Минерализация и трансформация органического вещества верхового торфа при внесении мочевины и биокатализатора (сообщение 2) Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 622.331:636.086.7

МИНЕРАЛИЗАЦИЯ И ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ВЕРХОВОГО ТОРФА ПРИ ВНЕСЕНИИ МОЧЕВИНЫ И БИОКАТАЛИЗАТОРА (СООБЩЕНИЕ 2)

© Л.В. Касимова1, А.Н. Панов2, В.А. Сибагатов1

1 Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа СО Россельхозакадемии, ул. Гагарина, 3, а/я 1668, Томск, 634050 (Россия) Е-таН:в1ЬпМ@ mail.tomsknet.ru

2Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, пр. Академический, 10/3, Томск, 634055 (Россия) E-mail: panov@imces.ru

Изучалась динамика минерального азота, подвижного фосфора, водорастворимого органического вещества, гуминовых кислот, аминокислот при хранении смесей: верховой торф + (0,5-4,0)% мочевины + 0,5% биокатализатора в течение 15 суток. Минерализация органического вещества торфа сопровождалась активацией азота до 83%, фосфора - до 51% от валового содержания их в исходном торфе. При трансформации органического вещества торфа повышалось содержание водорастворимого органического вещества в 2,7-8,3 раза, гуминовых кислот - в 12,3-12,4 раза, аминокислот - до 11%.

Ключевые слова: верховой торф, мочевина, минерализация, трансформация, торфяная кормовая добавка, качественные показатели.

Введение

Актуальна проблема разработки доступной и эффективной кормовой добавки из торфа, содержащей трансформированную мочевину. Внесение такой мочевины в состав кормовой добавки снизит риск отравления животных.

Известна технология приготовления углеводно-протеинового корма из верхового торфа, заключающаяся в химической обработке торфа мочевиной (4% в пересчете на сухой торф) в сочетании с тепловой обработкой - обогревом острым паром [1].

Данная работа является продолжением исследований по получению углеводно-протеинового корма из верхового торфа и посвящена изучению влияния различных доз мочевины в присутствии специально разработанного для ускорения разложения мочевины до аммиака биокатализатора [2] на процессы минерализации и трансформации органического вещества верхового торфа, на качество полученной кормовой добавки при температуре 18-22 °С.

Экспериментальная часть

Эксперимент был проведен в СибНИИСХиТ СО Россельхозакадемии. Объектом исследования служил верховой торф месторождения «Темное» Томского района Томской области. Способ получения торфяной кормовой добавки включал в себя внесение в торф, имеющего влажность 50%, мочевины в дозе 0,5-4 и 0,5% биокатализатора, разработанного Л.В. Касимовой [2]. Масса исследуемых смесей - 5 кг торфа с исходной влажностью 50%.

* Автор, с которым следует вести переписку.

2) торф + 0,5% мочевины + 0,5% биокатализатора 5) торф + 2% мочевины + 0,5% биокатализатора

3) торф + 1% мочевины + 0,5% биокатализатора 6) торф + 3% мочевины + 0,5% биокатализатора

4) торф + 1,5% мочевины + 0,5% биокатализатора 7) торф + 4% мочевины + 0,5% биокатализатора

Свойства торфяной кормовой добавки изучали в динамике при хранении в течение пятнадцати суток. Образцы для анализа отбирали через каждые трое суток. Разложение мочевины и процессы минерализации азотсодержащего органического вещества торфа отслеживали по изменению содержания N-NH4, которое определяли по ГОСТ 27894.0-88 - ГОСТ 27894.11-88 [3].

Процессы минерализации фосфорсодержащего органического вещества торфа характеризовали накоплением подвижного фосфора (P2O5)), определенного по ГОСТ 27894.0-88 - ГОСТ 27894.11-88 [3].

Трансформацию органического вещества оценивали по изменению содержания водорастворимого органического вещества торфа (Св.р.), определяемого по методике [4], водорастворимых гуминовых кислот - по методике [5], аминокислот - по методике [6].

Качество получаемых образцов торфяной кормовой добавки оценивали по общепринятым показателям: содержание протеина, жира, сахара, клетчатки, БЭВ и др. [7-9]. Определение каждого показателя проведено в трехкратной повторности, для статистической обработки данных использовали MS Excel.

Обсуждение результатов

Хранение кормовой добавки на основе верхового торфа с мочевиной в присутствии биокатализатора сопровождалось ускорением процессов минерализации и трансформации органического вещества торфа, в результате которых происходили изменения в реакции среды, содержании подвижных форм элементов питания, водорастворимого органического вещества, качественных показателей.

Реакция среды. При внесении мочевины в верховой торф в присутствии биокатализатора происходило ее разложение до газообразного аммиака, который поглощался торфом. Максимальное повышение реакции среды в торфе происходило через 3-е суток хранения смесей (рис. 1). Оптимальное значение реакции среды (рН=7) для роста численности микрофлоры пищеварительного тракта и повышения подвижности азота, фосфора торфа достигалось при внесении в верховой торф 1,5% мочевины. Более высокие дозы мочевины обеспечили повышение рН до 8,5.

Динамика минерального азота. Динамика изменения содержания аммонийного и нитратного азота при хранении смесей верхового торфа с разными дозами мочевины в присутствии 0,5% биокатализатора приведена в таблице

1. При хранении смесей торфа с мочевиной и биокатализатором происходило повышение содержания аммонийного азота при дозе мочевины 0,5% в 4 раза, 1% - в 8 раз, при более высоких дозах мочевины - в 12-15 раз.

Максимальное накопление аммонийного азота наблюдалось через 12-15 суток хранения. При хранении исследуемых смесей в течение первых трех суток накопление аммонийного азота достигало 43-66% от максимального накопления в соответствующем варианте с определенной дозой мочевины.

Важным показателем процесса минерализации азот- и фосфорсодержащего органического вещества является степень активации азота и фосфора торфа, определенная как накопление соответствующего элемента и выраженная в процентах от его валового содержания в исходном торфе.

В таблице 2 приведены расчетные данные по активизации азота торфа в исследуемых смесях. Активизация азота торфа составляла 35-89% от его валового содержания. Максимальный показатель достигнут в варианте с 2% мочевины.

10 8

2

0

0 0,5 1 1,5 2 3 4

Доза мочевины,%

Рис. 1. Реакция среды в смесях: верховой торф + х% мочевины + 0,5% биокатализатора

Таблица 1. Динамика содержания минерального азота в смесях: верховой торф + х % мочевины + 0,5% биокатализатора

№ п/п Доза мочевины, % Влажность, % рН сол. Содержание аммонийного азота Содержание нитратного азота (N-N03), мг/кг сырой массы

мг/кг сырой массы % к исходному торфу

Длительность хранения - 3 суток

1 -** 50,7 3,2 833,7 100 20,3

2 0,5 46,1 4,6 2275,7±180,0* 273 19,4±1,2

3 1,0 44,7 5,7 3479,7±261,0* 418 19,7±1,6

4 1,5 47,0 7,2 4791,7±61,8* 575 20,9±1,4

5 2,0 45,5 8,1 6164,0±90,9* 740 27,8±4,1*

7 3,0 46,4 8,6 6469,3±280,0* 777 53,8±7,1*

9 4,0 44,5 8,5 5354,0±74,42* 643 27,3±3,1*

Длительность хранения - 6 суток

1 -** 50,7 833,7 100 20,3

2 0,5 46,9 4,4 3393,3±309,5* 407 18,0±2,7

3 1,0 46,4 5,5 5331,7±70,9* 640 18,7±1,9

4 1,5 47,2 7,2 7658,3±108,0* 918 22,3±3,5*

5 2,0 49,1 8,0 9417,3±293,3* 1131 25,5±5,4*

7 3,0 47,6 8,2 11846,7±797,0* 1422 46,2±9,1*

9 4,0 46,4 8,4 12043,3±335,1* 1446 63,6±1,3*

Длительность хранения - 9 суток

1 -** 50,7 833,7 100 20,3

2 0,5 43,9 4,2 3147,0±349,6* 378 21,5±1,8*

3 1,0 42,2 5,4 5315,0±93,7* 638 25,9±2,1*

4 1,5 44,1 7,2 6288,7±280,1* 755 45,9±11,2*

5 2,0 46,6 7,7 7258,7±345,3* 871 78,0±7,9*

7 3,0 42,2 8,0 8229,0±646,4* 988 126,1±8,0*

9 4,0 42,5 8,4 9265,7±627,0* 1112 106,5±6,1*

Длительность хранения - 12 суток

1 -** 833,7 100 20,3

2 0,5 42,0 4,2 3424,3±482,1* 411 28,9±6,1*

3 1,0 40,7 5,3 6625,0±1254,0* 795 28,9±5,3*

4 1,5 41,3 7,0 10032,7±478,8* 1204 45,1±1,9*

5 2,0 42,4 7,5 11200,0±257,8* 1345 72,5±12,9*

7 3,0 42,2 7,9 10591,1±1148,0* 1271 110,9±10,3*

9 4,0 41,6 8,1 11373,3±836,9* 1365 179,1±35,7*

Длительность хранения - 15 суток

1 -** 50,7 833,7 100 20,3

2 0,5 45,7 4,2 3016,3±279,2* 362 17,6±1,4

3 1,0 44,6 5,4 5854,4±368,6* 703 18,4±1,7

4 1,5 45,5 7,0 9470,3±535,5* 1137 18,9±1,0

5 2,0 46,5 7,6 10129,7±458,1* 1216 17,8±0,0

7 3,0 45,8 7,8 11283,3±627,1* 1354 35,3±2,0*

9 4,0 45,4 8,1 12370,4±55,20* 1485 46,6±0,0*

Примечание: * - различия с контролем достоверны; ** - исходный торф.

Потери валового азота в вариантах кормовой добавки, содержащей 0,5-1,0% мочевины в присутствии биокатализатора, отсутствуют, в варианте с 1,5% мочевины потери азота составляли 25%, в вариантах с 24% мочевины они достигали 40-50% от внесенного азота с мочевиной.

Накопление аммонийного азота в пересчете на 1% внесенной в торф мочевины максимальное в вариантах с дозами мочевины 0,5-1,5%: 6625-6848 мг/кг сырой массы (рис. 2).

.0

о о

ФАЗ? 0^0 7

1 «1«

8000

6000

4000

2000

0

Рис. 2. Максимальное накопление аммонийного азота и водорастворимого органического вещества (Св.р.) в смесях: верховой торф + х% мочевины + 0,5% биокатализатора в пересчете на 1% внесенной мочевины

0,5 1 1,5 2 3 4

Доза мочевины, %

I аммонийный азот

I водорастворимое органическое вещество

Динамика подвижного фосфора. При хранении смесей верхового торфа с разными дозами мочевины в присутствии биокатализатора отмечено повышение содержания подвижного фосфора в 1,9—3,5 раза относительно содержания его в исходном торфе (табл. 3). Прирост содержания подвижного фосфора составлял 165,5-294,6 мг/кг сырой массы, или 0,42-0,51% на абсолютно сухое вещество (а.с.в.). Максимальное накопление подвижного фосфора наблюдалось в варианте с дозой мочевины 3%: 412мг/кг через 6 суток хранения. При увеличении срока хранения до 15 суток содержание фосфора снижалось. Доза мочевины (4%) тормозила процесс минерализации фосфорсодержащего органического вещества торфа, что подтверждается меньшими показателями содержания фосфора.

Расчетные данные по оценке активизации фосфора торфа в смесях: верховой торф + х% мочевины +

0,5% биокатализатора (табл. 2) показали, что активация фосфора торфа в опыте составляла 25-51% от его валового содержания. Максимальный показатель достигнут в варианте смеси торфа с 3% мочевины.

Накопление фосфора в пересчете на 1% внесенной в торф мочевины достигало максимальных величин при дозе мочевины 0,5% через 12 суток хранения (рис. 3).

Динамика водорастворимого органического вещества. Трансформация органического вещества торфа в смесях: торф +0,5-4% мочевины + 0,5% биокатализатора сопровождалась повышением содержания водорастворимого органического вещества (Св.р.) при дозе мочевины 0,5% в 2,7 раза, при 1% мочевины - в 5,3 раза, при 1,5% мочевины - в 8,3 раза. Особенно значительное накопление Св.р. (в 10-11 раз) происходило в вариантах с внесением 2-4% мочевины (табл. 3).

Следует подчеркнуть, что выход водорастворимого органического вещества, определяемого по углероду, от общего содержания органического вещества в торфе, определяемого также по углероду, невелик и не превышал 4,2% (при С общем в исходном торфе 42,41% на а.с.в.).

Накопление Св.р. в пересчете на 1% внесенной в торф мочевины достигало максимальных величин при дозе 0,5-2% мочевины: 4274-4609 мг/кг сырой массы (рис. 2).

На рисунке 4 показано изменение водорастворимых гуминовых кислот в исследуемых составах кормовой добавки из верхового торфа.

Таблица 2. Расчетные данные по оценке активизации азота торфа в смесях: верховой торф + х% мочевины + 0,5% биокатализатора

Доза мочевины, % на а.с.в. торфа Введено азота, % на а.с.в. Рассчитано суммарное количество ам-мо-нийного азота, % на а.с.в. Найдено максимальное содержание аммонийного азота, % на а.с.в. Активация азота торфа Найдено максимальное содержание подвижного фосфора,% на а.с.в. Активация фосфора торфа

мг/100г а.с.в. % от валового содержания азота в торфе % от валового содержания азота в торфе % от валового содержания фосфора в торфе

0* 0,14 0,14 - - 0,020 - -

0,5 0,23 0,37 0,60 0,23 26 0,045 0,025 25

1,0 0,46 0,60 0,95 0,35 39 0,050 0,030 30

1,5 0,69 0,83 1,53 0,70 78 0,058 0,038 38

2,0 0,92 1,06 1,81 0,75 83 0,062 0,042 42

3,0 1,38 1,52 2,01 0,49 55 0,071 0,051 51

4,0 1,84 1,98 2,36 0,38 42 0,047 0,027 27

Примечание. * -вещество.

исходный торф; Содержание валового азота в торс

)е 0,9%, валового фосфора 0,1% на абсолютно сухое

Рис. 3. Накопление подвижного фосфора в смесях: верховой торф + х% мочевины + 0,5% биокатализатора в пересчете на 1% внесенной мочевины

Накопление подв ижного

600п

500 400

-к -к / 300

фосфора, мг/кг 200

сырой массы 100

0

ГТЩ

0,5 1 1,5 2 3

Доза мочевины, %

4

Таблица 3. Влияние дозы мочевины на содержание подвижного фосфора и водорастворимого

органического вещества в смесях: верховой торф + х % мочевины + 0,5% биокатализатора

№ п/п Доза мочевины, Содержание подвижного фосфора (Р2О5) Содержание водорастворимого органического вещества (Св.р.)

% мг/кг сырой массы % к исх. торфу мг/кг сырой массы % к исх. торфу

Длительность хранения - 3 суток

1. _** 117,4 100 1607,3 100

2. 0,5 269,3±26,1 * 229 2048,3±58,7* 127

3. 1,0 236,1±13,4* 201 2814,3±83,5* 175

4. 1,5 309,8±31,5* 264 3292,3±100,8* 205

5. 2,0 292,6±14,3* 249 4574,7±1213* 285

7. 3,0 402,8±14,9* 343 4591,0±672,9* 286

9. 4,0 248,7±46,1 * 212 3897,7±144,0* 242

Длительность хранения - 6 суток

1. _** 117,4 100 1607,3 100

2. 0,5 272,5±17,3* 232 2211,0±156,2* 138

3. 1,0 282,9±19,1 * 241 3355,0±643,5* 209

4. 1,5 355,7±6,0* 303 5163,7±792,7* 321

5. 2,0 340,7±41,7* 290 6566,7±1375* 409

7. 3,0 412,0±9,8* 351 7959,0±982,2* 495

9. 4,0 283,9±41,8* 242 7923,0±1196* 493

Длительность хранения - 9 суток

1. _** 117,4 100 1607,3 100

2. 0,5 229,2±26,9* 195 1858,0±249,7 116

3. 1,0 238,8±20,0* 203 3288,3±255,1* 205

4. 1,5 305,0±32,7* 260 5095,0±249,8* 317

5. 2,0 373,7±67,3* 318 6165,7±1503,6* 384

7. 3,0 376,9±35,1* 321 6692,7±268,9* 416

9. 4,0 255,7±28,5* 218 6762,0±890,9* 421

Длительность хранения - 12 суток

1. _** 117,4 100 1607,3 100

2. 0,5 297,4±7,5* 253 2280,7±76,2* 142

3. 1,0 261,3±43,1* 223 4236,3±709,5* 264

4. 1,5 369,6±27,3* 315 6668,3±1552* 415

5. 2,0 383,3±31,3* 327 7558,3±856,7* 470

7. 3,0 376,4±56,8* 321 8059,3±501,2* 501

9. 4,0 312,0±34,4* 266 7901,3±712,6* 492

Длительность хранения -15 суток

1. _** 117,4 100 1607,3 100

2. 0,5 222,9±21,6* 190 2291,0±259,4* 143

3. 1,0 259,5±20,7* 221 4412,7±660,1* 275

4. 1,5 290,9±35,1* 248 6914,0±379,8* 430

5. 2,0 305,3±20,0* 260 8549,3±622,6* 532

7. 3,0 375,1±27,3* 320 9131,7±556,5* 568

9. 4,0 234,4±24,3* 200 8431,0±595,1* 525

Примечание: * - различия с контролем достоверны, ** - исходный торф.

Рис. 4. Накопление водорастворимых гуминовых кислот в смесях: верховой торф + х % мочевины +

0,5% биокатализатора

При хранении смесей верхового торфа с мочевиной и биокатализатором содержание водорастворимых гуминовых кислот увеличилось в 2,3-12,4 раза. Максимальное накопление гуминовых кислот обеспечивало внесение 1,5% мочевины.

Качественные показатели. Качественные показатели кормовой добавки из верхового торфа, содержащей 0,5-4% мочевины и 0,5% биокатализатора, приведены в таблице 4.

Введение мочевины в верховой торф в присутствии биокатализатора повысило практически все качественные показатели: содержание протеина в 1,5-2,1 раза, крахмала в 1,3-2,1 раза, клетчатки на 2,3-7,3%, сахара в 1,4-2,3 раза, жира на 8-23%, аминокислот до 11%, показатель БЭВ снизился до 11,2% относительно аналогичных показателей в исходном верховом торфе.

Исследованные составы кормовой добавки отличались от известного углеводно-протеинового корма повышенным содержанием клетчатки: в 1,4-1,9 раза, более высоким содержанием сухих веществ: в 1,8-2,2 раза. Пониженное содержание сырого протеина и сырого жира обусловлены низкотемпературными условиями ее получения: 18-22 °С.

Пониженные качественные показатели кормовой добавки из верхового торфа в присутствии 4% мочевины и 0,5% биокатализатора относительно известного углеводно-протеинового корма, содержащего 4% мочевины без биокатализатора [1], обусловлены низкотемпературными условиями её получения: 18-22 °С.

Сопоставление анализируемых показателей в смесях верхового торфа с мочевиной без биокатализатора, опубликованных в [10], и в смесях верхового торфа с мочевиной и биокатализатором (рис. 5, 6) показало, что в присутствии биокатализатора - реакция среды выше на 0,2-0,9 ед.рН; содержание аммонийного азота выше на 6-10% в вариантах с дозой мочевины 1-1,5%; минерализация фосфорсодержащего и трансформация органического вещества торфа протекали более интенсивно, что подтверждается более высоким содержанием: подвижного фосфора в 1,3-2,4 раза во всех исследуемых вариантах; водорастворимого органического вещества на 9-23% в вариантах с дозой мочевины 1-3%; аминокислот на 30% в варианте с 1,5% мочевины; клетчатки на 4,3-9,0% во всех вариантах, с максимальным показателем в варианте с 1,5% мочевины.

Таблица 4. Влияние мочевины на качественные показатели кормовой добавки состава: верховой торф + х% мочевины + 0,5% биокатализатора

Доза мочевины, % на а.с.в. Сухое вещество, % Качественные показатели смесей: верховой торф + х % мочевины + 0,5% биокатализатора, % на сухое вещество

сырой протеин сырой жир клетчатка сахар крахмал ^амино- кислот БЭВ

0** 49,3 5,6 1,3 28,1 0,5 1,2 130,7 49,0

0,5 54,3 8,1 1,5 31,0 0,5 1,2 76,3 43,2

1,0 55,4 9,7 1,6 31,7 0,7 1,6 94,6 42,7

1,5 54,5 8,9 1,5 33,0 0,8 1,8 132,9 37,8

2,0 53,5 8,9 1,4 32,9 0,9 2,4 137,4 41,7

3,0 54,2 8,5 1,4 30,4 0,9 2,4 141,3 42,6

4,0 54,6 11,6 1,6 35,4 1,1 2,6 145,3 43,0

4,0 [2] 25-30 15,7-20,7 2,7-3,8 19,0-24,6 -*** -*** -*** -***

Примечание: * - различия с контролем достоверны; ** - исходный торф; *** - не определено.

16000 3 14000 8 12000 1 10000 ’Ц 8000 ¡5 6000 * 4000

2 2000 0

0 0,5 1 1,5 2 3 4

Доза мочевины, % на а.с.в.

□ аммонийный азот 1; 1 аммонийный азот 2; ■ Св .р. 1; ■ Св .р. 2

і

2 О

500

400

300

200

100

0

Ш г!г 1 У 1-

0,5

1 1,5 2 3

Доза мочевины, % на а.с.в.

□ подвижный фосфор 1; □ подвижный фосфор 2; Ш аминокислоты 1; ■ аминокислоты 2

Рис. 5. Максимальное накопление аммонийного азота и водорастворимого органического вещества в смесях: верховой торф + х% мочевины (1) и верховой торф + х% мочевины + 0,5% биокатализатора (2)

Рис. 6. Максимальное накопление подвижного фосфора и аминокислот в смесях: верховой торф + х% мочевины (1) и верховой торф + х% мочевины + 0,5% биокатализатора (2)

4

Выводы

1. Разложение мочевины в смеси с верховым торфом в присутствии биокатализатора при температуре 18-22 °С повысило содержание аммонийного азота в 4-15 раз. Активация азота торфа составила 35-89% от валового содержания азота в исходном торфе.

2. Минерализация фосфорсодержащего органического вещества торфа повысила содержание подвижного фосфора 1,9-3,5 раза. Активация фосфора торфа составила 25-51%.

3. Трансформация органического вещества торфа сопровождалась накоплением водорастворимого органического вещества в 2,7-8,3 раза, аминокислот - на 2-11%, водорастворимых гуминовых кислот - в 2,3-12,4 раза.

4. Наиболее перспективные составы кормовой добавки: верховой торф + 1,5-2,0% мочевины + 0,5% биокатализатора, отличающиеся высоким содержанием аммонийного азота, подвижного фосфора, водорастворимого органического вещества, накоплением элементов питания в пересчете на 1% внесенной в торф мочевины, в которых активация азота достигает 83%, фосфора - 42% от их валового содержания в исходном торфе.

Список литературы:

1. Рекомендации по приготовлению углеводно-протеинового корма из торфа и его использование в рационах крупного рогатого скота. Л., 1981. 10 с.

2. Патент РФ 2050343 МКИ С 05Г 11/02. Биокатализатор / Л.В. Касимова, С.Н. Архипова / Опубликовано 20.12.95.

3. ГОСТ 27894.0-88 - ГОСТ 27894.11-88. Торф и продукты его переработки для сельского хозяйства. Методы анализа.

4. Аринушкина Д.Е. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970. 350 с.

5. Технический анализ торфа. М., 1992. С. 358-365.

6. Руководство по анализам кормов. М., 1982.

7. ГОСТ 26176-91. Корма, комбикорма. Методы определения растворимых и легкогидролизуемых углеводов.

8. ГОСТ 13496.17-95. Корма. Методы определения каротина.

9. ГОСТ 10846-91. Зерно и продукты его переработки. Метод определения белка.

10. Касимова Л.В., Панов А.Н. Влияние мочевины на процессы минерализации и трансформации органического вещества верхового торфа (Сообщение 1) // Химия растительного сырья. 2008. №3. С. 141-150.

Поступило в редакцию 19 марта 2008 г.