УДК 37.013

Пример школьной исследовательской работы по оценке возможности рекультивации деградированных почв с использованием метода “Terra Preta”

Кларос Монтаньо Роберто Андрес – студент Московского физико-технического института.

Соколов Виктор Сергеевич – учитель биологии Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения города Москвы «Пятьдесят седьмая школа».

Прокопьев Юрий Александрович – учитель биологии Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения города Москвы «Пятьдесят седьмая школа»; ассистент преподавателя Департамента молекулярной и биологической физики Московского физико-технического института.

Чернов Тимур Александрович – учитель биологии Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения города Москвы «Пятьдесят седьмая школа»; научный сотрудник Лаборатории молекулярно-биологических и нейробиологических проблем и биоскрининга Московского физико-технического института.

Аннотация: Экологическое воспитание, прививание заботы об окружающей среде является трендом новейших образовательных технологий последнего времени. Тем не менее, практически невозможно подступиться к вопросу формирования бережного отношения к окружающей среде, почерпнув информацию об экологических проблемах исключительно из страниц учебников. В данной статье приводится пример проектной работы, в которой изучается, приведет ли добавление активированного угля в исходно бедные субстраты по методу “Terra Pretta” к повышению объемов биомассы растений, выращиваемых на данных почвосмесях. Также при эффективности добавления активированного угля в исходно бедные субстраты для повышения объемов биомассы растений определялось оптимальное соотношение угля к исходному субстрату. Анализ полученных данных позволяет сделать выводы о том, что добавление определенного количества активированного угля в исходно бедные субстраты, такие как глина и песок, приводит к повышению объемов биомассы растений, выращиваемых на данных почвосмесях.

Ключевые слова: биомасса, почва, уголь, обогащение субстрата.

Введение

Терра прета – феномен антропогенных почв, обнаруженных археологами на территории бассейна р. Амазонки. Их название («terra preta» или «terra preta do indio») происходит от португальского выражения, которое можно перевести, как «черная земля», «черная земля индейцев». Однако от натуральных черноземов Терра прета существенно отличается [1]. 

Так как почвы бассейна р. Амазонки очень неплодородны, индейцы, проживающие на этих территориях, нашли способ их существенного обогащения. Ежегодно в течение многих лет индейцы вносили в почвы, впоследствии используемые для земледелия, органические удобрения и низкотемпературный активированный древесный уголь, который и придавал земле черный цвет [2]. 

Активированным углем называют древесный уголь с очень высокой пористостью, вследствие чего имеющий высокие сорбционные способности [3]. Уголь, производимый индейцами для создания Терра прета, был способен впитать в один собственный объем до трех-четырех объемов воды. Однако методы, используемые индейцами для производства такого угля, обладают очень низкой производительностью и требуют высоких человеческих трудозатрат. Наиболее распространенный в наше время метод активации угля является технически сложным и дорогостоящим. В научных работах последних лет было показано, что активированный уголь, пористость которого достаточна для его использования при реконструкции Терра прета, можно получить путем проведения трех последовательных циклов замораживания-размораживания древесного угля в водной среде [4, 5]. 

Внесение существенных объемов древесного угля в почву рассматривается как один из вариантов выведения углерода из естественного круговорота, а соответственно снижения его концентрации в атмосфере. Наряду со снижением углеродного следа данная технология рассматривается как метод возвращения в севооборот деградировавших в результате интенсивного сельского хозяйства площадей, либо улучшение плодородия и использование изначально непригодных территорий [6]. Обогащение малогумусированных почв является актуальным для многих регионов мира и, в том числе, для центральноевропейской части России. Согласно “Классификации и диагностике почв России” 2004 г. к малогумуссированным почвам относятся почвы с содержанием гумуса в верхнем горизонте менее 3% [7]. Дерново-подзолистые почвы, используемые в земледелии, обычно содержат 1,5-2,5% гумуса, редко больше [8]. Для малогумуссированных почв характерны неблагоприятные водно-физические свойства, в том числе невысокая влагоемкость, что вносит вклад в их низкое плодородие. Добавление в почву активированного древесного угля может быть одним из доступных способов обогащения почв, так как активированный уголь, благодаря своему пористому строению, обладает высокой влагоемкостью. Также активированный уголь способствует разрыхлению водоупорных почв, таких как глинистые почвы. Существует мнение, что Терра прета способны внести вклад в решение и других крайне актуальных проблем, например, таких как проблема глобального потепления и продовольственной безопасности.

До недавнего времени основным из препятствий, возникавших при попытке использовать Терра прета, была дороговизна их производства, в основном обусловленная стоимостью производства активированного угля. Однако с созданием дешевого и технологически простого метода его производства возникает новая проблема, требующая исследования. Подходит ли данный уголь для создания высокопродуктивных почв? В каком количестве он должен добавляться к исходному грунту?

В рамках данного научно-исследовательского проекта изучалось влияние активированного угля как компонента, вносимого в исходно бедные субстраты, на объемы биомассы растений, выращиваемых на данных почвосмесях. При повышении объемов биомассы растений, выращенных на экспериментальных почвосмесях, определялось оптимальное отношение угля к исходному субстрату. 

Методы и принципы исследования

В качестве модельного объекта для исследований был выбран представитель семейства Яснотковые (Lamiaceae) – базилик. Он является сельскохозяйственной культурой и обладает коротким сроком культивирования (70 дней) и мелкими семенами [10]. Его характеристики позволили провести эксперимент в короткие сроки, а также позволили во многом избежать влияния факторов, отличных от свойств исследуемых почв, на образцы растений при их выращивании.

Активированный уголь был получен по методу, описанному в одной из исследовательских работ, проведенных в нашей школе в прошлом году. Древесный березовый уголь для мангала производства ООО «ПромоТекс» был погружен в воду и подвергнут заморозке в бытовой морозильной камере. Было произведено 3 цикла заморозки-разморозки, что, как было показано в литературе, увеличивает его пористость, тем самым воссоздавая свойства угля, используемого для создания Терра прета. 

В качестве образцов были взяты субстраты, являющиеся бедными и обычно считающиеся непригодными для сельского хозяйства – промытый речной песок, глина, выработанная порода угольной шахты из Тульской области (с Террикона).

Субстраты были смешаны с активированным углем в объемных соотношениях (доля субстрата/доля угля (%)), указанном в таблице 1. 

Таблица 1. Типы и количество образцов почвы (в шт.).

Смешанные грунты были помещены в горшочки объемом по 250 мл, промаркированы и вымочены в растворе удобрений, состав которого указан в таблице 2.

Таблица 2. Состав раствора питательных веществ для растений, который является базовым, при разработке смесей для гидропонных установок.

После семена базилика были равномерно распределены на грунте (по 35 семян в каждый) и покрыты небольшим слоем грунта (около 2 мм). Горшочки с грунтом были помещены в мини-теплицу. Т 27 ℃, световые режимы: красный свет, синий и красный, белый свет. Фотопериод 18 ч, плотность потока фотонов 160-170 мкмоль/м²*с. (методика А.С. Иваницких, И.Г. Тараканова).

Основные результаты

После 70 дней выращивания кустики образцов базилика были срезаны максимально близко к почве и взвешены на электронных настольных весах SF-400 (заявленная точность измерения 1 г). Полученные результаты представлены в таблице 3 и рисунке 1.

Таблица 3. Масса базилика (в граммах) в образцах разных субстратов с различным содержанием активированного угля.

 

Рисунок 1. Зависимость биомассы базилика от состава грунта.

Как можно заметить из рисунка 1, при использовании глины максимальный прирост биомассы, заметно отличающийся от прироста на 100% глине, наблюдается при содержании 50% активированного угля в смеси. На песке максимальный прирост биомассы наблюдается при 20% активированного угля в смеси. 

При использовании породы от угольно-добывающей шахты наблюдается нулевой прирост биомассы в случае 100%, 80% и 50% породы в смеси. На данных субстратах семена проклюнулись, но погибли вскоре после этого. Рост наблюдается только в случае присутствия 20% породы в субстрате, однако значимо не отличается от чистого угля. 

Обсуждение

Предположительно, подобное поведение растений обусловлено наличием в породе токсичных для растения веществ, например высокое содержание тяжелых металлов. Однако, данное предположение требует экспериментальной проверки и отдельного полноценного исследования.

Данное исследование открывает перспективы к разработке дешевых методик обогащения бедных почв с помощью добавления в них определенных количеств низкотемпературного активированного древесного угля. Производство древесного угля имеет низкую стоимость, в качестве сырья могут использоваться субстраты, на данный момент являющиеся захораниваемыми отходами – обрез деревьев городских и парковых насаждений, отходы деревообрабатывающей промышленности и проч.

В ходе исследования было показано, что добавление активированного древесного угля оказало наибольшее влияние на прирост биомассы в глинистом субстрате. Выработанная порода угольной шахты непригодна для произрастания данного растения, всходы базилика не выживали на ней даже при добавлении активированного угля. При добавлении значительного количества угля прирост биомассы был такой же, как и на активированном угле без примесей. 

Чистый низкотемпературный активированный древесный уголь является не лучшим субстратом для выращивания растений, так как на нем прирост биомассы был сравнительно невелик.

Обычно активированный уголь делают из угля или древесного угля. С другой стороны, на данный момент производство активированного угля из возобновляемых ресурсов оказывает большее влияние и открывает способ улучшить конкретный аспект, поскольку он является устойчивым [11].

Заключение

В процессе работы над исследованием было определено, что добавление определенного количества активированного угля в исходно бедные субстраты, такие как глина и песок, приводит к повышению объемов биомассы растений, выращиваемых на данных почвосмесях.

В ходе исследования также стало очевидно, что при попытках использования почв с добавлением активированного угля для восстановления почвенных покровов, которые были нарушены из-за промышленных выработок и других антропогенных процессов, стоит учитывать уровень загрязнения почв и другие факторы.

Почвы, исторически обогащенные древесным углем, имеют тенденцию преодолевать отсутствие многолетних полевых экспериментов по добавлению биоугля в почву [12].

В процессе работы по предложенной теме возможно не только глубже погрузиться в эколого-биологическую тематику, но и реализовать региональную компоненту, которая может заключаться в подборе образцов почв из проблемных экосистем конкретного региона. Полученные в ходе данного проекта результаты могут стать основой для целой цепи проектно-исследовательских работ, комплексно рассматривающих различные способы рекультивации земель нарушенных биотопов, стать базисом для формирования школьного экологического сообщества, включающего в спектр рассматриваемых проблем иные проблемные экологические аспекты современности.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Московского физико-технический института (ЦКП Прикладная Генетика№ 075-15-2021-684)

Благодарности

Исследование проведено благодаря поддержке ЦКП Прикладной Генетики МФТИ, Россия (грант поддержки 075-15-2021-684)

Список литературы

1. Landa R. Terra Preta The soil underfoot: Infinite possibilities for a finite resource / R. Landa – USA: CRC Press, 2014. – 472 p.
2. Woods W. Amazonian dark earths: Wim Sombroek's vision / W. Woods – Berlin : Springer, 2009. – 235 p.
3. Разумов Е.Ю. Биоуголь: современное представление Вестник Казанского технологического университета / Е.Ю. Разумов, Ф.В. Назипова – Казань: Разумов, 2015. – 222 c.
4. Gashikovich G.K. The possibility of use research methods of soil organic matter for assess the biochar properties Research Journal of Pharmaceutical / G.K. Gashikovich – USA: Biological and Chemical Sciences, 2015. – 201 p.
5. Amonette J.E. Characteristics of biochar: microchemical properties Biochar for environmental management. / J.E. Amonette, S. Joseph – USA: Routledge, 2012. – 84 p.
6. Григорьян Б.Р. Влияние биоугля на рост растений, микробиологические и физико-химические показатели мало гумусированной почвы в условиях вегетационного опыта / Б.Р. Григорьян – Казань: Вестник Казанского технологического университета, 2016. – 189 c.
7. Письмо Роскомзема от 29.07.1994 N 3-14-2/1139 “О Методике определения размеров ущерба от деградации почв и земель”.
8. Шишов Л. Л. Классификация и диагностика почв России. – 2004.
9. Егоров В.В. Классификация и диагностика почв СССР / В.В. Егоров – М.: Рипол Классик, 1977. – 365 c.
10. Иваницких А.С. Накопление вторичных метаболитов в растениях базилика эвгенольного в зависимости от спектрального качества света. / А.С. Иваницких, И.Г. Тараканов // Международная научная конференция молодых учёных и специалистов, посвящённая 150-летию РГАУ-МСХА . – 2015. – 111. – c. 31.
11. Gan, Y.X., 2021. Activated Carbon from Biomass Sustainable Sources. C 7, 39
12. Mastrolonardo, G., Calderaro, C., Cocozza, C., Hardy, B., Dufey, J., Cornelis, J.-T., 2019. Long-Term Effect of Charcoal Accumulation in Hearth Soils on Tree Growth and Nutrient Cycling. Environ. Sci. 7, 51.