РАЗРАБОТКА БИОФУНКЦИОНАЛИЗОВАННОГО МЕЛИОРАНТА НА ОСНОВЕ УГОЛЬНОЙ ЗОЛЫ, НАСЫЩЕННОЙ ГУМУСОМ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЗДОРОВЬЯ ПОЧВЫ
DOI:
https://doi.org/10.26577/eb.2022.v91.i2.07Ключевые слова:
угольная зола, бурый уголь, гуминовая кислота, метагеномика, микробиом, ризобактерии, почваАннотация
Большая часть промышленного и энергетического секторов экономики ведет к производству огромного количества разнообразных отходов, которые, при неправильном обращении, могут иметь разрушительные последствия для окружающей среды. Угольная зола является одним из наиболее сложных и распространенных антропогенных отходов и традиционно считается весьма проблематичной для переработки и утилизации. Вывоз УЗ-отходов на городские свалки делает почву непригодной к использованию и загрязняют наземные и водные экосистемы. Эти вредные процессы приводят к хроническому загрязнению и деградации вод, почв и воздуха.
Наши предыдущие экспериментальные исследования показали, что добавление в почву веществ, полученных из угля, помогает улучшить физико-химические и биологические свойства почвы, стимулируя рост растений и повышая урожайность. Основное преимущество УЗ, по сравнению со многими другими неорганическими мелиорантами, заключается в том, что она может быть легко оптимизирована с технической точки зрения благодаря ее известному химическому составу, специфическому сочетанию свойств поверхности и иерархической пористости.
Использование полезных почвенных микроорганизмов, а также ГК в сочетании с УЗ может потенциально стимулировать производство сельскохозяйственных культур посредством механизмов биоудобрения, включая биологическую фиксацию азота, солюбилизацию фосфатов, продукцию фитогормонов и процессы биоконтроля. Таким образом, РСРР являются ключевым фактором в поддержании плодородия почвы в качестве компонентов, участвующих в разработке композитов УЗ-ГК, и могут применяться при совместной инокуляции.
Целью исследования является разработка технологии производства высокоэффективного биотехнологического удобрения нового поколения – УЗ-ГК-РСРР.
Создание новых удобрений путем сочетания УЗ с традиционно используемым органическим навозом, дигестатом, компостом и илом имеет большие многообещающие возможности. Однако экологическое и биогеологическое поведение УЗ еще недостаточно изучено. Разработка качественных продуктов на основе УЗ требует определения характеристик выделения питательных веществ и детального изучения их эффективности для различных типов почв и агроэкологических условий. В результате УЗ-ГК-РСРР будут спроектированы и функционилизированы как новый удобрения.
Библиографические ссылки
Ram, L.C.; Masto, R.E. Fly ash for soil amelioration: A review on the influence of ash blending with inorganic and organic amendments. Earth-Science Rev. 2014, 128, 52–74.
Li, M. Peak oil, climate change, and the limits to China’s economic growth; New York : Routledge: New York, 2014; ISBN 1317820304.
Riazi, M.R.; Gupta, R. Coal Production and Processing Technology; 1st Editio.; CRC Press, 2015; ISBN 9780429161933.
Izquierdo, M.; Querol, X. Leaching behaviour of elements from coal combustion fly ash: An overview. Int. J. Coal Geol. 2012, 94, 54–66.
Aradottir, A.L.; Hagen, D. Chapter Three - Ecological Restoration: Approaches and Impacts on Vegetation, Soils and Society. In; Sparks, D.L.B.T.-A. in A., Ed.; Academic Press, 2013; Vol. 120, pp. 173–222 ISBN 0065-2113.
Lowder, S.K.; Skoet, J.; Raney, T. The Number, Size, and Distribution of Farms, Smallholder Farms, and Family Farms Worldwide. World Dev. 2016, 87, 16–29.
Ram, L.C.; Masto, R.E. An appraisal of the potential use of fly ash for reclaiming coal mine spoil. J. Environ. Manage. 2010, 91, 603–617.
Ukwattage, N.L.; Ranjith, P.G.; Bouazza, M. The use of coal combustion fly ash as a soil amendment in agricultural lands (with comments on its potential to improve food security and sequester carbon). Fuel 2013, 109, 400–408.
Usmani, Z.; Kumar, V.; Gupta, P.; Gupta, G.; Rani, R.; Chandra, A. Enhanced soil fertility, plant growth promotion and microbial enzymatic activities of vermicomposted fly ash. Sci. Rep. 2019, 9, 10455.
Ahmad, G.; Khan, A.A.; Mohamed, H.I. Impact of the low and high concentrations of fly ash amended soil on growth, physiological response, and yield of pumpkin (Cucurbita moschata Duch. Ex Poiret L.). Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2021, 28, 17068–17083.
Belyaeva, O.N.; Haynes, R.J. Chemical, microbial and physical properties of manufactured soils produced by co-composting municipal green waste with coal fly ash. Bioresour. Technol. 2009, 100, 5203–5209.
Yan, S.; Zhang, N.; Li, J.; Wang, Y.; Liu, Y.; Cao, M.; Yan, Q. Characterization of humic acids from original coal and its oxidization production. Sci. Rep. 2021, 11, 15381.
Backer, R.; Rokem, J.S.; Ilangumaran, G.; Lamont, J.; Praslickova, D.; Ricci, E.; Subramanian, S.; Smith, D.L. Plant Growth-Promoting Rhizobacteria: Context, Mechanisms of Action, and Roadmap to Commercialization of Biostimulants for Sustainable Agriculture . Front. Plant Sci. 2018, 9, 1473.
Huculak-Mączka, M.; Hoffmann, J.; Hoffmann, K. Evaluation of the possibilities of using humic acids obtained from lignite in the production of commercial fertilizers. J. Soils Sediments 2018, 18, 2868–2880.
Insam, H. A New Set of Substrates Proposed for Community Characterization in Environmental Samples BT - Microbial Communities.; Insam, H., Rangger, A., Eds.; Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, 1997; pp. 259–260.
Siles, J.A.; Rachid, C.T.C.C.; Sampedro, I.; García-Romera, I.; Tiedje, J.M. Microbial diversity of a Mediterranean soil and its changes after biotransformed dry olive residue amendment. PLoS One 2014, 9, e103035.
Çakmakçı, R.; Kantar, F.; Sahin, F. Effect of N2-fixing bacterial inoculations on yield of sugar beet and barley. J. Plant Nutr. Soil Sci. 2001, 164, 527–531.
Çakmakçi, R.; Dönmez, F.; Aydın, A.; Şahin, F. Growth promotion of plants by plant growth-promoting rhizobacteria under greenhouse and two different field soil conditions. Soil Biol. Biochem. 2006, 38, 1482–1487.
Water Content and Loss on Ignition BT - Handbook of Soil Analysis: Mineralogical, Organic and Inorganic Methods. In; Pansu, M., Gautheyrou, J., Eds.; Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, 2006; pp. 3–13 ISBN 978-3-540-31211-6.
Wilke, B.-M. Determination of Chemical and Physical Soil Properties BT - Monitoring and Assessing Soil Bioremediation. In; Margesin, R., Schinner, F., Eds.; Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, 2005; pp. 47–95 ISBN 978-3-540-28904-3.
Arriaga, F.J.; Guzman, J.; Lowery, B. Chapter 5 - Conventional Agricultural Production Systems and Soil Functions. In; Al-Kaisi, M.M., Lowery, B.B.T.-S.H. and I. of A., Eds.; Academic Press, 2017; pp. 109–125 ISBN 978-0-12-805317-1.
pH Measurement BT - Handbook of Soil Analysis: Mineralogical, Organic and Inorganic Methods. In; Pansu, M., Gautheyrou, J., Eds.; Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, 2006; pp. 551–579 ISBN 978-3-540-31211-6.
Sah, R.N. Nitrate‐nitrogen determination—a critical review. Commun. Soil Sci. Plant Anal. 1994, 25, 2841–2869.
Jakmunee, J.; Junsomboon, J. Determination of available phosphorus in soils by using a new extraction procedure and a flow injection amperometric system. Talanta 2009, 79, 1076–1080.
Liao, X.; Zhao, D.; Yan, X. Determination of potassium permanganate demand variation with depth for oxidation-remediation of soils from a PAHs-contaminated coking plant. J. Hazard. Mater. 2011, 193, 164–170.
Allison, S.D.; Jastrow, J.D. Activities of extracellular enzymes in physically isolated fractions of restored grassland soils. Soil Biol. Biochem. 2006, 38, 3245–3256.
Tabatabai, M.A. Soil Enzymes. Methods Soil Anal. 1994, 775–833.
Wang, S.; Zhu, Z.H. Humic acid adsorption on fly ash and its derived unburned carbon. J. Colloid Interface Sci. 2007, 315, 41–46.
Yang, S.; Huang, G.; An, C.; Li, H.; Shi, Y. Adsorption behaviours of sulfonated humic acid at fly ash-water interface: Investigation of equilibrium and kinetic characteristics. Can. J. Chem. Eng. 2015, 93, 2043–2050.
Sparks, D.L. 5 - Sorption Phenomena on Soils. In; Sparks, D.L.B.T.-E.S.C. (Second E., Ed.; Academic Press: Burlington, 2003; pp. 133–186 ISBN 978-0-12-656446-4.
Roulia, M.; Vassiliadis, A.A. Sorption characterization of a cationic dye retained by clays and perlite. Microporous Mesoporous Mater. 2008, 116, 732–740.
Erdogan, F.O. Freundlich, Langmuir, Temkin, DR and Harkins-Jura Isotherm Studies on the Adsorption of CO2 on Various Porous Adsorbents. Int. J. Chem. React. Eng. 2019, 17.
Jaroniec, M.; Kruk, M.; Sayari, A. Adsorption methods for characterization of surface and structural properties of mesoporous molecular sieves. In Mesoporous Molecular Sieves 1998; Bonneviot, L., Béland, F., Danumah, C., Giasson, S., Kaliaguine, S.B.T.-S. in S.S. and C., Eds.; Elsevier, 1998; Vol. 117, pp. 325–332 ISBN 0167-2991.
Ansón, A.; Jagiello, J.; Parra, J.B.; Sanjuán, M.L.; Benito, A.M.; Maser, W.K.; Martínez, M.T. Porosity, Surface Area, Surface Energy, and Hydrogen Adsorption in Nanostructured Carbons. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 15820–15826.
Palomba, V.; Frazzica, A. 15 - Modeling of sorption systems for thermal energy storage. In Woodhead Publishing Series in Energy; Cabeza, L.F.B.T.-A. in T.E.S.S. (Second E., Ed.; Woodhead Publishing, 2021; pp. 453–475 ISBN 978-0-12-819885-8.
Dąbrowski, A. Adsorption — from theory to practice. Adv. Colloid Interface Sci. 2001, 93, 135–224.
Bhattacharyya, P.N.; Jha, D.K. Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR): emergence in agriculture. World J. Microbiol. Biotechnol. 2012, 28, 1327–1350.
Chen, Y.; Aviad, T. Effects of Humic Substances on Plant Growth. Humic Subst. Soil Crop Sci. Sel. Readings 1990, 161–186.
Zhou, L.; Yuan, L.; Zhao, B.; Li, Y.; Lin, Z. Structural characteristics of humic acids derived from Chinese weathered coal under different oxidizing conditions. PLoS One 2019, 14, e0217469.
Jin, J.; Sun, K.; Yang, Y.; Wang, Z.; Han, L.; Wang, X.; Wu, F.; Xing, B. Comparison between Soil- and Biochar-Derived Humic Acids: Composition, Conformation, and Phenanthrene Sorption. Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 1880–1888.
Seyedbagheri, M.M.; He, Z.; Olk, D.C. Yields of Potato and Alternative Crops Impacted by Humic Product Application BT - Sustainable Potato Production: Global Case Studies. In; He, Z., Larkin, R., Honeycutt, W., Eds.; Springer Netherlands: Dordrecht, 2012; pp. 131–140 ISBN 978-94-007-4104-1.
Mosa, A.A. Effect of the Application of Humic Substances on Yield, Quality, and Nutrient Content of Potato Tubers in Egypt BT - Sustainable Potato Production: Global Case Studies. In; He, Z., Larkin, R., Honeycutt, W., Eds.; Springer Netherlands: Dordrecht, 2012; pp. 471–492 ISBN 978-94-007-4104-1.
Baumann, K.; Marschner, P.; Smernik, R.J.; Baldock, J.A. Residue chemistry and microbial community structure during decomposition of eucalypt, wheat and vetch residues. Soil Biol. Biochem. 2009, 41, 1966–1975.
Paterson, E.; Sim, A. Soil-specific response functions of organic matter mineralization to the availability of labile carbon. Glob. Chang. Biol. 2013, 19, 1562–1571.
González, M.; Gomez, E.; Comese, R.; Quesada, M.; Conti, M. Influence of organic amendments on soil quality potential indicators in an urban horticultural system. Bioresour. Technol. 2010, 101, 8897–8901.
Smith, J.L.; Collins, H.P.; Bailey, V.L. The effect of young biochar on soil respiration. Soil Biol. Biochem. 2010, 42, 2345–2347.
Cycoń, M.; Piotrowska-Seget, Z.; Kozdrój, J. Dehydrogenase activity as an indicator of different microbial responses to pesticide-treated soils. Chem. Ecol. 2010, 26, 243–250.
Kushnerova O. A., Akimochkina G.V., Fomenko E.V. Single-Stage Aerodynamic Separation of Fly Ash Produced after Pulverized Combustion of Coal from the Ekibastuz Basin // Solid Fuel Chem. – 2018. – V. 52. – I. 3. – P. 188–200.
Huculak-Mączka M., Hoffmann J., Hoffmann K. Evaluation of the possibilities of using humic acids obtained from lignite in the production of commercial fertilizers. J. Soils Sediments 2018, 18, 2868–2880.
Cheng, G.; Niu, Z.; Zhang, C.; Zhang, X.; Li, X. Extraction of humic acid from lignite by KOH-hydrothermal method. Appl. Sci. 2019, 9.
Delmont T.O., Robe P., Cecillon S., Clark I.M., Constancias F. Accessing the soil metagenome for studies of microbial diversity // Appl Environ Microbiol. – 2011. – № 77. – P. 1315-1324.
Oulas A., Pavloudi C., Polymenakou P., Pavlopoulos G.A., Papanikolaou N., Kotoulas G. Metagenomics: tools and insights for analyzing next-generation sequencing data derived from biodiversity studies // Bioinform Biol Insights. – 2015. – № 9. – P. 75-88.
Blissett R. S. A review of the multi-component utilisation of coal fly ash / R. S. Blissett, N. A. Rowson // Fuel. – 2012. – V. 97. – P. 1–23.
Manzak A, Kurşun C, Yıldız Y. 2017. Characterization of humic acid extracted from aqueous solutions with polymer inclusion membranes. // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 81:14-20.
Gonzalez-Vila F.J., Martin F., Del Rio J.C., Fründ R. Structural characteristics and geochemical significance of humic acids isolated from three Spanish lignite deposits //Sci. Total Environ. 117–118 (1992) 335–343.
Nasir S., Sarfaraz T.B., Verheyen T.V., Chaffee A.L. Structural elucidation of humic acids extracted from Pakistani lignite using spectroscopic and thermal degradative techniques //Fuel Process. Technol. 92 (2011) 983–991.
Jiang F., Li Z., Lv Z., Gao T., Yang J., Qin Z.,Yuan H. The biosolubilization of lignite by Bacillus sp. Y7 and characterization of the soluble products // Fuel. – 2013. – № 103.– P.639-645.
Zsolnay A., Baigar E., Jimenez M., Steinweg B., Saccomandi F. Differentiating with fluorescence spectroscopy the sources of dissolved organic matter in soils subjected to drying. // Chemosphere. 38 (1999) 45–50.
Fu P., Kawamura K., Chen J., Qin M., Ren L., Sun Y., Wang Z., Barrie L.A., Tachibana E., Ding A., Yamashita Y. Fluorescent water-soluble organic aerosols in the High Arctic atmosphere. // Sci. Rep. 5 (2015) 9845.
Doskočil L., Burdíková-Szewieczková J., Enev V., Kalina L., Wasserbauer J., Spectral characterization and comparison of humic acids isolated from some European lignites. // Fuel. 213 (2018) 123–132.
