CC BY
88
УДК 631.8:574.2
В. И. Кулагина, Б. Р. Григорьян, А. Н. Грачев,
С. С. Рязанов, Т. Г. Кольцова
ФИТОТЕСТИРОВАНИЕ ВОДНОЙ ВЫТЯЖКИ КАК БИОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ БИОУГЛЯ НА ПОЧВУ
Ключевые слова: биоуголь, пшеница, редис, энергия прорастания семян, всхожесть, водная вытяжка.
Исследовано влияние водной вытяжки из биоугля при разных вариантах разбавления на прорастание семян и рост проростков пшеницы и редиса. Показано, что водная вытяжка из биоугля не проявляет токсического действия на рост корней проростков пшеницы. Установлено, что водная вытяжка оказывает наибольшее стимулирующее действие на энергию прорастания и всхожесть семян пшеницы и редиса в вариантах с разведением 1:19. При больших и меньших концентрациях стимулирующее действие уменьшается.
Keywords: biochar, wheat, radish, germination energy of seeds, germination, water extract.
The effect of aqueous extract from the biochar under different dilution options on the germination of seeds and the growth of wheat and radish seedlings was studied. It is shown that the aqueous extract from the biochar does not show a toxic effect on the growth of the roots of wheat seedlings. It is established that the water extract has the greatest stimulating effect on germination energy and the germination of wheat and radish seeds in variants with the dilution 1:19. At higher and lower concentrations, the stimulatory effect decreases.
Введение
Внесение биоугля в почву как способ повышения продуктивности растений исследуется и в нашей стране, и за рубежом. Во многих работах отмечается положительное действие на рост и продуктивность растений [1-7]. В других случаях это действие статистически не доказано [8, 9] или не однозначно [3, 10].
Rondon [10], отмечал, что при внесении увеличивающихся доз биоугля в тропические почвы, характеризующиеся сильной степенью выветрелости почвообразующих минералов, продуктивность растений сначала растет, а затем при очень больших дозах (свыше 150 т/га) снижается. То есть существует интервал, за рамками которого стимулирующее действие биоугля уменьшается.
С другими дозами биоугля и на других почвах, но сходные по смыслу результаты были получены Asai с соавторами, работающими в Лаосе. Они сообщили о повышении урожая риса при внесении 4 т биоугля на гектар. Но при внесении 8 или 16 т/га, урожайность не отличалась от контроля [3].
В любом случае возникает вопрос, с чем связано действие биоугля на растения: 1) с изменением водно-физических свойств почв, в частности с увеличением влагоемкости и доступной для растений влаги, 2) с физико-химическими свойствами биоугля, в том числе со способностью поглощать и обменивать различные вещества и ионы, или 3) с воздействием растворимых химических компонентов биоугля на растения. Эти факторы могут действовать в противоположных направлениях, приводя к неоднозначности результатов. Поэтому для получения более достоверных данных желательно рассмотреть эти факторы по-отдельности.
Для того, чтобы исключить влияние двух первых факторов, необходимо использовать не сам биоуголь, а вытяжку растворимых веществ, и провести фитотестирование согласно принятым методикам.
Целью данной работы было: определить влияние водной вытяжки из биоугля на процесс прорастания
семян пшеницы и редиса и начальный рост проростков.
Экспериментальная часть
Опыт проводился сотрудниками Института проблем экологии и недропользования АН РТ. Объектом исследования являлась водная вытяжка из биоугля, который был получен на пилотной установке быстрого пиролиза компании ООО «ЭнергоЛес-Пром» [11,12]. В качестве сырья для производства биоугля использовалась щепа из спелой стволовой древесины березы влажностью 8+2%. Средняя температура в реакторе пиролиза составляла 500+15°С. Затем биоуголь стабилизировался в герметичном тушильнике в течение двух суток. Полученный биоуголь обладал следующими свойствами: влажность - 2,75%, зольность - 1,44%, выход летучих веществ -19,29%, нелетучий углерод - 77,95%, высшая теплота сгорания 31601 КДж/кг.
Гранулометрический состав биоугля соответствовал закону нормального распределения с максимальным (79,52%) содержанием фракции 0,16-0,315 мм.
Водная вытяжка из биоугля была получена согласно ГОСТ 33578-2015 [13], в соотношении биоуголь: вода 1:10 и кипячении в течение 3 минут с последующим фильтрованием.
Определение энергии прорастания и лабораторной всхожести семян проводилось согласно ГОСТ 12038-84 [14]. В качестве тест-объектов использовались пшеница яровая (Triticum vulgare L.) сорта «Эскада 109» и редис (Raphanus sativus) сорта «18 дней», то есть, как и рекомендуется ГОСТ, в качестве тест-объектов были выбраны одна однодольная и одна двудольная культура. В чашки Петри с двумя слоями бумаги раскладывалось по 50 семян. Семена обрабатывались неразведенной водной вытяжкой из биоугля, а также с разведением 1:1, 1:9, 1:19, 1:49 и 1:99. В качестве контроля использовалась обработка семян дистиллированной водой. Объем раствора во всех случаях был одинаковым 10 мл. Далее по мере
необходимости в чашки Петри доливалась дистиллированная вода. Проращивание велось при температуре +20°С, без проникновения солнечного света. Опыт проводился в 4 повторностях. Согласно ГОСТ 12038-84 энергия прорастания определялась на 3 день, а всхожесть - для пшеницы на 7 день, для редиса - на 6 день.
Кроме того, вытяжка из биоугля проверялась на токсичность согласно «Методике выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности тех-ногенно загрязненных почв» [15]. В качестве тест-объекта согласно методике использовалась только пшеница яровая (Triticum vulgare L.) сорта «Эскада 109». Норма высева семян в каждом параллельном определении (чашке Петри) - 20 шт. Семена помещались на 2 слоя фильтровальной бумаги, в чашки наливали по 10 мл испытуемых растворов. Использовались те же варианты разбавления, что и для определения энергии прорастания. Опыт проводился в трех повторностях. На третий день с точностью до 1 мм измерялась длина самого длинного корешка. Уменьшение средней длины корешков от контроля (вода) более, чем на 20%, позволило бы судить о токсичности изучаемой вытяжки.
Анализ полученных данных проводился с помощью пакета статистической обработки R [16]. Достоверность разницы определялась по параметрическим и непараметрическим показателям в зависимости от результатов проверки выборки на нормальность.
Результаты и их обсуждение
Фитотестирование позволяет дать интегральную и оперативную оценку воздействия какого-либо компонента на природные среды, в том числе почву [17]. Это особенно полезно, когда вносимый компонент имеет сложный состав, как, например, биоуголь или водная вытяжка из него.
Согласно литературным данным, соединения, переходящие в водную вытяжку из биоугля, весьма разнообразны: это минеральные вещества, необходимые для питания растений (преобладают растворимые соединения калия, соли кальция), а также органические соединения. Состав паровой фазы пиролиза очень сложен (около 300 индивидуальных веществ). Пары органических веществ состоят из альдегидов, кетонов, спиртов, углеводородов и летучих с паром фенолов. Небольшая их часть может остаться в биоугле в адсорбированном состоянии, а затем перейти в водную вытяжку, как и полиароматические углеводороды, которые при определенных условиях могут образовываться в результате рекомбинации и уплотнения фрагментов лигнина в процессе термической обработки лигноцеллюлозного сырья [18]. По отдельности они могут оказывать как токсическое, так и стимулирующее воздействие на рост и развитие растений. Возможно, какие-то из них в определенных концентрациях могут оказывать эффект гормезиса [19]. Фитотестирование позволяет быстро оценить суммарный эффект водной вытяжки, даже не зная точного состава всех ее компонентов [17].
Проведенные нами исследования показали, что водная вытяжка из биоугля не оказывает токсического воздействия на изучаемые виды растений.
Длина корешков пшеницы при применении водной вытяжки из биогуля не уменьшалась, а увеличивалась по сравнению с контролем (рис.1).
40
£
§ 35
U Контроль Вытяжка 1:1 1:9 1:19 1:49 1:99 (вода)
Варианты опыта
Рис. 1 - Влияние водной вытяжки из биоугля в разных разбавлениях на длину корешков пшеницы на третий день прорастания
Пожалуй, можно говорить об эффекте биостимуляции, однако не при всех вариантах разбавления разница с контролем была достоверна. На длину корешков наибольшее и статистически доказанное действие оказала неразбавленная вытяжка. В этом варианте опыта длина корешков была в среднем на 1 см больше, чем на контроле, то есть увеличилась примерно на 40%.
На энергию прорастания семян пшеницы сорта «Эскада 109» водная вытяжка из биоугля оказала достоверное воздействие только при разбавлениях 1:9 и 1:19. При этих же разбавлениях наблюдается наибольше увеличение стимулирующего действия водной вытяжки из биоугля на энергию прорастания семян (рис.2). Энергия прорастания семян пшеницы постепенно увеличивается с разбавлением вытяжки из биоугля до величины 1:19, а затем постепенно уменьшается.
98,0
(вода)
Варианты опыта
Рис. 2 - Влияние водной вытяжки из биоугля на энергию прорастания семян пшеницы
Сходное влияние оказала вытяжка из биоугля на всхожесть семян пшеницы (рис.3), определяемую на седьмой день опыта. Максимальная всхожесть наблюдалась также при разбавлении 1:19. И только при разбавлениях 1:9 и 1:19 статистическая обра-
ботка результатов показала достоверную разницу с контролем.
Контроль Вытячска 1:1 1:9 1:19 1:49 1:99 (вода)
Варианты опыта
Рис. 3 - Влияние водной вытяжки из биоугля на всхожесть семян пшеницы
Реакция редиса на воздействие водной вытяжки из биоугля оказалась менее четкой (рис.4).
£ Контроль Вытяжка 1:1 1:9 1: 19 1: 49 1: 99
=■ (вода)
m Варианты опыта
■ Энергия прорастания ■ Всхожесть
Рис. 4 - Влияние водной вытяжки из биоугля на энергию прорастания и всхожесть семян редиса
На третий день опыта, когда определялась энергия прорастания семян редиса, четко был заметен один пик - при разбавлении 1:19. Именно при нем наблюдалась достоверная разница с контролем. На шестой день опыта при определении всхожести семян редиса ни один вариант опыта достоверно не отличался от контроля по количеству нормально проросших семян, хотя по-прежнему прослеживается тенденция к увеличению всхожести при применении вытяжки из биоугля, и, особенно, вытяжки, разбавленной 1:19.
Таким образом, токсическое действие водной вытяжки из биоугля на прорастание семян пшеницы и редиса не обнаружено ни для неразведенной вытяжки, ни для разбавленной. Наоборот, показано стимулирующее действие водной вытяжки из березового биоугля на прорастание семян и развитие проростков.
Биостимуляция прорастания семян редиса и пшеницы и рост корешков пшеницы при добавлении водной вытяжки показали, что положительное воздействие биоугля на растения обусловлено не только влиянием биоугля на водно-физические свойства почв, в частности, сохранение доступной влаги, но и составом его водорастворимых веществ.
Интересным фактом является то, что максимальное стимулирующее действие на рост корешков и на энергию прорастания наблюдается при разных кон-
центрациях водорастворимых веществ биоугля. По-видимому, они обусловлены разными механизмами воздействия, что требует дальнейшего изучения.
Максимальное стимулирующее влияние на энергию прорастания и всхожесть наблюдалось не от исходной концентрированной вытяжки, а от разбавленной 1:19. При этом необходимо учитывать, что сама исходная вытяжка была получена при соотношении почвы к воде 1:10.
Этот результат в целом согласуется с данными Rondon [10], и Asai с соавторами [3], которые отмечали стимулирующий эффект при неких средних дозах внесения угля в почву, а не максимальных.
То, что для получения стимулирующего эффекта требуется сравнительно небольшая концентрация биоугля или его растворимых веществ, можно считать положительным моментом с экономической точки зрения.
Выводы
1. Водная вытяжка из березового биоугля, полученного при температуре 500+15°С, оказала стимулирующее воздействие на рост корней проростков пшеницы, а также энергию прорастания и всхожесть семян пшеницы и редиса.
2. Максимальное воздействие на рост корешков пшеницы оказывает неразбавленная водная вытяжка из биоугля.
3. Наилучшая энергия прорастания и всхожесть семян пшеницы и редиса наблюдается при разбавлении исходной вытяжки в 20 раз (1:19).
Литература
1. Е.Я. Рижия, Н.П. Бучкина, А.С. Белинец, Е.В. Балашов,
В сб.: Международный агроэкологический форум. Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства, Санкт-Петербург, 2013. С. 239-243.
2. А.С. Дурова, В кн.: Леса России: политика, промыш-
ленность, наука, образование. Санкт-Петербугрский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Санкт-Петербург, 2016. С. 132-134.
3. J. Major, Guidelines on Practical Aspects of Biochar Appli-
cation to Field Soil in Various Soil Management Systems, IBI, 2010. Р. 23.
4. В. Husk, J. Major, Commercial scale agricultural biochar field trial in Québec, Canada, over two years: Effects of biochar on soil fertility, biology, crop productivity and quality. Report available online at http://www.blue-leaf.ca/main-en/report_a3.php, last accessed on 5 May 2010.
5. J. Lehmann, J.P. da Silva, C. Steiner, T. Nehls, W. Zech, B.
Glaser, Plant and Soil, 249, 343-357 (2003).
6. В.И. Кулагина, Б.Р. Григорьян, А.Н. Грачев, С.С. Ряза-
нов, Вестник технологического университета, 20, 11,. 129-134 (2017).
7. Н.Е. Орлова, Н.М. Лабутова, Е.Е. Орлова, Т.А. Банкина,
В сб.: Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного. Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина, Краснодар, 2017. С. 323-325.
8. Б.Р. Григорьян, А.Н. Грачев, В.И. Кулагина, Л.М. Сун-
гатуллина, Т.Г. Кольцова, С.С. Рязанов, Вестник технологического университета, 19, 11, 185-189 (2016).
9. А.С. Белипец, XVII Докучаевские молодежные чтения
(Санкт-Петербург, Россия, 3-6 марта, 2014). Материалы конференции. Санкт-Петербург, 2014. С. 163-165
10. M.A. Rondon, J. Lehmann, J. Ramírez, M. Hurtado, Biology and Fertility of Soils, 43, 6, 699 -70S (2007).
11. А.Н. Грачев, A.A. Макаров, С.А. Забелкин, Б.Н. Баш-киров, Вестник технологического университета, 16, 21, 109-111 (2013).
12. Патент РФ №2395559. Способ термической переработки органосодержащего сырья (2009).
13. ГОСТ 33578-2015. Уголь активированный. Стандартный метод определения рН.
14. ГОСТ 1203S-S4. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести.
15. Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для опреде-
ления токсичности техногенно загрязненных почв М-П-
2006. Федеральный реестр ФР.1.39.2006.02264. Санкт-Петербург, 2009. 18 с.
16. R CoreTeam . A language and environment for statistical computing. Foundation for Statistical Computing,Vienna, Austria (2016). URL: https://www.R-project.org/ (дата обращения 11.01.2016).
17. О.В. Лисовицкая, В.А. Терехова, Доклады по экологическому почвоведению, 1, 13, 1-18 (2010).
18. Ю.Л. Юрьев, Древесный уголь. Сократ, Екатеринбург,
2007. 184 с.
19. В.В. Корпачев, Фундаментальные основы гомеопатической фармакотерапии. Четверта хвиля, Киев 2005. 296с.
© В. И. Кулагина - к.б.н., старший научный сотрудник лаб. Экологии почв Института проблем экологии и недропользования АН РТ, viksoil@mail.ru; |Б. Р. Григорьян|- к.б.н., зав. лаб. Экологии почв Института проблем экологии и недропользования АН РТ, bobgrig2@yandex.ru; А. Н. Грачев - д.т.н., профессор кафедры Химической технологии древесины Казанского национального исследовательского технологического университета, energolesprom@gmail.com; С. С. Рязанов - научный сотрудник той же лаборатории, erydit@yandex.ru; Т. Г.Кольцова - к.б.н., старший научный сотрудник той же лаборатории, t@shmain.ru.
© V. I. Kulagina, Ph.D. in Biology, Senior Researcher, Laboratory of Soil Eulogy of Research Institute for Problems of Eulogy and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, viksoil@mail.ru; |B. R. Grigoryan, |Ph.D. in Biology, Head of Laboratory of Soil Eulogy of Research Institute for Problems of Eulogy and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, bob-grig2@yandex.ru; A. N. Grachev, Ph.D. in technical sciences professor of Chair of chemical technology of wood Kazan National Research Technological University, energolesprom@gmail.com; S. S. Ryazanov, Researcher, Laboratory of Soil Eulogy of Research Institute for Problems of Eulogy and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, erydit@yandex.ru; T. G. Koltsova, Ph.D. in Biology, Senior Researcher, Laboratory of Soil Eulogy of Research Institute for Problems of Eulogy and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, t@shmain.ru.
