Биологическая активность гуминовых кислот торфа, полученных методом механоактивации

УДК 631. 811

А. А. Иванов, Д. А. Филатов

БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ГУМИНОВЫх КИСЛОТ ТОРФА,

полученных методом механоактивации1

Исследованы биостимулирующие свойства гуминовых кислот механоактивированного торфа и коммерческого препарата гуминовых кислот бурых углей. Показано, что механохимическая активация торфа значительно увеличивает выход гуминовых кислот из торфа, которые обладают выраженными биостимулирующими свойствами по отношению к растениям и микроорганизмам.

Ключевые слова: механоактивация, торф, гуминовые кислоты, микроорганизмы, растения, биостимулирующие свойства.

Отдельные компоненты органического вещества торфа неравноценны по биологической активности. В наибольшей степени исследована активность гуминовых препаратов [1, 2]. Гуминовые кислоты (ГК) являются основными компонентами в торфе, определяющими его практическое значение. Эти вещества обладают физиологической активностью по отношению к растениям и некоторым штаммам микроорганизмов - они могут служить для них источником микро- и макроэлементов элементов и ускорять их поступление в растения в виде различных форм. По мнению большинства исследователей, поступление ГК в неизменном виде в растение через клеточные мембраны маловероятно из-за больших размеров их молекул [3], вследствие чего ГК, по-видимому, не усваиваются растением и могут влиять на него косвенно через изменение физических и химических свойств почвы [4]. Механоактивация является новым эффективным методом модификации состава и свойств природных физиологически активных веществ. Она позволяет максимально перевести гуминовые вещества в растворимое состояние, уменьшить молекулярную массу, повысить реакционную активность, т. е. частично деструк-тировать [5, 6].

Целью данной работы являлось исследование биостимулирующих свойств ГК, полученных методом механоактивации.

В качестве объектов использовали ГК верхового сфагнового торфа месторождения «Темное» Томской области с низкой степенью разложения (5 %) и коммерческий препарат ГК бурых углей производства фирмы Aldrich (Германия).

Механохимическую обработку торфа проводили в планетарной мельнице АПФ-4 с дискретным режимом работы (разработка Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, г. Новосибирск). Ускорение воздействующих шаров из нержавеющей стали диаметром 10 мм составляло 200 м/с2, время обработки - 2 мин при температуре

20 °С. Обработка торфа осуществлялась без реагентов и с добавкой твердой щелочи 3 % NaOH.

Выделение ГК из образцов торфа проводили по комплексной схеме для растительного сырья [7]. Из данных образцов выделяли ГК (0.1 н №ОН и 10 % НС1) после экстракции водорастворимых компонентов - полисахаридов и полифенолов (t = 95 °C), битумов (СН3С1).

Аборигенную микрофлору изучали на примере трех физиологических групп микроорганизмов, участвующих в процессах создания почвенного плодородия. К ним относятся: гетеротрофные бактерии, растущие на мясо-пептонной агаризованной среде (МПА), актиномицеты, растущие на крахма-ло-аммиачном агаре (КАА), и микромицеты, растущие на среде Чапека. Их численность определяли методом посева на селективные среды [8]. Каталаз-ную активность почвы определяли газометрическим методом и выражали в мл О2, выделившегося на 1 г почвы за 1 мин. Полифенолоксидазную, пе-роксидазную и уреазную активность почвы определяли фотоколориметрическими методами [9].

Эксперименты проводили в полевых условиях. Для этого использовали площадки размером 50 см2, которые представляют собой участки почвы, ограниченные деревянной рамкой на глубину 30 см. В качестве модельного грунта использовали универсальный нейтральный почвогрунт «Гарант» (производства ПК «Темп-2, Томской области). На каждый участок почвы вносили по 100 семян. В качестве тест-объекта служила твердая пшеница (лат. Triticum durum).

Повторность опыта трехкратная. Длительность эксперимента составляла 20 дней, с поливом водой (контроль) или соответствующими растворами ГК. Растения поливали по мере необходимости до 70 % от полной влагоемкости. Исследовались растворы ГК в концентрации 0.5 г/л: рассчитанное количество ГК растворяли в небольшом количестве щелочи, нейтрализовали 1 М HCl и доводили раствор дистиллированной водой до

1 Работа выполнена при поддержке Лаврентьевского конкурса молодежных проектов СО РАН (2010-2011 гг .) и программы «У . М . Н . И . К . » .

метки. В качестве тест-откликов определяли всхожесть растений, длину и сухой вес надземной части растений.

Схема опыта: грунт - (Контроль), грунт + ГК Aldrich (П+ГК1), грунт + ГК исходного торфа (П+ГК2), грунт + ГК торфа, механоактивированного без добавок (П+ГК3),

грунт + ГК торфа, механоактивированного с

3 % NaOH (П+ГК4).

Механоактивация в присутствии реагентов приводит к изменению выхода и качественных характеристик основных компонентов торфов. Известно, что механоактивация торфа влияет на выход ГК, который зависит от типа устройства, среды обработки и вида торфа [6]. Прирост выхода ГК возможен за счет деструкции трудногидролизуемых веществ и уменьшения молекулярной массы компонентов. Для верхового торфа во всех случаях обработки по сравнению с исходным торфом повышается выход ГК в 2-7 раз (рис. 1). Наибольшее количество ГК выделено из торфа после механоактивации с 3 % NaOH.

Результаты опытов, проводимых в полевых условиях, показали, что в вариантах, где для полива применялись растворы ГК, происходит увеличение численности аборигенной почвенной микрофлоры в 3-5 раз (табл. 1). Наибольшее увеличение наблюдается при использовании ГКЗ и ГК4.

Каталаза осуществляет распад различных перекисей и играет существенную роль в кислородном

балансе почвы. Основными оксидоредуктазами, катализирующими процесс гумусообразования, являются полифенолоксидаза и пероксидаза. Известно, что почвенные фенолоксидазы играют важную роль в процессах гумификации, оказывают защитное действие, разлагая различные ксенобиотики. Активность уреазы является важным показателем интенсивности процессов мобилизации почвенного азота, без которого невозможно нормальное развитие растений [9, 10].

0 14

ГО

1 12 10

о

“ 8 X -О ё 6

4 -

2 -

Исходный торф Механоактивация Механоактивация без добавок с 3 % NaOH

Образец Рис . 1. Изменение выходов ГК

Выявлена положительная корреляция между динамикой численности микрорганизмов и активностью ферментов. С применением ГК активность всех изучаемых ферментов к концу эксперимента возрастает в 1.5—2.5 раза по сравнению с контролем. Наибольший эффект оказали ГК3 и ГК4 (табл. 2).

Таблица 1

Влияние гуминовых кислот на численность изучаемых микроорганизмов

O

Вариант опыта Количество микроорганизмов, млн/1 г почвы

МПА КАА Чапека МПА КАА Чапека

Исходное 1.1±0.08 0.4±0.06 0.1±0.04

3 дня 20 дней

Контроль 2.2±0.1 0.9±0.2 0.6±0.07 4.1±0.2 4.9±0.25 2.9±0.1

П+ГК1 З.6±0.15 2.0±0.1 1.7±0.1 12.1±0.З 16.0±0.З 9.1±0.4

П+ГК2 З.7±0.2 1.9±0.25 1.9±0.25 12.З±0.2 15.З±0.4 9.5±0.З

П+ГКЗ 4.5±0.09 5.0±0.З З.2±0.З4 16.9±0.З 18.9±0.З 12.9±0.2

П+ГК4 4.9±0.2 5.2±0.З4 З.4±0.21 17.7±0.1 20.0±0.5 14.0±0.З

Таблица 2

Влияние гуминовых кислот на ферментативную активность почвы

Вариант опыта Активность ферментов

Каталаза, мл О2/(г почвы в мин) Полифенол-оксидаза, мг хинона за 30 мин на 1 г почвы Пероксидаза, мг хинона за 30 мин на 1 г почвы Уреаза, мг NH3 на 1 г почвы за 1 ч

Исходное 0.4±0.1 0.12±0.01 0.21±0.02 0.29±0.02

через 20 суток

Контроль 0.9±0.2 0.19±0.02 0.29±0.01 0.З9±0.01

П+ГК1 2.2±0.2 0.З±0.01 0.З9±0.04 0.59±0.02

П+ГК2 2.З±0.1 0.З2±0.0З 0.42±0.04 0.67±0.02

П+ГКЗ 2.5±0.2 0.З9±0.02 0.49±0.0З 0.91±0.04

П+ГК4 2.6±0.2 0.4±0.02 0.52±0.02 0.98±0.0З

о я

го ш О. о

го Ы

^ IS

о <2

X S

S х

Ф си

190 п 170 -150 -130 -110 -90 -70 -

Почва + пшеница + ГК

Вода ГК1 ГК2 ГК3 ГК4 Варианты опыта

Рис. 2 . Длина надземной части растений пшеницы

По результатам вегетационного опыта с почвой установлено, что всхожесть семян в конце опыта составила 96-99 % для всех вариантов полива. Максимальная всхожесть в последнем случае наблюдалась при поливе растворами ГК3 и ГК4.

Биостимулирующее действие растворов ГК проявилось в увеличение длины и сухой массы надземной части растений по сравнению с контролем (рис. 2 и 3). Длина надземной части растений увеличилась на 36-66 % относительно контроля, максимальное увеличение наблюдалось в вариантах с применением ГК3 и ГК4 - 61-66 % соответственно (рис. 2).

Применение растворов ГК позволило повысить массу надземной части пшеницы на 70-75 % (рис. 3).

Наибольший стимулирующий эффект на растения пшеницы по увеличению их длины и сухой

о

190 180 170 2 160 Ц 150 ! 140 ~ 130 120 110 100 90

Почва + пшеница + ГК

Вода

ГК4

ГК1 ГК2 ГК3 Варианты опыта Рис . 3 . Сухая масса надземной части растений пшеницы

массы на почве оказали препараты механоактиви-рованного торфа ГК3 и ГК4.

Таким образом, показано, что использование препаратов ГК механоактивированного торфа приводит к увеличению численности основных физиологических групп микроорганизмов, повышению ферментативной активности. Механоактивация торфа может быть причиной увеличения доступности отдельных компонентов и частей молекул, в том числе микро- и макроэлементов, входящих в состав ГК, которые используются для питания почвенными микроорганизмами.

Установлено, что исследованные ГК проявляют биостимулирующие свойства по отношению к семенам пшеницы. Наибольший эффект при этом оказали ГК торфа, механоактивированного в присутствии щелочи: длина и сухая масса надземной части возрастает до 60-75 % по отношению к контролю.

Список литературы

1. Алиев С . А. Азотфиксация и физиологическая активность органического вещества почв . Новосибирск: Наука, 1988. 145 с .

2 . Соколов Б . Н ., Колесин В . Н . , Ямпольский А. Л . и др . Торф в народном хозяйстве . М .: Недра, 1988. 268 с .

3 . Пивоваров Л . Р . О природе физиологической активности гуминовых кислот в связи с их строением // Гуминовые удобрения . Теория и

практика их применения . Киев: Днепропетр . сельхозинститут, 1962 . С . 101-123 .

4 . Александрова И . В . О физиологической активности гумусовых веществ и продуктов метаболизма микроорганизмов // Органическое

вещество целинных и освоенных почв . М .: Наука, 1972 . С . 30-70 .

5 . Хренкова Т. М . Механохимическая активация углей . М . : Недра, 1993. 176 с.

6 . Иванов А. А. и др . Влияние механохимической активации на состав и свойства гуминовых кислот торфов // Изв. Томского политехн .

ун-та . 2006 .Т. 309 . № 5 .С .73-77 .

7 . Стадников Г . Л . Химия торфа . 2-е изд . М .: Изд-во АН СССР, 1932 . 68 с.

8 . Звягинцев Д . Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии . М .: Изд-во МГУ, 1991. С . 7-17 .

9 . Инишева Л . И .и др . Руководство по определению ферментативной активности почв и торфов .Томск: Изд-во Том .ун-та, 2003.С .42-59 .

10 . Рожанская О . А. , Инишева Л . И, Строева Н . С ., Шилова Т . В . Тестирование in vitro регуляторной активности нового стимулятора роста

из торфа // Вестн . Томского гос . пед . ун-та . 2010 . Вып . 3 (93) . С . 128-129 .

Иванов А. А., кандидат химических наук, научный сотрудник.

Институт химии нефти СО РАН.

Пр. Академический, 4, г. Томск, Томская область, Россия, 634021.

E-mail: ivanov@ipc.tsc.ru

Филатов Д. А., кандидат биологических наук, научный сотрудник.

Институт химии нефти СО РАН.

Пр. Академический, 4, г. Томск, Томская область, Россия, 634021.

E-mail: filatov@ipc.tsc.ru

Материал поступил в редакцию 26.11.2010.

A. A. Ivanov, D. A. Filatov

biological activity of peat humic acids received by a mechanoactivation method

Biostimulating properties of humic acids of mechanoactivated peat and the commercial preparation of humic acids from brown coal have been investigated. It was shown, that a mechanochemical activation of peat considerably increases the yield of humic acids from peat, which possess the expressed biostimulating properties in relation to plants and microorganisms.

Key words: mechanoactivation, peat, humic acids, microorganisms, plants, biostimulating properties.

Ivanov A. A.

Institute of Petroleum Chemistry SB RAS.

Pr. Akademicheskiy, 4, Tomsk, Tomsk region, Russia, 634021.

E-mail: ivanov@ipc.tsc.ru

Filatov D. A.

Institute of Petroleum Chemistry SB RAS.

Pr. Akademicheskiy, 4, Tomsk, Tomsk region, Russia, 634021.

E-mail: filatov@ipc.tsc.ru