Биологическая активность гуминовых веществ торфа в качестве ростстимулирующих препаратов

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, %

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

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

Автор, ответственный за переписку.
Email: olbrov@mail.ru

Институт агробиотехнологий им. А. В. Журавского

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. ИК-спектры гуминовых веществ: 1 – ГВ– Nа, 2 – ГВ–K.

Скачать (77KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Фитоэффект ГВ из торфа на семенах овса (а) и гороха (б).

Скачать (241KB)

Метаданные