СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЦИОННО-СТИМУЛИРУЮЩЕГО ПРЕПАРАТА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ АЛЛЕЛОТОКСИЧНОСТИ ПОЧВ
METHOD FOR OBTAINING SORPTION-STIMULATING PREPARATION FOR REDUCING SOIL ALLETOXICITY

Область техники
Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в тепличных хозяйствах при необходимости стимуляции развития ягод, цветов, овощей, рассады, а также для укоренения саженцев декоративных культур. Заявляемый способ направлен на получение препарата, способствующего ускорению развития растений, повышению их устойчивости к фитопатогенам и вредителям и, как следствие, увеличению урожайности за счет снижения негативного влияния на семена и растения аллелотоксичности (почвоутомления) почв и грунтов.
Уровень техники
Явление почвоутомления, заключающееся в негативном влиянии почв на развитие растений, по мнению многих исследователей, обусловлено, в первую очередь, накоплением в почве аллелотоксинов из-за ее (почвы) высокой сорбционной способности.
Исследования по снижению аллелотоксичности почв описывают их промывание большим количеством воды [1] или органических растворителей [7], промораживание, автоклавирование и известкование [1].
Кроме того, известны способы прогревания почвы и внесения в них навоза для снижения аллелотоксичности [8]. Вместе с тем, количество навоза, которое необходимо вносить в почву для достижения желаемого результата, - велико, а его доступность в связи с резким сокращением поголовья крупного рогатого скота в России - мала, поэтому данный способ не дает ожидаемого эффекта.
Azotobacter sp.
При автоклавировании почвенные образцы выдерживают при температуре 100-120°C при повышенном давлении паров воды в течение 30 минут, после чего проверяют снижение аллелотоксичности почв на основе использования тест-культуры микроорганизма () [1]. К числу недостатков данного метода следует отнести сложность его внедрения в практику сельского хозяйства, а также невоспроизводимость получаемых результатов.
Промывку почвенных образцов, как правило, ведут 2% серной кислотой или раствором 2% гидроксида калия с последующим насыщением почв кальцием. В результате применения такого метода действительно наблюдают снижение аллелотоксичности почв и восстановление плодородия почвы [1], однако основным недостатком данного метода является узкая область его применения, которая ограничивается лабораторными условиями и не проецируется на промышленные масштабы.
Отдельные исследования посвящены тому, что аллелотоксичность почв способны снижать микроорганизмы, которые используют аллелотоксины в качестве источников углерода для своего питания [1, 9-11]. Было показано [11], что снижение аллелотоксичности почв происходит медленнее на стерильных почвах по сравнению с нестерильными образцами. Недостатками данного метода являются сложность выявления микроорганизмов, потребляющих аллелотоксины в качестве источника углерода, а также сложность их культивации для использования в промышленных масштабах.
В качестве средств и способов снижения аллелотоксичности почвы известно также применение препарата биочар [12], который вносится в почвы и, наряду со снижением аллелотоксичности, повышает их плодородие посредством увеличения сорбционной способности почв по отношению к питательным веществам и улучшает доступность этих веществ для растений [2]. К числу недостатков известного препарата следует отнести его высокий расход, а также большую зависимость положительного эффекта от качества исходного сырья и условий производства.
Известен способ снижения аллелотоксичности почв, заключающийся в использовании севооборотов или плодосменов [3], которые уменьшают поступление аллелотоксинов в почву. Однако такой подход применим только к выращиванию полевых культур. Возможность его использования в садоводстве, овощеводстве, цветоводстве, защищенном грунте сомнительна. Применение севооборотов не позволяет также активно влиять на состояние почв, обеспечивая их восстановление (снижение аллелотоксичности) быстрыми темпами, в которых часто нуждаются различные отрасли сельского хозяйства. Кроме того, существенным недостатком данного метода является необходимость чередования высеваемых культур.
Из уровня техники известно также использование бентонитов и гуматов в качестве средств для обработки семян и подкормки растений (патент РФ № 2722727, 2724511), при этом, как правило, гумусовый препарат (гумат) активируют посредством введения в него бентонита с последующим воздействием на смесь, например, ультразвуком. Известный способ позволяет получить модифицированный гумусовый препарат, обогащенный бентонитом и имеющий подтвержденные опытным путем данные о степени влияния на стимуляцию роста растений. Однако сведения об эффективности бентонито-гуматовых смесей для снижения аллелотоксичности почвы при ее обработке такими препаратами в уровне техники отсутствуют.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является использование для обработки почвы активированного угля, который обеспечивает снижение аллелотоксичности [4]. Основным недостатком данного решения является низкая эффективность активированного угля как препарата для снижения почвоутомления, вследствие чего, для достижения оптимального эффекта требуется значительное количество сорбента, что заметно ограничивает рентабельные сферы применения.
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипу, за счет создания препарата, предназначенного для снижения аллелотоксичности почв и обеспечивающего усиленное поглощение аллелотоксинов из почвы и снижение их ингибирующего влияния на развитие растений.
Краткое раскрытие сущности изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности снижения аллелотоксичности почв и, как следствие, в уменьшении поступления аллелотоксинов в растения, при использовании сорбционно-стимулирующего препарата, полученного заявляемым способом. Использование такого препарата способствует увеличению устойчивости растений к фитопатогенам и вредителям, а также ускорению прорастания семян в предварительно обработанной препаратом почве и развитию из них растений.
согласно техническому решению,
Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе получения сорбционно-стимулирующего препарата для снижения аллелотоксичности почвы,  водные растворы бентонита, гумата натрия или калия и автолизата пивных дрожжей (АПД) смешивают в массовом соотношении 4:0,9-1,1:2,8-3,2 соответственно, при непрерывном перемешивании в течение 5-6 часов с получением суспензии, которую высушивают до получения сухого остатка с последующим его измельчением в порошок. Суспензия бентонита, гумата и АПД имеет концентрацию 50-100 г/л. В процессе приготовления суспензию высушивают выдерживанием при температуре 70-80°С до удаления следов видимой влаги. Измельчение сухого остатка может быть проведено, например, мельницей ударного действия до получения частиц размером 5-200 мкм.
Введение автолизата пивных дрожжей (АПД) в сорбционно-стимулирующий препарат снимает угнетение начальной стадии развития растений при использовании сорбционных препаратов. Использование ранее известных индивидуальных веществ-стимуляторов совместно с сорбционным препаратом и АПД приводит к резкому повышению эффективности применения веществ-стимуляторов.
Интервалы концентраций, в которых полученный препарат действует наиболее эффективно, были определены опытным путем с учетом известных знаний о свойствах бентонитов и гуматов. Выявлено, что при определенных соотношениях «бентонит кальция – гумат – АПД» возникает бентонито-гуматовый комплекс, обладающий значительной сорбционной способностью по отношению к органическим веществам (аллелотоксинам).
Для обеспечения сбалансированного количества бентонито-гуматового комплекса в препарате эмпирическим путем определены и проверены границы интервала его концентрации. Значение нижних границ интервалов кальциевого бентонита и гумата обусловлены способностью бентонито-гуматового комплекса эффективно поглощать и закреплять аллелотоксины, поступающие в семена из почв, а верхняя граница обусловлена тем, что количество биологически активных веществ из почв, способных стимулировать развитие семян, закрепляется на сорбенте в минимальной степени.
Для АПД выбранная нижняя граница интервала концентраций связана с необходимостью дополнительного блокирования активных центров сорбента, способных закреплять стимулирующие биологически активные вещества из почв, а верхняя граница обусловлена вытеснением стимулирующими биологически активными веществами из почв аллелотоксинов и увеличением их количества, поступающего в семена, что приводит к усилению ингибирования развития семян. Вместе с тем, следует учитывать, что на этот процесс накладывается поступление из АПД в семена веществ, стимулирующих развитие семян (например, витаминов). Границы концентраций АПД в составе препарата также обусловлены формированием условий, при которых микроорганизмы, стимулирующие растения, развиваются наиболее интенсивно.
Осуществление изобретения
Заявляемый способ обеспечивает получение сорбционного препарата, предназначенного не для обработки семян, а для внесения в почву, что обусловило необходимость проведения дополнительных мероприятий по созданию препарата, помимо простого смешивания активных компонентов. При этом к гумусовым веществам добавляют кальциевый бентонит и АПД в выбранных пропорциях. При взаимодействии гумусовых веществ с бентонитом образуются глино-гумусовые комплексы, которые обладают значительно большей сорбционной способностью (по сравнению с отдельными компонентами) по отношению к органическим веществам [5], и при внесении в почву закрепляют аллелотоксины, не позволяя им поступать в растения и ингибировать их развитие. Следует отметить, что простое добавление раствора бентонита к раствору гумата не дает ожидаемого эффекта, а обеспечивает только получение препарата, в котором каждый активный компонент (бентонит и гумат) действует в соответствии с присущими ему физико-химическими свойствами без дополнительного синергетического эффекта. Добавление автолизата пивных дрожжей к полученному сорбционному комплексу позволяет улучшить условия функционирования микроорганизмов, стимулирующих развитие растений.
Дальнейшее описание сущности изобретения выполнено с использованием примеров конкретного выполнения.
Опыты проводили на семенах тестовой культуры – яровой пшенице сорт «Лиза» на дерново-подзолистой почве из окрестностей поймы реки Яхрома влажностью 18,1%.
http://novagrohim.ru/index.php/partners/agriculture/27-agriculture/85-humates
Для приготовления сорбционно-стимулирующего препарата использовали жидкий концентрат гумата калия (натрия), произведенный ООО НВЦ «Агротехнологии» из бурого угля и кальциевый бентонит по ОСТ 18-49-71 (), а также автолизат пивных дрожжей (АПД), произведенный ООО «Биотех плюс». Указанные препараты хорошо зарекомендовали себя в качестве средств для обработки семян и подкормки растений, однако сведения об эффективности бентонито-гуматовых смесей и их производных при обработке почвы в уровне техники отсутствуют.
В общем случае, предварительно готовят водные растворы бентонита (концентрацией от 30 до 60 г/л, предпочтительно от 35 до 45 г/л, предпочтительно 40 г/л), гумата (концентрацией от 5 до 40 г/л, предпочтительно 10 г/л), и АПД (концентрацией от 8 до 15 г/л, предпочтительно 12 г/л).
Процедура приготовления препарата состояла в получении суспензии бентонита, гумата и АПД концентрацией 50-100 г/л (для соотношения 4 части бентонита на 1 часть гумата и 3 части АПД) и ее механическом перемешивании в течение 5-6 часов. После этого полученную суспензию высушивали при 70-80°C в течение 6 часов до удаления видимых следов влаги. Получившуюся высушенную смесь измельчали мельницей ударного действия до состояния порошка c размером частиц 5-200 мкм.
Для внесения в почву полученный препарат смешивали с конечным объемом почвы, взятой из зоны посадки растений. Оптимальным является внесение 1% препарата от массы почвы. В лабораторных условиях препарат вносили в почву напрямую и посредством перемешивания обеспечивали его равномерное распределение в объеме почвы. При проведении крупномасштабных экспериментов (например, в теплицах) и работе с малыми дозами препарата возможно его поэтапное внесение: предварительное смешивание с малым объемом почвы и внесение образовавшейся смеси в основной объем почвы с последующим ее перемешиванием культиватором или фрезой.
Для достижения равновесия почву с внесенным препаратом выдерживали в течение 3 суток, после чего в нее высевали семена. Следует отметить, что в полевых условиях данный факт не окажет значимого влияния на эффективность действия препарата, так как сроки развития растений, на которых предполагается использование данного препарата, исчисляются 2-3 месяцами.
Оптимальные соотношения компонентов сорбционного препарата определены экспериментальным путем. Варианты соотношений компонентов и доз внесения приведены в таблице 1.
Для сравнения (в соответствии с прототипом) был подготовлен контрольный образец, в котором семена тестовой культуры высевали в почву, предварительно обработанную активированным углем из расчета 1% угля от массы почвы.
Все результаты проведенных экспериментов приведены в таблице 1.
Для оценки эффективности реализации заявляемого способа использовали методику, основанную на существовании линейной зависимости между длиной проростков больших массивов семян и их насыпным объемом в воде [6]. Известный способ оценки стимулирующей активности препаратов-стимуляторов позволяет обрабатывать большие партии семян за короткое время, что делает его применимым в промышленных масштабах. Суммарная длина проростков семян определяет их насыпной объем. Чем больше длина проростков, тем больше насыпной объем проросших семян. Таким образом, изменение насыпного объема проросших семян характеризует общую длину их проростков и дает возможность сравнивать проросшие семена, посаженные в почву, обработанную заявляемым способом, и семена, посаженные в почву, обработанную в соответствии с прототипом, относительно необработанной почвы.
Для оценки длины проростков для каждой опытной партии семян выполняли следующие действия.
Предварительно готовили следующие образцы почвы:
необработанная почва (1 образец, по отношению к которому приводится % изменение аллелотоксичности, в таблице не представлен ввиду отсутствия внесения сорбционно-стимулирующих компонентов);
почва, обработанная активированным углем следующим образом:
уголь измельчали на мельнице ударного действия до частиц размером 5-200 мкм;
получившийся порошок отбирали в количестве, обеспечивающем соотношение 1 часть препарата на 100 частей почвы;
для равномерного внесения отобранной навески порошка ее делили на 4 части, каждую из которых вносили на поверхность почвы, тщательно перемешивали и добавляли следующую порцию навески.
почва, обработанная препаратом, полученным заявляемым способом, где сорбционно-стимулирующий препарат приготовлен из бентонита, гумата и АПД (в соотношениях 4:0,67-1,5:1,2-3,2), а внесение препарата в почву выполнено в соответствии с пунктами 2.1.-2.3.
почва, обработанная смесью бентонита, гумата и АПД с отклонениями от оптимальных условий приготовления препарата по заявляемого способу (таблица 1).
При проведении экспериментов по оценке влияния действия препаратов на снижение аллелотоксичности почв на дно чашки диаметром 95 мм помещали 30 г почвы (1, 2, 3 и 4 образцы), затем ровным слоем размещали 7,5 г семян из одной партии, а сверху - 30 г почвы (1, 2, 3 и 4 образцы, соответственно). После этого в чашку равномерно добавляли из мерной пипетки воду. Использовали шестикратную повторность с последующей статистической обработкой результатов.
Проросшие в почве семена отмывали от почвы и помещали порциями в мерный цилиндр на 100 мл с водой, размещенный на вибростоле, колеблющемся с частотой 50 Гц. После помещения каждой порции проросших семян в цилиндр, которые создавали ажурную пористую структуру, на них на 15-20 секунд помещали небольшой грузик массой 8 г в виде резиновой пробки, что приводило к уплотнению структуры. После помещения всех проросших семян в цилиндр на них ставили грузик и проводили дополнительное уплотнение структуры легкими постукиваниями (30-40) цилиндра с семенами о стол. Эти операции позволяли создать достаточно однородную структуру, а нижняя граница груза позволяла определять насыпной объем с точностью до 0,5 мл.
Перед проведением опытов по оценке снижения препаратами аллелотоксичности почв определяли оптимальную исходную влажность почвы, при которой и проводили испытания. Для этого по описанной выше методике определяли количество добавляемой к почве воды, которое обеспечит максимальную суммарную длину проростков семян, посаженных в необработанную почву за 2 суток. Оптимальная величина навески добавляемой к почве воды составила 9 г.
Результаты по снижению препаратами аллелотоксичности почв выражали в процентах изменения длины проростков семян в обработанной (прототипом или заявляемым способом) почве по сравнению с семенами, прораставшими в необработанной почве.
Из полученных данных видно, что оптимальными параметрами внесения препарата в почву являются соотношения кальциевого бентонита, гумата и АПД равные 4:0,9-1,1:2,8-3,2.
Необходимость перемешивания состава свыше 5 часов обусловлена процессами распада агрегатов частиц монтмориллонита, входящего в состав бентонита, до индивидуальных частиц и повышением сорбционной поверхности препарата. Вместе с тем, необходимость в более длительном перемешивании отсутствует, поскольку в соответствии с полученными результатами, увеличение времени перемешивания свыше заявленного не влияет на снижение аллелотоксичности почвы.
Таблица 1
№ образца в соответствии с описанием
Препарат (П)
Состав препарата
Время образования препарата при перемешивании суспензии, часы
Температура удаления воды из суспензии препарата, °C
Снижение аллелотоксичности почв, %
Доля бентонита в составе препарата, частей
Доля гумата в составе препарата, частей
Доля АПД в составе препарата, частей
Расход препарата, % от веса почвы
2 образец
Активированный уголь
-
-
-
1
-
70-80
+9
3 образец
П-1
4
0,67
-
1
5-6
70-80
+4
П-2
4
0,9
-
1
5-6
70-80
+20
П-3
4
1
-
1
5-6
70-80
+20
П-4
4
1,1
-
1
5-6
70-80
+20
П-5
4
1,5
-
1
5-6
70-80
+14
П-6
4
1
1,2
1
5-6
70-80
+34
П-7
4
1
1,8
1
5-6
70-80
+50
П-8
4
1
2,8
1
5-6
70-80
+80
П-9
4
1
3,0
1
5-6
70-80
+80
П-10
4
1
3,2
1
5-6
70-80
+80
П-11
4
1
3,6
1
5-6
70-80
+60
П-9
4
1
3,0
1
1-2
70-80
+45
П-9
4
1
3,0
1
3-4
70-80
+60
П-9
4
1
3,0
1
7-8
70-80
+80
П-9
4
1
3,0
1
24-28
70-80
+80
П-9
4
1
3,0
1
5-6
100-110
+60
П-9
4
1
3,0
1
5-6
150-160
+50
4 образец
4
1
3
1
0,2
-
+9
П-1-11 – номера компонентных составов препаратов, полученных заявляемым способом.
Таким образом, предлагаемое изобретение при его использовании в качестве средства обработки почвы позволяет значительно уменьшить ее аллелотоксичность и, за счет этого, повысить скорость развития в почве растений с 9% (прототип) до 80% (заявляемый способ).
Источники информации
1. Красильников Н.А. Микроорганизмы почвы и высшие растения. М.: Изд. АН СССР. 1958. 464 с.
2. Igalavithana A. D., Ok Y. S., Usman A. R., Al‐Wabel M. I., Oleszczuk P., Lee S. S. The effects of biochar amendment on soil fertility //Agricultural and environmental applications of biochar: Advances and barriers. 2016. V. 63. P. 123-144.
3. Лобков В.Т. Использование почвенно-биологического фактора в земледелии: монография. Орел: Изд-во ФГБОУ ВО Орловский ГАУ. 2017. 166 с.
4. Игнатьев Н. Н., Селицкая О. В., Бирюков А. О. Особенности стимулирующей и ингибирующей активности тепличного грунта при применении регуляторов роста растений // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2005. №.4. С. 3-10.
5. Куликова Н.А. связывающая способность и детоксицирующие свойства гумусовых кислот по отношению к атразину. Дисс. канд. биол. наук. М.:МГУ. 1999. 171 с.
6. Федотов Г. Н. Шоба С.А., Федотова М.Ф., Горепекин И.В. Влияние аллелотоксичности почв на прорастание семян зерновых культур // Почвоведение. 2019. № 4. С. 489-496.
7. McCalla T.M., Haskins F.A. Phytotoxic Substances from Soil Microorganisms and Crop Residues // Bacteriological Reviews, 1964, v.28, no.2, pp. 181–207.
8. Гродзинский А.М., Богдан Г.П., Головко Э.А., Дзюбенко Н.Н., Мороз П.А., Прутенская Н.И. Аллелопатическое почвоутомление. Киев: Наукова думка, 1979. 248 с.
9. Reigosa M.J., Pedrol N., Gonzalez L. Allelopathy. A Physiological Process with Ecological Implications. Netherlands: Springer, 2006, 637 p.
10. Cheng F., Cheng Z. Research Progress on the use of Plant Allelopathy in Agriculture and the Physiological and Ecological Mechanisms of Allelopathy // Frontiers in Plant Science, 2015, v. 6, article 1020.
11. Ghulam J., Shaukat M., Arshad N.C., Imran H., Muhammad A. Allelochemicals: sources, toxicity and microbial transformation in soil — a review // Annals of Microbiology, 2008, 58 (3), pp. 351–357.
12. https://propozitsiya.com/gidrotermalnaya-karbonizaciya-biomassy-put-k-resheniyu-ekologicheskih-problem