Оценка фитотоксичности природных минералов

Вызовы современности, такие как необходимость восстановления почвенного плодородия, повышение цен на минеральные удобрения, поиск альтернативы пестицидам, обусловливают необходимость создания новых удобрений на основе местного, в том числе минерального сырья [7, 9]. Использование агрономических руд, месторождения которых расположены по всей Российской Федерации, может стать одним из вариантов решения проблемы деградации почв. В Республика Татарстан (РТ) бентонитов свыше 120 млн. тонн, глауконитов – 65 млн. тонн, фосфоритов – более 6 млн. тонн, цеолитов – 300 млн. тонн и др. [8]. Применение местных агроминералов в качестве удобрений является доступным и дешевым способом восстановления плодородия почв из-за снижения затрат на их доставку к месту назначения. Интерес представляют и наноструктурные агроминералы, которые широко применяются в различных отраслях народного хозяйства [6, 10].

Цель исследований – оценка фитотоксичности природных минералов в нативном и наноструктурном виде.

Материал и методы исследований. Объектами исследований являлись: почва серая лесная среднесуглинистая; минералы различных месторождений РТ в нативном виде в дозе 1 т/га – известь, фосфорит, цеолит; минералы в наноструктурном виде в дозе 0,1 т/га – наноструктурная известь (НИ), наноструктурная водно-фосфоритная суспензия (НВФС), наноструктурная водно-цеолитная суспензия (НВЦС); рапс яровой сорта Набат; тест-растение яровая пшеница сорта Ульяновская-105.

Оценку природных минералов в нативном и наноструктурном виде на урожайность ярового рапса сорта Набат изучали в вегетационном опыте по схеме: 1 – контроль без растений, 2 – контроль без удобрений, 3 – фон (N 60 P 60 K 60 ), 4 – известь; 5 – фосфорит; 6 – цеолит; 7 – НИ; 8 – НВФС; 9 –НВЦС. Вегетационный опыт был заложен в сосудах Вагнера объемом 5 кг. Размер вегетационного сосуда 0,018 м². Количество растений в сосуде 10 штук. Повторность опыта трехкратная.

Исследования проводили на серой лесной среднесуглинистой почве, которая имела следующую характеристику: гумус – 3,2%; рН сол. – 6,0; Нr – 0,8 мг-экв./100 г; S по – 21,2 мг-экв./100 г; N щел – 119,0 мг/кг; Р 2 О 5 – 92,0 мг/кг; К 2 О – 162,0 мг/кг. В качестве минеральных удобрений (фон) в почву в период набивки сосудов Вагнера вносили комплексное универсальное удобрение Агрикола. В фазе полной спелости учитывали массу семян ярового рапса (1000 зерен).

Почва, отобранная в этой фазе, была использована при определении фитотоксичности [3]. В качестве тест-растения использовали яровую пшеницу сорта Ульяновская-105. Оценку фитотоксичности проводили по следующим показателям: всхожесть (%), интенсивность развития корешка (мм), проростка (мм), биомасса корешка и проростка (мг) [1]. Контролем сравнения был вариант с семенами, замоченными в водопроводной воде. Фитотоксичность (F, %) рассчитывали по формуле [2]:

F =

x ко нтр

x оп

■ 100%

x ко нтр

, где контр – среднее арифметическое длины корешка (проростка) в контроле; x оп – среднее арифметическое длины корешка (проростка) в опыте.

Наноструктурные минералы были получены по методу В.О. Ежкова (2014) [5]. Наноминералы статически стабилизировали в деионизированной воде (концентрация 1:4). Все эксперименты проводили в трехкратной повторности. Статистическую обработку результатов проводили с помощью электронных таблиц Excel.

Результат исследований. При выращивании масличной культуры – ярового рапса – установлено, что из нативных минералов, таких как известь, цеолит и фосфорит (Таблица 1), наиболее выраженное положительное влияние на массу семян оказывает цеолит (70,1 %). Из наноминералов максимальный результат получен в варианте с НВФС, где прибавка массы к контролю без удобрений составляет 72,4 %. Если сравнивать прирост массы семян рапса с использованием нативных или наноструктурных минералов, применяемых в виде удобрения, то среди трех исследованных минералов два из них в наноструктурном виде дают максимальный результат, по сравнению с нативными агроминералами. Так, НВЦС показывает прибавку к массе зерна только на 56,8 %, в то время как нативный цеолит на 70,1 %. Следует отметить известь в нативном и наноструктурном виде. В первом случае прибавка составляет 50,2 %, во втором на 7,7 % выше, по сравнению с нативной. В отношении фосфорита ситуация другая. В нативном виде фосфорит дает прибавку 50,9 %, в то время как в наноструктурном виде на 21,5 % больше – 72,4 %. У цеолита отмечен максимальный результат в нативном виде (70,1 %), в то время как в наноструктурном виде прибавка меньше на 13,3 % и составляет лишь 56,8 %.

Таблица 1 – Масса семян ярового рапса

№ п/п	Вариант	Средний показатель массы семян, г/сосуд	Прибавка к контролю без удобрений, +/- %
Контрольные
1	Контроль без растений	-	-
2	Контроль без удобрений	4,68	-
фон
3	Фон – N 60 P 60 K 60	5,75	+22,9
Нативные минералы
4	Известь	7,03	+50,2
5	Фосфорит	7,06	+50,9
6	Цеолит	7,96	+70,1
Наноструктурные минералы
7	Наноструктурная известь	7,39	+57,9
8	Наноструктурная воднофосфоритная суспензия	8,07	+72,4
9	Наноструктурная водноцеолитная суспензия	7,34	+56,8
НСР 0,95		0,12

Необходимо помнить, что расход удобрений, основанных на внесении нанострукурных минералов, значительно ниже. Уменьшение дозы в 10 раз по сравнению с нативными минералами существенно нивелирует потенциальную антропогенную нагрузку, что с учетом биобезопасности наноминералов [4] подтверждает целесообразность их применения.

При определении влияния изучаемых минералов на всхожесть семян яровой пшеницы сорта Ульяновская–105 установлено, что в контрольном варианте (семена, замоченные в воде) этот показатель составляет 84,0 %. Сопоставимые с контролем данные среди нативных минералов отмечены в вариантах с использованием фосфорита и цеолита (на 2,0 % выше и на 2,0 % ниже соответственно). Среди наноструктурных минералов – НВФС и НВЦС – эти показатели ниже (на 2,0 %). Полученные по всхожести семян результаты показывают, что известь обеспечивает максимальный результат со всхожестью семян 88,0 %. Минимальный результат отмечен в варианте с наноструктурной известью (72,0 %), то есть НИ снижает всхожесть на 16,0 % по сравнению с нативной. Уменьшение показателей всхожести можно объяснить исследованиями Т.Ю. Угаровой (2002), которая отмечает, что при замачивании семян в солевых растворах, в вытяжках из удобрений или золы происходит угнетение прорастания [11]. Следовательно, нативные минералы, за исключением цеолита, оказывают положительное влияние на всхожесть семян, в то время как наноминералы не повышают этот показатель.

При определении влияния минералов на длину корешка тест-растения отмечено, что в контрольном варианте этот показатель составляет 10,5 см. Среди наноминералов сопоставимые с контролем данные получены в варианте с использованием НВФС, где длина корешка составляет 11,84 см (на 1,45 % выше контроля). Максимальный результат с длиной корешка 11,84 см отмечен в варианте с НВЦС. Итак, как нативные, так и наноструктурные минералы оказывают положительное влияние на длину корешка.

На длину проростка тест-растения природные минералы влияют следующим образом. Если в контрольном варианте этот показатель равен 7,3 см, то среди нативных минералов сопоставимые с контролем данные отмечены в варианте с использованием извести (на 1,86 % выше контроля). У цеолита получен максимальный результат с длиной проростка (10,84 см). Следовательно, среди нативных минералов только цеолит оказывает положительное влияние на длину проростка. Наноминералы также стимулируют длину проростка, кроме НВФС. Анализируя показатели длины проростка, можно сделать вывод, что из исследованных минералов только НВФС проявляет очень слабую фитотоксичность.

При определении влияния минералов на длину колеоптиля тест-растения установлено, что минимальное значение отмечено в варианте с НВЦС, где длина колеоптиля составляет 2,43 см (в контрольном варианте этот показатель равен 2,2 см). Полученные данные по длине колеоптиля показывают, что среди нативных минералов цеолит обеспечивает максимальную длину колеоптиля, равную 3,38 см. Как нативные, так и наноминералы оказывают положительное влияние на длину колеоптиля. Следовательно, изучаемые минералы оказывают положительное влияние на биометрические показатели растений.

При определении влияния минералов на массу корешка яровой пшеницы установлено, что в контрольном варианте этот показатель равен 0,115 г. Сопоставимые с контролем данные отмечены среди нативных минералов в варианте с использованием цеолита (на 0,5% выше контроля). При использовании минералов не наблюдается увеличения массы корешка, кроме варианта с НВЦС. Наноизвесть проявляет очень слабые показатели фитотоксичности почвы. Итак, только нативные минералы оказывают положительное влияние на массу корешка.

Масса проростка тест-растения в контрольном варианте составляет 0,14 г.

Сопоставимые с контролем данные отмечены среди нативных минералов в вариантах с использованием извести (на 1,6 % ниже контроля), НИ и НВФС (на 3,9 % и на 3,6 % ниже контроля, соответственно). Полученные данные по массе проростка показывают, что минимальный показатель отмечен у фосфорита с массой проростка 0,12 г, максимальный обеспечивает цеолит – 0,17 г. Следовательно, нативные минералы в большинстве случаев не оказывают положительного влияния на массу проростка, кроме варианта с цеолитом, а в случаях использования наноминералов не наблюдается прибавка к массе проростка, кроме варианта с НВЦС. Фосфорит проявляет очень слабую фитотоксичность почвы.

Таким образом, у нативного цеолита отмечены лучшие данные по длине проростка (на 48,9 %), длине колеоптиля (на 53,6 %) и биомассе проростка (на 16,1 %), а у НВЦС – по длине корешка (на 12,8 %), биомассе корешка (на 13,5 %) и биомассе проростка (на 13,7 %). Поэтому лучшими минералами по большинству изученных показателей являются нативный и наноструктурный цеолит.

Заключение. Проведена оценка фитотоксичности широко применяемых в различных отраслях народного хозяйства природных (известь, цеолит и фосфорит) минералов и их наноструктурных аналогов (наноструктурная известь, НВЦС, НВФС). Считаем, что применение природных минералов различных месторождений Республики Татарстан в качестве удобрений, сорбентов, мелиорантов в нативном и наноструктурном виде целесообразно, поскольку они не обладают токсичностью. Несомненными достоинствами наноминералов являются безопасность их применения, значительное (в 10 раз) уменьшение дозы по сравнению с нативными, снижение затрат на покупку удобрений, что в итоге существенно нивелирует антропогенную нагрузку на окружающую среду.