CC BY
130
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
УДК 631.411.6
ПРИМЕНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ГУМАТОВ
ДЛЯ РЕМЕДИАЦИИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ГОРОДСКИХ ПОЧВ
И СТИМУЛИРОВАНИЯ РОСТА РАСТЕНИЙ
А.А. Степанов, П.С. Шульга, Д.Д. Госсе, М.Е. Смирнова
По результатам многолетних лабораторных и микрополевых опытов установлены эффективные дозы гуматов для применения в качестве детоксикантов городских почв. Разработанная оригинальная методика позволила модифицировать коммерческий препарат «Экстра», кардинально изменив соотношение в нем амфифильных фракций гу-миновых веществ. Полевые испытания нового гумата «Экстра-growth» показали его высокую эффективность как стимулятора роста растений и антистрессового препарата, позволяющего нивелировать (или в значительной степени снижать) токсическое действие на растения различных поллютантов на загрязненных территориях.
Ключевые слова: гуминовые удобрения, гуматы, детоксиканты, рекультивация почв.
Введение
Применение гуминовых препаратов для деток-сикации и рекультивации почв, загрязненных различными поллютантами, — весьма актуальное и перспективное направление развития экологических технологий. Это обусловлено уникальными свойствами данных природных соединений. Гуминовые кислоты и их соли (гуматы), являясь естественным продуктом круговорота веществ в окружающей среде, обладают способностью не только активировать рост и развитие живых организмов (в первую очередь растений и почвенных микроорганизмов), но и эффективно связывать и трансформировать токсичные соединения, поступающие в почву в результате хозяйственной деятельности человека.
Главнейшие и определяющие свойства гуми-новых кислот — полидисперсность, нерегулярность строения и полифункциональность, возникающая вследствие сочетания в их молекулярной структуре гидрофобного ароматического ядра с большим количеством разнообразных функциональных групп, среди которых преобладают карбоксильные и гидро-ксильные, и гидрофильной периферии, состоящей в основном из алифатических, олигосахаридных и олигопептидных фрагментов. Факт положительного влияния гуматов на рост и развитие растений впервые обнаружен в конце XIX в. и позже подтвержден в классических работах Л.А. Христевой, М.М. Кононовой, И.В.Тюрина, С. Ваксманаидр. Такие исследования особенно активизировались в 60-е годы прошлого века и с того времени по этому вопросу уже накоплен большой массив данных, в том числе установлена способность гуматов ин-
активировать воздействия тяжелых металлов и органических поллютантов в почвах [8—10, 21].
По данным многих исследований, промышленные гуматы могут действовать как эффективные почвенные мелиоранты для рекультивации деградированных и загрязненных почв [1—4, 11, 18, 20], причем их влияние наиболее эффективно при неблагоприятных условиях окружающей среды. Высокая положительная отзывчивость почв и растений на применение гуматов в полевых и лабораторных экспериментах обусловила большой интерес к производству коммерческих препаратов во всем мире. Положительный опыт их применения в сельском хозяйстве, садоводстве и ремедиационных технологиях привел к тому, что многие промышленные компании стали производить разнообразные гума-ты из органического сырья — главным образом, из торфа и бурого угля, а также из органических отходов, вермикомпостов и сапропеля.
Многочисленные полевые и лабораторные эксперименты с различными тест-культурами показали, что применение промышленных гуматов натрия, калия и аммония, независимо от источника сырья для их производства, в оптимальных дозах (т.е. 50—100 мг/л, или 10—100 кг/га) заметно стимулирует прорастание семян, улучшает дыхание и питание растений, уменьшает поступление в растения тяжелых металлов и радионуклидов [12, 21, 22]. Этот эффект особенно заметен на ранних стадиях развития растений, но в отдельных случаях проявляется и в течение всего онтогенеза, включая урожай продукции [13, 19].
Наиболее сильный эффект от действия гуматов проявляется при неблагоприятных условиях окружающей среды: при недостаточной или избыточной влажности, низких температурах, недостаточ-
ной освещенности или при загрязнении тяжелыми металлами, радионуклидами или органическими поллютантами. Гуматы блокируют токсиканты в почвах и благодаря физиологически активному и протекторному действию повышают устойчивость растений к воздействию неблагоприятных факторов.
На кафедре химии почв факультета почвоведения Московского университета с 2008 г. ведутся исследования гуминовых препаратов (ГП) с целью оценки возможности их применения для детокси-кации и ремедиации загрязненных городских почв.
Объекты и методы исследования
Эффективность действия гуматов подтверждена нами в ходе полевых экспериментов, проводимых в 2009 г. на участках примагистрального озеленения, а также на опытных площадках почво-грунтов с искусственно созданным загрязнением хлорид-ионами, нефтепродуктами и ионами меди.
В рамках выполнения программы научных исследований по Государственному контракту с Департаментом науки и промышленной политики г. Москвы «Технологии применения природных гу-матов для ремедиации загрязненных городских почв и в целях стимулирования роста растений» в качестве объекта исследования были выбраны три опытные площадки, расположенные на газоне вдоль дорог на Ломоносовском и Нахимовском проспектах и Каширском шоссе. На каждой точке закладывали по шесть делянок для испытания четырех препаратов гуматов, произведенных на основе бурого угля («БашИнком» и «Экстра») и торфа («Флексом» и «ЭкоОрганика»). В дозах, рекомендуемых производителями, была проведена предпосевная обработка семян и почвы гуматами и однократная — растений по вегетации.
Результаты и их обсуждение
Биомасса с делянок опытных участков газонов, обработанных гуматами, в большинстве случаев значительно превышает таковую контрольных участков (не менее чем в 1,5—2 раза, а на отдельных делянках, обработанных гуматами из торфа, — в 4—8 раз) (рис. 1).
Учитывая, что уровень загрязнения примагистрального озеленения в целом незначителен, провели мелкоделяночные полевые опыты с искусственно созданным загрязнением почвы высокими дозами нефтепродуктов (дизельное топливо), тяжелых металлов (ионы меди) и антигололедных реагентов (хлорид натрия). Для этого на территории почвенного стационара МГУ создали экспериментальный полигон, имитирующий территории озеленения города.
Лабораторные и микрополевые опыты выявили эффективные дозы гуматов для применения в ка-
Рис. 1. Учет биомассы растений на участках газона вдоль автодорог: а — Университетский, б — Нахимовский проспекты,
в — Каширское шоссе
честве детоксикантов городских почв (табл. 1). Установлено, что двукратная обработка вегетирующих растений (первая — через неделю после появления всходов, вторая — через две недели после первой обработки) опрыскиванием из расчета 10 л/м2 0,02%-м раствором гуматов из торфа или 0,01%-м — из бурого угля снимает токсическое воздействие хлорида натрия и дизельного топлива при исходных концентрациях до 10 000 мг/кг [17]. Загрязнение почв медью в высоких дозах (1000 мг/кг) приводит к полной гибели растений, но обработка их гу-миновыми препаратами позволила практически
Дозы внесения гуматов
Препарат Предпосевная обработка почвы и обработка растений по вегетации, кол-во препарата/объем Н20/площадь поверхности Обработка семян, кол-во препарата/объем Н20/масса семян
«БашИнком» 2,3 мл/л/м2 24 мкл/200 мкл/20 г
«Флексом» 0,5 мл/л/м2 5,7 мл/14,3 мл/20 г
«Экстра» 3,0 мг/л/м2 6 мг/20 мл/20 г
«ЭкоОрганика» 0,5 мл/л/м2 5,7 мл/14,3 мл/20 г
полностью преодолеть токсичное действие ионов металла на посевы. Полученные результаты легли в основу технологического регламента по применению гуматов при проведении ремедиационных мероприятий на загрязненных городских почвах.
Большинство производителей гуминовых удобрений позиционируют свою продукцию и как природный физиологически активный стимулятор роста высших растений [3,16]. Действительно, практика их применения при возделывании различных сельскохозяйственных культур свидетельствует о том, что выполнение определенных условий (доза и срок внесения, соблюдение технологии) ГП позволяет не только получить существенный прирост урожая, но и значительно ускорить появление всходов. Однако коммерческие препараты (как и гуми-новые вещества различного генезиса) представляют собой смесь полидисперсных и полифункциональных органических соединений. Вероятно, отдельные фракции в составе ГП обладают разной физиологической и биохимической активностью [16].
В природных условиях амфифильные свойства гуминовых веществ и других продуктов гумификации обусловливают их способность находиться в растворе, мигрировать с током влаги и, возможно, проникать внутрь растений, участвуя в биохимических реакциях, или же оставаться на месте своего образования, сорбироваться на поверхности как минеральных частиц почвы, так и корней растений, формируя своеобразный «защитный экран» на пути различных токсикантов [5—7].
Для фракционирования гуминовых препаратов нами применен метод гидрофобной хроматографии. В его основе лежит прямое взаимодействие молекул вещества с гидрофобными фрагментами (алифатической или ароматической природы), фиксированными на поверхности твердой матрицы, в качестве которой выступает модифицированная «сшитая» агароза фирмы «Pharmacia» — Octil—Se-pharose ^-4В [15, 16]. В составе гуминового удобрения «Экстра» обнаружили семь фракций, различающихся по степени выраженности гидрофильно-гидрофобных свойств. В дальнейшем мы провели их биотестирование [14]. Действие фракций гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК) испытывали на семенах райграсса. По контролируемым показателям (всхожесть и длина проростков) максимальный эффект наблюдается для I и III гидрофильных фракций гуминовых кислот (по сравнению с исходным гуматом «Экстра» в 1,7 и 3,1 раза соответственно) (рис.2). Это подтверждает рабочую гипотезу о различии физиологической активности фракций ГВ в составе исследуемого препарата.
Высокая конкуренция на рынке коммерческих гуминовых препаратов в нашей стране и в большинстве развитых стран диктует насущную потребность в улучшении их качества и повышении эффектив-
Рис. 2. Результаты биотестирования амфифильных фракций, выделенных из гуминового удобрения «Экстра»: а — всхожесть (%), б—длина проростков (%)
ности. Существует несколько путей решения данной проблемы. Один из них — введение в состав гуминовых препаратов различных минеральных и органических добавок, микроэлементов, штаммов микроорганизмов. Однако более перспективной представляется глубокая модификация выпускаемых препаратов путем изменения фракционного состава самих гуминовых кислот: избавление от балластных компонентов и увеличение доли биохимически и физиологически активных ГК и ФК. Данная идея положена в основу серии экспериментальных работ (лабораторные, вегетационные и полевые опыты), проведенных на кафедре химии
250
200
го о о го 5 о
L0
150
100
50
1 Ш/////ШШ !
г
m
¿Г
At
41
&
(7>
SS
,
п>>
V
Рис. 3. Биомасса растений в мелкоделяночном полевом опыте с газонной травосмесью при действии препаратов на семена и растения при комплексном загрязнении почвы (1% №С1 + + 250 мг Си2+/кг + 0,03% дизельное топливо)
почв факультета почвоведения МГУ в 2009—2010 гг. В качестве объекта модификации выбран гумино-вый препарат «Экстра» из бурого угля производства компании «Агротехнологии». Разработанная нами методика позволяет кардинально изменить соотношение амфифильных фракций гуминовых веществ в составе препарата, получившего название «Экстра^го^Ь».
Полевые испытания, проведенные на опытных делянках с комплексным загрязнением почвы хлоридами, тяжелыми металлами и нефтепродуктами, показали (рис. 3), что применение гуминового препарата «Экстра-^оМЬ» увеличивает биомассу растений почти в 30 раз по сравнению с загрязненным контролем и почти в два раза по сравнению с действием исходного препарата «Экстра» [17]. На незагрязненной почве обработка семян и проростков газонных трав препаратом «Экстра-^оМЬ» увеличивает биомассу растений в 1,3 раза по сравнению с действием исходного препарата «Экстра».
Выводы
Подводя итоги вышесказанному, можно констатировать, что новый препарат «Экстра^го^Ь» по формальным показателям, т.е. по основным характеристикам, приводимым обычно в сертификате качества гуминового удобрения (сырье для производства, сухой остаток, зольность, содержание органических веществ в растворе, его рН, содержание гуминовых кислот и их солей и пр.), полностью соответствует исходному препарату «Экстра». Но, как показали результаты исследований, эффективность «Экстра^го^Ь» как стимулятора роста растений и антистрессового препарата, нивелирующего (или в значительной степени снижающего) токсическое действие на растения и почвы различных поллютантов, возрастает почти вдвое. Это позволяет считать «Экстра^го^Ь» гуминовым препаратом нового поколения, продуктом современных биотехнологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Артюхов Д.Б. Влияние гуматов и стимуляторов роста на развитие растений // Рос. аграр. газета. 2012 (1—28 февраля). №3(9).
2. Бутюгин А.В., Зубкова Ю.Н. Новые гуминовые препараты: свойства и применение //Тр. IV Всерос. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». Москва, 19—21 декабря 2007 г. СПб., 2007.
3. Горовая А.И., Скворцова Т.В., Павличенко А.В. Антимутагенные эффекты физиологически активных веществ на почвах, трансформированных горной промышленностью // Тр. IVВсерос. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». Москва, 19—21 декабря 2007 г. СПб., 2007.
4. Грехова И.В.. Комиссаров И.Д. Эффект применения гуминового препарата «Росток» // Тр. IV Все-рос. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». Москва, 19—21 декабря 2007 г. СПб., 2007.
5. Демин В.В., Завгородняя Ю.А., Терентьев В.А. Механизм действия гуминовых веществ на живые клетки // Тез. докл. II Междунар. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». М., 2003.
6. Завгородняя Ю.А., Демин В.В., Бирюков М.В., Семенов А.А. Природа биологического действия гуминовых веществ. Ч. 2. Локализация биопротекторного действия гуминовых веществ в почвах // Роль почвы в биосфере: Тр. Ин-та экол. почвовед. МГУ им. М.В.Ломоносова. Вып. 6. М., 2005.
7. Завгородняя Ю.А., Демин В.В., Терентьев В.А. Природа биологического действия гуминовых веществ. Ч. 1. Основные гипотезы // Роль почвы в биосфере: Тр. Ин-та экол. почвовед. МГУ им. М.В.Ломоносова. Вып. 6. М., 2005.
8. Куликова Н.А. Защитное действие гуминовых веществ по отношению к растениям в водной и почвенной средах в условиях абиотических стрессов: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. М., 2008.
9. Куликова Н.А., Перминова И.В., Лебедева Г.Ф. Связывание атразина гумусовыми кислотами некоторых почв // Почвоведение. 2003. № 10.
10. Нугуманов А.Х., Гилязетдинов Ш.Я., Пусенко-ва Л.И. и др. Сопряженность действия гуминовых кислот и эндофитных бактерий в формировании продуктивности и устойчивости к болезням яровой пшеницы // Тр. IV Всерос. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». Москва, 19—21 декабря 2007 г. СПб., 2007.
11. Нургалиева Р.В., Кильдибекова А.Р., Сахабут-динова А.Р. и др. Влияние «Гуми М» на гормональный статус растений пшеницы при засолении //Агрохимия. 2006. № 8.
12. Парфенова Л.Н. Опыт применения гуминовых препаратов в условиях озеленения селитебных территорий Санкт-Петербурга // Тез. докл. III Всерос. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». СПб., 2005.
13. Попов А.И. Возможные механизмы действия гуминовых веществ при их попадании в растения // Тр. IV Всерос. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». Москва, 19—21 декабря 2007 г. СПб., 2007.
14. Соколова Д.А., Трофимов С.Я., Степанов А.А. «Экстра-growth» — гуминовый препарат нового поколения для ремедиации загрязненных почв и стимулирования роста растений // Сб. тр. VI Моск. междунар. конгр. «Биотехнология: состояние и перспективы развития». М., 2011.
15. Степанов А.А. Получение амфифильных фракций гуминовых кислот из чернозема южного и их характеристика // Почвоведение. 2005. № 8.
16. Степанов А.А. Амфифильные фракции гуминовых веществ из препарата «Флексом» как стимуляторы роста растений // Сб. тр. V Всерос. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». СПб., 2010.
17. Трофимов С.Я., Степанов А.А. Применение природных гуматов для ремедиации загрязненных городских почв и в целях стимулирования роста растений // Сб. тр. III Моск. междунар. конгр. «Биотехнология: состояние и перспективы развития». М., 2010.
18. Ekeh R.C., Mbagwu J.S.C., Agbim N.N., Piccolo A. Physical properties of two tropical soils amended with coal-derived humic substances // The Role of Humic Sub-
stances in Ecosystems and in Environmental Protection / J. Drozd et al. (eds.). Wroclaw, 1997.
19. Gonet S., Kondratowicz-Maciejewska K. Physico-chemical properties of humic acids extracted from brown coal // Humic Substances in Ecosystems. 1999. Vol. 3.
20. Hafidi M, Checkouri I., Kaemmerer M. et al. Effect of humic substances on phosphorus absorption in Italian raygrass // Agrochimica. 1997. Vol. 41, N 1/2.
21. Patti A.F., Verheyen T.V., Douglas L, Wang X. Nitrohumic acids from Victorian brown coal // Sci. Total Environ. 1992. Vol.113.
22. Piccolo A., Celano G, Pietramellara G. Effects of fractions of coal-derived humic substances on seed germination and growth of seedlings (Lactuca sativa and Lyco-persicum esculentum)//Biol. Fertil. Soils. 1993.Vol. 16, N1.
Поступила в редакцию 05.05.2017
NATURAL HUMATES APPLICATION
FOR REMEDIATION OF CONTAMINATED URBAN SOILS
AND STIMULATION OF PLANT GROWTH
A.A. Stepanov, P.S. Shulga, D.D. Gosse, M.E. Smirnova
Long-term laboratory experiments and the microfield revealed humate effective doses for use as detoxifiers of urban soils. Developed an original technique allowed to modify the commercial product "Extra" fundamentally changing the relationship it amphiphilic fractions of humic substances. Field testing of new drug "Extra-growth" demonstrated its high efficacy as a stimulator of plant growth and anti-stress drug, allowing level (or greatly reduce) toxic effects on plants of various pollutants in the contaminated areas.
Key words: humic fertilizers, humates, detoxicants, soil reclamation.
Сведения об авторах
Степанов Андрей Анатольевич, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. химии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: stepan.1963@mail.ru. Шульга Павел Станиславович, канд. с.-х. наук, доцент каф. эрозии и охраны почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: shulgaps@yandex.ru. Госсе Дмитрий Дмитриевич, канд. биол. наук, науч. сотр. каф. агрохимии и биохимии растений ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: gosset@gmail.com. Смирнова Мария Евгеньевна, студентка каф. агрохимии и биохимии растений ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: resolutemaria@gmail.com.
