Побочный продукт производства лимонной кислоты пытаются разлагать при помощи растений, которые способны вернуть химические элементы обратно в природный круговорот.
Учёные НОЦ «Ботанический сад» и молодёжной лаборатории физико-химических методов исследования растений Белгородского госуниверситета работают над проблемой утилизации цитрогипса – неиспользуемого побочного продукта в производстве лимонной кислоты. Исследования проводятся в рамках проекта НОЦ мирового уровня «Инновационные решения в АПК» «Создание системы полного цикла научной методологии интродукции ценных сельскохозяйственных и декоративных культур на основе селекционно-генетических исследований».
Как отмечают учёные, на сегодняшний день существует несколько способов получения лимонной кислоты, самым распространённым является синтез посредством химических реакций. В процессе образуется большое количество цитрогипса. В производстве вещество не используется и в больших количествах складируется на полигонах. Объём одного такого полигона в Белгороде составляет порядка 500 тысяч тонн. В связи с этим, с одной стороны, встаёт проблема утилизации отходов производства, а с другой – уменьшения техногенной нагрузки.
Участники проекта поставили задачу – понять, для чего можно использовать цитрогипс, чтобы не складировать без дела в огромных объёмах.
Как пояснил заведующий лабораторией генетики и селекции растений НОЦ «Ботанический сад» НИУ «БелГУ» Михаил Третьяков, в самом цитрогипсе содержатся химические элементы в нерастворимой форме, в связи с чем дальнейшее их участие в естественном природном круговороте веществ невозможно. Учёные вуза рассчитывают вернуть часть элементов в природную цепочку путём включения в неё растений.
– Сегодня ботаника, которая изначально формировалась как описательная отрасль знаний, превратилась в высокотехнологичную междисциплинарную науку, основанную на выявлении закономерностей развития растений различными методами. На базе НОЦ «Ботанический сад» функционирует созданная совместно с инжиниринговым центром НИУ «БелГУ» по программе «Наука и университеты» молодёжная лаборатория физико-химических методов исследования. Работа лаборатории позволяет применять на практике инновационные подходы разных наук для решения широкого спектра фундаментальных и прикладных задач, – отметил директор НОЦ «Ботанический сад НИУ «БелГУ» Валерий Тохтарь.
С этой целью исследователи приступили к разработке и внедрению в практику комплексных физико-химических методов оценки состояния растений для формирования устойчивых культур фитоценозов различного функционального назначения, которые в дальнейшем можно использовать в условиях промышленных и аграрных предприятий.
– Растения способны забирать элементы из субстрата и накапливать в своих тканях. Нам нужно подобрать такие виды, которые будут хорошо расти на цитрогипсах и обладать не только большой листовой поверхностью, но и постепенно вовлекать в процесс обмена веществ те элементы, которые были исключены, – рассказывает Михаил Третьяков.
Идея проекта в том, чтобы преобразовать фосфор и серу в доступные и легкоусвояемые формы. Растения, выросшие на цитро- и фосфогипсе, накапливают эти вещества. В дальнейшем из частей растений можно изготовить компост или органическое удобрение. Получившийся перегной легко утилизировать или использовать для подкормки сельскохозяйственных и декоративных культур.
– В таких «зелёных» удобрениях мы можем контролировать концентрацию веществ и вносить их под те культуры, которые страдают от нехватки какого-либо элемента. Мы стараемся подобрать такие растения, которые вытягивают из гипсового субстрата максимум веществ, – пояснил учёный.
Для изучения развития растений на грунте с примесью цитрогипса и фосфогипса разбили экспериментальный «огород» общей площадью 100 квадратных метров. На площадке разместили три участка – с цитрогипсом, фосфогипсом и чернозёмом. Последний необходим для контроля эксперимента и понимания, как растения растут на плодородной почве, а как – на экспериментальном субстрате. Из декоративных культур высажены берёза, ива, арония и тополь. Наилучший результат показал тополь симона.
– Тополь может быть рекомендован для фиторекультивации отходов производства, а также созданию на таких участках карбоновых полигонов, что приведёт к значительному снижению углеродного следа в атмосфере. Таким образом на местах складирования цитрогипса уже через несколько лет мы сможем увидеть лесные посадки, выполняющие функцию лёгких города, – прокомментировал Михаил Третьяков.
Отдельную экспериментальную группу растений составляют сельскохозяйственные культуры: соя, кукуруза и горчица. Их планируют использовать в качестве сидератов (удобрений растительного происхождения) для применения в аграрной сфере.
– Исследования показали, что, по сравнению с контрольной группой, в растениях, выращенных на цитрогипсе, в два раза увеличивается содержание серы, в три раза – содержание цинка и в пять раз – кальция, а также почти на 20% увеличивается содержание других макро- и микроэлементов за исключением калия и фосфора, которых растениям не хватает. Культивирование этих же растений на фософгипсе показало увеличение в тканях всех элементов питания от 10 до 200%, – заметил учёный, обратив внимание на то, что одни и те же растения на разных субстратах ведут себя по-разному.
Так, соя на фосфогипсе накапливает серу в 2,5 раза лучше, чем при произрастании на цитрогипсе. Однако при этом существенно ухудшаются процессы фотосинтеза, которые учёные исследовали при помощи неинвазивных методов определения содержания хлорофилла и флавоноидов в эпидермисе листьев. Поэтому задача участников проекта – подобрать максимально широкий круг растений, которые будут эффективно извлекать нужные элементы из субстратов на антропогенно трансформированных участках. Следующим шагом может стать разработка технологии получения сублимированных форм «зелёных» удобрений.
Эксперимент должен продлиться несколько лет, поскольку аккумулятивные свойства необходимо наблюдать в динамике.
Напомним, молодёжная лаборатория физико-химических методов исследования растений под руководством Ивана Никулина создана на базе научно-образовательного центра «Ботанический сад НИУ «БелГУ» в 2021 году по программе «Наука и университеты» в рамках НОЦ мирового уровня «Инновационные решения в АПК».
