автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Обоснование и разработка технологических приемов гидролитической деструкции торфа с получением регуляторов роста

?73 О Г. 1 1 Ш

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ Институт проблем использования природных ресурсов и экологии

УДК 665.7.032.53-» 631.811

ОВЧИННИКОВА Татьяна Феликсовна

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ГИДРОЛИТИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ ТОРФА С ПОЛУЧЕНИЕМ РЕГУЛЯТОРОВ РОСТА

05.17.07 — химическая технология топлива

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск-1996

Работа выполнена в лаборатории химии и химической технологии твердого топлива Института проблем использования природных ресурсов и экологии Академии наук Беларуси.

Научный руководитель — доктор технических наук,

старший научный сотрудник Наумова Г.В.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

старший научный сотрудник Козлов Н.Г.

кандидат технических наук, Кашинская Т.Я..

Оппонирующая организация — Белорусский государственный

L технологический университет

Защита состоится " 1 " ноября 1996 г. в 10 часов на заседании совета К 01.23.01 по защите диссертаций в Институте проблем использования природных ресурсов и экологии АНБ (220114, г. Минск, Староборисовский тракт, 10, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем использования природных ресурсов и экологии АНБ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь совета по защите диссертаций '

кандидат технических наук Т.П.Смычник

©

Институт проблем использования природных ресурсов и экологии АНБ, 1996

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Торфяные месторождения Беларуси интенсивно разрабатываются. Торф находит широкое применение в сельском хозяйстве, энергетике я в качестве бытового топлива. Вместе с тем его использование нельзя считать достаточно рациональным.

Как известно, органическое вещество торфа представлено широким спектром разнообразных соединений. Многие из них могут быть выделены в результате его химической переработки. Наиболее представительная и ценная составляющая торфа - гуминовые вещества (ГВ). Они обладают ростстимулирующими свойствами и могут применяться в качестве регуляторов роста растений. Такие препараты экологически безопасны, их производство хорошо обеспечено сырьем и не требует больших затрат.

Важно подчеркнуть, что современное растениеводство остро нуждается в биологически активных препаратах (БАП), позволяющих существенно повысить продуктивность земледелия и улучшить качество продукции. Однако в Беларуси регуляторы роста растений в промышленном масштабе не производятся, и республика вынуждена тратить значительные валютные средства на их приобретение за рубежом. К тому же большинство применяемых БАП — продукты глубокого химического синтеза, представляющие серьезную опасность для окружающей среды и здоровья человека.

В связи с этим тема настоящей диссертационной работы, направленной на изыскание новых способоз активизации гуминовых веществ торфа, разработку технологии получения эффективного регулятора роста растений и его внедрение в практику сельского хозяйства, представляется своевременной и актуальной.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований в области естественных наук Академии наук Беларуси (1985-1986 гг., № гос. per. 01850028707; 1986-1389 гг. № гос. per. 01860020719; 19861990 гг., № roc. per. 01860016555; 1991-1995 гг., № гос. per. 01910056102); заданиями Государственного Комитета СССР по науке и технике (1986-1990 гг., проблема 0.71.03, № гос. per. 01860104168; 1988-1990 гг., № гос. per. 01880082062); республиканскими научно-техническими программами (1986-1990 гг., проблема 51.01р, 19861990 гг., проблема 51.03р, N2 гос. per. 01860041760; 1991-1995 гг., проблема 75.02р).

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы — научное обоснование и разработка технологических приемов получения биологически активного препарата на основе торфа методом его гидролитической деструкции.

Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач:

— выявить влияние природы гидролизуюицих агентов и технологических параметров последовательного кислотнс-щелочного гидролиза торфа на химический состав и биологическую активность гид-ролизатов;

— определить оптимальные условия получения гуминовогс регулятора роста Тидрсгумат":

— оценить торф различной природы как сырье для получения биологически активных препаратов;

— изучить влияние гидролитической деструкции торфа на физико-химические свойства и биологическую активность гумкковых кислот (ГК);

— выявить особенности биологического действия нового гу-минового препарата (ГП);

— разработать способ и технологию получения гуминового регулятора роста "Гидрогумат";

— получить опытные партии препарата и уточнить технологические параметры его производства на опытно-промышленной установке;

— разработать нормативно-техническую документацию на торфяное сырье, гуминовый препарат и технологию его производства;

— провести полевые и производственные испытания нового регулятора роста в различных отраслях растениеводства.

Научная новизна. Впервые для получения биологически активных гуминовых препаратов на основе торфа предложен метод его последовательного кислотнс-щелочного гидролиза.

Установлено, что одновременно с гидролитической деструкцией углеводно-гуминового комплекса торфа протекают реакции вторичного синтеза с образованием биологически активных гуминопо-добных веществ (ГПВ) типа меланоидинов.

Указанный метод позволяет активизировать гуминовые кислоты и обогатить препараты другими биологически активными компонентами — аминокислотами, низкомолекулярными карбоновыми кислотами и меланоидинами. Выявлено, что в результате последовательного кислотно-щелочного гидролиза торфа происходит частичная

деструкция периферических алифатических фрагментов ГК с образованием по месту разрыва связей дополнительных кислородсодержащих функциональных групп. В ядерной части молекул существенных изменений не установлено. Такие изменения в структуре молекул ГК сопровождаются усилением их ростстимулирующих свойств.

Впервые показано, что гуминовые кислоты оказывают мем-бранотропное действие, изменяя структурно-динамическое состояние цитоплазматических мембран, чго влечет за собой изменение функциональной активности клетки.

Выявлено положительное влияние гидрсгумата на метаболизм, энергообмен и пролифератизную активность дрожжевых и растительных организмов, что в конечном итоге повышает их продуктивность и улучшает качество биомассы.

Практическая значимость полученных результатов. Разработаны способ и технология производства высокоэффективного гуми-нового регулятора роста растений на основе торфа. Научно обоснованы оптимальные условия процесса, при которых выход препарата достигает 80 % от органической массы (ОМ) торфа, тогда как в известных технологических решениях он не превышает 25-30 %. На основании результатов опытно-промышленной проверки технологических режимоз получения гидрогумата оформлен временный технологический регламент на его производство. Разработаны и утверждены республиканские технические условия на препарат "Регулятор роста растений "Гидрогумат" из торф?." (ТУ 88 БССР 202-91) и торф как сырье для производства регуляторов роста (ТУ 88 БССР 123 87).

Токсихолого-гигиеническая оценка нового регулятора роста выявила его безвредность для окружающей среды л здоровья человека. Высокая эффективность гидрогумата подтверждена полевыми и широкими производственными испытаниями а хозяйствах республики при возделывании зерновых, овощных культур и картофеля.

На основании результатов комплексных исследований получено разрешение Гссхимкомиссии Главного управления Министерства сельского хозяйства и продовольствия Беларуси на применение гидрогумата в растениеводстве. Разработаны Указания по применению препарата на зерновых и зернобобовых культурах, картофеле, в овощеводстве закрытого и открытого гручта.

Выданы исходные данные, на основе которых Государственным проектным институтом по комплексному использованию торфа в народном хозяйстве (Гипроторф) МТП России разработан проект на

строительство опытно-промышленных цехов по производству гуми-новых препаратов мощностью 500 и 2000 т/ год.

Организовано производство гидрогумата на Борисовском бумажно-лесохимическом заводе, на опытно-экспериментальном предприятии "Биохим" в Минской области и на промышленной установке колхоза "40 лег Октября" Брестской области.

Экономическая значимость полученных результатов. Предложена ресурсосберегающая технология переработки торфа, которая позволяет из 1 т исходного сырья влажностью 50 % получить 3,3 т высокоэффективного регулятора роста растений с концентрацией действующих веществ 10 %. Выход ГП по известным технологиям в 2,5-3,0 раза ниже. Важно отметить, что остаток от гидролиза торфа также может быть использован в качестве компонента органо-минеральных удобрений.

Стоимость одного килограмма гидрогумата составляет 5000 руб. (в ценах января 1996 года), тогда как импортируемых БАП — от 10 до 50 долларов США. Это говорит о возможности существенной экономии валюты за счет применения б растениеводстве республики отечественных регуляторов роста, а также их поставки на экспорт.

Использование гидрогумата в дозах 2-3 кг/га дает возможность без изменения технологии возделывания сельскохозяйственных культур повысить их урожайность на 10-30 % и улучшить качество конечной продукции. Применение гидрогумата позволяет также снизить дозы внесения пестицидов и минеральных удобрений, что существенно уменьшает затраты в растениеводстве. Так, чистый доход от применения гидрогумата в смеси с половинной дозой фунгицида на культуре картофеля в колхозе "Новый быт" Минского района составил 99876 руб./га в ценах декабря 1994 года. Использование его в качестве компонента минеральных удобрений (карбамида, сульфата аммония) в 1993-1994 гг. на площади 2212 га в хозяйствах Минской области позволило получить экономический эффект 293172 тыс.руб.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

— научное обоснование последовательного кислотно-щелочного гидролиза торфа как метода получения биологически активных препаратов;

— способ и технология производства регулятора роста растений из торфа "Гидрогумат";

— оценка химического состава гидрогумата и физико-химическая характеристика его гуминового комплекса;

— требования к торфу как сырью для получения регуляторов

роста;

— оценка биологического действия продуктов гидролитической деструкции торфа на "леточном и организменном уровнях;

— результаты полевых я производственных испытаний гидро-гумата в растениеводстве.

Личный зклад соискателя. Соискателем проведены исследования но влиянию технологических параметров, природы гидроли-зующих агентов и вида торфа на химический состав и биологическую активность продуктов его ступенчатого числотно-щелочного гидролиза. Определены оптимальные условия процесса и способ получения регулятора роста растений "Гидрогумат". Организован выг.усж опытно-промышленных партий препарата и уточнены технологические параметры его производства.

Изучены физико-химические свойства и биологическая активность ГК и гуминоподобных веществ гидрогумата. Исследовано влияние нового ГП на интенсивность дыхания организмов, биохимический состав (белок, фосфорные соединения, пигменты, витамины) биомассы дрожжей и растений, а также на качество конечной продукции (содержание сухого вещества, крахмала, нитратов).

Разработка технологии получения гидрогумата, нормативно-технической документации и внедрение препарата в производство осуществлено соискателем совместно с сотрудниками лаборатории биотехнологии (ныне химии и химической технологии твердого топлива); биофизические исследования по действию гидрогумата на электрофизиологическиэ характеристики мембран, их проницаемость и межклеточную диффузионную связь — совместно с сотрудниками Института экспериментальной ботаники АН5 и лаборатории биофизики Института фотобиологии АНБ; полевые и производственные испытания — совместно с научно-исследовательскими институтами Академии аграрных наук Республики Беларусь и Минской областной проекгно-изыокательской станцией химизации сельского хозяйства.

Апробация результатов диссертации. Результаты научных исследований по теме диссертации доложены: на ХУ Менделеевском съезде по общей и прикладной химии "Химические проблемы экологии" (Минск, 1993 г.); на Международных симпозиумах: "Методы магнитного резонанса в биохимии, молекулярной биологии и медицине" (Москва, 1989 г.), "Физические проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения" (Ижевск, 1992 г.), "Симпозиуме стран Ла-

тинской Америки по переработке сахарного тростника и отходов сахарного производства" (Сантьяго, 1993 г.), "Органическое вещество торфа", (Минск, 1995 г.); на Международных научных и научно-технических конференциях: "Достижения науки и техники в области ресурсосбережения и экологии" (Гомель, 1989 г.), по физико-химии торфа (Калинин, 1989 г., Тверь, 1993 г.), "Регуляторы роста и развития растений" (Москва, 1995 г.), а также других конференциях, совещаниях и научных семинарах.

Опубликованность результатов. Результаты научных исследований по теме диссертации защищены 3 авторскими свидетельствами, а также опубликованы в 27 научных трудах, 14 из которых приведены в автореферате..

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, списка использованных литературных источников и приложений.

Полный объем диссертации 189 страниц, в том числе 13 иллюстраций на 13 стр., 47 таблиц на 43 стр. и 16 приложений на 27 стр. Список использованных источников на 21 стр. включает 234 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены современные представления о торфе как источнике биологически активных соединений. Особое внимание уделено гуминовым веществам — специфической и наиболее существенной в количественном отношении группе БАВ торфа. Отражены научные концепции строения молекул ГВ, изложенные в работах Л.Н.Александровой, Н.Н.Бамбалова, С.С.Драгунова, Л.Н.Екатерининой, М.М.Кононовой, И.Д.Комиссарова, Л.Ф.Логинова, Т.А.Кухаренко, И.И.Лиштвана, ДС.Орлова и др. авторов. Особенности молекулярного строения ГВ определяют многообразие свойств этих соединений, в том числе высокую биологическую активность.Возможность управления ростом и продуктивностью расгений с помощью гуминовых препаратов однозначно доказана исследованиями А.И.Горовой, С.Гуминского, В.П.Круглова, Л.Р.Пивоварова, А.В.Тишковича, И.И.Ярчука и др. При этом вопросы, касающиеся тонких механизмов воздействия этих соединений на клетку, остаются наиболее спорными.

Анализ известных технологических приемов получения ГП позволил сделать вывод о решающем влиянии способа обработки гу-

муссодержащего сырья не только на их выход, но также на состав и уровень биологической активности. Показана перспективность метода гидролитической деструкции торфа для получения биологически активных гуминовых препаратов.

Вторая глава содержит сведения об объектах и методах исследования. В экспериментах использован как верховой, так и низинный торф различной степени разложения (R), характерный для месторождений Беларуси. Из низинных: осоковый с R от 15 до 35 %, тростниковый, R = 35 %, березовый, R = 40 %; из верховых — сфаг-нозый с R от 5 до 30 %.

В качестве метода деструкции органического вещества торфа применяли последовательный кислотно-щелочной гидролиз. Исследование и оптимизацию^ процесса с целью получении биологически активного ГП осуществляли с привлечением методов математического планирования эксперимента. Гидролиз проводили в герметически закрывающихся ампулах из нержавеющей стали, которые выдерживали в термостате при заданных условиях.

Для оценки химического состава торфяных гидролизатов, физико-химической характеристики исходных и модифицированных ГК привлечены современные аналитические и физико-химические методы исследования, в том числе ионообменная и бумажная хроматография, элементный анализ, ИК- и ЭПР- спектроскопия и др.

Особенности биологического действия гуминовых препаратов изучали на растительных объектах и чистых культурах дрожжей Candida scottii и Candida utilis с использованием биохимических и биофизических методов.

Третья глава посвящена разработке способа получения регулятора роста растений методом последовательного кислотно-щелочного гидролиза торфа.

Предварительный кислотный гидролиз торфа (первая стадия процесса) позволяет более чем на 30 % увеличить выход ГП и обогатить их биологически активными компонентами: аминокислотами, низкомолекулярными карбоновыми кислотами и ГПВ (табл. 1). Щелочная обработка (вторая стадия) дает возможность пополнить гид-ролизаты модифицированными ГК, а также ГПВ — продуктами вторичного синтеза, которые, по-видимому, образуются при взаимодействии моносахаридов и карбоновых кислот с азотистыми соединениями.

В качестве кислых ждролизующих агентов испытаны серная, соляная и ортофосфорная кислоты, щелочных — гидроксиды калия,

натрия и аммония. Опытные образцы ГП получали из осокового торфа, R = 20-25 % при температуре 96-100 сС.

Таблица 1

Химический состав продуктов кислотного, щелочного и кислотно-щелочного гидролиза торфа

Компоненты Г идролизующие агенты

гидролиззтов H2S04 NaOH H2S04 - NaOH

Содержание компонентов, % на ОМ

гидро-.пизата торфа гидро-лизата торфа гидро-лизата торфа

ОМ 100,0 18,8 100,0 27,0 100,0 60,0

РВ 36,0 6,8 — — 4,0 2,2

Карбоновые кислоты 14,0 2,6 20,0 12,0

Амино-

кислоты 3,9 0,8 — — 2,5 1.5

ГПВ 22,0 4,1 72,0 19,5 56,8 34,0

Применение фосфорной кислоты наименее эффективно, так как эти ГП отличаются малым выходом — 48 % от органической массы торфа против 60-75 % в случае серной и соляной кислот. Они характеризуются также низким содержанием ГК — 0,4 % (38 % от их ОМ) и отсутствием аминокислот. При применении соляной и серной кислот ГК в препаратах составляют 0,9-1,2 % (57-64 % ОМ), а аминокислоты — 0,05 % (2,5 % ОМ). Различия в химическом составе определяют более высокую биологическую активность солянокислых и сернокислых гидролизатоа, которые в дозах 0,005 % увеличивают выход биомассы дрожжей на 23-26 %, тогда как фосфорнокислые — только на 14 %.

Состав и свойства ГП зависят также от природы щелочного агента. В присутствии гидроксидов калия и натрия происходит более глубокая деструкция органического вещества торфа, чем в среде аммиака, благодаря чему выход продукта на 17-19 % выше. Препараты на основе КОН и NaOH содержат больше ГК (в 1,5-2 раза), аминокислот (в 3-4 раза) и карбоновых. кислот (в 1,5 раза). Их ростстимули-рующая активность на 15-18% аыше (рисунок).

Определена степень влияния отдельных параметров процесса (температура, продолжительность, расход реагентов) на его эффективность.

HCl - NaOH

H2S04 - NaOH

НЗР04 NaOH

H2S04 - КОН

H2S04 - NH40H

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008.

Концентрация ГП, %

0,010

Рис. Влияние природы минеральной кислоты и щелочи на биологическую активность гуминового препарата

Повышение температуры кислотного гидролиза с 80 до 140 °С сопровождается увеличением выхода щелочнорастворимых продуктов с 49,5 до 74,3 % от ОМ торфа . В диапазоне 80-130 °С происходит также усиление ростстимулирующих свойств препаратов. С увеличением температуры щелочного гидролиза с 80 до 140 °С выход ГП возрастает с 59,2 до 71,8 %, причем уже при 120 °С он составляет 70,6 %. Наибольшую биологическую активность проявляют продукты, полученные при 120-130 °С. Удовлетворительный выход препарата (70,8 % от ОМ торфа) достигнут при трехчасовом кислотном гидролизе. Увеличение продолжительности процесса на этой стадии малоэффективно, так как позволяет повысить выход гидрогумата только на 3-4 %. Оптимальная продолжительность щелочной обработки — 1 час, за это время в раствор перешло 70 % ОМ торфа. Установлено, что благодаря предварительному кислотному гидролизу выход щелочнорастворимых продуктов возрастает более чем на 30 %. Для получения препаратов с выходом 65-70 % можно ограничиться расходом Н2304 10-15 % на ОМ торфа. При расходе кислоты 30 % и более выход продукта и его активность падают. Увеличение расхода №ОН с 20 до 50 % на ОМ торфа сопровождается возрастанием выхода ГП с 41 до 71 %, дальнейшее повышение концентрации щелочи ощутимого эффекта не дает.

В результате полного факторного анализа получено уравнение регрессии, адекватно описывающее данный процесс, на основа-

нии которого методом крутого восхождения по поверхности отклика определены оптимальные условия процесса: расход Нг304 — 10 % от ОМ торсЬа, расход ЫаОН — 50 % от ОМ торфа, температура процесса 120 С, продолжительность кислотного гидролиза — 3,5 часа, щелочного — 1 час. В установленном технологическом режиме удовлетворительный выход ГП (70,8 %) сочетается с высокой биологической активностью.

Анализ химического состава и биологической активности препаратов, полученных из различных категорий торфяного сырья, показал целесообразность использования в этих целях торфа низинного и верхового типов (травяная, древесно-травяная, моховая группы) со степенью разложения не менее 20 %. Разработаны ТУ 88 БССР 123-87 "Торф для производства регуляторов роста".

Глава 4 посвящена результатам исследований гуминового комплекса гидрогумата. На долю ГК и ГПВ приходится до 70 % ОМ препарата. Проведен сравнительный анализ ГК осокового, Я=20-25 %, магелланикум, Р = 25 % торфа и ГК, модифицированных гидролизом. Дана физико-химическая характеристика ГПВ гидролиза-тов. По элементному составу модифицированные ГК близки к ГК торфа. Понижение атомного отношения Н:С указывает на возрастание степени конденсированности их ядерной части. Более высокое содержание углерода и кислорода при уменьшении количества водорода говорит о том, что гидролиз затрагивает главным образом периферическую алифатическую часть макромолекулы ГК. Химический анализ показал, что происходит частичное разрушение полипептидных и углеводных фрагментов периферической части ГК (табл. 2).

Таблица 2

Химическая характеристика ГК и ГПВ

Образец Активные кислые группы, мг-экв/г РВ Аминокислоты

-СООН | -ОНфен сумма % на ОМ образца

ГК торфа ГК модиф ГПВ

2,6 3,0 1.2

Торф осоковый, И = 20-25 %

3,0 3,5 4,0

5,6 6,5 5,2

4,9 3,2 22,7

Торф магелланикум, И = 25 %

10,0 5,9 14,2

ГК торфа 2,8 3,2 6,0 5,9 7,0

ГК модиф 3,2 3,9 7,1 4,4 4,7

ГПВ 1,8 4,3 6,1 23,8 13,7

По месту разрыва связей образуются дополнительные кислородсодержащие функциональные группы.

Оптическая плотность ГК, выделенных из кислотно-щелочных гидролизатов, на 20-28 % выше, чем у исходных ГК, что говорит об относительном увеличении содержания полисопряженных связей в их молекулах и о повышении степени их ароматизации.

Данные ИК- и ЭПР-спектроскопии также указывают на относительное увеличение доли ароматических структур в молекулах модифицированных ГК за счет деструкции алифатических структурных группировок. Об этом, в частности, свидетельствует снижение относительной интенсивности поглощения углеводных (Окцо) и амидных (01660, О1560) структурных элементов ГК гидролизатов, а также более высокая интенсивность сигналов ЭПР у модифицированных ГК — 0,7 против 0,6 для осокового и 3,4 против 2,4 для магелланикум-торфа (табл. 3).

Изменения в молекулярной структуре ГК, возникающие в процессе кислотно-щелочного гидролиза торфа, сопровождаются повышением уровня их биологической активности.

Таблица 3

ИК-спектроскопические параметры содержания элементов структуры исходных и модифицированных ГК

Образцы Вг/20 О1660 01560 ВЮ50 Вз400

О-]690 01620 О1520 О1270 02920

ГК осокового торфа 0,80 1,05 1,00 0,70 1,35

ГК модифицированные 0,85 0,95 0,90 0,55 0,95

ГК магелланикум торфа 0,95 0,90 1,00 0,90 1,00

ГК модифицированные 1,10 0,85 0,90 0,80 1,00

Гуминоподобные вещества по элементному составу (С — 32,2; Н — 3,9; N — 3,5; О — 60,4 %) и физико-химическим характеристикам ближе к меланоидинам. Они высокомолекулярны, полидисперсны и представлены амидоуглеводным комплексом, в котором отсутствуют развитые системы полисопряжения. Их образование, вероятнее всего, идет по типу сахароаминной реакции, которая рассматривается рядом авторов как один из путей образования ГК в природе. Эти соединения проявляют выраженное ростстимулирующее действие.

Гидрогумат оказывает положительное влияние не только на репродуктивные функции организмов. Под его действием акгивизи-

руются основные обменные процессы в растениях и дрожжевых микроорганизмах. На 17-28 % увеличивается уровень общего фосфора, прежде всего за счет более интенсивного поступления минерального фосфора, что особенно характерно для растений. Заметно возрастает содержание органического фосфора, в том числе кислотораство-римого: в дрожжах — на 26 %, в растениях — на 14 %; нуклеинового — на 20 и 50 %; липидного - на 12 и 50 % соответственно. Активизируется синтез белка, о чем свидетельствует повышение уровня истинного белка в биомассе опытных вариантов на 12-16 %. Значительно увеличивается содержание фотосинтетических пигментов в единице листовой поверхности растений: хлорофилла — на 11-19 %, ка-ротиноидов — на 36-39 %, протохлорофиллида — на 162 %. В присутствии ГП значительно (на 50-70 %) повышается интенсивность дыхания растений и микроорганизмов.

Радиоизотопным методом показано, что перенос ГК через наружную мембрану клеток практически отсутствует. Гидрогумат оказывает выраженное мембранотропное действие, вызывая деполяризацию клеточной мембраны и изменение ее электрического сопротивления. Под влиянием ГП на 50-60 % увеличивается проницаемость мембран для средних органических молекул (нуклеотиды), а также происходит изменение степени межклеточного переноса малых неорганических ионов (К\ и низкомолекулярных органических веществ (флуоресцеин).

Важно отметить, что максимальные изменения функциональной активности клеток и структурно динамического состояния их ци-топлазматических мембран фиксируются при одинаковой концентрации гидрогумата, а именно — 5.10" %, что указывает на их тесную связь. Таким образом, полученные результаты позволяют предположить, что ГП не проникает в клетку, а оказывает прямое мембранотропное действие, вызывая структурную перестройку мембран, которая влечет за собой изменения в цепи метаболических реакций.

В пятой главе изложены технологические основы производства гуминового регулятора роста растений и результаты его производственных испытаний в растениеводстве.

Отработка технологических режимов и получение опытных партий гидрогумата на опытно-промышленной установке подтвердили эффективность предложенного технологического процесса. Деструкция органического вещества торфа в этих условиях идет более глубоко, чем в лабораторных экспериментах. Это позволило без су-

ществениых потерь в выходе ГП сократить продолжительность кислотного гидролиза до 3-х часов, снизить расход №ОН с 50 до 40 % на ОМ торфа и уменьшить гидромодуль с 1:15 до 1:10. В установленном режиме выход препарата составил 80,6-81,6 % от ОМ торфа, а концентрация — 10,0-10,5 %. В промышленном образце на долю ГК приходится 70 % ОМ, карбоновых кислот — 21 %, аминокислот — 4 %. Полученные результаты легли в основу временного технологического регламента на производство гидрогумата и ТУ 88 БССР 202-91 "Регулятор роста растений "Гидрогумат". '

Полевые и производственные испытания нового регулятора роста растений проводили в течение ряда лет совместно с институтами Академии аграрных наук Республики Беларусь и Минской областной проектно-изыскательской станцией химизации сельского хозяйства на основных культурах, возделываемых в республике. Гидрогу-мат применяли для обработки посевного материала (0,2-1,0 кгЛ), потлива и опрыскивания вегетирующих растений (0,5-3,0 кг/га). Использование ГП позволяет повысить урожайность зерновых на 10-20 %, овощных культур — на 10-15 %, картофеля — на 20-26 %. Препарат оказывает положительное влияние на качество конечной продукции: повышается содержание сухих веществ, крахмала, витаминов, в зерне — клейковины, снижается уровень нитратов в картофеле, овощах и зеленой массе.

Установлено, что применение гидрогумата в смеси с фунгицидами дает возможность уменьшить в 2 раза норму расхода последних без снижения эффективности, а в составе минеральных удобрений — уменьшить их гектарные дозы на 15-25 %.

На основании положительных результатов производственных испытаний и токсиколого-гигиенической оценки препарат включен Госхимкомиссиями Беларуси и России в списки регуляторов роста растений и средств защиты растений, разрешенных к применению. Его производство организовано на Борисовском бумажно-лесохимическом заводе, на опытно-экспериментальном предприятии 'Биохим" (Минская обл.) и на промышленной установке колхоза "40 лет Октября" (Брестская обл.). Гидрогумат внедрен в сельскохозяйственное производство республики и используется на Гродненском ПО "Азот" в качестве биологически активной добавки к минеральным удобрениям.

ВЫВОДЫ

1. Научно обоснована принципиальная возможность применения метода последовательного кислотно-щелочного гидролиза торфа для получения препаратов с ростстимулкрующими свойствами.

2. Зыявлено влияние химической природы минеральной кислоты (соляная, серная, ортофосфорная) и гидроксидов натрия, кадия и аммония на выход, состав и свойства гидролизатов. Показана целесообразность использования в технологическом процессе в качестве кислого гидролизующего агента серной кислоты, щелочного — тдроксида натрия.

3. Установлена взаимосвязь между технологическими параметрами, химическим составом и биологической активностью продуктов гидролитической деструкции торфа. С использованием методов математического планирования эксперимента определены оптимальные условия процесса получения из торфа регулятора роста растений Тидрогумат" с выходом 71 % от органической массы. Способ получения гидрогумата защищен авторским свидетельством СССР.

4. Физико-химическими методами показано, что в ходе ступе! ¡чатого кислотно-щелочного гидролиза торфа происходит деструкция боковых алифатических фрагментов макромолекул гуминовых кислот с образованием дополнительных кислородсодержащих функциональных групп, тогда как их ядерная часть существенно не затрагивается. Указанные изменения в структуре молекул ГК сопровождаются повышением их биологической активности.

5. Биохимическими и биофизическими исследованиями впервые выявлено положительное воздействие гидрогумата на транспортные, энергетические и обменные процессы в растительных и дрожжевых клетках, что проявляется в интенсификации их белкового и фосфорного обмена, а также фотосинтетической активности. Установлено, что под влиянием гуминовых кислот препарата происходят изменения электрофизиологических характеристик клеточных мембран и их проницаемости для малых и средних органических молекул.

6. Показано, что для получения регуляторов роста может быть использована широкая видовая гамма торфа со степенью разложения не менее 20 %. Разработаны республиканские технические условия на торф как сырье для производства регуляторов роста (ТУ 88 БССР 123-87), на основании которых проведена оценка участкоз добычи и заготовки торфа на торфяных месторождениях Беларуси, Украины и России.

7. Разработаны технические условия на регулятор роста растений "Гидрогумат" (ТУ 83 БССР 202-91) и временный технологический регламент на его производство, которые вошли в состав исходных данных при разработке рабочего проекта на строительство опытно-промышленных цехов по производству гуминовых препаратов мощностью 500 и 2000 т/год Государственным институтом но комплексному использованию торфа в народном хозяйстве МТП России. Организован выпуск гидрогумата на опытно-зкспериментальном предприятии "Биохим" в пос. Свислочь Пуховичского района Минской области, в колхозе "40 лет Октября" Каменецкого района Брестской области и на Борисовском бумажно-лесехимическом заводе.

8. Комплексные исследования гидрогумата, проведенные совместно со специализированными предприятиями биологического, медицинского и сельскохозяйственного профиля, выявили высокую, эффективность препарата как регулятора роста растений, а также его безвредность для окружающей среды и здоровья чеповека. На основании результатов проверки получено разрешение Гссхимкомиссии Главного управления государственных инспекций СССР и Госхимко-миссии Министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь на применение гидрогумата в растениеводстве. Препарат внедрен в сельскохозяйственное производство республики, а также используется на Гродненском ПО "Азог" р. качестве биологически активной добавки к минеральным удобрениям.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Наумова Г.В., Райцина Г.И., Овчинникова Т.Ф. Влияние природы минеральной кислоты на химический состав гидролизатов торфа // Гидрслизн. и лесохим. пром-сть. - 1992. - N 2. - С. 13-16.

2. Овчинникова Т.Ф. Влияние природы минеральной кислоты на биологическую активность гидролизатов торфа // Торф, пром-сть. -1990. - N 11. - С. 41-44.

3. О мембранной активности гидрогумата — гумкнового препарата из торфа / Т.Ф.Овчинникова, А.П.Кудряшов, В.М.Мажуль, Г.В.Наумова, Г.И.Райцина//Биол. науки. -1991. - N 10.-С. 103-109.

4. Овчинникова Т.Ф. Влияние гуминового препарата из торфа "Гидрогумат" но пролиферативную активность и метаболизм дрожжевых микроорганизмов // Биол. науки. -1991. - N 10. - С. 87-90.

5. Гуминсвые препараты и технологические приемы их получения / Г.В.Наумова, Р.В.Кособокова, Л.В.Косоногова, Г.И.Райцина, Н.А.Жмакова, Т.Ф.Овчинникова // Сб. Гуминовые вещества и биосфере. - М.: Наука, 1993. - С. 178-189.

6. Биологически активные препараты стимулирующего и фун-гицидного действия на основе торфа / Г.В.Наумова, Л.В.Косоногова, НАЖмакова, Т.Ф.Овчинникова // Химия твердого топлива. - 1995.-N2. - С. 82-87.

7. Юнусова Л.З., Наумова Г.В., Овчинникова Т.Ф. Эффективность использования торфов переходного типа в качестве сырья при производстве гуминовых препаратов // Becqi АНБ. Сер. xiM. навук. -1995.-N 4.-С. 101-103.

8. Влияние полисахаридов и гуминовых веществ торфа на некоторые показатели иммунологической реактивности организма / Г.В.Абрамчик, С.С.Ермакова, М.К.'Гумилович, Г.В.Наумова, Н.А.Жмакова, Т.Ф.Овчинникова, И.В.Кляуззе // Весц|' АНБ. Сер. б|'ял. навук. - 1995. - N 1. - С. 28-30.

9. Новые экологобезопасные регуляторы роста с фунгицид-ными свойствами на основе гумуссодержащето сырья У Г.В.Наумова, Л.В.Косоногова, Т.Ф.Овчинникова. НАЖмакова, Т.С.Рахгеенко, Г.И.Лучина // ХУ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Химические проблемы экологии.Тез. докл. - Минск, 1993. - С. 377-379.

10. Новые гуминовые препараты и различные аспекты их физиологического действия / Г.В.Наумова, НАЖмакова, Т.Ф.Овчинникова, Е.Ф.Коноплн, Г.В.Абрамчик, С.С.Ермакова II Органическое вещество торфа. Тез докл.межд.симп. - Минск, 1995. - С.52.

11. Молекулярная структура и люминесцентные свойства гуминовых веществ / В.М.Мажуль, Л.С.Ивашкевич, Д.Г.Щербин, НАПавловская, Г.В.Наумова, Т.Ф.Овчинникова // Органическое вещество торфа. Тез. докл. межд. симп. - Минск, 1995. - С. 21-22.

12. A.c. 1135185 СССР, МКИ3 С 12 N 1/16. Способ получения стимулятора роста дрожжей / Г.В.Наумова, Р.В.Кособокова, Г.Д.Торопов, В.А.Борисевич, Н.Л.Кореневич, Г.И.Райцина, И.Л.Купешова, ВАЛобасенок, Т.Ф.Овчинникова (СССР).

13. A.c. 1156283 СССР, МКИ3 А 01 N 61/00. Способ получения стимупктора роста растений / Г.Б.Наумова, Г.И.Райцина, В.И.Талапин, Д.В.Федюнькин, Л Л.Кошелева, В.В.Лях, Т.Ф.Овчинникова, М.Н.Лойко (СССР).

14. A.c. 1824147 СССР, МКИ3 А 01 N 61/00. Средство защиты картофеля от фитофтороза / В.Г.Иванюк, Г.В.Наумова, Н.Н.Тимофеев, Л.В.Косоногова, Л.Е.Загурская, Р.В.Кособокова, Г.И.Райцина, Г.М.Середа, НАЖмакова, Т.Ф.Овчинникова, Т.С.Рахгеенко, И.В.Кляуззе (СССР).

РЕЗЮМЕ Овчинникова Татьяна Феликсовна

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРИЕМОВ ГИДРОЛИТИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ ТОРФА С ПОЛУЧЕНИЕМ РЕГУЛЯТОРОВ РОСТА

Ключевые слова: торф, гуминовый препарат, биологическая активность, регулятор роста, гидролиз, технологический режим, деструкция, реактор, обмен веществ, биомасса, качество продукции.

Объекты исследований: торф, продукты его гидролитической деструкции, гуминовый препарат Тидрогумат", гуминовые кислоты.

Цель работы: научное обоснование и разработка технологических приемов получения биологически активного препарата на основе торфа методом его гидролитической деструкции.

Методы исследований: химические, физико-химические, биологические, математического планирования эксперимента.

Аппаратура: спектрофотометр, радиоспектрометр, поляро-граф, фотозлектрокалбриметр, реактор-автоклав, центрифуга.

Впервые для получения биологически активных препаратов на основе торфа предложен метод его последовательного кислотно-щелочного гидролиза. Определен характер влияния природы гидро-лизующих агентов, технологических параметров и вида торфа на выход, состав и биологическую активность препарата. Установлено, что одновременно с процессом гидролитической деструкции протекают реакции вторичного синтеза с образованием биологически активных гуминоподобных соединений. Выявлены изменения в молекулярной структуре и активности гуминовых кислот в результате гидролиза, Показано положительное влияние гидрогумата на обмен веществ и дыхание организмов. Разработаны способ и технология производства регулятора роста с выходом 80 % от ОМ торфа. Эффективность гид-рогумата подтверждена производственными испытаниями в хозяйствах республики при возделывании зерновых, овощных культур и картофеля. Госхимкомиссиями Беларуси и России препарат включен в списки регуляторов роста и средств защиты растений, разрешенных к применению. Организовано производство гидрогумата на Борисовском лесохимическом заводе, опытно-экспериментальном предприятии "Биохим" Минской обл. и промышленной установке колхоза "40 пет Октября" Брестской обл. Препарат внедрен в хозяйствах Беларуси.

РЭЗЮМЭ Аучыннжава Таццяна Фелжсауна

АБГРУНТАВАННЕ I РАСПРАЦОУКА ТЭХНАЛАГ1ЧНЫХ ПРЫЕМАУ ПДРАЛ1ТЫЧНАЙ ДЭСТРУКЦЫ1 ТОРФУ 3 АТРЫМАННЕМ РЭГУЛЯТАРАУ РОСТУ

Ключавыя словы: торф, гумжавы прэпарат, бтлапчная ак-тыунасць, рэгулятар росту, пдроя'кз, тэхналапчны рэжым, дэструкцыя, рэактар, абмен рэчывау, выхад б1ямасы, якасць прадукцьн.

Аб'екты даследаванняу: торф, прадукты яго гщрал1тычнай дэ-струкцьн, гум'|навы прэпарат "Пдрагумат", гумжавыя юслоты.

Мэта работы: навуковае абгрунтаванне I распрацоука тэхнала-пчных прыемау атрымання бшлапчна актыунага прэпарата на аснове торфу метадам яго пдралаычнай дэструкцьм.

ГИетады даследаванняу: х1м1чныя, ф1з1ка-х1мЫныя, бшлапчныя, матэматычнага планавання зкеперыменту.

Апаратура: спектрафагометр, радыеспектрометр, паляро-граф, фотаэлектракаларыметр, рэактар-аутаклау, цэнтрыфуга.

Упершыню для атрымання б1ялаг!чна актыуных гумжавых прэпаратау на аснове торфу праланаваны метад яго паслядоунага кюлотна-шчолачнага пдрол1зу.Вызначаны характар уплыву прыроды г'щрал'|зуючых агентау, тэхналапчных параметрау I в'!ду торфу на выхад, састау I б!ялапчную актыунасць прэпарата. Вызначана, што ад-начасова з працэсам пдралггычнай дэструкцьм ¡дуць рэакцьи другас-нага сштэзу з утварэннем б1ялапчна актыуных гумЫападобных злу-чэиняу. Выяулены змяненж малекулярнай структуры ; актыунасц! гу-мЫавых юслот у вынжу пдрол1зу. Паказаны станоучы уллыу пдрагумата на абмен рэчывау I дыханне аргашзмау, што узжмае ¡х прадукцыйнасць I паляпшае якасць бшмасы. Распрацаваны спосаб \ тэхналопя атрымання рэгулятара росту з выхадам 80% ад АМ торфу. Эфестыунасць пдрагумата пацверджана вытворчым1 выпраба-ванням) у гаспадарках рзспубл'ю на збожжавых, агародных культурах I бульбе. Дзяржх1мкамюям; Беларуа I Рас11 пдрагумат занесены у сп!сы рэгулятарау росту I сродкау абароны раслш, дазволеных к ужы-ванню. Аргамзавана вытворчасць пдрагумата на Барысаусюм леса-жмнным заводае, доследна-эксперыментальным прадпрыемстве "Б1ях1м" Мжскай вобл. I на прамысловай устаноуцы калгаса " 40 гадоу Кастрычжка" Брэсцкай вобл. Прэпарат укаранен у гаспадарках Беларуси

SUMMARY

Ovchinnikova Tatyana Felixovna

SUBSTANTIATION AND DEVELOPMENT OF

TECHNOLOGICAL MEANS OF PEAT HYDROLYTICAL DESTRUCTION RESULTING WITH GROWTH REGULATORS

Key words: peai, humic preparation, biological activity, growth regulator, hydrolysis, technology method, destruction, matters exchange, biomass, quality of product.

Objects of research: peat, products of its hydrolytical destruction, humic preparation "Hydiohumat", humic acids.

Target of the work: scientific substantiation and technology methods development to obtain biologically active preparation based on psat by means of its hydrolytical destruction.

Research methods: chemical, physical-chemical, biological, experiment mathematical planning.

Equipment: spectrophotometer, radiospectrometer, polarograph, photoelectrocotorimeter, reactor-autoclave, centrifuge.

For the first time the method of peat successive acidic-alkaiine hydrolysis to obtain biologically active preparations on its basis has been proposed. The character of impact of hydrolyzing agents origin, technology parameters and peat type on the outcome, composition and preparation biological activity has been identified. The reactions of secondary synthesis has been stated to run along with the hydrolytic destruction process to form biologically active quasi-humic compound?. As a result of hydrolysis, the changes in molecular structure and humic acids activity have been displaid. Positive hydrohumat impact upon the matters exchange and organisms breath has been proved. Methods and production technology of plants regulators with 80% of peat total mass outcome have been developed. The hydrohumat efficiency has been proved by production tests in the Republic's farms when cultivating cereal, vegetable crops and potatoes. The preparation has been included in the lists of plants growih regulators and protection means by the State Chemistry Commission of Belarus and Russia. Production of hydrohumat is introduced at the Borisov forest-chemistry plant, at the test-experiment enterprise «Biokhim». Minsk egion, at the industrial work-shop of the collective farm «40 years of October», Brest region. The preparation is introduced in farms of Belarus.