CC BY
70
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
ИСТОЧНИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АРГИНИНОВОГО ИММУНОСТИМУЛЯТОРА
Е.В. РОБОНЕН, ведущий физик лаб. лесовосстановления Института леса КарНЦ РАН,
Н.П. ЧЕРНОБРОВКИНА, доц. в.н.с. лаб. лесовосстановления Института леса КарНЦ РАН, д-р биол. наук,
О.В. ЧЕРНЫШЕНКО, проф. каф. ботаники и физиологии растений МГУЛ, д-р биол. наук, М.И. ЗАЙЦЕВА, ст. преподаватель каф. водоснабжения и водоотведения ПетрГУ, канд. техн. наук
er51@bk.ru; chemobr@krc.karelia.ru; tchernychenko@mgul.ac.ru; 2003bk@bk.ru
Леса в Карелии занимают значительные территории и составляют сырьевую основу развития лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности. При рубке лесных насаждений на лесосеке образуются отходы - порубочные остатки. В большом количестве представлена древесная зелень, которая является неиспользуемым биоресурсом. Проблема ее утилизации требует решения. Древесная зелень является источником большого числа БАВ, значительное их количество (до 30 %) составляют водорастворимые фракции, в том числе свободные аминокислоты. [1, 2]. Ряд аминокислот используют в медицине и в ветеринарии. Для повышения неспецифической резистентности в последнее время предлагаются в качестве иммуномодулирующих средств отдельные аминокислоты [3, 4]. Обнаружено положительное влияние витамина Е в комплексе с L- аринином на иммунитет бройлерных цыплят [5]. В зеленой массе сосны может содержаться витамина Е (токоферола) до 360 мг/кг сухого вещества, что превосходит содержание в люцерновой муке и в молодой траве (разнотравье). Хвоя издавна использовалась в медицине и сельском хозяйстве. Повышение в растительном сырье содержания свободных аминокислот и изменение их количественного соотношения можно осуществлять путем регуляции минерального питания растений. Разбалансированность минерального питания хвойных растений приводит к изменению состава свободных аминокислот в их тканях [8, 10, 11]. При избытке азота и дефиците фосфора у хвойных происходит накопление аминокислот с высоким содержанием азота - аргинина, лизина, орнитина. Ранее нами
было показано стимулирующее влияние добавки азота и бора на накопление L-аргинина у сосны обыкновенной [8].
Для оценки экономической целесообразности организации производства арги-нинового иммуностимулятора необходимо провести анализ потенциальных источников сырья (хвои, обогащенной L-аргинином) с учетом их доступности, объемов, затрат на проведение мероприятий по обогащению хвои L-аргинином, количества получаемого продукта с единицы площади. Источником сырья может являться древесная зелень, образующаяся при рубках главного пользования, рубках ухода, вырубке трасс при строительстве дорог, ЛЭП, нефте- и газопроводов, регулярных рубках по расчистке действующих трасс, а возможно и целевое плантационное лесовыращивание с коротким сроком ротации (оборотом рубки). Для сравнения экономической эффективности различных вариантов необходимо провести исследования на древостоях разного возраста. Так, при расчистке трасс ЛЭП источником сырья является обычно молодняк древесных растений до 4 м высотой, что предполагает иную, чем на спелых древостоях, схему внесения удобрений. Расчет количества полученной с одного гектара древесной зелени в этом варианте будет иным. Общая биомасса с единицы площади будет меньше, чем в спелом древостое, но доля древесной зелени в ней - больше, а значит и использование удобрений эффективнее.
Запас древесной зелени в древостое оценивают, используя таблицы массы древесной зелени по ступеням толщины деревьев и разрядам высот и данные перечета или клей-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
11
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
мения деревьев по ступеням толщины в лесосеке и сведения о разряде высот древостоя. Для выявления закономерностей в накоплении древесной зелени в древостоях, связи между ее массой и таксационными признаками дре-востоев и отдельных деревьев широко применяется метод регрессионного анализа [7].
Цель работы - оценить целесообразность использования древесной зелени, образующейся в результате проведения регулярных рубок по расчистке действующих трасс линий электропередач, в качестве потенциального источника сырья (хвои, обогащенной L-аргинином) для получения аргинино-вого иммуностимулятора; испытать вариант позднелетнего внесения удобрений с целью увеличения содержания L-аргинина в хвое сосны обыкновенной.
Материалы и методы
Объект исследования - 15-летний молодняк сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) естественного возобновления, сформировавшийся на расчищенной 15 лет назад трассе ЛЭП, являющийся сложным древостоем, состоящим из трех ярусов. Почва песчаная, напочвенный покров бедный (редкий) или отсутствовал. Почвы имели оптимальную для роста хвойных растений кислотность и низкий уровень азота и бора.
На каждой из 3 пробных площадей были заложены по 4 модельных участка (3 варианта опыта и контроль), по 25 м2 каждый. Оптимизацию доз проводили с учетом высоты дерева. Высота деревьев 1, 2 и 3-го ярусов составляла 2.6-4.5; 1.1-2.5 и до 1.0 м соответственно.
Заложен эксперимент по испытанию варианта позднелетнего (конец августа) внесения различных доз удобрений на накопление L-аргинина в хвое деревьев сосны обыкновенной различной высоты и сроков заготовки растительного сырья. На опытных модельных участках в почву в третьей декаде августа вносили азот в дозах 100, 150 и 200 кг га-1 в виде сухой аммиачной селитры и бор в дозе 2,5 кг га-1 в виде водного раствора борной кислоты. На контрольных участках азот и бор в почву не вносили.
Образцы хвои с трех опытных и контрольного участков отдельно по ярусам ежемесячно, с момента закладки эксперимента, отбирали и фиксировали методом лиофили-зации, содержание L-аргинина в хвое определяли по методу Сакагучи [12]. Экстракцию аминокислоты из хвои проводили горячей водой (60° С). Образцы хвои анализировали для каждого варианта опыта и по ярусам отдельно, чтобы определить, какие ярусы эффективно использовать для заготовки хвойной лапки с учетом концентрации L-аргинина в хвое и запасов хвойной лапки на гектар.
Для оценки количества древесной зелени на гектар в исследуемом древостое на основе данных таблиц по двухсантиметровым ступеням толщины при рубках ухода в сосняках [6] построили регрессионные уравнения вида y = ax2 + bx + c, где x - высота дерева, y - масса древесной зелени, (рис. 1 табл. 1). Для оценки адекватности регрессионной модели рассчитывали коэффициент детерминации R2 и уровень значимости р. Принимали модель адекватной при уровне значимости 5 %. Обработку данных проводили с помощью табличного процессора Excel.
На пробных площадях был проведен перечет деревьев по ступеням толщины, измерены высоты деревьев и с помощью регрессионных уравнений, аппроксимирующих зависимость массы древесной зелени сосны от высоты дерева по ступеням толщины, рассчитана масса древесной зелени каждого дерева на участке, данные просуммированы по трем ярусам, рассчитана масса древесной зелени на гектар.
Результаты и обсуждение
Содержание L-аргинина в хвое контрольных деревьев не различалось достоверно по ярусам и составляло 0,097-0,24 % от сухой хвои. Значительное увеличение содержания L-аргинина под воздействием осеннего внесения азота в дозе 200 и бора в дозе 2.5 кг га-1 наблюдалось с середины октября в хвое деревьев сосны 1 и 2 ярусов. В третьей декаде октября оно превышало значения у контрольных деревьев в 3,7 и 3,9 раза соответственно, составив 6,22±0,41 и 6,02±0,39 кг т-1 сухого
12
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
Таблица 1
Параметры регрессионных уравнений вида y = ax2 + bx + c, аппроксимирующих зависимость массы древесной зелени сосны от высоты дерева по ступеням толщины при рубках ухода в Карелии (по данным Зябченко и др., 1984)
Ступени толщины, см a b c R2
2 0,0024 -0,0684 0,4126 0,9151
4 -0,0065 -0,0434 1,1384 0,9914
6 0,0272 -0,7552 5,6302 0,9972
8 0,0538 -1,9647 17,4 0,9921
10 0,0431 -2,2801 25,775 0,9705
12 -0,0335 -0,4386 19,499 0,9961
y = 0,0024x2 - 0,0684x + 0,4126 .2
R2 = 0,9151
y = -0,0065x2 - 0,0434x + 1,1384 о 4 R2 = 0,9914
y = 0,0272x2 - 0,7552x + 5,6302 n 6 R2 = 0,9972
y = 0,0538x2 - 1,9647x + 17,4 д8
R2 = 0,9921
y = 0,0431x2 - 2,2801x + 25,775 □ 10
R2 = 0,9705
y = -0,0335x2 - 0,4386x + 19,499 0 12
R2 = 0,9961
Рисунок. Масса древесной зелени сосны при рубках ухода в Карелии по ступеням толщины (по данным Зябченко и др, 1984)
вещества. Несмотря на то, что удобрения вносили в конце вегетации, водные потоки в течение сентября активно доставляли элементы питания в надземные органы и обеспечили избыток азота в хвое, который привел к биосинтезу богатых азотом аминокислот, прежде всего L-аргинина. В течение ноября и декабря происходило дальнейшее увеличение содержания L-аргинина в хвое опытных деревьев, достигая значений 0,84-0,93 % от сухой хвои. С января до начала марта у опытных деревьев оно существенно понизилось и практически не отличалось от контроля, составляя 0,09-0,21 % от сухой хвои. В конце марта зафиксирован новый подъем содержания L-аргинина в хвое опытных деревьев до 0,73 % от сухой хвои.
При расчете количества L-аргинина, содержащегося в древесной зелени 15-летнего соснового молодняка, принимаем среднее значение за период с ноября по декабрь
- 0,89 % от сухой хвои. Количество L-аргинина в хвое опытных деревьев 3-го яруса под воздействием осеннего внесения азота в дозе 200 и бора в дозе 2.5 кг га-1 имело тенденцию к снижению (0.15-0.21 %). Можно предположить, что при внесении удобрений в конце вегетации такие дозы оказались слишком высокими для этих растений и синтез аминокислот, включая L-аргинин, был заторможен. При внесении азота в дозе 150 кг га-1 наблюдалось незначительное увеличение содержания L-аргинина в хвое опытных деревьев всех категорий роста.
В проведенных нами ранее полевых опытах с двухлетними сеянцами сосны обыкновенной при внесении в почву азота с бором в первой половине вегетации (в конце мая и начале июля) и отборе образцов в третьей декаде июля уровень L-аргинина в хвое в расчете на единицу сухого вещества увеличивался по сравнению с контролем в 19,7
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
13
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
Таблица 2
Количество L-аргинина в хвое соснового молодняка, произрастающего на трассе ЛЭП, после внесения удобрений по предлагаемой схеме, кг га-1 (в конце октября)
Высота деревьев от 1,0 до 2,5 м Высота деревьев от 2,6 до 4,5 м
Масса древесной зелени, т га-1 (в свежесрубленном состоянии) 7,86 ± 0,39 7,11 ± 0,356
Масса хвои, т га-1 (78 % от массы древесной зелени) 6,13 ± 0,31 5,55 ± 0,28
Масса хвои, т га-1, сухого вещества (47 % от массы свежей хвои) 2,88 ± 0,14 2,61 ± 0,13
Содержание L-аргинина в хвое, % от сухого вещества 0,62 0,60
Масса L-аргинина, кг га-1 17,92 ± 0,90 15,69 ± 0,78
Масса L-аргинина, кг га-1, сумма 33,61 ± 4,12
раз. Дополнительное обеспечение растений азотом в сочетании с бором повышало содержание суммы свободных аминокислот в хвое до 2,67±0,24 кг т-1 сухого вещества. Это повышение происходило преимущественно за счет L-аргинина. Его содержание в хвое составило в контроле 0,1±0,01 кг т-1 сухой массы, в опыте с использованием азота и бора - 2,03± ±0,17 кг т-1 сухой массы.
Увеличение содержания L-аргинина в хвое относительно контроля при позднелетнем внесении удобрений было менее значительно, чем в опыте с весенним внесением, что, видимо, связано с осенним отбором образцов в первом случае и летнем - во втором. В октябре, ноябре содержание L-аргинина в хвое контрольных деревьев также повышается, а летом при ограниченном, но сбалансированном минеральном питании аргинин в хвое сосны обыкновенной содержится лишь в следовых количествах [10].
В результате перечета деревьев на пробных площадях было установлено, что в исследуемом сосновом молодняке густота древостоя составляла 20000 деревьев на га, деревьев 1-го, 2-го и 3-го ярусов - 28 %,- 63 % и 9 % соответственно.
Используя результаты измерения высоты и диаметра деревьев, с помощью регрессионных уравнений рассчитываем массу древесной зелени на гектар по ступеням толщины. Полученные значения просуммированы для двух ярусов с учетом количества деревьев каждого яруса на единицу площади (табл. 2).
При расчете массы хвои принимаем, что для сосны она составляет 78 % от массы древесной зелени, а масса сухого вещества хвои составляет 47 % от массы свежей хвои [6]. Массу древесной зелени деревьев 3 яруса при расчете общего количества L-аргинина в насаждении не учитывали, поскольку увеличения содержания L-аргинина в хвое опытных деревьев этой категории под воздействием избыточного осеннего внесения азота и бора не наблюдалось.
Количество L-аргинина, содержащегося в хвое 15-летнего соснового молодняка, произрастающего на трассе ЛЭП после внесения удобрений по предлагаемой схеме, у деревьев 1 и 2 ярусов составило 26,80 ± 1,34 и 24,24 ± 1,21 кг га-1 соответственно, что в сумме составило 51,04 ± 4,12 кг га-1
Результаты исследований показали, что позднелетнее внесение удобрений допустимо с целью значительного увеличения содержания L-аргинина в хвое сосны обыкновенной, которое наблюдается в период с конца октября до конца декабря и в конце марта. Для установления возможной зависимости времени начала и завершения процесса накопления L-аргинина от погодных условий требуются дальнейшие исследования. Регулированием вносимых в почву доз азота и бора можно стимулировать накопление этой аминокислоты у хвойных растений.
Сравнительный анализ потенциальных источников сырья (хвои, обогащенной L-аргинином) в условиях южной части Карелии показал, что вариант с использованием
14
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
хвойной древесной зелени, образующейся при расчистке трасс линий электропередач, может рассматриваться как рациональный. Проблема расчистки трасс под ЛЭП актуальна для многих энергосистем России. Зарастание просек древесно-кустарниковой растительностью приносит большой экономический ущерб от аварий, работы по расчистке трасс ЛЭП значительно повышают надежность энергоснабжения потребителей. Проблема зарастания становится очевидной через 5-15 лет после очередной расчистки, в зависимости от породы деревьев и почвенно-климатических условий. Для удаления древесно-кустарниковой растительности под линиями электропередачи, трубопроводных магистралей, при утилизации порубочных остатков после лесозаготовительных работ, для подготовки почвы перед посадкой деревьев в настоящее время используются специальная техника - профессиональные лесные мульчеры, осуществляющие измельчение органических остатков на биомассу, фрезеровщики пней, предназначенные для удаления пней и корневых систем различного диаметра. Мульчер выстилает поверхность площадки утилизированной щепой, что на первом этапе замедляет рост древесно-кустарниковой растительности. Однако со временем, в результате естественной биоконверсии древесных отходов, ускоренной благодаря измельчению, появляющаяся растительность будет хорошо обеспечена элементами питания на этой территории. При подготовке почвы перед посадкой деревьев или в ландшафтном строительстве это является плюсом, но для трассы под ЛЭП нежелательно. Экономически более целесообразно было бы удалять переработанные отходы с обрабатываемой территории для дальнейшего их использования в различных направлениях, в зависимости от состава отходов. Очищенная от растительных остатков площадь, при условии соответствия почвенных условий, может оказаться пригодной для естественного возобновления хвойных пород. При расчистке трасс ЛЭП в результате прохождения техники на базе специальных гусеничных машин происходит значительное нарушение напочвенного покрова и подстилки, в результате чего образуется измененный
почвенный горизонт, сформированный из различных почвенных горизонтов на глубину до 20 см. Известно, что семенное возобновление ели и сосны зависит от степени нарушенности живого напочвенного покрова и подстилки [9]. Естественное возобновление сосны сдерживается задернением почвы или вследствие разрастания подлеска из лиственных древесных пород. При устранении этих неблагоприятных факторов сосна возобновляется при обсеменении от стены леса в достаточном количестве при ширине лесосеки до 60 м. Фактически в результате проведения работ по расчистке трассы ЛЭП с использованием специальных гусеничных машин образуется площадь, подготовленная для естественного возобновления древесных растений хвойных пород. Если при расчистке трасс ЛЭП удалять хвойный молодняк для утилизации древесной зелени, в результате прохождения техники одновременно будет происходить подготовка почвы для следующей ротации хвойных.
Стоимость расчистки от деревьев одного гектара трассы ЛЭП по данным на 2010 г. в условиях Карелии составляла от 1,8 до 3,5 тыс. руб. Использование древесной зелени, получаемой при расчистке трасс ЛЭП, в качестве сырья для получения БАВ позволило бы сократить расходы по обслуживанию трасс, сделать процесс максимально экономичным, ресурсосберегающим. Для того чтобы хвоя деревьев, растущих на трассе, планируемой к расчистке, имела высокое содержание L-аргинина, необходимо заблаговременно внести азотные и борные удобрения по схеме, разработанной с учетом почвенных условий данной территории и категории деревьев, преобладающих в молодняке.
Библиографический список
1. Ягодин, В.И. Основы химии и технологии переработки древесной зелени / В.И. Ягодин; под ред. Ю.И. Холькина. - Л., 1981. - 224 с.
2. Левин, Э.Д. Переработка древесной зелени /
Э.Д. Левин, С.М. Репях. - М., 1984. - 120 с.
3. Великанов, В.И. Состояние общей резистентности телят под воздействием препаратов аминокислот / В.И. Великанов, JI.B. Харитонов, Д.Е. Пронькин // Тезисы докладов 18-го съезда физиол. об-ва им. И.П. Павлова. - Казань, 2001. - 317 с.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
15
