Угольная промышленность является одной из экологически сложных отраслей топливно-энергетического комплекса. Работа угольных предприятий сопровождается значительным загрязнением окружающей среды. Масштабы этого воздействия зависят от выполняемых природоохранных мероприятий конкретными предприятиями и угольными регионами в целом [5].
Кузбасс активно продолжает развитие угледобывающей отрасли и на сегодняшний день является одним из самых техногенно нагруженных регионов.
В связи с ежегодным увеличением экологической нагрузки на регион и постоянно растущими темпами добычи угольного сырья большую актуальность приобретают вопросы, связанные с рекультивацией нарушенных земель [7].
Воздействие на ландшафты открытых горных работ проявляется в коренном переустройстве рельефа с образованием техногенных отрицательных (денудационных) и положительных (аккумулятивных) форм. Положительными формами рельефа, остающимися после производства открытых горных работ, являются отвалы. Отрицательными формами рельефа, остающимися после открытых разработок, являются карьеры, траншеи и канавы, весьма различные по своим параметрам [8].
Созданные человеком отрицательные и положительные формы рельефа приводят к негативным техногенным воздействиям на почву, а именно её загрязнению и окончательной деградации. Почва накапливает токсины, аккумулирует тяжелые металлы и тем самым изменяет видовое разнообразие и генотип растительного мира. Поскольку все функции почвы взаимосвязаны, то низкая почвенно-экологическая эффективность их восстановления может серьезно отразиться на среде обитания растений, животных, человека и их кормовой базы.
При антропогенном воздействии на почвенный покров первыми нарушаются внутрипочвенные функции, которые отвечают в почве за водо- и газообмен, концентрацию химических элементов в почвенном растворе и др. Динамические почвенно-экологические функции определяют условия формирования почвы, которые обуславливают плодородие почвы, ее санитарно-гигиеническое состояние и частично влияют на стабильность почвенно-экологических функций [1].
Цель исследования заключалась в определении способа переработки углесодержащих отходов угольных предприятий региона, снижении негативного воздействия на почвы и окружающую среду, а также экспериментальном определении влияния рекультивационного брикета на рост и развитие растений. Для снижения отрицательного воздействия на почвы и окружающую среду в целом угледобывающие предприятия, под контролем административных органов, применяют метод рекультивации нарушенных земель.
Рекультивация нарушенных земель в процессе добычи полезного ископаемого – это комплекс мер, направленных на восстановление техногенно нарушенных земель. Рекультивация земель является составной частью процесса природоустройства [1].
Рекультивация включает в себя технический и биологический этапы. На техническом этапе производится корректировка ландшафта (выполаживание откосов отвалов, грубая и чистовая планировка поверхностей, засыпка отрицательных форм рельефа).
На биологическом этапе для улучшения свойств почвы и восстановления её плодородия проводятся агротехнические работы, которые включают в себя внесение удобрений, посадку саженцев и семян (озеленение территории), мониторинг рекультивированных земель под контролем санитарно-эпидемиологических служб [3].
Из-за загрязнения почв, минимального содержания минеральных веществ, нарушения естественного водного режима развитие растительного мира на искусственных положительных формах рельефа происходит очень медленно и более 30 % представителей растительного мира полностью прекращают своё существование на данной территории [4].
На сегодняшний день промежуточная стадия биологического этапа рекультивации, заключающаяся во внесении удобрений и посадке саженцев, морально устарела. Поэтому возникает необходимость стимулирования роста растений, которые используют при рекультивации нарушенных земель. Одним из самых перспективных направлений для этих целей является применение гуминовых веществ. В растениеводстве их используют в качестве стимуляторов роста растений.
Гуминовые вещества – высокомолекулярные соединения природного происхождения, которые образовываются при окислении каменных углей или в результате трансформации омертвевшей биомассы. Данные вещества активизируют клеточный метаболизм и основные регенеративные процессы, ускоряют окислительно-восстановительные процессы, накапливают элементы питания и энергию [2, 4].
Основным свойством данного вещества является способность вступать в химические реакции со многими соединениями. Это свидетельствует о том, что гуминовые вещества могут связывать энтеротоксины за счет образования нерастворимых комплексов с металлами и различными органическими веществами, таким образом, снижая негативное действие токсинов на растительный и животный мир [4].
Материалы и методы исследования
На основании изученного материала было принято решение об изготовлении рекультивационного брикета на основе угольного материала с содержанием гуминового препарата и экспериментальное определение его влияния на рост и развитие растений [6].
На основании исследований в качестве микроорганизмов – деструкторов окисленного угля были приняты штаммы бактерий Acinetobacter calcoaceticus ВКПМВ-4883. Морфологические свойства выбранных микроорганизмов изучались на основе метода микроскопирования штаммов. Исследуемые образцы предварительно подвергались окрашиванию по Граму, Бурри – Гринсу и Цилю – Нильсону. В качестве источника данного штамма был использован препарат «Биогум», изготовленный по ГОСТ Р 50335-92 из окисленного угля, добытого на Караканском месторождении.
Методика приготовления гуминового препарата из окисленного угля включает в себя следующие стадии:
1. Приготовление исходной смеси путем смешения 134,6 мл водопроводной воды, 6,2 г окисленного угля, 2 г комплексного минерального удобрения, 0,45 г гуминового препарата «Биогум», содержащего штаммы бактерий Acinetobacter calcoaceticus ВКПМВ-4883.
2. Перемешивание смеси в течение 24 часов на магнитной мешалке с подогревом до 27 °С, скорость вращения принята 950 об/мин.
В полученной суспензии методом микроскопирования было обнаружено содержание гуминовых веществ в высоких концентрациях.
Изготовление рекультивационного брикета включает следующие стадии:
1. Подготовка угольной шихты (окисленный уголь Караканского месторождения, измельченный до фр. 0,5–1 мм).
2. Смешение механическим способом угольной шихты с полученным в лабораторных условиях гуминовым препаратом.
3. Добавление связывающего раствора (водный раствор полиакриламидного флокулянта и полиэфиров на основе пропиленгликоля) и комплексных минеральных удобрений (азот, фосфор, калий) для обеспечения жизнедеятельности штамма бактерий Acinetobacter calcoaceticus ВКПМВ-4883.
4. Формирование рекультивационного брикета при помощи штемпельного пресса (длина брикета на выходе 30 см, диаметр 1 см). Сила воздействия пресса составила 100 кг [7].
5. Сушка брикета в атмосферных условиях (при температуре не более 25 °С) в течение 12 часов.
Полученный брикет отличается от аналогов высокими прочностными характеристиками, хорошей лежкостью (тест-образцы хранились в течение 6 месяцев при естественной влажности окружающей среды), отсутствием склонности к раскрашиванию готового продукта [6].
Для исследования активности полученных рекультивационных брикетов в качестве тест-образцов были взяты три ростка томатов сорта «Хурма». В качестве контрольного образца был принят первый росток с грунтом без обогащения гуминовым препаратом («Контроль (без добавок)»). Второй росток был посажен в грунт с рекультивационным стержнем (в количестве 2 стержня на 1 м3), состоящим из гуминового препарата и окисленного угля («Земля + стержень»). Третий росток был посажен в грунт, обогащенный твердой фазой гуминового препарата путем перемешивания в пропорции 1:1 («Земля + гумин. препарат»).
Результаты исследования и их обсуждение
Длительность эксперимента составила 1 месяц. Для отслеживания влияния гуминового препарата были определены контрольные точки (с периодичностью 1 раз в неделю). Во время контрольных замеров определялись внешние характеристики тест-образцов: высота, мощность ствола, количество рядов листьев, направление роста, окрас. В таблице представлены результаты экспериментального определения влияния полученного гуминового препарата на рост и развитие растений.
Результаты измерений тест-образцов по определенным контрольным точкам
|
Контрольные точки |
Результаты измерений тест-образцов, см |
||
|
Контроль |
Земля + стержень |
Земля + гумин. препарат |
|
|
1 |
9,6 |
7,4 |
7,5 |
|
2 |
12 |
8,5 |
9 |
|
3 |
14,1 |
16,6 |
18,3 |
|
4 |
31,4 |
30,5 |
30,8 |
а) б) в)
Рис. 1. Влияние гуминового препарата на рост и развитие томатов сорта «Хурма» (контрольные точки № 1 и № 4): а) контрольный образец; б) образец «Земля + стержень»; в) образец «Земля + гумин. препарат»
На рис. 1 показана степень влияния гуминового препарата на рост и развитие томатов сорта «Хурма» по контрольным точкам № 1 и 4.
Из рис. 1 видно, что тест-образец, выращенный с добавлением полученного стержня имеет более ровный и прямой ствол, более темную окраску, раскидистые и густые листья. Из чего можно сделать вывод, что рекультивационный брикет положительно влияет на динамику роста растения.
На рис. 2 показана степень влияния гуминового препарата на развитие корневой системы образцов (по контрольной точке № 4).
а) б) в)
Рис. 2. Влияние гуминового препарата на рост и развитие корневой системы тест-образцов (контрольная точка № 4): а) контрольный образец; б) образец «Земля + стержень»; в) образец «Земля + гумин. препарат»
Из рис. 2 видно, что корневая система контрольного образца развита хуже, чем у остальных тест-образцов. Корневая система является проводником воды и питательных веществ и является неотъемлемой составляющей роста и развития растения. По результатам исследований можно отметить, что образцы, выращенные с добавлением гуминовых препаратов, являются более жизнеспособными и развитыми. Промежуточные стадии роста и развития по контрольным точкам № 2 и 3 томатов сорта «Хурма» представлены на рис. 3 и 4.
а) б) в)
Рис. 3. Влияние гуминового препарата на рост и развитие томатов сорта «Хурма» (контрольная точка № 2)
Рис. 4. Влияние гуминового препарата на рост и развитие томатов сорта «Хурма» (контрольная точка № 3)
Выводы
1. Применение полученного связующего раствора при производстве рекультивационных брикетов является целесообразным в связи с увеличением прочности брикета (по сравнению с аналогами), сокращением времени сушки и исключении затрат на тепловую сушку брикета.
2. Применение полученного гуминового препарата положительно влияет на динамику роста растений, что выражается в скорости роста и развитии корневой системы [7].
3. Необходимо тестирование образцов в реальных условиях на техногенно нарушенной территории угольного предприятия для более полного описания влияния гуминового препарата на рост и развитие растений.