Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Оценка потенциального плодородия субстратов из твердых отходов целлюлозно-бумажной промышленности для использования в лесовыращивании

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Оценка потенциального плодородия субстратов из твердых отходов целлюлозно-бумажной промышленности для использования в лесовыращивании"

На правах рукописи

С?-

Воробьева Дарья Николаевна

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ПЛОДОРОДИЯ СУБСТРАТОВ ИЗ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ в ЛЕСОВЫРАЩИВАНИИ

03.02.08 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

005567365

1 5 АПР 2015

Москва - 2015

005567365

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов Российской академии наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

Лукина Наталья Васильевна ФГБУН Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Гагарин Юрий Николаевич ФГБУН Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН

Официальные оппоненты: Бобкова Капитолина Степановна

доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела лесобиологических проблем Севера ФГБУН Институт биологии Коми НЦ Уральского отделения РАН

Федорец Наталья Глебовна

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий лабораторией почвоведения ФГБУН Институт леса Карельского НЦ РАН

Ведущая организация ФГБУ ВПО Поволжский государственный

технологический университет

Защита состоится 19 мая 2015 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 002.054.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт лесоведения Российской академии наук по адресу: 143030, Московская обл., Одинцовский р-н, с. Успенское, ул. Советская, 21. Тел./факс: +7(495)6345257. E-mail: root@ilan.ras.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Институт лесоведения РАН.

На сайте организации диссертация размещена 10.03.2015 г.

Автореферат разослан « $3» апреля 2015 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета, к.б.н. /и. Уткина И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

По данным государственной статистики за 2013 год объем отходов производства бумаги составил 8,9 млн. т. (Росстат, 2014). В настоящее время значительная часть отходов целлюлозно-бумажных комбинатов (ЦБК) складируется вблизи очистных сооружений, вывозится в шламонакопители или сжигается (Воронов и др., 2006), загрязняя окружающую среду токсичными веществами, в том числе поллютантами первого класса опасности - диоксинами, обладающими мощным мутагенным, иммунодепрессантным, канцерогенным, тератогенным и эмбриотоксическим действием (Федоров, 1993; Евдокимов, 2011). Вместе с тем эти отходы отличаются высоким содержанием органического вещества, соединений азота и других элементов питания.

Перспективными приемами переработки отходов целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП), направленными на их детоксификацию и получение субстратов с высоким потенциалом плодородия, являются биотехнологические методы, основанные на использовании биологических агентов - продуцентов биологически активных соединений. Такими агентами могут быть грибы белой гнили - деструкторы древесины, обладающие уникальной способностью детоксификации ксенобиотиков (Bumpus, 1987; Чхенкели 2007; Wang, 2009; Purnomo, 2010; Никифорова, 2010; Каши, 2013; Куликова, 2011) без их накопления в мицелии (Marco-Urrea, Reddy, 2012), и черви, способные к оструктуриванию субстрата из отходов ЦБК и повышению уровня доступности питательных элементов в нем (Ndegwa, 2000; Kaur, 2010). До настоящего времени отходы ЦБК подвергались переработке либо грибами, либо червями. Существующие представления о функциональной роли грибов и червей позволяют предполагать, что наибольший экологический эффект может дать последовательная обработка отходов этими биологическими агентами, которая обеспечит избавление от диоксинов и повысит питательную ценность субстратов из твердых отходов ЦБП. Но принцип постадийной переработки твердых отходах ЦБП не предлагался и не подвергался экспериментальной проверке. К тому же не проводились исследования динамики содержания диоксинов и доступных соединений элементов питания в твердых отходах ЦБК и субстратах на их основе, полученных с применением различных методов биотехнологической переработки.

Принимая во внимание истощение экономически доступных для использования лесных ресурсов, в том числе в районах заготовки древесины для ЦБК, одним из вариантов практического использования таких переработанных отходов может стать их применение в лесовыращивании в качестве биоудобрений и биосубстратов. Использование отходов ЦБП при лесовыращивании компенсирует вынос питательных веществ с рубкой лесных насаждений из лесного биогеоценоза, обеспечивая замкнутость сырьевой цепочки «лесное насаждение — ЦБП - отходы -лесопосадочный материал - лесное насаждение».

Отсутствие сведений о динамике содержания диоксинов и элементов питания в субстратах из твердых отходов ЦБП, полученных на основе биотехнологических подходов, и результатов их апробации при лесовыращивашш определяет высокую актуальность данной работы.

Цель работы — оценить содержание диоксинов и уровень плодородия субстратов из твердых отходов ЦБП, полученных на основе биотехнологических подходов, с целью их применения при лесовыращивании.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Анализ существующих в России и за рубежом подходов, в том числе, биотехнологических, к переработке твердых отходов ЦБП и выбор оптимальных биотехнологических подходов с учетом специфики их состава и дальнейшего применения при лесовыращивании.

2. Оценка содержания диоксинов и элементов питания в твердых отходах ЦБК, использующих различную технологию отбелки целлюлозы.

3. Проведение лабораторных и полевых экспериментов для оценки динамики содержания диоксинов и элементов питания в субстратах, полученных в результате переработки твердых отходов ЦБП грибами белой гнили (Trametes maxima, Trámeles hirsuta, консорциум Trametes maxima + Trametes hirsute, Lenzites betulina, Penicilium comescens, Peniophora lycii, Pleurotus ostreatus) и червями (Eisenia andrei).

4. Проведение экспериментов по выращиванию сеянцев сосны обыкновенной и ели обыкновенной на полученных субстратах в закрытом и в открытом грунте.

5. Обоснование биотехнологических подходов к переработке твердых отходов ЦБП, включающих 2 стадии: а - твердофазное культивирование с использованием грибного инокулянта (Trametes maxima, Trametes hirsuta, Lenzites betulina, консорциум Trametes maxima + Trametes hirsute, Penicilium comescens, Peniophora lycii) или зернового мицелия грибов белой гнили (Pleurotus ostreatus)', б - обработка червями (Eisenia andrei).

Научная новизна. Предложены научно-обоснованные подходы к переработке отходов ЦБП, включающей 2 стадии: а — твердофазное культивирование с использованием грибного инокулянта (Trametes maxima, Trametes hirsuta, Lenzites betulina, консорциум Trametes maxima + Trametes hirsute, Penicilium comescens, Peniophora lycii) или зернового мицелия грибов белой гнили (Pleurotus ostreatus)-, б -обработка червями {Eisenia andrei).

Дан сравнительный анализ содержания диоксинов и доступных для растений соединений элементов питания в субстратах из отходов ЦБК, полученных в ходе переработки отдельно червям! (Eisenia andrei), отдельно грибами белой гнили СTrametes maxima, Trametes hirsuta, Lenzites betulina, консорциум Trametes maxima + Trametes hirsute, Penicilium comescens, Peniophora lycii, Pleurotus ostreatus), а также в ходе двухстадийной переработки данными штаммами грибов и червями. Показано снижение содержания диоксинов в отходах ЦБП при двухстадийной переработке. Отмечена способность грибов (Trametes maxima, Trametes hirsuta, Lenzites betulina) снижать содержание диоксинов в твердых отходах ЦБП в процессе биокомпостирования на фоне их увеличения в отходах без биопереработки.

Показано увеличение питательной ценности субстратов из твердых отходов ЦБП на каждой стадии переработки отходов на основе содержания доступных соединений элементов питания и показателя C:N. Обнаружено возрастание биометрических параметров и массы сеянцев ели при их выращивании в открытом грунте с использованием субстрата, полученного на основе отходов ЦБП после двухстадийной переработки грибами (Trametes maxima) и червями (Eisenia andrei).

Практическая значимость. Предложены подходы к двухстадийной биотехнологической переработке твердых отходов ЦБП, направленные на детоксификацию и получение субстратов высокой питательной ценности, которые служат основой для создания технологтш производства высококачественного экологически безопасного субстрата для лесовыращивания. Результаты исследований являются теоретической и практической основой регламентирования использования биологических агентов при производстве биосубстратов. Выявление перспективных биотехнологических приемов утилизации токсичных твердых отходов ЦБП обеспечит возможность ввода в эксплуатацию больших земельных площадей, занимаемых в настоящее время иловыми картами, шламонакопителями и короотвалами, в том числе Байкальского ЦБК.

Обоснованность выводов и достоверность результатов работы обеспечена значительным объемом экспериментального материала, лабораторными и полевыми экспериментами и подтверждением их методами математической статистики.

Декларация личного участия автора. Автором проведена работа по интеграции и анализу литературных данных по исследуемой теме. Проведены лабораторные и полевые испытания исследуемых подходов по переработке твердых отходов ЦБП. Произведен сбор, статистическая обработка и интерпретация полученных результатов. В совместных публикациях вклад автора составил 70-80%.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В целях получения плодородного субстрата для лесовыращивания из твердых отходов ЦБП перспективным является биотехнологический подход, включающий 2 стадии: а - твердофазное культивирование с использованием грибного инокулянта (Trametes maxima, Trametes hirsuta, Lenzites betulina, консорциум Trametes maxima + Trametes hirsute, Penicilium comescens, Peniophora lycii) или зернового мицелия грибов белой гнили (Pleurotus ostreatus); б - обработка червями (Eisenia andrei).

2. Содержание диоксинов в твердых отходах ЦБК, использующих хлорную отбелку целлюлозы, снижается при двухстадийной переработке отходов грибами белой гнили Trametes maxima, Trametes hirsuta, консорциумом грибов Trametes maxima + Trametes hirsuta и червями Eisenia andrei.

3. Грибы белой гнили Trametes maxima, Trametes hirsuta, Lenzites betulina демонстрируют высокую детоксификационную способность, препятствуя увеличению содержания диоксинов в твердых отходах ЦБК, использующих бесхлорную отбелку целлюлозы, в ходе их компостирования.

4. Отношение C:N субстратов из твердых отходов ЦБК с хлорной отбелкой целлюлозы снижается, содержание минеральных форм азота, доступных соединений К, Mg, Р существенно повышается по сравнению с контролем на каждой стадии биопереработки отходов грибами Trametes maxima, Trametes hirsute, Lenzotus betulina, консорциумом Trametes maxima + Trametes hirsute, Penicilium comescens, Peniophora lycii, Pleurotus ostreatus и червями Eisenia andrei.

5. Содержание минеральных форм азота в субстратах из отходов ЦБК с бесхлорной отбелкой целлюлозы существенно повышается по сравнению с контролем при двухстадийной переработке отходов грибами Trametes maxima, Trametes hirsute, Lenzotus betulina и червями Eisenia andrei.

6. Всхожесть семян и биометрические параметры сосны обыкновенной и ели обыкновенной увеличиваются при внесении биосубстратов из отходов ЦБК с бесхлорной отбелкой целлюлозы, полученных в лабораторных экспериментах переработкой червями Eisenia andrei, в торф, но остаются ниже значений этих показателей, достигаемых при использовании торфа, обогащенного удобрениями, главным образом, из-за преобладания в биосубстратах нитратного азота над аммиачным, а также, возможно, из-за высокого содержания доступных соединений цинка и серы.

7. Мульчирование почвы субстратом из отходов ЦБП, полученных при двухстадийной переработке грибом Trametes maxima и червями Eisenia andrei, приводит к возрастанию биометрических показателей (длина основного корня, количество и длина боковых корней и корней третьего и более порядка, высота стволика, диаметр корневой шейки, прирост текущего года) и массы сеянцев ели обыкновенной.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены на предварительном отборе по Программе «УМНИК» г. Москва, 2012 г.; VII Международном симпозиуме «ЕС-Россия: сотрудничество в области биотехнологии, сельского, лесного, рыбного хозяйства и пищи в 7-ой Рамочной Программе» г. Москва, 2012 г.; третьей Международной научно-практической конференции «Вермикомпостирование и вермикультивирование как основа экологического земледелия в XXI веке: достижения, проблемы, перспективы», г. Минск, 2013 г.; третьем Всемирном конгрессе по биотехнологиям, ОАЭ, г. Дубай, 2014 г.

Разработанные биотехнологические подходы прошли опытно-производственную проверку в полевых условиях на базе ЗАО Интереншнл Пейпер (г. Светогорск) в рамках работ согласно Меморандуму о совместных работах по переработке твердых отходов ЦБП от 19.04.2013 г.

Подана заявка на выдачу патента на изобретение «Способ биотехнологической переработки твердых отходов целлюлозно-бумажной промышленности для получения биогумуса, включающий стадию обработки грибами и стадию вермипереработки» (регистрационный №2013143384 от 26.09.2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы, две из которых в изданиях Перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы. Работа изложена на 202 страницах, включает 40 рисунков и 28 таблиц. Список литературы содержит 375 наименований, из которых 258 — на иностранных языках.

Благодарности. Автор выражает благодарность научным руководителям д.б.н. Лукинон Н.В., к.с-х.н. Гагарину Ю.Н.; коллективу лаборатории молекулярных основ биотрансформации ИНБИ РАН под руководством д.б.н. Королевой О.В. за проведение эксперимента, по твердофазному культивированию различных штаммов грибов на отходах Пермского ЦБК и подготовку культуральной жидкости для полевого эксперимента, а также за научные консультации; директору ИПЭЭ РАН акад. Павлову Д.С. за предоставление помещения для проведения лабораторных экспериментов; зав. лаб. почвенной зоологии и общей энтомологии ИПЭЭ РАН чл.-корр. Стригановой Б.Р. за научные консультации; с.н.с. ИПЭЭ РАН к.б.н. Рыбалову

Л.Б. и м.н.с. ИПЭЭ РАН Бастракову А.И. за помощь в проведении лабораторного и полевого экспериментов по переработке отходов ЦБК червями; н.с. ЦЭПЛ РАН Воробьеву P.A. за помощь в проведении исследовании; сотрудникам кафедры технологии целлюлозы и композиционных материалов ФГБОУ ВПО СПбГТУ РП во главе с д.т.н. Акимом Э.Л., сотрудникам ЗАО Интернешнл Пейпер: Филимонову A.B., Рыбникову О.В., Дайсон Е.Я. за помощь в проведегаш экспериментов на промышленной площадке Светогорского ЦБК; сотрудникам ГБУ НО «Семеновский спецсемлесхоз» во главе с директором Соколовой A.A. за помощь в выращивании сеянцев в закрытом грунте, лаборатории структурно-функциональной организации и устойчивости лесных экосистем ЦЭПЛ РАН, сотрудникам ЦЭПЛ РАН.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1 Анализ современных подходов к переработке твердых отходов ЦБП и к

их использованию в лесовыращивании

Дан анализ современных подходов к переработке твердых отходов ЦБП. Приводится характеристика видов отходов ЦБП и их состав (Баталии, 2004; Федорец, 2008; Monte, 2009; Ульянова, 2009; Мещерякова, 2010; Коровушкин, 2010; Коломинова, 2012). Анализируются данные о наличии диоксинов в этих отходах (Пурмаль, 1998; Beauchamp, 2002; Евдокимов, 2011). Описаны существующие методы переработки отходов: сбраживание в метантенках (Bajpai, 2000; Mata-Alvarez et al., 2000; Ince et al., 2007; Levlin, 2010; Максимова и др., 2013), сжигание (Linderot, 1989; Diehn, Zuercher, 1990; Kraft, Orender, 1993; Navaee-Ardeh et al., 2006; Михайлов, Киселева, 2010), захоронение (Fierro et al., 2000; Fierro, 2000; Chantigny et al., 2000), пиролиз (Kay, 2002; Fytili, Zabaniotou, 2006; Сагитов, 2007) паровое преобразование (Durai-Swamy et al., 1991; Aghamohammadi, Durai-Swamy, 1995; Demirbas, 2007) и влажное окисление (Kay, 2002). Дан обзор представлений об их использовании: в качестве удобрений (Hatch, Pepin, 1985; Fierro et al., 1999; Zibilske et al., 2000; Gagnon et al., 2001; Алексеева, 2002; Legendre et al., 2004; Gagnon et al., 2004; Allahdadi et al., 2004, 2007; Subhasish, 2007), при производстве строительных материалов (Davis et al., 2003; Ochoa de Alda, Torrea, 2006; Geng et al., 2006, 2007), в качестве корма животным и птицам (Beauchamp, 2002; Керейбаева, Бижанова, 2011). Дан обзор современных представлений о путях и механизмах разложения природных полимеров и ксенобиотиков базидиомицетами (Valli et al. 1992; Куликова и др., 2011; Marco-Urrea, Reddy, 2012 и др.).

Проанализированы существующие биологические методы переработки отходов: компостирование (Mayer, 1972; Beauchamp, 2002; Salter, Cuyler, 2003), с помощью червей (Рудакова, 1996; Elvira et al.1996, 1998; Piearce et al. 1998, 2003; Sharma, 2005; Umamaheswari, Vijayalakshmi, 2006; Ускова, 2006), бактерий (Chandra, 2001; Ram Chandra et al., 2012; Романов и др., 2012), грибов (Taseli et al., 2004, 2008; Sreekrishnan, 2005; Selvam et al., 2002,2006; Куликова и др., 2011).

Проведен анализ подходов к использованию отходов ЦБП в лесном хозяйстве (Рекомендации..., 1987; Carpenter, 1998, 2000; Jackson, 2000; Романов, 1997, 2000, 2001, 2007, 2012; Smârs, 2002; Самосудов, 2004; Мартынюк, 2006; Никитенко, 2007; Рожко, 2009; Зайцева и др., 2010; Луганцева, 2011; Мухортов, 2007,2013).

Глава 2 Объекты и методы исследований

2.1 Объекты исследований

В качестве объектов исследования были выбраны отходы ЦБК, использующих хлорную (отходы Пермского ЦБК, отходы Сясьского ЦБК) и бесхлорную отбелку целлюлозы (отходы Светогорского ЦБК) (табл. 1).

Для исследования изменений в содержании диоксинов и доступных соединений элементов питания состав субстратов, полученных на основе отходов ЦБК, сравнивали с составом контрольных образцов (без переработки биологическими агентами), а также с составом органогенных горизонтов (Ао) почв ельников кустарничково-зеленомошных, наиболее распространенных в бореальных лесах (Лукина и др. 2008), с составом верхового торфа без удобрений и верхового торфа, обогащенного удобрениями, традиционно используемого для выращивания сеянцев в ГБУ НО «Семеновский спецсемлесхоз» (г. Семенов, Нижегородская область).

2.2 Методы исследований

Дизайн эксперимента включал два блока: а. - проведение экспериментов с отходами ЦБК, использующих хлорную отбелку целлюлозы; б. - проведение экспериментов с отходами ЦБК, использующего бесхлорную отбелку целлюлозы. Наиболее детальный анализ содержания диоксинов и элементов питания проведен на примере отходов ЦБП с бесхлорной отбелкой, как с наиболее прогрессивной технологией. Продолжительность переработки отходов грибами выбрана с учетом сведений об активной деградации лигнина базидиомицетами (Куликова, 2006). Переработку червями проводили до момента получения рассыпчатого капрогенного материала.

а. Переработка отходов ЦБК с хлорной отбелкой целлюлозы

В скоп и отходы короотвала Пермского ЦБК вносили грибной инокулянт базидиальных грибов белой гнили Trametes maxima 0275 (Mont.) David & Rajchenb. 1985 Quel. (T. maxima), Trametes hirsuta 075 (Wulf. Ex. Fr) (T. hirsute), консорциум Trametes maxima + Trametes hirsute (концорциум T. maxima + T. hirsute), Lenzites betulina (L.) Fr (L. betulina), Pénicillium canescens Sopp. (P. comescens), Peniophora lycii (Pers.) Höhn. & Litsch. (P. lycii) из расчета 0,8 л на 10 кг отходов и проводили твердофазное культивирование в колбах по 300 мл в трехкратной повторности в течение 45 сут. Далее в увлажненные до 70% повторности заселяли по 30 экз. половозрелых червей Eisenia andrei (Bouché) 1972 (Еandrei). Уход за червями заключался в поверхностном смачивании субстрата 1 раз в 3 сут. водой для поддержания влажности 65-80%. Переработка червями продолжалась в течение 45 сут. Эксперимент проводили при температуре 20-25°С. Содержание диоксинов и элементов питания определяли в смешанных образцах из трех повторностей.

Скоп Сяськского ЦБК, предварительно однократно стерилизованный, фасовали в полиэтиленовые пакеты объемом 0,005-0,007 м3 и вносили зерновой мицелий вешенки обыкновенной Pleurotus ostreatus (Jacq.) P. Kumm. {Pl. ostreatus) весом 300-350 г. Далее проводили твердофазное культивирование в течение 60 сут. при температуре 10-15°С в течение первых 15 сут., и при температуре 18-28°С в следующие 45 сут. для прорастания плодовых тел.

Таблица 1 Содержание углерода и элементов питания в отходах ЦБК, лесной подстилке и торфе

С общ., % N общ., % N-N03, мг/кг N-N114, мг/кг Са, мг/кг мг/кг к, мг/кг N3, мг/кг Мп, мг/кг 2п, мг/кг Р, мг/кг э, мг/кг

Отходы Пермского ЦБК

Скоп 43,1 0,3 144 1 13 4038 529 113 395 29 50 24 446

Отходы короотвала 42,9 1,2 37 3 47 10990 603 248 81 302 163 96 280

Отходы Сяськского ЦБК

Скоп 43,5 0.5 90 8 101,9 4732 310 239 488 32 22 136 822

Отходы Светогорского ЦБК

Чистый ил 43,7 3,6 12 29 1769 11427 1363 1630 7198 1367 31 1811 345

Кора 22,8 0,6 39 35 88 7178 1208 2745 113 207 89 248 71

Опил 48,1 1,0 46 4 469 1766 176 440 105 92 1 23 16 221

При эодные компоненты

Лесная подстилка 29,8 1,0 47 7 13 2670 296 1498 39 99 25 116 92

Торф с удобрениями 45,9 1,4 34 100 979 5122 435 863 55 18 8 311 580

Торф 38,8 0,9 41 3 1118 1498 328 184 24 9 3 38 195

Примечание: Скоп - волокнистый осадок системы отчистки сточных вод; отходы короотвала - складируемая смесь кородревесных отходов, скопа; чистый пл - активный избыточный ил; кора- смесь коры, земли, отщепа от производства щепы, измельченные в крашере; опил - свежие хвойные опилки, лесная подстилка - органогенный горизонт (Ао) почв ельников кустарничково-зеленомошных.

Образцы увлажняли каждые 3 сут. Затем отходы перекладывали в контейнеры и в них заселяли по 200 экз. половозрелых червей Е. andrei. Полив осуществлялся каждые 3-5 сут.

Переработка червями продолжалась 60 сут. при температуре 22-25 °С. Эксперимент проводили в трехкратной повторности. Анализ содержания элементов питания проводили в каждой повторности. Контроль - скоп без переработки.

б. Переработка отходов ЦБК, использующих бесхлорную отбелку целлюлозы

Экспериментальная часть исследования отходов Светогорского ЦБК включала лабораторный и полевой этап, а также выращивание посадочного материала сеянцев сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) и ели обыкновенной (Picea abies (L.) Karst) на полученных из отходов ЦБК субстратах.

Лабораторные исследования проводили для оценки содержания диоксинов и элементов питания в отходах ЦБК с бесхлорной отбелкой целлюлозы и субстратах на их основе, полученных методом вермипереработки. Наряду с исследованием влияния червей на качество субстрата, лабораторные эксперименты проводились для принятия решения о необходимости использования грибов белой гнили для детоксификации отходов перед вермипереработкой, т.к. известно, что содержание диоксинов в отходах ЦБК с бесхлорной отбелкой значительно ниже, чем в отходах ЦБК, использующих хлорную отбелку.

В лабораторных условиях смеси из отходов (табл. 2) закладывались в контейнеры объемом по 0,012 м3, в них заселяли по 200 шт. половозрелых червей Е. andrei (плотность заселения - 17 тыс. шт/м3). Уход за червями заключался в поливе субстрата каждые 3 сут. в течение 45 дней. Далее количество поливов сократили до 1 раза в 7 сут. Эксперимент проводили в течение 110 сут. при температуре 22-25°С в трехкратной повторности. Контроль - смеси отходов без переработки червями.

Таблица 2 Соотношение отходов в субстратах на их основе и принятые в работе сокращения и обозначения_

—__Отход Вариант исследования_ Доля отхода в субстрате, % Обозначение в тексте

чистый ил | кора | Опил

Лабораторный эксперимент

1 100 - - чистый ил

2 50 50 - 0.5 ил : 0.5 кора

3 70 30 - 0.7 ил : 0.3 кора

4 50 - 50 0.5 ил : 0.5 опил

5 70 - 30 0.7 ил : 0.3 опил

6 50 25 25 0.5 ил : 0.25 кора : 0.25 опил

7 70 15 15 0.7 ил : 0.15 кора: 0.15 опил

Полевой экспе эимент

1 100 - - чистый ил

2 50 50 - 0.5 ил : 0.5 кора

8 30 70 - 0.3 ил : 0.7 кора

Дополнительный контроль

9 - - - лесная подстилка

10 - - - торф с удобрениями

11 - - - торф без удобрений

Содержание диоксинов определяли в субстрате из чистого ила до переработки и после переработки червями, а также в биомассе червей до переработки и после переработки, в смешанных образцах из трех повторностей. Червей промывали, оставляли в пластиковом контейнере на влажной фильтровальной бумаге в течение 24 часов для опорожнения кишечника, повторно промывали и высушивали до воздушно - сухого состояния. Коэффициент бионакопления рассчитывали, как отношение между содержанием диоксинов в червях и убылью диоксинов в субстрате из отходов в ходе биокомпостирования (Криволуцкий, 2002).

Содержание элементов питания определяли в трехкратной повторности.

Полевой эксперимент проводили для проверки результатов лабораторного эксперимента в полевых условиях и для анализа возможности использования предложенного двухстадийного подхода к переработке отходов в производственных условиях.

На производственной площадке Светогорского ЦБК смеси отходов (табл. 2) формировали в бурты — вытянутые продолговатые кучи размерами 1м х 0,5м х 2м. Бурты были размещены под открытым небом на ровной площадке с предварительно уплотненной поверхностью.

Проводили вермипереработку смесей отходов червями Е. andrei (плотность заселения -14 тыс. шт/м3) в течение 90 сут. при влажности субстрата 60-80%.

Параллельно смеси отходов 0.5 ил : 0.5 кора и 0.3 ил : 0.7 кора пролили культуральной жидкостью штаммов Т. maxima и Т. hirsuta, полученной при их культивировании на глюкозо-пептонной среде, и L. betulina, полученной при культивировании штамма на среде с 2% содержанием мальтэкстракта, из расчета 30 л/м3. Далее бурты тщательно перемешивали и проливали водой до влажности 6080%. После переработки грибами в бурты были заселены черви Е. andrei (плотность заселения - 14 тыс. шт/м3). Переработка грибами длилась 45 сут., червями - 45 сут.

Уход за всеми буртами заключался в равномерном поливе отстоявшейся водой с использованием рассеивателя 1 раз в 3 сут. Контроль - смеси отходов без переработки.

Химический анализ проводили на каждой стадии переработки. Содержание диоксинов определяли в смешанных образцах из 7 повторностей с 1 бурта. Содержание элементов питания определяли в трехкратной повторности с каждого бурта.

Содержание диоксинов определяли в лаборатории аналитической экотоксикологии ИПЭЭ РАН по методике выполнения измерений суммарного содержания полихлорированных дибензо-п-диоксинов (ПХДЦ) и дибензофуранов (ПХДФ) в пересчете на 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п- диоксин (2,3,7,8 -ТХДД) в пробах почв, грунтов, донных отложений методом хромато-масс-спектрометрии (ПНД Ф 16.1:2:2.2.56-08). Анализ выполнен на хромато-масс-спектрометре высокого разрешения Thermo Finnigan MAT 95ХР. Концентрации веществ переводили с учетом эквивалента токсичности, принятом Всемирной Организацией Здравоохранения - WHO-TEF (Van den Berg, 2006).

Актуальную кислотность (pH) измеряли потенциометрически в водной вытяжке, используя соотношение субстрат/раствор - 1:25. Для определения концентрации доступных соединений элементов питания образцы субстрата обрабатывали IM CHjCOONK, (pH = 4,65) (Halonen, 1983; Nord, 1989).

Использовали те же соотношения субстрата и вытеснителя, что и при определении рН. Для определения валового содержания проводили спекание образцов с содой и бурой и обработку соляной кислотой. Содержание углерода определяли методом Тюрина, азота - методом Къельдаля, фосфора - колориметрически. Нитраты и аммоний исследовали колориметрически.

Апробацию субстрата, полученного в лабораторном эксперименте, проводили в ГБУ НО «Семеновский спецсемлесхоз» при выращивании сеянцев сосны обыкновенной и ели обыкновенной с закрытой корневой системой (ЗКС) в условиях закрытого грунта.

Сеянцы выращивали в кассетах типа «Plantec-81» в течение 2,5 месяцев с добавлением в верховой торф 20%, 50%, 100% по объему субстратов на основе отходов. Контроль — сеянцы, выращенные на верховом торфе и верховом торфе, обогащенном удобрениями (табл. 2).

Грунтовую всхожесть определяли на 15 сут. после высева отношением количества семян, давших всходы к общему количеству высеянных семян (ГОСТ 13056.6-97). Определяли количество и длину хвоинок, высоту стволика, длину основного корня, длину и количество боковых корней у каждого сеянца. Массу сеянцев по фракциям (корни, стволики, хвоя) определяли по вариантам в смешанных образцах. Для измерения длины и диаметра корневой шейки использовали штангенциркуль ШЦЦ-1-125 0.01 МИК, для измерения массы - электронные весы типа HJR 420-СЕ.

Апробация субстрата, полученного при полевом эксперименте, проводилась на примере смеси 0.3 ил : 0.7 кора, переработанной грибом Т. maxima и червями, т.к. вариант этой смеси ранее не был апробирован при выращивании сеянцев и содержание доступных соединений К, Р и минеральных форм азота в субстрате после переработки Т. maxima и червями было максимально. Исследования проводили в условиях открытого грунта на сеянцах, выращенных на супесчаной дерново-подзолистой почве (Географический атлас..., 2005). Почву с 20 сеянцами ели обыкновенной 2-го года выращивания мульчировали биосубстратом из расчёта 7 кг/м2 (мощность слоя мульчи составляла около 3 см). Сеянцы выращивали в течение 2,5 месяцев. Контроль — сеянцы, выращенные в аналогичных условиях без использования субстрата из отходов. Проводились измерения количества и длины хвоинок, длины основного корня, количества и длины боковых коней, количества и длины корней третьего и более порядка, высоты стволика и диаметра корневой шейки, массы корней, стволика, хвои каждого сеянца.

Для статистической обработки результатов использовали программный продукт STATISTIC А 11.0 и MS Excel (Microsoft Office 2007) (Хэлворсон, 2005). Для выявления достоверности различий использовали непараметрический тест Краскал-Уоллиса (Kruskal-Wallis ANOVA).

Глава 3 Содержание диоксинов в субстратах из твердых отходов ЦБП

3.1 Анализ изменения содержания диоксинов в твердых отходах ЦБП с хлорной отбелкой целлюлозы

В скопе Пермского ЦБК содержание диоксинов достигает 1,47 нг/кг, при этом содержание ПХДД превосходит содержание Г1ХДФ на 7%.

После двухстадийной переработки грибами Т. maxima, Т. hirsute, консорциума Т. maxima + Т. hirsute и червями содержание диоксинов уменьшилось в среднем на 78%. Максимальное снижение наблюдалось после обработки грибом Т. hirsute и червями (81%).

Анализ образцов короотвала Пермского ЦБК показал присутствие диоксинов в отходах на уровне 1,20 нг/кг, т.к. в состав отходов короотвала входит скоп. В отличие от скопа, в образцах короотвала преобладали ПХДФ на 62%.

Двухстадийная переработка отходов короотвала способствовала снижению содержания диоксинов в отходах на 38%. Максимальное снижение было зафиксировано при использовании консорциума грибов Т. maxima + Т. hirsute и червей (52%).

Таким образом, благодаря последовательной переработке отходов ЦБК, использующего хлорную отбелку целлюлозы, грибами белой шили и червями содержание диоксинов достоверно (р<0,05) снижается до четырех раз (рис. 1).

- .1 1

Вариант исследования

Рисунок 1 - Содержание диоксинов в отходах ЦБК, использующего хлорную

отбелку целлюлозы.

1 - до переработки; 2 - после переработки грибами и червями на 90 сут.

3.2 Анализ изменения содержания диоксинов в твердых отходах ЦБП, использующих бесхлорную отбелку целлюлозы

В чистом иле Светогорского ЦБК общее содержание диоксинов оказалось значительно ниже, чем в отходах Пермского ЦБК, и составило в среднем 0,28 нг/кг. Содержание ПХДФ в отходах превосходило содержание ПХДЦ на 20%. После переработки червями общее содержание диоксинов сократилось на 39%, в основном за счет убыли ПХДЦ. При этом диоксины значительно накопились в биомассе червей. Коэффициент бионакопления диоксинов достигал значения 10. Этот факт свидетельствует о необходимости детоксификации отходов ЦБК, использующих бесхлорную отбелку целлюлозы перед заселением червями.

В полевых условиях опыт по переработке отходов только червями в варианте смеси 0.5 ил : 0.5 кора подтвердил результаты лабораторного эксперимента. Здесь содержание диоксинов под действием червей снизилось на 34%.

Таким образом, переработка отходов ЦБК, с бесхлорной отбелкой целлюлозы червями Е. апс!ге1 снижает содержание диоксинов в среднем на 37 % (рис. 2), но происходит накопление диоксинов в червях, поэтому целесообразно проведение детоксификации грибами белой гнили, которые не накапливают диоксины, перед заселением червями.

Вариант исследования

Рисунок 2 - Содержание диоксинов в отходах ЦБК с бесхлорной отбелкой

целлюлозы.

1 -до переработки; 2 - переработка червями в течение 90-110 сут.; 3 - без переработки в течение 90 сут.

В полевых условиях грибы Т. maxima, Т. hirsute и L. betulina способствуют снижению содержания диоксинов в среднем на 60% по сравнению с контролем (отходы без переработки на 45 сут.) (рис.3). Для переработки смеси 0.5 ил : 0.5 кора наиболее эффективна переработка с использованием штамма Т. hirsute, для смеси 0.3 ил : 0.7 кора — Т. maxima, при этом содержание диоксинов снижается на 74% и 57 % соответственно.

Вариант исследования

Рисунок 3 - Содержание диоксинов в отходах ЦБК с бесхлорной отбелкой

целлюлозы.

1 - переработка грибами на 45 сут.; 2 - без переработки на 45 сут.; 3 - переработка грибами и червями на 90 сут.; 4 -без переработки на 90 сут.

При этом следует отметить, что нами зафиксировано увеличение содержания диоксинов в среднем в 2,5 раза на 45 сут. (р<0,05) в отходах ЦБК с бесхлорной отбелкой целлюлозы в ходе компостирования без биопереработки по сравнению с исходными образцами (до проведения компостирования). Технические процессы хлорирования и отбелки целлюлозы, при которых образуются диоксины, протекают при невысокой температуре (15-20°С) (Иванов, Никандров, 2014). Наличие всех необходимых соединений могло «запустить» подобный процесс в отходах, что и привело к увеличению содержания диоксинов, зафиксированное нами на 45 сутки. Снижение содержание диоксинов на 90 сут. компостирования можно объяснить развитием микрофлоры в отходах в ходе

компостирования. Эти результаты демонстрируют высокую опасность загрязнения окружающей среды во время компостирования отходов без применения биологических агентов. Грибы демонстрируют способность снижать содержание диоксинов в отходах в ходе компостирования (р<0,05). Поэтому грибная переработка отходов ЦБК, использующих бесхлорную отбелку, рассматривается нами как необходимая стадия детоксификации отходов перед вермипереработкой.

Глава 4 Содержание элементов питания в субстратах из твердых отходов ЦБП

4.1 Анализ изменения содержания элементов питания в твердых отходах ЦБК, использующих хлорную отбелку целлюлозы

Содержание углерода в исходном образце скопа Пермского ЦБК выше, чем в лесной подстилке и торфе без удобрений, но ниже чем в торфе с удобрениями (табл. 1). Содержание азота, в том числе минеральных форм, а также доступных для растений соединений К и Р в отходах значительно ниже, чем в природных образцах. C:N скопа достигает 144, что свидетельствует о низкой степени минерализации субстрата. Вместе с тем, в отходах зафиксировано значительное содержание доступных соединений Са, Mg, Na, Zn, S.

В отходах короотвала Пермского ЦБК содержание углерода и азота сопоставимо с уровнями их содержания в торфе с удобрениями (табл. 1), соответственно, соотношение C:N в отходах также сопоставимо. Минеральных форм азота в отходах меньше, чем в торфе с удобрениями и торфе без удобрений; содержание Р и К - выше, чем в торфе без удобрений, но ниже чем в лесной подстилке и торфе с удобрениями. В отходах короотвала содержание других элементов питания значительно выше, чем в образцах лесной подстилки и торфа.

В скопе Сяськского ЦБК содержание углерода превышает его содержание в лесной подстилке (р=0,01) и сопоставимо с уровнем его накопления в торфах (р>0,17) (табл. 1). C:N отхода высокий - 90. Содержание минеральных форм азота выше, чем в лесной подстилке (р<0,05). В отходе содержание Na (р=0,01) выше по сравнению с природными образцами; содержание Са и S выше, чем в лесной подстилке (р=0,01) и находится на сопоставимом уровне с торфом с удобрениями (р>0,06); содержание Mg сопоставимо с его содержанием в лесной подстилке и торфе без удобрений (р>0,64). По сравнению с торфом без удобрений в отходе больше Р и Zn (р=0,01). Скоп беднее Мп (р=0,01), чем подстилка и торф.

При двухстадийной переработке твердых отходов ЦБК с хлорной отбелкой на каждой стадии переработки снижается C:N отходов (за исключением отходов короотвала), увеличивается содержание доступных соединений элементов питания (рис. 4).

При этом на первой стадии грибы белой гнили Т. maxima, Т. hirsute, консорциум грибов Т. maxima + Т. hirsute, P. comescens, P. lycii, PL ostreatus способствуют увеличению содержания аммиачного азота, на второй стадии под действием червей Е. andrei в отходах короотвала изменяется азотный статус за счет увеличения содержания нитратного азота (рис. 5). Этот результат подтверждает выводы исследователей (Битюцкий и др. 2007; Харин, 2009; Тиунов, 2007) о влиянии червей на процесс нитрификации в субстратах.

1 . [ _

1

6000

3000

2000 ;

_ щ [

0 • L' МШ-л Hit

□ скоп Пермского ЦБК И отходы короотвада □ скоп Сяськского ЦБК Рисунок 4 - Содержание элементов питания в отходах ЦБК, использующего хлорную отбелку целлюлозы. 1 - до переработки; 2 - после переработки грибами на 45 сут.; 3 - после переработки грибами и

червями на 90 сут.

700 g бОО Ш 500 | 400

I 300 200

g

и к»

скоп Пермского ЦБК

скоп Сяськского ЦБК

огходы короотвапа Вариант исследования QN-N03 ■ NT-N"H'i

Рисунок 5 — Содержание нитратного и аммиачного азота в отходах ЦБК с хлорной

отбелкой.

1 - до переработки; 2 — после переработки грибами; 3 — после переработки грибами и червя™.

Для отходов ЦБК с хлорной отбелкой наиболее эффективной оказалась переработка грибами Т. maxima + Т. hirsute + черви (скоп Пермского ЦБК) и грибами Т. hirsute + черви (отходы короотвала), PI. ostreatus + черви (скоп Сяськского ЦБК). Субстраты после двухстадийной переработки по своей питательной ценности не уступают лесной подстилке и торфу.

в твердых

4.2 Анализ изменения содержания элементов питания отходах ЦБК, использующих бесхлорную отбелку целлюлозы

Переработка червями. Результаты лабораторного эксперимента демонстрируют, что содержание углерода в смесях отходов ЦБК с бесхлорной отбелкой целлюлозы сопоставимо с торфами (в среднем 42,4%) (р>0,12), при этом содержание общего азота в них в 5 раз больше, чем в лесной подстилке, в 2 раза

выше, чем в торфе с удобрениями, и в 3 раза выше, чем в торфе без удобрений (р=0,02). С:И смесей отходов значительно ниже чем у лесной подстилки, торфа с удобрениями и торфа без удобрений (р=0,02).

Смеси отходов содержат значительно больше нитратного азота, чем лесная подстилка и торф без удобрений (р=0,02), но меньше, чем торф с удобрениями (р=0,05). Аммиачного азота в смесях отходов содержится на уровне торфа с удобрениями и без удобрений (р>0,05) и значительно больше, чем в лесной подстилке (р=0,02). В смесях отходов содержание аммиачного азота превосходит нитратный от 22 (смесь 0.7 ил : 0.3 опил) до 61 раза (чистый ил).

По сравнению с лесной подстилкой в исследуемых смесях Са, больше чем в 4 раза, N8 - в 100 раз, Мп, Р - в 10 раз, Б - в 2 раза.

В исследуемых образцах при переработке червями зафиксировано увеличение содержания доступных соединений К, Ъп, Р, Э (р<0,02) (рис. 6).

Рисунок 6 - Содержание элементов питания в смесях из отходов Светогорского

ЦБК.

1 - до переработки; 2 - контроль на 110 сут.; 3 - после переработки червями на 110 сут.; 4 -лесная подстилка; 5 - торф с удобрениями; 6 -торф без удобрений

Под действием червей увеличилось содержание нитратного азота более чем в 37 раз (р=0,02), за счет чего изменился азотный статус смесей отходов в сторону увеличения доли нитратного азота (рис. 7). В смесях после переработки червями превышение содержание нитратного азота над аммиачным составило от 6 (смесь 0.5 ил : 0.5 опил) до 21 (чистый ил) раза.

В целом смеси отходов после переработки червями превосходят лесную подстилку, торф с удобрениями и без удобрений по своей питательной ценности. Отрицательным для выращивания сеянцев ели и сосны действием червей является смещение азотного статуса субстратов из отходов ЦБК в сторону нитратного азота, а также высокое содержание Ъъ и Б.

до переработки после без торф с торф без

переработки переработки на удобрениями удобрений червями на 110 1 Юсут. еут.

Вариант исследования □N-N03 и

Рисунок 7 - Содержание минеральных форм азота в смесях отходов при лабораторном эксперименте, торфе с удобрениями, торфе без удобрений.

В полевых условиях действие червей повышать содержание нитратного азота не проявилось, поэтому содержание аммиачного азота превышало нитратный от 14 (чистый ил, 0.5 ил : 0.5 кора) до 26 (0.3 ил : 0.7 кора) раз. В субстрате из чистого ила по сравнению с контролем наблюдается повышенное содержание Mg, К, Zn, S, в смеси 0.3 ил : 0.7 кора - Са, Mg, Zn, P.

По сравнению с лесной подстилкой и торфом субстраты богаче элементами питания, хотя повышение содержания доступных для растений соединений элементов в субстратах, обусловленное влиянием червей, не так сильно выражено, как в лабораторных условиях. Скорее всего это связано с замеделением их адаптации к субстрату и жизнедеятельности в нем из-за более низких температур окружающей среды в полевом эксперименте по сравнению с лабораторными условиями.

Переработка грибами и червями. При двухстадийной переработке отходов с бесхлорной отбелкой целлюлозы в полевых условиях установлено увеличение содержания минеральных форм азота (р=0,05) без изменения азотного статуса смесей отходов (рис. 8).

Наиболее ярко выраженные результаты были получены в варианте переработки смесей отходов грибом Т. maxima и червями: после двухстадийной переработки в этом субстрате по сравнению с контролем обнаружено повышенное содержание не только минеральных форм азота, но и Mg, К, Са, Р. В целом полученные субстраты по содержанию элементов питания превосходят лесную подстилку, торф с удобрениями и торф без удобрений.

Ивуиагп исследования Озризлп Иссаеяоягагяя

Рисунок 8 — Содержание элементов питания в смесях из отходов Светогорского

ЦБК.

1 - после переработки грибами на 45 сут.; 2 - без переработки на 45 сут.; 3 - после переработки грибами и червями на 90 сут.; 4 - без переработки на 90 сут.

Глава 5 Анализ всхожести и биометрических параметров сеянцев, выращенных на субстратах из твердых отходов ЦБП 5.1. Результаты апробации субстратов из отходов ЦБК, использующих бесхлорную отбелку целлюлозы, полученных методом вермнпереработки 5.1.1 Всхожесть семян

В биосубстратах из твердых отходов ЦБП отмечено значительное содержание доступных соединений элементов питания, в том числе Zn и 8, которые при повышенных концентрациях могут оказывать негативное воздействие на леса. Следует подчеркнуть, что использование биосубстратов при лесовыращивании предполагает их обязательное смешивание с торфом или лесной подстилкой. При таком смешивании содержание доступных соединений элементов питания, включая Zn и 8, варьирует в пределах значений, наблюдаемых в традиционном торфе с удобрениями и лесной подстилке (Лукина и др., 2008).

Использование биосубстратов из отходов ЦБК с бесхлорной отбелкой целлюлозы, полученных за счет переработки червями Е. апс1ге1, в смеси с торфом способствует увеличению всхожести семян сосны и ели уже при 20% внесения, достигая значения всхожести семян на торфе с удобрениями (рис. 9). При 50%-м внесении значение всхожесть семян остается на уровне торфа с удобрениями. Обращает внимание, что при выращивании сосны на субстрате из отходов без использования торфа (100% внесения) всхожесть семян значительно снижается.

100 90 80 70 60 50 40 ЗО 20 Ю

______!________ i.____________z

-------Ш=------ Т ------1

♦

Í

R' - 0,54 '

R' = О.бЗ

*

О 10 20 30 40 SO бО 70 80 90 100 Доля внесения смеси отходов в торф, %. ♦ сосна

» СЛЬ

— — всхожесть сосны на торфе с удобрениями

— — всхожесть елн на торфе с удобрениями

-Полиномиальная (сосна)

Полиномиальная (ель)

Рисунок 9 - Всхожесть семян сосны обыкновенной и ели обыкновенной

5.1.2 Биометрические показатели сеянцев и фитомасса

Внесение биосубстратов из отходов ЦБК с бесхлорной отбелкой целлюлозы, полученных за счет переработки червями Е. andrei в торф без удобрений способствует увеличению биометрических показателей сеянцев сосны и ели (р<0,05). Исключение составляет высота сеянцев, диаметр корневой шейки сосны (р>0,41) и длина хвоинок ели (р>0,08). При этом, все биометрические параметры сеянцев сосны и ели, кроме параметров хвои, выращенных с использованием биосубстрата, демонстрируют пониженные значения по сравнению с сеянцами, выращенными на торфе, обогащенном удобрениями (рис. 10) (р<0,03).

сосна ель

т

сосна ель

11 п

□ 0% внесения □ 20% внесения Н 50% внесення Я 100% внесен!ш □ торф с удобрениями Рисунок 10 - Биометрические показатели сеянцев сосны обыкновенной и ели

обыкновенной.

К тому же при внесении 50% и выше такого биосубстрата в торфосмесь для выращивания сеянцев происходит уменьшение длины основного корня, количества и длины боковых корней как сосны, так и ели. Высота стволиков, диаметр корневой шейки, длина хвои сеянцев сосны уменьшаются при увеличении доли биосубстратов из отходов ЦБК, полученного методом вермипереработки (р<0,05).

Негативный эффект внесения биосубстратов проявился в увеличении доли надземной части сеянцев, выращенных с их с использованием (рис.10). Так внесение 20% субстрата способствовало увеличению доли хвои сосны на 17% (р=0,03) и снижению доли корней на 26% (р=0,05). У ели доля хвои оказалась выше, а доля корней ниже при внесении 20% субстрата на 13% (р=0,03) и 25% (р=0,05) соответственно, при внесении 50% субстрата доля хвои выше на 23% (р=0,03), а доля корней ниже на 42% (р=0,03), при выращивании сеянцев на биогумусе без использования торфа - доля хвои выше на 11% (р=0,03), а доля

корней ниже на 25% (р=0,05) соответственно. Доля стволиков оставалась стабильной.

Это можно объяснить негативным влиянием избыточного содержания нитратного азота на древесные растения (Епвтап, УпеБ, 2000). При пассаже через кишечник червей в лабораторных условиях может увеличиваться доля бактерий-нитрификаторов и снижаться доля почвенных микромицетов, обеспечивающих аммонификацию. Благоприятные условия температурного и водного режима в эксперименте способствовали процессам нитрифакации. К тому же, негативное влияние на биометрические показатели могли оказать высокие концентрации доступных соединений Zn и Б в субстратах.

5.2 Результаты апробации субстратов из отходов ЦБК, использующих бесхлорную отбелку целлюлозы, полученных методом двухстадийной переработки в полевых условиях

5.2.1 Биометрических показателей сеянцев и фитомасса

Использование субстрата 30 ил : 70 кора, полученного методом двухстадийной переработки отходов грибом Т. тахта и червями, для мульчирования почвы, отличающегося оптимальным содержанием доступных для растений соединений элементов питания, в том числе характерным для лесных почв азотным статусом, способствует увеличению длины основного корня сеянцев ели на 52%, количества и длины боковых корней - на 67 и 41% соответственно, количества и длины корней третьего и более порядков на 64 и 91% соответственно (р<0,02) (рис. 11). Высота сеянцев, выращенных с использованием субстрата из отходов ЦБП увеличивается на 34%), диаметр корневой шейки на 21%, линейный прирост — на 41% (р=0,01). Статистический анализ не выявил различий между опытными и контрольными сеянцами по количеству почек, количеству хвоинок и их среднему размеру.

Масса сеянцев, выращенных с использованием субстрата из отходов ЦБП, превосходит массу контрольных сеянцев на 38% (р=0,05).

Заключение

1. На территории Российской Федерации ежегодно накапливаются значительные объемы твердых отходов ЦБП, содержащих токсичные вещества. Существующие методы переработки отходов не находят широкого распространения из-за их трудоемкости, энергоемкости и высокой стоимости, к тому же они не учитывают необходимость детоксификации отходов перед их утилизацией.

2. Отходы ЦБП независимо от технологии отбелки целлюлозы обладают высоким питательным потенциалом для лесовыращивания: содержание углерода, азота, доступных для растений соединений элементов питания в них превышает или находится на уровне их содержания в лесной подстилке, торфе, а также торфе, обогащенном удобрениями, который традиционно используется при выращивании сеянцев с закрытой корневой системой. Отходы ЦБК, использующих хлорную и бесхлорную отбелку целлюлозы, отличаются по содержанию диоксинов и элементов питания. Отходы ЦБК, использующих хлорную отбелку, содержат значительно больше диоксинов (до 5 раз) и меньше доступных для растений соединений элементов питания (от 2 до 16 раз в зависимости от элемента).

Рисунок 11 - Биометрические показатели сеянцев ели обыкновенной. 1 — контрольные сеянцы; 2 - сеянцы, выращенные с использованием биосубстрата.

3. Результаты лабораторных экспериментов свидетельствуют о том, что двухстадийная переработка отходов ЦБК, применяющих хлорную отбелку

22

целлюлозы, с использованием грибов Trametes maxima, Trámeles hirsute, консорциума грибов Trametes maxima + Trametes hirsute и червей Eisenia andrei способствует снижению общего содержания диоксинов в отходах в среднем на 58%. Для скопа наиболее эффективной оказалась переработка грибом Trametes hirsute и червями, для отходов короотвала - консорциумом грибов Trametes maxima + Trametes hirsute и червями, при этом снижение содержания диоксинов в отходах достигает 80% и 50% соответственно. Наиболее эффективной в отношении повышения плодородия субстратов (содержание К, Mg, Р), включая сужение отношения C:N, оказалась переработка грибами Trametes maxima + Trametes hirsute и червями (скоп Пермского ЦБК), а также грибами Trametes hirsute и червями (отходы короотвала), грибами Pleurotus ostreatus и червями (скоп Сяськского ЦБК).

4. В лабораторном эксперименте переработка отходов ЦБК, использующих бесхлорную отбелку целлюлозы, червями Eisenia andrei способствует снижению содержания в субстратах диоксинов в среднем на 37%, но диоксины накапливаются в биомассе червей (коэффициент бионакопления — 10). Наблюдалось увеличение содержания доступных соединений К, Р, S и Zn и преобладание нитратного азота над аммиачным. Высокое содержание нитратного азота могло являться причиной значительного снижения доли корней сеянцев ели и сосны, выращенных с использованием этих субстратов в смеси с торфом. Всхожесть семян ели и сосны, выращенных с использованием субстратов из отходов ЦБК в смеси с торфом, достигает значений всхожести семян на традиционном субстрате (торфе, обогащенном удобрениями). Однако биометрические показатели демонстрировали пониженные значения по сравнению с сеянцами, выращенными на традиционном субстрате. Отсутствие положительного эффекта от внесения субстратов с высоким содержанием доступных соединений элементов питания на сеянцы, можно объяснить, наряду с преобладанием нитратного азота над аммиачным, повышенным содержанием доступных для растений соединений Zn и S.

5. В полевом эксперименте грибы Trametes maxima, Trametes hirsute и Lenzotus betulina в ходе биокомпостировання способствуют снижению содержания диоксинов в твердых отходах ЦБК, использующих бесхлорную отбелку целлюлозы, в среднем на 60% по сравнению с контролем, тогда как при компостировании без применения биотехнологий содержание диоксинов может превышать начальные значения в 2,5 раза. Двухстадийная переработка отходов грибом Trametes maxima и червями Eisenia andrei, позволяет поддерживать азотный статус субстратов из твердых отходов ЦБП, свойственный лесным почвам. Возможность поддержки азотного статуса на оптимальном уровне при сходной с лабораторным экспериментом исходной численностью червей, объясняется относительно низкой температурой почв и скоростью размножения червей. Оптимальным оказался вариант с переработкой отходов грибом Trametes maxima и червями, при котором содержание доступных соединений Mg, К, Са, Р выше, чем в отходах без переработки. При этом содержание доступных соединений Zn и S остается на стабильно высоком уровне.

6. Мульчирование почвы субстратом, полученным в результате переработки отходов ЦБК, использующих бесхлорную отбелку целлюлозы, грибом Trametes

maxima и червями Eisenia andrei из отходов способствует увеличению длины основного корня на 52%, количества и протяженности боковых корней - на 67 и 41% соответственно, количества и протяженности корней третьего и более порядков на 64 и 91% соответственно, высоты сеянцев на 34%, диаметра корневой шейки - на 21%, линейного прироста — на 41%, массы сеянца — на 38%.

7. Разработанный нами биотехнологический подход к переработке отходов ЦБП, включает 2 стадии: 1 — твердофазное культивирование с использованием грибного инокулянта (Trametes maxima, Trametes hirsuta, Lenzites betulina, консорциум Trametes maxima + Trametes hirsute, Penicilium comescens, Peniophora lycií) или зернового мицелия грибов белой гнили (Pleurotus ostreatus); 2 -обработка червями (Eisenia andrei). Применение данного подхода позволяет снизить токсичность твердых отходов ЦБП и увеличить их питательную ценность. Субстрат, полученный методом двухстадийной переработки отходов, содержит значительно больше доступных для растений элементов питания, чем в лесной подстилке, торфе с удобрениями и торфе без удобрений, имеет гранулированную структуру и пригоден для использования при лесовыращивании в качестве источника питательных элементов для растений.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации.

Публикации в изданиях Перечня ВАК РФ

1. Королева О.В., Федорова Т.В., Лукина Н.В., Тебенькова (Воробьева) Д.Н., Воробьев P.A. Использование биокаталитических процессов лигниноцеллюлозного действия для комплексной переработки отходов целлюлозно-бумажной промышленности. Фундаментальные и прикладные аспекты // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5; URL: www.science-education.ru/111-10229 (дата обращения: 02.10.2013).

2. Тебенькова (Воробьева) Д.Н., Лукина Н.В., Воробьев P.A., Орлова М.А. Гагарин Ю.Н. Всхожесть и биометрические параметры сеянцев, выращенных на субстратах из твердых отходов целлюлозно-бумажной промышленности // Лесоведение. 2014. № 6. - с. 43-52.

Прочие публикации

1 Рыбалов Л.Б., Бастраков А.И., Тебенькова (Воробьева) Д.Н., Ольшанский В.М., Волков C.B. Переработка иловых отходов ЦБК с помощью вермикультуры - Eisenia fétida. Сборник научных трудов. — Минск: НПЦ HAH Беларуси по биоресурсам, 2013. — 250 с.

2 Tebenkova (Vorobyeva), D.M., Lukina, N.V., Koroleva, O.B., Fedorova, T.V., Rybalov, L.B., Bastrakov, A. I., Vorobyev R.A. Orlova, M. A. Bio- technology for recovery of Pulp and Paper Industry wastes / 3-th Biotechnology World Congress, 10-12 February 2014. Dubai UAE. P. 88.

Патенты

Заявка на выдачу патента РФ на изобретение «Способ биотехнологической переработки твердых отходов целлюлозно-бумажной промышленности для получения биогумуса, включающий стадию обработки грибами и стадию вершптереработки» (регистрационный №2013143384 от 26.09.2013 г.).

Подписано в печать 01.04.2015 г. Бумага офсетная. Печать цифровая. Формат А4/2. Усл. печ. л.1. Заказ № 284. Тираж 70 экз. Типография «КОПИЦЕНТР» 119234, г. Москва, Ломоносовский пр-т, д.20 Тел. 8(495)213-88-17 www.autoreferatl.ru