CC BY
81УДК 631
Кан В.М., Шахаров Р.Ж., Кусаинова А.А., Ултанбекова Г.Д.
БИОТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОМИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
Казахский научно-исследовательский институт почвоведения и агрохимии им. У.У. Успанова, 050060, пр. аль-Фараби 75 В, Алматы, Казахстан, e-mail: [email protected] Аннотация. В статье приведены технологии получения биоминеральных удобрении биотехнологическими приемами биоконверсии органических отходов и физико-химических способов их модификации. В лабораторных условиях были поставлены модельные опыты по модифицированию цеолита азотными, фосфорными удобрениями, новыми биоорганическими препаратами и микробиологическими штаммами способными повысить эффективность метаболизма и обменньш процесс в растениях.
Ключевые слова: плодородие почв, гумус, цеолит, модифицированным цеолит, макроэлементы и микроэлементы питания, гуминовые и микробные препараты, эффективные микроорганизмы.
ВВЕДЕНИЕ Ежегодно на предприятиях агропромышленного комплекса образуются миллионы тонн органического сырья (навоз сельскохозяйственных животных, птичии помет, солома, опилки и др.), которые используются в качестве удобрении сельско-хозяиственных угодии. Большая доля этого сырья накапливается возле животноводческих и птицеводческих предприятии, что приводит к ухудшению его качественного состава и серьезному обострению проблемы окружающеи среды. Эти отходы при определеннои биотехнологическои и хими-ческои переработке могут стать эффективными биоорганическим и биоминеральным удобрением.
Уникальность биоорганического удобрения с модифицированными минеральными элементами питания (макро-, микроэлементы) связана с современными тенденциями развития органического биологического земледелия в странах ЕС и США с приоритетностью экологическои составляющеи в агротехнологиях. Она также соответствует приоритетам научно-техническои политики и стратегии развития АПК РК.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ Объектами исследовании и модельных опытов являлись, модифици-
рованные цеолиты (ЦМ) полученные по запатентованнои физико-химическои технологии и биотехнологии Казахского НИИ почвоведения и агрохимии им. УУ Успанова, органического сырье, биогумус - количество и качество[1,2]. Исследовались механизмы модифицирования - донасыщение цеолита эффективными микроорганизмами (ЭМ) Россииского производства, гуминовыми удобрениями ГумиК (Казахскии НИИ почвоведения и агрохимии им. УУ Успанова), стимуляторами (разработки Института химии им. А. Бектурова), фитогармонами (Институт молекулярнои биологии и биохимии им. М.А. АМтхожина МОН РК).
Использованы приемы проведения экспериментов: физическое, химическое, микробиологическое моделирование на минеральных модифицированных цеолитных и почвенных колоннах [1-3].
Численность аммонификаторов в микробных препаратах учитывалась методом посева почвеннои суспензии на твердую питательную среду МПА, КАА, Чапека; азотфиксаторы методом прорастания комочков на среде Эшби [3].
Целлюлозоразлагающая и проте-азная активность аппликационным методом [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Физико-химическое и микробиологическое моделирование
В лабораторных условиях были поставлены модельные опыты по модифицированию цеолита азотными, фосфорными удобрениями, биоорганическими элементами, новыми препаратами и микробиологическими штаммами.
Идея модельных опытов - экспе-риментальныи поиск матрицы для макро-, микроэлементов, биостимуляторов роста сельскохозяиственных растении, эффективных культур штаммов микроорганизмов, способных повысить эффективность метаболизма и обменных процессов в растениях, органно-минерального питания в почве.
Задачи - определение количества и качества, эффективности минераль-нои, органическои и микробнои состав-ляющеи биоматрицы на основе модифицированного цеолита:
- определение возможности и пределов закрепления элементов питания и культур микроорганизмов на цеолите методом физического моделирования.
Материалы, и компоненты модельного испытания.
1. Цеолит чистыи (ЦЧ), цеолит моди-фицированньш (ЦМ);
2. Удобрения - аммиачная селитра, нитроаммофосфат (НАФТ), карбамид, микроэлементы (Мп, Mo, Se);
3. Биостимулятор ГумиК;
4. ЦМ+ Синтетическии стимулятор Каз-4;
5. ЦМ+ Фитогармон ГМ;
6. ЦМ+Эффективные Микроорганизмы (ЭМ) препарата РФ.
Физико-химическое моделирование Исходные образцы чистого и модифицированного цеолита содержат соответственно 43,4 - 44,8 мг/кг и 32063520 мг/кг азота. Приведенные данные (таблица 1) показывают, что содержание легкогидролизуемого азота при модифицировании резко возрастает в 10 раз. Для разделения сорбированных и адсорбированных форм азота продукты модифицирования были подвергнуты 4-х кратнои промывке дистиллированнои водои. При этом в модифицированном цеолите остается только адсорбированная форма 1708-1624 мг подвижного азота. Его количество в чистом цеолите - 35,0-40,6 мг/кг азота, адсорбируется из воздуха.
Варианты опыта, повторность Ы, мг /кг
Ц исх. 43,4/44,8
МЦ исх 3206,0/3220,0
Цч контроль (1а/б) 40,6/35,0
Ц+Гуми К (2а/б) 64/56
Ц+ЭМ «Байкал» (3а/б) 72,8/64,4
Ц+Биогумус(4а/б) 70,0/126
Ц+Гуми К+ЭМ (5а/б) 128,8/128,8
ЦМ контроль (6а/б) 1624/1708
ЦМ+Гуми К (7а/б) 1568,0/1680
ЦМ+ЭМ «Баикал» (8а/б) 1866,6/1736,0
ЦМ+Биогумус (9а/б) 1372,0/1176,0
Ц+Гуми К+Баикал (10а/б) 1596,0/1439,2
Таблица 1 - Содержание легкогидролизуемого азота в модельных опытах с биологическими препаратами и удобрениями в 2012-2013 гг.
При промывке вымывается только свободно сорбированная часть азота, а при его дальнеишем модифицировании (2-4 биотехнологическии передел) свободная емкость ЦМ замещается биоорганическими соединениями и эффективными культурами-штаммами микроорганизмов из препарата ГумиК, Каз-4, фитогармоном ГМ, ЭМ. Анализами определены пределы содержания подвижного азота, в модифицированном цеолите, больше половины азота остается в жестко поглощенном адсорбированном состоянии.
Количество азота увеличивается в 2-3 раза на вариантах чистого цеолита (ЦЧ) + ЭМ «Баикал», биогумус и ГумиК + ЭМ «Баикал» в пределах 70,0-128,8 мг/кг,
а их максимум приходится на модифи-цированныи цеолит (ЦМ)+ЭМ «Баикал» и ГумиК+ЭМ «Баикал» - 1866,6 мг/кг и 1596,0 мг/кг соответственно.
Как видно из данных, наиболее эффективным является вариант модифицирования цеолита (ЦМ) азотом удобрении + ЭМ препарата «Баикал» + ГумиК, а также сам модифицированныи цеолит (рисунок 1).
Таким образом, при применении цеолита, модифицированного в производственных условиях, оптимизируется режим минерального питания сельско-хозяиственных растении, что наиболее целесообразно, т.к. он сорбирует наибольшее количество азота, биоорганику и ЭМ препаратов.
Рисунок 1- Модифицированный цеолит азотом селитры, карбамидом с биорга-никои и комбинациеи препаратов ГумиК + ЭМ «Баикал»
Цеолит после физическои обработки (термическои, дегазация) модифицировали рабочими растворами концентрации 100 г/л аммиачнои селитры, мочевины (карбамид) и нитроаммофос-фатом в количестве 1кг/10 л, длитель-
ностью 2-3 суток. Для контроля качества модифицирования цеолита минеральными удобрениями в каждои партии определялись формы легкогидро-лизуемого азота (таблица 2).
Таблица 2- Содержание легкогидролизуемого азота в модифицированном цеолите (2012 г.)
Наименование Цеолит, мг/кг
Ц+ЫЩЫОз 3220
Ц+ЫЩЫОз 3360
Ц+ЫЩЫОз 3080
Ц+Сыш^га 2217,6
Ц+Сыш^га 2364,0
Ц+НАФТ 3510,0
Ц+Сыш^га 1993,6
Биогумус 742,0
ЦЧ 43,4
В цеолите, модифицированном аммиачнои селитрои, определяется содержание подвижного азота на уровне 3220 и 3360 мг/кг, с нитроаммофосфа-том 3510 мг/кг, с карбамидом (мочевина) снижается на 30-35 %. При одинаковых условиях насыщения содержание составляет от 1993,0 до 2364,4 мг/кг. В качестве контроля было определено содержание легкогидроли-зуемого азота в чистом цеолите -43,4мг/кг. Определено содержание лег-когидролизуемого азота в биогумусе -742,0 мг/кг.
Проведена серия модельных исследовании по определению степени изменения азотного режима при модифицировании биоорганическими удоб-
рениями и штаммами эффективных микроорганизмов (ЭМ). Они позволяют утверждать, что гуминовые препараты и нанобиостимуляторы органического и синтетического происхождения не воздеиствуют на процессы повышения содержания подвижного азота, т.е. существенного улучшения питания азотом растении не происходит. Эффективные штаммы микроорганизмов за счет процессов азотофиксации повышают потенциал обеспеченности цеолитного сырья за счет адсорбции азота воздуха. Эту способность микроорганизмов необходимо применять и совершенствовать в дальнеиших исследованиях по модификации цеолитных удобрении (рисунки 2-6).
Рисунок 2 - Определение уровня обеспеченности азотным питанием при модифицировании цеолита чистого биоорганическими препаратами и штаммами ЭМ
Рисунок 3 - Содержание подвижного гидролизуемого азота в модифицированном цеолите при 2-4 биотехнологическом переделе с рабочим раствором НАФТ 50 г/л
Рисунок 4 - Содержание подвижного гидролизуемого азота в модифицированном цеолите при 2-4 биотехнологическом переделе с рабочим раствором НАФТ
100 г/л
Рисунок 5 - Содержание подвижного гидролизуемого азота в модифицированном цеолите при 2-4 биотехнологическом переделе с рабочим раствором НАФТ 150 г/л
Рисунок 6 - Содержание подвижного гидролизуемого азота в среде поч-ва+цеолит (50+50) при модифицировании 2-4 биотехнологического передела с
рабочим раствором НАФТ 100 г/л
По данным рисунка 7, наблюдается повышение содержания легкогид-ролизуемого азота по сравнению с контролем чистым цеолитом. Но следует отметить, что насыщение гранул цеолита происходит неодинаково, можно
наблюдать разные данные с однои партии исследуемого цеолита от 2604 до 4116 мг/кг азота. Исходные образцы контроля за счет сорбирования азота из воздуха содержат 43,4-44,8 мг/кг.
4000 3000 2000 1000 0
V
W / / V
/-7 / у
ЦЧ1
ЦЧ2
ЦМ1 ЦМ 1а
ЦМ2
Рисунок 7 - Содержание легкогидролизуемого азота по Корнфильду при модифицировании 2-4 биотехнологического передела с рабочим раствором аммиачная селитра + карбамид в пропорции 50/50 в концентрации - 100 г/л
Из рисунка 8 видно, что количество легкогидролизуемого азота в цеолите зависит от термообработки удаления влаги и составляет 3131 мг/кг, по сравнению с цеолитом без термообра-
ботки, где она составляет в среднем 2454 мг/кг легкогидролизуемого азота. Прием термообработки может увеличить величину сорбции легкогидроли-зуемого азота на 30 %.
Рисунок 8 - Содержание легкогидролизуемого азота по Корнфильду при модифицировании 2-4 биотехнологического передела с рабочим раствором аммиачная селитра + карбамид в пропорции 50/50 в концентрации - 100 г/л
Из рисунка 9 видно, что содержание влаги в цеолите при герметичном хранении после термическои обработки сохраняется в пределах 0,5 величины гигроскопичнои влаги, при хранении в лабораторных условиях без гер-
Микробиологическое моделирование В модельных опытах изучалась возможность использования культур эффективных микроорганизмов (ЭМ) и гуминовых удобрении для повышения биологическои продуктивности, гу-мусного состояния почв и оптимизации минерального питания сельскохозяи-ственных растении.
Схемы лабораторных опытов Контроль, Ц (цеолит)+Г(гуминовыи препарат ГумиК), Ц+Бг (биогумус), Ц+ЭМ (препарат с культурои эффективных микроорганизмов), Ц+Г+ЭМ.
1. Опыты по насыщению чистого цеолита биоорганикои и культурами-штаммами ЭМ.
метики количество сорбируемои влаги равно величине гигроскопичнои влаги и может возрастать в зависимости от насыщенности и содержания влаги в воздухе в помещении.
2. Опыты по насыщению модифицированного цеолита (ЦМ) биоорганикои и культурами-штаммами ЭМ:
К, ЦМ+Г, ЦМ+Бг, ЦМ+ЭМ, ЦМ+Г+ЭМ.
Полученные данные микробиологического моделирования показывают, что матрица чистого цеолита содержит меньшее количество инокулированных азот-фиксаторов, чем при их насыщении биоорганическими препаратами. Модифицированные цеолиты, как биоматрица более продуктивны по количеству выросших колонии (от 3 до 7,5 раз) и функциональны во времени для жизнедеятельности азотфик-сирующих микроорганизмов, как оптимальная среда (по влагообеспеченности и питанию (таблица 3).
Рисунок 9 - Содержание влаги в цеолите при модифицировании 2-4 биотехнологического передела с рабочим раствором аммиачная селитра + карбамид в пропорции 50/50 в концентрации - 100 г/л
Таблица 3 - Количество выросших колоний азотфиксаторов из 50 комочков (цеолит 100 мг) на среде Эшби
Варианты Число выросших колонии
Количество Рост в единицах
1.ЦЧ -К 2 0
2. ЦЧ +Г 9 4,5
3. ЦЧ + ЭМ 15 7,5
4.ЦЧ + Биогумус 6 3
5. ЦЧ + Г+ЭМ «Баикал» 21 10,5
6. ЦМ 4 2
7.ЦМ + Г 12 6
8. ЦМ + ЭМ 23 11,5
9. ЦМ + Биогумус 10 5
10. ЦМ + Г + ЭМ 31 15,5
Модифицирование азотными удобрениями, физиологически активными препаратами синтетического (Каз-4) и природного происхождения (ГМ) не отражается на интенсивности микробиологических процессов по составу азотфиксирующих и аммонифицирующих микроорганизмов (рисунки 10-15). Микробиологическое воздеи-
Рисунок 10- Общии микробныи пеи-заж вариантов модифицирования цеолита биоорганическими удобрения
ствие и изменение состава на вариантах 2-го и 3-го передела ЦМ почвои, ГумиК, ЭМ, биогумусом, бактериальными штаммами сои, люцерны (по результатам физического моделирования) приведено на рисунках 16-19. Их морфоло-гическии анализ будет проведен позднее по специальнои компьютернои программе методом сравнения.
Рисунок 11 - Микробныи пеизаж модифицирования цеолитных удобрении ЦМ биогумусом, гуминовыми препара-
тами с почвои
Рисунок 12 - Микробныи пеизаж модифицирования цеолитных удобрении ЦМ гуминовыми, микробными препаратами с почвои
Рисунок 13 - Микробныи пеизаж модифицированных цеолитов ЦМ с
почвои
Рисунок 14 - Микробныи пеизаж модифицирования цеолитов НАФТ (ЦМ) и штаммами бактерии сои и люцерны
Рисунок 15 - Микробныи пеизаж модифицирования цеолитных удобрении (Цм) Супергуматом (СГ) и Каз-4 (ЮВ)
Рисунок 16 - Микробныи пеизаж ЦМ+ биогумусом (по результатам микробиологического моделирования)
Рисунок 17 - Японскии препарат «Алинсандес», не содержит культуры микроорганизмов, обладает среднеи антогонистическои активностью
Рисунок 18 - Споровые на среде МПА, биопрепарат ЭМ-1 (производства Россия, эффективные микроорганизмы)
Рисунок 19 - ОМЧ на среде МПА, биопрепарат Гуми-К 2012 г. (производство Казахскии НИИ почвоведения и агрохимии им. УУ Успанова)
ВЫВОДЫ
1. Модельные опыты по модификации со сложными удобрениями показали на перспективность создания биоминеральных и биоорганических удобрении на минеральнои матрице цеолита, обладающих агрохимическои эффективностью и воспроизводящих элементы плодородия почв. Она основана на технологии изменения поглотитель-нои способности цеолита, разработан-нои автором. Его обменная сорбцион-ная поглотительная способность при их дополнительном физическом воз-деиствии (ноу-хау) возрастает в 10 раз и позволяет получать полифункциональные биоминеральные удобрения нового класса.
2. При модифицировании биоорганическими удобрениями на основе ЦМ (процессы 3 физико-химического передела) потери сорбированного лег-когидролизуемого азота за счет его конкурентного вытеснения составляют
50 %. Наибольшее количество азота обнаружено в вариантах опыта модифицированного цеолита с ЭМ «Баикал», ГумиК+ЭМ «Баикал» - 1866,6 мг/кг и 1596,0 мг/кг соответственно.
3. Цеолит модифицированный, при 4-х кратной промывке оросительными нормами (дистиллированной водой) удерживает до 1708-1624 мг адсорбированного азота при его содержании в чистом цеолите - 35,0-40,6 мг/кг азота. Освобождающаяся емкость модифицированного цеолита позволяет компенсировать и усложнить схему модифицирования, замещением солями микроэлементов Мп, Ъп, Мо, Se и биоорганическими соединениями (2 и 3 передел).
4. Модифицированньш цеолит, как биоматрица более производителен (до 7,5 раз) и функционален во времени для жизнедеятельности азотфикси-рующих микроорганизмов, как оптимальная среда по обеспеченности вла-гои и элементами питания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Пред. пат. № 20621 Республика Казахстан, (19)KZ (13) A (11) 20621. Способ получения модифицированных цеолитных удобрении под культуру риса/Кан В.М: заявитель и патентообладатель ТОО «Казахскии научно-исследовательскии институт почвоведения и агрохимии имени УУ Успанова», ТОО «Таза су». -2007/0186.01; заявл. 08.02.2007; опубл. 15.01.2009, Бюл. №1. - 5 с.: 5 ил.
2 Пат. 27379 Республика Казахстан, (19) KZ (B) (11) 27379 Способ получения биоминеральных удобрении/ Кан В.М.: заявитель и патентообладатель ТОО «Казахскии научно-исследовательскии институт почвоведения и агрохимии имени УУ Успанова» - №2012/0499.1 заявл. 26. 04.2013, опубл. 16.09.2013, Бюл. №9. -5с. : 5 ил.
3 Методы почвеннои микробиологии и биохимии. - М.: Изд-во МГУ 1980. -С.49-55.
4 Теппер Е.З, Шильникова В.К. Практикум по микробиологии. - М.: Москни-гоиздат, 1987. - С.239.
ТYИШ
Кан В.М., Шахаров Р.Ж., Кусаинова А.А., Ултанбекова Г. Д.
биоминералдьщ тын,аИтк;ыштар АЛУ БИОТЕХНОЛОГИЯСЫ
9.О. Оспанов атындагы К,азак, топырацтану жэне агрохимия гылыми-зерттеу институты, 050060, эл-Фараби дацгылы, 75 В, Алматы, Цазацстан,
email: [email protected]
Ма;алада органикальщ ;алды;тарды биоконверсия шараларын жэне оларды жетiлдiрудщ физика-химиялы; тэсыдерш ;олдана отырып, биоминералды;
тыцайтк;ыштар алу технологиялары келтiрiлген. Зертханалы; жагдайда eсiмдiктердегi метоболизм жэне алмасу Yрдiстершщ, топырак;тары органикалыщ-минералдык; ;opeKTeHyi тйiмдiлiгiн арттыруга цабыетп азотты, фосфорлы тыцайтк;ыштармен, жаца биоорганикалы; препараттармен жэне микробиологиялы; штамдармен цеолйттi жетiлдiрy боиынша моделдiк тэжiрибелер ;ойылды.
ТYЙiндi сездер: топыра; к^нарлылыгы, гумус, цеолит, жетiлдiрiлген цеолит, ;оректж макроэлементтер жэне микроэлементтер, гyмйндi жэне микробты препараттар, тйiмдi микроагзалар.
SUMMARY
Khan V.M., Shakharov R.J., Kusainova A.A., Ultanbekova G.D. BIOTECHNOLOGY OF OBTAINING BIOMINERAL FERTILIZERS Kazakh Research Institute of Soil Science and Agrochemistry after U.U. Uspanov, 050060, ave. al-Farabi 75 B, Almaty, Kazakhstan, e-mail: [email protected]
The paper presents the technology for production of fertilizers Biomineral biotechnologi-cal techniques bioconversion of organic waste and physico-chemical methods of modification. Under laboratory conditions were set model experiments on modification of zeolite nitrogen, phosphate fertilizers, bio-organic elements of new drugs and microbial strains capable of increasing the efficiency of metabolism and metabolic processes in plants Organic and mineral nutrition in the soil. Model experiments on modification of complex fertilizers showed the promise of creating Biomineral and bio-organic fertilizer mineral zeolite matrix having agrochemical efficiency and reproducing elements of soil fertility. It is due to the change of technology absorptive capacity of the zeolite, developed by the author. His exchange sorption absorption capacity when additional physical impact (know-how) increases 10 times and enables multifunctional biomineral fertilizers new class.
Key words: soil fertility, humus, zeolite, modified zeolite, macronutrients and micronutri-ents nutrition, humic and microbial preparations, effective microorganisms.
