При техногенезе, и в частности при функционировании газовой промышленности на Крайнем Севере не исключается нарушение тундровых почв, когда они лишаются растительного покрова и верхнего плодородного слоя, в результате проезда техники, связанной с проведением геологоразведки, бурением скважин и обустройством промыслов. Чтобы избежать опустынивания ландшафтов, необходимо принять оперативные меры по рекультивации нарушенных тундровых почв. Ранее нами была описана инновационная биогеохимическая технология рекультивация нарушенных тундровых почв, успешно реализуемая в настоящее время на Тазовском полуострове (Ямало-Ненецкий автономный округ, 67○15' с.ш., 74○40' в.д.) в районе функционирования ООО «Газпром добыча Ямбург», рис. 1 [1].
Рис. 1. Карта-схема территории реализации инновационной биогеохимической технологии рекультивации нарушенных тундровых почв. 1 – полуостров Ямал; 2 - Тазовский полуостров (68○09' с. ш., 76○02' в. д.); 3 – Гыданский полуостров; 4 – междуречье рек Пур и Таз; а – реки; б - озера; в – болота.
Рис. 2. Патент Российской Федерации на изобретение № 2610956. Способ получения гумата калия из местных торфов Ямало-Ненецкого автономного округа. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Алексеев А.О., Галиулина Р.А., Мальцева А.Н., Ямников С.А., Николаев Д.С., Мурзагулов В.Р.
Основная цель настоящей работы заключалась в представлении способа получения препарата гумата калия из местных торфов Ямало-Ненецкого автономного округа, защищенного патентом Российской Федерации на изобретение № 2610956, рис. 2 [2]. Ключевым моментом данного способа явился сопоставительный анализ состава гуминовых кислот гумуса торфа из Тазовского полуострова (Ямало-Ненецкий автономный округ) с торфом из Среднего Приобъя (Ханты-Мансийский автономный округ, 62○15' с.ш., 70○10' в.д.), чтобы доказать природную целесообразность использования препарата гумата калия, получаемого из местных торфов для рекультивации нарушенных тундровых почв.
Сопоставительный анализ состава гуминовых кислот гумуса различных торфов
Как известно, гуминовые кислоты представляют собой группу веществ, извлекаемых из торфа щелочами в виде более или менее темноокрашенного раствора и осаждаемые минеральными кислотами в виде аморфного осадка – геля [3]. Данные вещества являются высокомолекулярными химическими соединениями, в которые кроме углерода (C), водорода (H), кислорода (O) и азота (N) входят фосфор (P), сера (S), кремний (Si), железо (Fe) и алюминий (Al).
Сопоставительный анализ состава гуминовых кислот гумуса различных торфов был проведен методом ядерно-магнитно-резонансной 13С-спектроскопии, что позволило определить относительное содержание атомов алифатического, ароматического, полисахаридного и карбоксильного углерода в структурных фрагментах гуминовых кислот гумуса торфа [4]. Статистическая обработка результатов исследований показала, что только в образце торфа из Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) были установлены существенные различия между содержаниями алифатического и ароматического углерода, то есть первого вещества было в 2,3-2,7 раза больше, чем второго вещества. Это свидетельствует о том, что интенсивность разложения органического вещества в торфе из ЯНАО меньше, а, следовательно, больше накапливается гумуса, обусловленного климатическими условиями гумусообразования в данном регионе (табл. 1).
Содержание полисахаридного углерода в образце торфа из ЯНАО было в 2,0-4,2 раза больше, чем в образце торфа из ХМАО, что указывает на большую роль полисахаридов в формировании гуминовых кислот в гумусе торфа из ЯНАО.
Таблица 1. Сравнительная оценка содержания различных видов углерода (%) в структурных фрагментах гуминовых кислот гумуса торфов Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО)
Итак, сопоставительный анализ состава гуминовых кислот гумуса торфов из ЯНАО и ХМАО, проведенный методом ядерно-магнитно-резонансной 13С-спектроскопии, подтверждает природную целесообразность использования местных торфов для получения препарата гумата калия, что объясняется спецификой содержания отдельных видов углерода в структурных фрагментах гуминовых кислот гумуса торфа.
Рис. 3. Технологическая схема получения гумата калия из гуминовых кислот гумуса торфа: 1 – торф; 2 - 0,1 н раствор H2SO4; 3 - 0,1 н раствор NaOH; 4 – 10%-й раствор HCl; 5 - 0,1 н раствор NaOH; 6 - Na2SO4; 7 - 0,1 н раствор HCl; 8 – дистиллированная вода; 9 - 0,1 н раствор KOH; 10 – дистиллированная вода.
Способ получения препарата гумата калия из торфа
Способ получения препарата гумата калия из торфа состоит из нескольких последовательно выполняемых этапов. Так, на первом этапе осуществляют декальцинирование торфа 0,1 н раствором серной кислоты (H2SO4) при соотношении 1:20. Полученную суспензию оставляют на 1 сутки и после ее отстаивания раствор от твердой фазы отделяют декантацией, то есть путем сливания раствора с осадка (рис. 3). На втором этапе проводят 4-5 кратную экстракцию (продолжительностью 20 часов) гуминовых кислот из полученного осадка 0,1 н раствором гидроксида натрия (NaOH) при соотношении 1:15. Затем твердую фазу от щелочного раствора отделяют центрифугированием. На третьем этапе из полученного щелочного раствора осаждают (в течение 1 суток) гуминовые кислоты 10%-м раствором соляной кислоты (HCl) при соотношении 50:1 с последующим отделения осадка также центрифугированием. На четвертом этапе проводят очищение полученного осадка гуминовых кислот путем растворения в 0,5-1 л 0,1 н раствора гидрооксида натрия (NaOH), а также добавления сульфата натрия (Na2SO4) для коагуляции минеральных частиц и последующего центрифугирования щелочного раствора. Гуминовые кислоты осаждают добавлением 0,1 н раствора соляной кислоты (HCl) до установления рН 1-2. Затем осадок гуминовых кислот многократно промывают дистиллированной водой до установления рН 6 и высушивают в термостате при 50оС. На пятом этапе из полученного порошка гуминовых кислот готовят 2,5%-й маточный раствор гумата калия посредством добавления в соответствующую навеску вещества 0,1 н раствора гидрооксида калия (KOH) и дистиллированной воды с последующим доведением рН искомого раствора до значения равного 7 единицам, контролируемого потенциометрическим методом.
Данный способ позволяет получение химически чистые гуминовые кислоты и гумат калия из местных торфов, практически не затрагивающий структуру гуминовых кислот. Полученный препарат гумата калия в виде водных растворов определенных концентраций используют для замачивания семян перед посевом, корневой подкормки и некорневой подкормки (опрыскивания) в период вегетации растений, что позволяет формировать на нарушенных тундровых почва густой травяной покров из многолетних злаков и плотный дерн, как признак восстановления их плодородия.
Заключение:
Таким образом, местный торф Ямало-Ненецкого округа имеет свою специфику в содержании отдельных видов углерода в структурных фрагментах гуминовых кислот гумуса торфа, что подтверждает природную целесообразность получения из него препарата гумата калия. О практической значимости представленного способа получения препарата гумата калия из местных торфов Ямало-Ненецкого автономного округа для рекультивации нарушенных тундровых почв свидетельствует его защищенность патентом Российской Федерации на изобретение.
Литература:
1. Galiulin R.V., Bashkin V.N., Alekseev A.O., Galiulina R.A., Arabsky A.K. Innovative biogeochemical technology for recultivating disturbed soils of the Taz peninsula // In: Ecological and Biogeochemical Cycling in Impacted Polar Ecosystems. New York: Nova Science Publishers, 2017. P. 155-166.
2. Патент Российской Федерации на изобретение № 2610956. Способ получения гумата калия из местных торфов Ямало-Ненецкого автономного округа. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Алексеев А.О., Галиулина Р.А., Мальцева А.Н., Ямников С.А., Николаев Д.С., Мурзагулов В.Р. Опубликовано: 17.02.2017 г. Бюллетень № 5.
3. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. М.: Высшая школа, 1968. 428 с.
4. Калабин Г.А., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки. М., 2000. 407 с.
5. Сартаков М.П. Спектроскопия ЯМР 13С гуминовых кислот торфов Среднего Приобья // Химия растительного сырья. 2008. № 3. С. 135-139.
Авторы:
Р.В. Галиулин,
доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН
В.Н. Башкин,
доктор биологических наук, главный научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
А.О. Алексеев,
доктор биологических наук, руководитель лаборатории Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
Р.А. Галиулина,
научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН
А.К. Арабский,
доктор технических наук, заместитель главного инженера ООО «Газпром добыча Ямбург»
Рис. 1. Карта-схема территории реализации инновационной биогеохимической технологии рекультивации нарушенных тундровых почв. 1 – полуостров Ямал; 2 - Тазовский полуостров (68○09' с. ш., 76○02' в. д.); 3 – Гыданский полуостров; 4 – междуречье рек Пур и Таз; а – реки; б - озера; в – болота.
Рис. 2. Патент Российской Федерации на изобретение № 2610956. Способ получения гумата калия из местных торфов Ямало-Ненецкого автономного округа. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Алексеев А.О., Галиулина Р.А., Мальцева А.Н., Ямников С.А., Николаев Д.С., Мурзагулов В.Р.
Суть данной технологии состоит во внесении местного торфа в нарушенные тундровые почвы с учетом их гранулометрического состава или полной влагоемкости в зависимости от рельефа местности, посеве и выращивании на них многолетних злаковых трав с использованием получаемого из местного торфа гумата калия (калийной соли гуминовой кислоты), как стимулятора роста и развития этих растений. Установлено, что гумат калия особенно эффективен в начальный период роста и развития растений, а также в период наибольшего напряжения биохимических процессов, индуцированных водным или температурным стрессом. Данное вещество активизируя обменные процессы и обладая мембранотропным действием, повышает устойчивость растений к такому неблагоприятному фактору внешней среды в условиях Крайнего Севера, как низкой температуре. Калий, входящий в состав данного вещества способствует нормальному течению фотосинтеза, образованию и накоплению в растениях витаминов и стимулирует работу многих ферментов.
Основная цель настоящей работы заключалась в представлении способа получения препарата гумата калия из местных торфов Ямало-Ненецкого автономного округа, защищенного патентом Российской Федерации на изобретение № 2610956, рис. 2 [2]. Ключевым моментом данного способа явился сопоставительный анализ состава гуминовых кислот гумуса торфа из Тазовского полуострова (Ямало-Ненецкий автономный округ) с торфом из Среднего Приобъя (Ханты-Мансийский автономный округ, 62○15' с.ш., 70○10' в.д.), чтобы доказать природную целесообразность использования препарата гумата калия, получаемого из местных торфов для рекультивации нарушенных тундровых почв.
Сопоставительный анализ состава гуминовых кислот гумуса различных торфов
Как известно, гуминовые кислоты представляют собой группу веществ, извлекаемых из торфа щелочами в виде более или менее темноокрашенного раствора и осаждаемые минеральными кислотами в виде аморфного осадка – геля [3]. Данные вещества являются высокомолекулярными химическими соединениями, в которые кроме углерода (C), водорода (H), кислорода (O) и азота (N) входят фосфор (P), сера (S), кремний (Si), железо (Fe) и алюминий (Al).
Сопоставительный анализ состава гуминовых кислот гумуса различных торфов был проведен методом ядерно-магнитно-резонансной 13С-спектроскопии, что позволило определить относительное содержание атомов алифатического, ароматического, полисахаридного и карбоксильного углерода в структурных фрагментах гуминовых кислот гумуса торфа [4]. Статистическая обработка результатов исследований показала, что только в образце торфа из Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) были установлены существенные различия между содержаниями алифатического и ароматического углерода, то есть первого вещества было в 2,3-2,7 раза больше, чем второго вещества. Это свидетельствует о том, что интенсивность разложения органического вещества в торфе из ЯНАО меньше, а, следовательно, больше накапливается гумуса, обусловленного климатическими условиями гумусообразования в данном регионе (табл. 1).
Содержание полисахаридного углерода в образце торфа из ЯНАО было в 2,0-4,2 раза больше, чем в образце торфа из ХМАО, что указывает на большую роль полисахаридов в формировании гуминовых кислот в гумусе торфа из ЯНАО.
Таблица 1. Сравнительная оценка содержания различных видов углерода (%) в структурных фрагментах гуминовых кислот гумуса торфов Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО)
Итак, сопоставительный анализ состава гуминовых кислот гумуса торфов из ЯНАО и ХМАО, проведенный методом ядерно-магнитно-резонансной 13С-спектроскопии, подтверждает природную целесообразность использования местных торфов для получения препарата гумата калия, что объясняется спецификой содержания отдельных видов углерода в структурных фрагментах гуминовых кислот гумуса торфа.
Рис. 3. Технологическая схема получения гумата калия из гуминовых кислот гумуса торфа: 1 – торф; 2 - 0,1 н раствор H2SO4; 3 - 0,1 н раствор NaOH; 4 – 10%-й раствор HCl; 5 - 0,1 н раствор NaOH; 6 - Na2SO4; 7 - 0,1 н раствор HCl; 8 – дистиллированная вода; 9 - 0,1 н раствор KOH; 10 – дистиллированная вода.
Способ получения препарата гумата калия из торфа
Способ получения препарата гумата калия из торфа состоит из нескольких последовательно выполняемых этапов. Так, на первом этапе осуществляют декальцинирование торфа 0,1 н раствором серной кислоты (H2SO4) при соотношении 1:20. Полученную суспензию оставляют на 1 сутки и после ее отстаивания раствор от твердой фазы отделяют декантацией, то есть путем сливания раствора с осадка (рис. 3). На втором этапе проводят 4-5 кратную экстракцию (продолжительностью 20 часов) гуминовых кислот из полученного осадка 0,1 н раствором гидроксида натрия (NaOH) при соотношении 1:15. Затем твердую фазу от щелочного раствора отделяют центрифугированием. На третьем этапе из полученного щелочного раствора осаждают (в течение 1 суток) гуминовые кислоты 10%-м раствором соляной кислоты (HCl) при соотношении 50:1 с последующим отделения осадка также центрифугированием. На четвертом этапе проводят очищение полученного осадка гуминовых кислот путем растворения в 0,5-1 л 0,1 н раствора гидрооксида натрия (NaOH), а также добавления сульфата натрия (Na2SO4) для коагуляции минеральных частиц и последующего центрифугирования щелочного раствора. Гуминовые кислоты осаждают добавлением 0,1 н раствора соляной кислоты (HCl) до установления рН 1-2. Затем осадок гуминовых кислот многократно промывают дистиллированной водой до установления рН 6 и высушивают в термостате при 50оС. На пятом этапе из полученного порошка гуминовых кислот готовят 2,5%-й маточный раствор гумата калия посредством добавления в соответствующую навеску вещества 0,1 н раствора гидрооксида калия (KOH) и дистиллированной воды с последующим доведением рН искомого раствора до значения равного 7 единицам, контролируемого потенциометрическим методом.
Данный способ позволяет получение химически чистые гуминовые кислоты и гумат калия из местных торфов, практически не затрагивающий структуру гуминовых кислот. Полученный препарат гумата калия в виде водных растворов определенных концентраций используют для замачивания семян перед посевом, корневой подкормки и некорневой подкормки (опрыскивания) в период вегетации растений, что позволяет формировать на нарушенных тундровых почва густой травяной покров из многолетних злаков и плотный дерн, как признак восстановления их плодородия.
Заключение:
Таким образом, местный торф Ямало-Ненецкого округа имеет свою специфику в содержании отдельных видов углерода в структурных фрагментах гуминовых кислот гумуса торфа, что подтверждает природную целесообразность получения из него препарата гумата калия. О практической значимости представленного способа получения препарата гумата калия из местных торфов Ямало-Ненецкого автономного округа для рекультивации нарушенных тундровых почв свидетельствует его защищенность патентом Российской Федерации на изобретение.
Литература:
1. Galiulin R.V., Bashkin V.N., Alekseev A.O., Galiulina R.A., Arabsky A.K. Innovative biogeochemical technology for recultivating disturbed soils of the Taz peninsula // In: Ecological and Biogeochemical Cycling in Impacted Polar Ecosystems. New York: Nova Science Publishers, 2017. P. 155-166.
2. Патент Российской Федерации на изобретение № 2610956. Способ получения гумата калия из местных торфов Ямало-Ненецкого автономного округа. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Алексеев А.О., Галиулина Р.А., Мальцева А.Н., Ямников С.А., Николаев Д.С., Мурзагулов В.Р. Опубликовано: 17.02.2017 г. Бюллетень № 5.
3. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. М.: Высшая школа, 1968. 428 с.
4. Калабин Г.А., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки. М., 2000. 407 с.
5. Сартаков М.П. Спектроскопия ЯМР 13С гуминовых кислот торфов Среднего Приобья // Химия растительного сырья. 2008. № 3. С. 135-139.
Авторы:
Р.В. Галиулин,
доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН
В.Н. Башкин,
доктор биологических наук, главный научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
А.О. Алексеев,
доктор биологических наук, руководитель лаборатории Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
Р.А. Галиулина,
научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН
А.К. Арабский,
доктор технических наук, заместитель главного инженера ООО «Газпром добыча Ямбург»
