КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-16-00145

НазваниеПерспективы использования отходов целлюлозно-бумажной промышленности для повышения плодородия почв и урожайности агрокультур

РуководительБахмет Ольга Николаевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Карельский научный центр Российской академии наук", Республика Карелия

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2024 г. 

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-102 - Агрономия

Ключевые словаКультурные виды, урожайность, элементы минерального питания, свойства почвы, устойчивость к стрессовым факторам, физиологические процессы.

Код ГРНТИ68.33.29

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интенсификация сельскохозяйственного производства основывается на внедрении новых экономически выгодных методов и приемов, обеспечивающих, в числе прочих, повышение плодородия почв. В настоящее время активно исследуются агроприемы, позволяющие с одной стороны поддерживать высокий уровень почвенного плодородия, а с другой – снизить себестоимость сельхозпродукции. В качестве частичной замены внесения в почву высоких доз удобрений рассматривается и изучается широкий спектр веществ, однако вопрос о возможности использования в данных целях отходов целлюлозно-бумажной промышленности остается пока открытым. Целью данного проекта ставится оценка влияния отходов ЦБК (лигносульфонат, избыточно активный ил, скоп, кора хвойных пород) при внесении их в почвы различного типа (минеральные и торфяные) на агрохимические и агрофизические почвенные свойства и, что самое важное, на урожайность широкого спектра видов культурных растений открытого и закрытого грунта. Ожидается, что отходы ЦБК будут способствовать повышению плодородия почвы, через увеличение содержания в ней органического вещества, элементов минерального питания, повышение емкости катионного обмена, изменения структуры, плотности, водоудерживающей способности и прочих свойств почвы. Улучшение почвенных свойств под влиянием отходов ЦБК, как ожидается, положительно отразится на урожайности агрокультуры. Поскольку урожайность в значительной степени зависит от физиологической активности растений, в данном проекте большое значение будет уделено изучению влияния отходов на их способность активизировать основные процессы растений, такие как рост, фотосинтез, дыхание, водный обмен. Приведенные гипотетические утверждения требуют подтверждения, которые будут получены или опровергнуты в ходе реализации данного проекта. Таким образом, в ходе проекта впервые будет выявлена роль отходов ЦБК в оптимизации физиологических процессов роста и развития растений опосредованно через влияние на почвенные свойства, или напрямую через биостимулирование. Существенная часть территории России, в основном северные ее районы, относится к зоне рискованного земледелия. Связано это с объективными причинами, такими как неустойчивые агрометеоусловия и низкое естественное плодородие почв. Нестабильный температурный режим, частое или продолжительное понижение температуры, недостаток элементов минерального питания и воды в почве, а также токсичное загрязнение почвы тяжелыми металлами могут являться стрессовыми факторами, ограничивающими продуктивность и урожайность сельскохозяйственных культур, культивируемых на данных территориях. Научная новизна проекта будет заключаться, в том числе в оценке влияния отходов ЦБК на способность растений поддерживать активность физиологических процессов при стрессе, и более того, активизировать специализированные адаптивные механизмы и/или формировать новые защитные системы, обеспечивающие жизнеспособность организма в экстремальных условиях. Для комплексного решения поставленных в проекте вопросов будут использованы методы и подходы агрономии, почвоведения, физиологии растений, которые будут применены как в ходе полевых опытов на экспериментальных площадях открытого и закрытого грунта, так и в вегетационных экспериментах, проводимых в контролируемых условиях среды. В рамках проекта будут впервые разработаны подходы к улучшению почвенных свойств на основе использования отходов ЦБК, а также выявлены виды сельскохозяйственных культур с наиболее позитивным откликом. Кроме того, впервые будет разработана методология оценки социально-экономической результативности применения в аграрном секторе отходов ЦБК для повышения почвенного плодородия и урожайности культурных растений. Актуальность и важность тематики проекта определяется тем, что научно обоснованная возможность повышения продуктивности почв с использованием отходов целлюлозно-бумажной промышленности позволит существенно расширить базу агропроизводства в регионах страны, где нестабильные климатические условиям, низкое плодородие почвы и другие неблагоприятные условия лимитируют продуктивность и урожайность культур, не позволяя полностью реализовать потенциал сельскохозяйственного сектора. Использование результатов данного исследования внесет вклад в укрепление продовольственной безопасности Российской Федерации. Кроме того, что использование отходов ЦБК в растениеводстве будет способствовать интенсификации агропроизводства страны, оно позволит сократить объемы накопления отходов. Известно, что только небольшая часть отходов ЦБК повторно используется в ряде отраслей промышленности, а также частично используется местным населением, в основном в виде скопа, на приусадебных участках. Поэтому расширение диапазона использования отходов ЦБК актуально также для улучшения экологической ситуации посредством их утилизации и снижения объемов хранения.

Ожидаемые результаты
1. Главным фундаментальным результатом проекта будет получение принципиально новых знаний о влиянии отходов ЦБК на плодородие почвы и урожайность ряда культурных видов. Научно обоснованные технологии применения данного агроприема будут предложены для практического использования, что может дать толчок к дальнейшему росту производительности в сельскохозяйственном секторе при этом, не нанося ущерба окружающей среде и даже снижая его путем утилизации некоторого количества отходов ЦБК; 2. Данные агрохимических (содержание элементов минерального питания растений) и агрофизических (гранулометрический состав, плотность, порозность, водоудерживающая способность, скорость фильтрации и пр) свойств почв, улучшенных с использованием отходов ЦБК, а также содержание и концентрация в них тяжелых металлов позволят выявить наиболее перспективные для применения виды отходов или их комбинации с целью создания высокоплодородных почвенных субстратов, подходящих для успешного культивирования на них агрокультур и достижения высокой урожайности; 3. Результаты изучения основных физиологических процессов растений (рост, фотосинтез, дыхание, водный обмен) позволят оценить механизмы влияния внесения отходов в почву на продуктивность и урожайность культур и выявить первопричину стимулирования отходами активности физиологических процессов, и следовательно, оптимизации их роста, развития и урожайности; 4. Параметры роста, развития, активности и состояния фотосинтетического аппарата, а также процесса дыхания растений при культивировании их на почвенных субстратах, содержащих отходы ЦБК, и подвергавшихся воздействию неблагоприятных факторов среды (низкая температура, недостаток элементов минерального питания или воды в почве, токсичное загрязнение почвы тяжелыми металлами) позволят выявить роль отходов в повышении устойчивости растений к стрессовым условиям абиотической природы. В дальнейшем эти результаты могут быть использованы для разработки технологий управления ростом и развитием растений при их культивировании в условиях ожидаемых стрессовых воздействий. Ожидаемые результаты исследований будут содержать принципиально новые знания в области управления продукционным процессом культурных растений, важные как для понимания механизмов повышения урожайности и устойчивости к стрессам, так и актуальные в плане их практического применения для совершенствования технологий возделывания. Их уровень будет соответствовать мировому.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Исследовано влияние внесения лигносульфоната натрия, скопа, избыточно активного ила на показатели почвенного плодородия дерново-подзолистых почв различного гранулометрического состава. Внесение лигносульфоната натрия существенно повышает содержание калия и обменных катионов на легких по гранулометрическому составу почвах. На тяжелых почвах данный прием содействует их уплотнению и приобретению свойств, характерных солонцам. Увеличение содержания элементов почвенного питания при внесении скопа существенно превышает аналогичные показатели при внесении лигносульфоната, однако в данном случае раскисление почвенного раствора идет более медленно и отсутствует эффект подщелачивания. Исследовано влияние внесения отходов ЦБК (лигносульфонат натрия, избыточно активный ил) в почвах разных типов на основные физиологические процессы растений и устойчивость растений к действию неблагоприятных факторов. Выявлено, что внесение лигносульфоната в дерново-подзолистую почву в малых дозах не повлияло на продуктивность растений и активность физиологических процессов растений огурца, а высокие дозы этого вида отходов ингибировали физиологическую активность растений вследствие натриевого засоления почвы. В малых дозах лигносульфонат способствовал повышению устойчивости фотосинтеза к кратковременному, но не длительному действию пониженных температур. В условиях дефицита питания внесение лигносульфоната натрия в почву способствовало активизации фотосинтетической активности растений огурца и накоплению им биомассы, однако данный агроприем не был достаточен для полного восстановления физиологических процессов, обеспечивающих высокую продуктивность растений. Для исследования избыточно активного ила как детоксикатора тяжелых металлов в почве выполнена предварительная оценка влияния повышенных концентраций свинца в почве на продуктивность, фотосинтез и дыхание растений салата. Выявлено, что загрязнение почвы свинцом не влияло на накопление растениями сухой биомассы, но вызывало ее перераспределение в сторону большего накопления в корнях, чем в надземной части. Повышенное содержание свинца в почве ингибировало фотосинтетическую активность, но повышало интенсивность дыхательного метаболизма, что отражало сдвиг углеродного баланса растений в сторону потерь углерода, и как следствие, снижение продуктивности растений. Исследования водно-физических свойств почвы показали положительное влияние внесения в почву избыточно активного ила на водоудерживающую и водоподъемную способность дерново-подзолистой почвы, однако, не было отмечено влияния данного отхода на водопроницаемость почвы. Анализ развития сельского хозяйства в регионах Севера России показал, что вклад аграрного сектора в социально-экономическое развитие арктических субъектов РФ значительно ниже среднероссийского уровня по всем показателям. При использовании новой инновационной технологии повышения плодородия почв выявлен синергетический эффект, который особенно актуален для условий Севера России. Результаты могут быть применены при составлении и корректировке документов стратегического планирования в сфере развития аграрного сектора и увеличения степени его значимости в социально-экономическом развитии северных регионов России.

 

Публикации

1. Воронина Л.В., Юркевич М. Г. , Губина О. В. , Проворова А. А. Методические рекомендации по оценке социально-экономической результативности применения искусственно улучшенных почв на основе отходов целлюлозно-бумажной промышленности в условиях Севера Отходы и ресурсы., Отходы и ресурсы. — 2022. — Т. 9. — № 2. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.15862/15ECOR222

2. Икконен Е.Н., Казнина Н.М. Physiological responses of lettuce (Lactuca sativa L.) to soil contamination with Pb MDPI, Basel, Switzerland, Horticulturae 2022, 8, 951. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/horticulturae8100951

3. Юркевич М.Г., Сулейманов Р.Р., Дорогая Е.С., Курбатов А.А. Оценка содержания тяжелых металлов в подзолистой почве различного гранулометрического состава при внесении активного ила как основы наноудобрения (отход целлюлозно-бумажной промышленности) Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал, Нанотехнологии в строительстве. 2022. Т.14, №. 6. С. 510–515 (год публикации - 2022)

4. Юркевич М.Г., Сулейманов Р.Р., Икконен Е.Н., Дорогая Е.С., Бахмет О.Н. Effect of Brown Algae (Fucus vesiculosus L.) on Humus and Chemical Properties of Soils of Different Type and Postgermination Growth of Cucumber Seedlings. Agronomy, Agronomy 2022, 12(9), 1991; https://doi.org/10.3390/agronomy12091991 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/agronomy12091991

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследовано применение отхода ЦБК лигносульфоната натрия в качестве структурной единицы для создания почвовподобной смеси на отвалах отработанных карьеров. Внесение лигносульфоната натрия в грунт карьера независимо от концентрации многократно повышало содержание органического вещества, снижало кислотность почвенного раствора в 1,6 раза. Внесение в смесь грунта карьера с лигносульфонатом натрия жидкой культуры бактерий в присутствии азотного удобрения приводило к максимальному увеличению содержания органического вещества, щелочногидролизуемого азота. Рекомендуем использование смеси лигносульфоната натрия, азотного удобрения и микроорганизмов в качестве прослойки между грунтом карьера и плодородной почвой, наносимой на рекультивируемую поверхность с последующей высадкой местных видов растительности. Применение активного ила, как одного из видов отходов ЦБК в качестве корневых и некорневых подкормках различных сельскохозяйственных культур носит стимулирующий эффект, урожайность возрастала в 1,3- 1,9 раза, однако эффективная концентрация концентрация вещества зависит от вида культуры. Исследование эффективности использования избыточно активного ила для улучшения качества дерново-подзолистой почвы показало существенное его влияние как на большинство физических свойств почвы, так и на параметры роста растений. Внесение ила усиливало рост листового салата с перераспределением биомассы растений в сторону большего накопления в побегах, чем в корнях. Увеличение урожайности салата при поливе активным илом было тесно связано с улучшением физических свойств почвы. Хотя при поливе растений происходило частичное накопление отхода на поверхности почвы, поступившие в глубь почвы частицы ила взаимодействовали с твердыми структурами с образованием устойчивых органоминеральных комплексов, что способствовало увеличению доли крупных дренажных пор и водоудерживающей способности почвы. Вторичные отходы повышали теплопроводность влажной почвы, что могло быть связано с увеличением объемов удерживаемой почвой влаги. В совокупности результаты свидетельствуют о положительном эффекте активного ила на физические свойства дерново-подзолистой почвы, и, как следствие, на продуктивность растений. Исследование влияния избыточно активного ила на основные физиологические процессы растений и их устойчивость к действию стрессового фактора показало, что внесение этого вторичного отхода целлюлозно-бумажной промышленности способствует восстановлению активности растительных процессов в условиях загрязнения почвы свинцом. Эффект детоксикации почвы при применении отхода проявлялся в повышении скорости роста растений и накоплении ими сухого вещества, снижении содержания свинца в тканях растений, увеличении фотосинтетической эффективности использования света и макроэлементов и повышении интенсивности ассимиляции СО2 в процессе фотосинтеза. Тогда как повышенное содержание свинца в почве ингибировало активность фотосистемы II и усиливало интенсивность дыхания листьев, внесение в почву избыточно активного ила снижало поступление металла в ткани растений, что сопровождалось восстановлением интенсивности фотосинтеза, снижением дыхательных затрат и смещением баланса углерода растений в сторону его накопления. Последнее способствовало росту продуктивности растений. Таким образом, эксперимент выявил положительный эффект от использования избыточно активного ила на устойчивость растений к действию такого стрессового фактора, как загрязнение почвы тяжелым металлом. Совокупное влияние применения искусственно улучшенных почв на основе отходов целлюлозно-бумажной промышленности в аграрном секторе будет содействовать повышению плодородия земель и как следствие увеличению урожайности сельскохозяйственных культур. С целью повышения урожайности почв в северных регионах необходимо контролировать уровень их потребности в удобрениях.. С целью сохранения и восстановления хрупких экосистем в рамках развития на предприятиях политики управления отходами и бережливого производства некоторые отходы возможно перерабатывать с целью получения новых видов удобрений (в частности, в лесном секторе – органоминеральных). Данный факт эффективнее повлияет как на экологическую, так и сельскохозяйственную составляющие на Севере России при активной поддержке государства. Для каждого северного региона, в зависимости от условий выращивания, требуются высокоурожайные сорта определенных культур, адаптированные к локальным условиям. Регионам необходимы скороспелые сорта сельскохозяйственных культур, устойчивые к пониженным весенним и ранним осенним температурам.

 

Публикации

1. Бутылкина М., Икконен Е.Н. Physical Properties of Retisol under Secondary Pulp and Paper Sludge Application. Land, Land, 2023, 12, 2022 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/land12112022

2. Воронина Л. В. , Юркевич М. Г. , Губина О. В. , Проворова А. А. Методические рекомендации по оценке социально-экономической результативности применения искусственно улучшенных почв на основе отходов целлюлозно-бумажной промышленности в условиях Севера Отходы и ресурсы, 2022. Т. 9. № 2. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15862/15ECOR222

3. Воронина л., Юркевич М., Яхяев Д Grigorishchin A. Strategic management of agricultural productivity to increase food self-sufficiency in northern territories Journal of Management & Technology, 2023, vol. 23, n. 2, p. 343-355 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.20397/2177-6652/2023.v23i2.2661

4. Дорогая Е.С., Сулейманов Р.Р., Кузина Е.В., Юркевич М.Г., Бахмет О.Н. О возможности использования лигносульфоната натрия в качестве наноорганической основы для создания почвоподобных тел в целях рекультивации техногенно-деградированных земель Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал, 2023. Т. 15. № 4. С. 359-372. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15828/2075-8545-2023-15-4-359-372

5. Икконен Е.; Юркевич М.; Казнина Н.; Красильников П. Sodium Lignosulfonate Effect on Physiological Traits of Cucumis sativus L. Seedlings Agriculture, 2023, 13, 307 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/agriculture13020307

6. Икконен Е.Н., Юркевич М.Г. Физиологические реакции растений огурца на внесение лигносульфоната натрия в дерново-подзолистую почву Известия Российской академии наук. Серия биологическая, 2023. № 6. С. 609-615 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S1026347022600510,

7. Икконен Е.Н., Юркевич М.Г. Physiological Responses of Cucumber Plants to Application of Sodium Lignosulfonate on Sandy Loam Soil. Biol Bull Russ Acad Sci, 50, 1234–1240 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1062359023600848

8. Курбатов А.А., Икконен Е.Н. , Юркевич М.Г. Физиологический отклик листового салата (lactuca sativa l.) на внесение вторичных отходов ЦБК в почву, загрязненную свинцом Тезисы X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.), 2023, С.209. (год публикации - 2023)