Агрохимия, 2022, № 4, стр. 18-23

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время основой ведения органического сельского хозяйства является применение в качестве удобрений растительных отходов, сидератов, а также гумусовых веществ естественного (природного) происхождения (только водные и щелочные экстракты) [1].

В связи с этим возникает необходимость поиска технологий получения экологически безопасных удобрений и комплексов, в состав которых входят гуминовые кислоты природного происхождения, костру конопли в качестве сырья для получения дополнительного количества биоорганических удобрений [2–4].

Специфические органические вещества, которые образуются после минерализации растительных остатков в виде костры технических культур, представляют собой относительно устойчивые высокомолекулярные азотсодержащие соединения сложного химического состава [5]. При использовании различных экстрагентов получают вытяжки препаратов, содержащих органическое вещество, по составу близкое гуминовым кислотам почв [6, 7]. Препараты, полученные различными методами, в том числе методом щелочной экстракции, обладают высоким потенциалом физиолого-биохимической активности и проявляют свойства регуляторов роста растений. Было показано стимулирование ими роста корневой системы растений, что способствовало активизации корневого питания [8, 9]. Несмотря на многочисленные исследования влияния различных препаратов растительного происхождения, остаются нерешенными вопросы особенностей состава и структуры органических веществ, полученных путем щелочной экстракции костры конопли и других растительных остатков.

Элементный анализ является одним из основных методов количественного определения элементов, входящих в состав гумусовых кислот, позволяет вскрыть особенности процессов трансформации органического вещества под воздействием различных антропогенных факторов [10, 11]. Данный метод служит для идентификации состава органического вещества, изучения изменений гумусовых веществ (ГВ), происходящих под влиянием различных биохимических агентов, составления простейших формул, а также для нахождения атомных отношений элементов (H/C, O/C и C/N) [12, 13].

Целью работы – сравнительный анализ количественного и качественного состава гумусовых кислот дерново-подзолистой почвы (как эталона) и гумусовых веществ, выделенных из костры конопли разной степени гумификации с целью оценки их использования в качестве экологически безопасного биоудобрения.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для решения поставленных вопросов были проведены аналитические исследования и сравнительная оценка элементного состава щелочной вытяжки, полученной из костры конопли и вытяжки, полученной из дерново-подзолистой почвы.

Образцы дерново-подзолистой почвы были взяты в варианте “чистый пар” длительного полевого опыта РГАУ–МСХА им. К.А. Тимирязева г. Москва в 2019 г. [10].

Костра конопли в разной стадии гумификации была предоставлена ООО “Пенькокомбинат”, который находится в Пензенской обл., Наровчатский р-н, село Наровчата.

Вылеживание стебля (моцерация) костры конопли происходил следующим образом. Срезанные части стебля оставались в поле, проходя процесс моцерации – разложения пектинов для дальнейшего отделения волокон от центральной части стебля. Прессование производили пресс-подборщиками как в круглые рулоны, так и прямоугольные тюки. Тюки с полей вывозили в хранилища площадью 1500 м². Отходы складировали в виде буртов в естественных условиях. Период гумификации костры составлял от 3-х до 5-ти лет [10].

После отбора почвенных образов методом предельного экстрагирования с помощью 0.1 н. раствора NaOH выделяли органическое вещество, представляющий собой комплекс ГВ (соотношение почва : раствор = 1 : 5 или 500 г почвы : 2.5 л щелочи). Полученный экстракт упаривали, центрифугировали и ставили на диализ до полной очистки. Затем опять упаривали до конца и получали препараты гумусовых веществ. Упаривали при температуре ≤50°C, чтобы не оказывать деструктирующего воздействия на гумусовые вещества. Согласно методике, разделения на гуминовые и фульвокислоты не проводили, а анализировали препараты как единый комплекс гумусовых веществ. Сделано предположение, что полученные таким образом препараты более четко отражают картину их реального нахождения в почве, т.к. кроме обработки раствором слабой щелочи на них не оказывали никакого воздействия [10]. Полученные препараты имели зольность ≈5.0%.

Для получения щелочных препаратов органического вещества (ОВ) из костры конопли использовали тот же метод предельного экстрагирования, что и с дерново-подзолистой почвой, до получения растворов желто-соломенного цвета [10].

Элементный анализ препаратов органического вещества проводили на автоматическом анализаторе фирмы “Паккард”. Определяли содержание углерода, водорода, азота, серы и фосфора, количество кислорода рассчитывали по разности. Степень окисленности (ω) рассчитывали по Орлову [14]. Если ω <0, то соединение восстановленное [15].

Содержание элементов представлено в массовых и в атомных процентах. Результаты элементного состава оценивали с использованием метода графостатистического анализа по Ван-Кревелену, что позволило по величине соотношения Н/С–О/С выявить процессы трансформации, предположительно формирующие соединения органической природы [12]. Теплоту сгорания гумусовых кислот определяли на основании их элементного состава по формуле Алиева [14].

Аналитические исследования проводили в трехкратной повторности. Статистическую обработку всех полученных результатов выполняли с использованием однофакторного метода дисперсионного анализа [16].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Оценка элементного состава образцов дерново-подзолистой почвы и костры разной степени гумификации показали (табл. 1), что гумусовые вещества почвы (контроль) содержали наибольшее количество углерода (42.4%). При этом количество углерода в костре конопли не зависело от степени гумификации и составляло ≈39%.

Отмечено, что в результате длительного формирования гумусовых кислот дерново-подзолистой почвы происходит потеря периферических малоуглеродных фрагментов и накопление более стабильных фрагментов с повышенным содержанием углерода. Было сделано предположение, что трансформация структуры гумусовых кислот может происходить как под действием системы агротехнических приемов, так и под влиянием почвенных микроорганизмов.

Выявлены существенные отличия по содержанию водорода в анализированных образцах. При этом максимальное содержание водорода характерно для ГВ почвы (5.1%), что почти в 2 раза больше содержания данного элемента в препаратах органического вещества костры средней стадии гумификации (2.7%). Для препаратов, выделенных из костры полной степени гумификации, отмечено достоверное увеличение содержания водорода (3.2%), что свидетельствовало о более развитой периферии в их составе [14].

Важными показателями оценки элементного состава гумусовых веществ являются изменения содержания не только углерода, но и кислорода [14]. Содержание кислорода в исследованных образцах менялось в пределах 48.7–58.2%. При этом отмечена обратная зависимость между содержанием кислорода и углерода. Показано, что чем больше было содержание кислорода в исследованных препаратах гумусовых веществ, тем меньше содержание углерода. Минимальное содержание кислорода (48.7%) было в образцах почвы, для которых отмечено максимальное количество углерода (42.4%). В то же время в образцах костры содержание кислорода менялось от 55.9 до 57.8%, содержание углерода – от 39.2 до 39.7% в зависимости от степени гумификации.

Минимальное содержание кислорода (48.7%), отмеченное для ГВ почвы свидетельствовало об обеднении их периферической части кислородсодержащими фрагментами. В препаратах костры конопли содержание кислорода было большим и составляло в образцах средней степени гумификации 55.9, в образцах полной степени гумификации –57.8%.

Содержание азота также отличалось в препаратах, полученных из исследованных образцов. Наибольшее содержание азота выявлено в ГВ дерново-подзолистой почвы и составило 3.9%. В образцах костры содержание азота было почти в 2 раза меньше, чем в образцах дерново-подзолистой почвы (контроля), составляло ≈2% и не зависело от степени гумификации.

Как полагает Д.С. Орлов [14], выражение элементного состава ГВ в массовых процентах не дает полного представления ни о роли отдельных элементов в структуре вещества, ни о тех изменениях, которые происходят с гумусовыми веществами при различных реакциях. Поэтому для более четкой характеристики элементного состава гумусовых веществ в табл. 2 представлено содержание органогенных элементов в атомных процентах [17]. При пересчете данных исследования в атомные проценты содержание атомарного углерода в составе ГВ дерново-подзолистой почвы было сопоставимо с рассмотренными вариантами опыта и составило 30.0%. Содержание углерода в составе органического вещества костры изменялось достоверно по сравнению с контрольным вариантом, но не зависело от степени гумификации и составило 32.7–33.9%. Небольшие отличия содержания углерода при расчете в атомных процентах, а также в массовых процентах, характеризовало препараты, приготовленные из костры, одинаковым углеродным скелетом независимо от степени гумификации. Оценка размеров содержания кислорода при пересчете в атомные проценты показала обратную закономерность по сравнению с содержанием углерода. В образце, полученном из дерново-подзолистой почвы, содержание кислорода составляло 25.3%, что меньше в 1.4–1.3 раза по сравнению с препаратами, выделенными их костры конопли. Повышение данного показателя в препаратах, полученных из костры конопли, могло свидетельствовать о значительной гидрофильности ГВ, что было обусловлено наличием гидроксо- и карбоксильных групп и, как следствие, определяло высокую емкость поглощения [14].

Гумусовые вещества дерново-подзолистой почвы характеризовались высоким содержанием водорода (42.4%), что в 1.5 раза больше по сравнению с препаратами, приготовленными из костры. Содержание водорода в препаратах органического вещества костры конопли зависело от степени гумификации и варьировало в пределах от 28.1 до 31.7%, что было несколько меньше содержания углерода и могло свидетельствовать о значительной доле ароматических структур в составе органического вещества. Необходимо отметить увеличение содержания водорода в составе ОВ костры с развитием процесса гумификации.

Установлено, что ГВ, полученные из дерново-подзолистой почвы, характеризовались наибольшим содержанием азота (2.3%). В препаратах, полученных из костры конопли, содержание азота было меньше по сравнению с контрольным вариантом в 1.4–1.5 раза и уменьшалось с развитием процесса гумификации и минерализации органических веществ. Это косвенно могло указывать на разрушение периферической части этих веществ. Содержание азота в органическом веществе, полученном из костры, было низким и составляло 1.5–2.2%.

Для выявления процессов трансформации, предположительно формирующих соединения органической природы, провели оценку соотношений H/C, O/C, C/N, степень окисленности гумусовых веществ, а также величину теплоты сгорания гумусовых веществ изученных образцов. Изучение данных показателей позволило сделать предположение о примерном составе полученных органических веществ. Особый интерес представляли органические вещества, экстрагированные из растительных образцов, поскольку результаты изучения состава данных препаратов позволило их рекомендовать в качестве физиологически-активных веществ для применения в растениеводстве при выращивании сельскохозяйственных культур.

Отношение С/N препаратов, полученных из дерново-подзолистой почвы, составляло 12.8, в то время как отношение С/N препаратов, полученных из костры, было гораздо более высоким (20.6–21.8), что свидетельствовало о весьма низкой обеспеченности органического вещества костры конопли азотом (табл. 3).

Расчет отношения Н/С и О/С для всех вариантов опыта показал долю углерода по сравнению с другими элементами, входящими в состав гумусовых веществ полученных препаратов. Несмотря на меньшее содержание углерода в препаратах из костры конопли по сравнению с ГВ дерново-подзолистой почвы, доля ароматических структур в их составе была значительно больше. Причем, доля содержания углерода в них возрастала в результате длительного процесса гумификации [18]. Необходимо также отметить высокое содержание кислородсодержащих фрагментов в структуре данных веществ.

На основании определения атомной доли элементов в составе гумусовых кислот была предпринята попытка определения брутто-формулы гуминоподобных веществ. Согласно полученным данным, можно сделать вывод, что структурные формулы органического вещества костры конопли в целом были сопоставимы с ГВ дерново-подзолистой почвы. В то же время отличие гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы от органического вещества костры конопли разной степени гумификации состояла в большей величине содержания водорода и азота в структуре макромолекул.

Показано, что величина теплоты сгорания гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы была больше и составила 3492 кал/г, что косвенно указывало на бóльшую конденсированность их молекул. Полученные показатели для органического комплекса вытяжки из костры (2578–2858 кал/г) были приблизительно сопоставимы с теплотой сгорания торфов (2000–2600 кал/г).

Расчеты атомных соотношений Н/С–О/С, полученные на основе результатов элементного анализа, дали возможность оценить принципы и строение гуминовых кислот, а также предположить схему построения молекулы и соотношение в ней ароматических и алифатических структур [19]. Результаты графостатистического анализа, проведенного в нашем исследовании, представлены на рис. 1. С точки зрения оценки результатов графостатистического анализа, диаграмма атомных отношений позволила предположить некоторые аспекты трансформации гуминоподобных веществ почвы и вытяжки костры [19, 20]. На основании проведенного исследования было сделано предположение, что основными процессами, формировавшими ГВ дерново-подзолистой почвы, были декарбоксилирование и дегидратация. При этом они сильно гидрогенизированы, на что указывала величина отношения Н/С = 1.43.

Рис. 1.

Диаграмма атомных отношений Н/С и О/С, варианты: 1 – дерново-подзолистая почва, 2 – полуперепревшая костра, 3 – полностью перепревшая костра.

Показано, что структура органического вещества препаратов, полученных из костры конопли, была более гидратирована, при этом обеднена группами СН₃ и СН₂, т.к. отношение Н/С было меньше единицы. Можно сделать предположение, для органического вещества данных вариантов характерна более конденсированная структура, по величине отношения Н/С, приближающаяся к ароматическим углеводородам.

Таким образом, согласно данным графостатистического анализа, сделано предположение, что процессы формирования гуминоподобных веществ, экстрагированных из костры конопли разной степени гумификации и из дерново-подзолистой почвы в целом аналогичны и сформированы в ходе декарбоксилирования и дегидратации. Результаты проведенного исследования позволили сделать вывод, что препараты органического вещества, полученные из гумифицированной костры конопли являются ценным биоудобрением, которые можно рекомендовать для использования в растениеводстве при выращивании сельскохозяйственных культур.

ВЫВОДЫ

1. Определили, что в гумусовых веществах, выделенных из перепревшей костры конопли, содержание углерода и азота не зависело от степени гумификации, в то время как содержание кислорода и водорода было больше в препаратах, изготовленных из полностью перепревшей костры.

2. Показано, что степень окисления ω находилась в интервале от +0.27 в контрольном варианте (вытяжка из дерново-подзолистой почвы) до +1.11…+1.28 в вытяжках из полностью перепревшей и полуперепревшей костры конопли соответственно. Сделано предположение, что гумусовые вещества, выделенные из костры, были наиболее гидрогенизированы и карбоксилированы по сравнению вытяжкой из дерново-подзолистой почвы. Это свидетельствовало о большей химической активности гуминоподобных веществ, экстрагированных из костры конопли.

3. Показано, что показатели теплоты сгорания гумусовых веществ конопли были достаточно близкими (2578–2858 кал/г), что сопоставимо с теплотой сгорания торфов (2000–2600 кал/г). Необходимо отметить увеличение показателя с ростом доли содержания углерода в структуре гумусовых веществ.

4. На основании данных графостатического анализа сделано предположение, что гуминоподобные вещества, экстрагированные из костры конопли и дерново-подзолистой почвы, сформированы в ходе развития аналогичных процессов (схожий углеродный скелет, высокое содержание ароматических структур, конденсированная структура, близкая к ароматическим углеводородам), независимо от степени гумификации.

5. На основании полученных результатов сделан вывод, что гуминоподобные вещества растительного происхождения по структуре, свойствам, составу и содержанию функциональных групп близки к органическому веществу почвы. Это позволяет рекомендовать их в качестве экологически безопасного биоудобрения для применения в условиях органического сельского хозяйства.