Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Введение

В настоящее время активно проводятся исследования влияния высокодисперсных шламовых образований металлургии на рост и развитие растений с целью определения возможных методов утилизации отходов или дальнейшего их использования в качестве удобрений или стимуляторов роста. Имеются данные, свидетельствующие о стимулирующих свойствах нанопорошков ряда металлов при использовании их для обработки семян сельскохозяйственных культур перед посевом. Показано положительное влияние нанопорошков железа на зерновые, кормовые, технические культуры и корнеплоды. Рост продуктивности злаковых культур из семян, обработанных суспензиями нанокристаллических металлов железа, кобальта и меди, объясняется активацией физиологических и биохимических процессов как в прорастающем семени, так и в растении, развившемся из него [4]. Стимулирующий эффект окислов железа был также установлен в полевом опыте при опрыскивании вегетирующих растений сои: прибавка урожая составила 48 % [8]. Другому элементу – цинку принадлежит важная роль в нуклеиновом обмене, процессах транскрипции, стабилизации нуклеиновых кислот, белков и компонентов биологических мембран [3]. Однако при очень высоком содержании этих металлов в почвах наблюдается хлороз молодых листьев, снижается усвоение меди и железа. Накапливаясь в большой концентрации, тяжелые металлы тормозят рост, увеличивают проницаемость мембран, изменяют процессы вакуолизации цитоплазмы, повреждают процесс сборки микротрубочек, тормозят синтез ДНК, ингибируют процессы фотосинтеза и оттока ассимилятов и др. Механизм биологического воздействия наночастиц металлов при обработке семян сельскохозяйственных растений до конца не изучен. Данные относительно влияния соединений различных металлов на скорость прорастания семян, рост корней и надземной части растений, крайне противоречивы либо трудно сопоставимы как по дозам и размерности наночастиц, так и по видам растений [7, 6, 1].

Цель настоящей работы заключалась в выявлении влияния высокодисперсных шламовых отходов металлургии на рост и развитие растений томата в зависимости от стадии онтогенеза.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являлся томат культурный (Lycopersicon esculentum Mill.), сорт Карамелька. Эксперименты проводили в лабораторных условиях на планшетах и в вегетационных сосудах в защищенном грунте.

Проращивание семян томата осуществлялось в специальных планшетах [5] при строго регулируемых факторах выращивания на почвенных субстратах, содержащих различные концентрации шламовых отходов. В почвенной культуре томата нижнюю часть пластины планшетов заполняли почвой (70 % песка, 10 % торфа, 20 % каолина) и закрывали двумя слоями фильтровальной бумаги. Суспензии шламовых отходов медленно рассеивали по всей поверхности планшета из шприца (35 мл) до полного увлажнения почвы. На верхнюю часть фильтровальной бумаги, на расстоянии около 1 см от середины выступа тестовой пластины помещали 10 семян томата в один ряд на равном расстоянии друг от друга. В почвенной культуре рH среды – 7. Планшеты помещали в термостат при температуре 25 оС на 10 суток [2].

Для определения эффективных концентраций шламов при выращивании томатов в вегетационных сосудах использовали 40 дневную рассаду. Перед пикировкой растения выдерживали в растворах шламов 3 дня, в контроле – в дистиллированной воде. Пикировку рассады осуществляли в сосуды для выращивания объемом 500 мл, объем почвы 400 г. В качестве почвы использовали почвенную смесь из торфа (70 %) и перегноя (30 %), рH среды – 6,5. Растения выращивали в теплице при температуре воздуха днем 23…28 С, ночью 14…15 °С, минимальная освещенность в пасмурную погоду составляла 110 элк, в солнечную была значительно выше. Температура почвы в сосудах 18…19 °С. Влажность почвы 85 % ПВ, влажность воздуха 90 %. Необходимый микроклимат устанавливали с помощью опрыскиваний, поливов и проветриваний. Уход за растениями в сосудах заключался в рыхлении, поливах и прополках.

В данной работе использовались доменные шламы из шламонакопителей Череповецкого металлургического комбината. Проведенный нами рентгенофлуоресцентный анализ показал, что исследованный шлам имеет в своем составе следующие элементы (в масс.%): железо – от 50 до 55, кремний – около 8, кальций – более 4, цинк – более 4, алюминий – более 2, сера – более 2. Содержание остальных элементов в шламе менее 1 масс. %. Данные химические элементы содержатся в виде различных соединений – оксидов, сульфидов и т.д. Так основной элемент – железо, содержится в виде оксида Fe2O3. В опыте на планшетах использовали водные растворы шлама исходного (ШИ) в концентрации 1 и 10 %, в вегетационных сосудах – шлам исходный в концентрации 1, 10 и 20 %, имеющие в своем составе ультрадисперсную (нано) составляющую.

Для морфометрических измерений выборка составляла 40–50 растений. Статистическая обработка данных проведена с помощью пакета Statistica 8. В таблицах представлены средние арифметические значения в форме «среднее ± ошибка среднего». Достоверными считали различия с вероятностью ошибки р, не превышающей 0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

При проращивании семян томата в планшетах на почве исследовали влияния высокодисперсных шламовых отходов по изменению ростовых параметров: высота проростка, длина корня и весовых показателях сырой массы (надземная часть и масса корня) (рис.1, табл.1).

При культивировании растений томата с использованием почвы в планшетах обнаружен отрицательный эффект. Внесение шлама исходного 1 и 10 % в почву приводит к снижению высоты проростков на 26,0–29,0 %, длины корня – на 15,1 – 6,6 %. Сырая надземная масса проростков уменьшилась на 38,0,0–40,0 %, а массы корня на 20,0–40,0 %.

Контроль	ШИ 1%	ШИ 10%

 

Рисунок 1. Прорастание семян томата в опыте со шламом исходным (4-е сутки от начала эксперимента)

 

Таблица 1. Влияние разных концентраций шлама исходного на морфометрические показатели томатов, культивируемых на почве в планшетах

Показатели	Контроль (вода)	Концентрации шлама исходного, %
		1	10
Высота проростка, мм	101,9±5,9	75,4±7,7*	72,3±5,6*
Длина корня, мм	61,7±2,0	52,4±5,8*	57,6±3,3
Масса надземная, мг	5,0±0,1	3,1±0,3*	3,0±0,2*
Масса корня, мг	5±0	4±0,2*	3±0*
Примечание: в данной таблице знаком * отмечены достоверные отличия в опытных вариантах по сравнению с контролем

 

Подобный результат обнаружен и при воздействии шлама исходного на рассаду томатов. Обработка корневой системы томата перед пикировкой отрицательно повлияла на рост и развития растений во всех вариантах опыта. С начала эксперимента и до его завершения отчетливо проявлялось угнетение растений по сравнению с контролем (рис. 2, табл. 2).

 

Рисунок 2. Угнетение растений томатов при обработке корневой системы шламом исходным (10 и 20 %-ой концентрации)

 

Высота контрольных растений составила в среднем 30,25 см, что свойственно сорту.

В вариантах со шламом исходным (1, 10 и 20 %) высота варьировала от 12,50 до 14,50 см, т.е. уменьшилась почти в 2 раза. Количество листьев уменьшилось на 42,9–52,4 %, диаметр стебля на 10–20 % . У 60 дневной рассады, несмотря на то, что сорт раннеспелый, цветочные кисти образовались только в контроле.

 

Таблица 2. Влияние обработки исходным шламом на морфометрические параметры развития рассады томата

 

В период эксперимента при воздействии водных растворов шлама исходного в концентрации 1 и 10 % на проростки и вегетирующие растений томата (концентрации от 1 до 20 %) обнаружено негативное влияние на морфометрические параметры развития.

 

 

Заключение

Таким образом, проведенные исследования выявили, что влияние высокодисперсных шламовых отходов на растения томата зависит от возраста растений и концентрации отходов. Так, в начальные стадии онтогенеза при внесении отходов в почву в концентрациях 1 % и 10 % тормозится рост, как надземной части, так и корневой системы. Обработка корневой системы томата на стадии 40-дневной рассады высокодисперсными шламовыми отходами в течение 3-х дней также отрицательно повлияла на развитие вегетативных и генеративных органов.

Не рекомендуется использовать культивационные среды и почвы с добавлением высокодисперсных металлургических шламов при проращивании семян и выращивании рассады томатов. Дополнительного исследования требует предположение о возможном распространении этого вывода на другие пасленовые, в том числе – на картофель.

 

Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы» (ГК № 14.512.12.0003).

Рецензенты:

Адам Александр Мартынович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой экологического менеджмента Биологического института, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», г. Томск.

Кулижский Сергей Павлинович, доктор биологических наук, профессор, директор Биологического института, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», г. Томск.