КРЕМНЕГУМИНОВЫЙ РЕГУЛЯТОР РОСТА РАСТЕНИЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ РАСТЕНИЙ
SILICON-HUMIC PLANT GROWTH REGULATOR AND USE THEREOF TO TREAT PLANTS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области передовых аграрных технологий и химии кремнийорганических соединений и может быть использовано для биоактивации и улучшения резистентности растений к условиям стресса. В частности, изобретение использует водорастворимые гуминовые силанольные производные, которые были модифицированы, чтобы придать им способность необратимо сорбироваться на гидроксилсодержащих носителях, включая поверхности тканей растений. Способ применения в агротехнологиях заключается в использовании гуминовых производных в качестве регуляторов роста растений - биоактиваторов и элиситоров, способных мобилизовать ростовые и защитные системы растительных организмов. Применение происходит путем предпосевной (замачивание клубней и семян) и внекорневой (опрыскивание по листу) обработки водными растворами гуминовых производных.
Уровень техники
Гуминовые вещества (ГВ) повсеместно встречаются в окружающей среде и составляют один из самых больших пулов неживого органического углерода. Многочисленными исследованиями показано, что природные ГВ обладают выраженной стимулирующей активностью в отношении роста растений [см. обзор Nardi, S., Pizzeghello, D., Muscolo, A., Vianello, A. 2002. Physiological effect of humic substances on higher plants, Soil Biol. Biochem. 34, 1527-1536]. Как следствие, в настоящее время гуминовые препараты, которые получают в промышленности из угля, торфа, сапропеля и др. гуминовых материалов, нашли широкое применение в агротехнологиях в качестве регуляторов роста растений [Богословский В.Н., Левинский Б.В., Сычев В.Г. 2004. Агротехнологии будущего, Москва, РИФ Антиква. 163 с.]. При этом автор монографии [Безуглова О.С., 2000. Удобрения и стимуляторы роста, Ростов-на-Дону, Феникс, 220 с.] пишет: "Гуминовые препараты характеризуются четким «адресным» воздействием на ростовые процессы. Наиболее широко известным гуминовым препаратом является гумат натрия или калия. Его производят различные фирмы, и поэтому вы можете встретить этот препарат и под другими названиями, например гумат, гумак. Их использование в низких концентрациях приводит к усиленному развитию корневой системы, а следовательно, улучшению условий питания. Ускоряется рост и надземной части растения, активизируются процессы дыхания, фотосинтеза. Препараты нейтрализуют отрицательное воздействие на культурные растения последствий применения ядохимикатов, снимают радиолучевые поражения".
Введение силанольных групп в состав ГВ позволяет придать им уникальные свойства, которые отсутствуют у немодифицированных ГВ, а именно, высокую адгезивную способность к поверхностям растительных тканей, богатых полисахаридами, что может обеспечивать проникновение кремнийсодержащих гуминовых фрагментов через устьица растений. Кроме того, в составе гуминовой компоненты резко повышается содержание кремния, который так же обладает биологической активностью [Воронков М.Г., Кузнецов И.Г., 1984. Кремний в живой природе. Новосибирск: Наука. 1984. 157 с., Колесников М.П. Формы кремния в растениях. 2001. Успехи биологической химии, т.41, 2001, с.301-332]. Как следствие, совместное присутствие кремния и гуминовых веществ в составе силанольных производных определяет уникальные стимулирующие свойства данных гибридных соединений в отношении растений.
Прототипом данного изобретения может служить лигнокремниевое производное, обладающее рострегулирующей активностью, описанное в патенте РФ 2054432. Для получения данного производного используются лигноцеллюлозные материалы: отходы, продукты и полупродукты производств химической переработки древесины (гидролизный лигнин, целлолигнин), древесные опилки, торф и отходы переработки сельскохозяйственной продукции, которые обрабатывают неорганическими и органическими соединениями кремния. Недостатком этого изобретения является то, что получаемый продукт реакции является лишь частично растворимым, что определяет способ его применения в виде порошка для внесения в почву или для припудривания растений. При этом для растений доступны только гидролизуемые формы кремния, которые трудно нормировать при таком варианте их введения. Еще одним недостатком изобретения является применение органических растворителей для проведения реакций с органическими кремниевыми реагентами, что может привести к остаточному содержанию токсичных растворителей в продукте. Еще одним недостатком является предпочтительность использования в качестве исходного сырья лигносодержащих отходов целлюлозно-бумажной промышленности, которые могут содержать большие количества токсичных примесей, что определяет возможность вторичного загрязнения и потенциальную токсичность продукта.
Указанных недостатков лишены силанольные гуминовые производные, предлагаемые к использованию в качестве органических активаторов иммунной системы растений. Их принципиальным отличием является то, что они полностью растворимы в водных щелочных средах. Это определяет точность дозирования стимулятора как по содержанию гуминового, так и кремниевого компонентов. Кроме того, растворимость силанольных производных обеспечивает возможность их применения как для предпосевной обработки, так и для внекорневой подкормки растений путем опрыскивания по листу. При этом эффективность действия силанольных гуминовых производных усиливается за счет высокой адгезивной способности по отношению к гидроксилсодержащим поверхностям растительных тканей, что обеспечивает хороший контакт кремнийсодержащих гуминовых фрагментов с листовой поверхностью. Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что синтез силанольных производных ведется в водной среде, без использования органических растворителей. Таким образом, дополнительным преимуществом кремнегуминовых производных является безопасность с позиций вторичного загрязнения и биосовместимость.
Решаемой в настоящем изобретении задачей является получение регулятора роста растений на основе гуминовых производных.
Достигаемым техническим результатом является получение гуминового производного, обеспечивающего достижение биоактивации и улучшения резистентности растений к условиям стресса.
Раскрытие изобретения
Наше изобретение относится к классу новых соединений, а именно гуминовых силанольных производных, которые модифицированы таким образом, чтобы они обрели способность прочно сорбироваться как на минеральных, так и на биологических гидроксилсодержащих твердых поверхностях, и которые могут использоваться как в растворенном, так и в иммобилизованном виде.
Соответственно, к предмету нашего изобретения относятся как сами новые гуминовые силанольные производные, так и способы обработки ими биологических поверхностей, направленные на улучшение иммунного статуса растительных организмов.
Предметом данного изобретения является способ повышения резистентности растений к стрессовым нагрузкам путем внекорневой обработки растений.
Другим предметом данного изобретения являются гуминовые силанольные производные для увеличения резистентности растений, которые обладают способностью прочно сорбироваться биологическими поверхностями за счет образования связей S-O-C, что способствует образованию гуминовых покрытий и обеспечивает их химическую стабильность.
Еще одним предметом данного изобретения является способ синтеза гуминовых силанольных производных, позволяющий получить такие гуминовые производные, при использовании которых возможно усилить резистентность растений к стрессовым нагрузкам.
Неожиданно оказалось, что обработка гуминовых веществ аминоорганосиланами в водной среде с последующей отгонкой воды и прогреванием продукта приводит к получению силанольных гуминовых производных, которые растворимы в щелочных водных средах, но легко переходят из раствора в твердую фазу при контакте с твердыми носителями, содержащими гидроксильные группы на поверхности. При этом образующиеся гуминовые силанольные производные способны прочно связываться с гидроксилированной поверхностью твердой подложки за счет образования Si-O-Si силоксановых связей (в случае кремнийсодержащих субстратов типа кремнеземов, силикатов, алюмосиликатов и т.п.) и Si-O-M (где M - металл) связей в случае оксидов и гидроксидов металлов. Кроме того, они легко образуют и более лабильные Si-O-С связи с гидроксилсодержащими биологическими поверхностями (типа целлюлозы и сахаридов). Это позволяет использовать силанольные гуминовые производные в качестве регуляторов роста растений (стимуляторов, элиситоров и т.д.). В случае внекорневой обработки высших растений гуминовые производные способны образовывать пленки на поверхности листьев, которые могут служить механическим барьером для патогенов, кроме того, продукты их метаболизма могут проникать в растения, мобилизуя их защитные системы, что снижает стрессовую нагрузку на растения.
Другим достоинством применения гуминовых производных для органического земледелия является доступность недорогого и обильного гуминового сырья, необходимого для получения гуминовых производных, упомянутых в данном изобретении. К такому сырью относятся различные типы угля, торфа, сапропеля, горючих сланцев, называемых каустобиолитами, а также компостов, вермикомпостов и других подобных материалов. Исходные гуминовые вещества могут быть использованы как в протонированной форме (гуминовые и фульвокислоты), так и в виде солей (гуматы и фульваты), и как предварительно модифицированные производные, обогащенные различными функциональными группами. Также могут быть использованы продукты микробиального разложения лигнина, древесины, угля и другие продукты микробного синтеза, а также лигносульфонаты и другие окисленные материалы. Принимая во внимание, что гуминовые вещества не имеют постоянного стехиометрического состава и регулярной структуры, они характеризуются содержанием основных конституционных элементов. Под таковым мы понимаем, что немодифицированные ГВ состоят из соединений со следующими содержаниями элементов, от около 20 до около 70.% (масс.) C, от около 2 до около 10% (масс.) H, от около 15 до около 55% (масс.) O, от около 0 до около 10% (масс.) N, и могут содержать от около 0 до около 10% (масс.) S и от около 0 до около 50% (масс.) золы. Кроме этого эти соединения могут содержать от около 1 до около 15 ммоль/г карбоксильных групп, от около 1 до около 10 ммоль/г гидроксильных групп и от около 0.5 до около 10 ммоль/г карбонильных групп. Для приготовления гуминовых производных настоящего изобретения могут использоваться аминоорганосиланы с различными заместителями в алифатической цепочке и алкоксисилильными заместителями у атома кремния, которые могут реагировать с карбоксильными группами гуминовых веществ. Под аминоорганосиланами мы понимаем алкоксисиланы, которые имеют одну аминогруппу, разделенную с Si-атомом, по крайней мере, одной, но предпочтительно, тремя метиленовыми группами, и, по меньшей мере одной, но предпочтительно тремя, алкокси-заместителями.
Вплоть по настоящее время возможность получения растворимых гуминовых производных, способных самопроизвольно сорбироваться на минеральных поверхностях, описана только в нашем патенте (RU 2429068). Принципиальное отличие данного изобретения состоит в том, что гуминовые силанольные производные получают в водной среде, тогда как синтез описанных ранее алкоксисилильных производных ведут в среде безводного органического растворителя (например, ДМФА). Еще одно принципиальное различие заключается в том, что растворение алкоксисилильных гуминовых производных в водной среде сопровождается гидролизом алкоксисилильных групп и выделением алифатических спиртов, загрязняющих окружающую среду. Этого недостатка лишены силанольные производные, растворяющиеся в воде без образования побочных продуктов. Кроме того, алкокисилильные производные обычно содержат остаточные количества растворителя (например, ДМСО), что также сопряжено с риском вторичного загрязнения. Синтез силанольных производных ведется в воде, что позволяет устранить данную проблему.
Неожиданно оказалось, что введение силанольных групп в состав гуминовых макромолекул не приводит к образованию нерастворимых гуминовых полимеров, сшитых силоксановыми связями. Напротив, гуминовые силанольные производные хорошо растворяются в водных средах в области щелочных pH, но могут быть легко выведены из раствора при контакте с твердыми субстратами, содержащими гидроксильные группы на поверхности. Процесс иммобилизации гуминовых производных на неорганических поверхностях происходит благодаря реакции силанольных групп с гидроксилами с образованием ковалентных Si-O-Si или Si-O-M связей (где М - металл). Тем самым силанольные группы выступают в качестве линкеров между гуминовой пленкой и твердым субстратом. В случае иммобилизации силанольных гуминовых производных на биологических поверхностях происходит образование Si-O-С связей, которые гораздо более лабильны, чем силоксановые, но за счет многоточечного связывания могут достаточно прочно удерживать гуминовый адсорбционный слой, например, на поверхности листьев.
Областью нашего изобретения является применение силанольных гуминовых производных для внекорневой подкормки растений в качестве регуляторов роста растений растений, в частности, для повышения стрессоустойчивости растений в условиях абиотического и биотического стресса. Силанольные гуминовые производные выступают в качестве неспецифических органических активаторов, запускающих защитную систему растений от стресса.
Для получения самопроизвольно сорбирующихся гуминовых производных согласно способу, предложенному в настоящем изобретении, гуминовый препарат, в качестве которого могут быть использованы гуминовые кислоты или фульвокислоты в протонированной форме или в виде солей щелочных металлов, растворяют в водной среде и к полученному раствору прикапывают аминоорганосилан (например, 3-аминопропил-триметоксисилан (АПТМС), или 3-аминопропилтриэтоксисилан (АПТС)), или 1-аминогексаметилен 6-аминометилентриэтоксисилан (АГАТС). Далее доводят рН раствора до 3-7 с помощью минеральной кислоты (например, НСl). Затем воду упаривают, и продукт реакции помещают в сушильный шкаф при 30-150°C на 6-8 часов или дольше. Полученный продукт можно определить как силанольные гуминовые производные. Они отличаются от исходных ГВ как своими физико-химическими свойствами, так и элементным и функциональным составом. Силанольные гуминовые производные содержат от 2 до 10 ммоль/г силанольных групп и имеют элементный состав (% масс): Si 2-8; C 30-55, H 3-5 и N 2-5. Некоторые рецептуры гуминовых производных могут содержать серу в диапазоне от около 0,5 до около 5% (масс). Они могут быть растворены в воде и иммобилизованы необратимо на минеральных и других гидроксилсодержащих твердых подложках.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. ИК-спектры ГВ и модифицированного препарата ГВ-АПТС.
13
Фиг.2. C ЯМР спектры препаратов ГВ леонардита и силанольного производного ГВ-АПТС.
Фиг.3. ИК-спектры ГВ угля и силанольного производного ГВ-АГТС
13
Фиг.4. C ЯМР спектры препаратов ГВ и ГВ-АГТС.
Фиг.5. ИК-спектры ГВ торфа (PHA-Na) и модифицированного препарата РНА-АПТС/
Фиг.6. Влияние гуминовых веществ угля и их силанольных производных ГВ-АПТС-20 и ГВ-АПТС-100 на рост побегов и корней растений пшеницы в условиях солевого стресса, вызванного 0,15М NaCl.
Фиг.7. Влияние гуминовых веществ угля и их силанольных производных ГВ-АПТС-20 на массу клубней картофеля сорта Жуковский.
Фиг.8. Влияние гуминовых веществ угля и их силанольных производных на урожайность озимой пшеницы в условиях дефицита азота/
Осуществление изобретения
Изобретение заключается в получении водорастворимых гуминовых силанольных производных, способных необратимо сорбироваться на твердой матрице. Для этого гуминовые вещества модифицируют аминоорганосиланами. Введенные в структуру гуминовых веществ силанольные группы могут вступать в реакцию с гидроксильными группами на поверхности твердых субстратов, образуя ковалентные Si-O-Si, Si-O-M или Si-O-С связи.
Любые известные гуминовые или гуминоподобные вещества могут быть использованы в нашем изобретении. Это могут быть различные угли, торфа, сапропели, компосты и др. Эти вещества или их модификации могут быть использованы как в протонированной форме, так и в виде солей. Более того, кроме гуминовых веществ, другие гуминоподобные вещества могут быть использованы в нашем изобретении: компосты и биогумус, а также другие материалы, содержащие органическую компоненту с карбоксильными группами (продукты биологического разложения лигнина, древесины, угля и др.). Так как гуминовые вещества не имеют определенной химической структуры, их характеризуют содержанием основных элементов. Таким образом, здесь под гуминовыми веществами подразумеваются соединения, содержащие от 20 до 70 весовых % углерода, от 2 до 10 весовых % водорода, от 15 до 55 весовых % кислорода, от 0 до 10 весовых % азота и от 0 до 50 весовых % золы. Иногда гуминовые вещества содержат от 0 до 10 весовых % серы.
2
3
x
y
2
2
3
Твердая поверхность для сорбции силанольных производных гуминовых веществ, описанных в нашем изобретении, должна содержать гидроксильные группы. Под это определение подпадают: силикагель, песок, кварц, силикаты, алюмосиликаты, оксид алюминия, алюминий, кальцит, неорганические оксиды (AlO, FeO, TiO, CrO и др.), стекло, асбест, гранулированные среды (гравий), а также биологические поверхности типа целлюлозы, крахмала, гемицеллюлоз, древесины, торфа, и другие похожие материалы.
Как было замечено, модификация гуминовых веществ может производиться с помощью аминоорганосиланов. Основные типы органосиланов, которые могут быть использованы для этих целей, приведены в таблице 1. Под алкоксисилильными группами подразумеваются группы, содержащие от 1 до 20 атомов углерода. Мы описываем использование метокси и этокси производных из-за их более высокой способности к гидролизу и, как следствие, более высокой реакционной способности по отношению к поверхностям, содержащим гидроксильные группы. В рамках этого изобретения могут быть использованы аминоорганосиланы, содержащие одну, две или три алкоксисилильные группы, или их смесь.
В качестве таких органосиланов могут быть использованы следующие:
3-аминопропилдиметилметоксисилан, 3-аминопропилметилдиметоксисилан, 3-аминопропилтриметоксисилан, 3-аминопропилдиметилэтоксисилан, 3-аминопропилметилдиэтоксисилан, 3-аминопропилтриэтоксисилан, 1-аминогексаметилен 6-аминометилентриметоксисилан, 1-аминогексаметилен 6-аминометилентриэтоксисилан и др.
Предпочтительнее использовать триалкоксисиланы, так как в этом случае модифицированные гуминовые вещества содержат три реакционноспособные алкоксигруппы, что приводит к более эффективному взаимодействию с гидроксилсодержащими поверхностями. Однако данное изобретение не исключает использование моно- и ди-алкоксисиланов для модификации гуминовых веществ.
Неожиданно оказалось, что после обработки гуминовых веществ аминоорганосиланами в водной среде, подкисленной до pH 3-7 и последующего прогревания продукта при 30-150°C в течение 6-8 часов или дольше, получаются гуминовые производные, которые способны растворяться в щелочных растворах, что позволяет их использовать как макромолекулярные силилирующие агенты. Силанольные производные гуминовых веществ ранее не были описаны. Силанольные гуминовые производные существенно отличаются от исходных по элементному и функциональному составам, а также по способности необратимо сорбироваться на минеральных ОН- и -О- содержащих поверхностях. Различия в составе и свойствах исходных и модифицированных ГВ были продемонстрированы с использованием различных физико-химических методов, таких как элементный анализ, титриметрия, ИК- и ЯМР-спектроскопии.
Таблица 1.
Органосиланы, которые могут быть использованы для модификации гуминовых веществ
Функциональность
Название
Структура
Амино
3-аминопропилтриалкоксисилан (АПТС)
H<sub>2</sub>N(CH<sub>2</sub>)<sub>3</sub>SiR<sub>n</sub>(OR)<sub>3-n</sub>, где n=0-2, R - метальный или этильный радикал
Амино
1-аминогексаметилен 6-аминометилентриалкоксисилан (АГТС)
H<sub>2</sub>N(CH<sub>2</sub>)<sub>6</sub>NHCH<sub>23</sub>SiR<sub>n</sub>(OR)<sub>3-n</sub>, где n=0-2, R - метальный или этильный радикал
Силанольные гуминовые производные характеризуются следующим составом и свойствами. Их элементный состав удовлетворяет следующим интервалам: (%): Si 2-8; C 30-55, H 3-7 и N 2-8. Они содержат от 0.5 до 5 ммоль силанольных групп на 1 г гуминовых веществ в зависимости от выбранной степени модификации функциональных групп ГВ. Они могут быть растворены в щелочном растворе и необратимо сорбированы на ОН-содержащих твердых подложках.
Приготовление силанольных производных гуминовых веществ производится по следующей методике:
1. Исходные твердые гуминовые вещества гомогенизируются,
2. Гомогенизированные ГВ растворяют в водной щелочи и в полученный раствор вносят по каплям раствор минеральной кислоты (например, HCl) до установления pH=3-7,
3. Затем по каплям при постоянном перемешивании прибавляют аминоорганосилан до достижения молярного соотношения функциональных групп реагентов (органосилан:ГВ) от 0.1:1 до 2:1. Реакцию ведут при комнатной температуре в течение 1 часа,
4. Продукт реакции отделяют от воды с использованием роторного испарителя,
5. Полученное вещество прогревают в вакуумной печи при температуре 30°C-150°C в течение 6-8 часов.
Полученные силанольные гуминовые производные могут быть использованы для увеличения сопротивляемости стрессу высших растений. Указанный эффект достигается с использованием следующих методик.
1. Твердые гуминовые производные, полученные по описанной выше методике, гомогенизируют и смешивают с концентрированным раствором щелочи (от 1 до 5%) в объемном соотношении от 1:1 до 1:2.
2. Щелочной раствор гуминовых производных разбавляют дистиллированной водой до концентрации от 0.005 до 0,01%.
3. Полученный раствор используют для внекорневой подкормки растений путем опрыскивания по вегетирующим растениям. Обработку можно проводить как отдельно, так и совместно с внесением комплексных и жидких удобрений.
Настоящее изобретение может быть описано (но не ограничивается ими) с помощью следующих примеров.
13
Примеры 1-3 описывают синтезы силанольных гуминовых производных. Состав и структура полученных производных подтверждена методами элементного анализа, титриметрии, ИК и C ЯМР спектроскопии. Результаты элементного и функционального составов представлены в таблицах 2-7, ИК и С ЯМР спектры даны на фиг 1-4. Пример 4 демонстрирует применение силанольных гуминовых производных в качестве регуляторов роста растений для защиты растений от солевого стресса в условиях лабораторного вегетационного эксперимента. Пример 5 демонстрирует применение силанольных производных гуминовых веществ в качестве регуляторов роста растений по отношению к картофелю в условиях мелкоделяночного эксперимента. Пример 6 демонстрирует применение силанольных гуминовых производных в качестве регуляторов роста растений для защиты от стресса - дефицита азота - в условиях полевого эксперимента.
Пример 1
Этот пример описывает синтез силанольных производных гуминовых веществ с использованием аминоорганосилана и гуминовых веществ леонардита в форме гумата калия. Реакцию проводили в одногорлой колбе, снабженной мешалкой. Навеску 50 г гумата калия растворяли в дистиллированной воде и затем, при интенсивном перемешивании, прикапывали 15 мл 3-аминопропилтриэтоксисилана (АПТС). Данное молярное соотношение реагентов составляет 1:0,5, так как 1 г использованных ГВ содержит 2,7 ммоль карбоксильных групп, которые реагируют с АПТС; 1 мл АПТС содержит 4,2 ммоль аминогрупп. Далее в раствор по каплям вводили 28 мл раствора соляной кислоты (5М) до установления pH=4. Реакцию вели в течение 10 минут при комнатной температуре. После завершения реакции воду отгоняли на роторном испарителе и полученное соединение помещали в сушильный шкаф при температуре 125°C на 6 часов. Затем полученное соединение гомогенизировали и помещали в эксикатор. Масса полученного соединения составила 56,2 г.
Строение полученных силанольных производных подтверждали методами элементного анализа и титриметрии (результаты представлены в таблицах 2 и 3), а также с помощью ИК и С ЯМР спектроскопии. Спектры даны на фиг.1 и 2.
Таблица 2
Элементный состав исходных и модифицированных ГВ в расчете на беззольную пробу (%)
Образец
C
H
N
Si
ГВ леонардита
52,6
5,1
2,1
6,3
ГВ-АПТС
55,5
6,1
4,4
8,4
Таблица 3
Содержание карбоксильных групп в исходных и модифицированных ГВ (моль/г)
Образец
-COOH C<sub>ave</sub>±ΔC
ГВ леонардита
2,7±0.2
ГВ-АПТС
1,7±0.5
<sup>*</sup>ΔС - доверительный интервал, n=3, P=0,95.
Из результатов элементного анализа следует увеличение содержания азота и кремния в модифицированных препаратах. Из титриметрических данных следует уменьшение содержания карбоксильных групп в модифицированных препаратах. Эти изменения подтверждают высокую степень модификации карбоксильных групп в исходных ГВ.
Было обнаружено, что ГВ леонардита, модифицированные с помощью АПТС, могут содержать от 2 до 10% Si, от 30 до 55% C, от 3 до 5% H и от 2 до 5% N. Также они могут вступать в реакцию с гидроксилсодержащими поверхностями, образуя ковалентные связи Si-O-Si или Si-O-М, где M - это поверхность металла, содержащая гидроксильные группы.
-1
-1
-1
На фиг.1 представлен ИК-спектр препарата исходных ГВ. Наличие полосы колебаний связей С=С ароматического кольца (около 1610 см) в ИК-спектре немодифицированного препарата ГВ леонардита свидетельствует о присутствии ароматической каркасной части. Полоса в области около 1710 см относится к колебаниям связи С=O и подтверждает присутствие карбоксильных и карбонильных групп в препарате, полоса в области 1250 см относится к валентным колебаниям С-О фенольных и карбоксильных групп, полосы в области 1050-1150 соответствуют колебаниям связи С-O спиртовых групп. Наличие этих полос указывает на присутствие различных кислородсодержащих функциональных групп в препаратах ГВ.
-1
-1
-1
В спектрах модифицированных препаратов присутствуют как полосы, характерные для ГВ, так и для модификатора. На фиг.1 видно, что в препарате ГВ-АПТС, помимо суперпозиции ГВ и АПТС (две сильные полосы при 1100 и 1050 см, характерные для Si-О колебаний), имеется полоса при 1265 см, которая характерна колебаниям в плоскости амидной связи (полоса амид 3), что свидетельствует об образовании амидной связи. Это подтверждается и смещением широкой полосы при 1600 см в коротковолновую область, что свидетельствуют об увеличении вклада колебаний карбонильных атомов в составе амидов в этот пик.
13
C=O
COOH
ArO
Ar
AlkO
Alk
По данным спектроскопии ЯМР на ядрах C в составе исходных ГВ были выделены следующие основные типы углерода в зависимости от его химического окружения: 220-185 м.д. - карбонильный углерод (C); 185-165 м.д. - карбоксильный углерод (C); 165-140 м.д. - ароматический углерод, связанный с кислородом (C); 140-100 м.д. - незамещенный или С-замещенный ароматический углерод (C); 100-50 м.д. - алифатический углерод, связанный с кислородом (C); 50-3 м.д. - углерод алкильных групп (C). В спектре препарата ГВ-АПТС можно сделать следующие отнесения пиков 11.1 м.д., 26.8 м.д. и 43.8 м.д. - углероды, соответствующие пропильной цепочке в структуре модификатора. Следует отметить, что на спектрах модифицированных ГВ появляется пик при 167-168 м.д., характерный для углерода амидной связи, и уменьшается интенсивность пика при 175 м.д., характерного для карбоксильных групп. Эти изменения в спектрах свидетельствуют о прохождении реакции амидирования.
Пример 2
13
Данный пример демонстрирует возможность применения в качестве аминоорганосилана 1 -аминогексаметилен 6-аминометилентриметоксисилана (АГТС). Реакцию проводили в одногорлой колбе, снабженной мешалкой. Навеску 5 г гумата калия, выделенного из угля, растворяли в дистиллированной воде и затем, при интенсивном перемешивании, прикапывали 4,2 мл 1-аминогексаметилен 6-аминометилентриэтоксисилана (АГТС). Данное молярное соотношение реагентов составляет 1:1, так как 1 г использованных ГВ содержит 2,7 ммоль карбоксильных групп, которые реагируют с АГТС; 1 мл АГТС содержит 3,3 ммоль аминогрупп. Далее в раствор по каплям вводили 5 мл раствора соляной кислоты (5М) до установления pH=4. После добавления кислоты в колбу вносили 100 мкл ПМС-300 в качестве пеногасителя. Реакцию вели в течение 10 минут при комнатной температуре. После завершения реакции воду отгоняли на роторном испарителе и полученное соединение помещали в сушильный шкаф при температуре 125°С на 6 часов. Затем полученное соединение гомогенизировали и помещали в эксикатор. Масса полученного соединения составила 7,4 г. Строение полученного вещества доказывали методами элементного анализа и титрования (Табл. 4 и 5), а также методом ИК-спектроскопии и C - ЯМР спектроскопии (Фиг.3 и 4).
Таблица 4
Элементный состав (на беззольную пробу) (% масс.) исходного препарата ГВ и АГТС-производных ГВ
Образец
C
H
N
Si
Калийная соль ГВ леонардита
52,6
5,1
2,1
6,3
ГВ-АГТС
53,5
7,1
7,6
8,8
Таблица 5
Содержание кислотных групп в исходных и АГТС-производных ГВ (ммоль/г)
Образец
-COOH C<sub>ave</sub>±ΔC
ГВ леонардита
2,7±0.2
ГВ-АГТС
2,5±0.5
<sup>*</sup>ΔС - доверительный интервал (ммоль/г), n=3, Р=0.95
Из данных элементного анализа следует увеличение содержания кремния и азота в модифицированном продукте. Титриметрические данные показывают уменьшение содержания карбоксильных групп, что подтверждает тот факт, что они вступили в реакцию с АГТС.
-1
-1
На фиг.3 приведены ИК-спектры исходных ГВ и силанольных производных ГВ, полученных при использовании в качестве модификатора АГТС. В спектре ГВ-АГТС кроме полос, полученных суперпозицией, можно отметить наличие полосы при 1690 см, которая характерна для С=O в амидной связи, а также полосу при 1268 см, характерную для амидов.
13
Для C ЯМР спектра препарата ГВ-АГТС-100 (фиг.4) пики 26.1 м.д., 26.8 м.д., 31.4 м.д., 34.5 м.д., 40.5 м.д., 50.4 м.д. относятся к атомам углерода алифатической цепочки в составе модификатора. Кроме того, на спектрах модифицированных ГВ появляется пик при 167-168 м.д., характерный для углерода амидной связи, и уменьшается интенсивность пика при 175 м.д., характерного для карбоксильных групп. Таким образом, методами ЯМР и ИК-спектроскопии показано, что в результате присоединения аминорганосилана АГТС к гуминовому каркасу образуется амидная связь
Пример 3
Этот пример демонстрирует возможность применения для модификации гуминовых веществ, выделенных из торфяного сырья. Для проведения реакции использовали нефракционированные гуминовые вещества, выделенные из низинного торфа. Реакцию проводили в одногорлой колбе, снабженной мешалкой. Навеску 5 г гумата натрия растворяли в 100 мл дистиллированной воды и затем, при интенсивном перемешивании, прикапывали 3.5 мл 3-аминопропилтриэтоксисилана (АПТС). Данное молярное соотношение реагентов составляет 1:1, так как 1 г использованных ГВ содержит 3,0 ммоль карбоксильных групп, которые реагируют с АПТС; 1 мл АПТС содержит 4.2 ммоль аминогрупп. Реакцию вели в течение 10 минут при комнатной температуре. Далее в раствор по каплям вводили 5 мл раствора соляной кислоты (5М) до установления pH=4. После добавления кислоты в колбу вносили 100 мкл ПМС-300 в качестве пеногасителя. После завершения реакции воду и гидролизованный спирт отгоняли на роторном испарителе и полученное соединение помещали в сушильный шкаф (120-150°C, 760 мм рт.ст.). Затем полученное соединение гомогенизировали и помещали в эксикатор. Масса полученного соединения составила 6.3 г. Строение полученного вещества доказывали методами элементного анализа и титрования (Табл. 6 и 7), а также методом ИК-спектроскопии (фиг.5).
Таблица 6
Элементный состав в расчете на беззольную пробу (% масс.) исходных препаратов PHA-Na и их силанольных производных
Образец
C
H
N
Si
PHA-Na
49,5
4,9
3,7
0,6
РНА-АПТС
51,1
6,2
7,0
5,5
Таблица 7
Содержание кислотных групп в силанольных производных РНА-Na (ммоль/г)
Образец
-COOH C<sub>ave</sub>±ΔC
PHA-Na
2,9±0.2
РНА-АПТС
1,7±0.5
<sup>*</sup>ΔС - доверительный интервал (ммоль/г), n=3, P=0.95.
Из результатов элементного анализа следует увеличение содержания азота и кремния в модифицированных препаратах. Из титриметрических данных следует уменьшение содержания карбоксильных групп в модифицированных препаратах. Эти изменения подтверждают высокую степень модификации карбоксильных групп в исходных PHA-Na.
Было обнаружено, что ГВ торфа, модифицированные с помощью АПТС, могут содержать от 2 до 8% Si, от 30 до 55% C, от 3 до 5% H и от 2 до 5% N. Также они могут вступать в реакцию с гидроксилсодержащими поверхностями, образуя ковалентные связи Si-0-Si или Si-O-М, где М - это поверхность металла, содержащая гидроксильные группы.
-1
-1
-1
На фиг.5 представлен ИК-спектр препарата исходных ГВ торфа, модификатора и модифицированных соединений. В исходных ГВ наличие полосы колебаний связей C=C ароматического кольца (около 1610 см) в ИК-спектре не модифицированного препарата ГВ торфа свидетельствует о присутствии ароматической каркасной части. Полоса в области около 1710 см относится к колебаниям связи С=O и подтверждает присутствие карбоксильных и карбонильных групп в препарате, полоса в области 1250 см относится к валентным колебаниям С-O фенольных и карбоксильных групп, полосы в области 1050-1150 соответствуют колебаниям связи С-O спиртовых групп. Наличие этих полос указывает на присутствие различных кислородсодержащих функциональных групп в препаратах ГВ.
-1
-1
-1
В спектрах модифицированных препаратов присутствуют как полосы, характерные для ГК, так и для модификатора. На фиг.5 видно, что в препарате ГВ-АПТС, помимо суперпозиции ГВ и АПТС (две сильные полосы при 1100 и 1050 см, характерные для Si-О колебаний), имеется полоса при 1265 см, которая характерна колебаниям в плоскости амидной связи (полоса амид 3), что косвенно свидетельствует об образовании амидной связи. Также можно заметить смещение широкой полосы при 1600 см в более коротковолновую область, что свидетельствует об увеличении доли вклада колебаний карбонильных атомов в составе амидов в этот пик.
Пример 4
Пример демонстрирует применение силанольных гуминовых производных в качестве регуляторов роста растений для защиты растений от солевого стресса в условиях лабораторного вегетационного эксперимента.
Испытания были проведены в условиях вегетационного эксперимента, в качестве тест-объекта использовали озимую пшеницу Triticum aestivum L. Исследования проводили с гуминовыми силанольными производными с различной степенью модификации, полученными из гуминовых кислот угля: ГВ-АПТС-20 и ГВ-АПТС-100. Для сравнения в выборку препаратов включали немодифицированные гуминовые кислоты угля. Семена пшеницы проращивали в чашках Петри (10 семян на 1 чашку) в растворах ГВ в концентрации 25 мг/л в течение 72 ч в темноте при температуре 24°C. Затем проводили измерение длины корней и побегов проростков. Повторность пятикратная. После этого проростки переносили в вегетационные сосуды объемом 0,5 л, содержащие 0,15 М NaCl на фоне среды Кноппа, и выращивали в вегетационной камере (96 ч, 24°C, фотопериод 12 ч, 15 растений на сосуд). Повторность трехкратная, в качестве контрольных использовали проростки, полученные на дистиллированной воде и выращенные на среде Кноппа без добавления NaCl. Отрицательным контролем служили растения, пророщенные на дистиллированной воде и выращенные на среде Кноппа в присутствии NaCl. Тест-откликом служил прирост побегов и корней пшеницы. Результаты эксперимента приведены на Фиг.6.
Было установлено, что в присутствии NaCl происходит снижение прироста побегов и корней пшеницы до 34 и 60% от контрольных величин соответственно. Обработка семян пшеницы ГВ не привела к значимому изменению оцениваемых параметров, однако при применении силанольных производных наблюдали увеличение прироста корней пшеницы до 73-80% от контроля, что статистически значимо отличается от значений отрицательного контроля. Влияние силанольных производных ГВ на побеги было менее выражено: статистически значимое отличие по приросту побегов наблюдали только при использовании ГВ-АТПС-100 (52% от контроля). Полученные данные указывают на то, что силанольные производные ГВ способствуют адаптации растений пшеницы к солевому стрессу.
Пример 5
Пример демонстрирует применение силанольных производных гуминовых веществ в качестве регуляторов роста растений по отношению к картофелю в условиях мелкоделяночного эксперимента.
2
Мелкоделяночные испытания были проведены на дерново-подзолистой почве. Тест-объектом служил картофель Жуковский ранний ВНИИ картофельного хозяйства. Исследования проводили с ГВ угля и их силанольным производным ГВ-АПТС-20. Обработку картофеля проводили трижды: обработка клубней перед посадкой и 2 обработки по вегетации в период массовой бутонизации и начала цветения. Концентрация рабочего раствора была 50 мг/л, расход рабочей жидкости составлял 2 л/100 кг при обработке клубней и 40 л/100 м при обработке по вегетации. Уход за посевами включал в себя ручную прополку, окучивание и полив. На делянках контрольного варианта проводили опрыскивание водопроводной водой. Повторность четырехкратная. Результаты эксперимента представлены на Фиг.7.
Было установлено, что обработка ГВ угля не влияет на массу клубней картофеля, а обработка ГВ-АПТС приводит к увеличению массы клубней с 1 куста на 12%. Анализ распределения клубней по товарной (масса клубня более 80 г), средней (масса клубня 50-80 г) и мелкой (масса клубня 25-50 г) фракциям показал, что наблюдаемое увеличение массы клубней происходит за счет повышения содержания фракции товарного картофеля и снижению содержания мелкой фракции.
Пример 6
Пример демонстрирует применение силанольных гуминовых производных в качестве регуляторов роста растений для защиты от стресса - дефицита азота - в условиях полевого эксперимента.
2
Испытания были проведены на дерново-подзолистой почве в условиях дефицита азота. Тест-объектом служила озимая пшеница Triticum aestivum L чистой линии Л-15, норма высева 5 млн. зерен/га. Исследования проводили с ГВ угля и их силанольным производным ГВ-АПТС-50. Обработку посевов пшеницы проводили путем внекорневой подкормки в фазу выхода в трубку, колошения и начала цветения пшеницы. Концентрация рабочего раствора 100 мг/л, норма расхода рабочего раствора 500 л/га. На делянках контрольного варианта проводили опрыскивание водой. Уборку проводили механизированным способом. Размер учетных делянок составлял 20 м. Повторность пятикратная. Полученные результаты приведены на Фиг.8.
Было установлено, что обработка ГВ угля приводит к повышению урожайности пшеницы на 4 ц/га, а ГВ-АПТС-50 - на 7 ц/га.
Приведенные выше описания возможных применений данного изобретения настолько полно демонстрируют природу нашего изобретения, что другие исследователи смогут, применяя данные знания, легко изменить или модифицировать описанный общий способ для целей других специальных применений, не изменяя его по существу. Следовательно, такие адаптации и модификации предложенного подхода должны рассматриваться как не содержащие в себе самостоятельного предмета изобретения. При этом, само собой разумеется, что основным назначением терминологии или словесных выражений, использованных при описании данного изобретения, являлось раскрытие сути изобретения, при этом предполагалось, что это может быть сделано и с использованием других выражений без ограничения на использованную терминологию.
Описанные методы, материалы и этапы проведения различных заявленных шагов могут быть осуществлены с помощью других подходов, что не будет менять сути изобретения. Например, выражения типа «с использованием…» или «посредством…», а также любые другие фразеологические описания методов, использованные при описании приведенных выше примеров или при описании ниже приведенной формулы изобретения, которые предшествовали изложению метода по существу, приводились с целью определить и охватить все возможные структурные, физические, химические и инженерные элементы и структуры, равно как и любые методические шаги, которые могут уже существовать сегодня или быть изобретены в будущем для осуществления функций, поименованных в данном изобретении, вне зависимости от того, насколько полностью они эквивалентны приведенным выше примерам применений, то есть мы допускаем использование любых других методов и методических приемов для достижения изложенных выше функциональных свойств, при этом предполагаем, что все использованные частные методические приемы должны трактоваться в самом широком смысле.