Проблемы фитотестирования малоопасных отходов сахарного производства

ПРОБЛЕМЫ ФИТОТЕСТИРОВАНИЯ МАЛО ОПАСНЫХ ОТХОДОВ САХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

А.Е. Кузнецов, Н.Н. Трутаева, Е.П. Проценко, А.В. Прусаченко, А.А. Проценко

Аннотация. Исследовалась возможность использования фильтрационного осадка Золотухинского сахарного завода, как отдельного минерального удобрения, на общую токсичность методом фитотестирования с использованием в качестве тест-организмов однодольное растение овса посевного (Avena sativa L.) и редиса посевного (Raphanus sativus L.). Оценивали влияние водных вытяжек, из послойно отобранных образцов дефеката, путем непосредственного замачивания в них семян на энергию прорастания, длину проростка и длину корня. Установлено, что пробы, отобранные с глубины 0 -10 см и 10 - 20 см, токсичны (фитоэффект составил -24,1% и 35,3% соответственно), наиболее чувствительной тест-культурой является овес посевной (Avena sativa L.), а наиболее чувствительной тест-функцией - энергия прорастания семян. Использование фильтрационного осадка как самостоятельного минерального удобрения для Avena sativa не допустимо, что возможно применимо и к другим зерновым культурам или же однодольным растениям. Относительно двудольных растений, в нашем случае Raphanus sativus, дефекат может послужить хорошим источником кальция, в качестве самостоятельного минерального удобрения.

Ключевые слова: дефекат, фильтрационный осадок, фитотестирование, овес посевной (Avena sativa L.), редис посевной (Raphanus sativus L.).

Среди перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса сахарная промышленность является источником значительного количества таких вторичных ресурсов, как свекловичный жом, меласса, фильтрационный осадок, рафинадная патока, свекловичный бой, хвостики свеклы и др. Так, при среднем выходе сахара 12-13 % свеклосахарное производство дает к массе перерабатываемой свеклы 80-83 % сырого свекловичного жома, 5,0-5,5 % мелассы, 10-12 % фильтрационного осадка [1].

Одна из главных проблем современности - утилизация промышленных отходов. Низкая доля переработки вторичных сырьевых ресурсов приводит не только к их значительным потерям, но и к загрязнению окружающей среды, нарушению экологического баланса, а также значительным финансовым затратам на вывоз неиспользуемых отходов на полигоны и свалки. К таким отходам относится дефекат - продукт биохимического характера, образовавшийся в процессе очистки диффузионного сока при биохимических производствах. Наиболее остро на сахарных заводах стоит проблема утилизации фильтрационного осадка, который непосредственно в сахарной промышленности в настоящее время не используется и на большинстве сахарных заводов является крупнотоннажным отходом производства [2]. Фильтрационный осадок на сахарных заводах образуется при взаимодействии не сахаров диффузионного сока в процессе его очистки известью и диоксидом углерода. В основном он состоит из СаСО3 до (75%), некоторого количества сахара, адсорбционных органических веществ, не сахаров, которые в процессе обработки соков образуют с кальцием нерастворимые соединения или адсорбируются на поверхности СаСО3. В свежем дефекате содержится до 60% влаги, но после подсушивания на заводе влажность падает до 20-30%. Примерный компонентный состав дефеката представлен в таблице 1 [1 ;3].

Таблица 1-Компонентный состав дефеката

Ингредиент Содержание, %

Сахар 2,0

Пектиновые вещества 1,7

Углекислый кальций 74,2

Азотистые органические вещества, 5,9

в том числе азот 0,9

Безазотистые органические вещества 9,5

Известь в виде солей разных кислот 2,8

Прочие минеральные вещества, в том числе фосфорная кислота 3,9 1,7

Количество образующегося фильтрационного осадка зависит от массы вводимой извести. Фильтрационный осадок не используется и, накапливаясь в отвалах, занимает значительные земельные площади, загрязняет окружающую среду, может являться источником неприятных запахов. Таким образом, утилизация фильтрационного осадка сахарного производства - актуальная проблема, оптимальное решение которой важно для повышения эффективности производства, внедрения малоотходных и безотходных технологий, улучшения экологической обстановки [1].

Одним из наиболее известных и распространенных способов утилизации фильтрационного осадка является использование его в сельском хозяйстве для нейтрализации повышенной кислотности почв или в качестве известкового удобрения. Дефекат является хорошим известковым удобрением, которое применяют для известкования дерново-подзолистых и серых лесных почв, оподзоленных и выщелоченных чернозёмов с гидролитической кислотностью не менее 2 мг-экв / 100 г почвы, преимущественно в районах свеклосеяния. Причем на удобрение фильтрационный осадок может использоваться как непосредственно, так и в смеси с отходами других производств [2;1]. В то же время при хранении дефеката происходит поступление в объекты окружающей среды значительного количества загрязняющих веществ и ухудшение санитарно-гигиенических показателей атмосферного воздуха, водных объектов и почв. Таким образом, с паводками происходит загрязнение поверхностных вод, по причине чего увеличиваются значения БПК и ХПК; в результате просачивания загрязняющих веществ происходит загрязнение подземных вод; загрязнение почв и атмосферного воздуха органическими (например, меркаптаны) и неорганическими (например, КЫ3, Ы2Б) веществами; загрязнение почв патогенной микрофлорой, микроорганизмами вызывающими гнилостные процессы. В то же время дефекат в небольших количествах содержит цинк и медь, которые являются необходимыми для нормального развития растений микроэлементами.

Однако, наиболее опасным компонентом дефеката остается свободная известь Са(ОН)2. В связи с этим применение его на некоторых типах почв недопустимо, так как может привести к подщелачиванию почвенной среды [2;1].

Фильтрационный осадок сахарного производства является источником значительного количества минеральных веществ, в первую очередь кальция, и может использоваться в качестве минерального удобрения. Однако, по законодательству, как отход 5 класса опасности, он должен подвергаться обязательной процедуре биотестирования, которое является наиболее целесообразным методом определения интегральной токсично-

сти различных объектов окружающей среды. С целью обоснования возможности использования фильтрационного осадка как отдельного минерального удобрения нами исследована общая токсичность данного отхода сахарного производства методом фитотестирования с использованием в качестве тест-организмов овса посевного (Avena sativa L.) и редиса посевного (Raphanus sativus L.).

Показателем степени токсичности при биотестировании служит изменение выбранной тест-функции биоиндикаторного организма при его взаимодействии с пробой среды. Успешное применение биотестирования для диагностики экологического состояния того или иного объекта во многом зависит от правильного подбора тест-организма [4;5;6].

В настоящее время для определения токсичности твердых объектов используют показатели токсичности водных вытяжек. И как было доказано многими учеными, интегральный показатель экологического состояния объекта для всех уровней загрязнения находится в прямой зависимости от содержания в нем поллютантов [4;7;6].

Одним из методов биотестирования, обладающим высокой чувствительностью, универсальностью, инте-гральностью и простотой является метод биотестирования с применением растений - фитотестирование [7;6]. Итоговым результатом определения токсичности по тест-растению (фитотоксичность) являются изменения в формировании корневой системы, морфологических характеристик надземной части растения, биомассы (общей и отдельных органов растения) [7;13].

Объектом исследования послужил дефекат, полученный при производстве сахара на Золотухинском сахарном заводе (Курская область). Образцы отбирали послойно: 0 - 10 см, 10 - 20 см, 20 - 30 см, согласно стандартным методикам пробоотбора и пробоподготов-ки.

Согласно международному стандарту ISO 11269-2 [8] в качестве тест-растений необходимо выбирать минимум два вида растений, при этом одно должно быть однодольным, а другое двудольным [7;13]. Поэтому как тест-культуры нами были выбраны: однодольное растение - овес посевной (Avena sativa L.) и двудольное растение - редис посевной (Raphanus sativus L.). Как тест-реакции учитывали энергию прорастания семян, длину проростка и длину корня. Биотестирование каждой пробы проводилось в 3-кратной повторности.

Принцип метода фитотестирования с использованием как тест-культур Avena sativa L. и Raphanus sativus L. заключается в том, что оценивали влияние водных вытяжек каждого слоя дефеката на непосредственно замоченные в ней семена, а именно на энергию прорастания (дружность появления проростков за относительно короткий срок - 4 сут.), длину проростка и длину корня (проращивание в течение 1 недели). Контролем служили семена, проращенные в отстоявшейся водопроводной воде [7].

Для установления степени токсичности проб дефе-ката по каждой тест-функции для каждого тест-организма нами был рассчитан фитоэффект. По международным стандартам ISO 11269-1 [9] и ISO 11269-2 установленная процентная величина фитоэффекта, в случае угнетения на 20% и более по отношению к контролю, соответствует определяемой интегральной токсичности.

Результаты первого этапа (через 4 сут.) оценки токсичности дефеката методом фитотестирования с учетом как тест-функции энергии прорастания Avena sativa и Raphanus sativus, а также установленный фитоэффект для данных тест-культур представлены в таблице 2.

Таблица 2- Средние значения энергии прорастания Avena sativa и Raphanus sativus, фитоэффекта по тест-функции при фитотестировании дефеката _

Вариаты Энергия прорастания Avena sativa, % Фитоэффект Avena sativa, % Энергия прорастания Raphanus sativus, % Фитоэф- фект Raphanus sativus, %

Контроль - вода 92,67 0 93,33 0

Дефекат, глубина отбора 0-10 см 70,33* - 24,1 99,33* 6,4

10-20 см 60,0* - 35,3 99,33* 6,4

20-30 см 99,0* 6,8 98,67* 5,7

*средние значения тест-реакций достоверно отличающиеся

По результатам фитотестирования водных вытяжек образцов дефеката, с использованием в качестве тест-культуры Avena sativa, установлено, что водная вытяжка образца дефеката, отобранного с глубины 0 - 10 см и 10 - 20 см, достоверно, по отношению к контролю, снижает энергию прорастания семян на 24% и 35% соответственно. В то же время водная вытяжка образца с глубины 20 - 30 см достоверно, по отношению к контролю, увеличивает энергию прорастания примерно на 7%. В ходе фитотестирования, с использованием в качестве тест-культуры Raphanus sativus, отмечено, что водные вытяжки каждого образца дефеката достоверно, по отношению к контролю, увеличивают энергию прорастания семян в среднем на 6 %.

Результаты второго этапа (через 1 нед.) оценки токсичности дефеката методом фитотестирования с учетом тест-функций длины проростка и длины корня Avena sativa и Raphanus sativus, а также установленный фито-эффект для данных тест-культур по каждой тест-функции представлены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3- Средние значения длины проростка Avena sativa и Raphanus sativus, фитоэффекта по тест-функциям при фитотестировании дефеката _

Варианты Длина проростка Avena sativa, см Фитоэф-фект Avena sativa, % Длина проростка Raphanus sativus, см Фитоэф- фект Raphanus sativus, %

Контроль - вода 1,86 0 1,33 0

0-10 см 1,60 - 14,0 2,90* 118,0

Дефекат, глубина отбора 10-20 см 1,73 -7,0 3,53* 165,4

20-30 см 3,30* 77,4 3,27* 145,9

*средние значения тест-реакций достоверно отличающиеся

Достоверных изменений длины проростка и корня, относительно контроля, при действии водных вытяжек образцов дефеката, отобранных с глубины 0 - 10 см и 10 - 20 см, не установлено. При действии водной вытяжки образца дефеката, отобранного с глубины 20 - 30 см, отмечена достоверная стимуляция, относительно контроля, как роста проростка (на 77%), так и корня (на 36%).

Таблица 4 - Средние значения длины корня Avena

*средние значения тест-реакций, достоверно отличающиеся

В ходе эксперимента также установлена достоверная стимуляция роста проростков и корней, в среднем на 143% и 77% соответственно.

По данным расчёта фитоэффекта с учетом как тест-функции энергии прорастания видно, что образцы де-феката, отобранные с глубины 0 - 10 см и 10 - 20 см, токсичны для Avena sativa. Т.к. согласно международным стандартам ISO 11269-1 и ISO 11269-2 проба считается токсичной, если процентная величина фитоэф-фекта составляет от 20% до 50%. Фитоэффект, рассчитанный по энергии прорастания Raphanus sativus, не указал на токсичность проб дефеката.

Фитоэффект, рассчитанный по данным длины проростка и длины корня как Raphanus sativus так и Avena sativa, также не показал токсичности проб дефеката. По международным стандартам ISO 11269-1 и ISO 112692, величина фитоэффекта указывает на токсичность только в случае угнетения, по отношению к контролю, той или иной тест-функции. В нашем случае, в большей степени, отмечена стимуляция учитываемых тест-функций.

Выявленные в результате фитотестирования тест-реакции Avena sativa и Raphanus sativus, обусловлены в большей степени физиологическим действием кальция на растительные организмы, чем уровнем рН среды. Т. к. Avena sativa менее требователен к почвам, по сравнению с другими зерновыми культурами, и обладает малой чувствительностью к рН почвы, что определяется хорошо развитой корневой системой. Avena sativa хорошо растет на почвах со слабокислой или нейтральной реакцией почвенного раствора, оптимальным является рН=5,5-6 , но не ниже 5,5. Raphanus sativus также очень чувствителен к низкому уровню рН, высокий уровень рН не вызывает физиологических изменений при развитии и росте растения, а во взрослом растении приводит к накоплению тяжелых металлов в корнеплодах. Оптимальным для Raphanus sativus является рН 6-7,5 [10;11].

Кальций для высших растений играет важную роль в обмене веществ, уравновешивании соотношения других элементов питания, в процессе фотосинтеза, участвует в передвижении углеводов и превращении азотистых веществ [12].

В работах многих ученых отмечена потребность в кальции для роста корней, побегов и плодов [10]. Этот факт объясняет как стимуляцию роста проростков и корней Avena sativa и Raphanus sativus, так и увеличение энергии прорастания во всех вариантах опыта для Raphanus sativus и для Avena sativa при фитотестирова-нии дефеката, отобранного с глубины 20 - 30 см.

Снижение энергии прорастания Avena sativa при фитотестировании дефеката, отобранного с глубины 0 -10 см и 10 - 20 см, можно объяснить тем, что кальций ускоряет расход запасных белков семени при прорастании. Кроме того, избыток кальция вызывает ненормальное развитие семени, некрозы, торможение роста зачаточных листьев, отмирание молодых побегов [12].

Таким образом, в ходе исследования выявлено, что водная вытяжка пробы дефеката, отобранная с глубины 0 - 10 см, снижает энергию прорастания, угнетает рост проростков и корней Avena sativa, но оказывает стимулирующее действие на рост проростков и корней Raphanus sativus, не оказывая при этом каких-либо воздействий на энергию прорастания. Водная вытяжка пробы дефеката, отобранная с глубины 10 - 20 см, также снижает энергию прорастания и угнетает рост проростков Avena sativa, не вызывая значимых изменений относительно длины корня. Для Raphanus sativus, при фитотестировании фильтрационного осадка, отобранного с глубины 10 - 20 см, как и в предыдущем случае, отмечена стимуляция роста проростков и корней, при этом энергия прорастания достоверно, по отношению к контролю, не изменяется. Водная вытяжка пробы дефе-ката, отобранная с глубины 20 - 30 см, не оказывает влияния на энергию прорастания Avena sativa и Raphanus sativus, но при этом стимулирует рост их проростков и корней.

Анализируя данные по расчету фитоэффекта, можно отметить, что пробы, отобранные с глубины 0 - 10 см и 10 - 20 см, токсичны (фитоэффект составил -24,1% и 35,3% соответственно), наиболее чувствительной тест-культурой является овес посевной (Avena sativa L.), а наиболее чувствительной тест-функцией - энергия прорастания семян. Кроме того, основываясь на полученных результатах, можем предположить, что использование фильтрационного осадка как самостоятельного минерального удобрения для Avena sativa не допустимо, что возможно применимо и к другим зерновым культурам или же однодольным растениям. Относительно двудольных растений, в нашем случае Raphanus sativus, дефекат может послужить хорошим источником кальция, в качестве самостоятельного минерального удобрения.

Список использованных источников

1 Демина Н.В. Возможность использования вторичных сырьевых ресурсов свеклосахарного производства для дальнейшей переработки // Научный журнал КубГАУ. - 2006. -№ 21. -С.15-17.

2 Образование и пути использования вторичных материальных ресурсов сахарной промышленности / Л.Г. Бело-стоцкий, В.А. Лагода, А. А. Савун и др. - М. - 1988.- Вып.3. -С. 1-5.

3 Осадок фильтрационный, технические условия ТУ 9112-005-00008064-95.- М.: ЦНТИ и рекламы, 1995. -215с.

4 Булгаков Н.Г. Контроль природной среды как совокупность методов биоиндикации, экологической диагностики и нормирования // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов: обзорная информация. - 2003. - № 4. - С. 33-70.

5 Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. - Екатеринбург: Наука, 1994. -280 с.

6 Терехова В.А. Биоиндикация и биотестирование в экологическом контроле // Использование и охрана природных ресурсов в России. Информационно-аналитический бюллетень. -2007. -№ 1.- С. 88-90.

7 Лисовицкая О.В., Терехова В.А. Фитотестирование: основные подходы, проблемы лабораторного метода и современные решения // Доклады по экологическому почвоведению. -2010. -№ 1, вып. 13. - С. 1-18.

sativa и Raphanus sativus, фитоэффекта по тест-функции при фитотестировании дефеката __

Варианты Длина корня Avena sativa, см Фитоэффект Avena sativa, % Длина корня Raphanus sativus, см Фитоэффект Raphanus sativus, %

Контроль - вода 4,31 0 4,71 0

Дефекат, глубина отбора 0-10 см 3,93 -8,8 8,0* 69,9

10-20 см 4,53 5,1 8,67* 84,1

20-30 см 5,87* 36,2 8,47* 79,8

8 ISO 11269-2: 2005 Качество почвы. Определение воздействия загрязняющих веществ на флору почвы. Часть 2. Воздействие химикатов на рост высших растений.

9 ISO 11269-1: 2012 Качество почвы. Определение воздействия загрязняющих веществ на флору почвы. Часть 1. Метод измерения замедления роста корней.

10 Агеев В.В. Корневое питание сельскохозяйственных растений. - Ставрополь: Изд-во Ставропольской ГСХА, 1996. -134 с.

11 Агрохимия / И.Р. Вильдфлуш, С.П. Кукреш, А.Р. Цыганов и др. - Минск: Ураджай, 2000. - 319с.

12 Шеуджен А.Х., Азарян К.П., Девяткин А.М. Физиологическая роль кальция и факторы, влияющие на его поступление в растения // Энтузиасты аграрной науки. - 2003.-Вып. 1. - С. 134-155.

13 Persoone G. Recent new microbiotests for cost-effective toxicity monitoring: the Rapidtoxkit and the Phytotoxkit / G. Persoone // 12 International Symposium on Toxicity Assessment -Book of Abstracts, 2005.-112 p.

Информация об авторах Кузнецов Алексей Егорович, аспирант ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет», тел. (4712) 56-80-60.

Трутаева Нина Николаевна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры экологии и охраны природы ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 53-15-00; (4712) 39-61-01.

Проценко Елена Петровна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры общей биологии и экологии ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет», тел. (4712) 56-80-60.

Прусаченко Андрей Викторович, инженер лаборатории «Мониторинг объектов окружающей среды» ГГУ.

Проценко Александр Александрович, кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии и охраны природы ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 53-15-00.