CC BY
135
Агроценоз. Северные территории
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОЛИЗНОГО ЛИГНИНА В АГРОЦЕНОЗАХ
Н.И. РОМАНЧУК,
соискатель, Сыктывкарский государственный университет, г. Сыктывкар
Ключевые слова: агроценоз, органическое удобрение, лигнин, модификация, гумусовые вещества.
Цель и методика исследований
Значение гумусовых веществ почвы для агроценозов трудно переоценить. Они накапливают элементы питания и энергию, участвуют в миграции катионов, за счет своей сорбционной активности снижают негативное действие токсичных веществ. Они устойчивы, полидисперны, высокомолекулярны [1]. Главные источники образования гумусовых веществ в почве - растительные остатки - опад, отмирающие корни.
Большинство исследователей отмечают, что для северных агроценозов характерно невысокое содержание гумуса, фульватный его состав, низкое содержание питательных элементов в доступной для растений форме. Это объясняет актуальность исследований, направленных на поиски источников органического вещества для почв северных агроценозов.
В данной работе изучена возможность использования нетрадиционного удобрения для повышения активного пула органического вещества почвы. Известно, что в формировании гумуса важную роль играет лигнин - один из самых распространенных природных полимеров. Крупномасштабное использование лигнина в сельском хозяйстве решает не только проблему утилизации отходов деревоперерабатывающих предприятий, но и качественно улучшает агрохимические свойства почвы, активизирует процессы почвообразования и повышает урожайность сельскохозяйственных культур.
Однако лигнин биологически и химически малоактивен. Он - наиболее устойчив к минерализации, поэтому его использование в качестве источника органического вещества для агроценозов возможно лишь после предварительной модификации. Промышленный гидролизный лигнин еще менее пригоден для прямого использования в качестве органического удобрения, поскольку имеет повышенную кислотность, высокое содержание остаточных концентраций реактивов целлюлозно-бумажного производства. Использованию лигнина должна предшествовать структурная модификация его полимерной матрицы.
Известны разные способы модифицирования сложной полимерной молекулы лигнина. Среди них наиболее перспективны биологическое (компостирование) и химическое. Использование различных методов модифицирования
лигнина позволяет достигнуть различной глубины конверсии полимерной матрицы.
Наши исследования были направлены на поиск оптимальных условий химической модификации гидролизного лигнина, посредством которых возможно получение продукта с заданными свойствами. Выбор режимов модификации проводился с учетом влияния состава и функциональных параметров нового удобрения на почвообразовательный процесс, буферность почвы и устойчивость системы «почва-растение».
Основным сырьем для получения органического удобрения был лигнин гидролизно-дрожжевого производства Сыктывкарского ЛПК. На выходе из гидролиз-аппаратов лигнин имел следующие характеристики: рН 2,2-2,7; влажность 65-70%; трудногидролизуемые полисахариды 18-20%; неотмытые растворимые вещества 4,2-6,7%; вещества, экстрагируемые спиртобензолом 11-13%; минеральные кислоты (в пересчете на Н2304) 1,6-1,8%; зола 1,4-1,5%.
Для получения удобрения использовалась калиевая селитра ГОСТ 1949-65, кислота фосфорная термическая ГОСТ 10678-76 плотностью <^=1,59-1,60 г/см3, нейтрализация кислых продуктов проводилась углеаммонийными солями ГОСТ 9325-60.
Опытные партии органического удобрения на основе лигнина соответствовали следующим требованиям: влажность не более 20%; содержание нерастворимой в воде части не менее 13%; рН водной вытяжки не менее 5. По элементному составу препараты содержали: 16-17% фосфора: 19-29% калия; до 11% азота; 13,5% органического вещества (в зависимости от применяемых химических реагентов и их соотношений). Из имеющегося азота 2-2,2% может быть связано с органическим веществом, до 9-9,2% общий растворимый азот, представляемый как аммиачной (6,6-6,7%), так и нитратной (2,5-2,6%) формами. Содержание карбонильных групп (СО) - от 1,1 до 3,0%; карбоксильных групп (СООН) - от 1,6 до 3,3%; эфирный азот (без восстановления) - от 5 до 10%, азот эфирный (с восстановлением) - от 7 до 12%.
Химическую модификацию гидролизного лигнина проводили в кислотно-солевой системе К1\Ю3-И3Р04 при различных соотношениях компонентов, концентрации кислоты, температуре и
времени воздействия.
Первый этап модифицирования заключался в формировании необходимых структурных единиц на основе уже имеющихся в структуре лигнина. На данном этапе модификант также обогащался биогенными веществами (N, P, K). Второй этап включал в себя процесс нейтрализации избыточной кислоты до нейтральных солей. Посредством этого регулировали рН водной вытяжки органо-минерального продукта. При применении в качестве нейтрализатора основных солей аммония в состав мо-дификанта также вводилась основная масса активного азота. Количество этого основания, в соответствии с требованием рН водной вытяжки не менее шести, брали из расчета нейтрализации всей фосфорной кислоты до однозаме-щенных солей. Анализ лигнина и полученных на его основе модификантов проводили согласно стандартных методик [2, 3]. Элементный состав препаратов определяли на анализаторе фирмы Carlo Erba Strumentazione, модель 1106 (Италия).
Влияние полученного органического удобрения на агроценозы изучалось в подзоне средней тайги Республики Коми. Исследования проводились в модельных вегетационно-полевых опытах и на производственных посевах. Удобрения вносились в одинарной (12 ц/га) и двойной (24 ц/га) дозах. В качестве контроля использовались неудобренные делянки и делянки с внесением минеральных удобрений в дозах, эквивалентных действующему веществу в органических удобрениях. Агрохимические свойства почв изучали по общепринятым методикам. Групповой и фракционный состав органического вещества определяли по методике В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой [4].
Статистическая обработка материала осуществлялась с помощью электронных таблиц Excel. Это обеспечило объективную оценку достоверности полученных результатов. Статистический и корреляционный анализы полученных материалов проводили на персональном компьютере Pentium с применением программы статистической обработки STATISTICA.
Лигнин является природной полимерной матрицей, содержащей в своей структуре ароматические кольца,
Agrocenosis, organic fertilizer, lignin, modification, humic matter.
Агроценоз. Северные территории
Таблица 1
Сравнительная характеристика гидролизного лигнина (ГЛ СЛПК), химически модифицированного лигнина и гуминовых веществ
Наименование образца Содержание компонентов
элементный состав, % (масс) функциональный состав, мг-экв/г
С Н ОСНз СООН СО
ГЛ СЛПК 55,0-62,0 6,7 2,4-3,1 0,3-0,4 1,2-1,4
Гуминовые кислоты* 52,0-62,0 2-5,5 0,3-2,5 2,5-5,0 2,0-2,4
Химически модифицированный лигнин 52,0-55,0 5,55 0,2-0,3 2,8-2,9 1,1-3,0
* [5]
то ш
* т а у Ф о ^ с
8 -% * § ° § ш
Вариант
□ Неизвесткованные почвы1 □ Известкованные почвы
Рисунок 1. Содержание органического вещества в пахотном горизонте в контроле и опытных образцах
доступные для химических реагентов. Для направленной модификации лигнина с целью придания ему свойств, близких к свойствам гумусовых веществ, обогащения его структуры хиноидны-ми фрагментами и биогенными веществами использовали окислительную среду КМ03-Н3Р04.
В результате химической деструкции гидролизный лигнин претерпевал существенные превращения. Под влиянием окисляющих веществ он переходил в форму соединений, в которых частично разрушены лигноуглеводные связи, обуславливающие трудную его растворимость. Наряду с освобождением лигнина из нерастворимой сшитой жесткоцепной структуры растительного полимера происходил процесс его окислительных превращений, сопровождающихся частичным разрушением шестичленных углеродных циклов. Таким образом, часть конденсированных структур лигнина переходила в формы, легкоусвояемые растениями. Происходила конверсия макромолекулы лигнина с образованием структур, аналогичных гумусовым соединениям (табл. 1).
Новое органическое удобрение на основе лигнина представляло собой многокомпонентный гранулированный продукт темно-коричневого цвета, близкий по функциональному составу органического вещества к гумусовым кислотам, содержащий неорганические компоненты - калий, азот, фосфор.
Состав, структура и свойства полученных продуктов определялись соотношением исходных реагентов, а также условиями протекания реакции (время, температура и т.п.). Выбор режима модификации позволял придать продукту необходимые для удобрения качества по содержанию органического вещества, N1, Р, К. В результате химические и структурные изменения лигнина в окислительных системах определяли формирование состава нового удобрения.
Влияние органического удобрения на физико-химические свойства почвы
Полевые опыты закладывали на подзолистой, легкосуглинистой слабоокуль-туренной почве, сформировавшейся на покровных и моренных суглинках. Варианты сравнивались с контролем без удобрений и с внесением минеральных удобрений в эквивалентных дозах по действующему веществу. В качестве опытных культур были выбраны картофель, горох в смеси с овсом.
Основной тенденцией в изменении агрохимических свойств пахотного горизонта почвы при ежегодном внесении органического удобрения под всеми культурами являлось: обогащение био-фильными элементами (почвы из низкообеспеченных по N1, Р, К становились высокообеспеченными), изменение качественного состава гумуса (отношение ГК/ФК возрастало от 0,42 до 2,70), проявление сорбционных свойств по отношению к органическому веществу (при
максимальной дозе лишь около 4% углерода удобрения может быть вынесено за пределы пахотного слоя).
Под воздействием удобрения качественно улучшалась структура почвы. Сложная многомерная и полифункцио-нальная структура природного полимера обеспечивала пролонгированность поступления химических элементов в почву. Удобрение активно взаимодействовало с почвой, не оказывая разрушающего влияния на ее минеральную часть.
При применении больших доз удобрения наблюдалось незначительное под-кисление почвы. При однократном внесении удобрения изменения кислотноосновных свойств в парующей почве были значимыми только на вариантах с максимальными дозами удобрения - 48 ц/га. Смещение реакции почвенного раствора в область кислых значений при применении удобрения вполне закономерно и обусловлено значительным содержанием остаточных концентраций реактивов. Избыточная кислотность нейтрализовалась доломитовой мукой.
Ежегодное внесение удобрения (в течение восьми лет) оказывало поддерживающий эффект и стабилизировало содержание органического вещества в пахотном горизонте на более высоком уровне по сравнению с контролем (рис. 1).
Влияние органического удобрения на продуктивность растений
Опыты показали, что характер трансформации удобрения в почве благоприятен для растений, о чем свидетельствуют результаты многолетних наблюдений, показывающие рост продуктивности растений, под которые они вносились.
Экспериментальные данные свидетельствовали об увеличении урожая, по сравнению с контролем, у всех культур, выращенных на основе нового удобрения. Первый год испытания удобрения в дозах 12 (ТП-1) и 24 ц/га (ТП-2) показал повышение урожайности культур (особенно картофеля сорта Приекульский) по сравнению с контролем в 1,5-2 раза (табл. 2). В сравнении с эквивалентными дозами стандартных удобрений (Мин-1 и Мин-2) при одноразовом внесении прибавки урожая были близкие.
На опытных участках, где удобрение вносили несколько лет подряд, урожай массы смеси гороха с овсом и картофеля повышался еще в большей степени (табл. 3).
В целом, исследования удобрения показали положительную эффективность на рост урожайности сельскохозяйственных культур, что, по-видимому, вызывается увеличением в почве подвижных элементов, ускорением процессов гумификации почв и повышением плодородия.
Агроценоз. Северные территории - Биология
Влияние препарата не ограничивалось повышением продуктивности зеленых растений. Применение удобрения в лесных насаждениях показало, что оно вызывает более ускоренную минерализацию лесной подстилки, повышает микробиологическую активность лесных подзолистых почв, что способствует постепенному повышению эффективного плодородия почвы и усилению биологического круговорота элементов питания в удобренных насаждениях.
Изучение зоотехнической ценности кормов, полученных на участках с применением удобрения, не выявило в растениях заметных отклонений в концентрации питательных веществ.
Исследование токсических свойств органического удобрения на основе лигнина показали, что удобрение по параметру токсичности относится к малотоксичным препаратам, с узкой зоной токсического действия.
Выводы. Рекомендации В процессе химического модифицирования гидролизного лигнина в кислотно-солевой системе КЫ03 - Н3Р04 получено вещество, обладающее свойствами высокоэффективного органического удобрения.
При внесении удобрения в почву улучшалась ее структура, физико-химические свойства, увеличивались ее сорбционные свойства. Почвы из группы среднеобеспеченных становились почвами с повышенной обеспеченностью по биофильным элементам (N1, Р, К). Удоб-
Таблица 2
Действие органического и минеральных удобрений в эквивалентных дозах на продуктивность травосмеси из гороха и овса и картофеля сорта Приекульский (ц/га)
^льтура ^нтроль Mmh-1 ТП-1 Mmh-2 ТП-2
Травосмесь из гороха и овса 101 133 133 102 107
^ртофель 91 97 138 129 173
Примечание: ТП-1 - органическое удобрение в дозе 24 ц/га; ТП-2 - органическое удобрение в дозе 48 ц/га; Мин-1 и Мин-2 - стандартные минеральные удобрения в дозах, эквивалентных по д.в. дозам органического удобрения
Таблица 3
Влияние кумулятивного эффекта от внесения удобрений на продуктивность культур в агроценозах (подзона северной тайги)
кол-во лет контроль, ц/га Mин-1 ТП-1 Mин-2 ТП-2
^льтура внесения удобрений прирост к контролю, %
1 101,0 31,7 31,7 1,0 5,9
Т равосмесь из гороха и овса 2 75,0 236,0 164,0 285,3 312,0
3 87,0 148,3 126,4 217,9 317,2
^ртофель Приекульский 3 68,0 261,8 238,2 351,5 297,1
4 128,0 10,2 73,4 88,3 157,8
5 91,0 6,6 41,8 47,3 64,8
рение качественно изменяло состав гумуса. Под влиянием удобрения содержание гуминовых кислот увеличивалось, а фульвокислот - уменьшалось.
Продуктивность всех испытанных растений под влиянием нового удобрения существенно увеличивалась по сравнению с контрольными вариантами.
Результаты токсиколого-гигиеничес-ких исследований показали, что органическое удобрение на основе лигнина относится к малотоксичным соединениям.
Исследования показали, что на основе лигнина возможно получение дешевого, сбалансированного по элементам питания, органического удобрения для использования в агроценозах на Севере.
Литература
Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв. - М., 1974. - 332 с.
Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. - М., 1989. - 448 с.
Закис Г.Ф., Можейко Л.И., Телышева Г.Н. Методы определения функциональных групп лигнина. - Рига, 1975. - 175 с. Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Гумус и почвообразование. - Л., 1980. - 220 с.
Швецова В.М., Хмелинин И.Н. , Безносиков В.А., Конкин П.И. Изменение свойств почвы и качества растений под влиянием комплексного органоминерального удобрения // Проблемы включения отходов гидролизного производства в биологический круговорот веществ: Тр. Коми НЦ УрО АН СССР, (№ 106). - Сыктывкар, 1989. - С. 17-29.
ГИСТОГЕНЕЗ ЭНДОКРИННОГО ОТДЕЛА ПОДЖЕЛУДОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ МАРАЛА В ВОЗРАСТНОМ АСПЕКТЕ
Н.И. РЯДИНСКАЯ,
кандидат биологических наук, доцент, Алтайский ГАУ, г. Барнаул
Ключeвыe слова: cкoплeнuя мaлoдuффepeнцupyeмыx эндoкpuнныx клemoк, дuффepeнцupoвкa гopмoнoпpoдyцupyющux клemoк u yвeлuчeнue кoлuчecmвa ocmpoвкoв.
Организм оленей имеет некоторые биологические особенности, связанные со спецификой обитания вида и физиологией, которые обусловливают необычайно высокие концентрации в организме биологически активных веществ. Изучение адаптационных возможностей в естественных биогеоценозах с целью
определения оптимальных технологии кормления, содержания, эксплуатации животных с учетом возрастных периодов имеет важное народнохозяйственное значение.
В процессе эволюции у животных подсемейства настоящих оленей произошли морфофункциональные измене-
ния, позволяющие их организму успешно адаптироваться к экстремальным природно-климатическим условиям Горного Алтая. При адаптации организма животного поджелудочная железа играет важную роль, обладая внешней и внутрисекреторной деятельностью, способствует поддержанию определен-
Congestions small differential endocrine cells, differentiation hormone productive cells and increase in quantity areas.
