Результат интеллектуальной деятельности: Жидкая фракция продукта окислительного крекинга отходов растительного сырья в качестве регулятора роста и развития растений и способ ее применения

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к регуляторам роста и развития растений, и может быть использовано в растениеводстве для повышения урожайности и товарных качеств различных культур.

Проблема повышения урожайности является в сельском хозяйстве одной из важнейших. Применение регуляторов роста и развития растений является одним из основных звеньев комплекса мероприятий по повышению урожайности. Известно большое количество регуляторов роста растений как природных, так и синтетических (Муромцев Г.С. (ред.) Регуляторы роста растений. М.: Колос, 1979, 246 с.; Шевелуха B.C. Регуляторы роста растений. М.: Агропромиздат, 1990, 185 с.). Большинство синтетических стимуляторов являются токсичными веществами, небезопасны при использовании и неблагоприятно сказываются на экологической обстановке.

Важной проблемой является также необходимость утилизации растительных отходов сельскохозяйственной и лесной перерабатывающей промышленности.

Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективного экологически чистого регулятора роста и развития растений на основе продуктов растительного происхождения, удобного и простого в использовании, применимого для любых сельскохозяйственных культур, при получении которого одновременно будет решаться важная задача агропромышленного комплекса и лесной перерабатывающей промышленности - утилизация отходов производства.

Задачей предлагаемого изобретения является также разработка способа применения заявляемого регулятора роста и развития растений - простого, удобного и универсального, то есть пригодного для всех сельскохозяйственных культур.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым регулятором роста и развития растений, представляющим собой жидкую фракцию продукта окислительного крекинга отходов растительного сырья, полученную обработкой отходов растительного сырья пероксидом водорода в воде при нагревании до 60-70°С при массовом соотношении пероксида водорода к отходам растительного сырья 1,1-1,3:1 в присутствии катализатора на основе оксида трехвалентного железа в количестве 0,18-0,34 мас.% по отношению к отходам растительного сырья в пересчете на Fe³⁺, причем катализатор получен перемешиванием в воде при 60-70°С смеси FеСl₃⋅6Н₂О и Nа₂СО₃ при массовом соотношении FеСl₃⋅6Н₂О:Nа₂СО₃=2,5-4,5:1, выделенную из продукта окислительного крекинга отходов растительного сырья после отделения твердой фракции крекинга фильтрованием или центрифугированием и нейтрализованную до рН 5,5-6,5 обработкой карбонатом натрия.

Обработку отходов растительного сырья в воде пероксидом водорода в присутствии катализатора можно проводить в 10-15-кратном массовом избытке воды по отношению к отходам растительного сырья.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым способом применения заявляемого регулятора роста и развития растений, заключающимся в том, что нейтрализованную до рН 5,5-6,5 жидкую фракцию продукта окислительного крекинга отходов растительного сырья разбавляют в 10 раз и наносят на среду выращивания сельскохозяйственных культур.

Концентрация железа Fe³⁺ в разбавленной жидкой фракции продукта окислительного крекинга отходов растительного сырья не превышает 0,003%.

Процесс мягкого каталитического окисления отходов растительного сырья был предметом более ранних исследований авторов настоящего изобретения (RU 2425715, B01J 37/04, 10.08.2011; RU 2488445, B01J 37/04, 27.07.2013; RU 2515319, D21C 3/00, B01J 37/04, 10.05.2014). Было установлено, что используемый катализатор представляет собой суспензию коллоидных твердых частиц окислов железа.

При создании предлагаемого изобретения были проведены подробные исследования влияния различных параметров процесса окислительного крекинга отходов растительного сырья (древесные опилки, солома, льняная костра, шелуха семян риса, гречихи и подсолнечника, жом и др.) на выход и свойства жидкой фракции продукта реакции.

В результате были определены условия процесса, а также количества и соотношения используемых реагентов, обеспечивающие максимальный выход жидкой фракции.

Анализ состава жидкой фракции продукта окисления отходов растительного сырья (ЖФ) проводился хроматографическими и спектрофотометрическими методами. Было установлено, что получаемый водный раствор содержит низкомолекулярные продукты окисления гемицеллюлозы и лигнина - природные органические кислоты: яблочную, лимонную, уксусную, муравьиную, гликолевую, альгиновую, а также олигосахариды, полифенолы, соли железа. Суммарный вес растворенных веществ составлял 2-5 мас.%, в том числе содержание железа в растворе в пересчете на Fe³⁺ - 0,02-0,03 мас.%.

Применение в качестве регуляторов роста растений природных карбоновых кислот в виде водных растворов или в составе водорастворимых композиций широко известно. Например, муравьиная кислота входит в состав средства, одновременно стимулирующего рост растений и повышающего их устойчивость к засухе (RU 2133092, A01N 37/02, 20.07.1999). Яблочная и лимонная кислоты наряду с другими предельными дикарбоновыми кислотами используются для стимулирования роста растений (RU 2267924, A01N 37/04, 20.01.2006; RU 2350076, A01N 37/36, А01Р 21/00, 27.03.2009). Альгиновая кислота входит в состав удобрений (RU 2401824, C05D9/02, 20.10.2010; RU 2272799, C05F11/00, 27.03.2006).

Полифенолы являются прекурсорами гумуса и эффективными антиоксидантами (Mosier N., Wyman С., Dale В., Elander R., Lee Y.Y., Holtzapple M. and Ladisch M. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technol., 2005, 96: 673-686; Запрометов M.H. Фенольные соединения. Распространение, метаболизм и функции в растениях. М: Наука, 1993. 272 с.). Минеральные соли - важнейшие компоненты микро- и макроэлементов в почве. Железо необходимо растениям для образования хлорофилла, оно усваивается растениями и содержится в их тканях в большем количестве по сравнению с другими металлами (Л.А. Красильникова, О.А. Авксентьева, В.В. Жмурко и др. Биохимия растений. - Ростов н/Д: Феникс, Харьков: Торсинг, 2004, 224 с.). Поли- и олигосахариды обладают ростстимулирующими свойствами (RU 2110177, A01N 65/00, С07Н 1/08, 10.05.1998).

Приводим примеры получения предлагаемого регулятора роста и развития растений (ЖФ).

Пример 1

Смесь 2,5 г FeCl₃⋅6H₂O, 0,95 г Nа₂СО₃ (массовое отношение FeCl₃⋅6H₂O: Nа₂СО₃=2,5:1) и 1800 мл водопроводной воды перемешивают при 70°С в течение 10 мин. Оставляют смесь до полного осаждения коллоидного катализатора, затем снова перемешивают и добавляют при постоянном перемешивании 270 г древесных опилок ели (размер частиц 1-3 мм), количество катализатора по отношению к опилкам в пересчете на Fe³⁺ составляет 0,18 мас.%. Приливают 1200 мл пергидроля (30%-ный водный раствор пероксида водорода), массовое отношение пероксид водорода: опилки 1,3:1, массовое отношение вода: опилки 11:1; продолжают перемешивание при температуре 70°С до полного израсходования пероксида водорода и отделяют твердый остаток от водной реакционной смеси центрифугированием (твердую фракцию используют в качестве влагоаккумулирующей питательной добавки для почвы). Полученный супернатант (2,9 л, рН 2) нейтрализуют карбонатом натрия до рН 5,5.

Пример 2 (на пилотной установке)

Смесь 25 г FeCl₃⋅6H₂O, 5,5 г Nа₂СО₃ (массовое отношение FeCl₃⋅6H₂O:Nа₂СО₃=4,5:1) и 16 л водопроводной воды перемешивают при 60°С в течение 10 мин. Оставляют смесь до полного осаждения коллоидного катализатора, затем снова перемешивают и добавляют при постоянном перемешивании 1500 г сосновых опилок (размер частиц 1-3 мм), количество катализатора по отношению к опилкам в пересчете на Fe³⁺ составляет 0,34 мас.%. Приливают 5,5 л пергидроля (30%-ный водный раствор пероксида водорода), массовое отношение пероксид водорода: опилки = 1,1:1, массовое отношение вода: опилки = 14:1; продолжают перемешивание при температуре 60°С до полного израсходования пероксида водорода и отделяют твердый остаток от водной реакционной смеси фильтрованием (твердую фракцию используют в качестве влагоаккумулирующей питательной добавки для почвы). Полученный фильтрат (20 л, рН 2) нейтрализуют карбонатом натрия до рН 6,5.

Дальнейшие эксперименты при разработке предлагаемого изобретения были направлены на исследование влияния дозировки заявляемого регулятора роста и развития растений (ЖФ) при его применении, так как известно, что ростстимулирующие и ингибирующие свойства большинства регуляторов определяются используемыми концентрациями.

Одним из способов доведения до растений необходимых им для развития веществ является внесение водорастворимых препаратов в среду культивирования. В качестве основы экспериментальной культуральной среды использовали в контроле песок, увлажняемый водой, в опыте - песок, увлажняемый растворами ЖФ в разных концентрациях.

Тест-объектами были растения значимых с/х культур: горох Сахарный, пшеница Инна, сорго Пищевое, огурец Нежинский, овес Кормовой, картофель Удача: клубни, клубневые этиолированные черенки и зеленые черенки, которые срезали с выросших зеленых побегов картофеля.

Приводим примеры исследования биологического действия заявляемого регулятора роста и развития растений (ЖФ).

Пример 3. Влияние ЖФ на прорастание клубней картофеля

Клубни картофеля сорта Удача отбирали определенной величины диаметром 3-4 см, и помещали в среду культивирования. В контроле это был песок, увлажненный водой, в опыте песок увлажняли растворами ЖФ. Клубни помещали в темную камеру с температурой 10-12°С. Через 45 суток вели учет проросших клубней.

Опыт 1: песок, увлажненный ЖФ без разведения.

Опыт 2: песок, увлажненный ЖФ с разведением водой 1:1.

Опыт 3: песок, увлажненный ЖФ, с разведением водой 1:10.

В каждом варианте опытов закладывали по 20 клубней. Учитывали клубни, имеющие ростки не менее 1 мм. Результаты приведены в таблице 1.

Пример 4. Влияние ЖФ на корнеобразование этиолированных клубневых черенков

Для получения этиолированных клубневых черенков клубни картофеля Удача проращивали в темноте и по достижении длины ростков 6-8 см, диаметром 0,5 см, их отделяли от клубней и по 30 штук помещали в культуральные сосуды: в контроле - с водой, в опыте - с растворами ЖФ. Сосуды устанавливали в люминостат с режимом освещения свет-темнота 12×12 час. Через 15 суток учитывали количество черенков, образовавших выраженную корневую систему. Результаты приведены в таблице 2.

Пример 5. Влияние ЖФ на жизнеспособность зеленых черенков картофеля

Для получения зеленых черенков картофеля клубни картофеля Удача закладывали в люминостат с режимом освещения 12×12 час. От выросших зеленых побегов отрезали черенки величиной 10-11 см и по 25 штук помещали для укоренения во влажную культуральную среду: контроль - песок, увлажненный водой, опыт - песок, увлажненный ЖФ с разведением водой 1:10. После 15 суток подращивания в люминостате учитывали количество растений с развитой корневой системой и полностью раскрытыми листовыми пластинами. Результаты приведены в таблице 3.

Пример 6. Оценка количества хлорофилла и пероксидазной активности в зеленых черенках картофеля.

Количество хлорофилла является физиологическим показателем жизнеспособности растений. Для определения количества хлорофилла от зеленых черенков, выращенных в примере 3, отделяли верхушечную часть длиной 4 см. Содержание хлорофилла определяли по стандартной методике (В.Ф. Гавриленко, Т.В. Жигалова. Большой практикум по фотосинтезу: учебное пособие для студентов вузов. Под ред. И.П. Ермакова. М.: Издательский центр «Академия», 2003. 256 с.). Оптическую плотность экстрактов измеряли на длинах волн 665 и 649 нм с помощью спектрофотометра Hach DR 4000 V.

Величина активности пероксидаз свидетельствует об интенсивности процессов дыхания и роста клеточных стенок (Б.А. Рубин, М.Е. Ладыгина. Физиология и биохимия дыхания растений. М.: Изд-во МГУ, 1974. 512 с.; В.А. Андреева. Фермент пероксидаза. М.: Наука, 1988. 130 с.). Для ее определения от прикорневой части черенков, выращенных в примере 3, отделяли образцы длиной 4 см и с помощью спектрофотометра Hach DR 4000 V по известному методу (P.D. Joseph, Т. Eling, R.P. Mason. The Horseradish Peroxidase-catalyzed Oxidation of 3,5,3',5'-Tetramethylbenzidine. The Journal of Biological Chemistry. 1982. V. 257. №7. p. 3669-4675) регистрировали оптическую плотность раствора с детектирующей смесью с тетраметилбензидином и пробой гомогената черенка на длине волны 450 нм.

Результаты приведены в таблице 4.

Пример 7. Влияние ЖФ на процесс проращивания семян гороха и пшеницы

Семена гороха и пшеницы помещали в среду культивирования. В контроле это был песок, увлажненный водой, в опыте песок увлажняли растворами ЖФ. На 5-е сутки подсчитывали количество проросших семян.

Опыт 1: песок, увлажненный ЖФ, с разведением водой 1:10.

Опыт 2: песок, увлажненный ЖФ с разведением водой 1:1.

Результаты приведены в таблице 5.

Пример 8. Влияние ЖФ на изменение зеленой массы злаковых растений: сорго Пищевое и овес Кормовой.

Семена сорго и овса высевали в среду культивирования. В контроле это был песок, увлажненный водой, в опыте песок увлажняли раствором ЖФ при разведении в воде 1:10. На 22-е сутки выращивания определяли вес срезанной зеленой массы и затем (после высушивания в токе теплого воздуха) воздушно-сухой зеленой массы растений. Результаты приведены в таблице 6.

Пример 9. Влияние ЖФ на развитие растения огурец Нежинский.

Семена огурца высевали в среду культивирования: в контроле - в песок, увлажненный водой, в опыте - в песок, увлажненный растворами ЖФ.

Опыт 1: песок, увлажненный ЖФ, с разведением водой 1:10.

Опыт 2: песок, увлажненный ЖФ с разведением водой 1:1.

Оценивали всхожесть, количество растений огурца, имеющих к 7-м суткам выращивания семядольный лист, и количество растений огурца, имеющих настоящий лист к 18-м суткам эксперимента.

Результаты приведены в таблице 7.

Из приведенных экспериментальных данных видно, что предлагаемый регулятор роста и развития растений (ЖФ) обладает ярко выраженным ростстимулирующим действием: стимулирует развитие корнеобразования у черенков клубней картофеля как этиолированных, так и зеленых положительно влияет на развитие растений, повышает всхожесть семян, повышает физиологический статус растений.

При увеличении концентрации ЖФ от оптимальной наблюдается ингибирующее действие, что может использоваться в некоторых случаях, например для угнетения нежелательного сезонного прорастания клубней картофеля.

Таким образом, предложен эффективный экологически чистый регулятор роста и развития растений на основе продуктов растительного происхождения. Способ его применения удобен и прост и может использоваться для любых сельскохозяйственных культур. Важным преимуществом является одновременная утилизация растительных отходов, что уменьшает загрязнение среды и возвращает почвам полезные для растений вещества.