Введение
Металлургический шлам является высокодисперсным отходом аглодоменного производства, в состав которого входит ряд металлов, таких как никель, алюминий, железо, медь и др. [3], способные накапливаться в клетках и тканях растений [4-5]. Данные элементы в небольших количествах участвуют в процессах жизнедеятельности растений, т.е. являются микроэлементами. Микроэлементы за счет своего каталитического действия позволяют растениям более эффективно использовать основные элементы питания - энергию солнца и воду, что в свою очередь положительно влияет на продуктивность растений и качество урожая. Кроме того, они входят в состав ферментов и ферментных систем, без которых невозможно протекание биохимических процессов в организме растения. Микроэлементы способны усиливать свойство тканей растения к восстановлению, что в значительной степени уменьшает поражение растений заболеваниями [2].
Методы и материалы
В ходе исследования анализировались образцы шлама ОАО «Северсталь», отобранные из золошламонакопителя № ДП ЗШН-2, к-2 в марте 2013 г. По полученным данным был проведен количественный фазовый анализ с использованием встроенного программного обеспечения. Относительные доли компонентов определялись по интенсивности пиков. В ходе исследований в образце были индентифицированы фазы оксидов железа, кремния и кальция. Помимо этого, в диапазоне углов 22-30˚ обнаруживается диффузное гало, которое указывает на присутствие аморфного углерода (коксовая пыль).
Таким образом, по данным рентгеновского анализа были определены четыре основные фазы, присутствующие в шламе. Надо отметить, что метод рентгеновской дифракции не обнаружил присутствие соединений достаточно тяжелого металла – цинка, что указывает на то, что они находятся в высокодисперсном состоянии.
В связи с этим для анализа шламов целесообразно использовать также и элементный анализ. Наиболее рациональным с точки зрения эффективности и экспрессности является метод рентгенофлуоресцентной спектроскопии, в связи с чем он был использован для создания методики анализа шлама.
Еще одним эффективным и исчерпывающим методом наблюдения структуры частиц шлама, во многом определяющей процессы биоконверсии при контакте с почвой или живыми объектами, является метод электронной сканирующей микроскопии. Исследование микроструктуры проводилось на электронном сканирующем микроскопе высокого разрешения Merlin (Carl Zeiss, Германия) со спектрометрами и сканирующем электронно-ионном микроскопе Neon 40 (Carl Zeiss, Германия). Пространственное разрешение прибора 2,5 нм, ускоряющее напряжение от 0,3 до 30 кВ, диапазон увеличений от х5 до х300 000, максимальный размер образца: диаметр до 200 мм, высота до 80 мм, катод LaB6, безазотный кремний-дрейфовый SDD рентгеновский детектор X-MAX.
Результаты и обсуждение
Проведенные исследования позволили выявить существенные различия в химическом составе крупных и мелких частиц шлама. В частности, при интегральном анализе большого количества частиц шлама концентрация железа достигает 62% масс. Очевидно, что все железо находится в окисленной форме, что указывает на хорошее совпадение с данными рентгеновской дифрактометрии. Содержание цинка находится на уровне 9.7% масс.
Напротив, крупные частицы содержат мало соединений цинка. При этом концентрация железа и кислорода остается на близком уровне.
Таким образом, использование совмещенного электронномикроскопического и элементного анализа позволило определить химический состав шлама (табл. 1).
Таблица 1 - Результаты элементного анализа образца металлургического шлама
|
Элемент |
Весовой % |
Атомный % |
|
Al |
4,54 |
7,79 |
|
Si |
11,24 |
18,52 |
|
S |
4,40 |
6,35 |
|
K |
0,67 |
0,79 |
|
Ca |
6,49 |
7,49 |
|
Ti |
0,22 |
0,21 |
|
Cr |
0,08 |
0,08 |
|
Fe |
62,17 |
51,52 |
|
Ni |
0,48 |
0,38 |
|
Zn |
9,17 |
6,88 |
|
Итого |
100.00 |
100.00 |
Анализировались образцы свеклы кормовой, представителя класса Двудольных семейства Маревых (рис. 1-3). Кормовая свекла относится к наиболее ценным и высокоурожайным кормовым культурам. Она занимает важное место в рационах крупного рогатого скота, свиней и птицы. Хорошие кормовые качества этой культуры обусловливаются большим содержанием безазотистых экстрактивных веществ, витаминов и минеральных солей, т.е. тех веществ, которые положительно влияют на продуктивность животных. Использование корнеплодов в рационах наряду с обогащением их элементами питания стимулирует лучшее усвоение животными концентрированных и грубых кормов [1].
Был проведен элементный анализ и картирование химических элементов образцов гомогената корней и зеленых частей экспериментальных растений с помощью электронного сканирующего микроскопа высокого разрешения Merlin (Carl Zeiss, Германия) со спектрометрами.
Наибольший интерес представляла оценка содержания металлов в растениях.
Согласно проведенным исследованиям в экспериментальных растениях, выращенных при внесении шлама в различных концентрациях, были обнаружены два представителя металлов – Ni и Al.
а 
б
Рисунок 1 ‑ Электронные фотографии растения из контрольной группы: а) корень; б) листья.
а 
б
Рисунок 2 ‑ Электронные фотографии растения, получавшего шлам в концентрации 0,01%: а) корень; б) листья.
а 
б
Рисунок 3 ‑ Электронные фотографии растения, получавшего шлам в концентрации 10%: а) корень; б) листья.
На рис. 4 представлены данные о процентном содержании Ni в корнях и листьях экспериментальных растений свеклы. Можно отметить, что в корнях содержание Ni в группе, получавшей шлам в концентрации 0,01%, немного выше, чем в группе, получавшей 10%-ный раствор. В листьях наблюдается обратная картина – в группе, получавшей шлам в концентрации 0,01%, содержание Ni значительно ниже, чем в группе, получавшей 10%-ный раствор шлама. В контрольных образцах, не экспонируемых шламом, Ni не обнаружен.
Рисунок 4 ‑ Содержание Ni в свекле обыкновенной (Beta vulgaris).
Данные картирования характеризуются равномерным распределением Ni в тканях растений как в образцах, получавших исследуемый материал в концентрации 0,01%, так и в концентрации 10% (рис. 5, 6).
а 
б
Рисунок 5 ‑ Данные картирования содержания Ni в растениях, получавших шлам в концентрации 0,01%: а) корень; б) листья.
а 
б
Рисунок 6 ‑ Данные картирования содержания Ni в растениях, получавших шлам в концентрации 10%: а) корень; б) листья.
Что касается содержания Al в тех же образцах, здесь можно отметить тенденцию к увеличению его содержания с ростом концентрации исследуемого вещества. Данная тенденция сохраняется как в корнях, так и в листьях. В контрольных образцах искомый элемент не найден (рис. 7).
Данные картирования, в отличие от случая с Ni, можно охарактеризовать как равномерным распределением искомого вещества по образцу, так и наличием конгломератов, содержащих высокие концентрации элемента (рис. 8-9).
Помимо двух представителей металлов, описанных выше, в тест-объектах, обработанных шламом в концентрации 10%, были обнаружены небольшие примеси Cu и Mn, при этом содержание этих металлов в растениях, выращенных при меньшей концентрации шлама, не зафиксировано.
Рисунок 7 ‑ Содержание Al в свекле обыкновенной (Beta vulgaris).
а 
б
Рисунок 8 ‑ Данные картирования содержания Al в растениях, получавших шлам в концентрации 0,01%: а) корень; б) листья.
а 
б
Рисунок 9 ‑ Данные картирования содержания Al в растениях, получавших шлам в концентрации 10%: а) корень; б) листья.
Выводы
Таким образом, в растениях свеклы обыкновенной, выращенной в присутствии металлургического шлама в концентрации 0,01 и 10% было зафиксировано бионакопление Ni и Al, при этом с ростом концентрации шлама содержание искомых металлов увеличивается. Процесс биоаккумуляции данных металлов наблюдается и в корнях, и в листьях, однако следует отметить, что в листьях содержание как Ni, так и Al выше на ~ 50%, чем в корнях тех же растений.
Данные картирования показывают, что алюминий, в отличие от никеля, который относительно равномерно распределяется по клеткам растения, проявляет склонность концентрироваться в агрегаты.
Работа выполнена при поддержке государственного контракта 14.512.12.0002 от 22.02.2013 г.
Рецензенты:
Кондаков С.Э., д.фарм.н., профессор, профессор кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов, НИТУ «МИСиС», г.Москва.
Лёвина В.В., д.т.н., профессор, профессор кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов, НИТУ «МИСиС», г.Москва.
Библиографическая ссылка
Гусев А.А., Шуклинов А.В., Акимова О.А., Захарова О.В., Васюкова И.А. БИОНАКОПЛЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ШЛАМА В РАСТЕНИЯХ СВЕКЛЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=10052 (дата обращения: 18.04.2024).