Агроэкологические аспекты при выделении гуматов из биомассы растений и органических удобрений. 1. Влияние гуматов на свойства почв и биотесты

ПРОМЫШЛЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ

УДК 641.41

В. И. Савич, С. Л. Белопухов, М. Д. Алифиров, Г. Н. Кушнир, И. Г. Шайхиев

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ГУМАТОВ ИЗ БИОМАССЫ РАСТЕНИЙ

И ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ. 1. ВЛИЯНИЕ ГУМАТОВ НА СВОЙСТВА ПОЧВ И БИОТЕСТЫ

Ключевые слова: гуматы, растворимость осадков, элюирование катионов из почв, влияние на биотесты, тяжелые металлы.

В проведенных исследованиях показано, что гуматы, выделенные из сорных растений и остатков биомассы сельскохозяйственных культур и содержащие физиологически активные вещества, существенно влияют на подвижность катионов в почвах, биотесты, что коррелирует с наличием в них функциональных групп органических соединений. Выделенные гуматы могут быть использованы для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур.

Keywords: humates, the solubility ofprecipitation, elution of cations from the soil, the impact on bioassays, heavy metals.

The paper was studied humates, which were isolated from the weedy plant biomass and crop residues. These Humate containing biologically active substances. It was found that humates affect the mobility of cations in the soil, bioassays. Biological activity humates correlates with the presence of functional groups of organic compounds. Humates that we have identified can be used for pre-treatment of crop seeds.

Введение

Изучению влияния гуматов на биотесты и урожай сельскохозяйственных культур посвящено в последнее время значительное количество работ [18]. С нашей точки зрения, при использовании гуматов для разных целей, последние должны обладать и определенными свойствами. Это достигается приготовлением гуматов из купажа исходных продуктов с заданными свойствами и условиями компостирования смеси, условиями экстракции гуматов и модификацией последних за счет окисления, восстановления продуктов, их обогащения биофильными элементами, в т.ч. и за счет анодного растворения.

Состав полученных стимуляторов в значительной степени зависит от технологии их компостирования (продолжительности реакций, температуры, обработки ультразвуком, перекисью водорода, концентрации и химического состава десорбента). Перспективно получение гуматов из нетрадиционного сырья: сорных растений, органических удобрений, целлюлозосодержащих отходов сельскохозяйственного производства. Однако этот вопрос изучен недостаточно, что и послужило основанием для выполнения работы.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования выбраны корни и надземная часть сорных растений: сныти, крапивы, лебеды, бодяка, кресс-салата, помет птиц, солома.

Методика исследования состояла в приготовлении гуматов из прокомпостированных при избыточной влажности 5 дней органических остатков, выделении гуматов щелочными растворами, в оценке их влияния на рост и развитие проростков, черенков смородины, на растворимость осадков, вытеснение катионов из почв. Оценка влияния гуматов на биотесты и вытеснение

катионов из почв и растительных осадков проводилось по стандартным и разработанным методикам, как предложено ранее [6-7, 9-13].

Обсуждение результатов

В проведенных экспериментах установлено, что гуматы, вытесненные 0,1М КОН из корней и стеблей сорных растений, обладали биологической активностью до концентрации 10-10, которая в большей степени проявлялась по влиянию на корни биотеста. Так, под влиянием водной вытяжки из сорных растений в разведении 10-5, размер стеблей кресс-салата (Lepidium sativum) составлял 6,7±1,0 см, а под влиянием вытяжки 0,1М КОН в разведении 10-5 - 9,0±0,6 см. При этом биологическая активность гуматов из разных сорных растений отличалась, что иллюстрируют данные таблицы 1.

Таблица 1 - Влияние на развитие биотестов (прорастание семян кресс-салата) щелочных экстрактов из сорных растений, вытяжка 0,1 М КОН в разведении

Растения- Длина про ростков, см

доноры Разведение Разведение

10-5 10-10

бодяк, корни 9,8±0,9 6,5±0,7

стебли 5,5±0,4 6,4±0,6

крапива, корни 9,4±0,7 5,1±0,9

стебли 8,6±1,0 5,5±0,7

сныть, корни 7,9±1,0 5,2±0,6

стебли 7,2±0,9 6,0±0,5

Щелочные экстракты из сорных растений положительно действовали и на образование корней у черенков смородины. Так, в воде размер корней составлял 3,9±0,2 см; а под действием щелочных экстрактов в разведении 10-5 из корней и стеблей

сныти (Aegopodium podagraria L.) - соответственно 4,8±0,5 см и 5,6±0,4 см; из корней и стеблей бодяка (Cirsium lanceolatum L.) - соответственно 4,6±0,3 см и 4,5±0,4 см; из корней и стеблей лебеды (Atriplex hortensis L.) - 5,2±0,7 см и 3,7±0,3 см; из корней и

Таблица 2 - Влияние гуматов калия из куриного п

стеблей крапивы (Urtica dioica L.) - соответственно 4,5±0,4 см и 4,4±0,4 см.

На развитие растений существенно влияли и гуматы из органических удобрений, что иллюстрируется данными таблицы 2.

на прорастание семян

Вариант Растение Развитие корней биотеста

Х тах % проросших семян

Н2О кресс-салат 3,0±0,4 4,5 60

горчица 3,9±0,5 5,5 80

гумат из гранулированного помета, 10-5 кресс-салат 6,0±0,7 8,0 90

горчица 4,1±0,7 7,0 70

гумат из жидкого помета, 10-5 кресс-салат 6,7±0,3 7,5 60

горчица 5,6±0,7 8,0 90

10-7 кресс-салат 4,2±0,6 7,5 80

горчица 6,2±0,8 9,0 60

При замачивании семян в иммуноцитофите рекомендуемой концентрации размер корней проростков кресс-салата составил 2,1±0,5 см; горчицы - 4,7±0,7 см. Как видно из представленных данных, гуматы из помета в разведении 10-5-10-7 улучшают развитие корней в условиях биотеста.

С нашей точки зрения, биологическую активность стимулятора характеризует длина корней и стеблей биотеста, энергия их роста, степень варьирования показателей, влияние на устойчивость растений к стрессовым ситуациям, изменение биологической активности с увеличением степени разведения препарата.

По литературным данным, состав гуматов отличается при приготовлении их из разных исходных продуктов, при разных способах приготовления. Показано, что гуматы, приготовленные из разных исходных продуктов, обогащенные Мп, 2.П, Ре, содержали различные количества гуминовых и фульвокислот, углерода, нерастворимого остатка [2, 3]. Положительное действие гуматов на растения отличалось для гуматов калия и натрия. Так, при применении гумимакса, содержащего калий, на картофеле прибавка урожая была выше, чем при применении гумата натрия, т. к. картофель хорошо отзывается на внесение калия. При использовании гуматов под ячмень лучшее действие оказал гумат натрия. В зависимости от факторов, лимитирующих урожай, применение гуматов наиболее эффективно в различные фазы развития растений [4, 5, 8].

Гуматы и водорастворимые органические вещества разлагающихся растительных остатков являются стимуляторами. Однако обогащение их элементами питания растений усиливает эффект действия на систему почва-растение. По данным многих исследователей, предпосевная обработка семян и растений в различные фазы вегетации увеличивала устойчивость растений к неблагоприятным факторам окружающей среды, повышала урожай, снижала поступление тяжелых металлов в растения [14-16].

Благоприятное действие гуматов на растения усиливается при неблагоприятных факторах внешней среды [1]. Показано, что действие гуматов существенно влияло на окислительно-восстановительное состояние клеток и усиливалось использованием более восстановленных фракций (в т.ч. для нейтрализации отрицательных последствий применения повышенных доз гербицидов).

С нашей точки зрения, перспективно анодное обогащение гуматов и водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков микроэлементами. В наших опытах установлено, что развитие корней проростков кресс-салата при опудривании семян гуматом в контроле составило - 2,0±0,1 см, при обогащении цинком -3,1±0,3 см, а при обогащении медью - 2,2±0,3 см. При этом в исходном помете содержание 2п и Си составляло 0,01 мг/л, а после анодного обогащения -0,09 и 0,31 мг/л.

Таким образом, при опудривании семян кресс-салата гуматом из помета, обогащенного за счет анодного растворения цинком и медью, развитие корней улучшилось и может быть использовано на практике. Гуматы, обогащенные поливалентными металлами, активно поступали в древесные культуры за счет их электрофоретического введения.

Гуматы оказывали влияние на процесс фиторемедиации почв, что иллюстрируется данными таблицы 3.

Таблица 3 - Вынос РЬ растениями проростков горчицы белой

Вариант мг/100 г растений мг/сосуд

контроль 1,7 0,03

гумат + №К 3,0 0,04

гумат из шунгита 12,0 0,07

гумат из древесного 7,1 0,06

угля

Функциональные свойства гуматов и водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков

определяются наличием в них хинонных группировок, парамагнитных центров,

карбоксильных, фенольных, спиртовых групп, а при анодном обогащении микроэлементами и составом микроэлементов, входящих в ферменты, ответственные за устойчивость растений к изучаемым стрессовым ситуациям,

комплексообразующей способностью применяемых, как стимуляторы, соединений к двух- и поливалентным металлам.

Для оценки функциональных свойств рассматриваемых соединений, по полученным данным, перспективно использование метода инфракрасной спектроскопии, дериватографии, газоразрядной визуализации, оценки

комплексообразующей способности растворов, методов биотестов, что и было показано в наших экспериментах. В щелочных вытяжках из изучаемых растений методом ИК-спектроскопии установлено наличие группировок С=О, СООН, СН2, СН3, NН2, NН3, что свидетельствует о близости выделяемых веществ к гуминовым препаратам.

Гуматы, внесенные в почву, влияют не только на растения и микроорганизмы, но и на свойства почв. Гуматы из растительных остатков повышают растворимость осадков, что видно из данных таблицы 4.

Как видно из представленных данных, растворимость изучаемых осадков в гуматах значительно выше, чем в воде при тех же рН среды. В большей степени повлияла на растворимость осадков вытяжка из сена злаков и меньше вытяжка из соломы пшеничной.

Вытяжки 0,05 М Н^О4 из соломы и сена злакового имели рН = 1,47±0,09, ЕЙ по ХСЭ = 328,0±0,01 мВ, содержание в мг/л Fe, Mn, Ca, Mg и рК соответственно 7,1±0,7; 3,8±1,2; 90,0±11,8; 9,7±0,1; 3,5±0,5. Вытяжки 0,1М №ОН из этих же растительных остатков имели рН = 8,6±0,3, ЕЙ = -391,0±38,5 мВ, содержание в мг/л Fe, Mn, Ca, Mg и рК соответственно 2,1±0,8; 0,7±0,3; 38,5±20,1; 7,7±1,4 и 3,5±0,9.

Таблица 4 - Растворимость осадков Ре, Мп, Zn, Си в гуматах из соломы пшеничной и злакового сена * при рН = 8,0-9,9

Вытяжка 0,1М ЫаОН Fe Mn Zn Cu

из соломы из сена Н2О 3,4±0,1 6,6±3,9 2,1±0,2 0,6±0,0 4,2±1,3 0,0 1,7±0,2 3,7±0,2 0,6±0,4 59,0±0,1 140,5±10,3 1,6±0,1

*) Fe2Oз, MnO2, ZnCOз, ^^Ь

Таким образом, щелочная вытяжка, по сравнению с кислой, характеризовалась большей восстановленностью соединений, меньшим содержанием Fe, Mn, Ca, Mg. Вытяжки из сена, по сравнению с вытяжками из соломы, содержали больше Fe, Mn, Ca, Mg. При рН=6 вытяжка 0,1М NаОН из соломы растворила больше осадков, чем вытяжка 0,05 М Н^О4, однако вытяжка из сена при этом вытеснила меньше Fe, Mn, 2п из осадков.

Гуматы из растительных остатков существенно влияют и на растворимость соединений 2-х и 3-валентных катионов, поглощенных почвой. Это иллюстрируется данными таблицы 5.

Таблица 5 - Содержание катионов в равновесном растворе подзолистых и дерново-подзолистых почв при взаимодействии их с гуматами, мг/л, п=7

Вытяжка 0,1М №ОН рН Fe Mn Al Ca Mg

из соломы пшеничной 8,9±0,1 16,9±3,3 - 35,3±7,4 11,3±2,1 5,1±0,5

из соломы овсяной 9,5±0,1 29,0±9,2 2,8±1,5 46,3±7,7 23,6±5,3 5,2±0,2

сена злакового 8,7±0,1 18,1±3,8 2,8±1,5 30,6±7,6 53,8±4,7 6,5±0,4

углистого сланца 9,7±0,1 25,0±11,5 2,0±1,3 49,9±11,6 33,9±12,3 4,0±0,6

Как видно из представленных данных, гуматы из растительных остатков вытесняют значимые количества изучаемых катионов, несмотря на щелочную реакцию среды. Это обусловлено их комплексообразующей способностью. При этом гуматы из разных исходных продуктов извлекают из почв различные количества 2-х и 3-валентных катионов. Отмечается увеличение вытеснения А1

Таблица 6 - Вытеснение Fe, Mn, Ca, Mg, А1 гранулометрического состава и степени гидроморфности

при более щелочной реакции среды, что связано с образованием гидроксикомплексов А1(0Н)4-, А1(0Н)52-. Данное обстоятельство относится и к вытеснению из почв железа. Большее количество Са, вытеснял из почв гумат, полученный из злакового сена, и с менее щелочной реакцией среды.

гуматами из подзолистых

почв различного

Почва Вытеснено растворами гуматов, мг/л

Fe Mn Al Ca Mg

автоморфная среднесуглинистая 14,6±1,6 0,5±0,1 59,6±3,7 18,7±13,3 6,7±1,0

- « - оглеенная 19,4±8,1 8,1±1,2 58,0±2,7 37,6±12,8 6,3±0,6

автоморфная легкосуглинистая 7,7±1,1 1,6±0,1 27,6±6,1 20,2±10,7 4,9±0,5

- « - оглеенная 45,2±14,5 0,3±0,1 47,0±9,2 24,0±11,8 4,7±0,3

автоморфная супесчаная 6,4±3,6 1,6±0,2 20,2±3,8 30,3±13,3 5,7±1,3

- « - оглеенная 22,1±1,5 0,8±0,1 21,7±3,6 35,3±12,8 5,4±0,2

При этом вытеснение катионов из почв под влиянием гуматов отличалось для почв разной степени гидроморфности и определенного гранулометрического состава. Полученные данные приведены в таблице 6.

Как видно из представленных данных, гуматы вытесняют больше Ре, А1, Са из оглеенных почв, по сравнению с автоморфными. Из почв более легкого гранулометрического состава вытесняется меньше рассматриваемых катионов, по сравнению с почвами более тяжелого гранулометрического состава.

Взаимодействие гуматов с почвами приводит к уменьшению содержания в почвах обменных форм катионов. Это иллюстрируется данными таблицы 7.

Таблица 7 - Содержание обменных катионов в подзолистых и дерново-подзолистых почвах (Ап, А1) после взаимодействия их с гуматами из растительных остатков, мг/100 г почв

Вытяжка 0,1М Fe Mn Ca

контроль 4,4±2,0 6,3±4,2 101,1±22,9

из соломы 0,7±0,2 2,6±0,9 45,7±6,9

пшеничной 0,2±0,01 0,9±0,3 49,4±4,7

из соломы овсяной 0,3±0,02 3,2±1,5 52,7±6,0

из сена злакового 0,2±0,02 0,9±0,6 53,5±8,2

из углистого сланца

Выводы

1. Щелочные экстракты из крапивы, дудника, сныти, бодяка, лебеды, помета, сена и соломы в концентрациях 10-5-10-10 обладают биологической активностью и положительно действуют на прорастание семян кресс-салата и развитие проростков, корнеобразование у черенков смородины.

2. Гуматы из изученных растительных остатков, органических удобрений обладают высокой комплексообразующей способностью, повышают растворимость осадков, положительно влияют на фиторемедиацию, увеличивая вынос свинца из почв проростками.

3. Анодное обогащение гуматов цинком и медью привело к улучшению развития корней проростков.

5. Гуматы изученных соединений элюировали Ре, Мп, Са, Мд, А1 из подзолистых и дерново-подзолистых почв, уменьшали содержание обменных катионов в исследуемых почвах.

Литература

1. Л.Ф. Бобырь, М.Ф. Трофимова, А.И. Горовая, Известия ТСХА, 2, 82-93 (1992).

2. Н.Ю. Гармаш, Г.А. Гармаш, Агрохимический вестник, 4, 17-19 (2012).

3. Г.А. Гармаш, Н.Ю. Гармаш, А.В. Берестов, Агрохимический вестник, 2, 11-13 (2013).

4. А.Н. Левченкова, Т.И. Володина, Агрохимический вестник, 5, 31-33 (2013).

5. С.Л. Белопухов, Е.А. Гришина, Известия ВУЗов. Прикладная химия и биотехнология, №1(2), 97-103 (2012).

6. В.И. Савич, В.А. Седых, С.Л. Белопухов, С.А. Измайлова, Агрохимический вестник, 4, 21-23 (2012).

7. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, В.В. Верхотуров, Системы. Методы. Технологии, 2, 162-172 (2013).

8. Е.А. Гришина, С.Л. Белопухов, Бутлеровские сообщения, 34, 4, 157-162 (2013).

9. Д.Н. Никиточкин, В.И.Савич, В.Д. Наумов, Р.Ф. Байбеков, Модели плодородия почв под яблонью во времени и в пространстве, ВНИИА, Москва, 2015.

10. В.И. Савич, Физико-химические основы плодородия почв, РГАУ-МСХА, Москва, 2013. 431 с.

11. В.И. Савич, С. Л. Белопухов, В.В. Гукалов, Вестник технологического ун-та, 18, 12, 185-189 (2015).

12. В.И. Савич, С.Л. Белопухов,, Д.Н. Никиточкин, А.В. Филиппова, Известия Оренбургского ГАУ, 4, 216-218 (2013).

13. В.Н. Гукалов, В.И. Савич, С.Л. Белопухов, О.А. Шапкина, В.В. Верхотуров, Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 5, 58-64 (2015).

14. Д.А. Постников, И.Е. Автухович, С.Л. Белопухов, Достижения науки и техники АПК, 29, 8, 50-54 (2015).

15. С.Л. Белопухов, Н.К. Сюняев, О.И. Сюняева, И.И. Дмитревская, Агрохимия, 6, 37-43 (2015).

16. Е.И. Кошкин, И.Б. Андреева, С.Л. Белопухов, Агрохимия, 8, 79-87 (2014).

© В. И. Савич - д. с-х. н., профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; С. Л. Белопухов - д. с-х. н., профессор, зав. кафедрой физической и органической химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, тел. раб. (499)976-32-16, belopuhov@mail.ru; М. Д. Алифиров - аспирант кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; Г. Н. Кушнир - инженер кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. кафедрой инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.

© V. I. Savich - Doctor of Agricultural Sciences, Department of Soil Science, Geology and Landscape RGAU-MTAA Timiryazeva, S. L. Belopukhov - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Head of the Department of Physical and Organic Chemistry RGAU-MTAA Timiryazeva, tel. (499) 976-32-16, belopuhov@mail.ru; M. D. Alifirov - graduate, Department of Soil Science, Geology and Landscape RGAU-MTAA Timiryazeva; G. N. Kushnir - engineer, Department of Soil Science, Geology and Landscape RGAU-MTAA Timiryazeva; I G. Shaikhiev - Doctor of Technical Sciences., Head of Environmental Engineering Kazan National Research Technological University.