Застосування побічних продуктів виробництва цукру покращує біофортифікацію цукрових буряків на засолених ґрунтах та зменшує втрати цукру в мелясі

 

Виробництво цукрових буряків (Beta vulgaris), однієї з найбільш стійких до солі культур, у тропічних та субтропічних країнах швидко збільшується як важливий компонент цукрової галузі. Цукровий буряк вважається перспективним джерелом доповнення або заміни виробництва тростинного цукру через його здатність виробляти більше цукру за короткий період вегетації на нових окультурених ґрунтах, що домінують у цих країнах, які в основному характеризуються як засолені або соляні ґрунти.

За матеріалами наукової публікації на тему «Застосування побічних продуктів виробництва бурякового цукру покращує біофортифікацію цукрових буряків на засолених ґрунтах та зменшує втрати цукру при переробці цукру» («Application of beet sugar byproducts improves sugar beet biofortification in saline soils and reduces sugar losses in beet sugar processing»), Delta Sugar Company, Сільськогосподарський факультет Ассіутського університету, Єгипет.

Підвищення рівня засоленості ґрунту (EC > 6 дСм−1) сприяє іонній токсичності, дисбалансу живлення, окислювальному стресу, зменшенню доступної у ґрунті води, поділу клітин та змінам метаболічних процесів, таких як фотосинтезу і руйнування мембран рослин. Крім того, було виявлено, що високий вміст солі в ґрунті має негативний вплив на якість бурякового соку. Збільшення концентрації солі в ґрунті збільшує загальний вміст розчинних твердих речовин (TSS) у буряковому соку. Крім того, поглинання більшої кількості натрію коренеплодами збільшує рівень домішок у соку, а отже, його якість знижується. Тому дане дослідження має велике значення для підтримки вирощування та виробництва цукрових буряків на засолених ґрунтах у субтропічних та тропічних регіонах, а також поліпшення фізичних та хімічних властивостей таких ґрунтів. Було впроваджено кілька методів для недорогого та ефективного відновлення ґрунту, включаючи органічні сполуки, хімічні сполуки кальцію та сірковмісні сполуки. Застосування гіпсу, сульфатного мінералу, що складається з сульфату кальцію дигідрату, покращує продуктивність та біофортифікацію кормового буряка на засолених ґрунтах та фізико-хімічні характеристики ґрунту. Позакореневе внесення гумінової кислоти значно підвищує вміст сахарози, цукру, що вилучається, урожайність буряків та вихід цукру, а також зменшує втрати цукру в мелясі.  Крім того, застосування гумінових речовин покращує фізичні та хімічні характеристики ґрунту, включаючи аерацію, агрегацію, вологоутримуючу здатність та доступність мікроелементів. Застосування меляси, залишкового сиропу при переробці цукру, зменшує негативний вплив засолення ґрунту.

Значні обсяги виробництва побічних продуктів промислової переробки цукрових буряків (переробленого фільтраційного осаду) викликають забруднення навколишнього середовища. Під час використання вапняку для очищення бурякового соку утворюється осад, який є цінним побічним продуктом, багатим на кальцій та органічні речовини, що має відносно високі значення ємності катіонного обміну (CEC). Фільтраційний осад, який вважається джерелом органічних речовин і фосфору з високим вмістом вологи, починає широко застосовуватися в різних країнах світу, включаючи Індію, Бразилію, Кубу, Австралію, Пакистан, ПАР, Тайвань та Аргентину, для повної або часткової заміни застосування мінеральних добрив на рослинах, включаючи цукровий буряк. Однак високе значення рН перешкоджає його прямому застосуванню як добрива або меліоранту на ґрунтах із високими значеннями рН (7,9-8,2). Тому зміна хімічних характеристик фільтраційного осаду є необхідною умовою для його застосування як меліоранту або добрива на засолених ґрунтах із високим рівнем рН.

Дане дослідження висуває гіпотезу, що завдяки високому вмісту кальцію перероблений фільтраційний осад може ефективно стимулювати біофортифікацію цукрових буряків та зменшувати втрати цукру в мелясі під час переробки буряків.

Метою дослідження було:

І) перетворення фільтраційного осаду з екологічно шкідливого побічного продукту на корисну речовину, яку можна було б успішно застосувати для відновлення засолених ґрунтів;

ІІ) визначити вплив переробленого фільтраційного осаду як меліоранту на якість бурякового соку та втрати цукру при переробці буряків в умовах засолених ґрунтів.

МАТЕРІАЛ ТА МЕТОДИ
Рослинний матеріал та польовий експеримент

Польовий експеримент проводився на дослідницькій фермі компанії Delta Sugar Company, Кафр-еш-Шейх, Єгипет, протягом 2017/2018 та 2018/2019 МР. Два комерційних сорти цукрових буряків, Top та Bleno, вирощувалися у перший та другий вегетаційні періоди. Посів проводився 22 жовтня, а врожай збирали 15 квітня в обидва періоди вегетації. Насіння висівалося вручну на відстані 15-20 см на ділянці площею 15 м2, що складалася з 5-и рядків довжиною 5 м із шириною міжряддя 60 см. Добрива N, P і K та всі інші агротехнічні прийоми виконувалися відповідно до місцевих рекомендацій виробництва цукрових буряків. Коротко кажучи, під час підготовки ґрунту до посівної додавали суперфосфат (15,5% Р2О5) у кількості 474 кг/га-1. Азот додавали у формі сечовини (46,5% N) з розрахунку 214 кг/га-1 у двох рівних дозах, тобто після проріджування посівів під час другого та третього зрошення. Сульфат калію (50% K2O) вносили під час першого зрошення з розрахунку 119 кг/га-1. Проводилося зрошенням по борознам. Усі ділянки оброблялися однаково в обидва вегетаційні сезони.

Характеристика внесених меліорантів

У дослідженні було використано п’ять меліорантів:

І) фосфогіпс (PG), що утворюється як побічний продукт при переробці фосфатних порід на заводах із виробництва фосфатних добрив;

ІІ) десалін (DS), який є комерційним продуктом, що використовується для опріснення, містить 5% N, 5% P, 5% K, 5% Ca, 2,5% Mg, 5,5% гумінової кислоти, 0,5% саліцилової кислоти, 20% лимонної кислоти та 5% полісахаридів;

ІІІ) перероблений фільтраційний осад (TFC), який є побічним продуктом, отриманим у результаті використання подрібненого вапняку для очищення бурякового соку, оброблений деякими хімічними речовинами (зокрема, вапняковим діоксидом вуглецю, гідроокис кальцієм + сірчаною кислотою та сульфатом кальцію);

IV) мелясу, яка є залишковим сиропом від переробки цукрового буряка або тростини;

V) гумінову кислоту.

Щоб перетворити фільтраційний осад із шкідливої на корисну речовину, яку можна було б використовувати як меліорант, до нього додавалася суміш 1,5:1 сірчаної та фосфорної кислот у нормі 180 см3 сірчаної кислоти та 120 см3 фосфорної кислоти на кг−1 фільтраційного осаду. Перед посівом поверхня ґрунту оброблялася всіма п’ятьма видами меліорантів. Хімічна характеристика сирого фільтраційного осаду (RFC), переробленого фільтраційного осаду (TFC) та меляси наведена у Таблицях 1, 2 і 3.

Фенотипічний аналіз

Під час збирання врожаю репрезентативний зразок буряків із кожної ділянки використовувався для аналізу якості соку, визначаючи % сахарози, калію (K), натрію (Na) та α-аміно-азоту. Результати розраховувалися як ммоль/100 г-1 буряка.

Аналіз ґрунту

Композитні репрезентативні зразки ґрунту відбиралися з поверхневого шару (0-30 см) перед посівною для аналізу його фізико-хімічних властивостей. Після збирання врожаю проводився відбір ґрунту з кожної ділянки. Зразки ґрунту висушувалися на повітрі, подрібнювалися і просівавалися через сито 2 мм. рН ґрунту визначався у суспензії 1:2,5 ґрунту до деіонізованої води за допомогою скляного електрода. Електропровідність ґрунту (EC) вимірювалася в екстракті 1:2,5 ґрунту до води за допомогою кондуктрометра (EC метра). Доступний азот ґрунту визначався за допомогою мікрометоду К’єльдаля після екстракції азоту з використанням 2 моль хлориду калію. Спектрофотометр, налаштований на довжину хвилі 550 нм, використовувався для вимірювання доступного фосфору в ґрунті після екстракції з використанням 0,5 моль розчину бікарбонату натрію при рН 8,5. Доступний калій у ґрунті визначався за допомогою полум'яної фотометрії після екстракції з використанням ацетату амонію при рН 7. Органічна речовина ґрунту (ОМ) визначалася за методом Уоклі-Блек.

РЕЗУЛЬТАТИ
Побічні продукти виробництва цукру покращують біофортифікацію буряків та якість соку

Вміст цукру, відсоток K, Na та α-аміно-азоту є основними параметрами, які впливають на якість бурякового соку, а отже, на вихід та втрати цукру. Меліоранти мали значний вплив на вміст цукру, K, Na та α-аміно-азоту протягом обох вегетаційних періодів (Таблиця 1). Найбільший вміст цукру (19,37% та 19,47%) було отримано під час контрольної обробки в обидва сезони. Застосування меліорантів, зокрема, переробленого фільтраційного осаду, суттєво зменшило відсотковий вміст K, Na та α аміно-азоту в буряковому соку в обидва вегетаційні сезони. Найнижчі значення K, Na та α-аміно-азоту були отримані в результаті застосування переробленого фільтраційного осаду з розрахунку 2,5 т/га-1 в обидва сезони (Таблиця 1). Отже, застосування побічних продуктів виробництва цукру суттєво підвищило індекс якості бурякового соку (Qz%). Найвищі значення індексу якості (77,44 та 86,66% у перший та другий вегетаційні періоди відповідно) були отримані шляхом застосування переробленого фільтраційного осаду в нормі 2,5 т/га-1 (Таблиця 1).

Таблиця 1. Вплив застосування меліорантів на відсотковий вміст сахарози, Na, K, α-аміно-азоту та показник якості (Qz%) бурякового соку в 2017/2018 та 2018/2019 МР

Застосування переробленого фільтраційного осаду та меляси зменшує втрати цукру при переробці

Застосування меліорантів суттєво зменшило втрати цукру. Найменші втрати цукру були зафіксовані в результаті застосування переробленого фільтраційного осаду в нормі 2,5 або 5 т/га-1 в обидва сезони вирощування (Таблиця 2). Найменші втрати у виході цукру (1,28 т/га-1) були отримані в результаті застосування фосфогіпсу в перший період вегетації, тоді як у другому вегетаційному періоді застосування 62,5 л/га-1 меляси або гумінової кислоти призвело до найнижчого виходу цукру (1,16 та 1,15 т/га-1 відповідно). Застосування 2,5 т/га-1 переробленого фільтраційного осаду призвело до найменших відносних втрат виходу цукру (14,06%) у перший вегетаційний період. Тим часом найнижчі значення у другому вегетаційному періоді були отримані в результаті застосування 5 т/га-1 переробленого фільтраційного осаду або 125 л/га-1 меляси (Таблиця 2).

Таблиця 2. Вплив внесення меліорантів на втрати цукру (SL%), втрати у виході цукру (SLY) та відносні втрати виходу цукру (RSLY) у вегетаційні сезони 2017/2018 та 2018/2019 МР

Застосування переробленого фільтраційного осаду та меляси покращує хімічні властивості ґрунту

Застосування переробленого фільтраційного осаду та меляси в якості меліорантів суттєво вплинуло на розчинні аніони, катіони та наявні N, P та K у ґрунті. Найбільші значення наявного в ґрунті N, P і K після збирання цукрових буряків (38,10, 14,21 та 482,63 ppm) були отримані в результаті внесення 5 т/га-1 переробленого фільтраційного осаду (Таблиця 3), що також значно збільшило середній вміст Ca2+, Mg+, K+, HCO32− та SO−4 у ґрунті. Тим часом середній вміст Na+ та Cl, а також рівні EC та SAR у ґрунті помітно зменшилися, порівняно з контрольним зразком (Таблиця 3).

Таблиця 3. Вплив застосування меліорантів на розчинні катіони, аніони та наявні N, P та K у ґрунті після збирання цукрових буряків протягом 2017/2018 та 2018/2019 МР

Обговорення

У всьому світі використовуються кілька ефективних і недорогих меліорантів для зменшення засоленості ґрунту шляхом застосування хімічних речовин, у тому числі; І) сполук кальцію, ІІ) сполук сірки та ІІІ) органічних речовин. Щорічно по всьому світу на цукрових заводах виробляються величезні обсяги побічних продуктів промислової переробки буряків, включаючи фільтрувальний осад, що викликає екологічні проблеми. Цей осад, фільтраційний залишок переробки бурякового соку, є багатим джерелом органічних речовин і фосфору, має великий вміст вологи з відносно високим значенням ємності катіонного обміну (CEC) та широко впроваджується для повної або часткової заміни мінеральних добрив у вирощування сільськогосподарських рослин, включаючи цукрові буряки. Таким чином, ефективне використання дуже великих кількостей виробленого фільтрувального осаду є важливою проблемою.

У даному дослідженні, наскільки відомо, вперше повідомляється про вплив застосування фільтраційного осаду, обробленого сумішшю сірчаної та фосфорної кислот, на якість бурякового соку та втрати цукру в мелясі під час переробки буряків в умовах засолених ґрунтів. Застосування меліорантів не збільшило вміст цукру в буряках, найвищий вміст цукру було виявлено в контрольному необробленому зразку. Це може бути наслідком високого вмісту кальцію у внесених меліорантах, який протидіє іонам натрію і покращує агрегацію ґрунту, а отже, покращує хімічні та фізичні характеристики ґрунту та, в кінцевому підсумку, стимулює ріст рослин та їх врожайність. Крім того, високий вміст цукру в контрольному зразку необроблених буряків може бути пов’язаний з тим, що розподіл фотоасимілятів був на користь збільшення вмісту цукру, коли врожайність буряків зменшилася. Крім того, повідомляється, що вміст цукру зменшується у відповідь на збільшення врожайності буряків за рахунок ефекту розбавлення.

Значне зниження вмісту K, Na та α-аміно-азоту у буряковому соку у відповідь на застосування переробленого фільтраційного осаду (2,5 або 5 т/га-1) може бути пов’язано з тим, що надмірна концентрація іонів Ca2+ призвела до зменшення поглинання Na+ і K+ і, отже, вплинула на проникність мембран для контролю поглинання Na. Ця дія Ca2+ щодо протидії поглинанню іонів Na+ та K+ із ґрунту підтверджується залежністю лінійної регресії між Ca2+ та вмістом Na та K у буряках. Вміст Na або K у буряках суттєво знизився у відповідь на збільшення вмісту Ca2+ у ґрунті. Більше того, меліоранти можуть сприяти суперечливому впливу на мобілізацію та фітодоступність елементів.

Значне зменшення відсотку втрати цукру у відповідь на застосування переробленого фільтраційного осаду може бути зумовлене зменшенням вмісту Na+ в результаті збільшення вмісту Ca2+, HCO2-3 та SO−4 у ґрунті (Таблиця 3), які впливають на поглинання Na+ і K+ рослинами. Зниження поглинання Na+ і K+ призводить до зменшення вмісту Na і K в буряковому соку, що зменшує втрати цукру в мелясі, що підтверджується залежністю лінійної регресії між вмістом Na+ і Ca+ у ґрунті та вмістом Na в буряковому соку. Вміст Na+ в коренях зменшувався у відповідь на зменшення вмісту Na+ у ґрунті, викликане внесенням меліорантів, зокрема переробленого фільтраційного осаду. Крім того, збільшення вмісту Ca+ у ґрунті у відповідь на внесення фільтраційного осаду, що пов’язано з високим вмістом обох елементів в осаді, корелює зі зменшенням Na в буряках. Втрати у виході цукру в результаті застосування переробленого фільтраційного осаду можуть бути пов’язані з високою врожайністю буряків (Таблиця 4). Крім того, висока концентрація Ca в переробленому фільтраційному осаді знижує іммобілізацію Na і K та біодоступність за рахунок зниження pH ґрунту та покращення доступності обмінного Ca в ґрунті. Однак відносні втрати виходу цукру зменшилися у відповідь на застосування переробленого фільтраційного осаду, і це, ймовірно, пов'язано зі зменшенням домішок, тобто вмісту Na, K та α-аміно-азоту в буряках. Крім того, спостерігалися позитивні лінійні регресії між вмістом Na та K у ґрунті та зниженням відносних втрат виходу цукру.

Таблиця 4. Вплив внесення меліорантів на урожайність буряків (RY) та вихід цукру (RSY) у вегетаційні періоди 2017/2018 та 2018/2019 МР

На закінчення, дане дослідження показує, що фільтраційний осад, побічний продукт виробництва бурякового цукру, оброблений сумішшю сірчаної та фосфорної кислот, може стати ефективним та економічно вигідним меліорантом із великим потенціалом для сталого вирощування сільськогосподарських культур на засолених ґрунтах та раціонального використання ресурсів у сільському господарстві. Перероблений фільтраційний осад — це перспективний органічний меліорант, який покращує фізичні та хімічні властивості ґрунту, стимулює засвоєння живильних речовин та елементів і, в кінцевому підсумку, впливає на якість та біофортифікацію культурних рослин.


1159