ВведениеЧерная металлургия является одной из базовых отраслей промышленности, а также одним из крупнейших источников твердых техногенных отходов и выбросов CO2 - на долю сталелитейной промышленности приходится около 6-7% глобальных выбросов CO2 [1]. По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), прямые выбросы CO2 составляют примерно 1.4 тонны CO2 на тонну произведенной стали [2], а по данным международной консалтинговой компании Mckinsey и Всемирной ассоциации производителей стали – 1.85 [3, 4].Среди основных крупнотоннажных отходов черной металлургии можно выделить шлаки [5]. В настоящее время годовой объем производства металлургических шлаков во всем мире составляет около 600 миллионов тонн [6]. Шлак образуется в качестве побочного продукта при выплавке чугуна и стали, что приводит к значительной вариабельности их состава и физических свойств. Основными компонентами металлургического шлака как правило являются оксид кальция (CaO), диоксид кремния (SiO2), оксид железа (Fe2O3), оксид алюминия (Al2O3) и оксид магния (MgO), а также незначительные количества MnO, P2O5 и TiO2 [5].На данный момент, основными сферами использования металлургических шлаков являются строительная промышленность [7-9], экология, прежде всего, в качестве сорбента тяжелых металлов [10-12] и сельское хозяйство [13-15]. Использование в сельском хозяйстве подразумевает применение шлаков как мелиорантов, удобрений и раскислителей закисленных почв. В 2011 году в Китае началась реализация первой программы по использованию сталеплавильных шлаков в качестве удобрений, финансируемой Taiyuan Iron and Steel Group и Harsco Corporation из США [16]. К примеру, показано, что полная замена коммерческих удобрений на сталеплавильный шлак позволила увеличить рост гороха [17]. В другом исследовании при культивировании ячменя на почвах содержавших шлак урожайность зерна повышалась на 21% [18]. Отмеченные эффекты могут быть связаны с присутствием важных микроэлементов в составе шлака, а также с улучшением качества почвы. Стоит отметить, что наиболее часто, металлургический шлак предлагается в качестве раскислителя почв сельхоз угодий [19-21].При этом, подкисление лесных почв во всем мире, также стало серьезной экологической проблемой, а количество публикаций о глобальном подкислении лесных почв неуклонно растет [22]. Такие методы ведения лесного хозяйства, как сплошные рубки, являются одним из основных нарушений, приводящих к выносу питательных веществ из почвы. Выщелачивание, потеря основных катионов и их удаление при заготовке древесины приводят к подкислению почвы, что может замедлить регенерацию или восстановление лесов [23]. Подкисление лесной почвы может вызвать повышение токсичности Al3+ для растений и снижение плодородия почвы, что влияет на рост растений в лесной экосистеме, обилие почвенной фауны и разнообразие микроорганизмов [24]. В связи с вышесказанным, разработка методов раскисления почв лесных насаждений является актуальной задачей, а более широкое применение сталеплавильных шлаков принесло бы значительные выгоды как с экологической, так и с экономической точки зрения [25].Поскольку оценка эффектов воздействия гранулированного доменного шлака на представители распространенных лесных пород в различных экологических условиях ранее не проводилась, в нашей работе исследовалось морфометрические, физиологические и биохимические аспекты влияния этого отхода на саженцы березы пушистой в условиях субстратов с различной кислотностью. При этом ставились задачи исследовать стресс-протекторные свойства шлака как мелиоранта-раскислителя, а также источника микроэлементов, обладающих стимулирующими свойствами.Материалы и методыВ работе использовался гранулированный доменный шлак ПАО «Северсталь» (Череповец, Россия). Состав используемого доменного шлака был исследован методом рентгенофлуоресцентного анализа на спектрометре ARL 9900 (Thermo Fisher Scientific (Ecublens) SARL, Швейцария). Морфологию частиц шлака изучали методом сканирующей электронной микроскопии на микроскопе JCM-7000 NeoScope (JEOL, Япония).В качестве объекта исследования использовали берёзу пушистую (Betula pubescens Ehrh.) гибрида 15-1. Селекционный объект единого генетико-селекционного комплекса (ЕГСК) берёз расположен в Семилукском питомнике Воронежской области (Россия). Для проведения эксперимента использовали микрорастения размноженные в культуре in vitro (Рис. 1).В качестве субстрата для культивирования использовали искусственный грунт согласно ГОСТ Р ИСО 18763-2019. Для проведения опыта было выбрано три варианта кислотности субстрата, имитирующих почвы разной степени закисленности: рН солевой вытяжки ~ 4.2 – сильнокислая; 4.8 – среднекислая; 5.2 – слабокислая. В качестве контроля использовали субстрат с рН солевой вытяжки ~ 6. Во все закисленные грунты вносили гранулированный шлак до достижения нейтральной реакции (рН солевой вытяжки ~ 6).Полученные модельные субстраты помещали в пластиковые контейнеры объемом 1 литр и высаживали по одному растению на контейнер. В каждом варианте культивировали по 15 растений. Исследование проводили в условиях теплицы.Учетные показатели: высота от начала прироста и диаметр стволика (измерялся штангенциркулем у основания прироста). Измерения площади листа проводились при помощи лазерного переносного измерителя площади листа CI– 202 (США), длинна волны лазерного диода 670 нм, максимальная длинна измерения 360 мм, ширина 150 мм, скорость сканирования 127 мм/сек, точность проводимых измерений 0.01 см2.  Рисунок 1. Экспериментальные растения: а) размножение in vitro растений березы пушистой; б) растения  в теплице.Figure 1. Experimental plants: a) in vitro propagation of downy birch plants; b) plants in a greenhouse.Источник: собственная композиция авторовSource: author’s composition Для измерения скорости поглощения углекислого газа листом in vivo использовали портативную систему измерения газообмена SIRAS-4 (PP Systems, США), оборудованную специальной рабочей камерой, предназначенной для проведения экспериментов с использованием метода открытой системы.Содержание хлорофиллов a, b и каротиноидов определяли по методике Wellburn [26]. Около 100 мг листовой ткани растирали в фарфоровой ступке в пробирках на 5 мл, добавляли 1 мл 80% ацетона и инкубировали с перемешиванием 15 мин в темноте. После центрифугирования 5 мин при 13000 об./мин супернатант отбирали в новые пробирки с защитой от света. Экстракцию 80% ацетоном повторяли дважды, супернатанты объединяли и доводили до 3 мл. Оптическую плотность растворов измеряли на 663, 646 и 470 нм против 80% ацетона. Содержание пигментов рассчитывали по следующим формулам (1 - 3):                                  (1)              (3), гдеА (663, 646, 470) – поглощение при 663, 646, 470 нм.Для измерения содержания пролина в листьях берёзы пушистой, готовили кислый нингидрин путем нагревания 1.25 г нингидрина в 30 мл ледяной уксусной кислоты и 20 мл 6 М фосфорной кислоты, с перемешиванием до растворения. Навеску материала 0.1 г (полностью развернутые листья) гомогенизировали в 1,5 мл 3% водного раствора сульфосалициловой кислоты, фильтровали через бумагу Whatman # 2. После чего 0.8 мл фильтрата смешивали с 0.8 мл кислого нингидрина и 0.8 мл ледяной уксусной кислоты. Реакция проходила в течение часа при 100°С после чего её останавливали на ледяной бане. Реакционную смесь экстрагировали 1,6 мл толуола, осторожно перемешивая пробирочной мешалкой 15-20 с. Верхний слой толуола с хромофором отделяли от водной фазы, нагревали до комнатной температуры и измеряли при длине волны 520 нм (толуол использовали в качестве контроля). Измерения проводили на спектрофотометре Multiskan Sky (Thermo Scientific, США). Концентрацию пролина определяли по стандартной кривой и рассчитывали в мкг пролина/г сырой массы [27].Для определения активности ферментов, 0.1 г листовой ткани растирали с использованием ступки и пестика с 2 мл натрий-фосфатного буфера (pH 7.8), содержащего 1 мМ EDTA и 2% поливинилполипирролидон и центрифугировали при 15000 g 10 мин при 4°C. Для предотвращения снижения или потери активности образцы после центрифугирования помещали в твердотельный термостат при температуре 4°C. В супернатанте определяли активность ферментов спектрофотометрическим методом [28, 29] на приборе Multiskan Sky (Thermo Scientific, США).Статистическая обработка данных проводилась с использованием теста одностороннего дисперсионного анализа (ANOVA). На графиках и в таблицах данные представлены в виде среднего ± стандартного отклонения, звездочками отмечены статистически значимые различия (p < 0,05). РезультатыХарактеризация шлакаОбразец гранулированного доменного шлака состоял из частиц размером 0.5 – 5 мм  (Рис. 2а), имеющих иррегулярную морфологию и пористую структуру (Рис. 2б).  Рисунок 2. Образец шлака: а) внешний вид; б) электронные микрофотографииFigure 2. Slag sample: a) general view; b) electron micrographsИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s composition  Рентгенофлуоресцентный анализ гранулированного доменного шлака показал (Табл. 1), что основными компонентами образца являются оксид кальция (45.4 %), диоксид кремния (32.3 %), оксид магния (12.3 %) и оксид алюминия (7.3 %). Остальные компоненты содержались в концентрации менее 1 %. Таблица 1Table 1 Состав образца шлака Slag sample compositionКомпонент / Component         CaOSiO2MgOAl2O3Na2OK2OMnOSFe2O3TiO2Содержание, масс. % / Content, wt.%45.4±3.432.3±3.712.3±2.37.3±0.70.67±0.080.53±0.050.43±0.040.31±0.020.13±0.030.06±0.01Источник: собственные вычисления авторов/Source: own calculations Таким образом, в работе использовался образец шлака, состоящий из пористых гранул размером 0.5 – 5 мм содержащих преимущественно оксиды кальция, кремния, магния и алюминия. В небольших количествах (менее 1 %) зафиксированы натрий, калий, марганец, сера, железо и титан.Результаты оценки влияния шлака на березу пушистую.Морфометрические параметрыВажной характеристикой качества посадочного материала, наряду с потенциалом роста корней, жизнеспособностью и др. является его морфометрические параметры. В связи с чем, перед закладкой опыта были измерены: высота растений, диаметр корневой шейки стволика, среднее количество листьев на одном растении и средняя площадь листовой пластины (Табл. 2).  Таблица 2Table 2Морфометрические параметры побегов березы пушистой перед началом эксперимента Morphometric parameters of downy birch shoots before the start of the experimentПараметр / ParameterЗначение / ValueВысота растений, см / Plant height, cm6.9±0.29 / 6.9±0.29Диаметр корневой шейки стволика, мм / Root collar diameter, mm1.4±0.08 / 1.4±0.08Среднее количество листьев, шт / Average number of leaves, pcs.5.6±0.37 / 5.6±0.37Площадь листа, см² / Leaf area, cm²3.1±0.18 / 3.1±0.18 Источник: собственные вычисления авторовSource: own calculations  Через 60 дней после постановки эксперимента выявлено значительное преимущество в росте и развитии растений, высаженных в почвосмеси, содержащие гранулированный доменный шлак, по сравнению с растениями, высаженными в субстрат без дополнения шлака (Рис. 3). Как видно из представленных данных (Рис. 3а), максимальные значения ростовых параметров наблюдались в субстрате с pH 5.2, содержащим гранулированный шлак (26.1±2.1 см). При этом, самая низкая ростовая активность зафиксирована у растений берёзы в варианте с pH 4.2 (15.0±2.1 см). В целом, при сравнении контрольных и опытных вариантов с одинаковым pH можно отметить, что добавление шлака повлияло на увеличение ростовых показателей берёзы, по-видимому, за счёт снижения кислотности в субстрате и дополнительного обеспечения корней макро- и микроэлементами.Одновременно с измерением параметров высоты проводили замеры диаметра стволика берёзы пушистой у контрольных и опытных растений (Рис. 3б). Результаты показали отсутствие достоверного влияния кислотности грунта на анализируемый показатель. Исключением стали растения, культивируемые в субстрате с максимальной кислотностью (рН 4.2), где показатель составил 1.4±0.3 против 2.6±0.4 в контроле (рН 6.0). Добавление шлака увеличило диаметр стволика на 38% у растений, культивируемых в сильнокислом субстрате и на 20 % в слабокислом. В течение экспериментального периода наблюдалось увеличение количества листьев в среднем с 5.6±0.37 шт. в начале опыта до 14.5±0.82 шт. в конце. Диапазон изменчивости количества листьев у опытных и контрольных растений всех вариантов эксперимента существенно не изменялся (Рис. 3в). Также не выявлено существенных различий при сравнении контрольных и опытных растений у каждого из изученных pH почвосмесей (в рамках одной кислотности). Закисление субстрата достоверно не влияло на площадь листовой пластины (Рис. 3г). Внесение шлака во всех случаях увеличивало показатель, максимальные значения средней площади листа отмечены при добавлении шлака в слабокислый субстрат – показатель был больше в 1.4 раза.Показатели активности фотосинтетической системыСравнительный анализ параметров фотосинтетической активности листа берёзы пушистой на заключительной стадии культивирования показал, что фотосинтетическая активность растений у всех вариантов опыта без шлака плавно возрастала в ряду кислотности субстрата от pH 4.2 до pH 6.0 (Рис. 4а).     Рисунок 3. Морфометрические параметры побегов березы: а) высота растений; б) диаметра стволика; в) количество листьев на одном растении; г) средняя площадь листа.Figure 3. Morphometric parameters of birch shoots: a) plant height; b) stem diameter; c) number of leaves per plant; d) average leaf areaИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s composition  Абсолютные значения интенсивности поглощения углекислоты растениями в варианте с сильнокислым почвогрунтом достигали 7.8±1.35 мкмоль/м2/с. Постепенное увеличение изучаемого параметра наблюдалось последовательно в вариантах со среднекислым и слабокислым субстратом – 8.0±1.01 и 9.5±1.03 мкмоль/м2/с соответственно. Для растений контрольной группы (pH 6.0) показатель был на уровне 11.7±0.93 мкмоль/м2/с. Внесение шлака активировало фотосинтетическую систему во всех вариантах кислотности и доводило показатели до уровня контроля. Анализ содержания пигментов показал дозозависимое снижение концентрации хлорофиллов а, б и каротиноидов при повышении кислотности субстрата (Рис. 4б). При этом, как и в случае с ассимиляцией СО2, раскиление субстрата шлаком повышало содержание фотосинтетических пигментов до уровня концентраций в контрольной группе.Активность антиоксидантной системыЭффективное функционирование антиоксидантной защитной системы находится в основе адаптации растений к неблагоприятным условиям. В связи с чем, нами была оценена активность антиоксидантной системы березы пушистой при повышении кислотности субстрата, а также при повышении рН почвенной вытяжки путем внесения гранулированного доменного шлака. Результаты показали повышение активности супероксиддисмутазы при повышении кислотности субстрата (Рис. 5а), минимальные значения (58 ед./мг) отмечены при рН 6.0, максимальные (298.4 ед./мг) при рН 4.2. Внесение в грунт доменного шлака снижало активность фермента, однако показатели в группах, культивируемых в среднекислом и сильнокислом субстратах, все же превышали контрольные.   Рисунок 4. Показатели активности фотосинтетической системы: а) интенсивность ассимиляции СО2; б) содержание фотосинтетических пигментовFigure 4. Photosynthetic system activity indicators: a) CO₂ assimilation rate; b) photosynthetic pigment content.Источник: собственная композиция авторовSource: author’s composition   Рисунок 5. Показатели активности антиоксидантной системы: а) супероксиддисмутаза;  б) пероксидаза; в) каталаза; г) содержание пролина.Figure 5. Antioxidant system activity indicators: a) superoxide dismutase; b) peroxidase; c) catalase;  d) proline content.Источник: собственная композиция авторов/Source: author’s composition  Активность пероксидазы, отвечающей за нейтрализацию активных форм кислорода, имела минимальные значения у растений, культивируемых в субстрате с рН 5.2 (в варианте без шлака показатель был в 6 раз ниже, чем в контроле, при добавлении шлака – в 4 раза), а максимальные у растений из группы с рН 4.8 (Рис. 5б). Внесение шлака в субстрат несколько снижало активность фермента в группах с рН 4.8 и рН 4.2, тогда как при рН 5.2 наоборот – значения активности несколько повышались. В случае с каталазой также отмечена не линейная зависимость активности фермента от кислотности субстрата (Рис. 5в). Однако для каталазы, минимальная активность зафиксирована в контроле и в сильнокислом грунте, при этом максимум также отмечен при рН 4.8. При раскислении субстрата, активность фермента имела линейную зависимость от кислотности вытяжки, наибольшие показатели были при рН 5.2 (в 2 раза выше контрольных), наименьшие при рН 4.2 (в 3 раза ниже контрольных).Содержание пролина в листьях березы уменьшалось при уменьшении рН вытяжки ниже 6.0 (Рис. 5г). Добавление шлака повышало показатели, однако, если в вариантах с рН 5.2 и рН 4.2 уровень содержания пролина был выше контрольных значений (в 1.6 раза), то при рН 4.8 содержание пролина вросло только до контрольного уровня.Таким образом, проведенное исследование показало, что гранулированный доменный шлак может эффективно раскислять закисленные почвы и, благодаря этому, способствовать нормальному росту древесных растений.ОбсуждениеПолученные нами результаты показывают перспективность использования доменного шлака в качестве раскислителя почв лесных насаждений. Как видно из приведенных данных, закисление субстрата негативно влияло на развитие саженцев березы. Известно, что уменьшение рН почвы снижает доступность питательных веществ (фосфора, калия, кальция и магния), влияет на структуру и функционирование микробных сообществ и повышает доступность токсичных тяжелых металлов и других вредных элементов, особенно при уровнях рН ниже 4,5 [30, 31]. При этом внесение доменного шлака способствовало увеличению морфометрических параметров растений, а также интенсивности фотосинтеза. Полученные эффекты могут быть связаны, прежде всего, с повышением рН субстрата, а также содержащимися в составе шлака элементами. Например магний, участвует в синтезе хлорофилла, производстве, транспортировке и использовании фотоассимилятов, активации ферментов и синтезе белка [32]. Кремний, способствует повышению устойчивости к экологическим стрессам, таким как засуха, дефицит питательных веществ и болезни [33, 34]. Имеются данные, что кремний повышает жесткость клеточных стенок за счет биокремнификации, что очень полезно для роста растений и смягчает негативное воздействие биотических и абиотических стрессовых факторов [35, 36]. Кроме того, в составе шлака содержатся такие важные микроэлементы как железо и марганец, в первую очередь участвующие в фотосинтезе и производстве хлорофилла [37, 38].Разными авторами было показано, что внесение шлака помогает повысить рН и доступность питательных веществ в почве, что способствует росту сельскохозяйственных культур и повышению урожайности [39]. Например, при добавлении сталеплавильного шлака в бедный питательными веществами субстрат позволило улучшить минеральный состава почвы, а также увеличить фотосинтетическую активность и рост биомассы кукурузы [40]. Другими авторами также показан прирост сухой массы кукурузы при добавлении шлака в почвы с различной кислотностью. При этом установлено, что внесение 1 и 2% шлака в почвы с рН 4,1 и 6,7 увеличивало поглощение P и Mn, однако, поглощение Fe и K усиливалось только при рН 6,7, в то время как поглощение K снижалось только в почве с рН 4,1 [41]. Шлаковые удобрения на основе кремнезема, внесенные в почву с дефицитом кремния, улучшили рост и урожайность риса, а также устойчивость растений к бурым пятнам [42]. Добавление 3% и 5% измельченного гранулированного доменного шлака к илисто-гравийному песку, загрязненному 1,5 мг/кг Cd, увеличивало индекс площади листьев Pinellia ternata на 29% и 30%, а индекс площади корней на 65% и 66%, соответственно, по сравнению с контролем [43].Таким образом, полученные нами данные хорошо соотносятся с мировым опытом применения шлаков в сельском хозяйстве, в частности с исследованиями на кукурузе и рисе, где также отмечалось повышение pH почвы и продуктивности биомассы. Однако наша работа вносит принципиально новый вклад, демонстрируя положительный эффект на древесной культуре в контексте лесовосстановления и предоставляя результаты комплексной физиолого-биохимической оценки стрессоустойчивости растений.ЗаключениеНастоящее исследование убедительно подтвердило выдвинутое предположение о том, что гранулированный доменный шлак может служить не просто эффективным раскислителем, а активным стимулятором ростовых и физиологических процессов у саженцев березы пушистой в условиях кислотного стресса. Экспериментально установлено, что положительный эффект обусловлен комплексным воздействием, связанным с устранением избыточной кислотности, а также улучшением минерального питания растений за счет микроэлементов, высвобождаемых из шлака.Ключевым количественным результатом стало значительное улучшение исследованных основных параметров роста. В слабокислом субстрате с добавкой шлака высота саженцев увеличилась на 74%, достигнув 26.1±2.1 см против 15.0±2.1 см в контрольной группе с кислым субстратом. Особенно показательным стало увеличение диаметра стволика на 38% в сильнокислой среде, что демонстрирует устранение главного сдерживающего фактора роста. Физиологическая оценка подтвердила полное восстановление функциональности фотосинтетического аппарата – интенсивность ассимиляции CO₂ и содержание хлорофиллов у обработанных шлаком растений достигали показателей интактного контроля. Важным свидетельством снятия окислительного стресса стало достоверное снижение активности антиоксидантных ферментов, что указывает на компенсацию токсического воздействия ионов алюминия и марганца в кислых почвах.Перспективы дальнейших исследований определяются выявленными «белыми пятнами». Критически необходимы долгосрочные полевые эксперименты в условиях лесных питомников для оценки устойчивости эффекта в естественных условиях. Требуется изучение влияния различных доз и гранулометрического состава шлака на эффективность его действия. Особого внимания заслуживает мониторинг потенциального накопления тяжелых металлов в почве и тканях растений для полной оценки экологической безопасности. Кроме того, остается открытым вопрос о влиянии внесения шлака на структуру и функцию микробных сообществ кислых лесных почв как ключевого фактора благополучия экосистемы.Таким образом, данная работа не только подтверждает высокую эффективность гранулированного доменного шлака как мелиоранта для лесного хозяйства, но и четко определяет границы применимости полученных знаний, формируя направления для будущих научных и прикладных изысканий в области устойчивого развития и циркулярной экономики.