Получение капсулированных с ингибиторами форм мочевины и их влияние на активность уреазы и содержание азота в почве Текст научной статьи по специальности «Агробиотехнологии»

Получение капсулированных с ингибиторами форм мочевины и их влияние на активность уреазы и содержание азота в почве

Козел Елена Геннадьевна

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Государственный аграрный университет Северного Зауралья [email protected]

Целью данной работы является разработка способа эффективного снижения растворимости азотных удобрений и пролонгирования их действия путем капсулирования гранул мочевины силикатной композицией с введением в состав пленочного покрытия ингибиторов уреазной активности. Изучено ингибирующее влияние 10 веществ на активность фермента уреазы. Разработана технология капсулирования гранул мочевины силикатной композицией с введением в покрытие ингибиторов уреазы. В лабораторных опытах исследовано влияние изучаемых форм мочевины на активность уреазы и динамику содержания водорастворимых (аммиачного и нитратного) форм азота в почве. Выявлена возможность сокращения потерь азота медленнодействующих удобрений в результате их использования. В производственном отношении применение капсулированных с ингибиторами уреазы форм мочевины должно быть важным фактором ресурсосбережения и получения экологически чистой продукции.

Ключевые слова: мочевина (карбамид), капсулированная мочевина, силикатная композиция, ингибиторы, уреаза, аммиачный азот, нитратный азот.

Введение

Проблема азота в земледелии России является одной из главных не только в связи с его первостепенной ролью в питании растений и повышении урожайности сельскохозяйственных культур, но и вследствие наиболее широкого спектра действия азотных удобрений и продуктов их трансформации на биосферу. Азотные удобрения оказывают существенное влияние на напряженность протекающих в почве биологических и химических процессов.

Существующие стандартные формы азотных удобрений являются быстрорастворимыми. Они легко вовлекаются в процессы трансформации в системе почва-растение и включаются в общебиологический круговорот. Особенности превращения азота обуславливают сравнительно низкую эффективность их использования и высокие потери. В условиях Западной Сибири, как показали Гамзиков Г.П. и его сотрудники с помощью метода меченых атомов 15Ы, зерновые культуры усваивают всего 30% азота, внесенного с минеральными удобрениями, до 50% этого азота закрепляется почвой и около 30% теряется в форме аммиака [1].

Большие потери азота почвы и удобрений ставят вопрос о необходимости изыскания путей их уменьшения и устранения, что повышает эффективность использования азота. Для более рационального использования азотсодержащих удобрений, значительного снижения нитратов в продукции и устранению вредного влияния на окружающую среду целесообразно применять медленнодействующие азотные удобрения [2,3].

Медленнодействующие удобрения (МДУ) имеют ряд преимуществ перед обычными удобрениями. При их использовании уменьшаются потери питательных элементов в период между внесением и усвоением их растениями, повышается коэффициент их использования, улучшается качество продукции, снижаются трудозатраты [4].

Нанесение на стандартные туки гидрофобных материалов - капсулирование - считают перспективным способом получения МДУ [5]. Принцип действия капсулированных удобрений - пролонгированное вовлечение азота из капсулы в биологический круговорот и более равномерное снабжение им растений на протяжении периода

х

X

о

го А с.

X

го т

о

ю О

м о

а>

о

см

0

01

О Ш

т

X

<

т о х

X

вегетации. Особенно важно при этом исключение высокой концентрации минерального азота в почве в первый период жизни растений. Капсулиро-вание, кроме того, ограничивает контакт азота с почвой и микроорганизмами, тем самым, уменьшая потери азота удобрения за счет биологических и химических процессов и вымывания. Значительная экономическая эффективность капсу-лированных удобрений обусловлена тем, что отпадает необходимость многократных подкормок, иногда достаточно одноразового внесения, при этом повышается коэффициент использования удобрений при одновременном снижении затрат на них [6].

В настоящее время в структуре мирового производства азотных удобрений около 50% составляет мочевина и проявляется тенденция к ее дальнейшему преобладанию. В лаборатории кафедры общей химии Государственного аграрного университета Северного Зауралья с целью решения задач по сокращению потерь азота из азотных удобрений был разработан способ силикатного покрытия гранул мочевины с регулируемой скоростью растворения. Преимущество силикатов в том, что они нетоксичны, не являются загрязнителями окружающей среды и представляют питательную ценность для растений. В дальнейшем для повышения эффективности капсулированной мочевины путем снижения скорости ее гидролиза было решено ввести в состав силикатной композиции ингибиторы почвенной уреазы.

Объекты и методы исследования

В качестве азотного удобрения использовали гранулированную мочевину СО(ЫН2)2 (ГОСТ 2081-75, марка Б). Она является самым концентрированным (46,6% азота) твердым азотным удобрением. По сравнению с аммиачной селитрой мочевина не взрывоопасна, менее гигроскопична, более транспортабельна. Недостатком ее является быстрый гидролиз в почве, что приводит к большим потерям азота в виде улетучивающегося аммиака. По технологии, разработанной кафедрой химии, медленнорастворимая капсула на поверхности гранул мочевины создается из продуктов взаимодействия водных растворов силиката натрия и хлорида кальция, при этом поверхность гранул покрывается прочным труднорастворимым силикатом кальция (температурный режим обработки гранул ограничен температурой разложения мочевины, временной режим устанавливается исходя из массы силикатного покрытия - 3-3,5 мас.%). Предложенный способ капсу-лирования мочевины прост и не требует дополнительного опудривания гранул удобрений другими веществами, а силикатное покрытие является экологически безопасным, так как не содержит загрязняющих окружающую среду примесей.

Разложение мочевины в почве - реакция ферментативного гидролиза, катализируемая

почвенной уреазой. С целью торможения этого процесса мы решили в силикатное покрытие удобрения ввести ингибиторы фермента уреазы. В качестве предполагаемых ингибиторов изучались следующие вещества: гидрохинон, а-нафтол, салициловая кислота, пирогаллол, резорцин, пирокатехин, поликонденсат пирокатехина с фталевым ангидридом, 1,4-нафтохинон, гу-мат натрия и йод-гуминовая кислота. Все растворы исследуемых веществ были одинаковой концентрации (0,001%). Эксперимент проводили с «чистой» культурой уреазы фирмы «Мерк», чтобы избежать влияния трудно учитываемых факторов. Методика определения активности уреазы сводилась к учету количества выделившегося аммиака за 24 ч., образующегося при гидролизе мочевины.

С целью изучения влияния медленнодействующих форм мочевины с ингибиторами на активность уреазы в почве и динамику их гидролиза при постоянной температуре и влажности был проведен инкубационный опыт. В опыте использовали сосуды емкостью 2 кг. Почва - чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый (содержание гумуса - 6,5%, рН водн. - 6,2). Для получения капсулированных с ингибиторами форм мочевины использовали 1%-ные растворы ингибиторов (соотношение растворов хлорид Са : силикат Ыа: ингибитор в композиции составляло 0,5:1:1). Дозы удобрений рассчитывались исходя из условной массы пахотного горизонта на 1 га (мочевина не-капсулированная N120 - 0,26 г/сосуд, мочевина капсулированная с ингибиторами Ы120 - 0,27 г/сосуд). Сосуды инкубировали при температуре 25 0С и влажности, соответствующей 70 % ППВ в течение 60 дней. Через каждые 20 дней (4 раза за время проведения опыта) в почве определяли активность уреазы (по методике А.Ш. Галстяна), содержание минеральных форм азота (по методике Бремнера). При определении активности уреазы для каждого варианта контролем служила стерильная почва (выдерживали в термостате при температуре 1800С в течение 2-х часов). Опыт проводили в трехкратной повторности. Схема опыта:

1. Без удобрений (контроль);

2. Мочевина некапсулированная Ы120;

3. Мочевина капсулированная + гидрохинон N120;

4. Мочевина капсулированная + пирокатехин

N120.

Результаты и их обсуждение

В таблице 1 представлены результаты исследования предполагаемых ингибиторов на активность чистой культуры уреазы.

При температуре 250С скорость гидролиза мочевины была ниже на всех вариантах по сравнению с температурой гидролиза 370С. Наибольшее ингибирующее действие при этой температуре оказали гидрохинон, пирокатехин и 1,4-

нафтохинон - количество выделившегося аммиака меньше в 5,4, 3,1 и 2,6 раза соответственно по сравнению с контрольной фермент-субстратной реакцией (мочевина 3%, уреаза) - 18,5 мг ЫН3/24 часа. При температуре 370С существенно ингиби-ровали уреазу гидрохинон, пирокатехин, пирогаллол - в 4,8, 2,9, 2,3 раза соответственно, небольшое ингибирующее действие проявили гумат Ыа и йод-гуминовая кислота - в 1,2 раза в сравнении с контрольным вариантом (мочевина 3%, уреаза). Остальные исследуемые вещества при этой температуре оказали активирующее действие на фермент уреазу. В дальнейшем, основываясь на данные лабораторных исследований, в качестве ингибиторов уреазы в силикатное покрытие гранул мочевины вводились гидрохинон и пирокатехин.

Таблица 1

Влияние изучаемых ингибиторов на активность уреазы в

№ Вариант Темпе ратура

п/п 250С 370С

1 Мочевина 3% (контроль) 2,10 3,15

2 Мочевина 3%, уреаза (контроль) 18,50 27,15

3 Мочевина 3%, уреаза, а-нафтол 16,70 32,60

4 Мочевина 3%, уреаза, гидрохинон 3,45 5,70

5 Мочевина 3%, уреаза, гумат Ыа 18,65 22,55

6 Мочевина 3%, уреаза, йод-гуминовая кислота 18,90 22,75

7 Мочевина 3%, уреаза, 1,4-нафтохинон 7,10 39,10

8 Мочевина 3%, уреаза, пирогаллол 23,50 12,00

9 Мочевина 3%, уреаза, пирокатехин 5,90 9,35

10 Мочевина 3%, уреаза, пирокатехин с фталевым ангидридом 23,65 45,00

11 Мочевина 3%, уреаза, резорцин 19,45 35,40

12 Мочевина 3%, уреаза, салициловая кислота 22,70 44,70

На рисунке 1 представлены данные инкубационного опыта по влиянию медленнодействующих форм мочевины на активность фермента уреазы в почве.

В начале опыта активность уреазы в почве составляла 2,01 мг ЫН3/24 ч. В контрольном варианте - без удобрений - активнось уреазы незначительно увеличивалась к 20 дню проведения опыта (2,34 мг ЫН3/24 ч), затем снижалась и оставалась на одном уровне до конца опыта (2,03 мг ЫН3/24 ч). В варианте с применением некапсули-рованной мочевины активность уреазы была самой высокой в течение всего времени проведения опыта - 2,73, 2,48, 2,23 мг ЫН3/24 ч. соответственно датам определения 20, 40 и 60 дней, так как мочевина активирует фермент уреазу. При применении капсулированной мочевины с гидрохиноном активность уреазы в течение всего срока проведения опыта не повышалась (2,02 мг ЫН3/24 ч), а к концу опыта снизилась до 1,87 мг ЫН3/24 ч, что ниже контроля на 0,16 мг ЫН3/24 ч, варианта с некапсулированной мочевиной - на 0,36 мг ЫН3/24 ч. В варианте с применением капсулиро-

ванной мочевины с пирокатехином активность уреазы повышалась к 20 дню проведения опыта и составляла 2.45 мг ЫН3/24 ч (на 0,11 мг выше контроля и на 0,28 мг ниже варианта с некапсулиро-ванной мочевиной). К 40 и 60 дням проведения опыта активность уреазы на этом варианте снижалась и составила 2,12 и 1,88 мг ЫН3/24 ч соответственно. Эти данные доказывают, что гидрохинон и пирокатехин ингибируют активность уре-азы в почве.

Рисунок 1 - Влияние исследуемых форм удобрений на активность уреазы в почве, мг ЫИу/ 24 часа

Изучение содержания аммиачного и нитратного азота в почве при применении капсулирован-ных форм мочевины - одна из основных задач нашей работы. В таблице 2 представлены данные лабораторного опыта по содержанию аммиачного азота в почве.

Таблица 2

Влияние капсулированных форм мочевины на содержание аммиачного азота (ЫИ4*) в почве, мг/кг абсолютно сухой почвы

Вариант Даты определения

начало опыта 20 дней 40 дней 60 дней

1.Без удобрений (контроль) следы следы следы 28,34

2.Мочевина некапсули-рованная Ы120 следы 74,60 следы 38,34

3.Мочевина капсулированная + гидрохинон Ы120 следы 43,19 31,56 32,91

4.Мочевина капсулированная + пирокатехин N120 следы 57,91 24,61 32,25

В начале опыта содержание аммиачного азота в почве было минимальное на всех вариантах. К 20 дню проведения опыта количество ЫН4+ увеличивалось на всех вариантах, кроме контрольного (без удобрений). Самое высокое его содержание наблюдается в варианте с применением не-капсулированной мочевины - 74,60 мг, в варианте капсулированная мочевиной с гидрохиноном количество ЫН4+ было самым низким - на 31,41 мг меньше варианта с применением обычной мочевины. К третьему сроку определения (через 40

х

X

о

го А с.

X

го т

о

ю О

м о

а>

о

CN

0

01

О Ш

m х

<

m о х

X

дней проведения опыта) аммиачный азот определялся только в вариантах с ингибиторами. К концу опыта уровень содержания аммиачного азота увеличивался на всех вариантах (что, по-видимому, связано с влиянием азотфиксирующих бактерий). По данным опыта видно, что уровень содержания ЫН4+ не снижался до минимума при применении капсулированных с ингибиторами форм мочевины.

Начальное содержание нитратного азота в почве составляло 50,27 мг/кг абсолютно сухой почвы (таблица 3).

Таблица 3

Влияние капсулированных форм мочевины на содержание нитратного азота (ЫО3~) в почве, мг/кг абсолютно сухой почвы

Вариант Даты определения

начало опыта 20 дней 40 дней 60 дней

1.Без удобрений (контроль) 50,27 51,77 49,57 28,72

2.Мочевина некапсули-рованная Ы120 50,27 143,22 216,68 71,78

3.Мочевина капсулиро-ванная + гидрохинон N120 50,27 130,25 127,56 134,07

4.Мочевина капсулиро-ванная + пирокатехин N120 50,27 133,02 166,67 113,60

Через 20 дней инкубации содержание нитратного азота увеличилось на всех вариантах. Наибольшее его количество отмечалось на варианте с некапсулированной мочевиной - это на 91,45 мг выше контроля. На вариантах с применением капсулированных с ингибиторами форм мочевины содержание ЫО3- было ниже варианта с некапсулированной мочевиной. Максимальное содержание нитратного азота наблюдалось к 40 дню проведения опыта на варианте с применением некапсулированной мочевины - 216.68 мг - это выше на 50,01 и 89,12 мг вариантов с применением капсулированных с пирокатехином и гидрохиноном мочевины соответственно. Через 60 дней проведения эксперимента уровень нитратного азота снизился на трех вариантах, очень резкое снижение наблюдается в варианте с некапсулированной мочевиной - на 144,9 мг по сравнению с 3-им сроком определения. Незначительное увеличение уровня ЫО3- - на 6,51 мг - наблюдается в варианте с применением мочевины капсулиро-ванной с гидрохиноном.

Заключение

В лабораторных экспериментах с чистой культурой фермента уреазы из десяти изученных химических соединений наибольший ингибирующий эффект оказывают гидрохинон и пирокатехин. Получены медленнодействующие азотные удобрения на основе мочевины, капсулированные силикатом кальция с введением в покрытие ингибиторов уреазной активности - гидрохинона и пиро-

катехина. В новых формах удобрений пролонгированное действие достигается по двум направлениям: снижением растворимости и ингибирова-нием гидролиза мочевины.

Результаты инкубационного опыта, проведенного при температуре 25°С и влажности, соответствующей 70% ППВ, показывают, что применение некапсулированной мочевины повышает уреаз-ную активность почвы. Гидролиз и последующая ее трансформация в почве протекает быстрее, чем с капсулированными формами удобрений. Применение капсулированных форм мочевины с ингибиторами снижает активность уреазы и ведет к более выровненному содержанию доступных для растений минеральных форм азота в почве в течение периода инкубации.

В производственном отношении применение капсулированных с ингибиторами уреазы форм мочевины должно быть важным фактором ресурсосбережения и получения экологически чистой продукции.

Литература

1. Гамзиков Г.П., Кострик Г.И., Емельянова В.Н. Баланс и превращение азота удобрений (15N). - Новосибирск: Наука, 1985. - 160 с.

2. Копытков В.В., Кулешова С.И. Газообразные потери аммиака при внесении разных форм мочевины на дерново-подзолистой почве в лесу // Агрохимия. - 1989. №12. - С. 8-11.

3. Сороко В.И., Санько Т.В., Шкель М.П., Бу-лавин Л.А., Кулешова С.И. Влияние мочевины в фосфатной оболочке на урожай и качество полевых культур и злаковых трав // Изв. Акад. аграр. наук Белоруси. - 1994. №1. - С. 27-31.

4. Капцинель Ю.И., Казанцева О.Ф. Агрохимическая эффективность капсулированной мочевины // Бюллетень ВИУА. - 1990. - С. 6-11.

5. Блюм Б.Г., Мокрова И.Л., Блохина Н.И. Новые формы слаборастворимых азотных удобрений // Тезисы докладов 8-ого Всесоюзного Съезда почвоведов. Книга 3. - Новосибирск. - 1989. - С. 273.

6. Борисов В.М., Ромашова Н.Н. Современное состояние производства медленнодействующих удобрений // Агрохимия. - 1984. №7. - С. 114-127.

Preparation of urea forms encapsulated with inhibitors and

their effect on urease activity and nitrogen content in soil Kozel Elena Gennadievna

State agrarian University of Northern TRANS-Urals The aim of this work is to develop a method for effectively reducing the solubility of nitrogen fertilizers and prolonging their action by encapsulating urea granules with a silicate composition with the introduction of urease activity inhibitors into the film coating. The inhibitory effect of 10 substances on the activity of the urease enzyme was studied. The technology of encapsulation of urea granules with a silicate composition with the introduction of urease inhibitors into the coating was developed. In laboratory experiments, the influence of the studied forms of urea on the activity of urease and the dynamics of the content of water-soluble (ammonia and

nitrate) forms of nitrogen in the soil was studied. The possibility of reducing nitrogen losses of slow-acting fertilizers as a result of their use is revealed. In terms of production, the use of encapsulated forms of urea with urease inhibitors should be an important factor in resource conservation and production of environmentally friendly products. Key words: urea, encapsulated urea, silicate composition,

inhibitors, urease, ammonia nitrogen, nitrate nitrogen. References

1. Gamzikov G. P., Kostrik G. I., Emelyanova V. N., Nitrogen

balance and conversion of fertilizers (15N). - Novosibirsk: Nauka, 1985. - 160 PP.

2. Kopytkov V. V., Kuleshova S. I. Gaseous losses of ammonia at

introduction of different forms of urea on sod-podzolic soil in the forest / / Agrochemistry. - 1989. No. 12. - Pp. 8-11.

3. Soroko V. I., Senko T. V., Shkel M. P., Bulavin L. A., Kuleshova

S. I. Influence of urea in phosphate shell on yield and quality of field crops and grasses / / Izv. Acad. agrarian. science of Belarus. - 1994. No. 1. Pp. 27-31.

4. Captial Y. I., Kazantsev F. O. Agrochemical efficiency of the

encapsulated urea // Bulletin of VIWA. - 1990. - Pp. 6-11.

5. Blum B. G., Makarova I. L., Blokhina N. I. New forms of slightly

soluble nitrogen fertilizers / / Abstracts of the 8th all-Union Congress of soil scientists. Book 3. - Novosibirsk. - 1989. -Pp. 273.

6. Borisov V. M., Romashova N. N. Modern state of production of

slow-acting fertilizers / / Agrochemistry. - 1984. No. 7. Pp. 114127.

X X

o

00 >

c.

X

00 m

o

io o

IO

o

to