Учёные Тамбовского государственного университета имени Г.Р. Державина доказали, что использование металлургического шлама в качестве удобрения позволяет повысить урожай сахарной свёклы в полтора раза без риска для безопасности.
По словам исследователей, доменный шлам – крупнотоннажный отход чёрной металлургии – может служить эффективным источником железа и цинка для сахарной свёклы. При внесении в умеренных дозах материал значительно увеличивает урожайность корнеплодов и содержание сахара, одновременно снижая окислительный стресс в тканях растений. При этом концентрации токсичных элементов в продукции остаются на безопасном уровне.
Как говорят ученые Державинского, доменный шлам образуется при мокрой очистке газов в доменном производстве. Ежегодно в мире накапливаются миллионы тонн этого отхода, который преимущественно складируется в отстойниках. Шлам содержит много железа и цинка – микроэлементов, критически важных для роста растений, однако прямое его использование в агрономии до сих пор сдерживалось опасениями по поводу токсичности.
– Исследованный образец обладает высокой дисперсностью: частицы очень мелкие, от сотен нанометров до десятков микрометров, – говорит руководитель научно-образовательного центра «Экологии и биотехнологий» Державинского университета Ольга Захарова. – Благодаря высокой удельной поверхности эти частицы способны медленно растворяться в почве, постепенно высвобождая железо и цинк. Мы решили проверить, можно ли превратить этот отход в микроэлементное удобрение для сахарной свеклы, так как известно, что цинк улучшает углеводный обмен и ускоряет превращение простых сахаров в сахарозу.
В вегетационном эксперименте наилучший эффект дала низкая концентрация шлама в культивационном субстрате: у сахарной свёклы многократно увеличилась масса корней и листьев, а активность двух ферментов – полифенолоксидазы и пероксидазы, которые служат маркерами окислительного стресса, – наоборот, снизилась в несколько раз. Это говорит о том, что шлам не только питает растение, но и смягчает стресс, вызванный неблагоприятными факторами среды.
– В полевом опыте на нейтральных почвах внесение шлама в оптимальном диапазоне позволило повысить урожайность свеклы и содержание сахара в корнеплодах почти в полтора раза по сравнению с контролем, – рассказывает Ольга Захарова. – Кроме того, у обработанных растений практически не было некротических пятен на листьях, тогда как контрольные растения страдали от хлороза и отмирания тканей. Более высокие дозы шлама не давали дополнительного агрономического выигрыша, что подтверждает наличие наиболее эффективного «рабочего» диапазона внесения.
Авторы исследования проанализировали накопление тяжёлых металлов в листьях, корнеплодах и почве. Содержание токсичных элементов в свёкле осталось на уровне контрольных значений и значительно ниже российских и международных нормативов.
– Цинк в корнеплодах почти не накапливался – его концентрация была на порядок ниже допустимого порога, – отмечает Ольга Захарова. – Однако при многократном ежегодном внесении шлама в почве может постепенно нарастать содержание цинка, поэтому систематический мониторинг необходим. Кроме того, обнаружены косвенные эффекты: даже в отсутствие меди и кобальта в самом шламе их концентрация в почве при высоких дозах внесения возрастала. Вероятно, оксиды железа, содержащиеся в шламе в больших количествах, действуют как сорбенты и накапливают эти элементы из окружающей среды.
По словам ученых, переработка доменного шлама в микроудобрение вписывается в концепции циркулярной экономики и зелёной металлургии. Для широкого внедрения необходимы долгосрочные испытания на разных типах почв и культурах, а также стандартизация процедуры контроля состава шлама. Авторы отмечают, что грамотное использование этого отхода может превратить экологическую проблему в эффективное «устойчивое» решение для агротехнологического производства.
Работа опубликована в журнале International Journal of Molecular Science. Исследование выполнено при поддержке государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.