II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ВЫДЕЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРЕПАРАТА ГУМАТА НАТРИЯ ИЗ ВЕРМИКОМПОСТА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хализев К.А. 1

---

1МБОУ "СОШ № 1г. Строитель Белгородской области"

Меремьянина Т.Г. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 1 г. Строитель Яковлевского района Белгородской области»

Работа в формате PDF

679.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Гумусовые вещества – это сложные смеси устойчивых к биодеструкции высокомолекулярные темноокрашенные органические соединения природного происхождения, образующихся при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов или абиотических факторов среды.

Гуминовые кислоты можно извлекать из гумифицированных природных продуктов (торф, бурый уголь, каменный уголь и вермикомпост) водными растворами щелочей.

Гумусовые кислоты - это высокомолекулярные полимерные соединения, нерастворимые в воде и обладающие свойством малоподвижности [1,3,4,6]. Поэтому для использования в сельскохозяйственном производстве их необходимо максимально перевести в доступное для растений и животных растворимое состояние.

Основой для получения гуминовых препаратов является способность их образовывать водорастворимые соли с одновалентными катионами натрия, калия и аммония.

Препараты, изготовленные на основе гуминовых кислот, содержат аминокислоты, полисахариды, углеводы, витамины, макро и микроэлементы, гормоноподобные вещества. Они характеризуются устойчивостью, полифункциональностью и обладают сорбционными, ионообменными и биологически активными свойствами. Для гуминовых кислот (ГК) характерен общий тип состава и строения. Однако в зависимости от исходного субстрата, метода выделения и хранения показатели состава и строения могут варьировать, а в связи с этим меняется их физиологическая активность.

Актуальность данного исследования определяется необходимостью разработок новых экологически безопасных биологических препаратов, использование которых в значительной степени будет способствовать повышению урожайности сельскохозяйственных культур.

Гипотеза исследования: гуминовые соединения в растворенной форме можно получить из вермикомпоста с помощью химических, физических и механических воздействий.

В качестве теоретической основы и информационной базы проводимого исследования использовались работы отечественных авторов в области агрохимии и почвоведении. Информационными источниками для написания данной работы стали стандарты и научные публикации.

Цель исследования:выделение гумусовых веществ путем использования химических, физических и механических воздействий на вермикомпост для максимального перевода гуминовых соединений в раствор.

Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

• изучить научную литературу о составе и механизме влиянии гуминовых веществ на сельскохозяйственные растения;

• изучить ассортимент выпускаемых гумусовых препаратов и методы их выделения;

• освоить физико-химические методы выделения гумусового препарата, а также испытать полученный препарат на соответствие качеству и безопасности;

• изучить биологическую активность полученного гумусового препарата по результатам его воздействия на семена огурцов сорта «Дальневосточный».

Объектом исследованияявлялся вермикомпост, полученный в мини-вермилаборатории Испытательной лаборатории УНИЦ «Агротехнопарка» ФГБОУ ВПО БелГСХА им.В.Я.Горина от компостных червей гибридной линии Белгородская.

Предметом исследования стали гуминовые вещества, выделенные из вермикомпоста.

При проведении исследования были использованы следующие методы: экспериментальный метод (экстракция и осаждение гуминовых веществ, физико-химические и биологические испытания препарата), наблюдение и методы статистического анализа.

Исследования проводились в химической лаборатории МБОУ «СОШ №1 г. Строитель Яковлевского района Белгородской области» и в Испытательной лаборатории ФГОУ ВПО БелГСХА им. В.Я.Горина.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Состав гуминовых веществ

История изучения гуминовых веществ насчитывает уже более двухсот лет. Впервые их выделил из торфа и описал немецкий химик Ф.Ахард в 1786 году. Немецкие исследователи разработали первые схемы выделения и классификации, а также ввели и сам термин – «гуминовые вещества» (производное от латинского humus – «земля» или «почва»). В исследование химических свойств этих соединений в середине XIX века большой вклад внес шведский химик Я.Берцелиус и его ученики, а потом, в XX веке, и наши ученые-почвоведы и углехимики: М.А. Кононова, Л.А. Христева , Н. Александрова, Д.С. Орлов, Т.А. Кухаренко и другие. В классических работах Л.А. Христевой и М.М. Кононовой [27] было впервые описано влияние обработки семян фульвокислотами и солями гуминовых кислот (гуматами) на рост первичных корней тест-культур.

Но затем интерес химиков к гуминовым веществам резко упал, так как было достоверно установлено, что это не индивидуальное соединение, а сложная смесь макромолекул переменного состава и нерегулярного строения (рис.1), к которой неприменимы законы классической термодинамики и теории строения вещества. В составе гумуса выделяют три группы соединений: специфические гумусовые вещества, неспецифические органические соединения и промежуточные продукты распада и гумификации. Третья группа включает в себя продукты частичного разложения органических остатков, которые по сумме признаков еще не могут быть отнесены к специфическим гумусовым веществам, но уже не являются веществами, характерными для живых организмов. Специфические вещества и неспецифические гумусовые соединения образуются в результате протекания процессов образования почв. Неспецифические гумусовые соединения синтезируются в живых организмах и поступают в почву в составе растительных и животных остатков. Специфические гумусовые вещества образуются непосредственно в почве в результате протекания процессов гумификации. Среди них выделяют прогуминовые вещества, гумусовые кислоты и гумин.

Гумин, или негидролизуемый остаток, – это та часть органического вещества почвы, которая не растворима в кислотах, щелочах и органических растворителях. Прогуминовые вещества сходны с промежуточными продуктами распада органических остатков. Их присутствие обнаруживается при детальном фракционировании выделенных из почвы препаратов. Гумусовые кислоты – класс высокомолекулярных азотсодержащих оксикислот с ароматическим ядром, входящим в состав гумуса и образующихся в процессе гумификации.

Рис. 1. Формула структурной ячейки гуминовой кислоты (по Д. С.Орлову) [25, 26]

На основании различной растворимости в воде, кислотах, щелочах и спирте гумусовые кислоты подразделяют на гуминовые кислоты, гиматомелановые кислоты и фульвокислоты. Гуминовые кислоты – группа темно-окрашенных гумусовых кислот, растворимых в щелочах и не растворимых в кислотах. Гиматомелановые кислоты – группа гумусовых кислот, растворимых в этаноле. Фульвокислоты – группа гумусовых кислот, растворимых в воде, щелочах и кислотах.

Обычно при проведении анализов гумусовые кислоты экстрагируют из почвы растворами щелочей (0,1-0,5 н. NaOH). При подкислении щелочной вытяжки до рН (1 – 2) гумусовые и гиматомелановые кислоты выпадают в осадок. В растворе остаются только фульвокислоты. При обработке образовавшегося осадка этанолом гиматомелановые кислоты переходят в спиртовой раствор, окрашивая его в вишнево-красный цвет.

Группу гуминовых кислот разделяют на две подгруппы: черные (серые) и бурые гуминовые кислоты. Гуминовые кислоты, обогащенные углеродом (преимущественно в черноземных почвах), в отечественной литературе называют черными, а в зарубежной – серыми. Черные и бурые гуминовые кислоты могут быть разделены методом высаливания: при обработке 2 н. раствором NaCl черные гуминовые кислоты коагулируют и выпадают в осадок.

Гуминовые кислоты имеют следующий элементный состав: 50-60% углерода, 2-6% водорода, 31-40% кислорода и 2-6% азота. Колебания в элементном составе гуминовых кислот объясняются тем, что они не являются химически индивидуальными кислотами определенного строения, а представляют собой группу высокомолекулярных соединений, сходных по составу и свойствам.

По данным гель-хроматографических исследований, нижний предел молекулярных масс гуминовых кислот определяется значениями 5000-6000 Дальтон (Д). Встречаются кислоты с молекулярной массой 400 000-650 000 Д. Однако основное количество гуминовых кислот имеет молекулярную массу 20 000-80 000 Д.

Таким образом, гумусовые кислоты благодаря особенностям молекулярного строения активно влияют на миграцию и аккумуляцию химических элементов в почве и природных вода.

1.2.Механизм действия гуминовых веществ в составе вермикомпоста

Механизмы, благодаря которым вермикомпост реализуют свое регуляторное действие на почву и растения окончательно не раскрыты. Более высокую эффективность применения вермикомпостов и их фракций на рост и развитие растений объясняют их влиянием на синтез белков, воздействием на метаболические реакции, снижение активности ингибиторов дыхания и проявления гормоноподобных свойств. В литературе описаны несколько возможных главных механизмов влияния фракций вермикомпоста на растения:

1.Оптимизация корневого питания растений. Непосредственное поступление питательных веществ и микроэлементов; мобилизация соединений фосфора в биодоступные формы; мобилизация и транспорт катионов переходных металлов (в частности, меди, железа и цинка) в доступной растениям хелатной форме. Оптимизация свойств почвы: обеспечение энергии для почвенных микроорганизмов и усиление микробиологической деятельности, усиление водоудерживающей способности, упрочнение структуры и др.

2.Оптимизация внекорневого питания растений. Фракции вермикомпостов содержат в разных количествах гуминовые и фульвокислоты, которые будучи поверхностно-активными веществами, снижают поверхностное натяжение водных растворов, увеличивая тем самым проницаемость клеточных мембран. В свою очередь это оптимизирует пропускную способность транспортной системы растений: ускоряет передвижение питательных веществ. Это ускоряет метаболизм энергии, интенсивность фотосинтеза и синтез хлорофилла.

3. Влияние гуминовых веществ на физиологические процессы растений. Предполагается, что гуминовые вещества усиливают синтез высокоэнергетического аденозинтрифосфата (АТФ) в клетках, который участвует в оптимизации дыхания растений. Некоторые молекулярные составляющие гуминовых веществ приводят к формированию ростовых фитогормонов или действуют как «гормоноподобные» вещества, усиливают ферментативную активность, в частности содержание каталазы, пероксидазы, дифенилоксидазы и инвертазы. Вермиудобрения влияют на детоксикацию или инактивацию токсикантов в почве – ее обычно связывают с сорбционной емкостью биогумуса, количеством сильных и слабых кислых функциональных групп, гидрофобностью, сорбционной емкостью в отношении тяжелых металлов и ксенобиотиков.

На взгляд Демина В.В.[21], Терентьева В.А., Завгородней Ю.А. и Бирюкова М.В. [16] биологическое действие гуминовых веществ на живые организмы обусловлено тем, что интактные молекулы гуминовых веществ и остатки их внутриклеточного переваривания локализуются в клеточных стенках или в слое, непосредственно, примыкающем к цитоплазматической мембране [17, 20, 22]. Таким образом, на поверхности живой клетки возникает подобие активного ажурного фильтра, способного выполнять следующие функции:

• перехватывать ионы тяжелых металлов, связывая их в устойчивые комплексы хелатного типа;

• перехватывать молекулы ксенобиотиков;

• связывать свободные радикалы, образующиеся в плазматической мембране, в результате перекисного окисления липидов.

Из литературы известно, что гуматы безвредны для человека и животных, не обладают аллергирующим, анафилактогенным, тератогенным, эмбриотоксическим и канцерогенными свойствами [12,13,14,15].

1.3. Ассортимент выпускаемых гумусовых препаратов

Ассортимент выпускаемых регуляторов обмена веществ гуминового происхождения:

- гуминат - гумат натрия. Разработан в Днепропетровском СХИ, представляет собой натриевые соли суммы гуминовых кислот в виде порошка. Получают методом щелочной экстракции. Препарат относится к биогенным стимуляторам;

- гумин НS-1500 – синтетический продукт, биоаналог гуминовым веществам. Получают путем аутооксидации, производят в виде щелочной соли высокой степени чистоты и постоянного состава (фирма Rudgers-Werke, ФРГ). Исходными продуктами являются ароматические полигидроксильные соединения, преобразуемые многоступенчатой реакцией в препарат со средней молекулярной массой 1500. Полученное гуминовое вещество полностью и легко растворяется в воде;

- биостимулятор торфяной (БСТ). Разработан во ВНИИ торфяной промышленности (г. Санкт-Петербург). Препарат получают окислением кислородом воздуха водно-щелочной суспензии торфа. Получаемые продукты окисления представляют собой полифункциональные органические кислоты с молекулярной массой от 1000 до 40000;

- оксидат - предложен институтом торфа АН БССР. Получают его по новой технологии при окислении-аммонизации торфяной органики. Препарат представляет собой жидкость, содержащую 5-10% сухого вещества, в которой имеется широкий спектр макро- и микроэлементов.

- нитрогуминовый стимулятор (НГС). Технология получения разработана в Калининском филиале ВНИИТП методом окисления азотной кислотой верховых торфов повышенной степени разложения с последующей нейтрализацией аммиачной водой;

- гумадапт – новый гуминовый препарат, регулятор обменных процессов и активный детоксикант и другие [18, 19].

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Материалы и методы исследований

Материалом для исследования послужил вермикомпост (Приложение – I , таблица - 1), полученный в мини-вермилаборатории Испытательной лаборатории УНИЦ «Агротехнопарка» ФГБОУ ВПО БелГСХА им.В.Я.Горина от компостных червей гибридной линии Белгородская [23, 24] (Приложение – II). Это структурированный продукт темно-коричневого цвета с приятным землистым запахом. Из него получали гуминовый препарат. Рабочий раствор гуминового препарата готовили на дистиллированной воде путем разбавления исходных концентратов. Тестирование биологической активности полученного препарата осуществляли на семенах огурцов в соответствие с ГОСТ Р 54221, рН - ГОСТ Р 54221.

В работе также приведены данные лабораторных исследований полученного гуминового препарата, которые были проведены в аккредитованной испытательной лаборатории с использованием аппаратуры и приборов для химического исследования состава препаратов.

По данным элементного состава оценивались изменения в химическом составе микрокомпозитов выделенных фракций. Массовую долю влаги определяли по ГОСТ Р 52917; зольность - по ГОСТ 11022; общий азот, азот аммонийный и нитратный - ГОСТ 26715, ГОСТ 26716; свободные гуминовые кислоты (ГК) - ГОСТ Р 54221 и ГОСТ 9517; Р₂О₅ и К₂О - ГОСТ 26 717, ГОСТ 26718; минеральные элементы - по ГОСТ 30692; определение группового фракционного состава гумуса осуществлялось по схеме Тюрина в модификации Пономаревой и Плотниковой.

Факторы, влияющих на выход гуминовых кислот: температура, время экстракции, концентрации щелочи, массовое соотношение субстрат : щелочь. Оптимальными условиями экстракции гуминовых кислот из вермикомпоста являются: температура экстракции – 25 ⁰ С, время проведения экстракции -24 часа, с использованием ротатора – 240 мин, концентрации щелочи для экстракции – 0,2 н NaOH, концентрации кислот для осаждения ГВ – 1н H₂SO₄ .

Меры безопасности:

• Класс oпаснoсти перпарата – IV (малoопасное вещество)

• При работе неoбхoдимo пoльзоваться перчатками, нельзя пить, курить, принимать пищу. Пoсле работы следует вымыть лицo и руки водой с мылом.

• При пoпадании на кожу - прoмыть водoй с мылом.

• При попадании в глаза - прoмыть большим количеством воды.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Путем подбора параметров и реактивов для экстракции и осаждения гуминовых веществ был получен гуминовый препарат с максимальным выходом растворимых гуминовых кислот.

Таблица 2 – Выход гумусовых кислот

3.1. Физико-химический состав гумата натрия

Химическая характеристика гуминового препарата представлена в таблице 3 (данные Испытательной лаборатории БелГСХА).

Таблица 3 - Физико-химический состав гумусового препарата

При определение рН приготовленного раствора выяснили, что значение этого показателя находится в пределах 7,89–8,75, что предполагает стабильность препарата в отношении фотодеструкции и повышенную устойчивость к воздействию света.

3.2. Изучение биологической активности препарата

В опытах на семенах огурцов под действием 0,005% водных растворов, приготовленных из изучаемого препарата, отмечено увеличение всхожести семян, биологической активности ГК по увеличению массы проростков, длины стеблей и корней в среднем на 2,0–4,0% (табл. 4, рис. 2-3 ). Всхожесть семян на третьи сутки выращивания составила 62 % против контроля 35%. То есть все препарат служил стимулятором всхожести семян в тестовом опыте.

Таблица 4 – Биологическая активность гуминовых препаратов

Рис. 2. Изучение интенсивности роста зародышевых корешков

методом тестирования на семенах огурцов по ГОСТ Р 54221– 2010

Рис. 3. Изучение интенсивности роста зародышевых корешков

методом тестирования на семенах огурцов по ГОСТ Р 54221– 2010

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выделен препарат ГУМАТ НАТРИЯ из вермикомпоста (полученного при переработке навоза компостными червями гибридной линии Белгородская, Приложение - 2). Препарат содержат в 1 л: гуминовых кислот не менее 78г, питательные вещества фосфор, калий, натрий, сера и биогенные микроэлементы.

Полученный препарат можно использовать для производства органической продукции, для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Рекомендательно препарат ГУМАТ НАТРИЯ применять в виде рабочего раствора концентрацией 0,005-0,01% по основному веществу путём предпосевной обработки посевного или посадочного материала и некорневой обработки растений в период вегетации.

Экономическая эффективность – применение гуминовых препаратов повышает урожайность сельскохозяйственных культур в среднем на 5-17%.

5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.СанПиН 2.3.2.2354 - 2008. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, VI. Санитарно-эпидемиологические требования к органическим продуктам. Дополнения и изменения № 8 к СанПиН 2.3.2.1078-01. Зарегистрировано в Минюсте России 23.05.2008 № 11741

2.ГОСТ 9517-94 Топливо твердое. Методы определения выхода гуминовых кислот- М.: изд. Стандартов. -1996

3.ГОСТ 26713–85. Удобрения органические. Метод определения влаги и сухого остатка. - М.: изд. Стандартов. -1986, с. 4-6.

4. ГОСТ 26715–85. Удобрения органические. Метод определения общего азота. – М.: изд. Стандартов. -1986, с. 9-20.

5.ГОСТ 26716–85. Удобрения органические. Метод определения аммонийного азота. - М.: изд. Стандартов. -1986, с. 21-28.

6. ГОСТ 26717–85. Удобрения органические. Метод определения общего фосфора. - М.: изд. Стандартов. -1986, с. 29-34.

7. ГОСТ 26718–85. Удобрения органические. Метод определения общего калия. - М.: изд. Стандартов. -1986, с. 35-38.

8.ГОСТ 30178-1996. Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов

9.ГОСТ 30692-2000. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Атомно-абсорбционный метод определения содержания меди, свинца, цинка и кадмия

10. ГОСТ Р 52917–2010. Гуминовые препараты из бурых и окисленных каменных углей. Методы испытания. – М.: Стандартинформа- 2012

11.ГОСТ Р54221-2010 Гуминовые препараты из бурых и окисленных каменных углей. Методы испытания. – М.: Стандартинформа- 2012

12.Асмаев М.П. Кинетическая модель процесса получения биогумуса с использованием вермикультуры / М.П.Асмаев, Д.Л. Пиотровский // Изв.вузов.пищетехнолгия. -1997. - № 2-3. С.84.

13.Балабанов С.С. Попытки исправить (ускорить) естественный процесс гумусообразования в обрабатываемых почвах / С.С. Балабанов, Н.И. Картамышев, В.Ю. Тимонов, Н.М. Чернышева // Вестник Курской ГСХА. – 2010. –№ 1– с.63 – 66

14.Барне А. Ж. Динамика сброса коконов у компостного червя Eisenia foetida / А.Ж. Барне // В сб.: Материалы I-й международной конференции «Дождевые черви и плодородие почв». – Владимир, 2002. – С. 7 – 8.

15.Беркович А.М. Антиоксидантные свойства нового ветеринарного препарата, содержащего гуминовые вещества – лигфола /А.М. Беркович, С.В. Бузлама // Свободные радикалы, антиоксиданты и здоровье животных: международная научно-практическая конференция, 21-23 сентября 2004 г., Воронеж: сб. науч. тр. – Воронеж: изд-во ВГУ, 2004. – С. 174-179

16.Бирюкова О.Н. Характеристика органического вещества вермикомпостов / О.Н. Бирюкова, Суханова Н.И. // Материалы IV Международного конгресса по биоконверсии органических отходов/, г. Ковров-2004

17.Болотецкий Н. М. О технологии получения гибридных линий навозного червя Eisenia foetida (Sav.) / Н.М. Болотецкий, Кодолова О. П., Нефёдов Г. Н., Правдухина О. Ю., Трувеллер К. А. // В сб.: Тезисы докладов II Международной конгресса. Биоконверсия органических отходов народного хозяйства и охрана окружающей среды. - Ивано-Франковск. - 1992. - С. 17-18.

18.Быкин А.В. Биологические аспекты воспроизводства плодородия почвы при внесении вермикомпоста. / Быкин А.В. // Агрохимический вестник. – 1997. - №6. - стр.5-6.

19.Гоготов И.Н. Характеристика биогумусов и почвогрунтов, производимых некоторыми фирмами России / И.Н.Гоготов // Агрохимический вестник. – 2003. - №1. - стр.11.

20.Горовая А.И. Гуминовые вещества. Строение, функции, механизм действия, протекторные свойства, экологическая роль / А.И.Горовая, Орлов Д.С., Щербенко О.В. // Гуминовые вещества. Строение, функции, механизм действия, протекторные свойства, экологическая роль. - Киев, Наукова Думка. - 1995.

21.Демин В.В. Вероятный механизм действия гуминовых веществ на живые клетки / В.В.Демин, Терентьев В.А., Завгородняя Ю.А., Бирюков М.В. // В сб.: Материалы IV съезда Докучаевского общества почвоведов. Новосибирск, 9-13 августа 2004г.-Новосибирск, Изд-во Наука-центр, 2004. - С. 494

22.Евлоев Я.В. Эффективность современных форм организации сельскохозяйственного производства / Я.В. Евлоев // Международный сельскохозяйственный журнал. - 2000. № 3 - с. 10 - 14.

23.Олива Т.В. Современные подходы к выращиванию экологически чистой растениеводческой продукции в условиях защищенного грунта / Т.В.Олива // В сб.: Решение экологических проблем при производстве сельскохозяйственной продукции, Белгород, 2004.-С.50-52.

24.Олива Т.В. Опыт выращивания экологически чистой растениеводческой продукции в теплице с применением вермикомпоста / Т.В.Олива, Николаева И.В // В сб.: Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Биотехнология на службе сельского хозяйства», Рязань, 2004.- С.44-48.

25.Орлов Д.С. Сравнительная характеристика некоторых вермикомпостов / Д.С. Орлов, Аммосова Я.М.., Садовникова Л.К. и др. // В сб. : Тез. докл. 3 междунар. конгресса “Биоконверсия органических отходов”. - Москва.- 1994 г. - С. 69-70.

26.Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Саврова А.Л. // Доклады АН, сер. «Геохимия», 1995, 345(4), – С. 1-3.

27.Христева Л.А. Действие физиологически активных гуминовых кислот на растения при неблагоприятных внешних условиях / Христева Л.А. // Гуминовые удобрения: теория и практика их применения. Днепропетровск, 1973, Т.4, с.15-23.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение I

Таблица 1 - Характеристика вермикомпоста на основе навоза КРС

Приложение II

Фото 1. Компостный червь из рода эйсении Белгородской линии

Приложение III

Фото 2. Созданный вермикомпост в вермидорожке