Отправить статью по E-mail 
Биологическая активность гуминовых веществ торфа в качестве ростстимулирующих препаратов
- Авторы: Броварова О.В.1
-
Учреждения:
- Коми НЦ УрО РАН
- Выпуск: № 8 (2024)
- Страницы: 50-56
- Раздел: Регуляторы роста растений
- URL: https://journal-vniispk.ru/0002-1881/article/view/263790
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002188124080076
- EDN: https://elibrary.ru/cdwbnl
- ID: 263790
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Изучили биологическую активность гуминовых веществ торфа в качестве ростостимулирующих препаратов для сельскохозяйственных культур овса и гороха. Установлено, что в состав гуминовых веществ входят различные функциональные группы (фенольные и алифатические гидроксилы, карбоксильные, хиноидные), которые определяют биологическое и ростостимулирующее действие. Показано, что примененные в эксперименте растворы гуминовых веществ оказывали благоприятное воздействие на семена даже в небольших концентрациях.
Ключевые слова
Полный текст
Введение
В условиях обилия и разнообразия форм удобрений, предлагаемых для применения в сельском хозяйстве, существует ряд подходов использования удобрений гуматного типа как средства для повышения плодородия и качества почвы, это можно объяснить многообразным действием содержащихся в них гуминовых кислот. Гуминовые препараты можно использовать в качестве органо-минерального удобрения, они способствуют увеличению биологической активности почвы и обогащению семян макро- и микроэлементами, действуя как стимулятор роста.
Актуальным вопросом является поиск путей наиболее рационального, экологически безопасного использования различных видов удобрений в сельскохозяйственной промышленности [1]. Поэтому все больше повышается интерес к удобрениям гуматного типа для увеличения плодородия и качества почв сельскохозяйственного назначения. Гуминовые вещества представляют собой специфическую группу природных биополимеров, которые являются активными веществами, усиливают и регулируют обменные процессы, не токсичны.
В научной литературе достаточно широко подтверждено положительное влияние гуминовых веществ (ГВ) на процессы развития как семян, так и самих растений в период вегетации, укоренения черенков, корнеобразования. При этом во многих случаях они снижают воздействие неблагоприятных факторов среды, в результате повышается урожайность и качество сельскохозяйственной продукции [2–5].
При изучении механизма биологической активности ГВ выдвигаются различные гипотезы. Этот вопрос особенно тщательно изучают в отношении биологической активности и действия ГВ на метаболизм растений. Предполагается, что ГВ способны воздействовать на проницаемость клеточных мембран, увеличивать доступность в почвах элементов питания за счет их способности к образованию комплексов и повышения подвижности, а также на дыхательный метаболизм и фотосинтез, передачу растениям органических и минеральных элементов и т. п. Кроме этого, обсуждают возможности применения ГВ в качестве матрицы микроэлементов для улучшения поглощения растениями удобрений и улучшения структуры почвы [5, 6].
Структурные особенности позволяют гуминовым веществам участвовать в разнообразных биохимических реакциях, образовывать комплексные соединения, влиять на фотохимические процессы и т. п. Кроме того, они могут служить источником структурных фрагментов органических макромолекул при биосинтезе в тканях растений [7]. Такие уникальные свойства ГВ могут определять их разнообразную биологическую активность. К сожалению, задачу осложняет обстоятельство сложного выделения и определения в структуре макромолекулы гуминового вещества участка или функциональных групп, от которых зависит вид биологической активности. Помимо этого, разветвленное строение молекулы, наличие большого количества реакционноспособных функциональных групп и их пространственное расположение способствуют одновременному прохождению различных химических реакций, а значит, и проявлению биологической активности [8].
Гуминовые вещества – химически неоднородные соединения, содержащие в своем составе различные функциональные группы [9]. На сегодняшний день в химической структуре гуминовых веществ установлено более десятка различных типов групп, такие как карбоксильные, фенольные и спиртовые гидроксилы, карбонильные, хиноидные, метоксильные, сложноэфирные, амино-, амидо- и имидогруппы, сульфо-, тиольные и дисульфидные группы [10–12]. Сложность химического строения гуминовых веществ при наличии большого количества различных функциональных групп, способность образовывать межмолекулярные и внутримолекулярные связи дают возможность ГВ вступать в различные химические связи и проявлять биологическую активность.
Гуминовые вещества имеют сбалансированный набор микро- и макроэлементов, обеспечивающих повышение защитных свойств растений и проростков от ряда грибковых и бактериальных заболеваний, позволяющих решать важные экологические и агрономические проблемы [13]. Также гуминовые вещества, в силу химического и структурного состава, способны концентрировать азот и постепенно освобождать его в виде разнообразных химических соединений [14].
Такой состав препаратов обусловливает их незаменимость для предпосевной обработки семян и полива вегетирующих растений в условиях пониженной биологической активности почв на фоне низкой обеспеченности растений микроэлементами [15, 16].
В процессе изучения эффективности действия гуминовых препаратов выявлено, что они оказывают на растения стимулирующее, адаптогенное и биопротекторное действие. При использовании гуминовых препаратов ускоряется рост растений, сокращаются сроки вегетации [17]. Цель работы – изучение биологической активности гуминовых веществ торфа в качестве ростстимулирующих препаратов для сельскохозяйственных культур овса и гороха.
Методика исследования
Объектами исследования были натриевые и калиевые соли гуминовых кислот (ГК), выделенные путем щелочной экстракции при температуре 23°C и с последующим кислотным осаждением. ГК были выделены из образца низинного торфа, отобранного на торфяном месторождении Сыктывдинского р-на Республики Коми.
Инфракрасные спектры растворов ГВ снимали на спектрометре Specord-M-80 в области частот 4000–400 см–1 [18]. Алифатические гидроксильные группы определяли методом фталирования [19]. Фенольные гидроксильные группы и карбоксильные группы определяли хемосорбционным методом [20]. Хиноидные группы определяли потенциометрическим методом в растворе 0.1 н. K2Cr2O7 [21].
В качестве экспериментальных растений использовали овес сорта Левша (производитель Омский АНЦ) и горох овощной сорта Альфа (производитель ООО Центр-Огородник). Вегетационный период растений составлял 55–70 сут. В опыте использовали торфо-песчаную смесь (2 : 1), которую после смешивания обеззараживали при температуре 100°C. Рабочие растворы гуминовых препаратов для экспериментальной группы растений с рН = 7.0 готовили в 0.05 М растворе NaOH, далее разбавляли до концентраций 1.0, 0.5, 0.025, 0.01%. Дозировка препаратов ГК была принята за диапазон оптимальных концентраций на основании результатов работы, в которой выявлена высокая эффективность промышленных ГК [22].
Всхожесть семян овса определяли на 7-е сут, гороха – на 8-е сут. Повторность опыта четырехкратная. Для аграрного эксперимента были высажены в почву контрольная и экспериментальная группы семян овса и гороха по 30 шт./сосуд. Биометрические характеристики (высота растений, длина и ширина листа, длина корней) измеряли каждые 15 сут в течении всего вегетационного периода, который составил в среднем 65 сут.
В качестве стандартного (положительного) контроля был выбран препарат “Гуми” производства ООО “НВП БашИнком”, г. Уфа. Раствор препаратата готовили согласно инструкции в описании.
Биологическую активность определяли по показателю фитоэффекта, который рассчитывали, как n × l, где n – средняя длина корней, % к контролю; l – средняя всхожесть, % к контролю. Под фитоэффектом понимают оценку степени стимулирующего или ингибирующего действия тестируемых ГК на сельскохозяйственные растения.
Содержание фотосинтетических пигментов анализировали с помощью спектрофотометра GENESYS 150 при λ = 470, 649 и 665 нм в кюветах 1 см [22]. Содержание белка в зеленых частях растений определяли методом Bradford [24]. Исследованные ткани растений массой 200 мг растирали в фосфатном буфере рН 7.6 до однородной массы в фарфоровой ступке на холоде. Оптическую плотность измеряли на спектрофотометре GENESYS 150 в кювете толщиной 1 см при λ = 595 нм. Содержание аскорбиновой кислоты [25] определяли по методу Мури, рабочий раствор титровали раствором 2.6-дихлорфенолиндофенолята натрия (краска Тильманса) до розовой окраски.
Результаты и их обсуждение
Биологические и химические свойства ГВ проявлялись за счет особенностей молекулярной структуры. Полученные данные ИК-спектроскопии и анализа функционального состава показали, что гуминовые вещества низинного торфа содержали достаточно разнообразный спектр реакционноспособных функциональных групп (рис. 1).
ИК-спектры имели характерный для ГВ набор пиков [26–28]: область 3600–3400 см–1 обусловлена валентными колебаниями –OН групп, преимущественно связанных водородными связями. Интервал полосы 3250–3200 см–1 отвечает валентным колебаниям – NH в структуре амида и аминов, также участвующих в водородных связях. Область 2931–2929 см–1 характеризуется валентными колебаниями –Н3- и – СН2-групп боковых цепей в молекуле ГК, вызванных преимущественно метиленовыми группировками, на что указывает и полоса асимметричных и симметричных деформационных колебаний в области 1480–1380 см–1. Максимум интенсивности в интервале от 1720 до 1660 см–1 относится к колебанию группы С=О, которая может быть представлена кетонами, альдегидами, карбоновыми кислотами и их функциональными производными [27, 28].
Область 1637–1600 см–1 обусловлена плоскостными колебаниями сопряженных углерод-углеродных (ароматические, νС=С) и углерод-кислородных связей (карбонилы, связанные водородными связями, карбоксилат-ионы, νС=О) в ароматическом скелете и хинонах.
Известно, что содержащиеся в химическом составе ГВ фенольные гидроксильные группы и сильнокислые (карбоксильные) группы имеют большее значение для химических реакций, также они участвуют в ионообменных процессах и определяют кислотные свойства природных биополимеров (табл. 1) [2].
Хиноидные группы в химической структуре ГВ делают возможным их участие в реакциях по свободно-радикальному механизму и вступление в окислительно-восстановительные процессы. Предполагается, что именно хиноны и определяют биологическую активность ГВ [29].
Рис. 1. ИК-спектры гуминовых веществ: 1 – ГВ– Nа, 2 – ГВ–K.
На основании экспериментальных данных можно сделать заключение, что применение небольших концентраций гуминовых веществ в растворе в большей степени стимулировало рост и развитие растений. Время наступления фенологических фаз в контроле и экспериментальных группах растений различалась незначительно.
ГВ в качестве микроудобрений применяют и как регуляторы и стимуляторы роста растений, поэтому для определения биологической активности используется метод фитотестирования [29]. При использовании данного метода определяют следующие показатели: энергию прорастания, всхожесть, длину корней и колеоптилей семян высших растений [30]. По полученным данным нами был рассчитан фитоэффект (рис. 2).
Установлено, что растворы солей гуминовых кислот с концентрацией 0.01–1.0% положительно влияли на рост и развитие семян овса и гороха, показывая рост проростков во всем диапазоне концентраций гуминовых препаратов. Все 3 испытанных препарата оказали ростстимулирующий эффект, наиболее значимый в области низких концентраций гуминовых препаратов.
Эффективность препаратов уменьшалась по мере увеличения концентрации. Таким образом, наиболее высоким ростостимулирующим действием обладали растворы ГВ с небольшими концентрациями, кроме этого их эффект в малых дозах (0.025 и 0.01%) был обусловлен собственной физиологической активностью гуминовых веществ.
Таблица 1. Содержание функциональных групп ГВ торфа, %
Образец | Хиноидные группы, ммоль/г | ОНфен | СООН | S(ОНфен + ОНкарб) | ОНалиф |
% | |||||
ГВ–K | 6.1 | 6.66 | 10.0 | 16.7 | 11.3 |
ГВ–Na | 6.3 | 7.56 | 11.9 | 19.5 | 9.99 |
Рис. 2. Фитоэффект ГВ из торфа на семенах овса (а) и гороха (б).
Установлено, что биологическая активность ГВ определяется как способность принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях в растительной клетке. Таким образом, биологическую активность связывают со структурными параметрами, отражающими содержание хиноидных групп, фенольных гидроксилов, а также содержание свободных радикалов [21, 31].
Структурно-групповой анализ ГВ показал, что ГВ торфа более окислены, о чем свидетельствовало наличие в составе хиноидных и карбоксильных групп. Именно наличие хиноидных структур связывают с биологической активностью гуминовых препаратов, т. к. хиноны обладают большой окислительно-восстановительной способностью и являются катализаторами этих реакций. Кроме этого, хиноидные группы способны связывать свободный радикал, т. к. обладают парамагнитными свойствами. В результате этого формируется нейтральная молекула и менее активный радикал (процесс ингибирования) или нейтральная молекула и активный радикал, который будет инициировать радикальный процесс [21]. Поэтому можно предположить, что растворы ГВ будут проявлять стимулирующее действие на рост и развитие растений.
Одним из важных показателей воздействия гуминовых препаратов является количество фотосинтетических пигментов, что определяет способность к поглощению световой энергии растением для процесса фотосинтеза. Кроме этого, с пигментами связана не только светочувствительность растений, но и регуляция метаболизма, рост и цветение, регуляция процессов прорастания семян, выполнение функции резерва питательных веществ, а также их противомикробная и противогрибковая активность.
По окончании вегетационного периода в зеленых частях растений были определены некоторые их качественные характеристики (табл. 2).
Таблица 2. Качественные характеристики растений гороха и овса
Показатель | Контроль | Положительный контроль | Массовая концентрация ГП в растворе, % | ||
0.5 | 0.025 | 0.01 | |||
Горох | |||||
Хлорофилл а, мг/г | 8.7 × 10−4 ± 0.03 | 9.5 × 10−4± 0.04 | 1.2 × 10−3± 0.04 | 1.3 × 10−3± 0.07 | 1.5 × 10−3± 0.04 |
Хлорофилл б, мг/г | 6.8 × 10−4± 0.01 | 9.0 × 10−4± 0.06 | 9.8 × 10−4± 0.05 | 1.1 × 10−3± 0.03 | 1.2 × 10−3± 0.06 |
Каротиноиды, мг/г | 0.10 ± 0.01 | 0.11 ± 0.02 | 0.12 ± 0.01 | 0.13 ± 0.01 | 0.14 ± 0.02 |
Аскорбиновая кислота, мг/100 г | 6.1 | 7.9 | 7.6 | 8.7 | 9.9 |
Белок, г/100 г | 5.8 | 6.0 | 6.3 | 7.0 | 7.5 |
Овес | |||||
Хлорофилл а, мг/г | 8.4 × 10−4± 0.02 | 9.8 × 10−4± 0.06 | 1.1 × 10−3± 0.06 | 1.17 × 10−3± 0.06 | 1.28 × 10−3± 0.05 |
Хлорофилл б, мг/г | 7.2 × 10−4± 0.04 | 9.4 × 10−4± 0.08 | 1.1 × 10−3± 0.06 | 1.2 × 10−3± 0.05 | 1.5 × 10−3± 0.07 |
Каротиноиды, мг/г | 0.11 ± 0.02 | 0.11 ± 0.01 | 0.12 ± 0.01 | 0.13 ± 0.01 | 0.14 ± 0.02 |
Белок, г/100 г | 6.6 | 7.9 | 7.3 | 8.1 | 8.6 |
Сухое вещество, г/кг | 135 | 140 | 123 | 148 | 154 |
Сырая клетчатка, г/кг | 201 | 240 | 235 | 240 | 244 |
Показано, что гуминовые препараты благоприятно воздействовали на рост и развитие растений, особенно выделялись те, которых обрабатывали растворами гуминовых препаратов с концентрациями 0.025 и 0.01%. Растения, которые получали гуминовые удобрения, содержали наибольшее количество пигментов, это объясняется условиями минерального питания растений. В процессе образования хлорофилла растениям необходимо большое количество железа. Известно, что при недостатке такого элемента как железо, листья растений могут терять окраску. Этот микроэлемент участвует в процессе синтеза α-аминолевулиновой кислоты из глицерина и сукцинил-КоА, а также синтеза протопорфирина. Также на синтез хлорофилла большое влияние оказывает снабжение растений азотом и магнием, т. к. оба эти элемента входят в состав хлорофилла.
При недостатке меди хлорофилл будет легко разрушаться, связано это с тем, что медь способствует образованию устойчивых комплексов между хлорофиллом и соответствующими белками [21].
Общее содержание белка в растениях, выращенных с помощью подкормки из ГВ торфа, было в 1.5 раза больше, чем в контрольном варианте. Данный результат можно связать с тем, что в гуминовых веществах содержится большое количество аммонийного азота, находящегося в доступной для растений форме для синтеза собственных азотсодержащих соединений и белков.
Одна из функции аскорбиновой кислоты – это участие в дыхании растений. Она также увеличивает устойчивость растений, т. к. способна окисляться окислительными растительными ферментами класса оксидоредуктаз, которые служат катализаторами окислительно-восстановительных реакций.
Таким образом, растения получившие подкормки гуминовыми веществами торфа, отличались бóльшим количеством фотосинтетических пигментов белка и аскорбиновой кислоты по сравнению с контрольным вариантом. Также удобрения на основе ГК оказали высокое ростстимулирующее влияние, при этом максимальный эффект показали растворы с небольшими концентрациями (0.025 и 0.01%). Это обусловлено собственной физиологической активностью гуминовых веществ.
Заключение
Таким образом, проведенное исследование с тест-культурами овса и гороха показало, что применение препаратов гуминовых веществ (ГВ) в оптимальных дозах значительно влияло на рост, развитие растений, всхожесть, семян, улучшало питание растений, увеличивало длину и биомассу проростков. Наилучший результат показали растворы ГВ с меньшими концентрациями (0.025 и 0.01%), которые способствовали увеличению в 1.5 раза всхожести семян растений, а также увеличению длины корней и высоты проростков овса и гороха.
Об авторах
О. В. Броварова
Коми НЦ УрО РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: olbrov@mail.ru
Институт агробиотехнологий им. А. В. Журавского
Россия, ул. Ручейная, 27, Сыктывкар 167023Список литературы
- Еськов А.И., Новиков М.Н., Лукин СМ. Справочная книга по производству и применению органических удобрений. Владимир: РАСХН, ВНИПТИОУ, 2001. 495 с.
- Орлов Д.С. Свойства и функции гуминовых веществ // Гуминовые вещества в биосфере. М.: Наука, 1993. С. 16–27.
- Соромотина Т.В. Практикум по овощеводству. Пермь: Прокрость, 2016. 305 с.
- Федотов Г.Н., Шуба С.А., Федотова М.Ф., Степанов А.Л., Стрелецкий Р.А. Почвенные дрожжи и их роль в прорастании семян // Почвоведение. 2017. № 5. С. 592–602.
- Nardi S., Pizzeghello D., Muscolo A., Vianello A. Physiological effects of humic substances on higher plants // Soil Biol. Biochem. 2002. V. 34. № 11. Р. 1527–1536. doi: 10.1016/S0038-0717(02)00174-8
- Безуглова О.С. Гуминовые вещества в биосфере: учеб. пособ. Ростов-н/Д: Южный фед. ун-т, 2009. 120 с.
- Якименко О.С., Терехова В.А. Гуминовые препараты и оценка их биологической активности для целей сертификации // Почвоведение. 2011. № 11. С. 1334–1343.
- Sherry L. Investigating the biological properties of carbohydrate derived fulvic acid (CHD-FA) as a potential novel therapy for the management of oral biofilm infections // BMC Oral Health. 2013. V. 13. P. 47.
- Nebbioso A., Piccolo A. Basis of a humeomics science: chemical fractionation and molecular characterization of humic biosuprastructures // Biomacromolecules. 2011. V. 12. Р. 1187–1199. doi: 10.1021/bm101488e
- Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. Химия почв: учеб-к. М., 2005. 558 с.
- Попов А.И. Гуминовые вещества: свойства, строение, образование / Под ред. Е.И. Ермакова. СПб.: Изд-во СПбУ, 2004. 248 с.
- Чимитдоржиева Г.Д., Чимитдоржиева Э.О., Цыбенов Ю.Б. Особенности химической структуры гуминовых кислот мерзлотных черноземов юга Витимского плоскогорья // Усп. совр. естествозн. 2020. № 10. С. 50–54. doi: 10.17513/use.37490
- Аввакумова П.Н. Гуминовые вещества – фактор защиты биосистем от экотоксикантов // Изв. Самар. НЦ РАН. 2009. Т. 11. № 1(2). С. 197–201.
- Савченко И.А., Корнеева И.Н., Лукша Е.А., Пасечник К.К. Биологическая активность гуминовых веществ: перспективы и проблемы их применения в медицине // Медиаль. 2019. № 1(23). С. 54– 60.doi: 10.21145/2225-0026-2019-1-54-60
- Пронько В.В., Корсаков К.В. Эффективность солей гуминовых кислот при возделывании озимой пшеницы на южных черноземах // Агрохимия. 2011. № 8. С. 51–59.
- Шаяхметов И.Т., Кузнецов В.И., Гилязетдинов Ш.Я. Защитно-стимулирующие и адаптогенные свойства препарата ГУМИ – биоактивированной формы гуминовых кислот. Эффективность его использования в сельском хозяйстве. Уфа, 2000. 102 с.
- Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 259 c.
- Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия. Основы, техника, аналитическое применение / Под ред. А.Л. Мальцева. М.: Мир, 1982. 365 с.
- Губен В. Методы органической химии. Методы анализа. М., 1967. Т. 2. 329 с.
- Закис Г.Ф. Функциональный анализ лигнинов и их производных. Рига: Зинатне, 1987. 230 с.
- Дмитриева Е.Д., Сюндюкова К.В., Акатова Е.В., Леонтьева М.М., Волкова Е.М., Музафаров Е.Н. Биологическая активность гуминовых веществ сапропеля реки Упы Тульской области // Химия раст. сырья. 2017. № 1. С. 137–144. doi: 10.14258/jcprm.2017011418
- Изосимов А.А. Физико-химические свойства, биологическая активность и детоксицирующая способность гуминовых препаратов, отличающихся генезисом органического сырья: Дис. …канд. биол. наук. М.: МГУ, 2016. 148 с.
- Русак С.Н., Кравченко И.В., Филимонова М.В., Башкатова Ю.В. Экологическая биохимия растений: химические и биохимические методы анализа: метод. рекоменд. Сургут: Изд. центр СурГУ, 2012. URL: https://elib.surgu.ru/fulltext/umm/100509 (дата обращения: 26.10.2023).
- Невмержицкая Ю.Ю., Тимофеева О.А. Практикум по физиологии и биохимии растений (белки и ферменты): Учеб.-метод. пособ. Казань: Казан. ГУ, 2012. 36 с.
- Гамаюрова В.С., Ржечицкая Л.Э. Пищевая химия: учеб-к для студ. вузов: учеб. пособ., электр. изд-е сетев. распростр. М.: КДУ, Добросвет, 2018. URL: https://bookonlime.ru/node/1525/ (дата обращения: 26.10.2023). DOI: 978-5-7913-1042-2
- Лиштван И.И., Капуцкий Ф.Н., Янута Ю.Г. Спектральные исследования фракций гуминовых кислот // Хим. тверд. топлива. 2006. № 4. С. 3–11.
- Stevenson F.J. Humic chemistry: Genesis, composition, reactions. 2nd ed. N.Y.: John Wiley & Sons, 1994. P. 34–41.
- Белоусов М.В., Ахмеджанов Р.Р., Гостищева М.В., Юсубов М.С., Матвеенко А.В. Исследование химических и токсических свойств гуминовых кислот низинного древесно-травяного торфа Томской области // Бюл. сибир. мед. 2009. № 4(2). С. 27–33.
- Lovley D.R. Humic substances as a mediator for microbially catalyzed metal reduction // Acta Hydrochim. Hydrobiol. 1998. V. 26. P. 152–157.
- Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения. Ростов/нД.: Ростиздат, 2006. 385 с.
- Жеребцов С.И., Малышенко Н.В., Андроханов В.А. Гуминовые препараты: связь структурно-группового состава и биологической активности // Вестн. Кузбас. ГТУ. Сер. Хим. технол. 2018. № 5. С. 52–60.doi: 10.26730/1999-4125-2018-5-52-60
Дополнительные файлы
