Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Биология / Другие методич. материалы / Исследовательская работа "Влияние карбоксиметилированного растительного сырья на рост и развитие яровой пшеницы"

Исследовательская работа "Влияние карбоксиметилированного растительного сырья на рост и развитие яровой пшеницы"


  • Биология

Поделитесь материалом с коллегами:



Калюта Анастасия Андреевна







Влияние карбоксиметилированного растительного сырья на рост и развитие

яровой пшеницы



Калюта Андрей Владимирович, учитель химии





Россия

Алтайский край

Первомайский район

село Зудилово



Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Зудиловская средняя общеобразовательная школа»





10 класс

Секция «Исследования по экономике, сельскому хозяйству и агрохимии»





2014 г.

Содержание


Введение

Актуальность темы. Практически все предприятия, перерабатывающие сельскохозяйственную продукцию, сталкиваются с серьезной проблемой утилизации отходов производства. Многие существующие технологии по утилизации не решают вопросов по нормализации экологической обстановки в местах массовых сбросов и накопления отходов, что приводит к загрязнению окружающей среды. Решением данной проблемы может стать получение химических препаратов на основе растительных остатков, регулирующих рост растений. Такие биостимуляторы позволят без существенных затрат увеличивать продуктивность и улучшать качество сельскохозяйственных культур. Применение регуляторов роста растений – одно из быстро развивающихся направлений в мировой практике растениеводства [1,2,3].

Одним из возможных путей химического модифицирования является карбоксиметилирование растительного сырья (например, древесных опилок, лузги подсолнечника, половы овса) с получением водорастворимых полимерных продуктов, содержащих в своем составе карбоксиметилированные основные структурные компоненты (целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы), обладающие комплексом полезных свойств, которые могут найти применение в различных областях жизнедеятельности человека, в т.ч. и в качестве препаратов, регулирующих рост растений [4, 5, 6].

Новизна исследования в том, что ранее не было изучено действие препаратов из карбоксиметилированных отходов выше перечисленного растительного сырья на рост, развитие и урожайность мягкой яровой пшеницы сорта Омская 36 в полевых условиях.

Цель исследования. Определить действие препаратов из карбоксиметилированных отходов растительного сырья (древесных опилок, лузги подсолнечника, половы овса) на рост, развитие и урожайность яровой мягкой пшеницы сорта Омская 36 в полевых условиях Первомайского района.

Задачи исследования:

  1. Определить действие препаратов из карбоксиметилированных отходов растительного сырья (опилок древесины сосны, овсяной половы и лузги подсолнечника) на активность прорастания яровой мягкой пшеницы.

  2. Определить влияние дозы внесения препаратов из карбоксиметилированных отходов растительного сырья (опилок древесины сосны, овсяной половы и лузги подсолнечника) на урожайность яровой мягкой пшеницы.

Объекты исследования: препараты из карбоксиметилированных отходов растительного сырья (опилок древесины сосны, овсяной половы и лузги подсолнечника), мягкая яровая пшеница сорта Омская 36.

Предмет исследования: ростостимулирующее действие препаратов из карбоксиметилированных отходов растительного сырья на рост, развитие и урожайность пшеница Омская 36 в полевых условиях.

Гипотеза: основной вклад в ростостимулирующее действие изучаемых препаратов вносит карбоксиметилированный лигнин.

Практическая значимость: на основе полученных данных сотрудниками Алтайского государственного аграрного университета подана заявка на субсидирование инновационного проекта в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынка сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы.










Глава 1. Обзор литературы

1.1. Строение и состав растительного сырья

Основными компонентами растительного сырья являются целлюлоза, лигнин и гемицеллюлозы (ГМЦ). Их содержание изменяется в довольно широких пределах в зависимости от вида, возраста и места произрастания растения. Так, содержание целлюлозы в древесине изменяется от 40 до 60%, ГМЦ – от 13 до 25% для хвойных пород и от 25 до 35% для лиственных. Содержание лигнина изменяется в меньшей степени: 18–25% для лиственных пород и 26–35% для хвойных. Кроме того, строение и состав ГМЦ и лигнина различны для древесины лиственных и хвойных пород, а также для различных тканей древесины, клеток и даже слоев клеточной стенки в пределах одного вида [7] .

1.1.1 Углеводная часть (холоцеллюлоза)

Целлюлоза представляет собой высокомолекулярный линейный полисахарид β-1,4-глюкан-(С6Н10О5). Основным повторяющимся структурным элементом целлюлозы является дисахарид целлобиоза (4-О-[-D-глюкопиранозил]--D-глюкопираноза):

hello_html_1943bc01.png

Первичными элементами надмолекулярной структуры целлюлозы, образующимися за счет водородных связей, являются микрофибриллы, из которых строятся слои клеточной стенки [8].

Другим углеводным компонентом растительного сырья являются гемицеллюлозы – нецеллюлозные гетерополисахариды, в состав которых входят следующие моносахариды: из пентоз D-ксилоза, L-арабиноза; из гексоз D-глюкоза, D-галактоза, D-манноза, D-фруктоза; из метилпентоз L-рамноза и L-фукоза, а также остатки гексуроновых кислот (D-глюкуроновой, 4-О-метил-D-глюкуроновой и D-галактуроновой), связанные между собой преимущественно (1→4)-β-гликозидной связью. Исключение составляет арабинан: звенья арабинозы в нем связаны (1→5)-α-гликозидными связями. От целлюлозы ГМЦ отличаются меньшей длиной цепи и разветвленным строением цепных молекул [9].

      1. Ароматическая часть растительного сырья

Одной из составляющих растительного сырья, является лигнин, количество которого достигает 30% в хвойных деревьях. Лигнин придает жесткость клеточным стенкам и в древесных растениях действует как межклеточное связывающее вещество [8].

Лигнин не является индивидуальным веществом, а представляет собой смесь ароматических полимеров родственного строения (рисунок 1.1).


hello_html_6da4711d.gif

hello_html_4f4dc4ec.gif

hello_html_38d7189d.gif

п-Кумаровый спирт

Конифериловый спирт

Синаповый спирт



Рисунок 1.1 - Мономерные предшественники полимерного лигнина – п-гидроксикоричные спирты


Лигнин, наряду с целлюлозой и белковыми веществами, является одним из наиболее распространенных природных полимеров, что уже само по себе определяет значимость исследований, направленных к познанию природы и поведению в химической реакции.



    1. Регуляторы роста растений



Жизнь каждого растения на всех ее этапах регулируется фитогормонами. Природные фитогормоны – нормальные продукты жизнедеятельности самого растения, участвующие в регуляции обмена веществ и формообразовательных процессах на всех этапах онтогенеза [10,11]].

Фитогормоны – соединения, с помощью которых осуществляется взаимодействие клеток, тканей и органов и которые необходимы в малых количествах для запуска и регуляции физиологических и морфогенетических программ. У растений различают пять основных групп гормонов: ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота и этилен. В общем смысле ауксины, гиббереллины и цитокинины являются стимуляторами роста растений, тогда как абсцизовая кислота и этилен – ингибиторы роста растений [12, 13].

К нетрадиционными регуляторами роста растений (фитогормонам) относят: олигосахариды, жасмонаты, салицилаты, полиамины, тургорины, стиролы. К гормонопообными веществам двойного ауксин-цитокининового действия относят брассиностероиды и обнаруженный в цветковых растениях фузикокцин [14]. Стали известны раневые гормоны (некрогормон, травматин) – соединения, возникающие на поврежденных и раневых поверхностях и способствующими их заживлению; гормоны цветения – верналин и флориген [15].


1.2.1 Ауксины

Чаще всего встречается определение ауксинов, как соединений, вызывающих растяжение клеток растений. Названный эффект ауксина изучен лучше других. Для стимуляции роста клеток необходимы такие концентрации ауксинов, которые весьма обычны в тканях (10-8 – 10-6 моль/л). Сверхоптимальные концентрации ауксина вызывают торможение роста, во всяком случае, по сравнению с оптимальными концентрациями, а иногда по сравнению с контролем. Такое торможение роста может быть связано с повышенным синтезом этилена [16].

Наряду со стимуляцией растяжения клеток, известно активирующее действие ауксинов на клеточное деление. Несомненно, в этом случае задействованы другие фитогормоны, вероятнее всего гиббереллины.

Ауксины вызывают торможение развития боковых почек в пазухах листьев у многих травянистых и древесных растений под влиянием лидирующего верхушечного побега (явление «апикального доминирования» или «коррелятивного торможения почек»).

Особое значение для практики имеет важное физиологическое свойство ауксинов – способность стимулировать корнеобразование на стеблевых черенках (срезанных побегах). Этот эффект впервые обнаружил голландский физиолог Ф.В. Вент в 1934 году. Ауксины ускоряют завязывание плодов.

Природные ауксины делятся на соединения, содержащие систему колец индола и без индольных колец. Молекулы синтетических ауксинов, обладающих в ряде случаев высокой активностью, обычно не содержат индольных колец (рисунок 1.2).

Решение вопроса о структурно-химических условиях, необходимых для того, чтобы вещество действовало как ауксин, открывает возможности для синтеза соединений, которые можно использовать для борьбы с сорняками, как стимуляторы укоренения и регуляторы завязывания плодов в сельскохозяйственной практике и садоводстве.




hello_html_m24520246.gif

hello_html_m73a5994a.gif

hello_html_36f36d5f.gif

индолил-3-масляная кислота (ИМК)

α-нафтилуксусная кислота (НУК)

нафтоксиуксусная кислота

hello_html_4ce84777.gif

hello_html_m9c293ad.gif

hello_html_m778ede34.gif

4-хлорфеноксиуксусная кислота

2,4-дихлорфенокси-уксусная кислота

(2,4-Д)

2,4,5-трихлорфенокси- уксусная кислота

(2,4,5-Т)

hello_html_75966a2d.gif

hello_html_57f3e10c.gif

hello_html_m3c03608a.gif

2,3,6-трихлорбензойная кислота

4-амино-3,5,6-трихлорпиколиновая кислота

4-хлор-2-метил-феноксиуксусная кислота


Рисунок 1.2. Химические формулы синтетических ауксинов


1.2.2 Гиббереллины и цитокинины

Гиббереллины – дитерпеноиды, широко распространены у высших растений, где они выполняют гормональные функции, например при прорастании, при индукции роста побега, образовании цветков и роста плодов. Гиббереллины стимулируют деление клеток, их растяжение или то и другое вместе (рисунок 1.3,1.4). Для действия цитокинина необходимо присутствие ауксина. Если в среде имеется только ауксин, но нет цитокинина, то клетки не делятся, хотя и увеличиваются в объеме [12].




hello_html_e4068bb.gif

hello_html_m3c56ad3e.gif




Рисунок 1.3. Гиббереловая кислота




Рисунок 1.4 Цитокинин (зеатин)



1.2.3 Ингибиторы роста



Ингибиторы представляют собой широкую группу фитогормонов, которые подавляют или тормозят физиологические либо биохимические процессы в растениях. Типичный представитель ингибиторов – абсцизовая кислота – сесквитерпеноид, широко распространенный в растениях (рисунок 1.5). Во многих биологических тест-системах она ведет себя как антагонист ауксинов, гиббереллинов и цитокининов.



hello_html_m415a9ee4.gif



Рисунок 1.5. Абсцизовая кислота


Многие исследователи полагают, что влияние как природных, так и синтетических регуляторов роста растений опосредовано их действием на образование и активность этилена [17].

1.2.4 Взаимодействие фитогормонов

Гормоны могут влиять друг на друга самым различным образом. Один из случаев – прямое взаимодействие, если, например, стимулирующее рост действие ИУК на колеоптиле злаков уменьшается в результате одновременного введения АБК, то говорят об антагонизме, а в противоположных случаях – о синергизме. Абсцизовая кислота и этилен ведут себя во многих системах как антагонисты по отношению ко всем другим гормонам. Как синергисты проявляют себя, например, цитокинины и ауксины при индукции клеточного деления в ткани каллуса.


1.2.5 Синтетические регуляторы роста

В настоящее время стимуляторы роста приобретают все большую популярность. Они способствуют приросту урожайности различных сельскохозяйственных культур, повышению качества сельхозпродукции. Экономическая выгода от использования синтетических регуляторов роста многократно превышает затраты на их приобретение. Однако широкому распространению их препятствует ряд факторов.

Стимуляторы роста, как любые биологически активные вещества требуют осторожного обращения. При передозировке этих соединений возможен гербицидный эффект[18], при этом диапазон концентраций стимуляторов роста очень узок и специфичен как для разных стадий развития растений, так и для различных культур.

Механизм воздействия стимуляторов на ростовые процессы в растениях до сих пор до конца не выяснен, не всегда возможно предугадать воздействие на живой организм (человека, животных) сельхозпродукции, выращенной с использованием стимуляторов роста. Поэтому наиболее важными направлениями области получения ростостимулирующих соединений являются: снижение концентрации используемых соединений, создание композиций позволяющих сохранить биологическую активность стимуляторов как можно дольше [19, 20].

Среди синтетических регуляторов роста растений наибольшую известность приобрели препараты так называемого ретардантного действия, блокирующие синтез гиббереллинов и тормозящие рост растений. Большинство из них относится к группе этилен продуцентов и широко применяется для повышения устойчивости пшеницы, ржи и других культур к полеганию. Ретарданты оказались эффективными для регулирования морфогенеза овощных, плодовых и других культур, повышения устойчивости к стрессовым факторам, урожайности и товарного выхода продукции [21]. Синтетические регуляторы цитокининового типа, так называемые картолины, снижают отрицательное действие засухи на посевы зерновых. Препараты, рекомендуемые к применению в растениеводстве на территории России описаны в [22].

Выявлены также негормональные соединения природного происхождения, оказывающие как стимулирующее действие (например, обладающие ауксиновой активностью фенолкарбоновые кислоты – феруловая, ванилиновая, кофейная, производные мочевины, которым присущи свойства цитокининов, а также некоторые витамины – аскорбиновая кислота, тиамин и никотиновая кислота), так и проявляющие ингибирующую активность фенольные соединения (в частности, кумарин, скополетин, хлорогеновая и коричная кислоты).


    1. Предпосылки к использованию модифицированного растительного сырья в качестве регуляторов роста растений



Продукты ферментативного гидролиза жирных кислот, полисахаридов в растении, не только проявляют регулятивные функции, но являются фитогормонами [23]. Например, при деградации линоленовой кислоты в клетках растения образуется жасмоновая кислота, которую ряд исследователей относит к природным регуляторам роста. Олигогликозиды, образующиеся в результате деградации гемицеллюлоз, пектиновых веществ, хитина и хитозана, могут играть роль ускорителей, индуцирующих экспрессию генов, синтез различных растительных антибиотиков и т. д.

Однако о влияние экзогенных полисахаридов на онтогенез растений имеются лишь очень ограниченные сведения. В работах, выполненных под руководством Оводова Е.С., изучено влияние природных полисахаридов и пектина на рост овощных и злаковых культур [24, 25].

Авторы [26] показали возможность использования водорастворимых препаратов, приготовленных из торфа и хвои пихты механохимическим методом, в биотехнологии для ускорения образования и роста каллуса.

В работе [27] разработаны научно-технические основы безотходной технологии получения эффективных стимуляторов роста растений на основе карбоксилсодержащих олигомеров и активированного биогумуса из отходов промышленности и сельского хозяйства.

Известны случаи использования модифицированного гидролизного лигнина как компонента органоминерального удобрения [28]. Комплексы гумифицированного гидролизного лигнина с металлами могут быть использованы в растениеводстве в качестве регуляторов роста [29].

При карбоксиметилировании лигнина в составе растительного сырья могут образовываться фрагменты, имеющие строение, сходное с известными регуляторами роста (рисунок 1.6):

hello_html_6f7c5d68.gif

hello_html_b1aa835.gif

hello_html_m83db632.gif

hello_html_208a2846.gif


Рисунок 1.6. Фрагменты карбоксиметилированного лигнина


Полисахариды при карбоксиметилировании также претерпевают деструкцию, что возможно повышает их биологическую активность, в качестве экзогенных регуляторов.

Таким образом, на основании известных литературных данных и теоретических предпосылок можно ожидать опеределенную росторегулирующую активность со стороны карбоксиметилированных производных на основе растительного сырья.


1.4 Карбоксиметилирование растительного сырья


Реакция карбоксиметилирования растительного сырья основана на О-алкилировании монохлоруксусной кислотой или ее натриевой солью в щелочной среде (рисунок 1.7).



hello_html_m4a06f94e.gif


Рисунок 1.7. Схема реакции карбоксиметилирования растительного сырья


Процесс карбоксиметилирования растительного сырья состоит из 2 стадий:

- на 1 стадии происходит обработка раствором щелочи для разрушения сетчатой структуры основных компонентов растительного сырья.

Результатом такой предварительной обработки должна быть равнодоступность к реагенту всех реакционноспособных гидроксильных групп, а также химическое взаимодействие их с гидроксидом натрия. [30, 31]. В целлюлозе разрушается система ее водородных связей [32],с лигнином происходят различные процессы деструкции [33];

- на 2 стадии происходит О-алкилирование монохлоруксусной кислотой или ее натриевой солью по ОН-группам всех компонентов растительного сырья: целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина.

Так, реакцию карбоксиметилирования целлюлозы можно представить следующей схемой:



hello_html_m2026546e.gif


Основная реакция осложнена побочной – гидролизом монохлорацетата натрия, которая ускоряется в щелочной среде:



hello_html_m2fa01dd7.gif





    1. Пшеница как зерновая культура


Пшеница - наиболее ценная и распространенная продовольственная зерновая культура в Алтайском крае.

Основной продукт, получаемый из зерна пшеницы, - хлеб, обладающий хорошими вкусовыми качествами, питательностью и переваримостью. Белка в зерне пшеницы содержится 11-24%, в зависимости от сортов и условий возделывания. Усвояемость белка пшеничного хлеба составляет около 95%. В состав зерна пшеницы входит (в среднем): вода - 13,6%;белок - 16,8; клетчатка – 2; безазотистые экстрактивные вещества - 63,8; жир - 2,0; зольные вещества-1,8 %.

Помимо хлебопечения пшеница широко используется в крупяном, макаронном, кондитерском и других производствах.

Из пшеницы вырабатывают спирт, крахмал, клейковину, декстрин, клей. Пшеничные отруби имеют большое значение как ценный концентрированный корм для сельскохозяйственных животных.

Важнейший показатель, характеризующий качество пшеницы, - содержание белка и клейковины.

Большое влияние на содержание белка оказывают климат, почва и вносимые удобрения.

Содержание белка в пшенице определяет характер ее использования. Для хлебопечения требуется зерно с содержанием белка 14-15%, для изготовления макаронных изделий - 17-18%.

Биологические особенности яровой пшеницы. Пшеница – растение длинного дня, достаточно холодостойкое. В процессе вегетации у пшеницы различают следующие фенологические фазы: набухание семян – прорастание семян – всходы – появление третьего листа – кущение – выход в трубку – колошение – цветение – молочная спелость – восковая спелость – полная спелость. В каждую из этих фаз растение проходит определенные этапы органогенеза, происходит формирование различных элементов структуры урожая, поэтому важно создать оптимальные условия для прохождения каждой фазы [34].

Глава 2. Методики проведения исследований

2.1 Характеристики объектов исследования

2.1.1. Сорт пшеницы

Для исследования был взят сорт пшеницы Омская 36. Выведен в СибНИИСХозе методом гибридизации Лютесценс 150/86-10х Рунар (Норвегия). Включен в Госреестр по Уральскому и Западно-Сибирскому регионам. Рекомендован для возделывания в Алтайском крае, Республике Башкортостан, Курганской и Омской областях.

Разновидность лютесценс. Куст прямостоячий. Соломина выполнена очень слаба. Восковой налет на верхнем междоузлие соломины и влагалище флагового листа средний. Колос цилиндрический, рыхлой – средней плотности, белый. Плечо скошенное, средней ширины. Зубец прямой, короткий. Зерновка окрашенная. Масса 1000 зерен 33-45 г.

Средняя урожайность зерна в рекомендуемых регионах колебалась от 22 до 46 ц/га, превышение над стандартными сортами от 1,3 до 7,0 ц/га. Максимальная урожайность 53 ц/га получена в Омской области.

Среднеранний сорт, вегетационный период 75-86 дней, созревает одновременно со стандартами. Среднеустойчив к полеганию, засухоустойчивость выше средней. Хлебопекарные качества хорошие. Ценная пшеница [34].


2.1.2 Биопрепараты

На кафедре органической химии АлтГУ разработан и запатентован способ карбоксиметилирования лигноуглеводных материалов [35]. Полученные таким образом препараты на основе древесных опилок, подсолнечной лузги и мякины овса проявляют росторегулирующие свойства [4-6, 36] и представляют собой порошки от светло-желтого до черного цвета с растворимоcтью в воде 47-75% (в зависимости от исходного растительного сырья). Содержание основных структурных компонентов в исходном и модифицированном растительном сырье определяли по стандартным методикам [37]: целлюлозу – по методу Кюршнера (азотно-спиртовым методом), лигнин и карбоксиметилированный лигнин – с 72% серной кислотой в модификации Комарова (таблица 2.1).




Таблица 2.1 Состав продуктов карбоксиметилирования различных видов

растительного сырья

Исходное
растительное сырье

Свойства продуктов карбоксиметилирования, %

карбоксиметилированная целлюлоза

карбоксиметилированный лигнин

КМГ

Растворимость в воде

Полова овса

(препарат NaКМО)

28,7±0,4

12,4±0,3

13,3±0,3

75,2±0,8

Лузга подсолнечника

(препарат NaКМЛ)

21,5±0,7

17,1±0,4

19,0±0,4

59,6±1,3

Опилки древесины сосны (препарат NaКМД)

32,4±0,5

16,5±0,2

29,3±0,3

46,6±0,9


Примечание – таблица составлена на основании исследований [36].


Карбоксиметилцеллюлозу (NaКМЦ) выделяли из карбоксиметилированного растительного сырья 15% надуксусной кислотой в соответствии с методикой [38]. Содержание целлюлозы в исходной древесине сосны составило 50,5±0,9%, лигнина – 24,0±0,3%, в полове овса соответственно – 49,0±0,7 и 17,0±0,4% и в лузге подсолнечника – 31,3±0,4 и 29,3±0,2%.

В результате карбоксиметилирования растительного сырья получены продукты с содержанием карбоксиметильных групп (КМГ) 13,3–19,0 %.

2.2 Методика получения препаратов на основе растительного сырья


Растительное сырье в виде воздушно-сухих опилок фракции 0,3–0,6 мм (влажность 5,5–6,0%) массой 5,5 кг помещают в реактор РВПЭ-0.2 (ООО «ЮВС», Обнинск). Заранее готовят водный раствор гидроксида натрия (3,2 кг NaOH в 5 л воды). При постоянном перемешивании со скоростью вращения мешалки 15–25 об/мин, в течение 30 мин добавляют раствор гидроксида натрия к растительному сырью. Температуру реакционной смеси доводят до 60±5 °С и выдерживают в течение 1,5 ч. Затем 15 мин при постоянном перемешивании добавляют раствор монохлорацетата натрия (8 кг Na-МХУК в 10 л воды). Температуру реакционной смеси поддерживают при 60±5 °С, постоянно перемешивая еще 45 мин. После окончания процесса продукты реакции выгружают из реактора в специальный лоток, распределяют слоем 2–5 см и высушивают на воздухе.[36]

2.3 Методика закладки полевого эксперимента [39].

Препараты на основе карбоксиметилированного растительного сырья вносили в сухом виде при посеве в рядок с дозой 20 кг/га и 200 кг/га в делянки площадью 1 м2. Расстояние между рядками в опытных делянках 15 см, между делянками – 1м. Объект исследования – пшеница сорта Омская – 36. Норма высева – 5 млн вхожих зерен на га. Эксперимент проводили с 14 мая по20 сентября 2013 г (посев 14 мая, уборка 20 сентября). Учет урожайности проводили с пробных площадок площадью 0,25 м2.


Глава 3. Результаты исследований

На кафедре органической химии Алтайского государственного университета разработан и запатентован способ карбоксиметилирования лигноуглеводных материалов, которые обладают комплексом полезных свойств, в том числе оказывают ростостимулирующее действие на различные с/х растения.

Модельные эксперименты, проведенные в лабораторных условиях на огурцах сорта «Кустовой», показали, что на стадии прорастания семян такие препараты обладают ростостимулирующей активностью предположительно ауксинового типа [5-6].

Высказанное предположение подтверждено квантово-механическими расчетами [4]. Введение препаратов в питательные среды для микроклонального размножения на этапе укоренения оказало стимулирующее действие на геммо- и ризогенез у ириса сибирского и копеечника чайного [42].

На основании полученных данных сделан вывод, что физиологическое действие данных стимуляторов можно отнести к ауксиновому типу.

Целью нашего исследования является изучение действия препаратов из карбоксиметилированных отходов растительного сырья (древесных опилок, лузги подсолнечника, половы овса) на рост, развитие и урожайность яровой мягкой пшеницы сорта Омская-36 в полевых условиях Первомайского района.

Изучение препаратов в полевых условиях и на зерновых культурах проведено впервые. Для исследования выбран рекомендованный для возделывания в Алтайском крае сорт пшеницы Омская 36.

Сотрудниками АлтГУ были синтезированы для нас препараты на основе древесных опилок (Na-КМД), подсолнечной лузги (Na-КМП) и половы овса (Na-КМО). Росторегулирующую активность полученных препаратов на начальном этапе изучали совместно с сотрудниками Алтайского государственного аграрного университета.

В лабораторных условиях проведены исследования ростостимулирующего действие указанных препаратов на двух стадиях роста растений: стадии прорастания семян и стадии образования первого листочка.

Исследовалась концентрация растворов препаратов 0,2, 0,4, 0,6 и 0,8 г/л, которая выбрана на основании литературных данных [5]. В качестве сравнения изучали воздействие карбоксиметилцеллюлозы в тех же условиях и тех же концентрациях.

Исследования показали [40], что действие изучаемых препаратов на стадии прорастания семян пшеницы проявлялись уже на вторые сутки проведения опыта. Максимальное количество проросших зерен наблюдалось для препарата, полученного на основе подсолнечной лузги, при концентрации раствора 0,4 г/л. Экспериментальные данные приведены в приложении 1.

Для исследования стадии развертывания первого листа семян пшеницы были взяты те же препараты. Карбоксиметилированные полимерные композиции вносили как в сухом виде, так и в виде суспензии (водного раствора при концентрации растворимой в воде части – 0,2, 0,4 и 0,6 г/л). В качестве сравнения также изучали воздействие карбоксиметилцеллюлозы в тех же концентрациях.

Проведенное исследование влияния вида карбоксиметилированного растительного сырья на активность роста первого листа яровой пшеницы показало, что все препараты оказывают влияние на рост, однако наибольшая длина первого листочка пшеницы была отмечена при использовании сухих препаратов на основе подсолнечной лузги [41].

Экспериментальные данные приведены в приложениях 2-3.

Результаты исследований в лабораторных условиях показали, что препараты, полученные при карбоксиметилировании отходов растительного происхождения, проявляют ростостимулирующий эффект на овощных, цветочных и зерновых культурах. Этот факт может быть связан с образованием в результате синтеза препаратов структурного компонента, влияющего на рост и развитие растений.

При карбоксиметилировании растительного сырья могут образовываться фрагменты, имеющие строение, сходное с известными регуляторами роста (рисунок 3.1):


hello_html_6f7c5d68.gif

hello_html_208a2846.gif




hello_html_m9c293ad.gif2,4-дихлорфенокси-уксусная кислота

(2,4-Д)


hello_html_m3c03608a.gif


4-хлор-2-метилфеноксиуксусная кислота


Рисунок 3.1. Химические формулы фрагментов карбоксиметилированного лигнина (слева) и синтетических фитогормонов ауксинового типа (справа)

По данным химического анализа более высокое процентное содержание карбоксиметилированного лигнина у препарата на основе лузги подсолнечника (таблица 2.1), и он оказывает наиболее ростостимулирующее действие. Такое же предположение сделано в работах [4, 42].

Другой структурный компонент изучаемых препаратов - карбоксиметилированная целлюлоза (Na-КМЦ) - широко применяется в с/х в качестве прилипателя для лучшего связывания симбиотических азотфиксаторов, минеральных удобрений с семенами при посеве. Карбоксиметилированная гемицеллюлоза обладает сходными с Na-КМЦ свойствами, но широкого применения не находит.

Результаты исследования дали основания для продолжения и углубления изучения полимерных продуктов карбоксиметилированного растительного сырья, полученных из опилок древесины сосны, лузги подсолнечника и половы овса, на активность прорастания семян пшеницы.

Задачей наших исследований являлось изучение влияния вышеуказанных препаратов на рост и развитие яровой мягкой пшеницы в полевых условиях, а также определение концентрации препаратов, при которой наблюдается замедление ростовых процессов. Для этого был проведен полевой эксперимент.

В процессе вегетации у пшеницы различают следующие фенологические фазы: набухание семян – прорастание семян – всходы – появление третьего листа – кущение – выход в трубку – колошение – цветение – молочная спелость – восковая спелость – полная спелость.

Для полевого эксперимента нами выбраны три стадии развития растения: прорастание семян – выход в трубку – полная спелость. На этих стадиях наиболее ярко проявляется различие в действии различных препаратов.

Внесение дозы препаратов рассчитывалось на основе результатов лабораторных опытов.

При посеве в рядок вносили 1 и 10 г изучаемых препаратов с 65 зернами пшеницы (норма высева семян пшеницы 5 млн шт/га). После появления всходов из каждого рядка отбирали среднестатистические растения, отмывали корни и раскладывали на фильтровальной бумаге для наблюдения за развитием растений (рисунок 3.1).

При сравнении полученных фото сделан вывод, что влияние вида препарата и его концентрации проявляется с момента прорастания семян пшеницы. Ростостимулирующий эффект наблюдается для всех препаратов при внесении 1 г препаратов, при внесении 10 г происходит угнетение роста и развития растений.

hello_html_m48d51628.jpg

hello_html_6c713597.jpg

hello_html_m7b478726.jpg

hello_html_2455a103.jpg

hello_html_m559f76cc.jpg

hello_html_m70cbd975.jpg

hello_html_m521afecd.jpg

hello_html_m47cde16.jpg

hello_html_m36242de.jpg

hello_html_58b0d85d.jpg

hello_html_605bf5fc.jpg

hello_html_m2669e57.jpg

Na-КМЦ 1г

Рисунок 3.1 Влияние препаратов из карбоксиметилированных отходов растительного сырья на прорастание пшеницы в полевых условиях (фото автора).


Следующий этап исследования - изучение действия препаратов на стадии выхода пшеницы в трубку (рисунок 3.2).

На этом этапе полевых опытов закономерность действия изучаемых препаратов на развитие растений сохранялась.

Наибольший ростостимулирующий эффект наблюдался при внесении дозы 1г препарата Na-КМП на 0,15 м2, минимальный – для препарата Na-КМЦ.



hello_html_6f636554.jpg

hello_html_m64e67a19.jpg



Препарат Na-КМП



Препарат Na-КМЦ


Рисунок 3.2 Влияние препаратов из карбоксиметилированных отходов растительного сырья на развитие пшеницы (стадия выхода в трубку, фото автора)



Исследования по изучению влияния дозы внесения сухих продуктов карбоксиметилированного растительного сырья на урожайность яровой пшеницы в полевых условиях показали, что все препараты оказали влияние на данный показатель.

Установлено, что продукты, в зависимости от дозы их внесения, обладают как ростостимулирующим, так и ингибирующим действием. Что вполне согласуется с общепринятой теорией. При дозе внесения 1 гр. на 0,15 м2 все карбоксиметилированные растительные отходы давали увеличения урожайности зерен в сравнении с контрольным вариантом (без препаратов).

Максимальный эффект отмечался на варианте с применением Na-КМП, прибавка массы зерна составила 8,7 %, минимальный на варианте Na-КМЦ – 3,9% (таблица 3.1.).

При увеличении дозы в 10 раз все изучаемые продукты ингибировали рост яровой пшеницы, и было отмечено снижение массы зерен от 1.5 до 5,7 %.


Таблица 3.1 Влияние продуктов карбоксиметилированного растительного сырья на урожайность яровой пшеницы, т/га, 2013 г.



Вариант


Доза внесения препарата


1 г/0,15 м2 (20 кг/га д.в.)


10г/0,15м2 ( 200 кг/га д.в.)



масса зерна



+ к контролю, %



масса зерна



+ к контролю, %

Контроль





2,59

-


2,59

-

Na-КМП

Лузга подсолнечника



2,82

0,23

+8,7


2,47

-0,12

-4,9

Na-КМО

Полова овса




2,73

0,14

+5,4


2,50

-0,09

-3,6

Na-КМД

Древесина сосны




2,70

0,11

+4,1


2,45

-0,14

-5,7

Na-КМЦ

Целлюлоза




2,69

0,1

+3,9


2,55

-0,04

-1,5


Полученные нами результаты полевого эксперимента согласуются с результатами модельных экспериментов в лабораторных условиях, полученных сотрудниками АГАУ.

Максимальный эффект отмечался на варианте с применением препарата Na-КМП.

На основании данных расчетов урожайности и опытов по проращиванию семян можно предположить, что основной вклад в ростостимулирующее действие модифицированных растительных остатков продуктов переработки сельскохозяйственной продукции (древесных опилок сосны, половы овса, лузги подсолнечника) вносит карбо -

ксиметилированный лигнин.



Выводы


1. Впервые изучено действие препаратов из карбоксиметилированных отходов растительного сырья (опилок древесины сосны, половы овса и подсолнечной лузги) на рост, развитие и урожайность мягкой яровой пшеницы сорта Омская 36 в полевых условиях.

2. Все исследуемые препараты обладают ростостимулирующими свойствами. Максимальный эффект проявился на варианте с применением препарата Na-КМП при внесении дозы 20 кг/га, минимальный – для препарата Na-КМЦ при внесении дозы 200 кг/га.

3. Внесения сухих препаратов вместе с семенами увеличивает урожайность мягкой яровой пшеницы сорта Омская 36 в полевых условиях. Максимальный эффект отмечался на варианте с применением Na-КМП, прибавка массы зерна составила 8,7 % относительно контроля, минимальный на варианте Na-КМЦ – 3,9%.

4. Основной вклад в ростостимулирующее действие изучаемых препаратов вносит карбоксиметилированный лигнин.

5. Результаты исследования дают основания для продолжения и углубленного изучения препаратов из карбоксиметилированных остатков растительного сырья на рост и развитие зерновых культур.







Библиографический список

1.Шаповал О.А. Новый регулятор роста растений – Люрастим // Плодородие. 2010. №4. С. 10–12.

2. Фаттахов С.Г. Мелафен – регулятор роста растений нового поколения // Защита и карантин растений. 2011. №11. С. 50.

3. Панина Н.В. Новый регулятор роста – бензихол // Защита и карантин растений.-№ 12.-2005.-c.26

4. Маркин В.И. Карбоксиметилирование растительного сырья. Теория и практика: монография. – Барнаул: Изд-во Алт.ун-та, 2010. – 167 с.

5. Феллер С.В., Маркин В.И., Базарнова Н.Г. Росторегулирующее свойство карбоксиметилированной древесины сосны // Аграрная наука – сельскому хозяйству.- Барнаул, 2010. Кн.2. С. 119 - 122.

6. Базарнова Н.Г. и др. Росторегулирующие полимерные композиции на основе химически модифицированного растительного сырья для выращивания овощных культур, производимых тепличными технологиями // Вестник алтайской науки. 2013. № 1. С. 39–42.

7. Азаров В.И.Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов. СПб.: СПбЛТА, 1999. – 628с.

8. Алешина Л. А. , Мелех Н. В. , Фофанов А. Д. Исследования структуры целлюлоз и лигнинов различного происхождения // Химия растительного сырья – 2005. – № 3 – С. 31–59.

9. Гемицеллюлозы / М. С. Дудкин, В. С. Громов, Н. А. Ведерников, Р. Г. Каткевич,

Н. К. Черно. – Рига: Зинатне, 1991. – 488 с.

10. Муромцев Г.С. Регуляторы роста растений. М.: Колос, 1979. - 246 с.

11. Кулаева О. Н. Как регулируется жизнь растений // Соросовский образовательный журнал. – 1995. – № 1. – С. 20–27.

12. Гормоны растений. Системный подход / К. Дерфлинг; пер. с нем.; под ред. Кефели. – М.: «Мир», 1985. – 304 с.

13. Введение в биохимию растений: в 2 т. / Т. Гудвин, Э. Мерсер; пер. с англ.; под ред. В.Л. Кретовича – М.: Мир, 1986. – 2 т.

14. Цыганкова В. А. Генетический и эпигенетический контроль роста и развития растений. Гены биосинтеза ауксинов и ауксин-регулируемые гены, контролирующие деление и растяжение клеток растений // Бiополiмери и клiтина. – 2005. – Т. 21. – № 2 – С. 107–133.

15. Кулаева О. Н. Недавние открытия в исследование механизмов действия фитогормонов // Биохимия – Т. 69. – № 3. – 2004. – С. 293–310.

16. Katayama M. Synthesis and biological activities of 4-trifluoromethylindole-3-acetic acid: a new fluorinated indole auxin / M. Katayama // Biosci. Biotechnol. Biochem. – 2008. – №72 (8). – Р. 2025–2033

17. Кулаева О. Н. Этилен в жизни растений // Соросовский образовательный журнал. – 1998. – №11. – с. 78–84.

18. Сафаров М.Г. Гербициды: 2,4-Д // Соросовский образовательный журнал. – 2001. – т.7. – № 9. – с. 57–62.

19. Пат. Российская федерация, МПК51 A01C 1/06, A01N 59/06, A01N 65/00. Средства для предпосевной обработки семян (варианты).

20. Пат.2342834 Российская федерация, МПК51 A01N 43/76, A01N 43/56, A01N 25/32, A01P 13/02. Комбинации арилоксифеноксипропионатов и средств защиты культур и их применение для подавления сорной растительности.

21. Регуляторы роста растений (применение в сельском хозяйстве) / Л. Дж. Никелл; под. ред. Кефели; пер. с англ.– Москва «Колос», 1984. – 193 с.

22. Шаповалова А. А. , Зубкова Н. Ф. Отечественные регуляторы роста растений / // Агрохимия. – 2003. – №11. – С. 33–47.

23. Тарчевский И. А. Процессы деградации у растений // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 6. – с. 13–19.

24. Елькина Е. А., Шубаков А. А., Оводов Ю. С. Влияние растительных полисахаридов на скорость прорастания семян // Химия растительного сырья – 2002. – № 2. – с.105–109.

25. Елькина Е. А,. Шубаков А. А., Оводов Ю. С. Влияние пектинов на рост злаковых культур // Химия растительного сырья – 2005. – № 4. – с.53–56.

26. Рожанская О. А. Влияние продуктов механохимической активации торфа и древесного сырья на морфогенез растений in vitro и in vivo. // Химия растительного сырья. – 2003. – №3. – С. 29–34.

27. Брыкалов А. В.Комплексная биотехнология регуляторов роста растений // Биотехнология в ФЦП «Интеграция».– СПб, 1999. – С. 127–128.

28. Пат.2054404 Российская федерация, МПК6 C05G3/00, C05F11/02. Органоминеральное удобрение.

29. Баштан-Кандыбович И. И. Биологическая модификация гидролизного лигнина // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья. – Барнаул, 2007. – С. 142–144.

30. Маркин В.И. Исследование карбоксиметилирования древесины суспензионным способом : дис. ... канд. хим. наук : 05.21.03. Красноярск, 1999. – 159 с.

31. Базарнова Н.Г., Маркин В.И., Катраков И.Б. Химическое модифицирование древесины // Российский химический журнал, 2004. – Т.  38. – №3. – С. 108–115.

32. Иоелович М. Я,. Веверис Г. П. Структурные изменения целлюлозы под действием водных растворов щелочей // Химия древесины. –1984. – № 6. – С. 36–41.

33. Оболенская А.В. Химия лигнина. - СПб : СПбЛТА, 1993. – 80 с.

34. Растениеводство / Г.С. Посыпанов, В.Е. Долгодворов, Б.Х. Жеруков и др.; под ред. Г.П. Посыпанова. – М.: Колос, 2006. – 612 с.

35. Патент 2130947 (РФ). Способ карбоксиметилирования лигноуглеводных материалов / Галочкин А.И., Маркин В.И., Базарнова Н.Г.

36. Калюта Е.В. и др. Исследование влияния карбоксиметилированного растительного сырья на активность прорастания мягкой яровой пшеницы // Химия растительного сырья. 2013. №3. С. 249–253

37. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1991. 411 с.

38. Калюта Е.В., Базарнова Н.Г., Маркин В.И. Влияние продолжительности обработки надуксусной кислотой карбоксиметилированной древесины на свойства выделяемой карбоксиметилцеллюлозы // Химия растительного сырья. 2006. №2. С. 29–31.

39. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М., 2011. 352 с.

40. Калюта Е.В. и др. Влияние водорастворимых полимерных продуктов карбоксиметилированного растительного сырья на активность прорастания семян зерновых и зернобобовых культур // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья. – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2014. С. 101–103.

41. Мальцев М.И. , Калюта Е.В., Екшибарова А.Э., Неверова А.М. Влияние препаратов из карбоксиметилированного растительного сырья на активность прорастания яровой пшеницы // Аграрная наука – сельскому хозяйству.– Барнаул: Изд-во РИО АГАУ, 2014. – Кн. 2. - С. 165-167.

42. Базарнова Н.Г. и др. Влияние стимулятора роста растительного происхождения на морфогенез IRIS SIBIRICA L., HEDYSARUM TEINUM KRASNOB. SYRINGA VULGARIS L. в культуре IN VITRO // Химия растительного сырья. 2013. №3. С. 243–248.



Приложения

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Влияние изучаемых препаратов на прорастание пшеницы [40]

hello_html_6e783821.pngВлияние вида препарата и его концентрации на прорастание семян пшеницы на 2-е сутки (контроль количество проросших зерен КПЗ=0)hello_html_4b76042f.pngВлияние вида препарата и его концентрации на прорастание семян пшеницы на 4сутки










ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Влияние вида карбоксиметилированного растительного сырья на активность роста первого листа яровой пшеницы [36]

hello_html_m1dedd60.jpghello_html_71ac063d.jpghello_html_62697b3e.jpghello_html_628b868.jpg(Фото автора)





















ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Влияние вида карбоксиметилированного растительного сырья и способа его внесения на длину первого листочка яровой пшеницы [36]

ОбразецСпособ внесенияСухое веществоСуспензия длина листа, смДлина листа, смКонтроль (Н2О)12,0 12,0 Na-КМЦ15,814,5Na-КМД 14,414,3Na-КМО16,113,2Na-КМП19,911,1НСР053,33,8





Автор
Дата добавления 29.10.2015
Раздел Биология
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров390
Номер материала ДВ-107578
Получить свидетельство о публикации

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх