CC BY
225
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: [email protected]
Филатов Д. А., кандидат биологических наук, научный сотрудник.
Институт химии нефти СО РАН.
Пр. Академический, 4, г. Томск, Томская область, Россия, 634021.
E-mail: [email protected]
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: [email protected]
Filatov D. A.
Institute of Petroleum Chemistry SB RAS.
Pr. Akademicheskiy, 4, Tomsk, Tomsk region, Russia, 634021.
E-mail: [email protected]
