CC BY
38EARTH SCIENCES
ВЛИЯНИЕ ВОДНЫХ ВЫТЯЖЕК ЗООКОМПОСТА ЛИЧИНОК HERMETIA ILLUCENS НА
ПРОРАСТАНИЕ ПШЕНИЦЫ
Сапронова Ж.А.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород, Россия
Свергузова С.В.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород, Россия
Шайхиев И.Г.
Казанский национальный исследовательский технологический университет, г. Казань, Россия
Бомба И.В.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород, Россия
EFFECT OF AQUEOUS EXTRACTS OF HERMETIA ILLUCENS LARVAES ZOOKOMPOST ON
WHEAT GROWTH
Sapronova J.,
Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia
Sverguzova S., Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia
Shaikhiev I.,
Kazan National Research Technological University,
Kazan, Russia Bomba I.
Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia
АННОТАЦИЯ
Для сохранения плодородия почвы в неё необходимо возвращать элементы питания, отчуждаемые с урожаем. Высокий интерес к внесению органических удобрений в сельскохозяйственные почвы в качестве частичных или полных заменителей неорганических удобрений стимулируется также экономическими аспектами.
Зоокомпост, образующийся в результате культивирования личинок мухи H. illucens, состоит из остатков непереваренного кормового субстрата, экскрементов и остатков хитинового внешнего покрова насекомого во время метаморфоза. В данной работе представлены результаты исследований по влиянию водных вытяжек из зоокомпоста на всхожесть и рост пшеницы (Triticum aestivum L.). Установлено, что неразбавленная водная вытяжка снижает показатели всхожести в сравнение с контролем на 6 %, в то время как вытяжка, разбавленная в 2,4 и 8 раз приводит к небольшому возрастанию этого значения (2%). Неразбавленная вытяжка дает небольшое увеличение длины ростка относительно контрольных образцов (в среднем, на 0,5 см на 7й день) на начальном этапе. К 14-му дню разница в длине ростков исчезает. Ситуация меняется для вытяжек, разбавленных в 8 и 16 раз. К концу эксперимента длина ростков превышала таковые у контрольных образцов в среднем на 1,9 и 3,6 см соответственно.
ABSTRACT
To preserve the fertility of a soil, it is necessary to return nutrients, alienated with a harvest. High interest in the application of organic fertilizers in agricultural soils as partial or complete substitutes for inorganic fertilizers is also stimulated by economic aspects. The zoo compost formed as a result of the cultivation of the H. illucens fly larvae, it consists of the remnants of undigested food substrate, excrement, and chitinous outer cover remains of the insect during metamorphosis. This work presents the results of studies on the effect of zoo compost aqueous extracts on the germination and growth of wheat (Triticum aestivum L.). It was found that the undiluted aqueous extract reduces the germination rates by 6% in comparison with the control, while the extract diluted 2.4 and 8 times leads to a slight increase in this value (2%). Undiluted extract gives a slight increase in the sprout length relative to the control samples (on average, by 0.5 cm on the 7th day) at the initial stage. By the 14th day, the difference in the length of the sprouts disappears. The situation changes for extracts diluted 8 and 16 times. By the
end of the experiment, the sprouts length exceeded that of the control samples by an average of 1.9 and 3.6 cm, respectively.
Ключевые слова: зоокомпост, пшеница, муха Черная львинка, всхожесть, длина ростков. Keywords: zoo compost, wheat, black soldier fly, germination, sprout length.
Введение
Прорастание семян и появление всходов пшеницы теснейшим образом связано с биологическими и физико-химическими процессами, происходящими в почве. На различных почвах и при использовании разных удобрений всхожесть может быть различной.
Основной базовой структурой производства продовольствия в России является агропромышленный комплекс с его многообразной инфраструктурой (производство зерна, мяса, молока, яиц и т.д., а также их переработка).
Белгородская область входит в состав Центрального федерального округа Российской Федерации. Большая часть территории области занята землями сельскохозяйственного назначения, площадь которых на 1 января 2015 года составила 2094,8 тыс. га (77,2%). Согласно данным расчетов коэффициентов экологической стабильности и антропогенной нагрузки, 45,6% площади области является экологически нестабильной [1].
По результатам последнего почвенного обследования, проводимого более 30 лет назад, доля эродированной пашни составляла 47,9%, тогда как в среднем по Центрально-Черноземным областям -только 20,1% [2].
По имеющимся сведениям, чтобы получить одну тонну зерна пшеницы необходимо 30-35 кг азота, 8-14 кг фосфора и 20-25 кг калия [3].
В традиционном земледелии фермеры используют органические материалы, такие как навоз и компост, для поддержания плодородия почвы. Но в последнее время в почвы вносится чрезмерно большое количество минеральных удобрений, что не только расходует ресурсы, но и загрязняет окружающую среду [4].
Органические добавки в почву были предложены в качестве эффективных мер для увеличения количества биогенного углерода за счет защиты гумусового почвенного компонента путем органоми-нерального комплексообразования.
Экзогенные органические вещества могут быть получены из различных источников и часто образуются как побочные продукты различных процессов, таких как интенсивное животноводство и растениеводство.
Высокий интерес к внесению органических удобрений в сельскохозяйственные почвы в качестве частичных или полных заменителей неорганических удобрений стимулируется также экономическими аспектами.
Кроме того, текущая стратегия Евросоюза направлена на сокращение потерь питательных веществ в сельском хозяйстве и уменьшение использования синтетических удобрений как минимум на 50% к 2030 году, не допуская при этом ухудшения качеств сельскохозяйственных земель [5,6].
Для сохранения плодородия почвы в неё необходимо возвращать элементы питания, отчуждаемые с урожаем [2]. Внесение сложного компоста изменяет свойства почвы, нейтрализует кислотность, улучшает аэрацию и влагоудерживающую способность. Это стимулирует активизацию микробиологических процессов, увеличение численности и разнообразие почвенного микробного комплекса [7].
Кроме того, компосты и навоз создают остаточные эффекты, которые сохраняются годами. Влияние внесения компоста в почву на урожайность сохраняется до 6 лет для агрономических культур. В некоторых исследованиях упоминаются и более продолжительные сроки - до 12 и даже 14 лет [8].
На удобренных компостом почвах повышается продуктивность растений, улучшаются их ростовые свойства, развитие их корневых систем, увеличиваются популяции беспозвоночных и микроорганизмов, запасы фитомассы, баланс органического вещества, усиливается биологический круговорот веществ [9,10].
Непитательные эффекты органических веществ включают улучшение агрегации почвы из-за повышенной активности микробов, что приводит к лучшей инфильтрации воды, снижению потенциала эрозии и увеличению водоудерживающей способности. Активность почвенных ферментов и микробная биомасса положительно коррелируют с круговоротом питательных веществ, лабильным органическим веществом и структурными свойствами почв, такими как агрегативная стабильность и насыпная плотность. Поэтому они предлагаются в качестве индикаторных тестов общего качества почвы. Непитательные преимущества потенциально даже более важны, чем питательные преимущества в системах с ограниченной влажностью, и могут способствовать долгосрочной экономической целесообразности внесения компоста или навоза в почвы засушливых земель [8].
Муха черная львинка (Hermetia illucens) - одно из насекомых, наиболее широко изучаемое в настоящее время, как потенциально пригодный к использованию в хозяйственной деятельности биологический вид [11-14]. В результате жизнедеятельности ее личинок образуется зоокомпост, богатый органическими и минеральными веществами [15-17].
Отход, образующийся в результате культивирования личинок мухи ^ Шucens, состоит из остатков непереваренного кормового субстрата, экскрементов и остатков хитинового внешнего покрова насекомого во время метаморфоза. Было отмечено, что зоокомпост перспективен для использования в качестве стимулятора роста и развития растений. Обогащение почвы различными биологически активными веществами с помощью зоокомпоста мо-
жет изменить биоту почвы, на что указывает выраженная способность личинок Н. Шисеш уничтожать патогенные бактерии и грибки. Биологически активные вещества выделений личинок могут содержать соединения, непосредственно подавляющие развитие болезнетворных почвенных организмов, а также соединения, индуцирующие устойчивость растений к патогенам [18].
В данной работе представлены результаты исследований по влиянию экстрактов водных вытяжек из зоокомпоста на всхожесть и рост пшеницы.
Объекты и методы исследований
В качестве объекта исследований была выбрана озимая пшеница (Triticum aestivum Ь.) сорта Белгородская-16.
Водные вытяжки из зоокомпоста личинок мухи Н. Шисеш приготавливалась следующим образом: 1 г зоокомпоста вносился в сосуд с 100 мл водопроводной воды, после чего на автоматической мешалке встряхивающего типа происходило перемешивание в течение 24 ч. Смесь отфильтровывалась, после чего разбавлялась в соответствиями с условиями эксперимента. Для контроля использовалась водопроводная вода, отстоянная в течение 24 часов.
Семена проращивали в темноте. Ложем для семян была фильтровальная бумага. Отсчитывали 100 семян в 4-х кратной повторности. На дно чашки Петри с увлажненной фильтровальной бумагой раскладывали равномерно семена и прикрывали их сверху также хорошо увлажненной фильтровальной бумагой. Фильтровальную бумагу для проращивания семян увлажняли водой (контрольный образец) и водной вытяжкой из зоокомпоста с различной кратностью разбавления. Чашки прикрывали крышками и ставили в термостат с постоянной температурой 20 °С. Проращивание проводили в темноте.
Для оценки влияния водной вытяжки из зоо-компоста личинок мухи НегшеИа Шисеш на прорастание и рост семян пшеницы измерялись следующие показатели: интенсивность набухания зерен по изменению сырой массы в течение суток; всхожесть (на 6-е сутки), длина ростков пшеницы на 7-е и 14-е сутки.
Результаты и обсуждение
Исследования показали (таблица 1), что скорость набухания зерен отличается незначительно. Наибольшая разница с контрольными образцами заметна у пшеницы, выращивавшейся на неразбавленной водной вытяжке (ВВ) из зоокомпоста.
Таблица 1
Скорость набухания зерен пшеницы
Время Образцы
Контроль ВВ неразб. ВВ 1/2 ВВ 1/4 ВВ 1/8 ВВ 1/16 ВВ 1/32
4 часа 20 16 19 21 20 21 21
8 часов 28 25 28 29 29 28 27
12 часов 39 34 41 41 39 41 40
16 часов 43 40 43 44 43 43 43
20 часов 45 43 46 46 45 46 45
24 часа 47 45 48 47 48 47 47
Эксперименты позволили установить, что не- время как вытяжка, разбавленная в 2,4 и 8 раз при-
разбавленная водная вытяжка снижает значения водит к небольшому возрастанию (2%) этого пока-
всхожести в сравнении с контролем на 6 %, в то зателя (рисунок 1).
94
Рис. 1. Всхожесть зерен пшеницы при различном разбавлении водной вытяжки зоокомпоста
На рис. 2 видны ростки на 3-й день образцов одной из серии опытов, полученных на ВВ с раз-
личным разбавлением. Видно, что ростки развиваются равномерно, нет признаков угнетения и значительной разницы в темпах роста.
Рис. 2. Ростки пшеницы, выращенной с использованием ВВ с разбавлением, а - неразбавленная; б - ВВ
1/2, в -ВВ 1/4; г -ВВ 1/8; д -ВВ 1/16
контрольных образцов (в среднем, на 0,5 см на 7й
Универсальным показателем совокупности жизненных процессов, протекающих в растительном организме, является длина проростков. Средняя длина, измеренная на 7 и 14 дни эксперимента приведена в таблице 2. Из представленных данных видно, что ВВ оказывает стимулирующее действие на рост пшеницы. Неразбавленная вытяжка дает небольшое увеличение длины ростка относительно
день) на начальном этапе. К 14-му дню разница в длине ростков исчезает. Ситуация меняется для вытяжек, разбавленных в 8 и 16 раз. К концу эксперимента длина проростков превышала таковые у контрольных образцов в среднем на 1,9 и 3,6 см соответственно.
Таблица 2
Средняя длина ростков на 7 и 14 дни эксперимента
День эксперимента Образцы
Контроль ВВ неразб. ВВ 1/2 ВВ 1/4 ВВ 1/8 ВВ 1/16 ВВ 1/32
7 6,0 6,55 6,6 6,9 7,5 7,4 7,1
14 12,3 12,4 12,7 12,9 14,2 15,9 14,3
в
На рисунке 3 представлены образцы ростков на 7-й день проращивания.
Рис. 3.
Образцы ростков на 7-й день проращивания. а - ВВ неразбавленная, б - разбавленная в 2, в - в 8 раз.
В целом, можно утверждать, что водная вытяжка из зоокомпоста личинок мухи Н. Шисепв оказывает стимулирующее воздействие на зерна пшеницы. Лучшие показатели роста наблюдались у пшеницы, проращивавшийся с использованием ВВ с разбавлением в 8 и 16 раз. Вероятно, при использовании неразбавленной вытяжки происходит приближение концентрации экстрагентов к пределу комфортной зоны выживаемости для вида ТгШсит ае^Нуит Ь.
Поскольку лабораторные исследования не могут в полной мере отразить влияние того или иного химического агента на урожайность растений в полевых условиях, необходимо проведение дальнейших испытаний.
Заключение
Проведенные исследования по проращиванию озимой пшеницы с использованием водной вытяжки из зоокомпоста, полученного при культивировании личиноку мухи Н. Шисепв показали, что на начальных этапах неразбавленная вытяжка ухудшает показатели набухания и всхожести семян. В более длительной перспективе разница между проростками сглаживается. На 14-е сутки эксперимента наблюдается увеличение длины зеленой части растений для образцов на водных вытяжках, разбавленных в 8 и 16 раз. Длина проростков превышала таковые у контрольных образцов в среднем на 1,9 и 3,6 см соответственно. Таким образом, установлено, что химические компоненты зооком-поста не оказывают токсического воздействия на ТгШсит ае^Нуит Ь, а небольшие их концентрации имеют стимулирующий эффект. Необходимо проведение дальнейших испытаний в полевых условиях для оценки влияния зоокомпоста на всхожесть и рост пшеницы.
Благодарность
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения № 07511-2019-070 от 29.11.2019 г.
Литература
1. Дегтярь, А. В. Экология Белогорья в цифрах: монография / А. В. Дегтярь, О. И. Григорьева, Р. Ю. Татаринцев. - Белгород: КОНСТАНТА, 2016. -122с.
2. Правительство Белгородской области, департамент агропромышленного комплекса и воспроизводства окружающей среды области. Государственный доклад об экологической ситуации в Белгородской области В 2017 году - 84с.
3. Эффективность применения минеральных удобрений и органоминерального компоста под озимую пшеницу С.Р. Хатамов // Масличные культуры. Вып. 1 (177), 2019 с. 77-81
4. Cheng Hu a, Yingchun Qi. Long-term effective microorganisms application promote growth and increase yields and nutrition of wheat in China // Europ. J. Agronomy 46 (2013) 63-67
5. Aleksandra Ukalska-Jaruga, Grzegorz Siebielec, Sylwia Siebielec, Monika Pecio. The Impact of Exogenous Organic Matter on Wheat Growth and Mineral Nitrogen Availability in Soil // Agronomy 2020, 10, 1314 - 16 p.
6. European Commission. A Farm to Fork Strategy for a fair, healthy and environmentally-friendly food system. In Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions; European Commission: Brussels, Belgium, 2020; 20.5.2020 COM (2020) 381 final.
7. О. В. Карасева, Д. А. Иванов, М. В. Рублюк. Эффективность применения компоста многоцелевого назначения в севообороте в различных ландшафтных условиях // Земледелие №5 2020 28-31
8. J. R. Reeve J. B. Endelman B. E. Miller D. J. Hole. Residual Effects of Compost on Soil Quality and Dryland Wheat Yield Sixteen Years after Compost Application // SSSAJ: Volume 76: Number 1 • January-February 2012 278-285
9. Л.Д. Варламова, И.Д. Короленко Нетрадиционные удобрительные материалы в растениеводческом комплексе России и Нижегородской области //Агрохимический вестник • № 2 - 2017 15-20
10. Белюченко И.С. Роль сложного компоста в биологическом круговороте элементов и веществ и устойчивости агроландшафтов // Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года - 32 c
11. Gold M., Tomberlin J.K., Diener S., Zurbrügg C., Mathys A. Decomposition of biowaste macronutri-ents, microbes, and chemicals in black soldier fly larval treatment: A review // Waste Management. - 2018. -Vol. 82. - P. 302-318.
12. Newton G.L., Sheppard D.C., Watson D.W., Burtle G.J., Dove C.R., Tomberlin J.K., Thelen E.E. The black soldier fly, Hermetia illucens, as a manure management/resource recovery tool//Symposium on the State of the Science of Animal Manure and Waste Management (San Antonio, Texas, USA,January 5-7). - 2005.
13. Elwer tC. Knips I., Katz P. A novel protein source: Maggot meal of the Black Soldier fly (Hermet-iaillucens) in broiler feed// 11th Symposium on Pig and Poultry Nutrition (Lutherstadt Wittenberg, 23-25 November). - 2010.
14. Sholikin M. M., et. al. Optimization of the Hermetia illucens larvae extraction process with response surface modelling and its amino acid profile and antibacterial activity // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. -2019. - 8p.
15. Lalander C., Nordberg A., Vinneras B. A Comparison in product-value potential in four treatment strategies for food waste and faeces - assessing composting, fly larvae composting and anaerobic digestion // GCB Bioenergy - 2018. - Vol. 10. - P. 84-91.
16. Jiang Ch.-L., Jin W.-Z., Tao X.-H., Zhang Q., Zhu J., et. al. Black soldier fly larvae (Hermetia illu-cens) strengthen the metabolic function of food waste biodegradation by gut microbiome // Microbial biotechnology - 2019. - No. 12. - P. 528-543.
17. Pendyurin E.A., Rybina S.Yu., Smolenskaya L.M. Research of Black soldier fly (Hermetia Illucens) maggots zoocompost's influence on soil fertility // ICICC 2021, LNCE 147, pp. 1-8, 2021.
18. Sverguzova S.V. Bomba I.V., Pendyurin E.A. Sorption extraction of Zn2+ ions from aqueous environment with zoo compost of Black soldier fly // ICICC 2021: Proceedings of the International Conference Industrial and Civil Construction. 2021. P. 337-343.
