Эколого-биологическая оценка действия хитозановых препаратов на сельскохозяйственные культуры
На правах рукописи
МОРОЗОВА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЯ ХИТОЗАНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ КУЛЬТУРЫ специальность 03.02.08 – экология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Барнаул 2011
Работа выполнена на кафедре общей химии и экспертизы товаров Бийского технологического института (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им.
И.И. Ползунова» Научный руководитель – доктор химических наук, профессор Верещагин Александр Леонидович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Терехина Татьяна Александровна кандидат биологических наук, с.н.с.
Егоркина Галина Ивановна Ведущая организация – ГНУ НИИ садоводства Сибири имени М.А. Лисавенко СО Россельхозакадемии
Защита диссертации состоится «26» мая 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.005.10 при ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61;
тел. (3852) 66-75-84;
факс (3852) 36-30-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет», автореферат выставлен на сайте www.asu.ru Автореферат диссертации разослан « 21 » апреля 2011 г.
кандидат биологических наук,
Ученый секретарь доцент диссертационного совета, Н.В. Елесова Актуальность темы. В условиях научно-технического прогресса де ятельность человека преобразует природные биогеоценозы. На смену им приходят посевы и посадки культурных растений. Так формируются агроценозы, количество которых на Земле постоянно увеличивается. На устойчивость и продуктивность агроценоза оказывают влияние различ ные абиотические и биотические факторы. Человек с помощью сельско хозяйственных технологий и препаратов стремится таким образом регу лировать воздействие этих факторов, чтобы добиться максимального вы хода конечной продукции. В связи с этим возрастает интерес к природ ным веществам, способным поддерживать стабильность агроценозов и повышать урожайность сельскохозяйственных растений.
Одним из таких веществ является хитозан – не токсичный для живот ных и человека биополимер, оказывающий положительное влияние на растения за счет ростостимулирующих, иммуномодулирующих, бакте рицидных и фунгицидных свойств (Гамзазаде и др., 1999). Обладая флоккулирующими свойствами, хитозан улучшает структурные характе ристики почвы, препятствует вымыванию ценных компонентов и вноси мых в почву удобрений (Sojka et al., 2003), снижая негативное воздей ствие сельскохозяйственных химикатов на окружающую среду.
Для производства хитозана можно использовать различное хитинсо держащее сырье. Аквабиоресурсы Алтайского края богаты рачком Artemia species, цисты которого широко используются в рыбном хозяй стве. При этом пустые оболочки цист – хорионы – до настоящего време ни не нашли практического применения. Содержание хитина в них до стигает 34,5 % от сухого веса оболочки (Tajik et al., 2008).
Таким образом, эколого-биологическая оценка действия хитозано вых препаратов на сельскохозяйственные культуры позволит определить возможность их практического применения в растениеводстве и предло жить схему рационального использования отходов вылова цист Artemia species, снизить химическую нагрузку на окружающую среду, умень шить стоимость производство сельскохозяйственной продукции.
Цели и задачи исследования. Цель исследования – провести эколо го-биологическую оценку действия хитозановых препаратов на сельско хозяйственные культуры.
В задачи исследования входило:
1) Разработка схемы получения хитозанового препарата для расте ниеводства на основе отходов вылова цист Artemia species.
2) Определение факторов, влияющих на биологическую активность хитозановых препаратов.
3) Изучение влияния хитозановых препаратов на прорастание семян льна-долгунца и гороха в лабораторных условиях.
4) Оценка влияния хитозановых препаратов на урожайность карто феля в полевых условиях.
5) Исследование влияния хитозановых препаратов на укоренение черенков винограда и облепихи.
Научная новизна. Впервые предложено использовать пустые обо лочки цист Artemia species для получения хитозановых препаратов.
Подобраны режимы очистки исходного сырья. На стадии дезацетилиро вания хитина было применено ультразвуковое облучение.
Установлена ростостимулирующая и ризогенная активность разрабо танного хитозанового препарата в отношении семян льна-долгунца, го роха, картофеля, черенков облепихи и винограда. Подобраны оптималь ные значения показателя рН раствора хитозанового препарата.
Практическая значимость. Разработанный метод может быть поло жен в основу промышленного производства хитозанового препарата для растениеводства. Способ не требует значительных производственных за трат. При полной или частичной замене пестицидов и химических про травителей данным препаратом снижается химическая нагрузка на окру жающую среду.
Положения, выносимые на защиту.
1. Биологическая активность хитозановых препаратов обусловлена молекулярной массой входящего в их состав хитозана и рН раствора.
2. Хитозановые препараты повышают ризогенную активность при прорастании семян льна-долгунца и гороха, при укоренении черенков винограда и облепихи, а также урожайность картофеля.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на межрегиональных, всероссийских и международных конференциях:
«Технологии и оборудование химической, биологической и пищевой промышленности» (Бийск, май 2008);
«Аграрная наука – сельскому хо зяйству» (Барнаул, 2008);
«Производные хитозана и стимуляторы роста в сельском хозяйстве» (Бийск, 2008);
«Полимеры, композиционные ма териалы и наполнители для них («Полимер 2008»)» (Бийск, май 2008);
«Биология – от молекулы до биосферы» (Харьков, 18-21 ноября 2008);
«Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-14 2008)» (Омск, 6-8 октября 2008 г);
«Современные перспективы в иссле довании хитина и хитозана» (Ставрополь, 13-17 октября 2008);
«Аграр ная наука - сельскому хозяйству» (Барнаул, 5-6 февраля 2009);
«Иннова ционные технологии: производство, экономика, образование» (Бийск, сентября 2009);
«Виноградарство в Западной Сибири» (Бийск, 12 сентя бря 2009);
«Современные проблемы и достижения аграрной науки в жи вотноводстве, растениеводстве и экономике» (Томск, 2010);
«Производ ные хитозана и стимуляторы роста в сельском хозяйстве» (Бийск, марта 2010);
«Современные перспективы в исследовании хитина и хито зана» РосХит–2010 (Нижний Новгород, 29 июня – 2 июля 2010);
«Аграр ная наука сельскохозяйственному производству Монголии, Сибири и Казахстана» (Улаанбаатор, 6-7 июля 2010);
«Современное состояние почвенного покрова, сохранение и воспроизводство плодородия почв» (Алматы, 15-16 сентября 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печат ных работ, из них три в журналах, включенных в список ВАК, получен патент 2406715 Российской Федерации МПК6 C05F7/00 «Способ получе ния средства для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур и средство».
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на страницах, состоит из введения, обзора литературы, описания материа лов и методов исследования, двух глав результатов собственных иссле дований, выводов, библиографического списка литературы (189 ссылок, в том числе 88 иностранных), содержит 37 таблиц, 18 рисунков.
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ В главе 1 описываются негативные последствия применения мине ральных удобрений и пестицидов. Дается представление о хитозане как о безопасной альтернативе химических средств защиты растений.
Рассмотрены механизмы защитного и ростостимулирующего действия хитозана, его способности повышать устойчивость растений к стрессам и улучшать качество почвы.
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Для получения хитозановых препаратов использовали цисты и хори оны (пустые оболочки) цист рачка Artemia species, собранные в озерах Алтайского края в 2007 году. Хорионы цист Artemia species могут содер жать до 16,4 % водорастворимых солей, среди которых преобладают хлориды и сульфаты. В данной работе рассматривается два метода обессоливания исходного сырья. В первом случае обессоливание прово дили трехкратной декантацией водной суспензии. Во втором случае на стадии обессоливания было изучено 17 режимов ультразвукового облу чения, отличающихся акустической мощностью и временем воздей ствия. Наиболее эффективным (глубина обессоливания 94 %) является обессоливание с ультразвуковым облучением при акустической мощно сти 150 Вт в течение пяти минут. Цисты и хорионы заливали 40 %-ным раствором КОН при модуле 1:10 и настаивали в течение 7 суток. Препа рат на основе цист назван «Артемия», препарат на основе хорионов цист назван «Хорион». В базовые хитозановые препараты вводили хелаты цинка («Хорион + Zn2+») и меди («Хорион + Zn2+ + Cu2+»), часть препара тов на стадии дезацетилирования хитина облучали ультразвуком акусти ческой мощностью 200 Вт при интенсивности колебаний 24,1 Вт/см («Хорион 12» в течение 12 минут, «Хорион 21» в течение 21 минуты).
При этом молекулярная масса входящего в состав препаратов хитозана снижалась с 2,45±0,15 кДа для необлученного препарата до 1,75±0, кДа и 1,38±0,15 кДа для облученных препаратов соответственно. Перед использованием все препараты разводили водой в соотношении 1:100, 1:1000 и 1:10000 и подкисляли до нужного значения рН ортофосфорной кислотой. В качестве фона использовали раствор ортофосфата калия, по лученный разведением 40 %-ного КОН с последующим подкислением ортофосфорной кислотой.
Влияние полученных препаратов на сельскохозяйственные культуры оценивали в лабораторных и полевых условиях. В качестве объектов ис следования были взяты:
1. Лен-долгунец (Linum usitatissimum L.) сорт Томский 16.
2. Горох (Pisum sativum L.) сорт Новосибирец.
3. Картофель (Solanum tuberosum L.) сорт Орхидея.
4. Виноград (Vitis vinifera L.) сорта Любава, Катыр, Память Домб ковской, Мускат Самарский, Мускат Катунский, Мускат Коричневый, Киргизский Ранний, Московский Белый, Краса Никополя и сортообразец Бийская Роза.
5. Облепиха (Hippopha rhamnoides L.) сорт Чуйская.
По данным таблицы 1, видно, что на различных культурах опробова но 84 варианта хитозановых препаратов, в качестве фона использовался 21 вариант раствора ортофосфата калия, в качестве контроля во всех опытах выступала вода.
Таблица Схема эксперимента по определению биологической активности хитозановых препаратов Объекты исследования Препа- Разведе рат ние рН=3 рН=4 рН=5 рН=6 рН=7 рН=8 рН= 1:100 л л л л л л л Фон 1:1000 л л л, в л, в л, в л, в л K3PO 1:10000 л л л л л л л 1:100 л, г л, г л, г л, г л,г л,г – Арте 1:1000 л, г л, г л, г, в л, г, в в, к в – мия 1:10000 л л л – – – – 1:100 л, г л, г л, г л, г л, г л, г л, г Хори 1:1000 л, г л, г л, г, в л, г, в, о л, г, в, к л, г, в л, г он 1:10000 л, г л, г л, г л, г л – – Хори- 1:100 л л л л л л л он + 1:1000 л л л л л л л Zn2+ 1:10000 л л л л л л л Хорион + 1:100 л л л л л л л Zn2+ + 1:1000 л л л л л л л Cu2+ 1:10000 л л л л л л л Хорион 1:1000 – – в в в в – Хорион 1:1000 – – в в в в – Контроль, вода л, г, в, к, о л – семена льна-долгунца;
г – семена гороха;
к – картофель;
в – черенки вино града;
о – черенки облепихи Определение энергии прорастания семян проводили согласно ГОСТ12038-84. Семена льна-долгунца проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге, увлажненной растворами хитозановых препара тов. Семена гороха проращивали, завернув в рулоны фильтровальной бумаги, концы рулонов помещались в стаканы с растворами хитозано вых препаратов. Во второй серии опытов семена льна-долгунца сначала проращивали в растворах ортофосфата калия, затем раствор заменяли соответствующим раствором хитозанового препарата. Повторность опы та пятикратная. В каждом варианте опыта было по 100 семян льна-дол гунца или по 50 семян гороха.
Влияние хитозановых препаратов на ризогенез черенков винограда различных сортов оценивалось в лабораторных условиях. Черенки поме щали в растворы хитозановых препаратов, ортофосфата калия и воду длительность экспериментов составляла 40–55 суток, в ходе опыта опре деляли выход саженцев и их биометрические показатели. Часть черенков на начальном этапе укоренения подвергали ультразвуковому облучению акустической мощностью 50 Вт, при интенсивности 6,7 Вт/см 2 в течение трех и шести минут. В каждом варианте опыта было пять черенков, по вторность опыта трехкратная.
Полевые испытания на культуре картофеля проводили в черте города Бийска в 2008 году. Площадь опытной делянки 25 м2. Почва – лугово чернозёмная среднемощная среднегумусная супесчаная. Опыт проводи ли в трехкратной повторности с рендомизированным размещением деля нок, в каждом варианте опыта было 10 растений. Перед посадкой клубни картофеля замачивали в течение 2 часов в растворах препаратов «Арте мия» и «Хорион». В фазу появления первых всходов и в фазу бутониза ции проводили опрыскивание листовой поверхности растений соответ ствующими препаратами. Уборку урожая проводили сплошным методом со всей делянки. С вариантов опыта отбирали образцы растений, в кото рых определяли содержание сухих веществ, крахмала, аскорбиновой кислоты и нитратного азота по общепринятым стандартным методикам.
Влияние хитозановых препаратов на ризогенез черенков облепихи изучали на базе ЗАО крестьянское хозяйство «Флора». Опыт проводили в трехкратной повторности, количество черенков в каждом варианте – 1000. Срезанные в июле 2008 года черенки на одну треть длины помеща ли в раствор хитозанового препарата «Хорион» на 5 часов, контрольные черенки выдерживали в воде. Укоренение проводили в песчаной почве в пленочной теплице с туманообразующей установкой по общепринятой методике (Стрельцов, Тучина, 2008). В апреле 2009 года саженцы пере саживали, подсчитывали количество укоренившихся растений и измеря ли их биометрические показатели. Объем выборки в каждом варианте – 10 саженцев.
Статистическая обработка данных. Расчет относительной ошибки средней Sx, % и наименьшей существенной разности для 5 %-ного уров ня значимости НСР05 осуществляли по формулам, рекомендуемым Б.А.
Доспеховым (1968).
Расчет доверительного интервала проводили с использованием паке та программ Microsoft Office Профессиональный 2007, версия 12.0.4518.1014 (Microsoft Corporation, 2007).
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ХИТОЗАНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ НА ПРОРАСТАНИЕ СЕМЯН И УРОЖАЙНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР Лен-долгунец. В данном исследовании использовали семена льна долгунца, хранившиеся в течение пяти лет и изначально имеющие низ кие посевные качества. Зависимость энергии прорастания семян льна долгунца от рН и степени разведения хитозановых препаратов представ лена в таблице 2. Жирным шрифтом выделены результаты, достоверно превышающие контрольное значение. Положительное влияние препа рата «Артемия» и раствора ортофосфата калия наблюдается только при степени разведения 1:100, при дальнейшем разведении не зависимо от рН раствора энергия прорастания остается на уровне контроля или ниже.
Таблица Зависимость энергии прорастания (определяемой через 72 часа) се мян льна-долгунца от рН и степени разведения хитозановых препаратов Энергия прорастания, % Препа- Разведе рат ние рН=3 рН=4 рН=5 рН=6 рН=7 рН=8 рН= 1:100 9 52 66 63 54 58 Хорион 1:1000 68 52 54 54 58 53 1:1000 62 44 40 52 44 - 1:100 45 57 69 62 61 65 Эталон, 1:1000 50 50 58 51 - - Артемия 1:10000 49 45 48 - - - 1:100 53 61 72 66 65 53 Фон, 1:1000 58 44 50 53 57 55 K3PO 1:10000 44 44 51 51 45 54 Контроль Относительная ошибка средней Sx = 3,4%;
НСР0,5 = Максимальная энергия прорастания для хитозановых препаратов на 28 % выше контрольное значение и достигается для препарата «Арте мия» при разведении 1:100 и рН=5, а для препарата «Хорион» при разве дении 1:100 и рН=9. Для оценки степени влияния каждого фактора (вида препарата, степени разведения и рН раствора) проводили анализ с ис пользованием пакета программ SPSS 12.0 for Windows (SPSS Inc., 2003).
Максимальный разброс значений наблюдается при применении препа рата «Хорион», наибольшее влияние на энергию прорастание семян ока зывает степень разведения.
Наиболее развитыми оказались проростки, обработанные растворами препаратов «Артемия» и «Хорион» с рН=6, 8 и 9, максимальная длина корней достигала 55 мм (27 мм в контроле). Длина корней у проростков семян, обработанных растворами ортофосфата калия, ниже контрольно го значения.
Таким образом, применение ортофосфата калия позволяет добиться высокой энергии прорастания семян, а хитозановые препараты способ ствуют развитию проростков. Как видно по данным таблицы 3, последо вательная обработка ортофосфатом калия и хитозановым препаратом дает наилучший результат при рН=5 и рН=6. Если обрабатывать семена первые сутки ортофосфатом калия и последующие сутки препаратом «Хорион», удается добиться и высокой энергии прорастания (на 35 % выше, чем у контроля) и высокой степени развития растений.
Таблица Влияние K3PO4 и хитозановых препаратов при последовательной обработке на энергию прорастания (определяемую через 72 часа) се мян льна-долгунца Энергия прорастания, % рН 1,2 сутки K3PO4, 1 сутки K3PO4, 1 сутки K3PO4, 3 сутки Хорион 2,3 сутки Хорион 2,3 сутки Артемия 9 57 58 8 61 57 7 59 61 6 66 62 5 63 73 4 44 51 3 57 40 Максимальная При рН=5 корни При рН=5 корни При рН=5 корни до длина корней, до 20 мм до 50 мм 40 мм мм Контроль Относительная ошибка средней Sx = 3,4%;
НСР0,5 = Низкая всхожесть, задержка роста и низкие урожаи многих растений часто объясняется дефицитом микроэлементов. В связи с этим была про ведена оценка влияния введения хелатов цинка и меди в препарат «Хо рион» на прорастание семян льна-долгунца. Лен является культурой, предрасположенной к дефициту цинка. Симптомы дефицита меди часто проявляются в известковых и выщелоченных песчаных почвах, на поч вах с высоким содержанием органических веществ или глины (Булыгин и др., 2007).
Как видно по данным таблицы 4 применение препарат «Хорион + Zn2+», позволяет добиться существенного повышения энергии прораста ния семян при степени разведения 1:100 в широком диапазоне рН рабо чего раствора. Наибольшей биологической активностью обладают ней тральный и кислый растворы. В данной работе в качестве хелатирующе го реагента использовали динатриевую соль этилендиаминтетрауксус ной кислоты (ЭДТА). Комплексоны ЭДТА с металлами наиболее устой чивы в слабокислой и кислой среде. Внесение хелата цинка, оказывает ингибирующее действие на рост корней. Длина корней проросших семян увеличивается по мере разбавления препарата и увеличения рН раство ра.
Таблица Влияние препарата «Хорион + Zn2+», обогащенного хелатом цинка, на прорастание семян льна-долгунца Энергия прорастания (через 72 часа), % Разведение рН=3 рН=4 рН=5 рН=6 рН=7 рН=8 рН= 1:100 72 65 75 69 76 67 1:1000 43 42 54 51 51 54 1:10000 34 39 52 48 42 43 Контроль Относительная ошибка средней Sx = 2,7 % НСР0,5 = Длина корней, мм Разведение рН=3 рН=4 рН=5 рН=6 рН=7 рН=8 рН= 1:100 4 3 8 3 7 15 1:1000 3 5 18 22 12 14 1:10000 5 10 17 30 37 50 Контроль Относительная ошибка средней Sx = 4,3%;
НСР0,5 = 2, Обработка семян льна-долгунца препаратом «Хорион + Zn2++ Cu2+» с добавлением хелатов цинка и меди (данные в автореферате не представ лены) приводит к снижению энергии прорастания ниже контрольного значения в среднем на 20 % при степенях разведения 1:100 и 1:10000.
При степени разведения 1:1000 и рН = 5, 7 и 9 энергия прорастания выше контрольного значения, однако ниже значения полученного без добавления комплексонов меди.
Таким образом, установлено, что при проращивании семян льна-дол гунца наибольшей ростостимулирующей активностью обладает препа рат «Хорион» при степени разведения 1:100 и рН=6: энергия прораста ния повышается на 17 %, а длина корней в два раза. Внесение в препарат «Хорион» хелата цинка при степени разведения 1:100 позволяет повы сить энергию прорастания семян льна-долгунца на 20–39 % в широком диапазоне рН, однако приводит к уменьшению длины корней. Внесение хелата меди приводит к снижению энергии прорастания в среднем на %, при этом длина корней проросших семян увеличивается.
Горох. При обработке препаратом «Хорион» максимальная энергия прорастания достигается при разведении 1:1000 и рН=4 и рН=8 и состав ляет 94,0 % при 87,4 % у контрольных семян. При этом, как видно по данным таблицы 5, при рН=8 корни первого порядка имеют максималь ную длину – 95 мм, что на 28 % выше контрольного значения. Было за мечено, что при обработке семян растворами с рН=5 и рН=6 наблюдает ся развитие корней второго порядка длиной до 4 мм. При этом при сте пени разведения 1:100 энергия прорастания сохраняется на уровне контрольного значения.
Таблица Влияние хитозановых препаратов на прорастание семян гороха Длина корней первого порядка (мм) / Длина корней вто Препа- Разведе рого порядка (мм) рат ние рН=3 рН=4 рН=5 рН=6 рН=7 рН=8 рН= 1:100 35/- 37/- 37/- 62/4 55/3 47/- 55/ Хорион 1:1000 гниль 50/- 60/3 60/3 60/- 95/- 62/ 1:1000 55/- 50/- 55/3 70/4 - - 1:100 35/- 33/- 20/- 30/- 50/- 40/- Эталон Артемия 1:1000 20/- 20/- 45/- 30/- - - Контроль 70/ Относительная ошибка средней Sx = 4,7 %;
НСР0,5 = Таким образом, при проращивании семян наибольшего эффекта уда ется достичь при применении хитозановых препаратов в слабокислой среде, это объясняется химической природой хитозана. Так как хитозан относится к классу аминов, он легко образует соли с анионами. Многие из таких солей являются водорастворимыми, а значит доступными для растений. В кислой среде хитозан состоит из электронейтральных глю козаминных звеньев и звеньев, в которых глюкозамин протонирован и ассоциирован с анионами соответствующей кислоты (Тютерев, 2002).
Хитозан является осмотически активным веществом (Burrows et al., 2007), под влиянием хитозана проникновение воды через оболочку се мян значительно повышается. Кроме того хитозан повышает активность многих ферментных систем растения (Зиновьева и др., 1999). В целом, обработка хитозановыми препаратами, в результате комплексного воз действия на отдельные процессы в семени повышают и их жизнеспособ ность, всхожесть и способствует развитию корневой системы.
Картофель. Из данных таблицы 6 следует, что применение препа рата «Хорион» способствует существенному повышению урожайности по сравнению с контрольным значением, увеличению числа и массы клубней.
Таблица Влияние хитозановых препаратов на урожайность картофеля сорта Орхидея Показатели Контроль Артемия Хорион Sx, % НСР0, Урожайность клубней, 755 600 2215 6,4 г/гнездо В процентах от контроля - 79 293 - Количество клубней в 12 8 21 5,5 гнезде, шт.
Средняя масса клубня, г 125 200 222 5,1 Вегетационный период 2008 года был недостаточно увлажненным (количество осадков в июле составило 68 % от средней многолетней нормы). В данных обстоятельствах повышение урожайности картофеля при использовании препарата «Хорион» достигается за счет способности хитозана регулировать расходование растением влаги. Обработка хито заном может способствовать накоплению абсцизовой кислоты в тканях листьев (Iriti, Faoro, 2008). Высокий уровень этой кислоты приводит к блокированию устьиц в эпидермисе растения, таким образом, сокраща ется испарение (Bittelli et al., 2001). Благодаря способности сохранять воду, растения имеют больше листьев, что также способствует больше му накоплению питательных веществ. Максимальное начальное содер жание сухих веществ составляет 29,7 % (20,6 % в контроле) наблюдается в картофеле, обработанном препаратом «Хорион».
Начальное содержание витамина С в картофеле, обработанном пре паратом «Хорион», ниже контроля на 14 %. Однако при хранении в тече ние трех месяцев содержание витамина С для контрольного картофеля и картофеля, выращенного с применением препарата «Артемия» снижает ся на 20–30 %, а для картофеля, выращенного с применением препарата «Хорион», меняется незначительно.
При применении хитозановых препаратов спустя месяц после уборки урожая содержание нитратов в клубнях картофеля для препарата «Арте мия» в 3 раза превышает ПДК, а для препарата «Хорион» – в 1,8 раз. Во время хранения количество нитратов снижается, и спустя три месяца во всех образцах содержание нитратов не превышает 10 мг/кг. Хитозан по вышает ассимиляцию растениями неорганического азота из почвы (Burrows et al., 2007). С одной стороны, это способствует росту и разви тию растений. С другой стороны, как показывают полученные нами дан ные, сельскохозяйственная продукция, выращенная таким образом, мо жет содержать большое количество опасных для здоровья соединений.
Таким образом, установлено, что повышенное содержание хитозана в препарате «Хорион» приводит к увеличению урожайности картофеля на фоне недостаточной увлажненности в течение вегетационного перио да благодаря оптимальному расходованию растением влаги. Применение препарата «Хорион» при выращивании картофеля снижает скорость рас ходования витамина С в картофеле во время хранения.
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ХИТОЗАНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ НА УКОРЕНЕНИЕ ЧЕРЕНКОВ ПЛОДОВО-ЯГОДНЫХ КУЛЬТУР Виноград. Влияние хитозановых препаратов на укоренение че ренков винограда определяется сортовыми особенностями. Ниже приве дены данные по некоторым сортам винограда, показавшим при укорене нии наиболее примечательные результаты. У саженцев винограда сорта Катыр (таблица 7) в кислой и слабокислой области значений рН наблю дается увеличение длины побегов. Примечательно, что при применении препарата «Хорион» при рН=6 и 7 на фоне сохранения на уровне контроля или даже уменьшения длины побегов масса побегов увеличи вается на 30–40 %. Это связано с увеличением количества и размера ли стьев, что впоследствии благоприятно скажется на развитию саженцев за счет большей фотосинтетической активности растения. В наибольшей степени способствовал ризогенной активности саженцев препарат «Хо рион» при рН=6: суммарная длина и количество корней первого порядка более чем в 2 раза превышают контрольное значение. При этом же зна чении рН наблюдали увеличение массы побегов. Высокая ризогенная ак тивность была выявлена у саженцев, укореняемых в растворе ортофос фата калия, при этом рН раствора не оказывал существенного влияния на длину корней первого порядка. При укоренении в растворе при рН= все черенки не зависимо от вида препарата имели высокие качественные показатели.
Условные обозначения таблиц 7–9: * - цветы;
# - корни второго по рядка;
## - корни третьего порядка;
+ - каллус;
жирным шрифтом выде лены результаты более чем на 30 % превышающие контрольное значе ние.
Таблица Влияние обработки хитозановыми препаратами на укоренение черенков винограда сорта Катыр, 2009 год Сред Суммарная Количе ний Длина Масса по- длина кор- ство Масса Раствор выход побе бегов, г ней первого корней, корней, г сажен- гов, мм порядка, мм шт.
цев, % Вода 71 111±15 1,92±0,18 1345±200 21,0±1,8 0,41±0, 17,0#±1, рН=8 86 72±10 1,45±0,13 1495±180 0,48±0, Хорион 28,2#±3, рН=7 86 84±10 2,48±0,30 2565±340 0,71±0, 43,4#±5, рН=6 71 108±12 2,69±0,31 3905±450 0,86±0, рН=5 86 137±25 3,32±0,34 2145±220 31,1±3,6 0,61±0, 21,4#±2, рН=8 71 94±9 1,54±0,16 1305±175 0,50±0, Артемия рН=7 86 76±10 1,31±0,15 785±95 11,5±1,8 0,20±0, рН=6 86 135±27 2,79±0,34 2785±355 35,7±4,5 0,84±0, 19,8#±2, рН=5 71 99±11 2,19±0,24 1645±280 0,82±0, 29,2#±4, рН=7 86 113±13 2,30±0,29 3125±370 1,48±0, K3PO 30,3#±4, рН=6 100 151±28 2,98±0,35 3305±440 1,34±0, 25,7#±3, рН=5 83 91±10 1,96±0,21 3215±450 1,18±0, В 2010 году на черенках винограда сорта Память Домбковской ис следовали биологическую активность препаратов «Хорион», «Хорион 12» «Хорион 21», в качестве эталона выступал препарат «Артемия», в качестве контроля – вода. Данные приведены в таблице 8. Препараты «Хорион 12» и «Хорион 21» существенно повышали выход и качествен ные показатели (длину побегов, длину, количество и массу корней) са женцев, во всем применяемом диапазоне рН. Возможно, это объясняется снижением молекулярной массы хитозана, входящего в состав препарата после ультразвуковой обработки.
В литературе также приводятся данные, показывающие, что низко молекулярный хитозан обладает большей элиситорной (Озерецковская и др., 2002) и антимикробной (Winiewska-Wrona et al., 2007) активностью.
Это объясняется тем, что небольшим молекулам легче проникать сквозь клеточную стенку.
Таблица Влияние обработки хитозановыми препаратами на укоренение черенков винограда сорта Память Домбковской, 2010 год Вы- Суммар ход ная длина Длина Количе са- Масса по- корней Масса Раствор побегов, ство кор жен- бегов, г первого корней, г мм ней, шт.
цев, порядка, % мм 3,3+±0, Вода 50 54±7 0,54±0,06 20±3 0, 5,3+±0, рН=7,5 60 61±7 0,57±0,06 40±5 0,09±0, Артемия 6,0+±0, рН=7 20 71±10 0,80±0,09 40±5 0,07±0, 6,7+±0, рН=6 60 105±13 1,39±0,15 80±10 0,15±0, рН=5 20 160±18 3,11±0,32 1680±195 28,0±3,1 1,15±0, рН=8 80 94±12 1,5±0,16 250±35 10,5±1,2 0,17±0, Хорион 13,0#±1, рН=7 80 103±13 1,21±0,14 330±40 0,30±0, 10,0+#±1, рН=6 40 133±15 1,49±0,16 145±20 0,21±0, 1,0+ рН=5 17 48±10 0,74±0,10 5 13,2#±1, рН=8 100 206*±25 2,90±0,32 510±65 0,29±0, риХо Хорион 16,2#±1, рН=7 71 142*±16 2,94±0,32 725±80 0,61±0, 34,3#±4, рН=6 100 209*±25 3,54±0,37 2295±260 0,72±0, рН=8 # 83 131±15 2,26±0,28 505±65 13,0 ±1,5 0,57±0, рН=7 24,3#±3, 100 177*±19 3,32±0,36 1255±140 1,12±0, рН=6 29,8#+±3, 100 249±29 2,32±0,28 1300±155 1,07±0, рН=5 35,8#±4, 100 170±18 2,57±0,30 1070±120 1,20±0, Влияние хитозановых препаратов и ультразвукового облучения на ризогенез черенков винограда. Для повышения приживаемости че ренков можно применять физическое воздействие, одним из видов кото рого являются ультразвуковые колебания. По данным таблицы 11 видно, что укоренение в растворах хитозановых препаратов стимулирует побе гообразование, но угнетает ризогенез: для препарата «Хорион» при рН=6 количество корней более чем в три раза, а длина более чем в два раза ниже контрольного значения, сходные данные были получены для раствора препарата «Артемия» при рН=7,5.
Ультразвуковое облучение черенков винограда в течение 3 и 6 минут увеличивает эффективность действия хитозановых препаратов. При трехминутной обработке в растворе препарата «Хорион» при рН=7 и увеличивается выход саженцев более чем на 50 % по сравнению с не об лученными черенками. При увеличении времени озвучивания до 6 ми нут в растворе препарата «Хорион» при рН=7 выход саженцев сохраня ется, а при рН=6 снижается до контрольного значения.
Таблица Влияние хитозановых препаратов и ультразвукового облучения на укоренение черенков винограда сорта Мускат Катунский, 2010 год Вы- Суммар ход ная длина Длина Количе са- Масса по- корней Масса Раствор побегов, ство кор жен- бегов, г первого корней, г мм ней, шт.
цев, порядка, % мм Без ультразвукового облучения 17,3#±2, Вода 43 105±12 1,03±0,12 760±90 0,57±0, 13,0#±1, рН=8 57 170±19 1,89±0,20 495±55 0,20±0, Хорион 8,7#±0, рН=7 43 98±12 0,87±0,09 535±65 0,23±0, рН=6 57 161±19 1,16±0,12 350±40 5,5±0,6 0,24±0, 17,5#±2, рН=5 29 205±22 2,02±0,21 975±100 0,32±0, 10,0#±1, рН=7,5 29 114±14 1,01±0,12 320±40 0,16±0, Артемия 14,2#±1, рН=7 71 234*±25 1,77±0,19 765±90 0,24±0, 16,5#±1, рН=6 29 114±14 1,14±0,12 955±100 0,40±0, 20,0#±2, рН=5 57 153±18 1,10±0,12 685±85 0,25±0, Облучение в течение 3 минут 6,2#+±0, Вода 57 185±20 1,17±0,12 235±30 0,12±0, рН=8 29 155±18 1,42±0,16 330±40 8,0±0,9 0,14±0, Хорион 15,8#±1, рН=7 71 202*±22 1,92±0,20 900±85 0,41±0, 19,7#±2, рН=6 86 294*±35 2,19±0,22 1095±120 0,48±0, рН=5 14 130±16 0,83±0,09 400±70 9,0±1,1 0,15±0, 10,7#±1, рН=7,5 43 144±17 1,03±0,10 360±40 0,15±0, Артемия 9,2#±1, рН=7 71 217±23 1,53±0,17 485±55 0,15±0, рН=6 43 141±17 0,71±0,08 190±25 6,0±0,6 0,10±0, 34,0#±6, рН=5 29 362±39 2,80±0,30 2160±270 1,57±0, Облучение в течение 6 минут 13,5#+±1, Вода 57 239±25 2,20±0,25 520±60 0,37±0, 16,0#±1, рН=8 57 158±18 1,51±0,16 665±75 0,23±0, Хорион 19,8#±2, рН=7 71 269±30 2,19±0,23 820±90 0,39±0, 34,8#±6, рН=6 57 216*±23 2,58±0,27 2055±270 0,88±0, 5,0#±0, рН=5 29 135±16 0,86±0,09 130±20 0,04±0, 15,0#±1, рН=7,5 57 186±20 2,08±0,22 850±95 0,46±0, Артемия 5,0#±0, рН=7 57 126±14 1,01±0,10 200±30 0,08±0, 26,5#±3, рН=6 57 142±17 1,74±0,18 2130±250 0,90±0, рН=5 29 210±25 1,95±0,20 1625±180 37,0±6,1 0,52±0, Ультразвуковое облучение стимулирует ризогенез: при трехминут ном облучении в растворе препарата «Артемия» при рН=5 суммарная длина корней увеличивается на 215 %, количество корней на 70 %, а масса корней на 175 % по сравнению с аналогичными необлученными черенками. Шестиминутное ультразвуковое облучение в растворе «Хо рион» при рН=6 способствует увеличению длины и количества корней почти в шесть раз. Положительное действие ультразвука объясняется влиянием на тканевые и внутриклеточные процессы: изменением про цессов диффузии и осмоса, проницаемости клеточных мембран, интен сивности протекания ферментативных процессов, окисления, кислотно щелочного равновесия, электрической активности клетки (Молчанов, 2009).
Облепиха. Применение хитозанового препарата на основе хорионов цист Artemia species оказывает существенное положительное влияние на все показатели укореняемых черенков (таблица 12): позволяет повысить приживаемость саженцев облепихи на 61 %,стимулирует формирование мощной корневой системы, способствует росту побега и кущению.
Таблица Выход и качественные показатели черенков облепихи (апрель 2009) В % от Показатель Контроль Хорион контроля Приживаемость, % 46±5 74±5 Высота саженца, см 20±2 32±3 Число скелетных ветвей первого 3,0±0,5 5,5±0,5 порядка Число корней первого порядка 18±2 22±2 Суммарная длина корней первого 128±7 185±9 порядка, см В опыте укоренение проводили в пленочной теплице с туманообра зующей установкой. Закрытый грунт и высокая влажность способствуют развитию грибных патогенов, вызывающих некроз базальной части, от мирание нижних листьев и гибель уже сформировавшихся первичных корней. В данных условиях положительное влияние препарата «Хорион» на укоренение черенков облепихи объясняется фунгицидной и элиситор ной активностью входящего в его состав хитозана. Хитин, хитозан и их производные входят в состав клеточных стенок паразитарных грибов и служат информационными сигнальными молекулами, экспрессируя ши рокий спектр защитных генов высших растений (Немцев и др., 2001, Па нина, 2005). То есть при определенных условиях хитозановые препараты на основе отходов вылова цист Artemia species могут частично заменить пестициды, способствуя снижению химической нагрузки на биоценозы и агроценозы.
ВЫВОДЫ 1. Содержание водорастворимых солей в хорионах цист Artemia species – 16,4 %. Лучшие результаты по обессоливанию получены при ультразвуковом облучении акустической мощностью 150 Вт в течение трех минут водной суспензии хорионов при гидромодуле 1:40. Хитоза новые препараты получают настаиванием хорионов в 40 %-ном растворе КОН при модуле 1:10. Ультразвуковая обработка при этом позволяет со кратить время настаивания и получить хитозан с более низкой молеку лярной массой.
2. На биологическую активность хитозановых препаратов наиболее существенное влияние оказывает рН раствора и молекулярная масса вхо дящего в состав хитозана. Введение в препарат хелата цинка повышает энергию прорастания семян льна-долгунца на 20–39 %. Введение хелата меди снижает энергии прорастания семян в среднем на 20 %, но приво дит к увеличению длины корней.
3. При проращивании семян наибольшей биологической активно стью обладает препарат «Хорион» при степени разведения 1:100 и рН=6, что объясняется лучшей растворимостью хитозана в слабо кислой среде.
При обработке семян льна-долгунца энергия прорастания повышается на 17 %, а длина корней в два раза. При обработке семян гороха развивает ся корни второго порядка длиной до 4 мм.
4. Применение препарата «Хорион» повышает урожайность карто феля сорта Архидея на 293 %. На фоне недостаточной увлажненности вегетационного периода это объясняется способностью хитозана регули ровать использование воды.
5. Влияние хитозановых препаратов на укоренение черенков вино града определяется индивидуальными особенностями сорта. В большинстве случаев хитозановый препарат стимулирует образование корней второго и третьего порядка. При укоренении черенков сорта Му скат Коричневый в растворе препарата «Хорион» при рН=6 шестиминут ное ультразвуковое облучение черенков акустической мощностью 50 Вт приводит к увеличению суммарной длины и количества корней в шесть раз. Препараты, полученные после ультразвукового облучения и имею щие в своем составе более низкомолекулярный хитозан, проявляют большую биологическую активность в отношении черенков винограда сорта Память Домбковской: при рН=6 длина побегов увеличивается на 57–87 %, количество корней – более чем в три раза.
6. Обработка препаратом «Хорион» зеленых черенков облепихи по вышает приживаемость на 61%, способствует кущению и увеличению суммарной длины корней первого порядка на 45 %, что связано с фунги цидной и элиситорной активностью хитозана.
Основное содержание изложено в работах:
1 Морозова, Е.А. Применение ультразвука для обессоливания хорионов цист Artemia species / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Материалы Всерос.
науч.-практ. конф. «Технологии и оборудование химической, биологической и пищевой промышленности», май 2008. – Бийск: АлтГТУ. – 2008. – С. 128– 130.
2 Морозова, Е.А. Влияние хитозанового препарата, полученного из некон диционных цист Artemia sp., на энергию прорастания семян льна-долгунца / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Сб. статей III Международ. науч.-практ.
конф. «Аграрная наука – сельскому хозяйству», книга 1. – Барнаул: АГАУ. – 2008. – С. 372–373.
3 Морозова, Е.А. Сравнительный анализ основных физико-химических показателей некондиционных цист и хорионов цист Artemia sp. / Е.А. Моро зова, А.Л. Верещагин // Материалы 5-й Межрегион. науч.-практ. конф.
«Производные хитозана и стимуляторы роста в сельском хозяйстве», март 2008. – Бийск: АлтГТУ. – 2008. – С. 22–25.
4 Морозова, Е.А. Разработка метода очистки исходного сырья (хорионов цист Artemia species) для получения поли-(1,4)-2-амино-2-дезокси-D-глюко пиранозы / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Материалы II-ой Всерос. науч. техн. конф. «Полимеры, композиционные материалы и наполнители для них («Полимер 2008»)», май 2008. – Бийск: АлтГТУ. – 2008. – С. 31–33.
5 Морозова, Е.А. Ризогенная активность хитозанового препарата, полу ченного из некондиционных цист Artemia sp., на примере семян льна долгунца / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Ползуновский вестник. – Барнаул.
– 2008. – №. 1-2. – С. 45–48.
6 Морозова, Е.А. Обессоливание хорионов цист Artemia species / Е.А. Мо розова, А.Л. Верещагин, М.В. Хмелев // Ползуновский вестник. – Барнаул. – 2008. – №. 1-2. – С. 82–84.
7 Морозова, Е.А. Ризогенная активность и влияние хитозановых препара тов полученных из хорионов цист Artemia species на энергию прорастания го роха сорта «Новосибирец» / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Материалы IІІ Международ. конф. (18 – 21 ноября 2008 г., г. Харьков, Украина). – Харьков:
СПД ФЛ Михайлов Г.Г. – 2008. – С. 286–287.
8 Морозова, Е.А. Оптимизация процесса обессоливания хорионов цист Artemia species / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Природные и интеллекту альные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-14-2008): доклады (материалы) 14-й Междунар. науч.-практ. конф. Омск, 6-8 окт. 2008 г. / Отв. Ред. В.Н. Маслен ников. – Томск: САН ВШ;
В-Спектр. – 2008. – С. 233–236.
9 Морозова, Е.А. Эффективность применения хитозанового препарата на основе хорионов цист Artemia species на ранние стадии развития семян льна долгунца сорта «Томский 14» / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Сб. статей IV Международ. науч.-практ. конф. (5-6 февраля 2009) «Аграрная наука сельскому хозяйству», книга 2. – Барнаул: АГАУ. – 2009. – С. 123–126.
10 Морозова, Е.А. Повышение урожайности и качества картофеля за счет применения препарата «Хорион» / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Иннова ционные технологии: производство, экономика, образование: мат. Всерос.
научно-практ. Конф. 24 сентября 2009 года / под ред. Г.В. Леонова;
Алт. гос.
Техн. Ун-т, БТИ. – Бийск: АлтГТУ. – 2009. – С. 417–419.
11 Морозова, Е.А. Эффективность действия хитозановых препаратов на стадии укоренения одревесневших черенков винограда / Е.А. Морозова, А.Л.
Верещагин // Виноградарство в Западной Сибири: материалы Четвертой меж регион. науч.-практ. конф. 12 сентября 2009 года – Бийск: АлтГТУ. – 2010. – С. 59–65.
12 Морозова, Е.А. Применение хитозановых препаратов на стадии укоре нения одревесневших черенков винограда / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета – 2010. – №.
2 (64) – С. 41–43.
13 Морозова, Е.А. Применение хитозанового препарата на основе хорио нов цист Artemia species при укоренении черенков облепихи в полевых усло виях / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Сборник трудов регион. науч.-практ.
конф. «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животно водстве, растениеводстве и экономике» - Томск: Изд-во ТСХИ. – 2010. – Вып.
12. – С. 31–34.
14 Морозова, Е.А. Разработка метода получения биологически активного препарата на основе хорионов цист Artemia species / Е.А. Морозова, А.Л. Ве рещагин // Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана: Ма териалы Десятой Международ. конф. – Н.Новгород: ННГУ. – 2010. – С. 42– 44.
15 Морозова, Е.А. Сравнительный анализ эффективности использования препаратов «Артемия» и «Хорион»/ Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Производные хитозана и стимуляторы роста в сельском хозяйстве: материалы 6-й Межрегион. науч.-практ. конф. 23 марта 2010 года – Бийск: АлтГТУ. – 2010. – С. 59–64.
16 Морозова, Е.А. Опыт применения хитозанового препарата на основе хорионов цист Artemia species / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Аграрная наука сельскохозяйственному производству Монголии, Сибири и Казахстана:
Сборник научных докладов ХIII-й Междунар. науч.-практ. конф. Ч. 1. (Улаан баатор, 6-7 июня 2010 г.) – Улаанбаатор: Монгольская академия аграрных наук. – 2010. – С. 421–423.
17 Морозова, Е.А. Разработка биологически активных препаратов на основе поли-(1,4)-2-амино-2-дезокси-D-глюкопиранозы из хорионов цист Artemia species / Е.А. Морозова // Отчет о выполнении НИОКР // Код ВНИ ТИЦ 18 4000 214 0301, входящий номер И100302102744, 2010. – С. 20-39.
18 Морозова, Е.А. Влияния хитозановых препаратов и ультразвукового облучения на укоренение черенков винограда / Е.А. Морозова, А.Л. Вереща гин // Современное состояние почвенного покрова, сохранение воспроиз водства и плодородия почв: материалы Международ. науч. конф., посвящен ной 65-летию КазНИИ почвоведения и агрохимии им. У.У. Успанова (15- сентября 2010). – Алматы: Изд-во КазНИИ почвоведения и агрохимии им.
У.У. Успанова, 2010. – С. 340-344.
19 Морозова, Е.А. Использование отходов вылова цист артемии в расте ниеводстве / Е.А. Морозова, А.Л. Верещагин // Экологический Вестник Се верного Кавказа – 2010. – № 2. – С. 61-63.
20 Патент Российская Федерация Способ получения средства для пред посевной обработки семян сельскохозяйственных культур и средство / Мо розова Е.А., Верещагин А.Л.;
заявитель и патентообладатель Бийский Тех нологический Институт – № 106504/13;
заявл. 24.02.2009;
опубл. 20.12.2010.