Диссертация (Воздействие высокодисперсного металлургического шлама на сельскохозяйственные растения)

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования«Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина»на правах рукописиЗахарова Ольга ВладимировнаВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ШЛАМАНА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ РАСТЕНИЯ03.02.08 – Экология (биология)Диссертация на соискание ученой степеникандидата биологических наукНаучный руководитель:кандидат сельскохозяйственных наукдоцент,Гусев Александр АнатольевичМосква – 2016ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………......... 4ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………...81.1 Проблемы рециклинга шламовых отходов доменного производства………………81.2 Экологические проблемы утилизации шламов доменного производства…….......... 111.3 Использование шламовых отходов в сельском хозяйстве…………………………...181.4 Роль микроэлементов для растений…………………………………………………...21ГЛАВА 2.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ……………………….........292.1 Объект исследования…………………………………………………………………...292.2 Тест–объекты…………………………………………………………………………… 302.3 Методики исследования………………………………………………………………..2.3.1Физико–химическоеисследованиеобразца35металлургическогошлама……... ………………………………………………………………………... 352.3.2Лабораторнаяметодикаоценкивсхожестииисследованияморфометрических параметров растений под воздействием компонентовметаллургических шламов в составе культивационных сред ……....................... 362.3.3 Методика исследования влияния металлургических шламов навегетативныеигенеративныепараметрырастенийвусловияхтеплицы……………………………………………………………………………...382.3.4 Методы биохимических исследований……………………………………...392.3.5 Методика проведения полевых исследований……………………………...462.3.6 Статистическая обработка данных…………………………………………..512.3.7 Методика исследования накопления металлов в тканях растений ипочве……………………………………………………………………………........51ГЛАВА 3.

РЕЗУЛЬТАТЫ…………………………………………………………….......... 523.1 Результаты физико–химического исследования образца металлургическогошлама………………………………………………………………………………………... 523.2 Результаты исследования влияния шлама металлургического производства насельскохозяйственные культуры…………………………………………………………..553.2.1 Лабораторное исследование……………………………………………......... 553.2.2 Результаты исследования в теплице………………………………………...

763.2.3 Результаты полевого исследования…………………………………….........943.3 Результаты исследования экологической безопасности применения шламовыхотходов в растениеводстве……………………………………………………………........11123.3.1 Содержание металлов в органах экспериментальных растений…………..1113.3.2 Содержание металлов в почве опытных участков…………........................1123.3.3 Анализ характера накопления компонентов шлама в органах растений…1134. ВЫВОДЫ………………………………………………………………………………… 1185. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ………………………………………………....... 119Список использованных источников……………………………………………………...1213ВВЕДЕНИЕАктуальность темы. Проблема образования и переработки техногенных отходовявляется одной из важнейших и недостаточно изученных проблем XXI столетия (Деринг,2007; Липенков, Фарафонов, 2006; Ануров и др., 2007; Бакаев, Бушуева, 2005; Байтелова,Гарицкая, 2007; Kozhevnikov et al., 2014).Значительную долю неиспользуемых отходов составляют отходы металлургии (Liset al., 2015).

По имеющимся данным, на современных металлургических предприятияхпри выплавке 1 млн. т стали образуется 800 тыс. т шлаков, 100 тыс. т пыли и 30 тыс. тшламов (Волынкина, 2007).На сегодняшний день в России и странах СНГ отсутствуют экономическидоступныепромышленныеэлектрометаллургическогоитехнологиирециклингадоменного производстввысокодисперсных–золишламов,отходовкотоыехарактеризуются высоким содержанием железа (до 40-50%), а также таких металлов, какцинк, медь, никель, свинец, кадмий и др. Данные отходы, потенциально являющиесябогатым железом металлургическим сырьем, не могут быть использованы в аглодоменномпроцессе из-за высокого содержания цинка (более 0,5%), разрушающего футеровкудоменных печей. (Kiventerä et al., 2016). Вследствие этого на большинстве российскихметаллургических предприятий утилизация шламов осуществляется путем помещения вотвалы (Брызгалов и др., 2009; Кузнецов и др., 2013). Неконтролируемо поступая оттуда вподземные воды и почву, шламовые отходы представляют экологическую угрозу, являясьисточником тяжелых металлов, избыток которых негативно влияет на состояниеприродных экосистем и качество растениеводческой продукции (Черных, Черных, 1995).В то же время присутствие в составе шлама железа, цинка, меди, марганца имолибдена делает перспективным его использование в растениеводстве в качествеисточника микроэлементов в высокодисперсной форме.

Например, железо входит в составряда растительных ферментов, а также участвует в синтезе хлорофилла, в дыхании и вобмене веществ; цинк играет важную роль в белковом, углеводном и фосфорном обмене,в биосинтезе витаминов и гормонов роста – ауксинов (Школьник, Макарова, 1957;Дмитриев, 2006).Известны примеры успешного использования шламов сточных вод, содержащихпереходные металлы, в качестве органоминерального удобрения для питания растений иповышения плодородия почв (Пахненко, 2009; Андронова, 2002; Пасенко, 2013), однаковысокодисперсные металлургические отходы до сих пор не рассматривались какперспективный почвенный стимулятор.4Цель и задачи исследованияЦель – исследование морфофизиологических реакций сельскохозяйственныхрастений на воздействие высокодисперсных металлосодержащих отходов в лабораторных,тепличных и полевых условиях для определения пределов толерантности растительныхорганизмов и разработки подходов к биоутилизации металлургических шламов.Задачи:1.Проведениеструктурногоиэлементногоанализаисследуемоговысокодисперсного металлургического отхода (шлама).2.

Оценка влияния исследуемого отхода, в составе культивационных сред, напоказатели всхожести семян сельскохозяйственных растений в лабораторных условиях.3. Анализ биологической и хозяйственной продуктивности, оценка биохимическогостатуса сельскохозяйственных растений под воздействием исследуемого отхода вусловиях теплицы.4. Оценка биологической и хозяйственной продуктивности растений, выращенныхв полевых условиях под воздействием металлургического шлама.5.Исследованиеэкологическойбезопасностипримененияшламаврастениеводстве.6.Разработкарекомендацийпо дальнейшему исследованиюподходов киспользованию шламовых отходов в растениеводстве.Научная новизна и практическая значимость работы.В работе предложен возможный вариант использования накопленных в ходеприменения традиционных способов утилизации запасов высокодисперсных отходовметаллургической промышленности России (около 1250 тыс.

тонн в год) в качествемикроэлементного компонента удобрений.Новизна предлагаемого подхода заключается в попытке одновременно решитьсразу две задачи – экологически безопасной биоутилизации металлосодержащих шламови создания на их основе эффективных и дешёвых сельскохозяйственных удобрений.Впервые в условиях лаборатории, теплицы и полевых экспериментов проведеноисследование влияния шлама металлургического производства на показатели всхожести,биологической и хозяйственной продуктивности, а также на биохимические параметрыраспространенныхсельскохозяйственныхкультур.Впервыепроведенаоценкаэкологической безопасности металлургического шлама, с учетом накопления егокомпонентов в органах растений и почве опытных участков. Впервые сформулированыпрактические рекомендации для разработки подходов к использованию шлама в качестве5компонента микроэлементных удобрений, установлены оптимальные и пороговыеконцентрации для рапса ярового, свеклы сахарной и льна посевного.Результаты исследований используются в учебном процессе по дисциплинам«Биоиндикация окружающей среды», «Расчёты и прогнозирование в экологии»,«Экологическая токсикология», «Техногенные системы и экологический риск» устудентов специальности «Экология и природопользование».Разработаны объекты интеллектуальной собственности: «Способ экологическичистойбиоконверсиивысокодисперсныхотходовметаллургическойиндустрии,содержащих тяжелые металлы» (Пат.

№2541642) Российская Федерация, «Способприготовления водных суспензий высокодисперсных материалов с использованиемультразвуковой обработки» (ноу-хау, Свид. №2013–0002 от 19.06.2013 г.).Основные положения диссертации, выносимые на защиту:В лабораторных, тепличных и полевых условиях установлено достоверноевоздействие металлургического шлама на всхожесть, развитие вегетативных органов,активность ферментов антиоксидантной системы, содержание фотосинтетическихпигментов и урожайность растений рапса ярового, свеклы сахарной и льна посевного.Почвенное использование исследуемого отхода при норме внесения до 4 т/га неприводит к накоплению металлов в почве до значений, превышающих уровень ПДК(СанПиН № 42–123–4089–86; ГН 2.1.7.2041–06).Металлургический шлам, при нормах внесения 0,5 т/га и 2 т/га, являетсяперспективнымматериаломдлядальнейшихисследованийпоразработкемикроэлементных удобрений для рапса ярового, свеклы сахарной и льна посевного.Апробация работы.

Результаты исследований были доложены и обсуждены навсероссийскихимеждународныхнаучно–практическихконференциях:научно–практический семинар «Наноматериалы и живые системы. Технологии медицины», НИТУ«МИСиС», Москва, 2013; I международная научно–техническая конференция «Научно–технический прогресс в черной металлургии», Череповец, 2013; научно–практическийсеминар «Наноматериалы и живые системы», НИТУ «МИСиС», Москва, 2014; 7–аяВсероссийская«Экологическиенаучно–практическаяпроблемыконференцияпромышленныхсмеждународнымгородов»,Саратов,участием2015;19–аяМеждународная Пущинская школа–конференция молодых ученых «БИОЛОГИЯ –НАУКА XXI ВЕКА», Пущино, 2015; III Международная молодежная научно–практическаяконференция"Междисциплинарныепроблемынанотехнологий,биомедицины и нанотоксикологии", Тамбов, 2015; Всероссийская научная конференция"Растения в условиях глобальных и локальных природно–климатических и антропогенных6воздействий", Петрозаводск, 2015; II международная научно–техническая конференция«Научно–технический прогресс в черной металлургии – 2015», Череповец, 2015; 2–ndInternational Young Scientists School “NANOSTRUCTURED MATERIALS”, Tomsk, 2016.Публикации.