CC BY
270
БИОХИМИЯ, БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ
УДК 631.17
М. Н. Белицкая, Е. Э. Нефедьева, И. Г. Шайхиев
ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННАЯ ВОДА: ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Ключевые слова: растениеводство, электрохимически активированная вода, рост растений, урожай, устойчивость, вредители, болезни растений.
Одним из перспективных экологически безопасных средств оптимизации фитосанитарного состояния агро-экосистем и управления формированием элементами продуктивности сельскохозяйственных культур является электрохимически активированная (ЭХА) вода. ЭХА вода и ЭХА растворы оказывают стимулирующее и антистрессовое воздействие на злаки и картофель. Использование их приводит к активизации ростовых процессов, индуцирует устойчивость к вредителям и болезням, обеспечивает получение стабильных урожаев и создает благоприятные условия для достижения биоразнообразия и саморегуляции экосистемы.
Keywords: plant-growing, electrochemically activated water, plant growth, yield, resistance, pest, plant disease.
Electrochemically activated (ECA) water is one of the most prospective environmentally friendly methods of optimization of phytosanitation level of agroecosystems and control of elements of yield formation. ECA water and ECA solutions have a stimulating and antistress influence upon crops and potato plants. Application of those means promotes plant growth activation, induces the resistance to pests and diseases, guarantees stable yields and establishes suitable conditions for biodiversity and autoregulation of ecosystem.
Интенсификация и специализация земледелия зачастую приводит к загрязнению окружающей среды, нарушению биологического равновесия, что проявляется в увеличении численности вредных организмов и ряде других негативных явлений. Отсюда вытекает необходимость создания гибких наукоемких технологий, включающих различные агро-приемы применительно к отдельным этапам органогенеза растений. Особую актуальность приобретает поиск новых экологически безопасных средств оптимизации фитосанитарного состояния агроэкоси-стем и управления формированием элементами продуктивности сельскохозяйственных культур. Одним из перспективных направлений в этом отношении является электрохимически активированная (ЭХА) вода, которая используется в технике [3], сельском хозяйстве [2] и др.
Сущность электрохимической активации состоит в изменении всей системы межмолекулярных взаимодействий и структуры разбавленных растворов минеральных солей, к которым относится также и природная вода. Молекулы приобретают дополнительные степени свободы за счет разорванных водородных связей. Это оказывает большое влияние на тонкие физико-химические и биологические реакции, обусловливает повышенную способность проникать в межмолекулярные пространства, в том числе через биологические мембраны, повышает растворимость труднорастворимых соединений, усиливает экстракционную активность воды и растворов.
При разделении межэлектродного пространства диафрагмой в проточном электроактиваторе из камер получают воду с избыточным количеством ионов водорода или гидроксила, т. е. анолит или католит. Эти растворы в течение нескольких часов проявляют повышенную реакционную спо-
собность в различных физико-химических процессах. Изучению влияния активированной воды на биологические объекты посвящено значительное число работ, в которых отмечается ее экологическая чистота, дешевизна и доступность. Использование активированных растворов (анолит, католит) для предпосевной обработки семян обеспечивает их оздоровление и повышение урожайности сельскохозяйственных культур от 30 % до 70 % [2; 128; 6; 8].
Исследования, касающиеся растениеводства, как правило, ограничиваются данными по изменению фенологии и продуктивности сельхозкультур [1; 2; 9; 10]. В задачу наших исследований входило комплексное изучение результативности разных способов применения анолита и католита.
Электроактивированные растворы получали на разработанном в ПНИИЭМТ мобильном комплексе (рис. 1) [4].
Рис. 1 - Конструкция мобильного комплекса по электроактивации воды
Устройство включает следующие основные сборочные единицы: корпус (1) с отсеком под элек-
трооборудование (2) и отсеком под оборудование для активации воды (3), в котором расположен реактор (4); разъем электропитания (5); автоматический выключатель с УЗО (6); регулятор тока (7); амперметр (8); вентиль расхода анолита (9); вентиль расхода католита (10) и вентиль подачи воды (11).
Основным конструктивным узлом модуля активации оросительной воды является реактор (диафрагменный электролизёр) с вертикально установленными цилиндрическими электродами.
Проводились испытания предпосевной стимуляции семян и сочетания данного приема с некорневой обработкой посевов. Использовались растворы анолита и католита с окислительно-восстановительным потенциалами (ОВП) величиной от 300 мВ до 700 мВ.
Предварительные испытания показали, что эффективность предпосевной стимуляции семян зависит от их физиологического состояния и величины ОВП активированных растворов. Наиболее отзывчивы на использование данных средств физиологически старые и некондиционные семена. Обработка их анолитом и католитом обеспечивает повышение всхожести на 8,6-14,9 %. Действие электроактивированных средств на семена высоких посевных кондиций наиболее выражено на ранних этапах развития, начиная с формирования конуса нарастания, что стимулирует рост вегетативных органов и образование большого числа первичных корней, создающих хорошую основу для последующего кущения и укоренения растений.
Среди испытанных средств в большей степени способствовали повышению всхожести и стимулировали развитие молодых растений растворы анолита с ОВП величиной +500 мВ и католита, -300 мВ.
Высокий результат стимулирующего воздействия активированных растворов объясняется, на наш взгляд, увеличением хода биологических процессов за счет дополнительной энергии, полученной при обработке семян в оптимальном режиме.
Согласно данных таблицы 1, анолит и като-лит при предпосевной стимуляции семян оказывают неравнозначное действие на зерновые культуры. Так, для ячменя и овса лучшие результаты всхожести семян и развития молодых растений получены при использовании анолита, тогда как яровая пшеница оказалась более отзывчивой на применение католита.
По результатам лабораторных опытов выяснено, что активированные растворы обладают мощным фунгицидным действием. Обработка посевного материала анолитом и католитом способствовала подавлению патогенов на 76,2-92,9 %.
Для подтверждения справедливости данных лабораторных и полевых исследований проведено изучение результативности применения электроактивированных растворов в агроценозе зернового поля. Опыты были заложены в опытных хозяйствах ВНИАЛМИ (ОПХ «Волгоградское», «Качалинское поле») на светло-каштановых почвах Волгоградской области. Объект исследований - яровой ячмень (Камышинский-32); яровая (Альбидум-188) и ози-
мая (Тарасовская остистая) пшеница, возделываемые в полевом севообороте.
Таблица 1 - Результаты обработки семян зерновых культур электроактивированными средствами
Культура Вариант Всхожесть, % Длина корней Высота проростков
см % к контролю см % к контролю
Овес Контроль 85 4,7 - 0,6 -
Католит, -300мВ 86 7,2 147,8 2,7 450,0
Анолит, +500 мВ 92 6,5 141,3 3,5 583,3
Ячмень Контроль 98 4,0 - 0,4 -
Католит, -300 мВ 98 5,5 135,0 1,0 250,0
Анолит, +500 мВ 99 5,6 137,5 1,2 300,0
Яровая пшеница Контроль 92 5,2 - 2,4 -
Католит, -300 мВ 95 6,1 115,1 2,9 116,0
Анолит, +500 мВ 94 5,4 101,9 2,8 112,0
Оценивалась эффективность растворов ано-лита и католита с редокс-потенциалами величиной +500 мВ и -300 мВ при разных способах применения. Контролем служили варианты с использованием природной воды. Площадь опытного варианта составляла 1 га. Работы выполнялись в 2006-2010 гг.
Обработку посевного материала производили на зернопогрузчике с использованием специального устройства, которое представляет собой пластиковый бак емкостью 50 л, от которого отходит шланг длинною 2-2,5 м с зажимом на конце. Бак подвешивают на транспортерную ленту, где его и укрепляют. Расход рабочей жидкости регулируется с помощью зажима.
Обработанные семена влажные на ощупь, но уже через 30-40 минут раствор полностью впитывался. Использование электроактивированных растворов исключает необходимость введения в рабочую жидкость прилипателей. Эти средства отличаются хорошими адгезионными свойствами. Рабочий раствор полностью обволакивает семена, проникает внутрь и надежно защищает трещины и микроповреждения зародыша от проникновения патогенной микрофлоры и загнивания. Вместе с тем, они ускоряют развитие семян и их прорастание.
Применение высокой нормы расхода рабочей жидкости (10-15 л/т) нецелесообразно, так как это может привести к «загоранию» посевного материала в бурте. Наиболее результативным оказалось использование раствора в дозе 7-8 л на тонну семян.
Результаты наблюдений свидетельствуют, что стимуляция семян электроактивированными растворами способствует появлению дружных выровненных всходов на 2-5 дней раньше, чем в контроле. Фаза кущения также наступает с разрывом в 1-2 дня. Особенно ярко различия в фенологии проявляются в период трубкование-колошение (рис. 2) на продолжительность межфазных и вегетационного
периодов более выраженное влияние оказывает ка-толит. В целом, период вегетации ячменя под влиянием анолита и католита происходит ускоренными темпами. Данное обстоятельство имеет важное значение для условий засушливого региона и сказывается на сопряженности развития растений и вредных организмов. Интенсивность развития листостебле-вых заболеваний посевов сокращается в 1,6-4,3 раза, гельминтоспориозной инфекции - в 3,0-4,8 раза.
В ранневесенний период снижается повре-жденность растений хлебными блошками на 57,248,9 %. На более поздних этапах на 46,7-53,3 % возрастает видовое разнообразие насекомых, изменяется количественное обилие энтомосообществ. Причем действие данных средств по-разному проявляется на разных видах насекомых (табл. 2). Так, численность вредной черепашки сокращается в 2,2-4,6 раза. Заметно снижается также плотность жука-кузьки (в 2 и более раз). Обилие других вредителей изменяется в меньшей степени (в 1,3-1,6 раза).
Рис. 2 - Влияние предпосевной обработки семян электрохимическими средствами на развитие ячменя: 1 - анолит, + 500 мВ; 2 - контроль
Таблица 2 - Влияние электроактивированных средств на санитарную ситуацию в агроценозе
Вредные Контроль Анолит Католит
организмы
Вредители, экз/ед. учета
Вредная чере- 21,1 9,7 4,6
пашка
Жук-кузька 4,7 2,0 1,1
Злаковые мухи 11,5 8,5 7,2
Пшеничный 72,5 48,3 55,1
трипс
Цикадки 47,6 29,2 29,3
Развитие болезней, %
листостеблевых 15,6 5,3 8,2
корневые гнили 1,2 0,3 0,5
При сочетании предпосевной стимуляции семян с опрыскиванием посевов защитный эффект возрастает в 1,4-3,8 раза.
Материалы исследований свидетельствуют, что применение структурированной воды обеспечивает максимальное сохранение разнообразия энто-мофауны, активизацию деятельности полезной био-ты. Более ярко данный момент проявляется на пер-
вых этапах вегетации зерновых, когда численность вредителей в агроценозе максимальна.
Исследованиями выявлено, что полученные из обработанных семян растения раньше начинают куститься. У них развивается мощная корневая система. Увеличивается прирост высоты надземной массы и листовой поверхности, развивается большое количество стеблей, в т.ч. продуктивных. Данное обстоятельство положительно сказывается на формировании урожая. В целом, применение анолита и католита для предпосевной обработки семян обеспечивает повышение урожайности на 3,7-6,2 ц/га.
Полученные материалы свидетельствуют, что при прочих равных условиях наблюдается дифференцированное действие активированных растворов на продуктивные качества ячменя. Более выраженный эффект, причем комбинировано по всем элементам структуры урожая, показывает католит, влияние анолита проявляется в меньшей степени.
В ходе испытаний отмечена перспективность использования активированной воды при сочетании стимуляции семян с последующей обработкой посевов в период кущение-трубкование. При этом прибавка урожая зерна возрастает до 6,6-7,4 ц/га. Даже в условиях сильной засухи 2010 года, когда в контроле урожайность колебалась на уровне 2,7 ц/га, прибавка составила 0,7-0,9 ц/га.
Аналогичный результат получен от применения анолита и католита на яровой пшенице. Повышение урожайности данной культуры складывается из увеличения продуктивной кустистости, что обусловливает накопление биомассы, образование густого стеблестоя, формирование крупного зерна и, соответственно, большего выхода зерна с колоса. Все это в целом способствует повышению урожайности на 4,5-6,3 ц/га при предпосевной стимуляции семян и увеличению прибавки до 6,7-7,9 ц/га при сочетании данного приема с обработкой вегети-рующих посевов (табл. 3). Более высокий эффект на этой культуре обеспечивает применение анолита.
Таблица 3 - Влияние электроактивированных средств на урожайность сельскохозяйственных культур
Варианты Рапс Озимая пшеница Яровая пшеница Ячмень
Предпосевная стимуляция семян
Протравители 1,4 33,4 27,8 23,5
Анолит, +500 мВ 3,2 36,3 34,1 30,4
Католит, -300 мВ 4,0 38,9 32,3 32,1
Предпосевная стимуляция семян + опрыскивание посевов
Анолит, +500 мВ 3,6 37,7 35,7 34,1
Католит, -300 мВ 4,4 39,9 34,5 35,3
Весьма интересные данные получены при использовании электроактивированных средств на озимой пшенице. Стимуляция семян ими приводит к формированию генеративных органов на восьмые сутки. В осенний период у растений возрастает продуктивность узлов кущения. На процесс кущения более выраженное влияние оказывает анолит. Под действием данного средства в узлах кущения повышается на 2,6% содержание сахаров, определяющих морозостойкость растений. Католит влияет на этот показатель в меньшей степени.
В течение всего вегетационного периода стеблестой пшеницы на опытных вариантах существенно отличается по высоте от растений на контрольном участке. К уборке урожая наиболее высокие растения были на варианте с предпосевной обработкой семян католитом (на 17% выше по сравнению с контролем).
Анализ структуры биологического урожая показал, что прирост зерна от обработки посевного материала анолитом и католитом получен за счет большего числа сохранившихся к уборке растений, лучшей продуктивной кустистости и количества зерен в колосе. По массе 1000 зерен между опытными вариантами и контролем существенных различий не зафиксировано.
Влияние предпосевной обработки семян и вегетационной обработки посевов электроактивированными средствами не ограничилось лишь прибавкой урожая. Выявлено также положительное воздействие их на качественные характеристики зерна (табл. 4).
Таблица 4 - Изменение показателей качества зерна озимой пшеницы
Вариант Протеин, % Клейковина, % Натура, г/л
Контроль 17,17 27,6 765
Предпосевная стимуляция семян
Анолит, +500мВ 17,55 28,0 775
Католит, -300мВ 16,99 28,0 765
Предпосевная стимуляция семян + опрыскивание
посевов
Анолит, +500мВ 17,50 27,9 780
Католит, -300мВ 17,25 28,0 768
Отмечалось некоторое повышение (0,4 %) содержания клейковины в зерне озимой пшеницы опытных вариантов, сопровождавшееся увеличением показателя ее деформации.
К числу наиболее урожайных и экономически важных культур в России относится картофель. Вместе с тем, уровень урожайности и качество клубней существенно зависят от фитосанитарного состояния посадок, в том числе, от повреждения растений колорадским жуком. Для борьбы с вредителем используют в основном химические инсектициды. Однако, широкое использование ядохимикатов имеет ряд существенных недостатков, важнейшие из которых - возникновение резистентных популяций вредителя и загрязнение окружающей среды.
В КФК Гордеева К.В. в Средне-Ахтубинском районе Волгоградской области нами проведены испытания по изучению возможности применения активированных растворов для повышения устойчивости к данному вредителю и урожайности картофеля. Клубни перед посадкой смачивали рабочим раствором из расчета 10-13 л/т. Использовали анолит с ОВП +300, +500 и +700 мВ и католит -300, -500 и -700 мВ. В качестве контроля использовали природную воду.
Наблюдения показали, что под влиянием католита, -700 мВ количество почек, тронувшихся в рост через 10 суток, увеличилось, а католит -500 и анолит +500 мВ затормозили начало их роста по сравнению с контролем. Подобная тенденция была выявлена и для корней.
Усиление ростовых процессов сохранилось на всех этапах онтогенеза. Отмечено более плотное смыкание растений в рядах. Обработка клубней перед посадкой с последующим опрыскивание стеблей электроактивированной водой значительно повысили устойчивость растений к колорадскому жуку. Лучшие результаты получены на вариантах с применением анолита, где заселенность кустов вредителем уменьшилась на 37-83,3 %. Более эффективным оказался анолит, +500 мВ.
Исследования показали, что предпосадочная обработка клубней электроактивированной водой привела к повышению урожайности на 1,8-31,7 % (табл. 5). При этом зафиксирована прямая зависимость величины урожая от величины ОВП. Повышение ОВП используемых растворов сопровождалось ростом урожайности клубней. Наиболее ярко названная тенденция проявилось на вариантах с применением анолита при редокс-потенциале раствора +500, +700 мВ. На варианте с ОВП +300 мВ прибавка урожая в среднем составила 0,3 т/га или 1,8 %.
Таблица 5 - Влияние предпосевной обработки клубней картофеля электроактивированной водой
Компонент ОВП, мВ Урожайность, т/га Прибавка урожая, %
Контроль (природная вода) +250 16,55 -
Анолит +300 16,85 1,8
+500 17,40 5,1
+700 21,80 31,7
Католит -300 17,40 5,1
-500 19,60 18,4
-700 18,80 13,6
Электроактивированная вода при предпосадочной обработке клубней оказывает благоприятное влияние на улучшение фитосанитарного состояния почв по почвообитающим фитофагам и полезной мезофауне. К числу широко распространенных вредителей картофеля относятся личинки жуков щелкунов - проволочников. В пределах жизненного цикла они могут наносить серьезные повреждения картофелю. Исследования показали, что нанесение
на клубни анолита и католита с ОВП +500мВ и -700мВ приводит к подавлению активности проволочников и снижению их численности на 20-35% в целом.
Таким образом, электрохимически активированные растворы оказывают стимулирующее и антистрессовое воздействие на растения. Использование их приводит к активизации ростовых процессов, индуцирует устойчивость к вредителям и болезням, обеспечивает получение стабильных урожаев, и создает благоприятные условия для достижения биоразнообразия и саморегуляции.
Литература
1. Авт. свид. СССР 663358 (1979).
2. М.Н. Белицкая, И.Р. Грибуст, Е.Э. Нефедьева, Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование, 2, 3-8 (2012).
3. В.К. Калентьев, Р.И. Крикуненко, С.И. Агаджанян, Вестник Казанского технологического университета, 17, 3, 272-273 (2014).
4. В.В. Карпунин, А.Г. Алимов, В.В. Карпунин, Экологические системы и приборы, 3, 50 (2008).
5. К.У. Мязитов, М.Н. Никитина, Н.А.Мосиенко, В.М. Христов, Третий междунар. симпозиум «Электрохимическая активация в медицине, сельском хозяйстве, промышленности», 158-163 (2001).
6. С.В. Оськин, Д.С. Гребцов, Механизация и электрификация сельского хозяйства, 8, 26 (2007).
7. О.А. Пасько, Активированная вода и её применение в сельском хозяйстве, Издательство ТПУ, Томск, 2000. 132 с.
8. О.А. Пасько, Вода: химия и экология, 7, 40-45 (2010).
9. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.Н. Гукалов, К.С. Елисеев, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 22, 194-197 (2014).
10. А.В. Филоненко, Е.Ю. Байковская, Первый междунар. симпозиум «Электрохимическая активация в медицине, сельском хозяйстве, промышленности, 99-100 (2001).
© М. Н. Белицкая - д.б.н., профессор, главный научный сотрудник отдела биологии ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации» РАСХН, vnialmi@avtlg.ru; Е. Э. Нефедьева - д.б.н., профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» Волгоградского государственного технического университета nefedieva@rambler.ru; И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. кафедрой Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.
© M. N. Belitskaya - Dr. of Biological Sciences, Prof., Principal research fellow of Biology Dept. of Federal State Budget Science Establishment «Russian Scientific and Research Institute of Agronomy and Forest Melioration» of Russian Agriculture Academy, vnialmi@avtlg.ru; E. E. Nefedyeva - Dr. of Biological Sciences, Prof. of Industrial Ecology and Safety Dept. of Volgograd State Technical University, nefedieva@rambler.ru; 1 G. Shaikhiev - Dr of Technical Sciences, Head of Engineering Ecology Dept. of Kazan National Research Technological University, ildars@inbox.ru.
