Содержание к диссертации
Введение
1 . Уровень изученности роли лигнина в плодородии почв 15
1.1. Некоторые особенности строения лигнина 15
1.2. Роль лигнина в процессе гумусообразования 21
1.3. Гидролизный лигнин, его получение и особенности 25
1.4. Использование лигнина и его производных в сельском хозяйстве 27
2. Объекты и методы исследований 36
2.1. Характеристика природных условий Северо-Запада России 36
2.2. Объекты и методы исследований 40
3. Моделирование процессов трансформации органического вещества и выбор критериев его качества 55
3.1. Агрохимическая оценка качества субстрата в процессе его использования 56
3.2. Изучение динамики группового и фракционного состава гумуса в процессе трансформации субстрата 58
3.3. Оценка физиологической активности как критерий качества субстрата 67
Резюме 71
4. Моделирование процесса окислительно-гидролитической трансформации гидролизного лигнина 74
4.1. Физико-химические свойства продуктов трансформации лигнина 82
4.2. Низкомолекулярные продукты трансформации лигнина и специфика их функций 94
Резюме 102
5. Роль лигнина как источника физиологически активных веществ 104
5.1. Выделение гумусоподобных препаратов с высокой физиологической активностью в процессе трансформации лигнина 106
5.2. Влияние лигниновых препаратов на сельскохозяйственные растения 113
5.2.1. Влияние предпосевной обработки семян лигниновыми препаратами на продуктивность и качество выращиваемых растений 113
5.2.2. Динамика действия различных концентраций лигниновых препаратов на растения при внесении их в почву 116
5.3. Влияние лигниновых препаратов на продуктивность и качество томатов 122
5.3.1. Сортовая реакция томатов на биопрепараты 122
5.3.2. Изменение биохимических показателей листового аппарата растений томата под действием биопрепаратов 126
5.3.3. Влияние биопрепаратов на качество плодов томатов 128
5.4. Влияние лигниновых препаратов на продуктивность и качество огурца 130
5.4.1. Сравнительное действие лигниновых препаратов и других ФАВ на сортовую реакцию огурца 131
5.4.2. Снижение поражения огурца корневой гнилью при использовании ФАВ 136
5.4.3. Действие исследуемых ФАВ на биохимические показатели растений огурца 142
5.5. Влияние лигниновых препаратов и других ФАВ на продуктивность и качество пекинской капусты 146
5.5.1. Влияние обработки семян ФАВ на биометрические показатели пекинской капусты 147
5.5.2. Влияние биопрепаратов на урожайность пекинской капусты 150
5.5.3. Влияние биопрепаратов на накопление нитратов в листовой массе пекинской капусты 152
5.6. Влияние физиологически активных препаратов на продуктивность и качество редиса 157
5.6.1. Влияние ФАВ на урожайность редиса 157
5.6.2. Влияние ФАВ на качество корнеплодов редиса 159
5.7. Механизмы действия лигниновых препаратов на растения 160
Резюме 171
6. Влияние гидролизного лигнина и удобрений на его основе на продуктивность растений и биопродукционные процессы в фитоценозах 173
6.1. Влияние гидролизного лигнина и лигнинонавозного компоста на урожайность и качество растений в условиях производства 174
6.2. Действие гидролизного лигнина на фитосанитарное состояние почв в условиях производственных экспериментов 181
6.3. Влияние гидролизного лигнина и лигниновых удобрений на агрохимические свойства дерново-подзолистых почв 187
6.4. Особенность минерализации гидролизного лигнина в различных агроэкологических условиях 203
6.5. Участие лигнина в биотрансформационных процессах 221
6.6. Выбор оптимальных условий получения лигнинонавозных компостов 228
Резюме 234
7. Значение лигнина в агрофитоценозе 237
7.1.1. Специфика реакции растений на гидролизный лигнин 238
7.1.2. Влияние модифицированного лигнина на урожайность люпина и овса 248
7.1.3. Влияние различных способов нейтрализации гидролизного лигнина на урожайность злаков и бобовых 253
7.2. Влияние гидролизного лигнина на продуктивность и качество компонентов агроценоза 256
7.2.1. Влияние возрастающих доз лигнина на продуктивность и качество ячменя 257
7.2.2. Последействие лигнина на урожайность многолетних трав 261
7.2.3. Реакция различных хозяйственно-ботанических групп травостоя на лигнин 267
7.2.4. Влияние лигнина на качество сена многолетних трав 273
7.3. Влияние поверхностного внесения гидролизного лигнина на продуктивность и видовой состав пастбищного травостоя 275
7.4. Роль продуктов трансформации лигнина в агроценозе 280
7.5. Роль гидролизного лигнина при формировании многовидовых растительных сообществ 285
Резюме 291
Выводы 296
Рекомендации производству 299
Список литературы 301
- Использование лигнина и его производных в сельском хозяйстве
- Изучение динамики группового и фракционного состава гумуса в процессе трансформации субстрата
- Низкомолекулярные продукты трансформации лигнина и специфика их функций
- Влияние лигниновых препаратов на сельскохозяйственные растения
Введение к работе
Современное земледелие должно основываться на комплексных, экологически оправданных методах хозяйствования с целью рациональ-
* ного использования почвы, водных ресурсов и воздуха для удовлетворе-
ния потребности человечества в высококачественной продукции. Для решения этих задач предлагаются концептуально новые пути (Щербаков, Володин, 1990; Кирюшин и др., 1993; Кирюшин, 1993, 1996; Жученко, 1996, 2000; Семенов, 1998; Каштанов, Ермаков, Якушев, 1999; Ермаков, 2002 и др.).
Ф «Только смена парадигмы природопокорительного отношения на при-
родогармоничное взаимодействие общества с биосферой, - подчеркивает А.А.Жученко (1996), - позволит преодолеть возникший глобальный кри-
^ зис». Применительно к сельскохозяйственному производству решение
этой важнейшей проблемы возможно лишь на основе разработки и повсеместного применения ресурсо- и энергосберегающих адаптивных технологий.
При современных кризисных экономических условиях в сельскохозяйственном производстве особую проблему представляет деградация почв, связанная с резким уменьшением средств, поддерживающих почвенное плодородие. Особую актуальность эти вопросы имеют в Нечерноземной
*' Зоне России, где преобладают бедные гумусом дерново-подзолистые поч-
вы. По данным В.Н.Ефимова и А.И.Иванова (2001) даже хорошо окультуренные дерново-подзолистые почвы данной почвенно-климатической зоны в настоящее время подвержены скрытым деградационным процессам. Интенсивное использование таких почв без применения удобрений приведет к катастрофическому их истощению.
Комплексная агроэкологическая оценка плодородия почв и примене-ния удобрений позволила В.М.Красницкому (2002) сделать вывод о том, что сокращение до минимума использования минеральных и органиче-
« ских удобрений, после его наращивания в предыдущие три десятилетия,
вызывает сложные, мало изученные и до конца не проявившиеся изменения. В настоящее время под угрозу поставлено само состояние плодородия почв - основного фактора, определяющего уровень земледелия и успешное функционирование в целом сельского хозяйства.
Поскольку основные источники получения традиционных органических удобрений не могут восполнить их углубляющегося дефицита, од-
А ним из основных путей выхода из кризисной ситуации является использо-
вание в качестве источников органических удобрений нетрадиционных видов органического сырья. К числу продуктов для получения органиче-
ских, органо-минеральных, комплексных и других видов удобрений можно отнести гидролизный лигнин (ГЛ). Перспективы его использования в земледелии, как в чистом виде, так и в составе удобрений и продуктов модификации, достаточно хорошо изучены и представлены в многочис-
* ленных работах (Чудаков, 1966, 1971, 1983; Иванова 1970, 1988, 1991; Ка
зарновский, 1974; Русу, 1976, 1979; Телышева, Панкова, 1978; Егоров,
1979; Цуркан, Русу, 1980; Осиновский и др., 1982; Тикавый и др., 1983;
Цуркан, 1985, Батиров, 1987; Виленчук, 1988; Комаров, 1988, 1990; Яки
менко, 1991; Виноградова, 1993, 2000, 2001). Этой проблеме были по
священы конференции, семинары: Всесоюзная конференция по исполь-
ф зованию лигнина и его производных в сельском хозяйстве (1978, 1985);
Всесоюзная конференция по химии и использованию лигнина (1987); Научно-технический семинар по использованию лигнина и его производных
*v в сельском хозяйстве (1989). Проблеме включения отходов гидролизного
производства в биологический круговорот веществ был посвящен сборник трудов Коми НЦ Уральского отделения АН СССР, опубликованный в 1989 году.
Однако, в связи с формированием рыночной экономики, многоукладных форм производства и собственности на землю, установившиеся ранее и апробированные системы земледелия оказались нарушенными. Изменился характер и объемы гидролизного производства. До перестройки
* гидролизный лигнин представлял собой многотоннажный производствен
ный отход, от которого необходимо было избавиться, и он чаще всего вы
возился в отвалы или сжигался. Поэтому стратегия использования лигни
на первоначально была направлена на то, чтобы привлечь его в сельско
хозяйственное производство и доказать эту возможность. Изучению этой
проблемы была посвящена кандидатская диссертация автора - «Эффек
тивность гидролизного лигнина, удобрений и биопрепаратов на его осно-
ве при возделывании сельскохозяйственных культур на дерново-
подзолистых почвах Северо-Запада РСФСР». После перестройки весьма
# затратным стало гидролизное производство. Гидролизный лигнин превра-
тился из отхода производства в ценное сырье для медицины (полифепан и др.), сельского хозяйства (биопрепараты и удобрения) и строительства. Таким образом, возникла стратегически обоснованная задача поиска путей наиболее эффективного использования ГЛ. Потребовался анализ всего имеющегося материала и пересмотр отношений к лигнину.
В настоящее время основные направления исследований сосредоточе-
ны на включении отходов в биологический круговорот и связаны с агро-
экологическим обоснованием их использования (Орлов, Якименко, Ам-
мосова, 1993; Хмелинин, Швецова, 2000; Виноградова, 2000; 2001; Чебо-
тарев и др., 2001). Немаловажное значение в этих исследованиях имеет участие как самого лигнина в процессе гумификации, так и продуктов его трансформации в роли физиологически активных регуляторов, и их включение в динамику биопродукционного процесса, что еще недостаточно
# изучено.
Актуальность темы исследований определяется еще и тем, что лигнин, как компонент растений, является возобновляемым соединением. Ограниченность запасов ископаемых ресурсов, постоянный рост цен на основной источник химического сырья - нефть, заставляют обратить особое внимание на использование потенциала растительного сырья.
щ В процессе фотосинтеза ежегодно образуется около 200 млрд. тонн
растительной биомассы, что более чем в 20 раз превышает суммарную добычу угля, нефти, газа. Из всех видов биомассы важнейшим для про-
. мышленной химической переработки является древесина. Мировые запа-
сы ее определяются ориентировочно в 350 млрд.м3. В этом основное преимущество растительной биомассы перед другими источниками сырья в аспекте ее будущего использования. Общее количество перерабатываемой древесины в мировом масштабе составляет около 2 млрд.м3, где на долю химической переработки приходится около 15 %. Для гидролизной промышленности основным растительным сырьем служат древесные отходы (опилки, стружка, обрезки, кора). Дальнейшая перспектива химиче-
разработанных научных идей, так и на выборе новых направлений научных исследований, в том числе безотходного использования лигнина (Карливан, 1982). ГЛ представляет собой не только отход гидролизных и биохимических производств, связанных с гидролитическим расщеплением растительного сырья, но и ценное модельное соединение, изучение трансформации которого объединяет сферу фундаментальных и прикладных исследований.
Совершенно неожиданное значение тема лигнина приобретает в связи с
# грядущей экспансией трансгенных растений в сельскохозяйственное про-
изводство (Бельков и др., 2003). Оказалось, что один из эффектов трансгенных растений заключается в том, что при их присутствии в растениях значительно повышается синтез лигнина (Kuiper et al., 2001). Так, при изучении десяти гибридных линий ifr-заіциіценной кукурузы обнаружено, что все они характеризовались повышенным, на 33-97 %, содержанием лигнина (Saxena, StotzJky, 2001). Полагают, что подобный эффект может
ф иметь серьезные экологические последствия. В этой связи роль лигнина
может стать определяющей в сохранении самой жизни на Земле. Если бы древние растения не мигрировали из мелководных морей ранней Земли на
бесплодную сушу континентов, то жизнь, которую мы знаем и наблюдаем сейчас, возможно, никогда бы не появилась. Есть версия, что эта массивная колонизация растениями суши, возможно, была стимулирована единственной генетической мутацией, которая позволила примитивным растениям производить лигнин, структурные и иные особенности которого обеспечили выживание растений в изменившихся условиях, а устойчивость к биодеградации послужила основой плодородия почв.
В целях развития теоретических основ применения ГЛ в сельском хозяйстве, необходимо изучение механизмов его трансформации, что достигается на основе моделирования процессов, с формированием научной базы знаний. Реализацию программы исследований обеспечил интегральный подход к анализу проблемы в целом, который дал возможность по-новому оценить роль лигнина в процессе его трансформации как естественного регулятора внутрипочвенных процессов и специфики реакции растений, регулирующего взаимоотношения их в сообществе. Это раскрывает практическую возможность управления биопродукционным процессом в агроценозах, обеспечивая реализацию перехода от природопо-корительного отношения к природе к природогармоничному.
Целью наших исследований явилось комплексное изучение роли гидролизного лигнина в плодородии почв и питании растений как активного агента гумусообразовательного и биопродукционного процессов.
В задачи исследований входило:
Изучить динамику процесса трансформации органо-минерального субстрата, применяемого в условиях тепличного хозяйства и выявить наиболее информативные критерии его оценки;
Рассмотреть модель окислительно-гидролитической трансформации гидролизного лигнина и оценить физико-химические свойства продуктов трансформации;
Исследовать физиологическое влияние биопрепаратов из лигнина на урожайность и качество овощных и полевых культур;
Оценить влияние гидролизного лигнина и удобрений на его основе на плодородие почв, урожайность, качество и структуру урожая возделываемых растений;
Изучить особенность минерализации гидролизного лигнина в различных экологических условиях;
Определить значение лигнина в агрофитоценозе.
Научная новизна
1. Выявлены наиболее информативные критерии оценки динамики каче
ства органо-минерального субстрата для культивирования на нем расте
ний.
2. Рассмотрен процесс окислительно-гидролитической трансформации
гидролизного лигнина в водно-щелочной среде в аспекте обоснования
гипотезы гумификации Л.Н.Александровой.
Впервые исследована сортовая и видовая реакция сельскохозяйственных культур на лигниновые препараты, образующиеся в процессе его трансформации.
В различных агроэкологических условиях оценена скорость минерализации гидролизного лигнина; впервые произведен сопряженный биохимический и математический анализ долевого участия составляющих его компонентов, в том числе лигниновой основы.
Изучена роль гидролизного лигнина в питании растений и плодородии почв.
Основные положения, выносимые на зашиту
Аргументация активной роли гидролизного лигнина в гумусообра-зовательном и биопродукционном процессах.
Кинетика минерализации гидролизного лигнина в условиях различных фитоценозов.
Модель ускоренной окислительно-гидролитической трансформации гидролизного лигнина для изучения механизма гумификации.
4. Особенности влияния гидролизного лигнина и продуктов его
трансформации на урожайность и качество растениеводческой
продукции.
Практическая значимость работы и реализация исследований
1. Определены способы выделения и использования в растениеводстве физиологически активных продуктов из ГЛ в качестве стимуляторов роста растений (А.с. № 1336966). Изучена специфика реакции растений на изменение концентраций продуктов трансформации лигнина.
Показаны способы получения удобрений из ГЛ и их пролонгированный характер действия на урожайность и качество сельскохозяйственных культур.
Установлены новые функциональные особенности физиологически активных препаратов из ГЛ, проявляющиеся в качестве защиты растений от вредителей и болезней.
Изобретен способ регулирования уровня избыточного накопления нитратов в растениеводческой продукции, с помощью лигниновых препаратов (Ах. №1578147).
Установлена способность ГЛ и лигниновых препаратов регулировать видовой состав растений и служить средством борьбы с сорной растительностью (А.с. №1521338).
Результаты представленных в настоящей работе многолетних исследований позволяют оценить роль лигнина в процессе его трансформации как физиологически активного агента, регулирующего продуктивность растений. Это находит применение в формировании многокомпонентных аг-рофитоценозов, повышении плодородия почв, оптимизации биопродукционного процесса.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы изложены в докладах, сделанных на: зональной школе-семинаре молодых ученых СЗНИИСХ (Ленинград, 1984), Всесоюзной конференции по использованию лигнина и его производных в сельском хозяйстве (Андижан, 1985), научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ЛСХИ (1985-1990), Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов (Нарва-Йыэсуу, 1986), научной конференции молодых ученых и специалистов ЛСХИ (Пушкин, 1986), научно-практической конференции молодых ученых (Минск, 1986), Всесоюзных конференциях «Пути рационального использования удобрений и повышение плодородия почв», «Органическое вещество в почвообразовании и плодородии почв» (Ленинград, 1986), 7-ой Всесоюзной конференции по химии и использованию лигнина (Рига, 1987), совещании по методам оценки нетрадиционных химических мелиорантов (Ленинград-Пушкин, 1987), научно-практической конференции «Биологически активные вещества в сельском хозяйстве» (Ленинград, 1987), научной конференции «Генезис пахотных почв Нечерноземья и регулирование их плодородия путем химизации, мелиорации и агротехнических приемов» (Горький, 1987), Всесоюзной конференции по биологически активным полимерам и полимерным реагентам для растениеводства (Нальчик, 1988), конференции молодых ученых и студентов ЛСХИ (Ле-
нинград, 1988), научно-техническом семинаре по использованию лигнина и его производных в сельском хозяйстве (Ленинград-Пушкин, 1989), IV конференции молодых ученых (Пущино, 1989), VIII-m Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989), Всесоюзной конференции «Экологиче-
to ские проблемы накопления нитратов в окружающей среде» (Пущино,
1989), молодых ученых и студентов ЛСХИ (Ленинград, 1990), Всесоюзном совещании «Проблемы азота в интенсивном земледелии» (Новосибирск, 1990), III Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной радиологии (Обнинск, 1990), Всесоюзной конференции «Гуминовые вещества в биосфере, народнохозяйственное значение и экологическая роль»
ф (Москва, 1990), на международных конференциях: «Aspecte ecologice ale
folosirii si Protectiei resurselor de sol din Moldova» (Кишинев, 1990); «Soil compaction and soil management» (Tallinn, 1992); на Международном Коллоквиуме IAMFE/ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ99 (С-Петербург, 1999); «Ekologiczne aspekty mehanizacji nawozenia ochrony roslin і uprawy gleby» (Warszawa, 1999); «Экология и гуманизм» (Пушкин, 2000); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы опытного дела» (С-Петербург, 2000); на II и III Международных Конгрессах «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (С-Петербург 2000, 2003); Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях (Москва, 2001); «Экология и сельскохозяйственная техника» (С-
Ф- Петербург-Павловск, 1999, 2001, 2002); Международной научно-
практической конференции к 70-летию образования Агрофизического института «Агрофизика XXI века» (С-Петербург, 2002); II Международном симпозиуме «Современные проблемы ветеринарной диетологии и нутрициологии (С-Петербург, 2003). Материалы диссертации докладывались на научно-методических семинарах и ученых советах АФИ.
Производственные испытания удобрений и биопрепаратов на основе лигнина производилось в хозяйствах: «Осьминское», «Киришский», «Тельмана», фирме «Лето», ОПХ «Каложицы» Ленинградской области и
хозяйстве «Агрофил» Новгородской области.
Реализация результатов исследований
Результаты исследований использованы: для разработки новых технических решений (изобретений), для внедрения разработок в производство, в том числе, в адаптационном хозяйстве «Агрофил», а также ОПХ «Каложицы».
Публикации материалов по результатам исследований
По материалам диссертационной работы опубликовано самостоятельно и в соавторстве более 66 научных работ.
Личный вклад автора
Автору диссертации принадлежит: теоретическое обоснование и постановка проблемы, разработка программы и методик исследований, составление схем опытов, их закладка, наблюдения и проведение. Анализ структуры урожая и биохимическая оценка его качества. Методические разработки, обработка результатов исследований, обобщение и обоснование результатов исследований.
В совместных исследованиях принимали участие обучаемые под руководством автора студенты-дипломники на кафедрах агрохимии, овощеводства и фитопатологии ЛСХИ-СПГАУ. Условия проведения модельных экспериментов по окислительно-гидролитической трансформации ГЛ, технологическое обеспечение и техническую разработку осуществляли сотрудники лабораторий химии лигнина и делигнификации ВНИИГидро-лиз. Результаты исследований вошли в совместные публикации.
В процессе планирования, выполнения и обсуждения результатов автор получал советы от: доктора с.-х. наук А.И.Осипова, докторов с.-х. проф. Л.Н.Александровой, Г.А.Воробейкова, докторов б.н., проф. В.С.Шарашовой, В.Ф.Дричко, академиков РАСХН В.Н.Ефимова и Е.И.Ермакова, канд. техн. наук М.Н.Сибаровой и других ученых и специалистов научных учреждений и сферы производства. Автор выражает искреннюю благодарность директору АФИ В.П.Якушеву за предоставленную возможность подготовки и завершения диссертационной работы.
Использование лигнина и его производных в сельском хозяйстве
Основное внимание изучению использования лигнина и его производ ных в сельскохозяйственном производстве уделялось в 70...90-ых годах ХХ-века, причем, в основном, только на территории СССР. Это было свя- щ зано с тем, что основным поставщиком технических лигнинов являлась гидролизная (гидролизный лигнин) и целлюлозно-бумажная промышленность (лигносульфонаты). Их основные производства были сосредоточе- ны в союзных республиках Во время существования СССР гидролизная промышленность вырабатывала ежегодно до 1,5 млн.тонн ГЛ, а целлюлозно-бумажная (сульфит-целлюлозные заводы) получала свыше 3 млн.тонн технических лигносульфонатов (Чудаков, 1989). По данным НПО «Гидролизпром» на предприятиях СССР образовалось более 4 млн. тонн гидролизного лигнина естественной влажности, в 1990 г. его выпуск планировалось довести до 7-8 млн. тонн в год, а к 2005 г - ожидалось увеличение еще в несколько раз (Рябов, 1985). Несмотря на огромную эколого- экономическую значимость проблемы использования ГЛ, он в основном вывозился в отвалы, а перерабатыва- Ф лось только около 5 % (Чудаков, 1983). Около 30 % лигнина ранее сжига- лось (Евилевич и др., 1982). Этот путь утилизации лигнина нельзя считать рациональным. Для чисто энергетического использования лигнин является малоценным топливом, поскольку основная энергия расходуется на " подсушивание лигнина. Только после того как влажность лигнина будет доведена до 35 % влажности его теплотворная способность составит около 3600 ккал/кг (Домбург, 1982). Наиболее рациональным путем утилизации ГЛ и его производных было привлечение его в сельскохозяйственное производство. Проблеме использования лигнина и его производных в сельском хозяйстве были посвящены региональные и Всесоюзные конференции, научно-технические И семинары и диссертационные работы. Среди них следует выделить
Все- союзные специализированные конференции (Использование лигнина и его производных в сельском хозяйстве, 1978, 1985) и научно-технический семинар по использованию лигнина и его производных в сельском хозяйстве, который был организован при поддержке НТО на кафедре растениеводства ЛСХИ Р.Г.Ивановой в 1989 г. Из диссертационных работ по проблеме использования лигнина для условий Северо-Запада России можно отметить кандидатские диссертации: Р.Г.Ивановой «Лигнино- стимулирующее удобрение и урожай картофеля на Северо-Западе»; ф А.А.Комарова «Эффективность гидролизного лигнина, удобрений и био- препаратов на его основе при возделывании сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистых почвах Северо-Запада РСФСР»; О.С.Якименко «Влияние гидролизного лигнина и компоста на его основе на некоторые свойства подзолистой почвы юга Коми АССР». Докторскую диссертацию Р.Г.Ивановой «Урожайность сельскохозяйственных культур и качество продукции при использовании лигниновых удобрений j в условиях Нечерноземной зоны РСФСР», где подведен итог многолетних исследований и перспектив использования отходов гидролизной промышленности в растениеводстве. Изучению близкого аналога гидролиз- ного лигнина - целлолигнину посвящены кандидатская и докторская диссертации В.С.Виноградовой (1993, 2001). Оценивая отличительные особенности ГЛ, прежде всего, следует отметить его высокую устойчивость к разрушению. Известно (Брауне ДА., Брауне Ф.Э, 1964; Богомол и др., 1972; Александрова Л.Н., 1980; Орлов Д.С, 1985), что изолированный лигнин (лигнин растительных клеток) очень стоек к разрушению и воздействию плесневых грибов и бактерий, но особенно стоек ГЛ, содержащий значительное количество остаточной серной кислоты и долее конденсированные ароматические структуры (Чудаков, 1989). С целью активизации микробиологических процессов трансформации ГЛ и обогащения питательными элементами, предложены технологии его нейтрализации аммиаком, известью, щелочью с добавлением солей фосфора и калия, гумификации длительным компостированием, различных технологий модификации (Комаров, 1988; Чудаков, 1989; Иванова, 1989, 1991; Хмелини, Швецова, 2000). Может быть и иной подход, например В.Г.Бабицкая (1994) предлагает ферментативную деградацию лигнина мицелярными грибами, а Виноградова B.C. (2000, 2001) использует лигнин как промежуточный субстрат для выращивания съедобных грибов с последующим применением отработанных целлолиг-ниновых субстратов в качестве органических удобрений под полевые культуры. Оценивая перспективы использования ГЛ, Е.И. Ахмина и др. (1977), Г.М.Телышева, Р.Е.Панкова (1978), ВВ. Рябов (1985), В.Л. Кряжевский, А.И.Гущин (1986), В.Л. Страхов (1986, 1990), З.К, Благовещенская и др. (1989), И. А. Матарцева (1989) отмечали, что одним из наиболее перспективных направлений является применение его в сельском хозяйстве в натуральном виде, в виде составной части компостов и продуктов его деструкции. Переработка отходов гидролизных предприятий на удобрения способствует пополнению резерва органических удобрений, тем самым, замыкая цикл в использовании ценной части возобновляемой древесины, а также формированию экологически чистых зон вместо свалок этих отходов (Р.Г.Иванова, 1989). Лигнин и продукты, получаемые на его основе, предлагалось использовать в качестве удобрений, стимуляторов роста, инсектицидов, гербицидов, агентов, улучшающих почвенную структуру, добавок к пищевому рациону животных и т.д. (Телышева и Панкова, 1978; Цуркан и Русу, 1980; Гребень и др., 1981; Евилевич и др., 1982; Чудаков, 1983; Тикавый и др., 1983; Пилюгина, Кураєва, 1983; Цуркан, 1985; Сюткин и др., 1986, 1989; Страхов, 1986, 1990; Головачев, 1987; Иллялетдинов и др., 1988; Использование лигниновых...., 1988; Русу, 1988; Рекомендации ..., 1988; Благовещенская и др., 1989; Кулик и др., 1989; Варфоломеев, Мошкова, 1989; Гурицкая, Косинова, 1989; Швецова и др., 1989; Можар, Вашепру-дов, 1990; Иванова, 1991; Виноградова, 1993; Козлов, 1995; Козлов, Шкляров, 1996; Проблемы включения отходов..., 1998; Хмелинин, Шве-цова, 2000 и многие другие). После распада СССР развалилось и гидролизное производство. Однако, учитывая, что производство это основано на использовании возобновляемых ресурсов (древесины) для получения пользующегося спросом продукта (спирта), перспектива восстановления мощностей этой отрасли производства весьма вероятна. В настоящее время происходит постепен- ная реанимация гидролизной промышленности, правда, пока не в таких как раньше масштабах. На территории бывшего СССР гидролизное производство в большей степени сохранилось в республике Белоруси.
Про-блемы утилизации гидролизного отхода там и сейчас очень актуальны. По данным интернет-сообщений только на территории одного Бобруйского гидролизного завода накоплено более миллиона тонн лигнина. Грядущее объединение России и Белоруси поставит новые задачи рационального использования лигнина. Утверждается, что чистый ГЛ, содержащий остаток серной кислоты, не может применяться для улучшения плодородия почв (Чудаков, 1989). Действительно, такое утверждение справедливо в случае использования Ф его без предварительной нейтрализации на кислых почвах. Вместе с тем на солонцовых почвах, имеющих щелочную реакцию среды (рН 7,5-8,0), весьма эффективно применение именно кислого лигнина в качестве мелиоранта (Багненко и др., 1989). В условиях Узбекистана (Трушин и др., 1985) получен позитивный результат при использовании лигнина в дозах до 10 т/га. А.Т.Таштоджаев (1985) показал, что при использовании лигнина в качестве органического удобрения в дозах 10... 15 т/га он давал в опытах сравнительно небольшие прибавки урожая (порядка 1,5...2,5 ц/га), но характеризовался эффектом последействия. Внося лигнин в дозах 60 т/га на высоком фоне минеральных удобрений (N 350, Р2О5 - 250 кг/га, КгО 150 кг/га) на легкосуглинистых почвах А. Мананова и Б. Камилов (1985) получали прибавки хлопка-сырца: в первый год -0,81, второй - 0,27, третий -0,19, четвертый - 0,17 и пятый 0,04 т/га.
Изучение динамики группового и фракционного состава гумуса в процессе трансформации субстрата
Биохимическая оценка качества субстрата и, прежде всего, изучение динамики группового и фракционного состава гумусовых веществ (образующихся в процессе трансформации органо-минерального субстрата) призвана была ответить на производственные вопросы почвоутомления грунта (Терешенкова, Жигунов, Комаров, 1984).
В табл. 4. представлены данные изменения группового и фракционного состава гумусовых веществ субстрата в процессе его использования. Данные по изменению группового и фракционного состава гумусовых веществ различных сроков использования субстрата указывают на значительное увеличение доли всех фракций гуминовых кислот, особенно I фракции (бурых ГК).
Выявлено, что в процесс минерализации органического вещества вовлекаются не только его лабильные легкогидролизуемые компоненты, но и негидролизуемый остаток (представленный в основном лигнином). Рассматривая динамику процесса, условно разобьем его на три этапа. На начальных этапах минерализации органического субстрата (в первый год эксперимента) негидролизуемый остаток еще не вовлекается или слабо вовлекается в процесс минерализации. Более того, за счет интенсивной минерали зации гидролизуемых продуктов п оисходит относительное увеличение доли негидролизуемых продуктов в субстрате - с 41,31 до 44,48 %. Это первый этап окислительно-гидролитической трансформации органического вещества субстрата назовем - «гидролитическим этапом» или «гидролизом».
На последующих этапах (второй-третий год минерализации субстрата) происходит постепенное вовлечение в общий процесс трансформации также и негидролизуемых продуктов (лигнина). Доля негидролизуемого остатка на этом этапе трансформации уменьшается с 44,48 % до 36,37 %. Этот этап, условно названный этапом стабилизации, характеризуется затуханием гидролитических процессов. За счет уменьшения, «сработки» доли гидролизуемых продуктов субстрата с относительным нарастанием процессов трансформации, связанных не столько с потерей минерализуемого углерода, сколько перераспределением и перестройкой трудногидролизуе-мых и негидролизуемых компонентов субстрата. Это подтверждается данными нарастания доли специфических гумусовых веществ, образующихся в процессе трансформации субстрата. А также с изменением распределения специфических фракций гуминовых и фульвокислот. За первый год (на этапе «гидролиз») изменения содержания гумусовых веществ были незначительными и связанными, преимущественно, с изменением фракционного состава менее зрелых фульвокислот.
За первый год изменение содержания гумусовых веществ было незначительным и связанным преимущественно с изменением фракционного состава менее зрелых фульвокислот. Причем, как их общая доля, так и состав различных фракций уменьшался (за исключением первой фракции). На дальнейших этапах, в результате вовлечения в процесс трансформации доли лигниновых структур (доля негидролизуемого остатка уменьшилась на 18,2 % ), происходит нарастание доли гумусовых веществ - с 30,44 до 35,55 % к общему углероду (С) или на 14 % для гуминовых кислот, и с 25,07 до 28,08 % к общему С или на 11 % для фульвокислот. Характерно равномерное нарастание долевого участия во всех фракциях как гуминовых, так и фульвокислот. Эти данные еще раз подтверждают положения, выдвинутые Л.Н.Александровой (1970, 1980) о том, что процесс гумификации есть процесс окислительно-гидролитической трансформации органического вещества с поэтапной трансформацией лигниновых структур в специфические вещества гумуса. Особенно интенсивно процесс трансформации негидролизуемого остатка наблюдался на последующих стадиях (от третьего к пятому году эксперимента). Этот этап, условно названный «трансформация», обеспечивал вовлечение доли лигниновых структур в процесс гумификации. Так, доля негидролизуемого остатка уменьшалась с 36,37 до 14,14 % или на 61 %. Доля гумусовых веществ также значительно возрастала. Для гуминовых кислот - с 35,5 до 53,33 % к общему С или на 33 %, а доля фульвокислот - с 28,08 до 32,53 или на 14 %. По фракциям прослеживалась характерная картина перераспределения их долевого участия. Во всех фракциях гуминовых кислот наблюдалось их относительное увеличение. Для фракций фульвокислот относительное увеличение было зафиксировано только в IA и 1-ой фракции, в то время как для Н-ой и III-ей наблюдалось относительное уменьшение. Это еще раз указывает на характер плавного и постепенного перехода этапов процесса трансформации органического вещества в специфические гумусовые соединения, «вызревание» гумуса.
Степень гумификации оценивается как доля гумифицированного материала (гуминовых кислот) в составе органического вещества. Если, согласно «Практикуму по химии гумуса» (Орлов, Гришина, 1981), следовать формуле расчета степени гумификации (Сгк : Сфк) х 100, то вычисляется достаточно высокая степень гумификации в процессе трансформации субстрата. Причем, от исходного субстрата, где она составляет (30,36: 44,22) х 100=68,64 к субстрату, после пяти лет трансформации, где этот показатель составляет уже (53,33 : 19,52) х 1 00=273,2, относительное изменение показателей возрастает почти в 4 раза!
По мнению Д.С.Орлова (1990), этот важный показатель указывает, насколько полно органические остатки преобразуются в гуминовые вещества., Тип гумуса оценивается по отношению: Сгк : Сфк. Это гуматно-фульватное отношение, или отношение содержания углерода гуминовых кислот к содержанию углерода фульвокислот. Поскольку это величина безразмерная, ее можно вычислять по результатам анализа группового состава гумуса независимо от способа их выражения. Расчет этих соотношений не зависит от общего содержания гумуса в почве и, следовательно, от ошибок его определения. Относительное изменение отношения Сгк к Сфк по срокам трансформации субстрата (табл. 4.) указывает на улучшение качества гумуса. Так, если в исходном субстрате Сгк / Сфк составляло 1,07, указывая на близкий к фульфатно-гуматному характер его проявлений. То на этапах трансформации первого года, эти соотношения значительно повышались - до уровня 1,21 (гуматно-фульватного тип). К третьему году эти соотношения стабилизировались на уровне 1,27. И, наконец, к пятому году эти соотношения возрастали до 1, 64 (что уже близко к гуматному типу). Эти данные говорят и о нарастании процессов сополимеризации ароматических структур, уплотнении ядра гумусовых веществ, в постепенном «вызревании» гумуса. Все приведенные агрохимические характеристики и данные изменения группового и фракционного состава гумусовых веществ субстрата в процессе его эксплуатации в тепличном комплексе указывают на улучшение как количественных, так и качественных показателей. Вместе с тем, в процессе эксплуатации субстрата наблюдалось угнетение ростовых процессов саженцев сосны и ели (табл.5).
Низкомолекулярные продукты трансформации лигнина и специфика их функций
Наряду с действием высокомолекулярных продуктов трансформации лигнина немаловажную роль в биоценозе играют низкомолекулярные продукты деструкции лигнина и, прежде всего, фенольные соединения. Вместе с другими неспецифическими веществами они в большей степени влияют на динамические свойства почвы, связанные с сезонной динами- кой почвенно-биохимических процессов (Орлов, Садовников, Садовнико-ва, 1975). Для того, чтобы оценить роль низкомолекулярных продуктов деструк- ции ГЛ была проведена их оценка и идентификация (Комаров, Сибарова, Вальчук, 1986; Комаров, 1988; Сибарова, Комаров, 1991). Для исследования были выбраны экстракты оксидатов, полученные при оптимальных режимах окисления: опыт №1 ДЛ-2 препарат и опыт №2 ДЛ-5 препарат. Оценку низкомолекулярных продуктов деструкции ГЛ производили после предварительного разделения смеси продуктов его трансформации (ДЛ- препаратов) на высокомолекулярные (ЛГК) и низкомолекулярные соеди- нения, которые извлекались с помощью эфира и метилэтилкетона. Таким образом, из смеси продуктов трансформации ГЛ были выделены низкомолекулярные соединения в виде эфирного и метилэилкетонового экстрактов. Кислоты анализировались в виде метиловых эфиров, для чего были предварительно прометилированы диазометаном.
В экстрактах, методом газожидкостной хроматографии (ГЖХ), с помощью прибора Руе-104 были обнаружены низкомолекулярные продукты деструкции и иден- тифицированы следующие кислоты (табл. 12). В составе экстрактов в незначительных количествах обнаружены такие кислоты как: янтарная, лимонная, уксусная, муравьиная, оксибензой-ные, все изомеры фталевой, изомеры бензол-трикарбоновых, промеллито-вая, ванилиновая и сиреневая. Было показано, что в хроматограммах метиловых эфиров, независимо от способа (режима) окислительной трансформации лигнина, присутствовали одни и те же кислоты. То есть, их качественный состав был идентичен (Комаров, Сибарова, Вальчук, 1986). Вместе с тем, их содержание (соотношение площадей пиков) значительно различалось в количественном плане. Многие из этих кислот, например лимонная, ванилиновая, оксибензойные, присутствуют в почвах примерно в тех же концентрациях 0,05 -1,5 мг/100 г почвы (Л.Н.Александрова, 1980) и выполняют функцию естественных стимуляторов роста и развития растений (Александрова, 1983; Белынская и др., 1997). Из всего многооб разия фенолкарбоновых кислот наиболее объемными в почвах являются ванилиновая, п-оксибензойная, п-кумаровая, феруловая и сиреневая, т.е. именно те кислоты, которые были найдены нами в процессе деструкции лигнина (Харбон, 1985; Крупа, Фигурская, 1990). Существенные изменения в составе фенольных кислот выявлены ме жду освоенной и естественной почвами (Куваева, 1980). В освоенной поч ве обнаружен низкий уровень и узкий набор фенольных кислот, не имею щий существенных различий в случае использования навоза.
В подобных условиях систематически встречались п-оксибензойная и ванилиновая ки- слоты, в количествах, не превышающих 2-4 мкг/100 г сухой почвы. В ес- тественных почвах обнаружен широкий набор фенольных кислот с преобладанием феруловой (30-150 мкг), протокатеховой (20-30 мкг) кислот, а ванилиновой и п-оксибензойной было не более 15 мкг/100 г сухой почвы. В естественных почвах, в отличие от освоенных, ярко проявлялась сезонная динамика содержания и состава этих кислот. Последнее является результатом существенных изменений как исходных органических веществ (с разным количественным и качественным составом лигнина), так и режимов поступления и преобразования органических материалов, в зависимости от степени освоения почвы и культивируемых растений. Наличие идентифицированных соединений может указывать на возможную аналогию процессов окислительной деструкции фрагментов лигнина в почве. Так, в процессе биодеградации лигнина в условиях лесной подстилки Johansson Maj-Britt et al. (1986) показали, что среди простых фенольных компонентов, образующихся при окислении лигнина, преобладали ванилин и п-кумаровая кислоты, в меньшей степени присутствовали: ванилиновая, феруловая кислоты и п-гидроксибензальдегид. Учитывая, что в процессе трансформации лигнина на каждом этапе процесса образуется сложная смесь этих соединений, их физиологический эффект на растительные объекты будет определяться комплексов свойств, как продуктов трансформации (смеси активных веществ), так и особенностями отношения к этим активаторам растений, а также условиями их взаимодействия. Строение фенольных соединений (ФС) и их функции разнообразны. М.Н.Запрометов (1990) выделил следующие функции ФС: 1) образование главного полимера опорных тканей и компонента вторичной стенки лигнина, исходя из оксикоричных спиртов, как основы флаво-ноидов и оксикоричных спиртов, выступающих в качестве сополимери-зующихся элементов; 2) защита генетического и фотосинтетического аппарата от повреждающего действия УФ-излучения; 3) использование ФС в качестве резервного энергетического и дыхательного материала; 4) участие ФС в формировании защитного суберинового слоя при репарации механических повреждений; 5) ФС как факторы индукции вирулентности во взаимоотношениях растения - микроорганизмы; 6) ФС как ингибиторы прорастания семян; 7) экологические функции ФС.
Влияние лигниновых препаратов на сельскохозяйственные растения
В вегетационном опыте изучалось влияние предпосевной обработки семян в различных концентрациях лигнинового Црепарата на продуктивность ячменя и гороха, выращиваемых в смеси (табл. 14). В качестве лигнинового препарата нами был выбран оптимальный препарат ДЛ-5 (Комаров, 1988). Видно, что реакция, как ячменя, так и гороха на изучаемый биопрепарат, в целом, была однотипной. Наблюдалось положительное действие на растения препарата в малых (10"5 %) и сверхмалых концентрациях (от 10"7 %) и отрицательное действие в средних (10"4 %) и высоких (от 10 2 % и выше) концентрациях. Наибольший стимулирующий эффект наблюдался при сверхмалой концентрации препарата 10"7 % (для ячменя прибавка составила 44 % к контролю, а для гороха 10 %). Полученные результаты согласуются с данными других исследователей. В опытах А.Н. Старостина (1968) показано, что подобно АТФ гумат натрия, используемый в концентрациях 0,00001 моль/л, не только повышал энергию дыхания растений, но и снижал температурный коэффициент и порог активации процесса дыхания. Вместе с тем, особенность действия различных концентраций изучаемых препаратов выразилась в виде нескольких пиков активности и ингибирования. Ранее нами отмечена специфика реакции злакового и бобового компонентов на различные концентрации исследуемых препаратов (Комаров, 1988). Для ячменя статистически достоверно проявился дополнительно пик активности в области концентрации препарата 10 3 % (на 18 % к контролю), в то время как для гороха в этой же области концентрации препарата наблюдался ингибирующий эффект. Анализ действия препаратов на структуру урожая (табл. 15) позволил выявить неодинаковое влияние концентраций препарата на отдельные параметры растений.
Наибольшая общая кустистость отмечена для концентрации препарата 10"8 %. Наименьшая - на контроле и при концентрации препарата 10"6 %. По продуктивной кустистости наибольшие показатели наблюдались при концентрации препарата 10"7%, а наименьшие - при 10"2%. Большая масса растений была получена при концентрации препарата 10"5%, наименьшая - при 10-1%. По урожаю зерна самые высокие показатели от- мечены для варианта с концентрацией препарата 10"7%, самые низкие для варианта с концентрацией 10-4%. Самые высокие растения были на варианте с концентрацией 10 5%, низкие на вариантах 10"4 и 101%. Выявлено изменение отношения основной продукции (зерна) к побочной (соломе), которое характеризует еще одну особенность действия препарата, связанную с распределительной функцией лигниновых препаратов на физиологические параметры растений в процессе их роста и развития.
Действие возрастающих концентраций препарата на бобовые (горох) проявилось слабее, чем на ячмень, однако, общая тенденция влияния препарата сохранилась (табл.П.4.Приложение). Полученные данные, наряду с отмеченным ранее неравномерным изменением физиологической активности препаратов, указывают на возможное включение различных механизмов действия препаратов на растения в градиентах их концентраций.
В данном случае рассматривался другой способ применения того же препарата ДЛ-5, только вместо предпосевного намачивания препарат вводился в почву. Семена растений (ячменя и гороха) перед посадкой замачивались на 10 час в дистиллированной воде.
В первый год после внесения в почву препаратов минеральные удобрения не использовались, во второй и все последующие годы эксперимента в почву вносили минеральные удобрения NPK из расчета по 0,1 г действующего вещества на кг почвы. Препарат ДЛ-5 вносили в почву в виде раствора только в год закладки опыта, из расчета по 100 мл препаратов различных концентраций на 1 кг почвы. Таким образом, в сосуды с 5 кг почвы, препараты были внесены в дозах от 10 8 г или 0,01 мг (Ю-8 % раствор) до10г(10% раствор) на 1 кг почвы. Агрохимическая характеристика почвы перед закладкой опыта и условия его проведения даны в главе 2.
В действии разных концентраций препарата при внесении его в почву (табл. 16) и использовании тех же концентраций препарата, но путем замачивания в нем семян перед посадкой (табл. 14), проявилось однотипная тенденция с некоторыми отличиями, связанными, очевидно, с особенностями взаимодействия препаратов с почвой. И в том, и в другом случае при разных концентрациях препаратов отмечалось проявление нескольких пиков стимулирующей активности и зон ингибирующего действия. Вместе с тем, внесение препаратов в почву несколько изменило эффект их действия. Особенно заметны отличия в специфике реакции различных растений на разные концентрации препарата.
При намачивании семян, увеличение урожайности отмечалась в области концентраций 10"8...10"5 %, а уменьшение урожайности - в области концентраций Ю"4..! %. Полученные результаты согласуются с данными Л.А.Христевой (1947, 1962, 1968), отмечавшей, что между действием физиологически активных форм гуминовых кислот и других стимуляторов есть много общего. Прежде всего, это то, что как растворимые гуматы, так и известные стимуляторы усиливают рост и развитие растений только в очень низких концентрациях. В то же самое время, большие дозы этих веществ угнетающе действовали на растения.
