Исследование процессов деструкции растительных остатков льна в контролируемых лабораторных условиях
Рост урожайности сельскохозяйственных культур сопровождается увеличением количества пожнивных остатков, поскольку с ростом производительности повышается и общая биомасса растений. В России это явление весьма заметно, ежегодно производятся около 120 млн т послеуборочных растительных остатков, значительная часть которых приходится на солому зерновых и зернобобовых культур.
Тенденция увеличения площадей под лен масличный заслуживает внимания. По расчетам ООО «АБ-Центр», за 5 лет площади подо льном выросли на 89,2% (на 664,7 тыс. га), за 10 лет — в 2,9 раза (на 931,8 тыс. га). Под посевами льна в 2023 г. были заняты 1,41 млн га, в 2024-м —1,66 млн га.
Лен является важной технической культурой, его активно используют в пищевой промышленности и производстве масел. Рост площадей под этой культурой указывает на повышенный интерес к ней со стороны аграриев и потребителей, а также на улучшение технологий выращивания и обработки льна. Однако стоит отметить, что увеличение объемов производства послеуборочных растительных остатков создает определенные вызовы для сельского хозяйства. Один из них — необходимость эффективного управления этими остатками, так как большинство имеют низкую скорость разложения, обусловленную особенностями биохимического состава. Большинство растений имеют один и тот же набор основных органических соединений, но отличаются по соотношению белков, липидов, крахмала, целлюлозы, гемицеллюлозы, полифенолов.
Для сравнения: у зерновых культур усредненное содержание в соломе гемицеллюлозы на уровне 23,6%, целлюлозы — 38,8%, лигнина — 15,3%, белка — 3,0%. У льна содержание гемицеллюлозы 15,0%, целлюлозы — 59,2–79,0%, лигнина – 26,3%, белка — 3,0%.
Чем выше в растительных остатках содержание веществ (целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина, танинов, воска), образующих мембраны и клеточные стенки растения, тем меньше они подвержены микробной деструкции. Если полное разложение растительных остатков зерновых культур наступает в среднем через 3–4 года после их внесения в почву, то есть культуры, утилизация растительных остатков которых затруднена. Так, солому льна очень сложно измельчить, она медленно разлагается и мешает проведению последующих агротехнических мероприятий.
Одним из способов ускорения разложения и повышения коэффициента гумификации послеуборочных остатков зерновых культур может являться инокуляция их эффективными микроорганизмами. Однако проблема деструкции побочной продукции грубостебельчатых культур, таких как лен, хлопок, рис, носит глобальный характер, готовых решений по которой на сегодняшний день нет.
Одним из возможных путей решения обозначенной проблемы может быть применение ферментов, способных разрушать клеточные стенки растений.
Впервые в России было предложено провести исследования ферментативных препаратов производства ООО ПО «Сиббиофарм» в качестве деструкторов пожнивно-корневых остатков, тем самым расширив спектр их функциональных свойств.
Цель данных исследований — лабораторная оценка целесообразности применения ферментативных препаратов на основе целлюлазной, ксиланазной, альфа-амилазной и пектиназной активностей в качестве деструкторов трудноразлагаемых растительных остатков льна после их заделки в почву и распределения по ее поверхности.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили в лабораторном инкубационном опыте в испытательной лаборатории фитодиагностики и агрохимии АО «Агродоктор» в 2023 году.
Почва в исследовании — серая лесная. Обеспеченность подвижным фосфором 185 мг/кг почвы по ГОСТ 26204, обменным калием — 80 мг/кг по ГОСТ 26204, N-NO3 — 63,5 мг/кг по ГОСТ 26951, рНKcl — 5,7 по ГОСТ 26483. В испытания были включены ферментные препараты производства ООО ПО «Сиббиофарм».
Обработка согласно рекомендациям производителя. Препараты проходят процедуру патентования.
Схема опыта включала следующие варианты:
- Контроль-без обработки.
- Ферментный препарат грибного происхождения (целлюлаза), порошок — 20 г/т.
- Ферментный препарат грибного происхождения (ксиланаза), порошок — 10 г/т.
- Ферментный препарат бактериального происхождения (альфа-амилаза), порошок — 40 г/т.
- Ферментный препарат бактериального происхождения (пектинлиаза, экзоксиланаза и ферменты пектинолитического комплекса), порошок — 40 г/т.
Препараты разводили в дистиллированной воде таким образом, чтобы получить концентрацию рабочего раствора для обработки 1 га, эквивалентной объему жидкости 100 л, с учетом количества соломы на единицу площади, исходя из рекомендаций завода-изготовителя, основанных на результатах предыдущих полевых испытаний.
Предварительно измельченные до фракции 5–7 см соломенные и пожнивно-корневые остатки льна подвергали обработке соответствующими рабочими растворами препаратов посредством ручного опрыскивания согласно предусмотренному методическому протоколу эксперимента. Растительные остатки выдерживали перед закладкой в почву для выравнивания влажности до исходного значения.
Лабораторный эксперимент проводили в специально оборудованном помещении (приборной комнате испытательной лаборатории фитодиагностики и агрохимии АО «Агродоктор»). Растительные остатки равномерно распределяли по поверхности почвы, находящейся в стеклянных емкостях вместимостью 800 г воздушно-сухой почвы, либо заделывали на глубину 10 см. Солома и пожнивно-корневые остатки были внесены в количестве 0,17 г на каждые 100 г почвы, что эквивалентно внесению 17,1 ц/га соломы при среднем урожае льна от 10 до 12 ц/га. После подготовки сосуды с почвой и растительными остатками выдерживали в специальном устройстве — климатостате КС-200 СПУ (ОАО «Смоленское СКТБ СПУ», Россия) (дата поверки 05.05.2023), поддерживающем стабильные условия температуры (24–26 °C) и влажности почвы.
Оценку деструкции соломы и пожнивно-корневых остатков льна проводили на 86-е и 140-е сутки. Убыль массы растительных остатков рассчитывали как потерю массы (в %) от первоначальной, взвешивая растительные остатки при влажности 17–18% на аналитических весах Adventurer Pro RV 214 с погрешностью не более 0,001 г (OHAUS Corporation, США) (дата поверки 23.02.2023). Фракционный состав неразложившихся растительных остатков определяли путем просеивания через лабораторные сита разного диаметра (6 мм, 4 мм, 1 мм) по ГОСТ Р 51568.
Определение степени воздействия площади соприкосновения почвы и пожнивных остатков на темпы минерализации выполнено путем сопоставления показателей разложения материалов, находящихся на поверхности почвы и введенных вглубь почвы.
Основополагающим критерием оценки послужили два показателя:
1. Величина убывания соломы и пожнивно-корневых остатков, отражающая различие в уровнях потерь сухой массы между поверхностным распределением и глубокими методами заделки.
2. Изменение фракционного состава пожнивных остатков, проявляющееся в увеличении веса более мелких частиц.
Повторность опыта трехкратная.
Математическую обработку результатов исследований осуществляли методом однофакторного дисперсионного анализа с вычислением НСР c использованием пакета программ прикладной статистики Snedecor.
Результаты и обсуждение
Установлено, что между скоростью минерализации растительных остатков льна и поверхностью их соприкосновения с почвой существует связь (рис. 1, 2). Это обусловлено лучшим контактом органических остатков с почвенными микроорганизмами, осуществляющих деструкцию на разных этапах.
Известно, что превращение растительных остатков в почве разного химического состава — многоступенчатый биологический процесс, при котором происходят разложение и синтез новых органических соединений. Наиболее быстро минерализуются более доступные органические соединения: простые сахара, пентозаны, белки.
Пентозаны (ксилан) — один из компонентов гетерополисахаридов, таких как гемицеллюлоза, которая наряду с лигнином и пектинами входит в состав межклеточного вещества растительных тканей и в значительном количестве содержится в соломе льна (12–15%).
В проведенных лабораторных исследованиях на первую дату учета прослеживается достоверное увеличение скорости деструкции соломы льна как при заделке ее в почву, так и при распределении ее по поверхности при применении препарата № 2 (рис. 1, 2). Данный препарат состоит из ксиланазы, вызывающей деградацию ксилана.
Из результатов анализа следует, что на первых этапах деструкции активно разлагается гемицеллюлоза, при внесении препарата № 2 (ксиланазы) убыль массы растительных остатков льна составляет 32,1—35,0% от исходного веса, что на 13,2–10,2% выше, чем в контрольных образцах.
Позднее в процесс включаются микроорганизмы, обладающие пектинолитической активностью. Пектины — межклеточные вещества растительных тканей. Так, целлюлозные волокна льна склеены с окружающими их тканями — пектинами, содержание этих полисахаридов в соломе находится на уровне 3–7%. Однако содержание пектиновых веществ в лубяной части стебля льна выше, чем в древесной (по разным литературным данным, ≈ в 4 раза), поэтому применение препарата № 4, содержащего комплекс пектинолитических ферментов, математически обоснованно способствовало активному разложению соломы льна на начальных стадиях процесса, приводя к уменьшению ее массы до 30,6–30,7%.
Вслед за разложением пектиновых веществ начинается интенсивное разложение клетчатки. Разложение целлюлозы могут осуществлять микроорганизмы, обладающие высокой специфичностью к этому веществу. Обработка пожнивно-корневых остатков препаратом № 1, содержащим целлюлазу, ускорила процесс разложения — при распределении их по поверхности почвы доказанный эффект был заметен лишь к 140-м суткам, увеличив скорость разложения на 8% по сравнению с контролем. Однако при заделке растительных остатков непосредственно в почву разница в уменьшении массы растительных остатков стала ощутимой уже через 86 суток, достигая уровня уменьшения, который наблюдался на 140-е сутки при поверхностном распределении (рис. 1, 2).
В соломке льна содержание целлюлозы, по литературным данным, варьирует в пределах 51,95–59,28%, поэтому расщепление этого компонента значительно влияет на скорость деструкции.
Поскольку содержание крахмалистых соединений в соломе льна относительно низкое (менее 1%), активность альфа-амилазы, содержащейся в препарате № 3, будет ограничена именно этим фактором. Тем не менее даже небольшое увеличение активности деструкции соломы льна на 86-е сутки (в пределах 1,5–2,2%) может свидетельствовать о том, что фермент способен частично гидролизовать имеющиеся крахмалистые соединения, способствуя разложению соломы и пожнивно-корневых остатков.
Спустя 140 суток (4,5 мес.) инкубации соломы и пожнивно-корневых остатков льна, заделанных в почву, зафиксирован активный процесс биохимической минерализации, убыль массы растительных остатков в контроле составила 59,9% от исходной навески. Показано, что максимальные значения убыли соломы и пожнивно-корневых остатков за весь период исследования были получены при применении препарата № 4 на основе комплекса пектинолитических ферментов при заделке растительной массы в почву — 87,6% (+27,7% к контролю), при распределении на поверхности почвы — 53,3% (+17,5% к контролю).
Как было отмечено ранее, содержание пектиновых веществ лубяной части стебля, которые вовлекаются в процесс деструкции на первых этапах инкубации, относительно высокое (3,0–7,3%). В древесной части стебля льна, доступной для трансформации микроорганизмами и ферментами на более позднем этапе разложения, содержание пектиновых веществ незначительное (0,91–2,99%), однако обработка соломки льна препаратом № 4 способствовала активизации процесса расщепления связей между целлюлозой, гемицеллюлозой и пектином и, как следствие, более глубокой деструкции органического вещества за счет повышения доступности питательных веществ для микроорганизмов, осуществляющих дальнейшую деструкцию.
При распределении растительных остатков льна по поверхности почвы на 140-е сутки различия в убыли массы между вариантами с применением препаратов № 1 (целлюлазы), № 2 (ксиланазы) и № 3 (альфа-амилазы) оказались незначимыми. Показатель убыли массы варьируется в узком диапазоне — от 43,1 до 46,7%, что говорит о схожей степени разложения растительных остатков независимо от используемого препарата.
При заделке соломы и пожнивно-корневых остатков льна в почву на глубину 10 см зафиксировано разложение соломы на уровне 75,1–76,6% при применении целлюлозосодержащих (препарат № 1) и амилолитических (препарат № 3) ферментов, что выше контрольного варианта на 15,2–16,7%.
Установлены достоверные отличия в фракционном составе оставшегося растительного материала после деструкции во времени (табл. 1, 2).
Если ранжировать варианты по количеству органической массы, не прошедшей сквозь сито 6 мм, в опыте при распределении на поверхности почвы, то вариантом с максимальной минерализацией и на 86-е, и на 140-е сутки, как было обозначено выше, является вариант № 4 на основе комплекса пектинолитических ферментов — процент крупной фракции варьирует в пределах 47,4–33,6% (масса исходной навески — 1,37 г).
Как видно из таблицы 2, при заделке растительных остатков в почву содержание крупной фракции соломы и пожнивно-корневых остатков льна значительно ниже, чем при распределении на поверхности. Так, при заделке соломы в почву в контрольном варианте масса фракции > 6 мм на 86-е сутки находится на уровне варианта обработки соломы комплексом пектинолитических ферментов — 44,5%.
При применении ферментных препаратов на основе ксиланазы и альфа-амилазы на 86-е сутки процент крупной фракции растительных остатков минимальный из всех изученных вариантов — 31,4%, к 140-м суткам этот показатель равен 9,5%.
В варианте с ксиланазой масса фракции > 6 мм варьирует в пределах 50,4–39,4% при использовании ферментов с целлюлазой и альфа-амилазой, масса крупной фракции пожнивно-корневых остатков к 140-м суткам находится на уровне контрольных значений. На 86-е сутки после начала эксперимента масса крупной фракции в варианте с целлюлазой и ферментами пектинолитического комплекса составляет 37,9–39,4% соответственно. На 140-е сутки инкубации применение препарата № 4 (комплекс пектинолитических ферментов) привело практически к полной деструкции крупных соломистых остатков — на их долю приходится 4,4% (в контроле — 16,8%). Изменение соломы до более мелких структурных единиц свидетельствует о полной и глубокой трансформации органического вещества уже на данном этапе эксперимента.
Анализируя результаты таблиц 1, 2 и сравнивая динамику деструкции соломки льна в разных моделях ее локализации на поле, подчеркнем, что «запахивание» соломы ускоряет процесс деструкции трудноразлагаемых растительных остатков. Данный факт, вероятно, связан с тесным контактом растительных остатков с почвой, которые непосредственно колонизируются микроорганизмами, принимающими участие в разложении поступившей органической массы, а также увеличением численности микробиоты, локализующейся в смежном слое почвы, в котором аккумулируются азот и углерод, выделяющийся при разложении растительных остатков.
Данные таблицы 3 показывают, что в модельном опыте фактор локализации соломы и пожнивно-корневых остатков льна на (в) почве значим во времени. Так, на 86-е сутки разница в убыли массы между растительными остатками льна, распределенными на поверхности почвы и заделанными в почву, несущественна при применении препарата № 4 на основе комплекса пектинолитических ферментов (0,1%), при этом к 140-м суткам разница в деструкции расширяется до максимальных значений — 34,3%.
Подобная тенденция зависимости убыли массы соломы и пожнивно-корневых остатков льна от места ее распределения прослеживается во всех вариантах: целлюлаза (31,3%), альфа-амилаза (29,9%), ксиланаза (18,2%).
Этот факт необходимо учитывать в полевых условиях, так как растительные остатки, не заделанные в почву, быстрее пересыхают и подвергаются ультрафиолетовому излучению, пагубно воздействующему на большинство микроорганизмов — конечных потребителей мертвой органики. Разница в убыли массы трудноразлагаемых остатков льна может быть еще существеннее.
Выводы
В ходе проведенных модельных испытаний была отмечена значительная эффективность при использовании ксиланазы в дозировке 10 г/т растительной массы на ранних стадиях деструкции соломы и пожнивно-корневых остатков. Это позволяет сократить время, необходимое для полного разложения послеуборочных остатков, что особенно важно в условиях ограниченного времени между сельскохозяйственными сезонами.
Продемонстрирована высокая эффективность ферментного комплекса, обладающего пектинлиазной, экзоксиланазной и пектинолитической активностями, при норме внесения 40 г/т, показана его ключевая роль в процессах деструкции трудноразлагаемых растительных остатков.
Однако стоит отметить, что исследования проводили при значениях влажности, температуры и рН почвы, соответствующих оптимальным условиям активности ферментов. В реальных условиях почв Сибири результаты могут отличаться от лабораторных данных. Поэтому исходная информация, полученная в ходе эксперимента, может служить отправной точкой для дальнейших обсуждений и проверок в конкретных почвенно-климатических условиях.
Об авторах
Анна Анатольевна Кармач 1, кандидат биологических наук, микробиолог fitolab@agrodoctor.ru https://orcid.org/0009-0008-1688-1961
Сергей Сергеевич Костенко 2, руководитель испытательной лаборатории агрохимии и фитопатологии kss@sibbio.ru
1 АО «Агродоктор», Территория 2-я промышленная зона, здание 12, с. п. Криводановский сельсовет, мкр-н Новосибирский, Новосибирская обл., 630512, Россия
2 ООО ПО «Сиббиофарм», ул. Химзаводская, 11/1, Бердск, Новосибирская обл., 633004, Россия
УДК 631.461:633.521
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-397-08-84-90
