ASSESSMENT OF WASTE TOXICITYBY BIOTESTING (SPROUTING WHITE MUSTARD)

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.120.6.029

ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ ОТХОДОВ МЕТОДОМБИОТЕСТИРОВАНИЯ (ПРИ ПРОРАЩИВАНИИ ГОРЧИЦЫ БЕЛОЙ)

Научная статья

Мельник О.А.*

Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина, Краснодар, Россия

*Корреспондирующийавтор(melnik_olga240781[at] mail.ru)

Аннотация

В статье рассматриваются результаты лабораторного и деляночного опытов по проращиванию горчицы белой, на основании которых дается оценка токсичности сельскохозяйственных и промышленных отходов (навоза КРС и фосфогипса), используемых при выращивании сельскохозяйственной культуры. Отмечено положительное действие испытуемых отходов при совместном их внесении в почву, что отразилось на всхожести семян тест-объекта, а также на биометрических параметрах (длина ростка и корешка) проростков горчицы белой. При этом увеличение длины корешков тестируемой культуры обусловлено влиянием отхода производства минеральных удобрений (фосфогипсом). Сочетание же отходов способствовало получению наилучших условий, стимулирующих рост и начальное развитие растений, при соответствующем повышении индекса фитотоксичности (ИФ), который определяет не только наличие или отсутствие токсичности субстрата, но и ее степень.

Ключевые слова: отходы, навоз КРС, фосфогипс, почва, биотестирование, тест-культура, горчица белая.

ASSESSMENT OF WASTE TOXICITYBY BIOTESTING (SPROUTING WHITE MUSTARD)

Research article

Mel'nik O.A.*

Kuban State Agrarian University,Krasnodar, Russia

* Corresponding author (melnik_olga240781[at]mail.ru)

Abstract

The article analyzes the results of laboratory and plot experiment on sprouting of white mustard, on the basis of which the toxicity of agricultural and industrial waste (cattle dung and phosphogypsum) used in the cultivation of agricultural crops is assessed. The positive effect of the tested wastes was observed when applied to the soil together, which affected the germinating ability of the test object seeds, as well as the biometric parameters (sprout and stalk length) of white mustard. At the same time, the increase in the length of the stalks of the tested crop is due to the effect of waste from the of mineral fertilizers production (phosphogypsum). The combination of wastes fascilitated the best conditions for growth stimulation and initial plant development, with a corresponding increase in the phytotoxicity index (FI), which determines not only the presence or absence of toxicity of the substrate, but also its degree.

Keywords: wastes, cattle dung, phosphogypsum, soil, biotesting, testing culture, white mustard.

Введение

В настоящее время активно развивается промышленное и сельское хозяйство, оказывая влияние на компоненты окружающей среды. При этом одной из главных проблем производства является образование большого количества отходов, которые ежегодно занимают новые площади, в том числе сельскохозяйственные угодья [5, С.234–236].

Наряду с этим многие из отходов (навоз крупного рогатого скота, перегной, птичий помет, отходы растениеводства, фосфогипс, дефекат и др.) могут быть использованы как вторичное сырье с целью улучшения не только ряда свойств почвы (физических, агрохимических и биологических), но и для повышения урожайности и качества сельскохозяйственных культур. Таким образом, использование отходов в качестве удобрений решает экологические проблемы и одновременно увеличивает плодородие почв [2, С. 49–60], [4], [6, С. 203–236].

Также большой проблемой в ухудшении плодородия почв, в связи с сокращением в них содержания органического вещества, является современная система земледелия, которая, зачастую, не предусматривает использование сидератов, навоза, перегноя, компостов и других органических удобрений в качестве источников обогащения почв макро- и микроэлементами, питательными веществами [7, С. 205–208], [10, С. 2–6]. Так, одним из самых надежных экологических способов сохранения плодородия почвы, улучшения ее структуры, возобновления запасов гумуса является использование растений в качестве зеленых удобрений. Среди таких растений можно отметить крестоцветные культуры (горчицу белую, яровой рапс и др.) [1, С. 48–52], [9, С. 282–283].

Для того чтобы определить возможность использования сельскохозяйственных и промышленных отходов наряду с зелеными удобрениями, необходимо, прежде всего, оценить токсичность этих отходов, где наиболее распространенным и подходящим экспресс-методом является биотестирование [3, С. 4–5], [8, С. 332–333].

Материалы и методы исследований

Для оценки токсичности отходов, применяемых в сельском хозяйстве (навоза КРС, фосфогипса), и их смесей были выбраны семена тест-растения (горчицы белой), так как эта культура также эффективна для повышения плодородия почвы при использовании ее в качестве зеленого удобрения. Лабораторный эксперимент позволил оценить не только токсичность отходов, но их влияние на начальный рост и развитие выбранного тест-объекта.

Лабораторный опыт включал следующие варианты:

• контроль (вода);
• вытяжка навоза КРС, приготовленная из соотношения 1 : 20 (навоз КРС + вода);
• вытяжка фосфогипса – соотношение 1 : 20 (фосфогипс + вода);
• смесь вытяжек навоза КРС и фосфогипса (3 : 1).

Варианты опыта заложены в 3-х кратной повторности в чашках Петри по 10 семян в каждой. Оценка результатов исследований (замеры основных биометрических параметров) проводилась на 8-й день развития проростков по следующим показателям: всхожесть семян, длина побегов и корней.

Кроме того, для получения более наглядных результатов был рассчитан индекс фитотокстичности (ИФ) по формуле:

где L_р – длина ростка, см;

L_к – длина корешка, см.

ИФ расшифровывают следующим образом: ИФ > 1,10 – стимуляция роста; ИФ = 0,91–1,10 – норма; ИФ = 0,71–0,90 – низкая токсичность; ИФ = 0,50–0,70 – средняя токсичность; ИФ < 0,50 – высокая токсичность [8, С. 332–333].Индекс фитотоксичности определяет токсичность и ее степень.

Для подтверждения действия отходов (при их внесении в почву) на развитие растений горчицы белой в условиях опытной станции учхоза Кубань» г. Краснодара в конце мая 2020 г. был заложен деляночный опыт в трехкратной повторности по вариантам: 1) контроль (чистая почва без внесения отходов); 2) навоз КРС (5 кг/м²); 3) фосфогипс (0,8 кг/м²); 4) навоз КРС + фосфогипс (5 + 0,8 кг/м²).

Опытнаястанцияучхоза«Кубань»согласноагроклиматическому территориальному районированию Краснодарского края принадлежит зоне центра, которая отличается в меру влажным и континентальным климатом. Почва – чернозем выщелоченный, характеризуется высокой мощностью почвенного профиля, малым содержанием гумуса и сложением из тяжелого лессовидного суглинка.

В деляночном опыте за месяц до посева горчицы белой в почву были внесены отходы (навоз КРС и фосфогипс). Здесь на начальном этапе развития растений были проанализированы результаты длин ростков и корешков испытуемой культуры, а также рассчитан индекс фитотокстичности.

Спустя месяц, растения, достигнув длины 15–20 см (до образования соцветий), были срезаны, измельчены и запаханы в почву. Зеленая масса совместно с корневой системой служат дополнительным источником органики в почве. Так выращивание и запашка сидератов служат альтернативным и дополнительным источником повышения гумуса в почве. Разложение органических остатков происходит только в условиях высокой влажности. И так как лето 2020 года отличалось высокими температурами и малым количеством осадков, то проводился дополнительный искусственный полив. В конце опыта было определено также содержание органического вещества в почве по вариантам опыта.

Результаты исследований

При проведении биотестирования на тест-растениях одним из важных показателей является всхожесть семян (количество нормально проросших семян за весь период проведения лабораторного опыта – 8 дней). В результате были отмечены более дружные (96 %) всходы горчицы белой на смеси из вытяжек навоза КРС и фосфогипса (см. таблицу 1). Минимальные значения этого показателя выявлены в варианте с чистым навозом КРС –78 %. На контроле (вода) и на вытяжке фосфогипса всхожесть одинаковая, составила 89 %.

Таблица 1 – Биометрические параметры проростков горчицы белойна вытяжках отходов

Вариант опыта	Всхожесть семян, %	Длина, см		ИФ	Класс токсичности
		ростка	корешка
Контроль (вода)	89	4,30 ± 0,25	7,69 ± 1,46	–	–
Навоз КРС	78	3,53 ± 0,39	4,25 ± 0,26	0,65	средняя токсичность
Фосфогипс	89	3,63 ± 0,28	11,61 ± 1,40	1,27	стимуляция роста
Смесь вытяжек навоза КРС и фосфогипса	96	4,46 ± 0,26	4,63 ± 1,34	0,76	низкая токсичность

Биометрические показатели проростков горчицы белой по вариантам опыта также отличались. Максимальные значения ростков отмечены в контрольном варианте и в варианте со смесью вытяжек навоза КРС и фосфогипса, соответственно, 4,30 ± 0,25 и 4,46 ± 0,26 см, а корешков – на вытяжке фосфогипса (11,61 ± 1,40 см). Минимальные показатели (длина ростка и корешка) определены на вытяжке чистого навоза КРС.

Расчеты индекса фитотоксичности с использованием биометрических замеров тест-культуры показали положительные результаты на вытяжке фосфогипса (ИФ = 1,27), где токсичность не выявлена, отмечена стимуляция роста (см. таблицу 1). В варианте с навозом КРС, наоборот, стимуляции роста не отмечено, а индекс фитотоксичности (0,65) характеризует испытуемую вытяжку как класс «средняя токсичность». Низкая токсичность отмечена в варианте со смесью вытяжекнавоза КРС и фосфогипса (0,76). Следовательно, данные отходы при совместном их использовании компенсируют свое действие на начальном росте и развитии проростков испытуемой культуры.

Результаты деляночного опыта, основанного на внесении исследуемых отходов в почву и последующем посеве горчицы белой, показали положительное действие по всем вариантам опыта, где ИФ изменяется от 1,20 до 1,62 (см. таблицу 2). Это характерно для стимуляции роста, токсичность не выявлена.

Таблица 2 – Биометрические параметры проростков горчицы белой(результаты деляночного опыта)

Вариант опыта	Всхожесть семян, %	Длина, см		ИФ	Класс токсичности
		ростка	корешка
Контроль (почва без внесения отходов)	87	7,28 ± 0,34	4,43 ± 0,54	–	–
Навоз КРС	83	9,53 ± 0,58	4,57 ± 0,43	1,20	стимуляция роста
Фосфогипс	89	11,64 ± 0,71	6,74 ± 0,84	1,57	стимуляция роста
Навоза КРС + фосфогипс	94	12,69 ± 0,82	6,28 ± 0,52	1,62	стимуляция роста

В конце проведения деляночного опыта с внесением исследуемых отходов, совместно с выращиванием и запашкой горчицы белой, были отобраны по вариантам образцы почвы и определено содержание органического вещества. В результате отмечено, что исследуемый показатель в чистой почве (без внесения отходов и без посева горчицы белой) составил в среднем 3,94 ± 0,01 %, а в вариантах с внесенными отходами изменяется от 4,18 ± 0,01 до 4,49 ± 0,02 % (см. таблицу 3).

Таблица 3 – Содержание органического вещества в почве

Вариант опыта	Содержание органического вещества, %
Чистая почва (без внесения отходов и без посева горчицы белой)	3,94 ± 0,01
Контроль (почва без внесения отходов, но с посевом и запашкой горчицы белой)	4,15 ± 0,01
Навоз КРС	4,23 ± 0,02
Фосфогипс	4,18 ± 0,01
Навоза КРС + фосфогипс	4,49 ± 0,02

Результаты деляночного опыта показали положительную динамику в сторону повышения органического вещества в почве под влиянием комплексного использования отходов сельского хозяйства (навоза КРС) и промышленности (фосфогипса) вместе с запашкой горчицы белой.

Заключение

Таким образом, результаты лабораторного опыта выявили изменения в начальном росте и развитии проростков горчицы белой, высеянной на вытяжках отходов. Отмечено увеличение длины корешков тест-растения, главным образом, за счет влияния отхода производства минеральных удобрений (фосфогипса). Это также подтверждают результаты деляночного опыта, где наибольшее значение длины корешка составило в среднем 6,74 ± 0,84 см, по сравнению с контролем (4,43 ± 0,54 см).

В целом сочетание отходов сельского хозяйства (навоза КРС) и промышленности (фосфогипса) позволяет получить наилучшие условия, стимулирующие рост и начальное развитие горчицы белой, а также способствует вместе с запашкой крестоцветной культуры повышению в почве содержания органического вещества (основного показателя плодородия почвы).

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Алексеев Ю.Е. Травянистые растения. Биология и охрана / Ю.Е. Алексеев. – Москва : Агропромиздат, 1988. – 125 с.
2. Антоненко Д.А. Влияние сложного компоста на верхний слой чернозема обыкновенного и развитие сельскохозяйственных культур / Д.А. Антоненко, И.С. Белюченко, О.А. Мельник и др. // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2014. – Т. 10. – № 4. – С. 45–65.
3. Антоненко Д.А. Оценка влияния отходов животноводства на окружающую среду методом биотестирования / Д.А. Антоненко, И.С. Белюченко // Экол. Вестник Сев. Кавказа. – 2018. – Т. 14. – № 3. – С. 4–9.
4. Белик Н.Л. Агрофитоценозы, их строение и биологические основы повышения продуктивности / Н.Л. Белик // Биология и экология культурных растений. – Тамбов, 1994. – С. 1–9.
5. Белюченко И.С. Вопросы защиты почв в системе агроландшафта / И.С. Белюченко // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар: КубГАУ, 2014. – № 95. – С. 232–241.
6. Белюченко И.С. Отходы быта и производства как сырье для подготовки сложных компостов / И.С. Белюченко. – Краснодар: КубГАУ, 2015. – 419 с.
7. Белюченко И.С. Сложный компост как важный источник обогащения почвенного покрова питательными веществами / И.С. Белюченко // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – Краснодар: КубГАУ, 2014. – № 97. – С. 203–223.
8. Бойцова Л.В., Экологическая оценка почвогрунтов и сложных компостов методом биотестирования / Л.В. Бойцова, Е.Г. Зинчук, К.Г. Моисеев и др. // Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства : сб. материалов V Международ. науч. эколог. конф., посвященной 95-летию Кубанского ГАУ. – Краснодар, 2017. – С. 332–335.
9. Мельник О.А. Влияние экстракций отходов на прорастание семян ярового рапса и горчицы белой / О.А. Мельник, Е.П. Яковина // Совмещенные посевы полевых культур в севообороте агроландшафта : Международ. науч. эколог. конф. – Краснодар, 2016. – С. 282–286.
10. Мельник О.А. Содержание органического вещества и некоторые аспекты его трансформации в почвах агроландшафта (на примере ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края) : специальность 03.00.16 : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук / О.А. Мельник. – Краснодар, 2007. – 24 с.

Список литературы на английском языке / ReferencesinEnglish

1. Alekseev Y.E. Travyanistye rasteniya. Biologiya i ohrana [Herbaceous plants. Biology and protection]/ Y.E. Alekseev. – Moscow : Agropromizdat, 1988. – 125 p. [in Russian]
2. Antonenko D.A. Vliyanie slozhnogo komposta na verhnij sloj chernozema obyknovennogo i razvitie sel'skohozyajstvennyh kul'tur [Influence of complex compost on the upper layer of ordinary chernozem and the development of crops] / D.A. Antonenko, I.S. Belyuchenko, O.A. Mel'nik et al. // Ekol. Vestnik Sev. Kavkaza [Ecological Bulletin of North Caucasus]. – 2014. – Vol. 10. – № 4. – P. 45–65. [in Russian]
3. Antonenko D.A. Ocenka vliyaniya othodov zhivotnovodstva na okruzhayushchuyu sredu metodom biotestirovaniya [Assessment of impact of animal waste on the environment by biotesting] / D.A. Antonenko, I.S. Be-lyuchenko // Ekol. Vestnik Sev. Kavkaza [Ecological Bulletin of North Caucasus]. – 2018. – Vol. 14. – № 3. – P. 4–9. [in Russian]
4. Belik N.L. Agrofitocenozy, ih stroenie i biologicheskie osnovy povysheniya produktivnosti [Agrophytocenoses, their structure and biological bases for increasing productivity] / N.L. Belik // Biologiya i ekologiya kul'turnyh rastenij [Biology and ecology of culture plants]. – Tambov, 1994. – P. 1–9. [in Russian]
5. Belyuchenko I.S. Voprosy zashchity pochv v sisteme agrolandshafta [Soil protection in the agro-landscape system] / I.S. Belyuchenko // Politematicheskij setevoj elektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Political network electronic journal of the Kuban State Agrarian University]. – Krasnodar : KubGAU, 2014. – № 95. – P. 232–241. [in Russian]
6. Belyuchenko I.S. Othody byta i proizvodstva kak syr'e dlya podgotovki slozhnyh kompostov [Household and manufacturing waste as raw materials for the preparation of complex composts] / I.S. Belyuchenko. – Krasnodar : KubGAU, 2015. – 419 p. [in Russian]
7. Belyuchenko I.S. Slozhnyj kompost kak vazhnyj istochnik oboga-shcheniya pochvennogo pokrova pitatel'nymi veshchestvami [Complex compost as an important source of nutrient enrichment] / I.S. Belyuchenko // Politematicheskij setevoj elektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [[Political network electronic journal of the Kuban State Agrarian University]. – Krasnodar : KubGAU, 2014. – № 97. – P. 203–223. [in Russian]
8. Bojcova L.V., Ekologicheskaya ocenka pochvogruntov i slozhnyh kompostov metodom biotestirovaniya [Ecological evaluation of soils and complex composts by biotesting] / L.V. Bojcova, E.G. Zinchuk, K.G. Moiseev et al. // Problemy rekul'tivacii othodov byta, promyshlenno-go i sel'skohozyajstvennogo proizvodstva : sb. materialov V Mezhdunarod. nauch. ekolog. konf., posvyashchennoj 95-letiyu Kubanskogo GAU [Problems of household waste recovery, industrial and agricultural production: collection of materials of V Internaional scientific ecological conference for 95’th anniversary of Kuban State Agrarian University]. – Krasnodar, 2017. – P. 332–335. [in Russian]
9. Mel'nik O.A. Vliyanie ekstrakcij othodov na prorastanie semyan yarovogo rapsa i gorchicy beloj Impact of waste extraction on spring rapeseed and white mustard germination] / O.A. Mel'nik, E.P. YAkovina // Sovmeshchennye posevy polevyh kul'tur v sevooborote agrolandshafta: Mezhdunarod. nauch. ekolog. konf [Combined cultivation of field cultures in crop rotation of agrarian landscape: International scientific ecologcal conference]. – Krasnodar, 2016. – P. 282–286. [in Russian]
10. Mel'nik O.A. Soderzhanie organicheskogo veshchestva i nekotorye aspekty ego transformacii v pochvah agrolandshafta (na primere OAO «Zavety Il'icha» Leningradskogo rajona Krasnodarskogo kraya) : special'nost' 03.00.16 : avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata biologicheskih nauk [Organic matter content and some aspects of its transformation in agrarian landscape soils (on the example of OJSC «Zavety Il'icha» of the Leningrad district of the Krasodar district)]: specialty 03.00.16: autoabstract for thesis for PhD in Biology / O.A. Mel'nik. – Krasnodar, 2007. – 24 p. [in Russian]