Use of zoohumus extracts in soybean cultivation under regulated agroecosystem conditions
- Authors: Loskutov S.I.1, Pukhalsky Y.V.1, Osipov A.I.2, Khomyakov Y.V.2, Kosulnikov Y.V.3, Laktionov Y.V.3
-
Affiliations:
- All-Russian Research Institute of Food Additives – branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V.M. Gorbatova
- Agrophysical Institute of the Russian Academy of Agricultural Sciences
- All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology
- Issue: No 5 (2024)
- Pages: 16-21
- Section: Crop Production and Selection
- URL: https://ruspoj.com/2500-2082/article/view/659240
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2500208224050048
- EDN: https://elibrary.ru/ztvyta
- ID: 659240
Cite item
Full Text
Abstract
A model experiment was conducted in the laboratory conditions of the climate chamber to study the effect of liquid extract of black soldier fly zoohumus prepared in different ways on the growth rates and germination of seeds of the early ripening soybean variety EN Argenta. The zoohumus suspension was used in all variants at a dose of 0.2% (2000 ppm). As an additional background, a complex fertilizer containing the necessary plant nutrients in the form of various mineral salts was added. Analysis of the experimental data showed that the highest percentage of plant germination was recorded in the variant with the introduced aqueous suspension of zoohumus without centrifugation and without sterilization, and amounted to 94%. Against the background of pure organic matter, an increase in shoot biomass by an average of 22% was recorded. However, here the variant with sterilization, but without centrifugation of the zoohumus suspension, stood out. Against the background of the organomineral environment, the weight and height of the plants were higher, but stagnation in growth was noted, probably due to oversaturation in the feeding regime and the formation of chelate complexes of prolonged absorption. Thus, an aqueous suspension of zoohumus obtained by sterilization without additional centrifugation is the best way to prepare samples of raw materials for further use in sterile experiments. Centrifugation reduces the amount of enzymes and nutritional compounds, which negatively affects the quality of the suspension, and additional sterilization releases an additional amount of low-molecular compounds into the environment, which can feed microorganisms.
Full Text
Соя (Glycine max L.) – маржинальная сельскохозяйственная культура в РФ, которую выращивают от Дальнего Востока до северных областей Нечерноземной зоны. По данным Росстата на 2019 год под ее посевы в стране было отведено 3,04 млн га. Но для импортозамещения данного объема недостаточно. [4] Это полностью безотходная культура, все ее части перерабатываются. Она способна одновременно обеспечивать население недорогим и полноценным белковым питанием и служить основным компонентом кормовой базы сельскохозяйственных животных. Однако в процессе выращивания соя отличается высокой требовательностью к экологическим условиям и плодородию почвы. [2, 7] При недостатке минерального питания урожайность и содержание протеина может резко снижаться. [12] Питание культуры дифференцировано по фазам вегетации. Она требовательна к азоту, фосфору и калию. Среди микроэлементов растения сои больше всего нуждаются в цинке, боре, молибдене, кобальте и марганце. В начальный период роста, когда корневая система слабо развита, растению необходимы комплексные удобрения в легкоусвояемых формах. [15] Поскольку именно на раннем периоде онтогенеза у сои закладывается устойчивость к воздействию различных биотических и абиотических стрессов, правильно подобранный режим питания и выбор оптимального удобрения будет способствовать специфической адаптационной реакции растения при формировании здоровой зеленой биомассы. В экологическом земледелии, наряду с применением минеральных удобрений, растет интерес к технологии возделывания сои с органическими многокомпонентными добавками. Все большее внимание аграриев привлекают препараты, основу которых составляют гуминовые вещества. [18] Присутствие их в почве ингибирует рост численности патогенных грибов и микотоксинов. Из-за пролонгированного действия на агроэкосистемы, они способны увеличивать коэффициенты использования минеральных соединений в почвах, образуя с ними хелатные формы и повышая их доступность для растений. Это сопряжено с ростом численности фосфатмобилизирующих ризобактерий. [1, 16] Гуминовые кислоты могут ингибировать содержание в почве фосфатазы. [19] На примере пахотного слоя обыкновенного чернозема выявлена отрицательная корреляционная взаимосвязь средней степени значимости между содержанием подвижного фосфора и фосфатазной активностью. [6, 13] Уменьшение активности фосфатазы с помощью гуминовых добавок – следствие повышения доступных форм фосфора.
Среди современных органических удобрений можно выделить зоогумус – вторичный продукт, получаемый в результате жизнедеятельности насекомых черной львинки (Hermetia illucens Linnaeus, 1758), в процессе переработки ими отходов 3…4 класса опасности. [9] По содержанию биогенных элементов и органических гуминовых веществ, зоогумус не уступает сухому птичьему помету и вермикомпосту.
Один из подходов, который может быть использован для первичного скрининга отзывчивости сортов бобовых культур на раннем этапе онтогенеза к действию различных удобрений, – выращивание растений в закрытых агроэкосистемах по типу фитотронов и синерготронов. [3, 5, 8, 10] Чтобы исключить лимитирующий фактор воздействия почв, опыты проводят с помощью метода гидропоники или ее разновидностей (хемо-, агрегато, йонопоника и другие). [11, 14]
Еще не проработан вопрос пробоподготовки новой органической суспензии зоогумуса для ее эффективного применения в полевых опытах. Поэтому апробация методики выращивания сельскохозяйственных культур в условиях регулируемой среды микроклимата позволит экстраполировать полученный результат на открытый грунт. Технология переработки исходного органического сырья в жидкую суспензию включает в себя несколько этапов – различные способы экстрагирования (водная или щелочная вытяжка), температурная обработка (стерилизация) и механическое воздействие (центрифугирование и сепарирование). Комбинирование данных элементов позволит выявить оптимальный технологический режим и повысить эффективность получаемого удобрения. Учитывая факт хранения, для вытяжки больше подходит щелочная обработка, поскольку проблема водной заключается в появлении запаха. Но при использовании ее в день приготовления негативный результат не очевиден, так как наличие запаха присуще многим традиционным органическим удобрениям. Стерилизация из-за присутствия в составе органики углеводов приводит к процессу карамелизации, с их разложением до органических кислот. Цвет суспензии меняется в сторону более темноокрашенной формы. Сахара как буфер (термопротектор) берут на себя основное физическое (тепловое) воздействие, защищая колонии бактерий от лизиса. Увеличение концентрации органических кислот в растворе способствует росту титра бактерий, поскольку они применяются последними в качестве источника пищи. Также они выполняют функцию стабилизаторов, как это было показано на примере муравьиной кислоты в пищевой промышленности. [20]
Цель работы – оценка влияния жидких экстрактов зоогумуса, приготовленных различными способами, на формирование морфобиометрических параметров проростков и всхожесть семян сои, выращенных в условиях фитотрона.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Модельный опыт проводили в лаборатории экологии симбиотических и ассоциативных ризобактерий Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии в 2024 году. Объект изучения – сорт сои ЭН Аргента («ЭкоНива-Семена», Россия).
В субстрат вносили 0,2% (2000 ppm) водный или щелочной раствор зоогумуса, приготовленный различными способами.
В процессе подготовки использовали центрифугу Eppendorf 5804 R (Германия) на 10 тыс. об./мин. и автоклав Tuttnauer 2540 ML (Израиль) для стерилизации полученных суспензий паром при 120°С в течение 30 мин. Дополнительным фоном в отдельных вариантах служила добавка минерального удобрения Fertica Люкс (N – 16,0, P2O5 – 20,6, K2O – 27,1). В контроле растения выращивали на фильтрованной воде без добавок. Схема опыта представлена в таблице.
Схема опыта в фитотроне
Экстракция зоогумуса Hermetia illucens | Без внесения NPK | NPK | № |
вариант | |||
контроль | контроль | 1 | |
Щелочная | без стерилизации, без центрифугирования | без стерилизации, без центрифугирования | 2 |
без стерилизации, центрифугирование | без стерилизации, центрифугирование | 3 | |
стерилизация, без центрифугирования | стерилизация, без центрифугировани | 4 | |
стерилизация, центрифугирование | стерилизация, центрифугирование | 5 | |
Водная | без стерилизации, без центрифугирования | без стерилизации, без центрифугирования | 6 |
без стерилизации, центрифугирование | без стерилизации, центрифугирование | 7 | |
стерилизация, без центрифугирования | стерилизация, без центрифугирования | 8 | |
стерилизация и центрифугирование | стерилизация и центрифугирование | 9 | |
Растения выращивали в климатической камере (фитотрон) производства Jiupo BPC300H (Китай) (рис. 1, 2-я стр. обл.). В пластиковые стаканы емкостью 0,3 л, заполненные увлажненным субстратом, высаживали семена по 4 шт. В качестве подложки использовали агроперлит М150. Повторность – четырехкратная. Срок вегетации – 20 сут. Температура воздуха в рабочей зоне камеры не превышала 28°С, влажность – 60%.
Рис. 1. Вид проведения опыта в фитотроне. Номера вариантов соответствуют обозначениям в таблице: а - без внесения добавки NPK, б - добавка NPK
Соя – светолюбивая культура короткого светового дня, которая может расти в условиях искусственного освещения при 7…8 тыс. люкс. В нашем случае освещенность составила 19 тыс. люкс. [11] Фотопериод – 16/8 ч (день/ночь).
В конце опыта растения извлекали из сосудов, взвешивали на аналитических весах, измеряли длину надземной биомассы, подсчитывали степень всхожести. Полученные данные обрабатывали с помощью статистического пакета Microsoft Exel 2016.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Самая низкая всхожесть как на фоне чистой органики, так и при дополнительном внесении NPK была отмечена в контроле – 56% (рис. 2). В среднем по вариантам наибольшая прибавка к всхожести на обоих фонах отмечена при добавлении водного экстракта зоогумуса, самый высокий процент зафиксирован с внесением суспензии без центрифугирования и стерилизации – 94%.
Рис. 2. Всхожесть семян сои.
Анализ морфометрии роста показал, что на фоне чистой органики наибольшие значения биомассы получены в варианте со стерилизацией без центрифугирования (рис. 3). С водной вытяжкой из зоогумуса они были немного выше, чем на щелочи. Достоверное превышение величин этих же показателей в контроле – 22,0%. При внесении NPK такого эффекта не наблюдали. Дополнительное обогащение субстрата минеральными солями приводило к стагнации и уменьшению веса побегов. Хотя растения в этих вариантах опережали по биомассе таковые, выращенные на чистой органике. Биомасса растений на водной вытяжке также была выше, чем на щелочи. Вероятно, из-за быстрого усвоения эссенциальных элементов минеральных удобрений происходит скачок в росте, но вместе с тем наступает ингибирование для дальнейшего развития и усвоения питательных веществ из зоогумуса. Существует мнение, что внесение химических удобрений значительно увеличивает концентрацию N, P и K в субстрате лишь в краткосрочной перспективе. [17] В подтверждение данного факта, мы наблюдаем 50% увеличение веса побегов в контрольном варианте с чистой подкормкой минеральным раствором. Рост веса на органоминеральной среде – 20%. Невостребованные элементы перераспределяются в виде хелатных запасающих комплексов, из-за присутствия в зоогумусе гуминовых соединений. Усвоение биофильных веществ, таким образом, продлевается на более поздние этапы жизненного цикла, когда действие минеральных удобрений закончится. С этим связан вышеописанный нами пролонгированный эффект действия органики.
Рис. 3. Морфометрические показатели развития растений сои.
Помимо биомассы, высота растений также считается важным показателем при возделывании бобовых культур на зерно, так как при ее увеличении возрастает и фотосинтетическая поверхность, что способствует повышению урожайности и числу сформированных плодов. По данному признаку мы наблюдали стабильную прибавку в величинах во всех вариантах. На органоминеральном фоне лучший рост был при внесении водной вытяжки из зоогумуса. В среднем превышение длины побегов по отношению к контролю составило 30%, на чистой органике – 14%. Наилучший результат в обоих случаях отмечен для варианта с водным экстрактом зоогумуса. Длина побегов на обоих фонах – 11,9 см, что на 45% выше показателей контроля.
Подобран оптимальный способ обогащения питательного субстрата органической добавкой в виде экстракта зоогумуса для выращивания раннеспелого сорта сои методом агрегатопоники.
Выводы. Самый высокий показатель всхожести семян сои в варианте с чистой органикой, приготовленной с помощью водной экстракции без центрифугирования и стерилизации – 94%, минимальный – 56% (контроль).
На фоне органики вариант занимал первое место и при щелочном экстрагировании. Второе место у варианта, где суспензию предварительно стерилизовали. На фоне NPK ситуация была обратной, на первое место вышел вариант со стерилизацией без центрифугирования, а также с добавкой водного экстракта зоогумуса.
Показатели растений, выращенных на органоминеральной среде, опережали варианты с чистой органикой. Водная вытяжка доминировала над щелочной, но, по сравнению с контролем на чистой минеральной среде, они уступали последнему. Вероятно, из-за наличия в зоогумусе гуминовых соединений происходило быстрое пресыщение в режиме питания и образование хелатных комплексов пролонгированного типа, которые постепенно усваиваются в дальнейшем цикле вегетации, когда действие минеральных удобрений в среде закончится.
Дополнительное внесение органики на фоне NPK положительно отразилось на увеличении высоты побегов.
Центрифугирование с последующим отбором надосадочной жидкости снижает количество ферментов и питательных соединений при ее сливе, поэтому нужно добиваться максимального растворения осадка в воде или щелочи.
Водный вариант со стерилизацией без центрифугирования из-за лучшего расщепления низкомолекулярных соединений в суспензии в дальнейшем подходит для проведения стерильных экспериментов с добавкой зоогумуса в среду in vitro.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (темы FGUS 2024-0010 и FGUS 2022-0018) / The work was carried out within the framework of the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (FGUS 2024-0010 and FGUS 2022-0018 topics).
About the authors
S. I. Loskutov
All-Russian Research Institute of Food Additives – branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V.M. Gorbatova
Author for correspondence.
Email: puhalskyyan@gmail.com
PhD in Agricultural Sciences, Head of the Laboratory of Industrial Biotechnological Innovation
Russian Federation, St. PetersburgYa. V. Pukhalsky
All-Russian Research Institute of Food Additives – branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V.M. Gorbatova
Email: puhalskyyan@gmail.com
Researcher
Russian Federation, St. PetersburgA. I. Osipov
Agrophysical Institute of the Russian Academy of Agricultural Sciences
Email: puhalskyyan@gmail.com
Grand PhD in Agricultural Sciences, Professor, Chief Researcher
Russian Federation, St. PetersburgYu. V. Khomyakov
Agrophysical Institute of the Russian Academy of Agricultural Sciences
Email: puhalskyyan@gmail.com
PhD in Biological Sciences, Leading Researcher
Russian Federation, St. PetersburgYu. V. Kosulnikov
All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology
Email: puhalskyyan@gmail.com
PhD in Engineering Sciences, Researcher
Russian Federation, St. Petersburg, PushkinYu. V. Laktionov
All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology
Email: puhalskyyan@gmail.com
PhD in Biological Sciences, Leading Researcher
Russian Federation, St. Petersburg, PushkinReferences
- Bezuglova O.S., Polienko E.A., Gorovcov A.V. Guminovye preparaty kak stimulyatory rosta rastenij i mikroorganizmov (obzor) // Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016. № 4 (60). S. 11–14.
- Demidenko G.A. Vliyanie ekologicheskih faktorov na formirovanie posevnyh kachestv soi v Krasnoyarskoj lesostepi // Vestnik KrasGAU. 2015. № 3 (102). S. 64–68.
- Dragavcev V.A. Novaya sistema regulyacii u rastenij i neobhodimost’ sozdaniya selekcionnogo fitotrona v RF // Zhurnal tekhnicheskoj fiziki. 2018. T. 88. № 9. S. 1331–1335. https://doi.org/10.21883/JTF.2018.09.46416.26-18
- Zajcev N.I., Bochkarѐv N.I, Zelencov S.V. Perspektivy i napravleniya selekcii soi v Rossii v usloviyah realizacii nacional’noj strategii importozameshcheniya // Maslichnye kul’tury. 2016. № 2 (166). S. 3–11.
- Latushkin V.V., Zelenkov V.N., Lapin A.A. i dr. Eksperimental’noe modelirovanie uslovij ontogeneza rastenij i biotekhnologicheskih metodov ih vyrashchivaniya v zakrytoj ekosisteme – sinergotrone // Vestnik RAEN. 2021. №. 21 (1). S. 46–53. https://doi.org/10.52531/1682-1696-2021-21-1-46-53
- Naimi O.I., Bezuglova O.S., Polienko E.A. i dr. Fosfatnyj rezhim i aktivnost’ fosfatazy v chernozeme obyknovennom pri vozdelyvanii nuta // Agrohimicheskij vestnik. 2020. № 3. S. 25–29. https://doi.org/10.24411/1029-2551-2020-10034
- Naumchenko E.T., Kovshik I.G. Vliyanie pogodnyh uslovij i mineral’nogo pitaniya na produktivnost’ soi // Vestnik Altajskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2014. № 12. S. 20–25.
- Netyosov S.V., Shchinnikov I.A. Perspektivy primeneniya fitotronov dlya vyrashchivaniya meristemnyh rastenij // AgroEkoInfo. 2023. № 2 (56). S. 1–8. https://doi.org/10.51419/202132241
- Pendyurin E.A., Rybina S.Yu., Smolenskaya L.M. Ispol’zovanie zookomposta chernoj l’vinki v kachestve organicheskogo udobreniya // Agrarnaya nauka. 2020. № 7-8. C. 106–110. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2020-340-7-106-110
- Poverin D.I. Sinergotron – avtomatizirovannoe ustrojstvo, prednaznachennoe dlya provedeniya kompleksnyh eksperimental’nyh issledovanij v sfere sel’skohozyajstvennogo rastenievodstva // Tovaroved prodovol’stvennyh tovarov. 2017. № 2. S. 52–60.
- Sinegovskaya V.T., Sinegovskij M.O. Vyrashchivanie rastenij soi metodom gidroponiki // Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2023. 24 (2). S. 194–200. https://doi.org/10.30766/2072-9081.2023.24.2.194-200
- Siharulidze T.D., Hramoj V.K. Struktura urozhaya i urozhajnost’ soi v zavisimosti ot urovnej mineral’nogo pitaniya v usloviyah central’nogo Nechernozem’ya // Plodorodie. 2012. № 3 (66). S. 9–10.
- Stekol’nikov K.E., Komova A.V. Fosfataznaya aktivnost’ chernozyoma vyshchelochennogo i rezhim fosfatov v stacionarnom opyte // Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2017. № 3 (65). S. 183–188.
- Trepuz S.V., Dolgih P.P., Barsukov V.A. Sistema avtomatizirovannogo upravleniya fitotronom so svetokul’turoj i gidroponnoj tekhnologiej // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2022. № 2. S. 143–149. https://doi.org/10.17513/snt.39049
- Shiryaeva N.A., Beregovaya Yu.V., Petrova S.N. Effektivnost’ primeneniya kompleksnyh mineral’nyh udobrenij v agrocenoze soi // Vestnik agrarnoj nauki. 2020. № 5 (86). S. 66–72.
- Cozzolino V., Monda H., Savy D. et al. Cooperation among phosphate-solubilizing bacteria, humic acids and arbuscular mycorrhizal fungi induces soil microbiome shifts and enhances plant nutrient uptake // Chemical and Biological Technologies in Agriculture. 2021. 8. 31. https://doi.org/10.1186/s40538-021-00230-x
- El Gendy A.G., Taghred A.H., El-Sayed S.M. Effect of biofertilizers and/orurea on growth yield, essential oil and chemical compositions of Cymbopogon citratus plants // Journal of Applied Sciences Research. 2013. Vol. 9. P. 309–320.
- Jindo K., Olivares F.L., Malcher D.J.P. et al. From Lab to Field: Role of Humic Substances Under Open-Field and Greenhouse Conditions as Biostimulant and Biocontrol Agent / Frontiers in Plant Science. 2020. № 11. 426. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00426
- Muter O., Limane B., Strikauska S., Klavins M. Effect of humic-rich peat extract on plant growth and microbial activity in contaminated soil // Material Science and Applied Chemistry. 2015. 32. P. 68–74. https://doi.org/10.1515/msac-2015-001
- Yadav M., Dhyani S., Joshi P. et al. Formic acid, an organic acid food preservative, induces viable-but-non-culturable state, and triggers new Antimicrobial Resistance traits in Acinetobacter baumannii and Klebsiella pneumoniae // Frontiers in Microbiology. 2022. 13. 966207. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.966207
Supplementary files
