CC BY
39
оценка воздействия жидких продуктов пиролиза на всхожесть семян петрушки и укропа
УДК 631.8:574.2
1В.И. Кулагина, 1А.М. Хисамова, 2А.Н. Грачев, 2С.А. Забелкин, 1С.С. Рязанов, 1Р.Р. Шагидуллин, 1Л.М. Сунгатуллина
'Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, viksoil@mail.ru 2Казанский национальный исследовательский технологический университет, energolesprom@gmail.com
ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ ПИРОЛИЗА НА ВСХОЖЕСТЬ СЕМЯН ПЕТРУШКИ И УКРОПА
Пиролизная жидкость и получаемый из нее древесный уксус благодаря содержанию целого комплекса биологически активных составляющих могут уменьшить зависимость растениеводства от использования синтетических химических веществ. При разведении 1:900 они способны увеличить всхожесть семян петрушки и укропа. Способ обработки семян растворами оказывает существенное воздействие на результат. Статистически значимое улучшение всхожести по сравнению с контролем было получено только при одном способе обработки семян: замачивании в растворах на 2 часа и последующем проращивании на фильтровальной бумаге, увлажненной водой. Предположительно воздействие связано с удалением из оболочки семян эфирных масел, препятствующих прорастанию. Всхожесть семян одной и той же культуры при разных способах обработки растворами отличается на 7-20%.
Ключевые слова: пиролиз; пиролизная жидкость; древесный уксус; всхожесть семян; эфирные масла.
Введение
Пиролиз - процесс термического разложения без доступа кислорода - все чаще рассматривается в качестве первого шага в утилизации различных органических отходов. Результатом пиролиза являются твердые, жидкие и газообразные продукты. Следующий шаг в утилизации отходов - найти всем этим продуктам безопасные и рациональные способы использования. С каждым годом для этих продуктов придумывают все новые виды применения.
Пожалуй, одним из наиболее экологичных способов утилизации является использование в сельском хозяйстве. Твердые и жидкие продукты пиролиза содержат важные биологически активные компоненты (Wang et al., 2019), которые могут уменьшить зависимость растениеводства от использования синтетических химических веществ. Если возможности использования в растениеводстве твердого продукта пиролиза (биоугля) изучаются уже давно (Chan et al., 2007; Major, 2010; Ри-жия и др., 2015; Кулагина и др., 2017), то жидкие продукты пиролиза изучены в этом отношении гораздо меньше. За рубежом такие работы ведутся (Wang et al., 2019; Mungkunkamchao et al., 2013; Kulkarni et al., 2006). В России таких работ практически нет. В то же время поиск новых технологий возделывания сельскохозяйственных культур, новых мелиорантов, удобрений, стимуляторов роста растений продолжается непрерывно.
Жидкий продукт пиролиза - это так называе-
мая пиролизная жидкость, которая может составлять до 73-75% от массы исходного сырья (Грачев и др., 2009).
Пиролизная жидкость представляет собой сложную смесь окисленных углеводородов со значительным содержанием воды (Забелкин и др., 2010). Обычно ее рассматривают в качестве биотоплива, иногда в качестве антисептика в животноводстве, сырья для получения химических продуктов.
Она обычно имеет коричневый цвет, в ней могут присутствовать твердые углистые частицы. В результате вакуумной разгонки пиролизной жидкости получается бесцветная жидкость - древесный уксус.
В составе пиролизной жидкости идентифицировано более 50 веществ (Грачев и др., 2009). Среди них есть вещества, способные выступать органическими растворителями. Также, по некоторым данным, пиролизная жидкость при сильном разбавлении может оказывать благоприятное воздействие на растения (Wang et al., 2019, Mungkunkamchao et al., 2013; Kulkarni et al., 2006). Поэтому было решено рассмотреть возможность использования пиролизной жидкости и древесного уксуса для улучшения прорастания семян петрушки и укропа.
Петрушка и укроп - зонтичные овощные растения. Всхожесть их семян замедлена из-за высокого содержания эфирных масел, обладающих гидрофобными свойствами, что замедляет набу-
хание и прорастание семян (Логачев и др., 2017). При обработке растворами, способствующими удалению эфирных масел, скорость прорастания теоретически должна увеличиться.
Цель данной работы - установить, способствуют ли пиролизная жидкость и древесный уксус при разбавлении водой 1:900 лучшему прорастанию семян петрушки и укропа.
Материалы и методы исследования
Пиролизная жидкость была получена из отходов древесины с применением установки быстрого пиролиза FPP02, запатентованной разработки компании ООО «Энерголеспром» г. Казань (Способ ..., 2009). Древесный уксус получен вакуумной отгонкой этой жидкости.
В состав пиролизной жидкости входят органические кислоты, сложные эфиры, спирты, кетоны, альдегиды, фенолы, гваяколы, сиринголы, сахара, вода 20-30%, некоторое количество угольной пыли.
В древесном уксусе, полученном вакуумной отгонкой, отсутствуют твердые углистые частицы, отсутствуют или почти отсутствуют фенолы и другие вещества, летучесть которых меньше, чем у уксусной кислоты. Зато содержание уксусной кислоты в древесном уксусе выше, чем в пиролиз-ной жидкости.
Тест-культурами послужили петрушка кудрявая (Petroselinum crispum) сорта «Богатырь» и укроп огородный (Anethum graveolens) сорта «Салют».
В чашки Петри с двумя слоями бумаги раскладывалось по 50 семян. Семена обрабатывались растворами пиролизной жидкости и древесного уксуса в разведении 1:900, но обработка проводилась тремя разными способами:
1) семена без замачивания, бумага в чашках Петри увлажнялась исследуемыми растворами;
2) семена замачивались в исследуемых растворах на 2 часа, потом промывались водой, раскладывались на двойной слой фильтровальной бумаги в чашках Петри, бумага увлажнялась дистиллированной водой;
3) семена замачивались в исследуемых растворах на 2 часа, потом раскладывались на двойной слой фильтровальной бумаги в чашках Петри, бумага увлажнялась исследуемыми растворами.
Разведение 1:900 взято из опыта зарубежных исследователей (Wang et al., 2019). В качестве контроля использовалась обработка семян дистиллированной водой. Всхожесть определялась согласно ГОСТ 12038-84. Определение проводилось в 3 повторностях.
Результаты и их обсуждение
Согласно ГОСТ 12038-84, определение всхожести семян петрушки и укропа проводится соответственно на 14 и 21 день. То есть даже в оптимальных условиях температуры и влажности им требуется больше времени для набухания и прорастания, чем семенам большинства культур. В полевых условиях семена могут всходить еще дольше и, часто, не все. Всхожесть семян петрушки I класса всего 70% (Балашев и др., 1981). Причиной считают высокое содержание эфирных масел: в семенах петрушки 2-7%, укропа - 1-4% (Лудилов, 2005). Эфирные масла гидрофобны, что препятствует набуханию и размягчению оболочки семян. ГОСТ 12038-84 предлагает нагревание семян в качестве дополнительного условия для выведения из состояния покоя. Народные методы включают замачивание и промывание семян горячей водой, спиртовым раствором, раствором соды и др. Пиролизная жидкость и древесный уксус содержат целый комплекс веществ, способных растворять органические соединения. Однако часть из них могут оказывать и негативное воздействие на проростки.
Согласно проведенным нами исследованиям, при увлажнении фильтровальной бумаги растворами без замачивания семян статистически значимая разница по всхожести наблюдается только для укропа между вариантами с древесным уксусом и пиролизной жидкостью (р=0.013).
Очищенный продукт оказал более благоприятное воздействие на прорастание семян укропа (рис. 1). Можно сделать два предположения о причинах: 1) отсутствие фенольной составляющей в растворе, 2) большее количество уксусной кислоты, способствующей лучшему растворению эфирных масел и размягчению оболочки семян. От контроля оба варианта статистически значимо не отличались. На прорастание семян петрушки такой способ обработки статистически значимого воздействия не оказал.
Замачивание семян в растворах древесного уксуса и пиролизной жидкости с последующим увлажнением фильтровальной бумаги дистиллированной водой повлияло на прорастание более благоприятно, чем предыдущий способ обработки. Средняя всхожесть обеих культур при такой обработке выше, чем на контроле (рис. 2).
Статистически значимая разница по всхожести отмечена для петрушки между вариантами с древесным уксусом и пиролизной жидкостью (р=0.028). Интересно, что в отличие от первого способа обработки семян в данном случае раствор пиролизной жидкости оказал более благоприятное воздействие на всхожесть, чем ее очищенный
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Контроль Древесный уксус Пиролизная жидкость
■ укроп огородный Ипетрушка кудрявая
Рис. 1. Всхожесть семян петрушки и укропа (среднее и стандартные отклонения) при увлажнении фильтровальной бумаги исследуемыми
растворами
Это согласуется с данными зарубежных исследователей, что раствор пиролиз-ной жидкости улучшает скорость прорастания
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Контроль Древесный уксус Пиролизная жидкость
■ укроп огородный Ипетрушка кудрявая
Рис. 2. Всхожесть семян петрушки и укропа (среднее и стандартные отклонения) при замачивании в исследуемых растворах и при увлажнении фильтровальной бумаги водой
продукт (рис. 3).
Возможно, в данном случае при улучшении проницаемости оболочки семян после замачивания проростки петрушки оказались более чувствительны к негативному воздействию уксусной кислоты, которой в древесном уксусе больше, или, наоборот, к положительному воздействию пиролизной жидкости, которая содержит больше питательных веществ.
Таким образом, ни один способ обработки исследуемыми растворами в разведении 1:900 не оказал статистически значимого негативного воздействия на всхожесть семян петрушки и укропа по сравнению с контролем. Наоборот, при втором способе обработки всхожесть семян петрушки оказалась статистически значимо выше контроля.
семян (Wang et al., 2019; Kulkami et al., 2006).
Довольно интересным моментом является разница по всхожести между способами обработки. Например, самая низкая всхожесть семян укропа при обработке семян древесным уксусом отмечается при третьем способе - замачивании и увлажнении фильтровальной бумаги раствором древесного уксуса (рис. 1-3). Она на 9% ниже, чем при первом способе (увлажнение фильтровальной бумаги без замачивания) и на 12% ниже, чем при втором способе (замачивание раствором уксуса, но последующий полив водой). Эта разница статистически значима (тест Данна при р=0.0003 и р=00008, соответственно).
При обработке семян укропа раствором пиролиз-ной жидкости самая высокая всхожесть семян отмечена при втором способе. Она на 20% выше, чем при первом способе и на 15% выше, чем при третьем. Эта разница также статистически значима (тест Данна при р=0.0135 и р=0.0009, соответственно).
Лучшая всхожесть семян петрушки также наблюдается при втором способе обработки. Причем и при обработке раствором древесного уксуса, и раствором пиролизной жидкости. При втором способе обработки всхожесть выше, чем в других случаях на 7-20%. Эта разница статистически значима. Всхожесть семян петрушки при первом и третьем способе статистически значимо не отличаются.
Замачивание с последующей промывкой позволяет удалить из оболочки семян эфирные масла, препятсвующие прорастанию, поскольку в пиролизной жидкости и древесном уксусе содержатся вещества, способные их растворить.
44
российский журннл ииой экологии
100
90
о0 70
о4 60
£
о и 50
£
§ 40
m 30
20
10
0
Т - т
-Ï-
-ь
Контроль Древесный уксус Пиролизная жидкость
■ укроп огородный ■ петрушка кудрявая
Рис. 3. Всхожесть семян петрушки и укропа (среднее и стандартные отклонения) при замачивании в исследуемых растворах и при увлажнении фильтровальной бумаги этими же растворами
В то же время дальнейшее проращивание без контакта с растворами позволяет избежать нахождения в подкисленной среде, не слишком благоприятной для проростков.
Заключение
Обработка семян водными растворами пиролизной жидкости и древесного уксуса в разведении 1:900 способны повлиять на всхожесть семян петрушки и укропа, при этом результат зависит от способа обработки.
Экспериментально установлен лучший способ обработки семян. Это замачивание на 2 часа в растворах пиролизной жидкости или древесного уксуса, промывка семян и дальнейшее проращивание на фильтровальной бумаге, увлажненной водой. Только в этом случае всхожесть семян была статистически значимо выше, чем на контроле. При остальных способах проращивания семян всхожесть была ниже на 7-20%.
20, № 14. С. 128-131.
5. Логачев А.В., Заплетина А.В., Бастрон А.В. Исследование влияния режимов предпосевной обработки семян зеленных культур СВЧ-энергией на лабораторную всхожесть // Вестник КрасГАУ. 2017. №1. С. 77-84.
6. Лудилов В. А. Семеноведение овощных и бахчевых культур. М.: Росинформагротех, 2005. 392 с.
7. Способ термической переработки органосодержащего сырья: патент на изобретение RU 2395559 C1, 27.07.2010 / А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, С.А. Забелкин, А.А. Макаров, Д.В. Тун-цев, Р.Г. Хисматов. Патентообладатель ООО «ЭнергоЛесПром». Заявка № 2009108597/04 от 10.03.2009.
8. Рижия Е.Я., Бучкина Н.П., Мухина И.М., Белинец А.С., Балашов Е.В. Влияние биоугля на свойства образцов дерново-подзолистой супесчаной почвы с разной степенью окуль-туренности (лабораторный эксперимент) // Почвоведение. 2015. №2. С. 211-220.
9. Chan K.Y., Van Zwieten L., Meszaros I., Downie A., Joseph S. Agronomic values of greenwaste biochar as a soil amendment // Soil resources. 2007. V. 45(8). P. 629-634. doi: 10.1071/ SR07109.
10. Kulkarni M.G., Sparg S.G., Light M.E., van Staden J. Stimulation of rice (Oryza sativa L.) seedling vigour by smoke-water and butanolide // J. Agron. crop sci. 2006. №92. P. 395-398. doi: 10.1111/j.1439-037X.2006.00213.x.
11. Major J. Guidelines on practical aspects of biochar application to field soil in various soil management systems. IBI, 2010. 23 р.
12. Mungkunkamchao T., Kesmala T., Pimratch S., Toomsan B., Jothityangkoon D. Wood vinegar and fermented bioextracts: Natural products to enhance growth and yield of tomato (Sola-num lycopersicum L.) // Sci. hortic. 2013. №154. P. 66-72. doi: 10.1016/j.scienta.2013.02.020.
13. Wang Y., Qiu L., Song Q, Wang S., Wang Y., Ge Y. Root proteomics reveals the effects of wood vinegar on wheat growth and subsequent tolerance to drought stress // International journal of molecular sciences. 2019. V. 20(4). P. 943. doi: 10.3390/ ijms20040943.
Список литературы
1. Балашев Н.Н., Земан Г.О. Овощеводство. Ташкент: Укитовчи, 1981. 380 с.
2. Забелкин С.А., Грачёв А.Н., Башкиров В.Н., Мулла-мухаметов Ф.И. Энергетическое использование пиролизной жидкости // Вестник Казанского технологического университета. 2010. №10. С. 369-374.
3. Грачев А.Н., Сафин Р.Г., Таймаров М.А., Гильфанов К.Х., Тунцев Д.В. Исследование свойств жидкого продукта быстрого пиролиза отходов деревообработки // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. №11-12. С. 80-83.
4. Кулагина В.И., Григорьян Б.Р., Грачев А.Н., Рязанов С.С., Кольцова Т.Г. Фитотестирование водной вытяжки как биологический метод интегральной оценки влияния биоугля на почву // Вестник технологического университета. 2017. Т.
References
1. Balashev N.N., Zeman G.O. Ovoshchevodstvo [Olericulture]. Tashkent: Ukitovchi, 1981. 380 p.
2. Zabelkin S.A., Grachev A.N., Bashkirov V.N., Mulla-mukhametov F.I. Energeticheskoe ispol'zovanie piroliznoy zhid-kosti [Energy use of pyrolysis liquid] // Vestnik Kazanskogo tekh-nologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University]. 2010. No 10. P. 369-374.
3. Grachev A.N., Safin R.G., Taymarov M.A., Gil'fanov K.Kh., Tuntsev D.V. Issledovanie svoystv zhidkogo produkta bystrogo piroliza otkhodov derevoobrabotki [The study of the properties of the liquid product of fast pyrolysis of woodworking waste] // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Problemy en-ergetiki [News of higher educational institutions. Energy Issues]. 2009. No 11-12. P. 80-83.
4. Kulagina V.I., Grigor'yan B.R., Grachev A.N., Ryazanov
S.S., Kol'tsova T.G. Fitotestirovanie vodnoy vytyazhki kak bi-ologicheskiy metod integral'noy otsenki vliyaniya biouglya na pochvu [Phytotesting of water extract as a biological method for the integrated assessment of the effect of biochar on soil] // Vest-nik Tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of Technological University]. 2017. Vol. 20, No 14. P. 128-131.
5. Logachev A.V., Zapletina A.V., Bastron A.V. Issledovanie vliyaniya rezhimov predposevnoy obrabotki semyan zelenny-kh kul'tur SVCh-energiey na laboratornuyu vskhozhest' [Study of the influence of presowing treatment of seeds of green crops with microwave energy on laboratory germination] // Vestnik KrasGAU [Bulletin of Krasnodar State Agrarian University]. 2017. No 1(124). P. 77-84.
6. Ludilov V.A. Semenovedenie ovoshchnykh i bakhchevykh kul'tur [Seed science of vegetables and melons]. M.: Rosinforma-grotekh, 2005. 392 p.
7. Sposob termicheskoy pererabotki organosoderzhashche-go syr'ya: patent na izobretenie RU 2395559 C1, 27.07.2010 [Method for the thermal processing of organo-containing raw materials: patent for an invention RU 2395559 C1, 27.07.2010] / A.N. Grachev, V.N. Bashkirov, S.A. Zabelkin, A.A. Makarov, D.V. Tuntsev, R.G. Khismatov. Patentoobladatel' Obshchestvo s ogranichennoy otvetstvennost'yu «EnergoLesProm». Zayavka № 2009108597/04 ot 10.03.2009 [Patent holder EnergoLesprom LLC. Request No 2009108597/04, 10.03.2009].
8. Rizhiya E.Ya., Buchkina N.P., Mukhina I.M., Belinets A.S., Balashov E.V. Vliyanie biouglya na svoystva obraztsov dernovo-podzolistoy supeschanoy pochvy s raznoy stepen'yu okul'turennosti (laboratornyy eksperiment) [The influence of biochar on the properties of samples of sod-podzolic sandy loam soil with varying degrees of cultivation (laboratory experiment)] // Pochvovedenie [Soil Science]. 2015. No 2. P. 211-220.
9. Chan K.Y., Van Zwieten L., Meszaros I., Downie A., Joseph S. Agronomic values of greenwaste biochar as a soil amendment // Soil Resources. 2007. Vol. 45(8). P. 629-634. doi: 10.1071/ SR07109.
10. Kulkarni M.G., Sparg S.G., Light M.E., van Staden J. Stimulation of rice (Oryza sativa L.) seedling vigour by smoke-water and butanolide // J. Agron. Crop Sci. 2006. No 192. P. 395-398. doi: 10.1111/j.1439-037X.2006.00213.x.
11. Major J. Guidelines on practical aspects of biochar application to field soil in various soil management systems. IBI, 2010. 23 p.
12. Mungkunkamchao T., Kesmala T., Pimratch S., Toomsan B., Jothityangkoon D. Wood vinegar and fermented bioextracts: Natural products to enhance growth and yield of tomato (Sola-num lycopersicum L.) // Sci. hortic. 2013. No 154. P. 66-72. doi: 10.1016/j.scienta.2013.02.020.
13. Wang Y., Qiu L., Song Q, Wang S., Wang Y., Ge Y. Root proteomics reveals the effects of wood vinegar on wheat growth and subsequent tolerance to drought stress // International journal of molecular sciences. 2019. Vol. 20(4). P. 943. doi: 10.3390/ ijms20040943.
Kulagina V.I., Hisamova A.M., Grachev A.N., Zabelkin S.A., Ryazanov S.S., Shagidullin R.R., Sungatullina L.M. Assessment of the effect of liquid pyrolysis products on the germination of parsley and dill seeds.
Pyrolysis liquid and wood vinegar obtained from it can reduce dependence of crop production on the use of synthetic chemicals due to the content of a complex of biologically active components. At the dilution of 1:900 they were able to increase the germination capacity of parsley and dill seeds. The seed treatment method using vinegar solutions had a significant impact on the results. A statistically significant improvement in germination compared to the control was obtained with only one of the tested methods of seed treatment: soaking in solutions for 2 hours and afterward germination on the filter paper moistened with water. Presumably, the effect was caused by the removal of volatile oils from the seeds' shell that prevents germination. Germination of seeds of the same culture differed by 7-20% according to the treatment method used.
Keywords: pyrolysis; pyrolysis liquid; wood vinegar; seed germination; volatile oils.
российский журннл лриклнлной экологии
Информация об авторах
Кулагина Валентина Ивановна, кандидат биологических наук, зав. лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: viksoil@mail.ru.
Хисамова Алина Маратовна, младший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: his.alina94@mail.ru.
Грачев Андрей Николаевич, доктор технических наук, профессор, Казанский национальный исследовательский технологический университет, 420015, Россия, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68, E-mail: energolesprom@gmail.com.
Забелкин Сергей Андреевич, кандидат технических наук, доцент, Казанский национальный исследовательский технологический университет, 420015, Россия, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68, E-mail: szabelkin@gmail.com.
Рязанов Станислав Сергеевич, кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: RStanislav.soil@yandex.ru.
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: shagidullin_@mail.ru.
Сунгатуллина Люция Мансуровна, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: sunlyc@yandex.ru.
Information about the authors
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., Russia, 420087, E-mail: viksoil@mail.ru.
Alina M. Hisamova, Junior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Russia, 420087, E-mail: his.alina94@mail.ru.
Andrey N. Grachev, D.Sci. in Technology, Professor, Kazan National Research Technological University, 68, Karl Marx St., Kazan, Russia, 420015, E-mail: energolesprom@gmail.com.
Sergey A. Zabelkin, Ph.D. in Technology, Associate Professor, Kazan National Research Technological University, 68, Karl Marx St., Kazan, Russia, 420015, E-mail: szabelkin@gmail.com.
Stanislav S. Ryazanov, Ph.D. in Biology, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Russia, 420087, E-mail: RStanislav.soil@yandex.ru.
Rifgat R. Shagidullin, 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., Russia, 420087, E-mail: shagidullin_@mail.ru.
Lutsia M. Sungatullina, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Russia, 420087, E-mail: sunlyc@yandex.ru.
