Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

БИОНАКОПЛЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ШЛАМА В РАСТЕНИЯХ СВЕКЛЫ

Гусев А.А. 1 Шуклинов А.В. 1 Акимова О.А. 1 Захарова О.В. 1 Васюкова И.А. 1
1 ФГБОУ ВПО "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина"
Проведено электронно-микроскопическое исследование живой ткани растений свеклы подверженных воздействию высокодисперсных отходов в виде металлургического шлама. Установлено, что в тканях растения свеклы, выращенной в присутствии металлургического шлама в концентрации 0,01 % и 10 %, было зафиксировано биологическое накопление металлов никеля (Ni) и алюминия (Al), при этом с ростом концентрации шлама содержание искомых металлов увеличивается. Процесс биоаккумуляции данных металлов наблюдается как в корневых частях растений, так и в листьях, однако, следует отметить, что в листьях содержание как Ni, так и Al выше приблизительно на 50 %, чем в корнях тех же растений. Работа выполнена при поддержке государственного контракта 14.512.12.0002 от 22.02.2013 г.
свёкла
бинакопление
металлургические шламы
металлургические отходы
высокодисперсные материалы
1. Васько В.Т. Кормовые культуры России : справочник. - СПб. : ПРОФИКС, 2006. - 328 с.
2. Полевой В.В. Физиология растений. - М. : Высшая школа, 1989. - 464 с.
3. Das B. et. al. An overview of utilization of slag and sludge from steel industries / Resources, Conservation and Recycling. 2007. 50. P. 40–57.
4. Min-Kyeong Yeoa, Dong-Ha Namb, Influence of different types of nanomaterials on their bioaccumulation in a paddy microcosm: A comparison of TiO2 nanoparticles and nanotubes // Environmental Pollution. 2013. 178. P. 166-172.
5. Labrecque M., Teodorescu T.I., Daigle S. Effect of wastewater sludge on growth and heavy metal bioaccumulation of two Salix species / Plant and Soil. 1995. 171. P. 303-316.

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: http://science-education.ru/ru/article/view?id=10052 (дата обращения: 21.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252