CC BY
40
УДК 631.4:631.461
Л.М. Сунгатуллина, 1В.И. Кулагина, 2А.Н. Грачев, 1C.C. Рязанов, 1Р.Р. Шагидуллин, 1Э.Х. Рупова
'Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, [email protected] 2Казанский национальный исследовательский технологический университет,
КОЭФФИЦИЕНТ ИММОБИЛИЗАЦИИ АЗОТА КАК КРИТЕРИЙ
ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ
БИОУГЛЯ НА ПОЧВУ
Проанализировано влияние трех видов биоуглей на процессы минерализации/ иммобилизации почвенного азота по соотношению двух групп микроорганизмов в контролируемых условиях нескольких серий лабораторных опытов. Показано, что внесение биоугля в почву может существенно изменять направленность процессов минерализации/иммобилизации азота.
Ключевые слова: биоуголь; лабораторный опыт; микроорганизмы; иммобилизация азота; минерализация.
Введение
Биоуголь - материал, полученный из древесины, либо из другого органического сырья в процессе пиролиза. В последнее время интерес к использованию его в качестве удобрения и «улуч-шителя» почвы неизменно растет. Это связано с тем, что с одной стороны процесс бескислородного нагревания позволяет утилизировать органические остатки с минимальными выбросами углерода в атмосферу, с другой стороны, состав и структура многих видов биоуглей делает весьма привлекательным применение их в качестве удобрений и мелиорантов.
Перед тем, как рекомендовать биоуголь к широкому применению в сельском хозяйстве, необходимо дать эколого-биологическую оценку воздействия его на почву. В данном случае эколого-биологическая оценка основывается на установлении связи между составом сообществ живых организмов, обитающих в почве, получающих питание из почвы, и происходящими в почве процессами. Под сообществами живых организмов в первую очередь понимаются сообщества растений, произрастающих на данных почвах, и микробное сообщество почв, а наиболее изучаемыми процессами при внесении биоугля является влияние его на эмиссию азота из почвы. Однако данные о влиянии биоуглей на рост и развитие растений, качество полученной продукции, почвенное плодородие, состояние почвенной микрофлоры весьма противоречивы.
Неоднозначны также и данные по влиянию внесения биоуглей на почвенный азот: биоуголь может вызывать снижение эмиссии N0 из почв
за счет иммобилизации азота микроорганизмами; может стимулировать развитие почвенных плесневых грибов и аэробных целлюлозоразлагаю-щих бактерий, являющихся активными потребителями азота и подавляющими рост азотобактера (Рижия и др., 2015); может приводить к усилению денитрификации и к достоверному увеличению эмиссии К20 (Yanai et а1., 2007; Krishnakumar et а1., 2014). Подобные противоречивые результаты связаны с тем, что биоугли отличаются друг от друга в зависимости от используемого сырья, режима термообработки; важны также технология применения, дозы, почвенные условия и т.д. (Gashikovich et а1., 2015; Соколик и др., 2015).
Цель нашего исследования - выявить, каким образом внесение различных видов биоугля может повлиять на процессы микробиологической минерализации и иммобилизации почвенного азота в контролируемых условиях лабораторного опыта.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования являлись биоугли, полученные с применением установки быстрого пиролиза FPP02, которая является запатентованной разработкой компании ООО «Энерголеспром» (Грачев и др., 2009, 2013). Всего в опытах было изучено 3 вида биоуглей: 1) березовый биоуголь из отходов фанерного производства, 2) низкотемпературный биоуголь, полученный из высушенных гранулированных осадков сточных вод при температуре 300+20 °С, 3) высокотемпературный биоуголь, полученный из тех же осадков, но при температуре 500+20 °С.
Таблица 1. Характеристика биоуглей по содержанию и соотношению азота и углерода
Виды биоугля С общ., % N общ., % С/N
Березовый 82.5 0.27 305.7
Низкотемпературный из илов сточных вод 29.8 1.02 29.2
Высокотемпературный из илов сточных вод 35.2 1.46 24.1
Древесный биоуголь по своим свойствам значительно отличается от биоуглей из илов сточных вод, что особенно заметно по соотношению углерода и азота (табл. 1).
При изучении воздействия разных видов биоугля на свойства почв и микробиоту проведено 3 серии опытов (табл. 2) в соответствии с ГОСТ Р ИСО 22030-2009.
В опытах №1 и №3 семена были высажены в вегетационные сосуды, в каждом из которых находилось по 400 г почвы с различной концентрацией биоугля. В качестве контроля использовалась почва без внесения биоугля. Опыты проводили в 4-х повторностях. В каждый вегетационный сосуд высевали по 10 семян. Сосуды помещали в вегетационную камеру с контролируемой температурой и освещением. В ходе экспериментов в сосудах поддерживалась оптимальная влажность в 60% от полной влагоемкости. В опыте №2 придерживались того же алгоритма действий, только без растений. По окончании экспериментов в почве каждого вегетационного сосуда определяли содержание валового азота колориметрическим методом (Аринушкина, 1961; Воробьева, 1998), и проводили микробиологический посев почвенной суспензии на твердые питательные среды для
учета численности микроорганизмов, участвующих в круговороте азота, аммонифицирующих - на мясо-пептонном агаре (МПА), амилолити-ческих, использующих минеральный азот - на крахмало-аммиачном агаре (КАА). Коэффициент минерализации и иммобилизации (Кмин) по Е.Н. Мишустину (1956) рассчитывали как соотношение численности амилолитических и аммонифицирующих микроорганизмов - КАА/МПА.
Результаты и их обсуждение
Внесение березового биоугля в опыте №1 вызвало снижение активности аммонифицирующих бактерий по сравнению с контролем под посевами пшеницы (рис. 1). Причем, чем больше была доза внесенного биоугля, тем меньшее количество аммонифицирующих бактерий обнаруживалось в почве, то есть наблюдалась значительная, но обратная корреляционная зависимость между этими показателями (г= -0.9).
Количество микроорганизмов, потребляющих минеральные формы азота, в вариантах с растениями пшеницы практически не менялось (рис.1).
Коэффициент минерализации азота под данной культурой очень низкий - от 0.05 до 0.14, что свидетельствует о преобладании процессов мине-
Таблица 2. Характеристика биоуглей по содержанию и соотношению азота и углерода
№ опыта Характеристика почвы Виды биоуглей Использованные культуры Продолжительность опыта
1 Дерново-подзолистая супесчаная, гумус - 1.8%, азот - 0.11% Березовый в концентрации 1%, 2%, 5% Пшеница яровая (Triticum vulgare), Горох посевной (Pisum sativum) 42 дня
2 Серая лесная среднесуглинистая, гумус - 4.3%, азот - 0.074% Березовый в концентрации 2%, 5%, 10% Без растений 42 дня
3 Серая лесная среднесуглинистая, гумус - 4.3%, азот - 0.074% Биоуголь из илов сточных вод (300°С и 500°С) в концентрации 2%, 5%, 10% Горчица белая (Sinapis alba), Овес посевной (Avena sativa) 42 дня
5!
российский журннл им! экологии
рализации. По-видимому, весь минеральный азот, высвобождающийся в процессе аммонификации, использовался растениями, в связи с чем доля амилолитических микроорганизмов, использующих минеральный азот, в почве была очень невелика.
В вариантах с растениями гороха в почве также наблюдали такое же сильное преобладание процессов минерализации над процессами иммобилизации почвенного азота - коэффициент минерализации азота (Кмин) равен 0.1 - 0.32. Однако закономерности, связывающие дозы внесенного биоугля и количество микроорганизмов разных групп, под горохом оказались совершенно иными, чем под пшеницей.
При повышении концентрации биоугля активность обеих групп микроорганизмов выросла: до 8.5 раз по сравнению с контролем у аммонифицирующих микроорганизмов (при 2% биоугля) и до 6.2 раз у амилолитиков (5% биоугля). Это объясняется известной особенностью бобовых растений. Чем ниже содержание азота в почве, а при
90
=
« 80 я
¿= 70 в 60
I 50 г
я 40 ¡Ь
а 30 Л 20 1 10 У 0
Ими
-
£
С 1% 2%
Варианты опыта
■ КАА под пшеницей ИМПА под пшеницей КАА под горохом ■ МПА под горохом
5%
внесении березового биоугля с широким соотношением С/К (табл. 1) концентрация азота в почве снижается, тем активнее идет азотфиксация сим-биотическими клубеньковыми бактериями, которые обогащают почву органическим азотом, питающим аммонифицирующие микроорганизмы.
В опыте, проведенном с серой лесной почвой без растений (опыт №2), оказалось возможным увидеть в наиболее чистом неискаженном виде влияние внесения в почву продукта с очень высоким содержанием углерода и низким содержанием азота (рис. 2). Внесение березового биоугля привело к возрастанию коэффициента минерализации от 0.95 при дозе биоугля 2% до 1.52 при дозе 10%. Это связано с широким соотношением С/К (табл. 1) в березовом биоугле, даже при том, что большая часть углерода в угле находится в составе трудноразлагаемых соединений. Согласно литературным данным, при соотношении доступных углерода и азота более чем 1:20 происходит иммобилизация азота путем закрепления его в микробных клетках (Мишустин, 1956). Такое яв-
- а.с.п. ■
I 20 - и 0 1 15 а К о & 10 - "Г
И ■ У 1 I [ 1
-
и
2% 5%
Варианты опыта
■ КАА «МПА
Рис. 1. Количество аммонификаторов (МПА) и амилолитиков (КАА) под пшеницей и горохом при разной концентрации березового биоугля (среднее значение и стандартное отклонение)
Рис.2. Количество аммонификаторов (МПА) и амилолитиков (КАА) в опыте без растений при разной концентрации березового биоугля
К 2% 5%
Варианты опыта
■ КАЛ с ВУ «МПА с ВУ КАА с НУ II
Рис. 3. Количество аммонификаторов (МПА) Рис. 4. Количество аммонификаторов (МПА) и и амилолитиков (КАА) в опыте с овсом при разной амилолитиков (КАА) в опыте с горчицей при раз-концентрации биоугля из осадков сточных вод ной концентрации биоугля из осадков сточных вод
5
0
10%
К
120
100
г 80
50
а 40
20
0
10%
ление наблюдалось и ранее при внесении древесного биоугля в почву (Рижия и др., 2015).
Статистически значимое увеличение количества микроорганизмов аммонификаторов наблюдалось только при дозе древесного биоугля 10% (рис. 2). Малые дозы древесного биоугля могут и не оказывать статистически значимого воздействия на микробное сообщество почв (Кулагина и др., 2018б).
Биоуголь из илов сточных вод отличается по своему химическому составу от древесного биоугля. Он содержит больше питательных веществ, чем древесный биоуголь, но и содержание тяжелых металлов в нем выше. Использование биоуглей из илов сточных вод для внесения в почву возможно при условии проведения дополнительных исследований на экологическую безопасность (Кулагина и др., 2018а).
Благодаря более высокому содержанию азотсодержащих соединений в биоугле из илов сточных вод в опыте №3 наблюдалась более тесная зависимость численности изучаемых групп микроорганизмов с повышением концентрации биоугля, чем в опытах с древесным углем (рис. 3, 4).
Коэффициенты корреляции между дозой биоугля и количеством микроорганизмов, потребляющих минеральный азот, составляют 0.8-0.9 как для низкотемпературного, так и для высокотемпературного биоугля под обеими культурами, что свидетельствует о тесной прямой зависимости.
Наибольшая активность аммонифицирующих микроорганизмов под овсом была отмечена при 10% концентрации низкотемпературного биоугля, то есть биоугля из ила, полученного при температуре пиролиза 300 °С. Под горчицей, напротив, наибольшую активность аммонификаторы проявили в варианте с 10% высокотемпературного биоугля, с температурой пиролиза 500 °С. Такая зависимость связана прежде всего, с тем, что биоугли из илов сточных вод содержат достаточное количество легкоминерализуемых азотсодержащих органических веществ, а также со стимулирующим воздействием данного вида биоуглей на выработку корневых выделений.
В этом опыте, как и в опыте №1, процессы минерализации в основном преобладают над процессами иммобилизации азота. Коэффициент минерализации под овсом изменяется от 0.1 до 0.97 при разных дозах биоугля, а под горчицей от 0.12 до 1.23. Коэффициент близкий к единице, свидетельствующий о сбалансированности процессов минерализации и иммобилизации азота в почве, обычно наблюдается при внесении небольших доз высокотемпературного биоугля.
Самый низкий коэффициент минерализации
отмечен при внесении в почву 10% низкотемпературного биоугля, что закономерно. Большое количество легкоразлагаемых азотсодержащих органических веществ, поступившее в данном случае в почву, приводит к резкому преобладанию процессов минерализации.
Заключение
Внесение биоугля в почву может существенно изменять направленность процессов минерализации/иммобилизации азота, как в ту, так и в другую сторону.
Применение древесных биоуглей с широким соотношением С/N может привести к иммобилизации азота в почве. Теоретически доступность азота для растений уменьшается. Поэтому целесообразно внесение в почву данных видов биоуглей под зиму, либо в сочетании с другими органическими или минеральными удобрениями. Хотя проведенные опыты показали, что процессы иммобилизации явно преобладают в почве при внесении древесного биоугля только при отсутствии высших растений.
Внесение в почву биоуглей из илов сточных вод с более узким соотношением С/N и более высоким содержанием соединений азота вызывает смещение микробиологических почвенных процессов в сторону усиления процессов минерализации.
Список литературы
1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1961. 491 с.
2. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 272 с.
3. ГОСТ Р ИСО22030-2009. Качество почвы. Биологические методы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений.
4. Грачев А.Н., Башкиров В.Н., Забелкин С.А., Макаров
A.А., Тунцев Д.В., Хисматов Р.Г. Способ термической переработки органосодержащего сырья // Патент РФ №2395559. 2009.
5. Грачев А.Н., Макаров А.А., Забелкин С.А., Башкиров
B.Н. Термохимическая переработка лигноцеллюлозного сырья в биотопливо и химические продукты // Вестник технологического университета. 2013. Т.16, №21. С. 109-111.
6. Кулагина В.И., Грачев А.Н., Рязанов С.С., Кольцова Т.Г., Сунгатуллина Л.М., Рупова Э.Х. Оценка фитотоксично-сти как первый этап эколого-биологической оценки влияния продукта пиролиза илов сточных вод на почвы // Вестник технологического университета. 2018а. Т. 21, №1. С.164-168.
7. Кулагина В.И., Сунгатуллина Л.М., Грачев А.Н., Шаги-дуллин Р.Р., Рязанов С.С., Забелкин С.А, Кольцова Т.Г. Оценка воздействия биоугля на микробиологические и некоторые физико-химические показатели серой лесной почвы // Российский журнал прикладной экологии. 2018б. №2. С.21-25.
8. Мишустин Е.Н. Микроорганизмы и плодородие почвы. М.: Изд-во АН СССР, 1956. 342 с.
9. Рижия Е.Я., Бучкина Н.П., Мухина И.М., Бели-нец А.С., Балашов Е.В. Влияние биоугля на свойства
52
российский журннл лриклнлной экологии
образцов дерново-подзолистой супесчаной почвы с разной степенью окультуренности (лабораторный эксперимент) // Почвоведение. 2015. № 2. С. 211-220.
10. Соколик Г А., Овсянникова С.В., Иванова Т.Г., Попеня М.В., Войникова Е.В. Харакеристики дерново-подзолистых почв после внесения биоугля // Весщ Нацыянальнай акадэми навук Беларуси Серыя хiмiчныхнавук. 2015. №2. С. 87-94.
11. Gashikovich G.K., Vasilyevna S.E., Rubenovich G.B., Valeeva A.A. The possibility of use research methods of soil organic matter for assess the biochar properties // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2015. V.6, Iss. 4. P. 194-201.
12. Krishnakumar S., Rajalakshmi A.G., Balaganesh B., Manikandan P., Vinoth C., Rajendran V. Impact of Biochar on Soil Health // International Journal of Advanced Research. 2014. V. 2, Iss. 4 . Р. 933-950.
13. Yanai Y., Toyota K., Okazaki M. Effects of charcoal addition on N2O emissions from soil resulting from rewetting air dried soil in short term laboratory experiments // Soil Sci. Plant Nutr. 2007. V. 53. Р. 181-188.
L.M. Sungatullina, V.I. Kulagina, A.N. Grachev, S.S. Ryazanov, R.R. Shagidullin, E.H. Rupova. Nitrogen immobilization ratio as a criterion for ecological and biological evaluation of the biochar effect on soil.
The effect of three biochar types on the processes of mineralization / immobilization of soil nitrogen was analyzed according to the ratio of two groups of microorganisms under controlled conditions of several series of laboratory experiments. It was shown that the application of biochar in the soil can significantly change the processes direction of nitrogen mineralization / immobilization.
Keywords: biochar; laboratory experiment; microorganisms; nitrogen immobilization; mineralization.
Информация об авторах
Сунгатуллина Люция Мансуровна, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Кулагина Валентина Ивановна, кандидат биологических наук, заведующая лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Грачев Андрей Николаевич, доктор технических наук, профессор, Казанский национальный исследовательский технологический университет, 420015, Россия, г Казань, ул. Карла Маркса, 68, E-mail: [email protected].
Рязанов Станислав Сергеевич, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Шагидуллин Рифгат Роальдович, член-корреспондент АН РТ, доктор химических наук, директор, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Рупова Эльмира Ханисовна, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28. E-mail: [email protected].
Information about the authors
Lutsia M. Sungatullina, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, Russia, 420087, e-mail: [email protected].
Valentina I. Kulagina, Ph.D. in Biology, Head of Laboratory, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, Russia, 420087, e-mail: [email protected].
Andrey N. Grachev, D.Sci. in Technology, Professor, Kazan National Research Technological University, 68, Karl Marx St., Kazan, Russia, 420015, E-mail: [email protected].
Ryazanov Stanislav S., Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, Russia, 420087, E-mail: [email protected].
Shagidullin Rifgat R., D.Sci. in Chemistry, corresponding member of Tatarstan Academy of Sciences, director, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, Russia, 420087, E-mail: [email protected].
Elmira H. Rupova, Ph.D. in Agriculture, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Russia, 420087, E-mail: [email protected].
