Получение жидкого гуминового препарата из сапропеля

Введение. Многовековые донные отложения, формирующиеся в пресных водоемах из остатков водной растительности, живых организмов, частиц почвенного гумуса, называются сапропелем. В переводе с греческого языка это наименование означает «гниющий ил», учитывая, что содержание органического вещества в сапропеле достигает 15–30% и выше, и эти вещества в условиях избытка влаги действительно подвергаются весьма специфическим процессам трансформации, по сути, скорее напоминающим гниение. При содержании органических веществ менее 15% донные отложения относят к минеральным илам. С точки зрения их состава сапропели – это сложные комплексы органических, органоминеральных веществ, формирующихся из остатков отмирающих растительных и животных организмов и привносимых в водоемы органических и минеральных примесей в результате биохимических, микробиологических механических процессов [5]. Содержание органического вещества них значительно ниже, чем в торфах, а его структура более тонкая: если в торфах, даже хорошо разложившихся, гумус ближе по своим морфологическим свойствам к типу мор или модер, то в сапропеле условия таковы, что гумус можно отнести к типу анмоор. В составе сапропелей обнаруживается также азот, фосфор, калий, известь, микроэлементы, некоторые витамины, антибиотики и биостимуляторы.

Добыча и переработка сапропеля не наносит ущерба природной среде, напротив, наблюдается восстановление экологического равновесия водоемов, из которых добывается это полезное ископаемое [4].

Для практического использования и переработки сапропелей имеет значение их зольность и состав золы. В золе сапропелей содержатся кальций, фосфор, сера, калий, кремний, марганец, медь, кобальт, цинк, бор, молибден, кадмий, никель, фтор, хром, ванадий. Однако конкретное наполнение определяется типовой и видовой принадлежностью сапропелевого отложения. Микроэлементы могут быть как в виде органоминеральных соединений, так и в виде сорбционных комплексов с гелями кремнезема, глинозема, гидроксидов железа. Активными комплексообразователями являются гуминовые кислоты и фульвокислоты сапропелевого органического вещества. Они образуют с микроэлементами растворимые и нерастворимые комплексные соединения [10].

Понятие "органическое вещество сапропеля" в литературе имеет несколько определений. Одни ученые рассматривают "органическое вещество" как совокупность аморфного детрита и остатков водорослей, высших растений и животных, не полностью потерявших свое анатомическое строение и различаемых под микроскопом [1, 9]. Другие под органическим веществом сапропелей понимают «комплекс низкомолекулярных органических соединений и биополимеров как в свободном виде, так и в виде гетерополярных солей, комплексно-гетерополярных солей и адсорбционных комплексов с минеральной частью» [11].

Основными компонентами органического комплекса сапропелей являются легкогидролизуемые гуминовые соединения, на которые приходится 60–80% органического вещества. В составе органического вещества сапропелей имеются также битумы, углеводные компоненты (гемицеллюлозы и целлюлозы). Многообразие различных соединений в сапропеле создается за счет многочисленных продуктов жизнедеятельности простейших организмов животного и растительного происхождения, которые способствуют накоплению различных групп органических веществ: белков, липидов, клетчатки, лигнинов, пектинов, а также приносимых в озера минеральных веществ [6, 9].

Гуминовые вещества – особая группа органических соединений, происхождение которых связано с процессами биохимического разложения и преобразования растительного опада (листья, корни, ветки, стволы), останков животных, белковых тел микроорганизмов. В современный исторический период они образуются и накапливаются в почвах. В их составе обнаружены гуминовые кислоты, фульвокислоты, соли этих кислот – гуматы и фульваты, а также гумины – прочные соединения гуминовых кислот и фульвокислот с почвенными минералами [3].

По сравнению с торфом сапропели имеют меньше гуминовых кислот и сходны в этом отношении со слаборазложившимися торфами со степенью разложения до 15%. По содержанию легкогидролизуемых соединений сапропели приближаются к торфам малой и средней (до 35%) степени разложения. Сапропели имеют несколько более высокое содержание негидролизуемого остатка. Характер гуминовых кислот и негидролизуемого остатка сапропелей иной, чем у тех же групп органических соединений торфа [9]. Видимо, гуминовые вещества, вымытые из торфа, в озерных условиях во многом меняются и, возможно, образуют новые химические соединения, характерные для органического вещества сапропелей.

Сапропелевое удобрение – высокоэффективное экологически чистое органоминеральное удобрение, применяемое для коренного улучшения (рекультивации), санации почвы. Может использоваться на всех типах почв и под все виды сельскохозяйственных растений. При внесении в почву улучшает его структуру, влагопоглотительную и влагоудерживающую способность, аэрацию, активизирует почвенные процессы, пополняя гумусный фонд, устанавливает благоприятную для растений слабокислую или нейтральную среду рН=5,5–6,0.

Сапропель является удобрением пролонгированного действия, его эффективность сохраняется в течение 5–6 лет. Урожайность зерновых культур, овощей и корнеплодов после внесения сапропеля, как натурального биостимулятора роста растений, увеличивается на 40–50% [7].

Наиболее широко сапропелевое сырье используется для производства сапропелевых и торфо-сапропелевых удобрений в россыпном и гранулированном виде, различных компостов и грунтов на основе сапропелей, торфа и отходов животноводства, а также в виде минерально-витаминных кормовых добавок. Для этих целей наиболее пригодны сапропели органического и органоминерального классов. Производство, хранение и применение сапропеля не приводит к загрязнению окружающей среды [2]. Научный и практический интерес представляет получение из сапропеля гуминовых препаратов, в том числе и жидких.

Цель работы – получение на основе сапропеля с использованием различных реагентов жидких гуминовых препаратов.

Материалы и методы

Изучали состав минеральной части сапропеля из озера Белое (Татарстан) и его органической части. Причем исследования вели в образцах сапропеля сырого (необработанного – образец 1) и адаптированного к внесению в почву в виде удобрения – предварительно высушенного, освобожденного от крупных включений и гранулированного (образец 2).

Минералогический состав сапропеля определяли на приборе ДРОН-3 в лаборатории кафедры химии почв Московского государственного университета. Результаты анализа показали, что минеральная часть донных отложений озера Белое представлена кварцем, микроклином, альбитом, кальцитом, хлоритом, каолинитом, смешано-слоистыми минералами (смектитом). Преобладающими минералами в сыром сапропеле являются кварц и кальцит. В меньшем количестве присутствует альбит. Глинистые минералы представлены диоктаэдрическим иллитом, смектитом, хлоритом. Возможно наличие каолинита, который в присутствии хлорита однозначно не диагностируется. Во втором образце преобладающими минералами также являются кальцит и кварц. В меньшем количестве присутствуют альбит и микроклин. Глинистые минералы представлены диоктаэдрическим иллитом, смектитом, хлоритом. Возможно наличие каолинита, который в присутствии хлорита однозначно не диагностируется.

В целом по минералогическому составу образцы идентичны, но в образце 2 несколько меньше кварца, больше смектита и существенно больше кальцита, что и понятно, так как в ходе подготовки производится отсев каменистых включений.

Состав органической части сапропеля и вытяжек из него определяли по методу И. В. Тюрина в модификации Пономаревой-Плотниковой [8]. Экстракцию органических веществ из сапропеля проводили с использованием ЭДТА, Na₂CO₃, NaOH и H₂O.

Результаты и обсуждение

Состав органической части сапропеля приведен в таблице 1. Результаты свидетельствуют, что общее содержание углерода в донных отложениях достаточно высокое (в пересчете на гумус 6,38% в сыром сапропеле и 6,03% в адаптированном сапропеле), что сопоставимо с содержанием гумуса в среднегумусированных черноземах. В составе органического вещества преобладают гуминовые кислоты (41,1—42,3%) и негидролизуемый остаток – гумин (36—33,3%). Содержание фульвокислот ниже, но, тем не менее, достаточно высоко (22,9—24,4%). Все это свидетельствует об оптимальном групповом составе: есть и консервативные формы и достаточно мобильные, доступные для минерализации. В составе гуминовых кислот преобладает фракция гуматов кальция, в составе фульвокислот – соединения, связанные с подвижными формами железа и алюминия и глинистыми минералами.

Таблица 1 – Состав органического вещества (гумуса) сапропеля

озера Белое, % к Собщ.

Отсюда следует вывод, что сапропель озера Белое с точки зрения содержания в нем органических соединений и их состава обладает благоприятными свойствами для использования его с целью повышения плодородия почв, как эффективного, так и потенциального. Причем обработка сапропеля, направленная на адаптацию его к внесению в почву, улучшая физико-механические характеристики и работу с удобрением, практически не влияет на химический состав его органической части.

Выделение фракций органического вещества сапропеля озера Белое с целью получения на его основе препаратов ГК

Проведена работа по выделению гуминовых веществ из сапропеля озера Белое. С этой целью получены вытяжки и проведен анализ их состава: определено общее содержание углерода органического вещества и его фракционно-групповой состав. Данные приведены в таблице 2.

Таблица № 2 – Фракционно-групповой состав различных вытяжек органического вещества из сапропеля озера Белое

Они свидетельствуют, что в зависимости от реагента, используемого для получения вытяжки, состав гуминовых соединений весьма различается. Если при использовании гидроксида натрия мы получили практически такое же соотношение между группами гумуса, как и при анализе общего углерода в сапропеле, то применение с этой целью карбоната натрия значительно увеличило выход гуминовых соединений, доля фульвокислот, напротив, уменьшилась, в связи с чем, резко изменился тип полученного органического вещества: с фульватно-гуматного на гуматный.

Использование в качестве реагента ЭДТА дает высокий выход фульвокислот, но резко уменьшается экстракция гуминовых кислот. Очень обнадеживающие результаты получены с четвертой вытяжкой, где использовалась горячая дистиллированная вода. Получен достаточно высокий выход гуминовых кислот, фульвокислот и в целом органических соединений.

Мы также контролировали такую важную характеристику, как величину рН (табл.3).

Таблица № 3 – Величина рН в вытяжках органического вещества из сапропеля озеро Белое

Данные свидетельствуют, что при использовании в качестве реагента ЭДТА, NaOH, Na₂CO₃ необходимо применять дополнительную операцию по нейтрализации излишней щелочности, в случае получения водной вытяжки этого не требуется. К тому же и с экономической точки зрения применение для экстрагирования гуминовых соединений из сапропеля горячей воды по сравнению с химическими реактивами предпочтительнее.

Таким образом, результаты исследования доказывают, что для получения жидких гуминовых препаратов из сапропеля наряду с использованием таких широко распространенных экстрагентов, как гидрооксид натрия, можно использовать и другие растворители, в том числе и воду, регулируя при этом состав конечного продукта.

Список литературы

1. Бакшеев В. Н. Сапропель вчера, сегодня и завтра. Тюмень, 1998. 80 с.
2. Горбунов А. В., Олейникова Л. Н., Усманов А. И., Копейцев А. М. Рациональное использование торфяных и сапропелевых ресурсов России // Материалы Международной научно-практической конференции «Уральская горная школа– регионам», 2015. С.429–430.
3. Дергачева М.И. Органическое вещество почв: статика и динамика (на примере Западной Сибири). Новосибирск, 1984. 152 с.
4. Журба Н. Органическое удобрение – сапропель, 2008. http://www.chitalnya.ru/work/55290/
5. Лопотко М. 3., Евдокимова Г. А. Сапропели и продукты на их основе, Минск: Наука и техника, 1986. 6 с.
6. Московкина Л.И. Детоксикация загрязненных мышьяком почв природными сорбентами, их смесями и модификациями. Дисс. … канд. с.-х. наук. М., 2012. 146 с.
7. Мырзаханова М.Н., Кушкумбаева А.А. Инновационные возможности поддержания почвенного баланса различных сельскохозяйственных культур // Современные научные исследования и разработки, 2016. №7 (7). С. 451–453.
8. Плотникова Т.А., Орлова Н.Е. Использование модифицированной схемы Пономаревой-Плотниковой для определения состава, природы и свойств гумуса почв // Почвоведение,1984. №8. С.120–130.
9. Пономарева М.А. Химический состав и пути использования сапропелей Татарстана. Дисс. … канд.хим.наук, Тула, 2002. 245 с.
10. Сапропель // Горная энциклопедия: http://www.mining-enc.ru/s/sapropel/
11. Степанова Е. А. Химические свойства и строение ГК сапропеля. Автореф. дис. . канд. биол. наук. М, 1997. 20 с.

Spisok literatury

1. Baksheev V. N. Sapropel' vchera, segodnya i zavtra. Tyumen', 1998. 80 s.
2. Gorbunov A. V., Olejnikova L. N., Usmanov A. I., Kopejcev A. M. Racional'noe ispol'zovanie torfyanyh i sapropelevyh resursov Rossii // Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Ural'skaya gornaya shkola– regionam», 2015. S.429-430.
3. Dergacheva M.I. Organicheskoe veshchestvo pochv: statika i dinamika (na primere Zapadnoj Sibiri). Novosibirsk, 1984. 152 s.
4. ZHurba N. Organicheskoe udobrenie – sapropel', 2008. http://www.chitalnya.ru/work/55290/
5. Lopotko M. 3., Evdokimova G. A. Sapropeli i produkty na ih osnove, Minsk: Nauka i tekhnika, 1986. 6 s.
6. Moskovkina L.I. Detoksikaciya zagryaznennyh mysh'yakom pochv prirodnymi sorbentami, ih smesyami i modifikaciyami. Diss. … kand. s.-h. nauk. M., 2012. 146 s.
7. Myrzahanova M.N., Kushkumbaeva A.A. Innovacionnye vozmozhnosti podderzhaniya pochvennogo balansa razlichnyh sel'skohozyajstvennyh kul'tur // Sovremennye nauchnye issledovaniya i razrabotki, 2016. №7 (7). S. 451-453.
8. Plotnikova T.A., Orlova N.E. Ispol'zovanie modificirovannoj skhemy Ponomarevoj-Plotnikovoj dlya opredeleniya sostava, prirody i svojstv gumusa pochv // Pochvovedenie,1984. №8. S.120–130.
9. Ponomareva M.A. Himicheskij sostav i puti ispol'zovaniya sapropelej Tatarstana. Diss. … kand.him.nauk, Tula, 2002. 245 s.
10. Sapropel' // Gornaya enciklopediya: http://www.mining-enc.ru/s/sapropel/
11. Stepanova E. A. Himicheskie svojstva i stroenie GK sapropelya. Avtoref. dis. . kand. biol. nauk. M, 1997. 20 s.