CC BY
14
Ф^отоксичшсть субстрату породних вiдвалiв кам'яновугшьних шахт за впливу попелу теплоелектростанцiй i гумату калш
Phytotoxicity of the Substrate of Coal Mine Dumps under the Influence of Thermal Power Plant ash and Potassium Humate
Ярослав Шпак1, Володимир Баранов1, 1рина Зашсоцька1, Ольга Терек1 Yaroslav Shpak, Iryna Zapisotska, Volodymyr Baranov, Olha Terek
11van Franko National University of Lviv
1 Universytetska Street, Lviv, 79000, Ukraine, yaroslavecofizros@gmail.com
DOI: 10.22178/pos.20-1
LCC Subject Category: QH540-549.5
Received 26.02.2017 Accepted 16.03.2017 Published online 20.03.2017
© 2017 The Authors. This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License
Анотащя. Дослщжено вплив попелу з вiдвалiв ДобротвiрськоТ ТЕС i гумату калш «ГКВ-45» на фтотоксичнють субстрату породних вiдвалiв кам'яновугшьних шахт Червоноградського прничопромислового району. В якост бiотестера використали суданську траву Sorghum bicolor subsp. drummondii (Nees ex Steud.). Виявлено збшьшення висоти стебла, площi листюв, довжини i маси коренiв за впливу додавання попелу до субстрату породних вiдвалiв. Застосування тшьки гумату збшьшило лише площу листкiв i масу коренiв. Внесення попелу разом з гуматом достовiрно пiдвищило значення вах дослiджених морфометричних параметрiв, а вплив на масу кореыв виявився ефективншим, нiж застосування лише попелу. З'ясовано, що додавання гумату пщвищуе вмiсту хлорофiлу a у листках. За додавання попелу i гумату з попелом виявлено пщвищення вмюту хлорофiлу a з одночасним зниженням вмюту феофп"ину a.
Збiльшення значень морфометричних параметрiв суданськоТ трави, пщвищення вмюту хлорофшу a у поеднанш зi зниженням вмiсту феофiтину a свщчить про зменшення стресу для рослин, спричиненого фтотоксичнютю. Встановлено, що застосування кам'яновупльного попелу ТЕС разом з гуматом калш «ГКВ-45» для зниження фтотоксичност породних вiдвалiв ефектившше, нiж тiльки одного з мелюран^в.
Ключовi слова: фiтотоксичнiсть; суданська трава; породы вщвали кам'яновугiльних шахт; кам'яновупльний попiл; гумат калiю.
Abstract. The influence of ash from the Dobrotvir thermal power plant dumps and potassium humate "STB-45" on the phytotoxicity of the rock dumps substrate of coal mines in Chervonograd mining region has been researched. Sudan grass Sorghum bicolor subsp. drummondii (Nees ex Steud.) has been used as a biotester. The increase of the stem height, leaf area, length and mass of roots under the influence of the addition of ash dumps to the substrate has been discovered. Application of the humate only has increased just the leaf area and the mass of roots. Adding ash with humate significantly increased the value of all the studied morphometric parameters and the influence on the mass of roots was more effective than under the use of the ash only. It has been found out that adding humate increases chlorophyll a in leaves. Adding ash and humate with ash demonstrated increasing chlorophyll a together with the simultaneous reduction of feofityn a.
Increased values of morphometric parameters of the Sudan grass, increase of chlorophyll content, combined with the reduction of feofityn, indicates the reduction of stress for plants, caused by phytotoxicity.
It has been discovered that the use of coal ash from thermal power plants together with potassium Gumat "STB-45" for reducing phytotoxicity of dumps is more effective than the use of just one of the meliorants.
Keywords: phytotoxicity; Sudan grass; waste heaps of coal mines; coal ash; potassium humate.
Вступ
Породш вщвали кам'яновупльних шахт (ПВКВШ), якi зокрема розташоваш на тери-торп Червоноградського прничопромислово-го району (ЧГПР) несприятливi для росту бь льшостi рослин, осюльки мають низьке зна-чення рН, високий вмiст важких металiв, про-вальну водопроникнiсть i дефщит поживних речовин [1; 9; 13]. Для проведення фггомелю-рацп ПВКВШ спочатку необхщно знизити !х-ню кислотнiсть внесенням промислових вщ-ходiв-нейтралiзаторiв кислотностi [10; 15].
Попiл, який утворюеться при роботi кам'яновугiльних ТЕС забруднюе довкiлля через високi концентрацп сполук металiв i метало'1дав [12; 21]. Зокрема потл Добротвiр-сько! теплоелектростанцп (ДТЕС) мiстить: А120З - 21,79 %; Рв20з - 11,17 %; N1 -111,44 г/т; Сё - 3,99 г/т; Си - 102,29 г/т; РЬ -70,88 г/т; - 212,33 г/т; Мп - 1986,65 г/т; Ое - 102,17 г/т. На вщмшу вщ породних вiдвалiв кам'яновупльних шахт, вш у бiльшостi випа-дкiв мае лужне значення рН [21; 23]. Потл ДТЕС економiчно дощльно використовувати для зниження кислотносп породних вiдвалiв ЧГПР завдяки невеликш вiдстанi та хорошо-му транспортному (зокрема залiзничному) сполученню мiж цими промисловими об'ектами [2].
Для зв'язування важких металiв чи зменшен-ня !хньо! рухомостi у забруднених Грунтах i субстратах використовують гумати рiзного походження [5; 19; 24]. Однак внесення лише гума^в не здатне суттево знизити кислот-нiсть, тому метою роботи було бютестування здатносп сумiсного застосування кам'яновугiльного попелу ДТЕС i гумату ка-лiю «ГКВ-45» знижувати кислотнiсть i фгго-токсичшсть субстратiв ПВКВШ.
Матерiали i методика дошджень
Свiжовiдсипану породу сiро-чорного забарв-лення вiдбирали з вiдвалiв Центрально! зба-гачувально! фабрики (ЦЗФ), розташовано! у Сокальському районi Львiвськоi область а кам'яновупльний попiл (КВП), акумульова-ний при роботi повiтроочисного обладнання, з вiдвалiв ДТЕС, розташовано! в смт. Доброт-вiр Кам'янка-Бузького району Львiвськоi об-ластi. Для дослщження впливу КВП на кисло-тшсть чорно! породи вимiрювали рН у 10 %
воднш витяжцi без додавання та з додаван-ням 5 % КВП за масою на приладi «Иономер универсальный ЭВ-74» у 5-ти кратнiй повто-рюваносп за температури води +18,5°C та pH дистильовано'' води 5,5. Дану концентрацш використовували для запобiгання переви-щення ГДК важких металiв [26] у субстратах при додаванш КВП [2].
Вплив гума^в на фгготоксичшсть субстрату перегорыо'' породи дослiджували за допомо-гою гумату калiю «ГКВ-45» виробництва ТзОВ «ПАРК» (Укра'на, Львiвська область), який за даними виробника мае наступний склад: гумiновi речовини - 42 %; карбон зага-льний - 166,3 г/л; N - 2,4 г/л; P2O5 - 0,4 г/л; K2O - 69,3 г/л; Mn - 197,99 мг/л; Fe -132,04 мг/л; Cu - 3,17 мг/л; Zn - 19,69 мг/л; B - 2,28 мг/л; Co - 3,45 мг/л. Даний мелюрант застосовували у концентрацп 0,5 %.
Суданську траву S. bicolor subsp. drummondii вирощували у горщиках об'емом 2л на тери-торп ботанiчного саду ЛНУ iм. I. Франка з ли-пня по жовтень 2016 року. Для цього у п'ятикратнш повторюваносп висаджували по 15 чотирьохдобових проросткiв, пророще-них у темрявi за температури 23°C.
Еталоном для порiвняння слугували рослини, вирощеш за впливу сприятливих едафiчних факторiв rрунтосумiшi з торфу, листового пе-регнiйного Грунту та тску у спiввiдношеннi 1:2:1. В якосп контролю використовували рослини, вирощеш на субстрат з чорно'' породи та вищевказано'' Грунтосумiшi у стввщ-ношеннi 9:1 без додавання мелюрашт Дос-лiднi рослини вирощували на субстрат ПВКВШ з роздыьним чи сумiсним додаван-ням 5% за масою кам'яновугыьного попелу (КВП) та 150 мл 0,5 % розчину гумату калш (ГК). Субстрати для дослщження готували за наступною схемою:
1. Еталон: Грунтосумiш (1500 г) + Вода (150 мл)
2. Контроль: Порода (1350 г) + Грунтосумш (150 г) + Вода (150 мл)
3. Порода (1200 г) + Грунтосумш (150 г) + КВП (150 г) + Вода (150 мл)
4. Порода (1350 г) + Грунтосумш (150 г) + ГК (150 мл)
5. Порода (1200 г) + Грунтосумш (150 г) + КВП (150 г) + ГК (150 мл).
Морфометричш параметри рослин визнача-ли на 95 добу росту. Bmíct хлорофШв визна-чали наступно! доби у витяжках з листюв, гомогенiзованих 96 % етанолом за [14], а фе-офпгсну а пiсля пiдкислення витяжки 2 крап-лями 10 % розчину HCl за [25].
Математичну обробку даних здшснювали за допомогою програми MS Excel 2007. Для пе-ревiрки статистично достовiрних вщмшнос-тей мiж варiантами експерименту розрахову-вали t-критерш Стьюдента [4].
Результати дослщження
Виявлено, що додавання 5% кам'яновугiльного попелу за масою (з pH
7,4±0,2) достовiрно (за P<0,05 та n=5) тдви-щуе pH субстрату чорно! породи ПВКВШ з 4,1±0,1 до 4,8±0,1. Дану закономiрнiсть можна пов'язати з наявшстю у попелi з ДТЕС каль-цiю, катюни якого зв'язують анiони оксидiв сульфуру. Згiдно даних [3] взятий нами КВП мктив близько 4,5 % CaO.
За росту S.bicolor subsp. drummondii на суб-стратi ПВКВШ спостертали значне зменшен-ня значень морфометричних параметрiв що-до еталону. Встановлено, що додавання КВП до субстрату ПВКВШ достовiрно збыьшуе ви-соту стебла, площу листкiв (рис. 1А, табл. 1), довжину i масу коренiв рослин (рис. 1Б, табл. 1).
Таблиця 1 - Морфометричш параметри S. bicolor subsp. drummondii 95-ти добових рослин за додавання кам'яновупльного попелу (КВП) та гумату кал^ (ГК) до субстрату ПВКВШ (n=25)_
Варiанти Висота стебла, Площа листкiв, Довжина коренiв, Маса сухих корешв,
см см2 см мг
Еталон 49,8±2,0 78,2±4,1 19,7±1,1 296±23
Порода 15,7±0,7 11,5±0,7 9,4±0,5 54,5±4,9
Порода+КВП 25,1±2,0* 23,8±1,4* 12,5±0,6* 93,8±7,7*
Порода+ГК 16,3±0,8 15,5±0,6* 9,7±0,5 78,3±8,7*
Порода+КВП+ГК 24,4±1,4* 24,62±1,1* 13,9±0,7* 133±9*
Примака (*) тут i далк доо^рна вщмшнють значень параметрiв рослин за росту на субстрат ПВКВШ Í3 додаванням мелюран^в вiдносно значень рослин, що росли на субстрат ПВКВШ без додавання мелю-рантiв, при p (*): <0,05.
А) Б)
Рисунок 1 - Пагони (А) i повiтряно-сухi кореш (Б) S. bicolor subsp. drummondii за росту на субстрат чорно'Г породи вiдвалiв кам'яновупльних шахт (1), з додаванням кам'яновупльного попелу (2), гумату кал^ (3) i
обох мелюран^в разом (4)
Додавання гумату калш до субстрату ПВКВШ достовiрно збыьшило площу листюв i масу корешв вщносно контролю (табл. 1). Виявле-но, що маса коренiв рослин, вирощених на субстратах з сумкним додаванням попелу та гумату калш быьша, нiж у рослин, вирощених на субстратах Í3 додаванням тыьки попелу (табл. 1), що зумовлено збыьшенням роз-мiрiв коренево! системи S. bicolor subsp. drummondii (рис. 1Б)
Данi, щодо змiни вмiсту пiгментiв фотосинтезу i !хнього спiввiдношення застосовують для бюшдикацп впливу стрес-факторiв i заходiв щодо !х зниження [6; 7; 8; 11; 14].
У ходi даного дослщження виявлено зниже-ний вмкт хлорофiлу а з одночасним пщви-щенням вмiсту феофiтину а i вщповщно зни-женням стввщношень: хлорофiл а/b та хло-рофы а/ феофiтин а в листках S.bicolor subsp.
Збыьшення значень морфометричних пара-метрiв S.bicolor subsp. drummondii [3; 10] з пщ-вищенням вмiсту хлорофiлу а [6; 7; 8; 14; 17;
drummondii за росту на субстрат ПВКВШ щодо еталону. Додавання попелу до субстрату ПВКВШ достовiрно пщвищило вмкт хлоро-фiлу а i водночас знизило вмкт феофiтину а у листках, що спричинило достовiрне збыь-шення спiввiдношень хлорофiл а/b i хлорофы a/феофiтин а вiдносно контролю. Додавання гумату достовiрно пiдвищило вмкт хлорофь лу а i знизило вмкт феофiтину а за меж стандартного вiдхилення, що спричинило дос-товiрне збiльшення спiввiдношення хлорофы a/феофiтин а. Застосування
кам'яновугiльного попелу у поеднанш з гу-матом калш «ГКВ-45» достовiрно пiдвищило вмкт хлорофiлу а, знизило вмiст феофггину а i вiдповiдно призвело до збыьшення стввщ-ношень хлорофiл а/b та хлорофы a/феофiтин а вщносно контролю быьшою мiрою, нiж додавання лише одного iз дослщжуваних мель орантiв (табл. 2, рис. 2).
22] i зниженням вмкту феофггину а [16; 18; 20] у листках свщчить про зменшення стресу для рослин. Можна припустити, що зниження
Таблиця 2 - Bmíct nirMeHTiB фотосинтезу в листках 96 добових рослин S. bicolor subsp. drummondii за додавання мелюран^в до субстрату ПВКВШ (n=5), мг/г сухоГ маси
Варiанти Хлорофы а Хлорофы b Хлорофыи а+b Феофгшн а
Еталон 7,81±0,05 3,29±0,08 11,1±0,1 1,75±0,03
Порода 4,14±0,04 3,17±0,05 7,31±0,08 3,28±0,06
Порода+КВП 4,72±0,04* 3,06±0,09 7,78±0,09* 2,56±0,04*
Порода ГК 4,38±0,05* 3,11±0,10 7,49±0,07 3,04±0,08
Порода +КВП+ГК 5,15±0,05* 2,89±0,07 8,04±0,11* 2,39±0,06*
Рисунок 2 - Сшввщношення вмюту пiгмeнтiв фотосинтезу в листках S. bicolor subsp. drummondii за
додавання мелюран^в до субстрату ПВКВШ (n=5).
кислотной субстрату породних вiдвалiв спричинене додаванням попелу Добротвiр-сько'1 теплоелектростанцп зменшило рухо-мкть сполук токсичних металiв, а внесення гумату калш «ГКВ-45» зв'язало деяку 1'хню кыьюсть у комплекснi сполуки [5; 19; 24] i водночас частково забезпечило субстрат не-обхщними елементами живлення рослин.
Висновки
Застосування кам'яновугiльного попелу Доб-ротвiрськоï теплоелектростанцп для зниження фгготоксичност субстра^в породи вь двалiв Червоноградського прничопромисло-вого району у поeднаннi з гуматом калш «ГКВ-45» ефектившше, шж застосування лише попелу.
Список використаних джерел / References
1. Baranov, V. I. (2008). Ekolohichnyi opys porodnoho vidvalu vuhilnykh shakht TsZF ZAT
«Lvivsystemenerho» yak subiekta ozelenennia [Ecological scope of rock dump coal mines CCM CJ-SC "Lvivsistemenergo" as subject to plant trees and grass]. Visnykof the Lviv University. Series Biology, 46, 172-178 (in Ukrainian)
[Баранов, В. I. (2008). Еколопчний опис породного вщвалу вупльних шахт ЦЗФ ЗАТ «.AbBiBracreMeHepro» як суб'екта озеленення. BicHUKЛьвiвськогоутверситету. Серiя 6ioAoaiHm, 46, 172-178].
2. Baranov, V., Banya A., Bodnar L., Blayda I., & Karpenko О. (2014). Toksykolohichnyi analiz vody
drenazhnykh kanav i zoly zolovidvaliv Dobrotvirskoi TES [Toxicological analysis of water drainage and ash dump Dobrotvir thermal power station]. Visnyk of the Lviv University. Series Biology, 65, 238-244 (in Ukrainian)
[Баранов, В., Баня, А., Боднар, Л., Блайда, I., & Карпенко, О. (2014). Токсиколопчний аналiз води дренажних канав i золи зoлoвiдвалiв Дoбpoтвipcькoi' ТЕС. BicHUK Львiвського утверситету. CepiR Бiологiчна, 65, 238-244].
3. Beshley Z. M., Beshley S. V., Baranov V. I., & Terek O. I. (2015). Porivnialnyi morfometrychnyi analiz
roslyn sorho alepskoho za umov rostu na substratakh porodnoho vidvalu z dodavanniam netradytsiinykh dobryv [Comparative morphometric analysis of sorghum halepense plants growing on substrates of rock dump with addition of alternative fertilizers]. Modern Phytomorphology, 6, 347-348 (in Ukrainian)
[Бешлей, З., Бешлей, С., Баранов, В., & Терек, О. (2015). Пopiвняльний морфометричний аналiз рослин сорго алепського за умов росту на субстратах породного вщвалу з додаванням нетрадицшних добрив. Modern Phytomorphology, 6, 347-348].
4. Lakyn, G. F.(1990). Byometryya [Biometry] (4th ed.). Moscow: Vysshaya shkola (in Russian)
[Лакин, Г. Ф. (1990). Биометрия (4-е изд.). Москва: Высшая школа].
5. Makeeva, N. A. (2014). Ocenka produkcionnyh processov ovsa v uslovijah vnesennja gumatov kalija i
natrija na porodnyj otval [Assessment of production processes oats in terms of humates potassium and sodium on dump]. Sovremennyeproblemy nauki i obrazovanija, 6 (in Russian) [Макеева, Н. А. (2014). Оценка продукционных процессов овса в условиях внесення гуматов калия и натрия на породный отвал. Современные проблемы науки и образования. 2014. №6].
6. Pavlova, L.M., Kotelnikova, I.M., Kuimova, N.G., Leusova, N.U., & Schumilova, L.P. (2010). Sostojanie
fotosinteticheskih pigmentov v vegetativnyh organah drevesnyh rastenij v gorodskoj crede [Photosynthetic Pigments' Condition in Vegetative Organs of Woody Plants in Urban Environment]. Vestnik RUDN, serija Jekologija i bezopasnost'zhiznedejatel'nosti, 2, 11-19 (in Russian)
[Павлова, Л. М., Котельникова, И. М., Куимова, Н. Г., Леусова, Н. Ю., & Шумилова, Л. П. (2010). Состояние фотосинтетических пигментов в вегетативных органах древесных растений в городской cpeдe. Вестник РУДН. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности, 2, 11-18].
7. Amuthavalli, P., Sivasankaramoorthy S. (2012). Effect of Salt Stress on the Growth and
Photosynthetic Pigments of Pigeon Pea (Cajanus cajan). Journal of Applied Pharmaceutical Science, 2(11), 131-133. doi: 10.7324/japs.2012.21124
8. Ashraf, M., & Harris, P. J. C. (2013). Photosynthesis under stressful environments: An overview.
Photosynthetica, 51(2), 163-190. doi: 10.1007/s11099-013-0021-6
9. Escarry, J., Raboyeau, S., Dossantos, A., Collin, C. (2011). Heavy Metal Concentration Survey in Soils
and Plants of the Les Malines Mining District (Southern France): Implications for Soil Restoration. Water, Air, & Soil Pollution, 216(1), 485-504. doi: 10.1007/s11270-010-0547-1
10. Firpo, B., Filho, J., & Schneider, I. (2015). A brief procedure to fabricate soils from coal mine wastes
based on mineral processing, agricultural, and environmental concepts. Minerals Engineering, 76, 81-86. Doi: 10.1016/j.mineng.2014.11.005
11. Gratao, P., Polle, A., Lea, P. & Azevedo, R. (2005). Making the life of heavy metal-stressed plants a
little easier. Functional Plant Biology, 32(6), 481-494. doi: 10.1071/FP05016
12. Gupta, A, Paul, B. (2016). Augmenting the Stability of OB Dump by Using Fly Ash: A Geo Technical
Approach to Sustainably Manage OB Dump at Jharia Coalfield, India. Current World Environment, 11(1), 204-211. doi: 10.12944/CWE.11.1.25
13. Kumar, B. M. (2013). Mining waste contaminated lands: an uphill battle for improving crop
productivity. Journal of Degraded and Mining Lands Management, 1 (1), 43-50.
14. Lichtenthaler, H. (1987). Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes.
Methods in Enzymology, 148, 350-382. doi: 10.1016/0076-6879(87)48036-1
15. Malti D., Malti, S. (2014). Ecorestoration Of Waste Dump By The Establishment Of Grass-Legume
Cover. International Journal of Scientific & Technology Research, 3(3), 37-41.
16. Nath, K., Singh, D., Shyam, S., & Sharma, Y. K. (2008). Effect of chromium and tannery effluent
toxicity on metabolism and growth in cowpea (Vigna sinensis L. Saviex Hassk) seedling. Research in Environment and Life Sciences, 1 (3), 91-94.
17. Offord, C. A., Meagher, P. F., & Zimmer, H.C. (2014). Growing up or growing out? How soil pH and
light affect seedling growth of a relictual rainforest tree. AoB PLANTS, 6, plu011. doi: 10.1093/aobpla/plu011
18. Olivera, H. (2012). Chromium as an Environmental Pollutant: Insights on Induced Plant Toxicity.
Journal of Botany, 2012, 1-8. doi: 10.1155/2012/375843
19. Perminova, I.V., Hatfield K., Hertkorn N. (Eds.). (2002). Use of HumicSubstances to Remediate
Polluted Environments: From Theory to Practice. Dordrecht: Springer.
20. Singh, H., Mahajan, P., Kaur, S., Batish D., & Kohli, R. K. (2013). Chromium toxicity and tolerance in
plants. Environmental Chemistry Letters, 11(3), 229-254. doi: 10.1007/s10311-013-0407-5
21. Singh, R. K., & Gupta, N. C. (2014). Value added utilization of fly ash- prospective and sustainable
solutions. International Journal of Applied Sciences and Engineering Research, 3(1), 1-16.
22. Smolikova, G. N., Laman, N. A., & Boriskevich, O. V (2011). Role of chlorophylls and carotenoids in
seed tolerance to abiotic stressors. Russian Journal of Plant Physiology, 58, 965-973. doi: 10.1134/s1021443711060161
23. Srivastava, A., & Chhnkar, P. (2000). Amelioration of coal mine spoils through fly ash application as
liming material. Journal of Scientific & Industrial Research, 59, 309-313.
24. Tsang D. C. W., Olds W. E., & Weber, P. (2013). Residual leachability of CCA-contaminated soil after
treatment with biodegradable chelating agents and lignite-derived humic substances. Journal of Soils and Sediments, 13, 895-905. doi: 10.1007/s11368-013-0662-x
25. Wintermans, J. F. G. M., & de Mots, A. (1965). Spectrophotometric characteristics of chlorophyll 'a'
and 'b' and their pheophytins in ethanol. Biochimica et Biophysica Acta, 109(2), 448-453. doi: 10.1016/0926-6585(65)90170-6
26. Normatyvno-dyrektyvni dokumenty MOZ Ukrainy. (1999). Derzhavni sanitarni pravyla ta normy
[State sanitary rules and norms]. Retrieved February 20, 2017, from http://mozdocs.kiev.ua/view.php?id=4010 (in Ukrainian)
[HopMaTHBHO-gHpeKTHBHi goKyMeHTH M03 yKpai'HH. (1999). ^ep^aBHi caHiTapHi npaBH^a Ta HopMH. AKTya^bHO Ha 20.02.2017, URL: http://mozdocs.kiev.ua/view.php?id=4010].
