Определение фитотоксичности субстратов на основе отходов активного ила в вегетационных опытах

Введение. Приготовление субстратов для выращивания посадочного материала в тепличных условиях является актуальной задачей, особенно в вопросе использования компонентов, производимых в региональных условиях с учетом элементов ресурсосбережения. В приготовлении грунтов для теплиц традиционно применяют почву, торф, минеральные и органические удобрения и др. [1, 2]. В органические компоненты могут вводить различные добавки, одной из которых традиционно считаются отработанные активные илы очистных сооружений различных производств [3].

Существуют различные способы утилизации отходов активного ила [4]. Наиболее популярные из них – сжигание, хранение на иловых площадках, применение в биологической рекультивации грунтов, использование в качестве удобрений и мелиорантов [5–9]. Также есть исследования применения остаточного активного ила в качестве компонентов субстратов для вы- ращивания растений с закрытой корневой системой [10]. При правильном их использовании такие субстраты могут выступать альтернативой обычным торфяным субстратам [11, 12] и привести к экономии при замене коммерческих субстратов и применении минеральных удобрений [13, 14]. Согласно исследованиям, обезвоженный активный ил очистных сооружений может содержать тяжелые металлы, что ограничивает его использование в качестве мелиоранта или удобрения [15–19]. Учитывая возможную токсичность отходов активного ила, для использования в сельском и лесном хозяйстве их необходимо перерабатывать, подготавливая к технологическим процессам дальнейшего применения, в том числе компостированию.

Цель исследований – изучить фитотоксичность компонентов и субстратов, приготовленных на основе разного состава из компостированного остаточного активного ила Архангельского целлюлозно-бумажного комбината и вер- хового торфа, используя в качестве тест-объектов овес и кресс-салат.

Материалы и методы. Для приготовления субстратов использовали торф с предприятия «Архангельская клюква» с глубины торфяной залежи 40–80 см и степенью разложения 15 %. Вторым компонентом выступал компостированный активный ил (ОАИ) очистных сооружений Архангельского целлюлозно-бумажного комбината (АЦБК) с коммерческим названием Биогумус «Архангельский». Для данного биогумуса при поддержке АЦБК предприятием «Биолаборатория» (г. Архангельск) разработан регламент (срок действия 2014–2024 гг.) на его производство и использование. Согласно данным исследованиям, отходы активного ила АЦБК относятся к веществам 5-го класса опасности (Протокол 10-БО от 23.04. 2018 г.), яйца гельминтов отсутствуют (Протокол лабораторных испытаний от 2021 г.). Содержание тяжелых металлов в составе компостированного активного ила: медь – 840 мг/кг; цинк – 530; железо – 4 600; марганец – 1 800; никель – 42 мг/кг, что превышает, согласно ГОСТ 17.4.3.07-2001, нормативы содержания для осадков 1-й группы по меди в 1,12 раза. Торф и биогумус были высушены, размолоты и просеяны через сито 2 мм. Характеристика исходных компонентов представлена в таблице 1.

Характеристика исходных компонентов

Таблица 1

1— ф о о ^	5 -О -У о о Ф с О 5	5 о	го ° го п ₽ н 2 § L- СО	О о г	О X о со	о о т	Содержание, мг/кг
							о	+	LO О 04 □_	04
Торф	0,046±0,003	0,768	1778,6	94,0	2,3±0,1	3,2±0,1	< 25	54,0±10,0	24 ±10	56±10
Ил	0,381±0,001	1,440	227,0	73,5	29,0±0,5	6,4±0,01	< 25	< 14	1161±38	51±9

У этих компонентов была определена фитотоксичность – один из эффективных показателей, дающих информацию о суммарном негативном влиянии на объекты исследования. Исследование проводили на 2 тест-объектах – овес посевной ( Avena sativa L.) и кресс-салат ( Lepidium sativum L.) методом проращивания.

При постановке опыта по влиянию смеси компонентов на всхожесть семян тест-объектов в качестве контроля отсутствия фитотоксическо-го эффекта использовали дистиллированную воду, а для контроля фитостимулирующего эффекта – смесь Кнопа. Для получения вытяжек в течение 1 часа интенсивно перемешивали компоненты при соотношение активный ил : вода / смесь Кнопа в количестве 1:10. 25 семян тест-культур помещали в вытяжки в чашках Петри в 5-кратной повторности. Через 72 часа нахождения в термостате при 25 °С проводили определение количественных и биометрических показателей – длины корня (см), длины колеопти-ля/гипокотиля (см) и энергии прорастания семян (%), которая рассчитывалась как отношение числа проросших семян к общему числу семян.

Модельный опыт по выращиванию растений овса был проведен с целью определения влияния субстрата на основе разного соотношения ОАИ и торфа верховых болот на количественные и биометрические показатели для подбора оптимального для произрастания растений соотношения остаточного активного ила и торфа. Были подготовлены композиции субстратов из верховного торфа и биогумуса на основе остаточного активного ила в соотношениях, подобранных и исследованных по водно-физическим свойствам ранее [20] в следующих вариантах, приготовленных по объему используемых фракций в количествах: контроль, полностью состоящий из торфа; 90 % торфа с добавкой 10 % ила, 80 % торфа с добавкой 20 % ила т.д. Всего 8 вариантов с градацией ила 10 %.

В качестве тест-объекта использовался овес посевной, который чувствителен к химическим и физико-химическим показателям почвы, что делает его хорошим индикатором состояния субстрата. Благодаря короткому циклу роста и развития овса возможно быстро определить изменения в почвенных условиях. Это особенно важно для мониторинга изменений в почвенном состоянии на небольших участках или при частых исследованиях.

Каждая композиция субстрата рассматривалась в трехкратной повторности. Всего исследовали 24 образца. Семена овса высеивали на глубину заделки 3–4 см в пластиковые контейнеры (объем 1,5 л, площадь поверхности грунта 0,02 м2). Предварительно определенная всхожесть по ГОСТ 12038-84 составила 74 %. Соответствуя такой всхожести, норма высева составила 17 семян на поверхность грунта. Растения выращивали с поддержанием постоянной влажности, которая составляла 60 % от влагоемко-сти субстратов в течение 20 дней. Количествен- ные показатели прорастания, всхожести, биометрические и массовые данные обрабатывались общепринятыми статистическими методами в программах MS Excel и Statistica. Достоверность различий средних величин оценивалась по критериям Стьюдента, Краскела -Уоллиса и Манна - Уитни, нормальность распределений - по критериям Пирсона хи-квадрат и Колмогорова - Смирнова. Различия для всех приведенных данных по показателям считались значимыми при р < 0,05.

Результаты и их обсуждение. На рисунке 1 представлены средние количественные и биометрические показатели тест-культур при изучении фитотоксичности компонентов субстратов.

Энергия прорастания

Длина корня и колеоптиля

Овес Кресс-салат

Овес Кресс-салат

Рис. 1. Средние количественные показатели прорастания тест-культур (число исследуемых образцов n = 100)

Средняя энергия прорастания овса в вытяжках биогумуса на основе ОАИ составляет 72,5 %, что несколько выше, чем в торфяных вытяжках (63,3 %). Однако статистически значимой разницы в показателях энергии прорастания овса в используемых вытяжках и контроле не найдено (р = 0,058). Стимулирующих эффектов ОАИ и фитотоксичности по показателям энергии прорастания для овса не обнаружено (р = 0,074). Сравнение таких показателей, как длина корня и длина колеоптиля овса, показывает стимулирующее действие вытяжки на основе ОАИ. Этот показатель статистически превышает значения (р = 0,00023 для показателей длины корня и р = 0,0047 для показателей длины колеоптиля), полученные в контроле с водой, и сопоставим со значениями, полученными на смеси Кнопа.

Для кресс-салата средние значения энергии прорастания составляют 92 % и не показывают статистически значимой (р = 0,061) разницы в исследуемых вытяжках и контроле. Однако отмечается стимулирующее действие на рост кресс-салата вытяжки активного ила. Особенно активно это проявляется в увеличении длины корня (р = 5,01 •IO-9), где данный показатель значимо превышает длину корня в смеси Кнопа. Аналогично данным по овсу показатели растений в вытяжке торфа сопоставимы с данными по воде.

Таким образом, вытяжка на основе обезвоженного активного ила очистных сооружений Архангельского целлюлозно-бумажного комбината не оказывает угнетающего действия на прорастание тест-объектов - семян овса и кресс-салата, а согласно показателям длины корня и колеоптиля овса, оказывает стимулирующее действие, сопоставимое или превышающее действие смеси Кнопа. Фитостимулирующего эффекта вытяжки торфа не обнаружено.

Результаты вегетационного опыта по испытанию субстратов с разным соотношением торфа и ОАИ представлены в таблице 2.

Таблица 2

Всхожесть и биометрические показатели овса на различных композициях субстратов на основе торфа и ОАИ

Содержание биогумуса на основе ОАИ, %	Всхожесть, %	Длина стебля, см	Длина корня, см
0	72,5	8,5±1,0	1,4±0,3
10	74,5	19,8±4,8	10,1±3,1
20	76,5	18,2±2,6	11,1±1,1
30	84,3	17,5±0,8	8,7±2,8
40	90,2	17,5±1,2	7,2±2,6
50	72,5	18,2±1,4	7,8±1,7
60	90,2	18,4±1,7	7,6±0,9
70	82,4	18,1±2,8	8,9±7,4

В контрольных образцах на торфе растения были ослаблены и к концу эксперимента пожелтели (рис. 2, слева), что не позволяет говорить о применении чистого верхового торфа при вы ращивании культур.

Рис. 2. Овес посевной, выращенный без добавления ОАИ (слева) и с 70 % ОАИ (справа)

Общая всхожесть семян овса в вариантах без добавления остаточного активного ила составляет 72,5 %, с добавлением остаточного активного ила – 72,5–90,2 % (среднее 81,5 ± 2,7). Дисперсионный анализ показал, что добавление ОАИ в субстрат оказывает влияние на всхожесть семян (F = 9, Р = 0,009, Fкрит. 0,05 = 4,6), на длину стебля (F = 47, P = 0,0007, Fкрит. 0,05 = 4,6), на длину корня (F = 39, P = 0,0002, Fкрит. 0,05 = 4,6). Подобные выводы сделаны и с применением непараметрических критериев Манна –Уитни и Краскела – Уоллиса – различия групп с добавлением ОАИ и без добавления значимы на уровне p < 0,05 для всех исследуемых параметров – всхожесть, длина стебля, длина корня.

Средняя длина стебля овса в вариантах без добавления ОАИ составила 8,5 см, что достоверно ниже образцов с добавлением ОАИ (среднее 18,2 ± 0,29 см). Статитически доказано, что добавка ОАИ даже в количестве 10 % приводит к увеличению длины стебля более чем в два раза по сравнению с контрольным образцом – торфом (критерий Стьюдента = 7,5). Между вариантами с добавлением ОАИ достоверного различия не наблюдается (величина критерия Стьюдента находится в пределах 0,1–0,8 при стандартных значениях 2,4–3,7).

Средняя длина корня в контрольном образце без добавления ОАИ составляет 1,4 см. Статистически доказано, что добавка ОАИ в субстрат приводит к увеличению длины корня более чем в 6 раз. Максимальные значения наблюдаются при добавлении 10–20 % ОАИ к торфу. Среднее значение для различных вариантов добавления ОАИ составило 8,7 ± 0,53 см.

Также было произведено измерение биомассы надземной и подземной части растений после их предварительного высушивания при температуре 105 °C (рис. 3).

Рис. 3. Массовые показатели овса (в пересчете на одно растение)

Связь массы надземной и подземной части выражается уравнениями

МНЧ = 0,05869+0,0305·ОАИ0,2111;     R2 = 0,73

МПЧ = 0,00343+0,00855·ОАИ0,2928;    R2 = 0,68, где МНЧ – масса надземной части, г; МПЧ – масса подземной части, г.

Распределение полученных значений массы надземной и подземной части оценивается как нормальное. Критерий Колмогорова – Смирнова составил 0,11 при стандартном значении 1,36, критерий Пирсона хи-квадрат – 21 при стандартном значении 33,9.

Добавка компостированного остаточного активного ила в верховой торф при приготовлении субстратов положительно влияет на показатели роста овса посевного. Увеличивается длина стебля и корня, масса подземной и надземной частей растений. Оптимальным в субстрате для выращивания овса является добавка биогумуса на основе ОАИ в количестве 10–20 %. Это согласуется с данными других авторов: внесение добавок ОАИ в небольших дозах улучшает свойства дерново-подзолистых почв и рост сеянцев сосны и ели в теплицах.

Заключение. Таким образом, активный ил в виде биогумуса при добавке к верховому торфу не обладает фитотоксичностью по отношению к тест-объектам (кресс-салат и овес посевной). В добавках 10–20 % к верховому торфу ОАИ повышает ростовые показатели тест объекта (овса посевного), что важно для стандартизации полученного посадочного материала по высоте. При больших долях добавки биогумуса (более 40 %) прирост овса замедляется, но масса стеблей и корней увеличивается. На стабильность роста и развития растений может влиять качество перемешивания компонентов субстрата, имеющих различную плотность, что необходимо предусматривать при использовании в тепличном хозяйстве.