Большое значение они имеют и в сельском хозяйстве. Качество семян сельскохозяйственных культур часто ухудшается под влиянием неблагоприятных факторов, вследствие биологической неполноценности, нарушения оптимальных условий выращивания, травмирования в процессе уборки урожая и последующей обработки, поражения патогенной микрофлорой и повреждения грызунами. Проблема улучшения качества посевного материала для увеличения урожайности, а также обеспечение прироста урожайности при уменьшеном количестве удобрений постоянно привлекала внимание исследователей. Повысить качество зерна и семян можно путем применения современных технологий, различными факторами влияния на процессы прорастания, стимулирование развития ростков и защиты их от неблагоприятного воздействия окружающей среды. В системе подготовительных работ высокий эффект обеспечивает предпосевная обработка зерна и семян пленкообразующими препаратами и их смесями, содержащими полимер, протравитель, микроэлементы, биологически активные вещества.
Одной из проблем современности является уменьшение количества загрязнителей почв и водных ресурсов в человеческой деятельности. Вариантом подхода к решению данной проблемы является использование защитностимулирующих смесей природного происхождения. Защитно-стимулирующую смесь (ЗСС) получают путем механического диспергирования пирогенного кремнезема марки МАС-200 и АМ-1-300 (20—30 % SiO2) с пестицидами, регуляторами роста и 65—80 % минеральных удобрений, в том числе 0,5—3,0 % солями микроэлементов. Они содержат минимальные, — «гомеопатические», —- количества агрохимикатов, — химическое давление на агроценозы при использовании ЗСС практически отсутствует [6, с. 103—106].
Применение жидких пленкообразующих композиций повышает эффективность всех агрохимикатов и является менее опасным для окружающей среды и почвы [2].
Целью исследования было изучение эффективности и способности к пленкообразованию водорастворимых биополимеров и их композиций с удобрениями и микроэлементами, толщины пленки и скорости ее растворения с поверхности зерна после нанесения, изучение изменения свойств водных растворов модифицированных ксантановой смолы и карбоксиметилцеллюлозы под влиянием неорганических соединений-минеральных удобрений, а также изучение влияния композиций на прорастание и урожайность сельскохозяйственных культур.
Материалы и методы исследований
Для достижения положительного результата было предложено использование новых водорастворимых пленкообразующих биополимерных соединений природного происхождения с уменьшенной их концентрацией в композиции, а также впервые предложено дополнительно вводить в этот раствор все необходимые минеральные удобрения и микроэлементы в растворенном виде (что также способствует повышению эффективности пленкообразования на поверхности зерна и семян) для обеспечения питательными веществами семян и стимулирования роста побегов. Обработка семян водорастворимыми полимерами с пленкообразующими композициями, которые не являются механическими смесями, дает полимерное покрытие (пленку), зафиксированную на поверхности зерна с помощью межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей.
В качестве пленкообразователей из 5-пяти исследованных природных биополимеров (желатин, крахмал, ксантановая смола, карбоксиметилцеллюлоза, сахароза) нами были выбраны именно ксантановая смола/камедь (КСА) и натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ). Указанные биосоединения разлагаются в почве и являются экологически безопасными по своей природе, а также это сравнительно недорогие составляющие композиции, а в некоторых случаях и сами являются источниками подкормки растений веществами — моно-, ди-и полисахаридами, образующиеся при их разложении.
Карбоксиметилцеллюлоза (простой эфир целлюлози та гликолевой кислоты, тилоза, валоцел, едіфас) КМЦ-М, [С6Н7О2(ОН)3х(ОСН2СООХ)x]n, (где х = 0,08—1,5; n = 370—2950 мол. м. 90 000—700 000, Х — функциональная группа дополнительно введенного нами модификатора) — аморфное бесцветное вещество, слабая кислота. Натрия карбоксиметилцеллюлоза растворимая Nа-КМЦ, — имеет следующие характеристики: плотность — 0,52 г/см3, насыпная плотность (сыпучесть) — 780 г/л, константа диссоциации в воде рКа = 4,30; рН(1%водний розчин) = 5,0—6,0 легко растворяется в воде при любой температуре, образуя коллоидный раствор.
Ксантановая камедь (камедь кукурузного сахара), (C35H49O29Х)n— (КСА-М) представляет собой смесь полисахаридов, образующихся как вторичные метаболиты при аэробной ензимации природной сахарозы бактериями Xanthomonas campestris. Макромолекула такого гетерополисахарида состоит из трех моноз: β-D-глюкозы, α-D-маннозы и α-D-глюкуроновой кислоты при соотношении 2:2:1 соответственно. Биохимические свойства ксантановой смолы регулируют, изменяя условия жизни бактерий [9] и путем химической модификации.
Крохма́л, лат. аmylum, (С6Н10О5)n — растительный высокомолекулярный
полисахарид амилозы и амилопектина, мономером которых является α-D-глюкоза, состоит из двух химически независимых частей (полисахариды): амилозы (20—30 %) и амилопектина (70—80 %). Растворим в холодной воде, эфире, спирте, у горячей воде набухает и образует коллоидный раствор — крахмальный клейстер; из раствором йода дает синюю расцветку. В ходе гидролиза крахмала постепенно образуется растворимый крахмал, декстрины, ди- и моносахара [8], [10, с. 163—172].
Сахароза (от греч. Σάκχαρον — сахар), (С12Н22О11) — свекольный или тростниковый сахар, α-D-глюкопиранозил-β-D-фруктофуранозид, — молекула сахарозы состоит из остатков молекул глюкозы и фруктозы. Подвергается гидролизу под действием кислот и фермента сахаразы. Растворимость (грамм на 100 грамм): в воде 179 (0 °C) і 487 (100 °C), в этаноле 0,9 (20° C). Малорастворимая в метаноле. Плотность — 1,5879 г/см3 (15 °C) [8], [4, с. 60—61].
Желати́н (фр. gelatine, от лат. gelātus «замороженный») — продукт денатурации коллагена, гидролизованный коллаген. Состоит из глицина, пролина и оксипролина. В зависимости от длины цепи желатин имеет молекулярную массу от 40000 до 300 000. В холодной воде и разбавленных кислотах очень набрякает (не растворяясь), но поглощает при комнатной температуре (20—25 °С) 10—15-кратное количество воды. Тяжелее воды, содержит около 50 % углерода, 6,6 % водорода, 18,3 % азота и 25,1 % кислорода. При кипячении со слабой серной кислотой образуются лейцин и гликокол, но не тирозин, что указывает на его отличие от других белковых тел. Желатин несовместим с формальдегидом, солями ртути, танином [1].
Результаты и их обсуждение
На первом этапе исследований нами были рассмотрены особенности растворов полимеров, которые готовили такой концентрации, при которой они находятся в легкотекучем состоянии золя, что является необходимым условием для формирования пленки оптимальной толщины на поверхности семян. Экспериментальным путем было установлено, что для КМЦ-М (модифицированной) оптимальные концентрации водных рабочих растворов ровны 0,5—1 %, а для КСА-М — 0,125—0,2 %, при которых время вытекания через отверстие вискозиметра ВЗ-4 с диаметром сопла 4,3 мм (условная вязкость) составляет 83—120 с для КМЦ-М и 10—25 с для КСА-М соответственно [1, с. 73]. Для ксантановой смолы максимальное нарастание вязкости с образованием вязкотекучего геля происходит уже при 0,5 % ее концентрации в воде, когда условная вязкость стремительно растет 95 с до 642 с, то есть примерно в семь раз (рис. 1). Для КМЦ-М модифицированной максимальное нарастание вязкости с образованием вязкотекучего геля осуществляется только при 0,75 % концентрации в воде, когда условная вязкость стремительно растет с 488 с до 3498 с, т. е. примерно также в семь раз (рис. 2). Это явление можно объяснить большей чем в 10 раз молекулярной массой КСА-М по сравнению с КМЦ-М. Исследуемые растворы были приготовлены на основе дистиллированной воды. Для сравнения были определены вязкость растворов тех же биополимеров на основе воды, обработанной ультразвуком (пунктирные кривые на рис. 1,2). Из приведенных графиков зависимости вязкости от концентрации полимеров видно, что вязкость растворов на основе обработанной ультразвуком воды меньше, по сравнению с растворами на основе дистиллированной воды при тех же концентрациях пленкообразователей.
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
Уменьшение вязкости растворов, приготовленных на обработанной ультразвуком воде, можно объяснить следующими факторами. Если рассматривать воду как природный полимер, молекулы которого связаны в макромолекулы водородными связями, то ультразвуковая (или кавитационная) обработка воды разрушает образование водородных связей, поэтому растворы на обработанной воде имеют меньшую вязкость. Это также может быть связано и с тем, что при ультразвуковой обработке образуются микропузырьки растворенных в ней газов, размер которых менше 10-9 м, т. е. меньше размера коллоидных частей, плотность воды падает, а также падает и ее вязкость [5, с. 119]. Очевидно, это связано с образованием многих межмолекулярных Ван-дер-Вальсовых сил и крепких водородных связей между гидроксильными и карбоксильными группами обоих биополимеров при увеличении их концентрации в водном растворе выше указанных пределов. Но, учитывая большую концентрацию карбоксильных групп в карбоксиметилцеллюлозе, что подтверждается частично кислым рН ее водного раствора (рН = 5—6), для этого полимера вязкость с 0,75 % растворов (рис. 2) растет быстрее и интенсивнее, поскольку межмолекулярное взаимодействие между функциональными (-ОН и -СООХ) группами в карбоксиметилцеллюлозе сильнее, чем в ксантановой смоле.
Рисунок 1. Зависимость условной вязкости раствора модифицированной ксантановой смолы (КСА-М) от ее концентрации в дистиллированной воде, (сплошная кривая-1) и в воде обработанной ультразвуком (пунктирная кривая-2) (по ВЗ-4, d = 4,3 мм)
Рисунок 2. Зависимость вязкости раствора модифицированной карбоксиметилцеллюлозы КМЦ-М от ее концентрации в дистиллированной воде (сплошная кривая-1) и в воде, обработанной ультразвуком (пунктирная кривая-2) (по ВЗ-4, d = 4,3 мм)
Нами также была исследована зависимость между концентрацией полимера и толщиной образованной им пленки на плоской твердой поверхности стальной модели с помощью электромагнитного измерителя толщины («Elcometеr», ©Copyriht Elcometer Instruments Ltd. 2004—2005) без содержания удобрений и с содержанием удобрений и микроэлементов. Водородный показатель полученной водной композиции составляет для КМЦ-М рН = 5,5—5,81 и на основе КСА-М составляет рН = 6,16—6,15. Формирование пленки осуществлялось при 20 °С в течение 20—25 мин. С увеличением концентрации удобрений с 3 % до 20 % толщина пленки на основе КСА-М растет c 20,01 мкм до 44,55 мкм, в то время, как при увеличении концентрации удобрений с 3 % до 25 %, толщина пленки на основе КМЦ-М растет c 19 мкм до 61,69 мкм.
Рисунок 3. Зависимость толщины пленки модифицированной КСА-М (сплошная кривая-1) и КМЦ-М модифицированной (пунктирная кривая-2) на плоской и круглой стальной поверхности модели семян от концентрации водных растворов этих биополимеров)
Экономическая и практическая целесообразность увеличения концентрации удобрений до 20—25 % в полимерной пленкообразующей композиции объясняется необходимостью компенсации количества удобрений, которые дополнительно не вводятся в почву при подкормке растений. Водный раствор ксантановой смолы КСА-М (модифицированной) в присутствии удобрений и неорганических солей становится менее вязким, и толщина пленки возрастает только в 2 раза (рис. 3). В то же время водный раствор карбоксиметилцеллюлозы модифицированной (КМЦ-М) при повышении концентрации солей становится более вязким, толщина пленки возрастает более чем в 3 раза. Исходя из полученных результатов, можно утверждать, что водные растворы пленкообразователя ксантановой смолы являются более устойчивыми к действию коагулянтов-электролитов [11, с. 73], [3, с. 122—129].
На втором этапе наших исследований мы обрабатывали семена сельскохозяйственных культур: пшеницы, кукурузы, рапса, подсолнечника и льна, — водными растворами удобрений в композиции из крахмала (Кр), желатина, натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы модифицированной (Na-КМЦ-М), сахарозы и ксантановой смолы модифицированной (КСА-М). Высушивание осуществлялось при 16—17 °С при влажности воздуха 94,5 %, которая была измерена психометрическим гигрометром ВИТ-1. На примере кукурузы прирост массы пленкообразователя на поверхности зерен после сушки и взвешивания семян с нанесенной полимерной пленкой возрастал в процентах относительно начального веса для различных пленкообразователей в ряду: КСА-М — 3,5 % < сахароза — 7 % < Nа-КМЦ-М — 10,6 % < желатин — 12,2 % < крахмал — 13,4 %, что подтверждается данными на гистограммах (рис. 4).
Рисунок 4. Зависимость прироста массы зерен кукурузы от характера нанесенных на их поверхность полимерных пленкообразователей
Для определения скорости и эффективности растворения полимерной пленки с поверхности семян различных культур нами было определено количество остаточной пленки на поверхности обработанных семян до и после их двухчасового промывания водой в объеме 1:500 при температуре 293 К (20 °С) при перемешивании. Остаточный вес исследуемых биополимеров на поверхности зерен уменьшается, и после растворения количество крахмальной, карбоксиметилцеллюлозной, ксантановой, сахарозной и желатиновой пленок составляет всего 1,2—1,01 % от начального значения для мелких семян рапса и льна. В то же время для большего по размерам зерна пшеницы и кукурузы скорость растворения пленкообразователей возрастает, и их остаток после двухчасового пребывания в воде уменьшается фактически до (до 0,19—0,049 %) [3, с. 122—129] (рис. 5).
Рисунок 5. Зависимость эффективности растворения (процентного содержания остатка) биополимерой пленки на поверхности семян сельскохозяйственных культур от вида семян
По эффективности пленкообразования (массы нанесенного пленкообразователя) испытуемые полимеры можно разместить в минорантний ряд. Наилучшие результаты показывает Nа-КМЦ-М: Nа-КМЦ-М — 25,5 % > желатин — 23,125 % > сахароза — 17,65 % > КР — 13,125 % > КСА-М — 5 % [3] (рис. 6). Исходя из экспериментальных данных, следует, что биополимерный пленкообразователь (крахмал) и другие подобные полисахариды (Na-КМЦ-М и КСА-М) в естественных условиях при достаточном увлажнении за сезон (в среднем 750—800 мм осадков в год) растворяются полностью.
Рисунок 6. Эффективность пленкообразования исследуемых биополимеров
Полевые наблюдения. Почвенный покров территории дендропарка ПНУ им. Стефаника характеризуется пестротой, что обусловлено неоднородностью грунтотворных и климатических условий. Исследовательские участки, где осуществлялось наблюдение за ростом и урожайностью сельскохозяйственных культур под влиянием биополимерных композиций, расположенные на дерново-подзолистой поверхностно-оглееной средне-суглинистой почве. Использование испытуемых биополимерных растворов позволяет получить выше урожай, чем на контрольных участках с необработанным семенами, что подтверждает гистограмма процентного прироста урожая (рис. 7), а также позволяет значительно снизить количество удобрений по сравнению с традиционной технологией подпитки (рис. 8) [10, с. 122—129], [11, с. 92—102].
Рисунок 7. Процентный прирост урожайности пшеницы, обработанной пленкообразующими композициями по сравнению с контрольным урожаем необработанного зерна, где удобрения вносились непосредственно в грунт
Рисунок 8. Количество вносимых удобрений в перерасчете на N, Р2О5, К2О при использовании полимерных композиций за агрохимической технологией
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
ВЫВОДЫ
Создано новые полимерные пленкообразующие стимулирующие композиции, сочетающие в себе самые необходимые вещества для питания растений на основе биополимеров. Изучены изменения свойств водных растворов этих биополимеров и зависимость значения толщины образуемой ими пленки от изменения содержания неорганических соединений. Подобрано оптимальную процентную концентрацию биополимеров, при которой формируется оптимальная толщина пленки, при которой она растворяется с достаточной скоростью, не закупоривая поверхность семян. Сравнение расхода минеральных удобрений (нитрофоски) в составе биополимерных композиций на 1 га площади посева при нанесении их на поверхность исследуемого сорта семян показывает, что их расход в среднем составляет 10—20 кг/га, то есть в 15—20 раз меньше, чем при внесении удобрений непосредстенно в почву, где он составляет 150—400 кг/га. Использование исследуемых композиций обеспечивает увеличение урожайности культур до 74 % относительно контрольных растений, что делает перспективным использование исследуемых композиций в промышленных масштабах. Экономическая и практическая целесообразность увеличения концентрации удобрений до 10—20 % в полимерной пленкообразующей композиции объясняется необходимостью компенсации количества удобрений, которые дополнительно не вводятся в почву при подкормке растений.
За счет уменьшения количества используемых удобрений в составе новых биополимерных композиций загрязнения почв, вод (рек и озер) может уменьшиться на 85—90 %.
Список литературы:
Жало Ф.Н., Мазуров В.И. Биохимия коллагеновых белков. М., 1974. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.pharmencyclopedia.com.ua/article/1625/zhelatin (дата обращения 1-10.11.2013).
Курта С.А., Миронюк І.Ф., Куцела О.Я., Федорченко С.В., Курта М.С. Полімерна композиція для передпосівної обробки насіння. Заявка: u 2009 04832 від 18.05.2009. Патент України на кор. модель № 45057 від 26.10.2009, опубл. 26.10.2009, Бюл. № 20.
Курта С.А. Полімерні плівкоутворювачі для передпосівної обробки насіння / С.А. Курта, О.О. Струмінська, М.С. Курта // Вісник Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника Серія Хімія. Івано-Франківськ: Гостинець, 2011. – Випуск XIII. — С. 122—129.
Ластухін Ю.О. Хімія природних органічних сполук: Навчальний посібник. Львів: Нац. У-тет «Львівська політ-ка», «Інтелект-Захід», 2005. — 560 с.
Мокрый Е.Н., Старчевский В.Л. Ультразвук в процессах окисления органических соединений. Львов. Вища школа. 1989. — С. 129.
Палапа Н.В. Еколого-агрохімічна та фітосанітарна ефективність захисно-стимулюючих сумішей природного походження та інших засобів хімізації // Зб.наукових праць “Агроекологія і біотехнологія”. Вип. 2. К.: Інститут агроекології та біотехнології УААН. 1998.
Панчук М.В. Виробництво та використання біополімерів — шлях до покращення екології довкілля / М.В. Панчук, Л.С. Шлапак, С.А. Курта., Струмінська О.О. // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. — № 4 (30) — 2011. — С. 105.
Химическая энциклопедия / Под ред. И.Л. Кнунянца. М.: Сов. Э-я, 1988. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://dic.academic.ru/ (дата обращения 5-10.11.2013).
Gamini A., De Bleijer J., Leute J.C. Physicochemical properties of aqueous solutions of xanthan: an NMR study // Carbohydr. Res. 1991. № 220.
Nei j. Atrin. Sophia L. Cheng. Rukmal М. Abeysekera, Anthony W. Robards Localisation of Amylose and Amylopectin in Starch Granules Using Ensyme — Gold Iabelling 11 Starch .- 1999. — Nо.5.
Struminska O.O., S.A. Kurta. Biopolymers for Presowing Treatment of Seed // Abstracts VII Polish-Ukrainian conference polymers of special application, Radom-Swieta Katarzyna, Poland, September 24—27, 2012, — p. 115.