11.2020
Размер файла 256,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нейтралізація фітотоксичності перегорілої породи відвалів кам'яновугільних шахт попелом ТЕС і гуматом калію

Ярослав Шпак, Ірина Запісоцька, Володимир Баранов, Ольга Терек

Досліджено вплив кам'яновугільного попелу з Добротвірської теплоелектростанції та гумату калію «ГКВ-45» на фітотоксичність субстрату перегорілої породи з відвалів кам'яновугільних шахт Червоноградського гірничопромислового району. Для біотестування використали суданську траву Sorghum bicolor subsp. drummondii (Nees ex Steud.).

Виявлено збільшення площі листкової поверхні, довжини й маси коренів зі зменшенням висоти стебла за додавання гумату до субстрату перегорілої породи. Застосування лише попелу не спричинило достовірного впливу на досліджені морфометричні параметри, але у варіанті з його внесенням разом із гуматом простежено підсилення стимуляційного впливу останнього на масу коренів і площу листкової поверхні.

Установлено, що внесення попелу призводить до підвищення вмісту хлорофілу а з одночасним зниженням умісту феофітину а у листках суданської трави. Додавання гумату призвело до підвищення вмісту хлорофілу а і зниження феофітину а. Застосування попелу разом із гуматом підвищило вміст хлорофілу а та знизило вміст феофітину а більшою мірою, ніж унесення лише попелу.

Збільшення розмірів листків і коренів Sorghum bicolor subsp. drummondii, підвищення вмісту хлорофілу а у поєднанні зі зменшенням висоти стебла, зниженням умісту феофітину а свідчить про зменшення стресового впливу на рослини. Показано, що внесення кам'яновугільного попелу разом із гуматом калію нейтралізовує фітотоксичність породних відвалів ефективніше, ніж застосування лише попелу.

Ключові слова: фітотоксичність, суданська трава, перегоріла порода відвалів кам'яновугільних шахт, кам'яновугільний попіл, гумат калію.

Нейтрализация фитотоксичности перегоревшей породы отвалов каменноугольных шахт золой ТЭС и гуматом калия

Шпак Ярослав, Записоцкая Ирина, Баранов Владимир, Терек Ольга.

Исследуется влияние каменноугольной золы Добротворской теплоэлектростанции и гумата калия «ГКВ-45» на фитотоксичность субстрата перегоревшей породы отвалов каменноугольных шахт Червоноградского горнопромышленного района. Для биотестирования использовали суданскую траву Sorghum bicolor subsp. drummondii (Nees ex Steud.). Наблюдается увеличение площади листьев, длины и массы корней вместе с уменьшением высоты стебля при добавлении гумата к субстрату. Применение только золы не имело достоверного влияния на анализируемые морфометрические параметры. Однако добавление гумата вместе с золой достоверно повысило значение всех исследованных морфометрических параметров, а влияние на массу корней и площадь листьев было более эффективным, чем применение только золы.

Установлено, что внесение только золы повышало содержание хлорофилла а и одновременно снижало содержание феофитина а в листьях Sorghum bicolor subsp. drummondii. Добавление только гумата калия приводило к повышению содержания хлорофилла а в сочетании со снижением содержания феофитина а. Применение золы вместе с гуматом повысило содержание хлорофилла а и одновременно снизило содержание феофитина а эффективней, чем внесение только золы.

Увеличение размеров листьев и корней, повышение содержания хлорофилла а в сочетании с уменьшением высоты стебля, снижением содержания феофитина а свидетельствует об уменьшении стрессового влияния на растения. Отмечается, что внесение каменноугольной золы вместе с гуматом калия снижает фитотоксичность породных отвалов эффективней, чем применение только золы.

Ключевые слова: фитотоксичность, суданская трава, перегорелая порода отвалов каменноугольных шахт, каменноугольная зола, гумат калия.

Neutralization of Phytotoxicity of Burned Rock of Coal Mines' Dumps by Fly Ash From TPP and Potassium Humate

Shpak Yaroslav, Zapisotska Iryna, Baranov Volodymyr, Terek Olha

Studied effect of coal fly ash from Dobrotvir TPP and potassium humate «ГКВ-45» on phytotoxicity of burned rock from coal mines dumps of Chervonograd mining region. For biotesting used Sudan grass Sorghum bicolor subsp. drummondii (Nees ex Steud.).

Observed magnification of leaves area, length and mass of roots with reduction of stem height by addition of humate to the substrate of burned rock. Application only of the fly ash did not cause significant effect on studied morphometric parameters. But in option with presence of fly ash in substrate observed strengthening of stimulation effect of humate on the mass of roots and leaves area.

Found that application of fly ash increase content of chlorophyll а and simultaneously decrease content of pheophytin a in the leaves of Sudan grass. Addition of humate caused increasing content of chlorophyll a and reducing content of pheophytin а. Application of fly ash with humate increased content of chlorophyll а and reduced content of pheophytin a more effective than addition only fly ash.

Increasing of leaves and roots sizes, increasing content of chlorophyll a coupled with decreasing of stem height, content of pheophytin a indicates reducing of stress effect on plants. Noticed that application of coal fly ash with potassium humate neutralize phytotoxicity of rock from coal mines' dumps more effective than application only fly ash.

Key words: phytotoxicity, Sudan grass, burned rock of coal mines dumps, coal fly ash, potassium humate.

Постановка наукової проблеми та її значення

На території Червоноградського гірничопромислового району (ЧГПР) розміщені відвали перегорілої породи кам'яновугільних шахт [1], що утворюється внаслідок пірометаморфозу свіжовідсипаної породи. Пил і стічні води, які з них виділяються, негативно впливають на здоров'я людей та прилеглі екосистеми через високий уміст токсичних металів і металоїдів навіть після завершення перегоряння свіжовідсипаної породи [10; 20].

Аналіз досліджень цієї проблеми

Фітомеліорація хімічно забруднених територій із поступовим ґрунтоутворенням приводить до нейтралізації чи зменшення рухомості токсичних сполук [12; 15]. Однак субстрати перегорілої породи ЧГПР малопридатні для росту більшості покритонасінних рослин через несприятливий гранулометричний склад, низький рівень pH, високий уміст токсичних металів і дефіцит поживних речовин [1; 7].

Унаслідок спалювання кам'яного вугілля на теплоелектростанціях утворюється кам'яновугільний попіл, що являє собою дрібнодисперсну фракцію золи, яка здатна легко поширюватися вітром на значні відстані. Він забруднює навколишнє середовище через підвищений уміст металів і металоїдів [22; 24]. Зокрема, попіл Добротвірської теплоелектростанції (ДТЕС) містить Лі20з - 21,79 %; Бе203 - 11,17 %; N1 - 111,44 г/т; Єй - 3,99 г/т; Си - 102,29 г/т; РЬ - 70,88 г/т; 2п - 212,33 г/т; Мп - 1986,65 г/т; Ое - 102,17 г/т [2]. Завдяки лужній реакції, кам'яновугільний попіл ТЕС використовують для зниження кислотності породних відвалів шахт [13; 24]. Невелика відстань і хороше транспортне (зокрема залізничне) сполучення між зольними відвалами Добротвірської ТЕС і породними відвалами ЧГПР дають змогу провести економічно доцільну нейтралізацію кислотності останніх [2; 7].

Гумати різного походження використовують для зменшення рухомості та зв'язування важких металів забруднених територій у комплексні сполуки [5; 19; 25]. Однак унесення лише гуматів не здатне суттєво підвищити pH кислих ґрунтів, тому постає потреба використовувати їх у поєднанні з кам'яновугільним попелом ДТЕС.

Мета статті - біотестування здатності сумісного застосування попелу ДТЕС і гумату калію «ГКВ-45» нейтралізувати фітотоксичність субстрату перегорілої породи відвалів кам'яновугільних шахт ЧГПР.

Матеріали й методи дослідження

Перегорілу породу оранжево-червоного кольору відбирали з відвалів Центральної збагачувальної фабрики (ЦЗФ), розміщеної в Сокальському районі Львівської області, а кам'яновугільний попіл (КВП), акумульований під час роботи повітроочисного обладнання, - із відвалів ДТЕС, розміщеної в смт Добротвір Кам'янка-Бузького району Львівської області. Для дослідження впливу КВП на кислотність субстрату перегорілої породи вимірювали pH її 10-відсоткової водної витяжки без додавання та з додаванням 5-відсоткової КВП за масою на приладі «Иономер универсальный ЭВ-74» у 5-кратній повторюваності за температури води +18,5°С і pH дистильованої води 5,5. Таку концентрацію використовували для запобігання перевищенню ГДК токсичних металів [27] у субстратах при додаванні КВП [2].

Для дослідження впливу гуматів на фітотоксичність субстрату перегорілої породи використовували гумат калію «ГКВ-45» виробництва ТзОВ «ПАРК» (Україна, Львівська область), який, за даними виробника, має такий склад: гумінові речовини - 42 %; Карбон загальний - 166,3 г/л; N - 2,4 г/л; Р205 - 0,4 г/л; К20 - 69,3 г/л; Мп - 197,99 мг/л; Бе - 132,04 мг/л; Си - 3,17 мг/л; 2п - 19,69 мг/л; В - 2, 28 мг/л; Со - 3,45 мг/л. Цей меліорант випробовували у вигляді 0,5-відсоткового розчину.

Для біотестування використовували суданську траву [7], яку вирощували в горщиках об'ємом 2 л на території ботанічного саду ЛНУ ім. І. Франка з липня по жовтень 2016 р. Для цього в п'ятикратній повторюваності висаджували по 15 чотирьохдобових проростків, пророщених у темряві за температури 23 °С.

У якості еталона для порівняння використовували рослини, вирощені за впливу сприятливих едафічних факторів ґрунтосуміші з торфу, листового перегнійного ґрунту та піску у співвідношенні 1:2:1. За контроль слугували рослини, вирощені на субстраті перегорілої породи й вищевказаної ґрунтосуміші у співвідношенні 9:1. Дослідні рослини вирощували на субстраті перегорілої породи з роздільним і сумісним додаванням 5 % за масою кам'яновугільного попелу (КВП) та 150 мл 0,5-відсоткового розчину гумату калію (ГК).

Субстрати для дослідження готували за такою схемою:

1) еталон: ґрунтосуміш (1500 г) + вода (150 мл);

2) контроль: порода (1350 г) + ґрунтосуміш (150 г) + вода (150 мл);

3) порода (1200 г) + ґрунтосуміш (150 г) + КВП (150 г) + вода (150 мл);

4) порода (1350 г) + ґрунтосуміш (150 г) + ГК (150 мл);

5) порода (1200 г) + ґрунтосуміш (150 г) + КВП (150 г) + ГК (150 мл).

Морфометричні параметри рослин визначали на 95-ту добу росту. Уміст хлорофілів установлювали наступної доби у витяжках із листків, гомогенізованих 96-відсотковим етанолом за [14], а феофітину a - після підкислення витяжки двома краплями 10-відсоткового розчину HCl за [26].

Математичну обробку даних здійснювали за допомогою програми MS Excell 2007. Для перевірки статистично достовірних відмінностей між варіантами експерименту розраховували критерій Стьюдента [4; 7].

Виклад основного матеріалу й обґрунтування отриманих результатів дослідження

Виявлено, що додавання 5 % кам'яновугільного попелу за масою (з pH 7,4±0,2) достовірно (при P<0,05 та n=5) підвищує pH субстрату перегорілої породи з 5,4±0,1 до 6,1±0,2. Цю закономірність можна пов'язати з наявністю в попелі з ДТЕС кальцію, катіони якого зв'язують аніони оксидів сульфуру. За даними [2], узятий нами попіл містив близько 4,5 % CaO.

За росту S.bicolor subsp. drummondii на субстраті перегорілої породи спостерігали зменшення площі листків, довжини й маси коренів у поєднанні зі збільшенням висоти стебла відносно еталона. Додавання гумату достовірно збільшило довжину та масу коренів у поєднанні зі зменшенням висоти стебла. Унесення попелу не спричинило статистично достовірного впливу на досліджені морфометричні параметри суданської трави. Однак застосування гумату разом із попелом статистично достовірно збільшило довжину й масу коренів, площу листків разом зі зменшенням висоти стебла. Виявлено, що площа листків і маса коренів рослин, вирощених на субстратах із сумісним додаванням гумату й попелу, більша, ніж у вирощених на субстратах із додаванням лише гумату (табл.1; рис. 1).

Рис. 1. Повітряно-сухі корені Sorghum bicolor subsp. drummondii за росту на субстраті перегорілої породи (1) із додаванням кам'яновугільного попелу (2), гумату калію (3) й обохмеліорантівразом (4)

Відомо, що вміст пігментів фотосинтезу - це наслідок фізіологічних процесів у рослинному організмі й тому зміни щодо контрольних значень використовують для біоіндикації впливу стрес-факторів і заходів щодо їх зниження [6; 8; 9; 11; 17]. Результати цього дослідження засвідчили знижений уміст хлорофілу а разом із підвищеним умістом феофітину а та зменшенням співвідношень: хлорофіл а/Ь і хлорофіл а/феофітин а у листках Б.Ьісоїог 8иЬ8р. ёгыттопёп за росту на субстраті перегорілої породи відносно еталона.

Таблиця 1 Морфометричні параметри Sorghum bicolor subsp. drummondii на 95-ту добу росту за додавання кам'яновугільного попелу (КВП) та гумату калію (ГК)до субстрату перегорілої породи (п=25)

Варіант експерименту

Висота стебла, см

Площа листків, см2

Довжина коренів, см

Маса сухих коренів, мг

Еталон

49,8±2,0

78,2±4,1

19,7±1,1

296±23

Порода

55,4±1,7

33,6±1,8

10,6±0,6

101±10*

Порода + КВП

50,7±1,7

34,4±1,6

10,9±0,4

132±10

Порода + ГК

48,1±2,2*

33,7±1,6

14,4±0,7*

188±11*

Порода + КВП + ГК

46,7±1,7*

71,8±2,0*

16,5±0,6*

282±9*

Примітка. «*» Тут і далі - достовірна відмінність значень параметрів рослин за росту на субстраті перегорілої породи з додаванням меліорантів відносно значень рослин, що росли на субстраті перегорілої породи без додавання меліорантів, при р (*): <0,05.

Додавання попелу до субстрату перегорілої породи достовірно підвищило вміст хлорофілу a у поєднанні зі зниженням умісту феофітину a у листках, що спричинило достовірне збільшення співвідношень хлорофіл a/b і хлорофіл a/феофітин a щодо контролю. Унесення гумату достовірно підвищило вміст хлорофілу a і знизило вміст феофітину a, що спричинило достовірне збільшення співвідношень хлорофіл a/b і хлорофіл a/феофітин a. Установлено, що застосування попелу ДТЕС разом із гуматом «ГКВ-45» підвищує вміст хлорофілу a і водночас знижує вміст феофітину a більшою мірою, ніж додавання лише одного з досліджуваних меліорантів (табл. 2; рис. 2).

Таблиця 2 Уміст пігментів фотосинтезу в листках 96-добових рослин Sorghum bicolor subsp. drummondii за додавання меліорантів до субстрату перегорілої породи (п=5), мг/г сухої маси

Варіант

Хлорофіл a

Хлорофіл b

Хлорофіли a+b

Феофітин а

Еталон

7,81±0,05

3,29±0,08

11,1±0,1

1,75±0,03

Порода

5,72±0,06

2,99±0,09

8,71±0,10

3,62±0,10

Порода + КВП

6,63±0,04*

2,96±0,07

9,58±0,07*

2,48±0,06*

Порода + ГК

6,21±0,08*

2,93±0,07

9,14±0,14

2,99±0,02*

Порода + КВП + ГК

6,87±0,04*

2,97±0,06

9,84±0,09*

2,13±0,12*

Рис 2. Співвідношення вмісту пігментів фотосинтезу в листках суданської трави за додавання меліорантів до субстрату перегорілої породи (п=5)

Збільшення значень морфометричних параметрів Sorghum bicolor subsp. drummondii [3; 7; 12] та підвищення вмісту хлорофілу а [6; 8; 9; 11; 17; 23] разом зі зниженням умісту феофітину а [16; 18; 21] у листках є ознаками зниження фітотоксичності. Звідси можна припустити, що підвищення рН субстрату перегорілої породи, завдяки внесенню попелу ДТЕС, привело до зменшення рухомості токсичних металів [5; 19; 25], а внесення гумату «ГКВ-45» утворило з ними деяку кількість малорухомих комплексних сполук й удобрило субстрат необхідними для рослин макроелементами.

Застосування кам'яновугільного попелу ДТЕС для нейтралізації фітотоксичності перегорілої породи відвалів ЧГПР у поєднанні з гуматом калію «ГКВ-45» ефективніше, ніж застосування лише попелу. У перспективі доцільно провести польові дослідження з доведенням Sorghum bicolor subsp. drummondii до генеративної стадії й перевірки схожості утвореного насіння.

кам'яновугільний попел калій фітотоксичність

Джерела та література

1. Баранов В.І. Екологічний опис породного відвалу вугільних шахт ЦЗФ ЗАТ «Львівсистеменерго» як суб'єкта озеленення / В.І. Баранов // Вісник Львівського університету. - Серія біологічна. - 2008. - № 46. - С. 172-178.

2. Баранов В. Токсикологічний аналіз води дренажних канав і золи золовідвалів Добротвірської ТЕС / В. Баранов, А. Баня, Л. Боднар // Вісник Львівського університету. - Серія біологічна. - 2014. - № 65. - с. 238-244.

3. Порівняльний морфометричний аналіз рослин сорго алепського за умов росту на субстратах породного відвалу з додаванням нетрадиційних добрив / З. Бешлей, С. Бешлей, В. Баранов, О. Терек // Modem Phytomorphology. - 2015. - № 6. - С. 347-348.

4. Лакин Г.Ф. Биометрия : учеб. пособие для биол. спец. вузов / Г.Ф. Лакин. - М.: Высш. шк., 1990. - 352 с.

5. Макеева Н.А. Оценка продукционных процессов овса в условиях внесення гуматов калия и натрия на породный отвал / Н.А. Макеева // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 6. - С. 237.

6. Павлова Л.М. Состояние фотосинтетических пигментов в вегетативных органах древесных растений в городской среде / Л.М. Павлова, И.М. Котельникова, Н.Г. Куимова // Вестник РУДН. - С.: Экология и безопасность жизнедеятельности. - 2010. - № 2.

7. Шпак Я. Фітостресорність породних відвалів кам'яновугільних шахт за впливу додавання кам'яновугільного попелу / Я. Шпак, В. Баранов, О. Терек // Вісник Львівського університету. - Серія біологічна. - 2016. - № 74. - С. 127-135.

8. Amuthavalli P. Effect of Salt Stress on the Growth and Photosynthetic Pigments of Pigeon Pea (Cajanus cajan) / P. Amuthavalli, S. Sivasankaramoorthy // J App Pharm Sci. - 2012. - № 2 (11). - P. 131-133.

9. Ashraf M. Photosynthesis under stressful environments: An overview / M. Ashraf, P. Harris // Photo- synthetica. - 2013. - № 51. - P. 163-190.

10. Chesnokov B.V. Experience in technogenic mineralogy: 15 years on burnt dumps of underground and opencast coal mines and concentrating plants of the southern Urals / Chesnokov // Ural'skii Mineralogicheskii Sbornik. - 1999. - № 9. - P. 138-167.

11. Chloroplast pigments as indicators of lead stress / [S. de S. Gomes, V. de Lima, A. de Souza et al.] // Eng. Agric., Jaboticabal. - 2014. - № 34 (5). - P. 877-884.

12. Firpo B. A brief procedure to fabricate soils from coal mine wastes based on mineral processing, agricultural, and environmental concepts / B. Firpo, J. Filho, I. Schneider // Minerals Engineering. - 2015. - № 76. - P. 81-86.

13. Gupta A. Augmenting the Stability of OB Dump by Using Fly Ash: A Geo Technical Approach to Sustainably Manage OB Dump at Jharia Coalfield, India / A. Gupta, B. Paul // Current World Environment. - 2016. - №11 (1). - P. 204-211.

14. Lichtenthaler H. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes / H. Lichtenthaler // Methods in Enzymology. - 1987. - №148. - P. 350-382.

15. Malti D. Ecorestoration Of Waste Dump By The Establishment Of Grass-Legume Cover / D. Malti, S. Malti // IJSTR. - 2014. - № 3 (3). - P. 37-41.

16. Nath K. Effect of chromium and tannery effluent toxicity on metabolism and growth in cowpea (Vigna sinensis L. Saviex Hassk) seedling / K. Nath, D. Singh, S. Shyam // Res. Environ. Life Sci. - 2008. - №1 (13). - P. 91-94.

17. Offord С. Growing up or growing out ? How soil pH and light affect seedling growth of a relictual rainforest tree / С. Offord, P. Meagher, H. Zimmer // AoB PLANTS. - 2014. - № 6. - P. 011.

18. Olivera H. Chromium as an Environmental Pollutant: Insights on Induced Plant Toxicity / H. Olivera // Hindawi Publishing Corporation Journal of Botany. - 2012.

19. Perminova I. Use of Humic Substances to Remediate Polluted Environments: From Theory to Practice / I. Perminova, K. Hatfield, N. Hertkorn. - New York : Springer Science & Business Media, 2006. - 506 p.

20. Sharygin V.V. Mayenite-supergroup minerals from burned dump of the Chelyabinsk Coal Basin / V.V. Sharygin // Russian Geology and Geophysics. - 2015. - № 56. - P. 1603-1621.

21. Singh H. Chromium toxicity and tolerance in plants / H. Singh, P. Mahajan, S. Kaur // Environ Chem Lett. - 2013. - №11. - P. 229-254.

22. Singh R. Value added utilization of fly ash- prospective and sustainable solutions / R. Singh, N. Gupta // Int. Journal of Applied Sciences and Engineering Research. - 2013. - № 11. - P. 229.

23. Smolikova G. Chlorophylls and Carotenoids in Seed Tolerance to Abiotic Stressors / G. Smolikova, N. Laman, O. Boriskevich // Russ J Plant Physiol. - 2011. - № 58. - P. 965-973.

24. Srivastava A. Amelioration of coal mine spoils through fly ash application as liming material / A. Srivastava, P. Chhnkar // J. Sci. Ind. Res. - 2000. - № 59. - P. 309-313.

25. Tsang D. Residual leachability of CCA-contaminated soil after treatment with biodegradable chelating agents and lignite-derived humic substances / D. Tsang, W. Olds, P. Weber // Journal of Soils and Sediments. - 2013. - №13. - P. 895-905.

26. Wintermans J. Spectrophotometric characteristics of chlorophyll \'a\' and \'b\' and their pheophytins in ethanol / J. Wintermans // Biochimica et Biophysica Acta. - 1965. - №109 (2). - P. 448-453.

27. Державні санітарні правила та норми // Державна санітарно-епідеміологічна служба України. - 1999.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.