Оцінка ефективності технологій для оптимізації вирощування melilotus officinalis (L.) Pall. на нафтозабрудненому ґрунті

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оцінка ефективності технологій для оптимізації вирощування melilotus officinalis (L.) Pall. на нафтозабрудненому ґрунті

Долецька А.С., Борецька І.Ю., Романюк О.І., Шевчик-Костюк Л.З., Джура Н.М.

Вирощування енергетичних культур на забруднених та деградованих ґрунтах - перспективний шлях біоенергетичного землекористування. Однак, рекультивація нафтозабруднених територій за використання енергетичних культур та отримання селективної біомаси є непростим завданням, що потребує специфічного підходу як до типу забруднювача так і до можливостей адаптації потенційних енергетичних культур. Буркун лікарський (Melilotus officinalis (L.) Pall.) розглянуто, як нову важливу енергетичну культуру з родини Бобових. Буркун лікарський - дворічна трав'яниста рослина заввишки 60-150 см, володіє великою посухостійкістю і азотофіксуючою здатністю. Для кореневої системи M. officinalis характерний симбіоз із бульбочковими бактеріями, які здатні засвоювати атмосферний Азот і забезпечувати себе та ґрунт азотовмісними сполуками, баланс яких порушено в нафтозабрудненому ґрунті.

Мета роботи - оцінити ефективність технологій для оптимізації вирощування Melilotus officinalis (L.) Pall. з подальшим використанням у фіторемедіаційних заходах з відновлення нафтозабруднених ґрунтів.

Досліджено вплив сорбентів-меліорантів (тирси, сухих трав'яних решток/сіна, лушпиння соняшника), добрив (мінеральних (NH₂)₂CO+K₂HPO₄ , органічних - Агробелум) і гуматів (гуміфілд форте) на ріст рослин Melilotus officinalis в умовах нафтового забруднення ґрунту (вміст нафти 5%). Показано, що лушпиння соняшника є найбільш перспективним і доступним агентом пришвидшення фіторемедіації. Досліджено окремий і сумісний вплив мінеральних добрив, гуматів, сорбентів на ріст рослин буркуну лікарського. Найкращі результати отримано за сумісного використання комплексу (лушпиння соняшника + мінеральні добрива + гуміфілд форте), що позитивно впливає на ростові показники буркуну лікарського: збільшення висоти пагона та сумарного вмісту хлорофілів (а+b).

Ключові слова: нафтозабруднені ґрунти, фіторемедіація, буркун лікарський, енергетичні рослини.

Assessment of the efficiency of technologies for optimizing the cultivation of Melilotus officinalis (L.) Pall, on oil-contaminated soil. Doletska A., Boretska I., Romanyuk O., Shevchyk-Kostiuk L., Dzhura N.

Growing energetic crops on polluted and degraded soils is a promising way of usage of soils for bioenergetics. However, the recultivation of oil-contaminated territories by energetic crops and obtaining selective biomass is not an easy task, which needs special approach to both the type of pollutant and adaptation abilities of the energetic crops. Melilotus officinalis plants are considered as a new important energetic crops. Melilotus officinalis species belongs to the Fabacae family. Its root system with root nodules is symbiotic with nitrogen fixation bacteriae, which are able to supply plant and soil with nitrogen compounds, the balance of which in oil polluted soil is disturbed.

The plant has high draught resistance and nitrogen fixation abilities, has large branched above-ground part reaching height 60-150 cm for 2-year plant.

The aim of work is an investigation of effectiveness of usage of Melilotus officinalis plants for the remediation of oil polluted soils and optimization of the technology of its growing.

The influence of the following agents on growth of Melilotus officinalis plants under oil pollution of the soil (oil content 5%) was studied: sorbent-meliorants: sawdust, dry grassy leftovers/hay, sunflower husk; mineral fertilizers: (NH₂)₂CO+K₂HPO₄, organic fertilizer- Agrobellum; humates.

It was shown that sunflower husk is the most promising and easily available agent, accelerating phytoremediation. An individual and combined influence of mineral fertilizers, humates and sorbents on growth of Melilotus officinalis plants was studied. The best results were obtained under combined use of complex (sunflower husks + mineral fertilizers + Humifield forte), which has positive effect on Melilotus officinalis plants - growth parameters of shoot increases in 104,5% as well as total content of chlorophylls а+b.

Key words: oil polluted soils, phytoremediation, Melilotus officinalis plants energetic plants.

Вступ

Постановка проблеми. Розвиток біоенергетичного сектору в Україні з часом сприятиме частковому заміщенню традиційного пального альтернативним. Вважається, що біопаливо в найближчі роки буде максимально вигідним для української економіки і дозволить зменшити енергетичну залежність країни. Вирощування енергетичних культур на забруднених та деградованих ґрунтах - перспективний шлях біоенергетичного землекористування.

У світі систематично працюють над пошуком нових потенційних енергетичних культур для виробництва, як рідкого, так і твердого біопалива, а також розглядають їх фіторемедіаційні можливості на забруднених землях.

Олійні культури, такі як озимий ріпак (Brassica napus L.), рижій посівний (Camelina sativa L.) застосовують для виробництва біодизеля [1]. Світчграс або лозоподібне просо (Switchgrass - Panicum virgatum L.) має складові, типові для палива і найчастіше застосовується, як тверде паливо для котлів [2]. Тоді як рослини, що містять цукор і крохмаль, наприклад, цукрові буряки [3], сорго цукрове (Sorghum saccharatum L.) [4] використовують для отримання біоетанолу.

Однак, рекультивація забруднених територій за використання енергетичних культур та отримання селективної біомаси є непростим завданням, що потребує специфічного підходу як до типу забруднювача так і до можливостей адаптації потенційних енергетичних культур до несприятливих умов зростання на забруднених землях.

Найбільш складним забрудненням вважається нафтове через гідрофобність і високу токсичність нафти, значне порушення водоповітряного балансу та співвідношення основних мікроелементів Вуглецю та Азоту в ґрунті, що унеможливлює вирощування більшості рослин [5]. Перспективним є використання у фіторе- медіаційних технологіях різноманітних агентів ремедіації: мінеральних добрив, гуматів, а також сорбентів - речовин, здатних вбирати у великих кількостях нафтопродукти, тим самим запобігаючи їх подальшій міграції. Крім того, більшість сорбентів виконують роль меліорантів - покращують властивості ґрунту, розпушують його, оптимі- зують газообмін, виступають джерелом важливих мікроелементів, матрицею для зростання мікроорганізмів-деструкторів нафти тощо [5].

Як показують дослідження, одними з найкращих фіторемедіантів нафтозабруднених грунтів є Бобові [6], оскільки мають здатність максимально самостійно забезпечувати себе елементами мінерального живлення, зокрема Азотом, баланс якого порушено в нафтозабрудненому ґрунті. Однак, більшість бобових в процесі свого росту дають невелику біомасу, що обмежує доцільність їх використання, як енергетичних культур. Здійснений попередній відбір потенційних енергетичних культур стійких до нафтового забруднення і придатних для виробництва як газоподібного, так і твердого біопалива показав перспективність використання буркуну лікарського (Melilotus officinalis (L.) Pall.) для цих цілей [7, 8].

Буркун лікарський належить до родини Бобових, а отже для його кореневої системи характерний симбіоз із бульбочковими бактеріями. Рослина володіє великою посухо- і азотофіксуючою здатністю, має міцну розгалужену, найбільшу серед бобових сидератів по масі, кореневу систему, яка проникає на глибину до 1-1,2 м. Висота надземної частини у дворічних рослин від 60 до 150 см [7]. Це дає підстави розглядати M. officinalis, як важливу енергетичну культуру з фіторемедіаційними можливостями.

Відомостей щодо використання буркуну лікарського для фіторекультивації нафтозабруднених грунтів і подальшого використання для енергетичних цілей в літературних джерелах не виявлено.

Тому метою роботи було оцінити ефективність технологій для оптимізації вирощування Melilotus officinalis (L.) Pall. з подальшим використанням у фіторемедіаційних заходах з відновлення нафтоза- бруднених ґрунтів.

Матеріали та методи досліджень. Мікропольові дослідження проводили на території Відділення фізи- ко-хімії горючих копалин Інституту фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України.

Глинистий ґрунт штучно забруднювали нафтою у кількості 5%. Контролем слугував ґрунт без нафти. Для оптимізації вирощування Melilotus officinalis (L.) Pall. використовували такі агенти ремедіації: 1) сорбенти - відходи агропромислового виробництва (тирса, сухі травяні рештки/сіно, лушпиння соняшника); 2) добрива: мінеральне (NH₂)₂CO+K₂HPO₄ (добриво) і органічне - Агробелум (відходи дріжджового виробництва ПАТ «Компанія Ензим»); 3) гумати - водний розчин гуміфілд форте 0,1 г/л, яким обробляли насіння буркуну перед посівом.

Мікропольовий дослід включав такі варіанти:

1. Контроль (ґрунт без нафти) + M. officinali;

2. Контроль (ґрунт без нафти) + сіно + M. officinali;

3. Контроль (ґрунт без нафти) + лушпиння соняшника + M. officinali;

4. Контроль (ґрунт без нафти) + тирса + M. officinali;

5. Контроль (ґрунт без нафти) + гумати + M. officinali;

6. Контроль (ґрунт без нафти) + гумати + агробе- лум + M. officinali;

7. Контроль (ґрунт без нафти) + гумати + добриво +M. officinali;

8. Ґрунт + 5% нафти + M. officinali;

9. Ґрунт + 5% нафти + тирса + M. officinali;

10. Ґрунт + 5% нафти + сіно+ M. officinali;

11. Ґрунт + 5% нафти + лушпиння соняшника + M. officinali;

12. Ґрунт + 5% нафти + гумати + тирса + M. officinali;

13. Ґрунт + 5% нафти + гумати + сіно + M. officinali;

14. Ґрунт + 5% нафти + гумати + лушпиння + M. officinali;

15. Ґрунт + 5% нафти + добриво + M. officinali;

16. Ґрунт + 5% нафти + агробелум + M. officinali;

17. Ґрунт + 5% нафти + гумати + добриво + M. officinali;

18. Ґрунт + 5% нафти + гумати + добриво + тирса M. officinali;

19. Ґрунт + 5% нафти + гумати+ добриво + сіно + M. officinali;

20. Ґрунт + 5% нафти + гумати+ добриво + лушпиння соняшника + M. officinali;

Морфометричні параметри рослин вимірювали за загальноприйнятими методиками [9]. Відносну довжину кореня (ВДК) та відносну висоту пагона (ВВП) буркуну лікарського визначали, як відношення довжини у досліді до довжини у контролі, тобто:

• ВДК = (Довжина кореня в досліді / Довжина кореня в контролі) ^х 100%;

• ВВП = (Висота пагона в досліді / Висота пагона в контролі) ^х 100%;

Вміст пігментів фотосинтезу у листках рослин досліджували спектрофотометрично [10]. Результати досліджень обробляли статистично з використанням Microsoft Excel.

Виклад основного матеріалу

Морфометричні парамери є одними з найбільш інформативних і визначальних в умовах росту на забруднених нафтою ґрунтах.

Результати дослідження на умовно чистому і нафтозабрудненому ґрунті свідчать про виражену реакцію пагона M. officinali на вміст нафти у ґрунті - відносна висота пагона зменшується на 75% відносно контролю, в той час як відносна довжина кореня - на 45% (табл. 1).

Таблиця 1 Ростові показники Melilotus officinalis за впливу нафтового забруднення

Зрозуміло, що вирощування Melilotus officinalis на забрудненому нафтою ґрунті є утрудненим і вимагає застосування агентів ремедіації для покращення адаптації та нагромадження біомаси у таких умовах.

Досліджено вплив сорбентів-меліорантів: тирса, травяні рештки/сіно, лушпиння соняшника на ріст рослин M. officinali. Встановлено, що додавання сорбентів до нафтозабрудненого ґрунту сприяє збільшенню висоти пагона на 17-85% у порівнянні з ростовими показниками на нафтозабрудне- ному ґрунті без додавання сорбентів (Контроль 2) (табл. 2).

Найбільші ростові показники рослин спостерігали у нафтозабрудненому ґрунті з додаванням тирси: висота пагона збільшувалася на 85,54%, а довжина кореня - на 10,43%. Очевидно, що концентрація нафти у грунті зменшувалася, завдяки високій сор- буючій здатності тирси, яка фізично зв'язує деяку частину нафти в ґрунті.

Таблиця 2 Ростові показники Melilotus officinalis за впливу нафтового забруднення і сорбентів

Встановлено, що додавання добрив до нафто- забрудненого ґрунту стимулює ростові показники Melilotus officinalis (табл. 3), особливо пагона, висота якого збільшувалася на 104-156% у порівнянні з рослинами, які росли на ґрунті забрудненому нафтою (Контроль 2). Довжина кореня у варіанті використання мінеральних добрив у 4 рази більша, ніж за використання органічного добрива агробелум.

Таблиця 3 Ростові показники Melilotus officinalis за впливу нафтового забруднення і добрив

Як відомо, гумати забезпечують активний ріст і розвиток культур, формування високого і якісного врожаю, підвищують стресостійкість рослин до несприятливих умов довкілля [11, 12]. Для підвищення стресостійкості рослин буркуну лікарського до несприятливих умов нафтового заруднення апробували гумати: гуміфілд форте та фульвітал плюс. У попередніх дослідженнях встановили ефективність передпосівної обробки насіння Melilotus officinalis стимулятором росту гуміфілд форте у концентрації 0,1 г/л [8]. землекористування нафтозабруднений селективний

Проаналізувавши отримані результати, з'ясували, що лушпиння соняшника з гуматами стимулює ріст пагона, а гумати з сіном - кореневу систему рослин M. officinali (табл. 4).

Таблиця 4 Ростові показники Melilotus officinalis за впливу нафтового забруднення й агентів ремедіації (сорбенти + гумати)

Таким чином гуміфілд форте підвищує стійкість Melilotus officinali до умов нафтозабрудненого ґрунту, а його сумісне використання з лушпинням соняшника стимулює ріст надземної частини на 92,5% у порівнянні з контролем 2.

Отже, з отриманих результатів видно, що за використання комплексу «мінеральні добрива + гумати + лушпиння соняшника» (табл. 5) висота пагона рослин збільшувалася відповідно на 104,5%.

Для оцінки ефективності технологій для опти- мізації вирощування Melilotus officinalis з використанням різних агентів ремедіації аналізували біохімічні параметри рослин - вміст пігментів фотосинтезу.

Таблиця 5 Ростові показники Melilotus officinalis за впливу нафтового забруднення й агентів ремедіації (сорбенти, мінеральні добрива, гумати)

Таблиця 6 Вміст фотосинтезуючих пігментів у листках рослин Melilotus officinalis за впливу нафтового забруднення й агентів ремедіації (сорбенти, добрива, гумати)

У варіантах із комплексним використанням гуматів, лушпинням соняшника та мінеральних добрив виявлено підвищення вмісту суми хлорофілів (a+b) у рослин до значень 3,43 мг/г у порівнянні зі значенням для рослин на нафтозабрудненому ґрунті 1,98 мг/г.

Висновки

Буркун лікарський (Melilotus officinalis (L.) Pall.) є перспективною енергетичною культурою для вирощування на ґрунтах забруднених нафтою. Встановлено ефективність використання агентів ремедіації (сорбентів-меліорантів, гуматів, добрив) для підвищення його стійкості в умовах нафтозабрудненого ґрунту. Виявлено, що саме мінеральні добрива (NH₂)₂CO + K₂HPO₄ стимулювали ріст рослин за впливу нафтового забруднення ґрунту (5% нафти). Гуміфілд форте підвищував стійкість Melilotus officinali до умов нафтового стресу, а його сумісне використання з лушпинням соняшника забезпечувало збільшення висоти пагона на 92,5%. Оптимальні результати отримано за сумісного використання комплексу «лушпиння соняшника + мінеральні добрива + гуміфілд форте»: висота пагона збільшувалася на 104,5%, а сумарний вміст хлорофілів (а+b) - у 1,7 рази.

Отже, отримані результати вказують на ефективність цієї технології для оптимізації вирощування Melilotus officinalis (L.) Pall. з подальшим її використанням у фіторемедіаційних заходах з відновлення нафтозабруднених ґрунтів.

Література

1. Інтенсивна технологія вирощування озимого ріпака: метод. рек. / Ін-т сіл. госп-ва Західного Полісся НААН України. ГО «Рівнен. обл. с.-г. дорадча служба «Наука». Рівне, 2005. С. 11.

2. Роїк М. В., Курило В. Л., Гументик М. Я., Ганженко О. М. Роль і місце фітоенергетики в паливно-енергетичному комплексі України. Цукрові буряки. 2011. № 1. С. 6-7.

3. Романюк О. І., Ощаповський І. В., Шевчик Л. З. Рослинна біомаса - перспективна сировина для отримання синтетичних рідких палив. Вісник Вінницького політехнічного інституту. Екологія, екологічна кібернетика та хімічні технології. 2015. № 1. С. 22-28.

4. Сторожик Л. І. Перспективи вирощування сорго цукрового, як альтернативного джерела енергії. Цукрові буряки. 2011. № 2. C. 20 - 21.

5. Шевчик-Костюк Л. З., Романюк О. І., Баня А. Р Підвищення ефективності фіторемедіаційних технологій нафтозабрудне- них ґрунтів за участі природних сорбентів-меліорантів. Scientific Horizons, 2020, Vol. 23, No. 10. С. 7-16.

6. Шевчик Л. З., Романюк О. І. Аналіз біологічних способів відновлення нафтозабруднених ґрунтів. Scientific Journal «ScienceRise: Biological Science». 2017. № 1(4). С. 31-39.

7. Борецька І. Ю., Джура Н. М., Романюк О. І. Фіторемедіація техногенно забруднених ґрунтів з використанням енергетичних культур. Екологічні науки. Сер. Екологія - 2021. Вип. 39. С. 72-77.

8. Борецька І. Ю., Романюк О. І. Підвищення стійкості M. Ofsicinalis до нафтового забруднення ґрунтів. «Хімічні проблеми сьогодення»: зб. Тез. V Міжнародної (XV Української) наукової конференції студентів, аспірантів і молодих учених. Вінниця: Донецький національний університет імені Василя Стуса. С. 13.

9. Грицаєнко З. М., Грицаєнко А. О., Карпенко В. П. Методи біологічних та агрохімічних досліджень рослин і ґрунтів. «Нічлава», 2003. С. 316.

10. Мусієнко М.М., Паршикова Т.В., Славний П.С. Спектрофотометричні методи в практиці фізіології, біохімії та екології рослин. К.: Фітосоціоцентр, 2001. С. 200.

11. Козаренко Д. О. Застосування гуматів - перспективний метод зменшення хімічного навантаження на агроценози. Карантин і захист рослин. 2013. № 8. С. 14-16.

12. Подан І. І., Джура Н. М. Вплив нафтового забруднення і гуматів на ріст рослин міскантусу. Екологічні науки. Сер. Екологія. 2019. № 2 (25). С. 182-186.

Размещено на Allbest.ru