Влияние почвенных добавок, полученных из леонардита, на структуру почвенного микробиома и урожай картофеля

1. Введение

Леонардит является продуктом атмосферного окисления (часть процесса выветривания) лигнита (бурого угля). Это преобразование происходит в крупном масштабе, значительно негативно влияя на свойства лигнита, то есть приводя к структурной слабости, чрезмерной хрупкости и потере других присущих исходному углю качеств.

Как описано во многих литературных источниках, леонардит представляет собой осадки, обогащённые гуминовыми кислотами, которые залегают на небольшой глубине [1,2].

Воздействие кислорода на лигнит приводит к различным гетерогенным реакциям окисления, главным образом затрагивающим алифатические фрагменты, а не ароматические [3].

Хотя детали механизмов окисления лигнита неясны, можно предположить, что введение дополнительных карбоксильных, гидроксильных, аминогрупп и нитрогрупп играет решающую роль [4].

В результате выветривания ценные свойства исходного угля как источника топлива ухудшаются. Во многих случаях он не может использоваться для производства энергии из-за низкой теплотворной способности и крайней степени фрагментации. По этой причине леонардит не учитывается при расчёте запасов угля и обычно классифицируется как внебалансовый или добытый уголь [5].

По сравнению с углями высокой степени углефикации, такими как каменный уголь и антрацит, угли низкой степени (лигнит, леонардит или другие) обычно имеют низкое содержание энергии (10–20 МДж/кг), низкое содержание углерода (60%–70%) и сохраняют высокую долю влаги (до 70%) [6].

Такие угли низкой степени, находящиеся на обнажениях или в заброшенных карьерах, создают необходимость поиска альтернативных способов их утилизации. Они обычно распределены на больших территориях, что усложняет их использование. Запасы таких минеральных отложений очень велики и могут достигать 500 миллиардов тонн по всему миру [7].

Однако угли низкой степени рассматриваются как потенциальный источник гуминовых веществ, которые могут использоваться для восстановления и рекультивации деградированных земель. Возможность использования леонардита в качестве почвенных добавок и кондиционеров, включая производство гуминовых продуктов, была задокументирована в предыдущих исследованиях [8,9].

Окисленные и метаморфизованные угли содержат значительные количества гуминовых кислот, обладающих свойствами и составом, близкими к гуминовым кислотам, обнаруживаемым в обычных почвах и осадках [10,11,12].

Леонардит содержит 25%–85% гуминовых кислот, тогда как почвы в среднем содержат лишь 1%–5% гуминовых кислот [13,14,15]. Это обстоятельство предоставляет новый и надёжный способ изучения возможности производства благоприятных гуминовых продуктов из отходов угля.

Угли низкой степени, являясь одним из резервов питательных веществ в почве, известны тем, что содержат элементы, необходимые для роста и развития растений [5]. Опубликованные исследования показывают, что окисленные угли улучшают физические свойства почвы, увеличивая её сорбционную способность за счёт органических гумусированных веществ, что в дальнейшем улучшает минеральное питание растений и их обеспечение микроэлементами [4,12,16].

Распределение и стабильность различных форм азота в почве в основном определяются микробиологической активностью почвы. Несколько недавних исследований показывают, что угли низкой степени и их продукты увеличивают урожайность сельскохозяйственных культур за счёт улучшения биохимических свойств почвы, опосредованных микроорганизмами [17,18,19]. Внесение веществ на основе угля оказывает значительное влияние на ферментативную активность и динамику минеральных форм азота в почве.

В отношении растений стимулирующее и защитное действие гуминовых веществ, полученных из угля, было продемонстрировано во многих комплексных исследованиях, показывающих их положительное влияние на урожайность культур и плодородие почвы [20,21]. Тем не менее необходимо накопить обширный практический опыт применения различных типов угольных остатков, богатых гуминовыми веществами, в широком диапазоне почвенных и климатических условий.

Например, одним из возможных применений окисленного угля является его использование в сыром/необработанном виде в качестве гуминовых почвенных добавок для различных культур и систем управления почвой [1].

Существуют также многочисленные противоречивые мнения относительно влияния углеродсодержащих веществ на здоровье и плодородие почвы, а также их воздействия на рост и продуктивность растений. Органические добавки на основе угля способствуют связыванию тяжёлых металлов, что может быть как положительным, так и отрицательным фактором в зависимости от уровня микроэлементов в почве и их физиологической роли [22,23].

Сообщаемые эффекты дозировки гуминовых кислот на рост и урожайность картофеля не всегда являются согласованными. Несколько исследований [20,24,25] показали, что добавление гуминовых веществ в соответствующих концентрациях может стимулировать рост картофеля и усиливать образование клубней.

Благоприятные эффекты гуминовых кислот включают, во-первых, лучшее усвоение соединений азота картофелем, тем самым способствуя использованию питательных веществ почвы, и, во-вторых, увеличение доступности и усвоения калия, кальция, магния и фосфора, а также микроэлементов [26,27].

Применение леонардита непосредственно и гуминовых веществ, полученных из леонардита, в качестве почвенных добавок/кондиционеров и стимуляторов растений, как ожидается, улучшает физико-химические и биологические характеристики почвы и способствует росту растений.

Однако исследования всё ещё ограничены в отношении того, как добавки на основе леонардита влияют на структуру микробного сообщества почвы и рост растений картофеля.

Таким образом, целями данного исследования были:

• (a) охарактеризовать леонардит и извлечённые из него гуминовые вещества;
• (b) исследовать их влияние на почвенный микробиом;
• (c) изучить их влияние на рост картофеля и урожай клубней.

Представленные экспериментальные результаты должны обеспечить дополнительное понимание рационального использования углей низкой степени для устойчивого производства сельскохозяйственных культур.

2. Материалы и методы

2.1. Леонардит и извлечение гуминовой кислоты

2.1.1. Сбор образцов леонардита и их характеристика

Леонардит, собранный в угольном бассейне Ой-Карагай в Алматинской области, Казахстан (43°11′35.5″ N 80°35′42.8″ E), был выбран для данного исследования.

Отбор проб угля проводился в соответствии с методикой, описанной Dai et al. [28], и хранился при температуре 4 °C в герметичных пластиковых пакетах.

Элементный и технический анализы образцов леонардита выполнялись в соответствии со стандартами ASTM (ASTM D3176-15 и ASTM 5373-16).

2.1.2. Извлечение гуминовой кислоты

Измельчённый и просеянный до размера частиц <0,2 мм исходный леонардит (PL) обрабатывался 0,25 М NaOH при постоянном перемешивании при 20 °C в течение 12 часов, после чего центрифугировался при 2500× g в течение 10 минут, где растворимая гуминовая кислота отделялась от нерастворимого остатка.

На следующем этапе гуминовая кислота осаждалась путём доведения pH до 2,0 с использованием 2 М HCl.

Раствор оставляли для осаждения на 24 часа, после чего проводили центрифугирование, затем трижды промывали дистиллированной водой и сушили при 60 °C [31].

Полученный продукт обозначался как LHA (гуминовая кислота, полученная из леонардита).

Выход гуминовой кислоты рассчитывался по формуле [32]:

[Формула в оригинале статьи]

где ε — выход гуминовой кислоты, %; MYM — масса леонардита, г; MCY — масса остаточного угля, г; Mad — содержание влаги в исходном угле, %.

2.2. Характеристика исходного леонардита и LHA

Исходный леонардит (PL) и LHA были охарактеризованы с использованием инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), рамановской спектроскопии и элементного анализа. Подготовка и анализ образцов проводились в полном соответствии с протоколами производителя оборудования.

FTIR-спектроскопия выполнялась с использованием спектрометра Nicolet 6700 FTIR (Thermo Fisher Scientific, Уолтем, Массачусетс, США). ИК-спектры образцов регистрировались в диапазоне от 400 до 4000 см⁻¹ с 32 сканированиями при разрешении 4 см⁻¹.

Раман-спектры образцов характеризовались с помощью автоматизированной системы AFM-Raman Solver Spectrum (NT-MDT Spectrum Instruments, Москва, Российская Федерация) с использованием диодного лазера с длиной волны 473 нм. Лазерный луч фокусировался в пятно диаметром 2 мкм с использованием объектива Mitutoyo 100× (NA = 0,7).

Элементный состав образцов определялся с использованием элементного анализатора Vario EL cube (Elementar Analysensysteme GmbH, Лангензельбольд, Германия). Разница до 100% относилась к содержанию кислорода.

2.3. Отбор почвы, характеристика и обработка

Темно-каштановая почва была получена из Ботанического сада в городе Алматы, Казахстан (43°13’07.9” N 76°54’49.6” E).

Образцы почвы случайным образом отбирались на глубине 0–20 см на расстоянии не менее 5 м от ближайших деревьев.

Затем почвы высушивались на воздухе и просеивались через сито с размером 2 мм, объединялись на месте отбора и хранились при температуре 4 °C не более 2 недель до начала экспериментов.

Физико-химические свойства почвы определялись в соответствии с Berndt-Michael Wilke [33].

Значения pH каждой группы почвы измерялись через 3 месяца после внесения добавок и до выращивания растений.

Измерения pH проводились на суспензиях, содержащих 5 г воздушно-сухой почвы в 25 мл свежей дистиллированной воды с использованием pH-метра 781 (Metrohm AG, Херизау, Швейцария).

Почва обрабатывалась LHA (такие образцы далее обозначаются как SLHA, т.е. почва (S) с LHA) и непосредственно PL (далее обозначается как SPL, т.е. почва (S) с PL), что представляло два варианта обработки в дополнение к контролю, представленному необработанной почвой.

Подробно: LHA (в пересчёте на сухое вещество) вносилась в почву в количестве 1 г·кг⁻¹ при перемешивании.

Доза PL определялась на основе характеристики почвы для восполнения содержания питательных веществ. Свежедобытый леонардит, пропущенный через сито с размером ячеек 2 мм, смешивался с почвой (соотношение 1,5 г на 1 кг, оба значения в пересчёте на сухое вещество).

2.4. Анализ микробного разнообразия

2.4.1. Извлечение ДНК и амплификация ПЦР

Микробная ДНК была извлечена из всех групп образцов почвы (SLHA, SPL и контроль) с использованием набора E.Z.N.A.® soil DNA Kit (Omega Bio-tek, Норкросс, Джорджия, США) в соответствии с протоколами производителя.

Конечная концентрация и чистота ДНК определялись с помощью спектрофотометра NanoDrop 2000 UV-vis (Thermo Scientific, Уилмингтон, Делавэр, США), а качество ДНК проверялось с помощью электрофореза в 1% агарозном геле.

Гипервариабельные области V3–V4 гена 16S рРНК бактерий амплифицировались с использованием праймеров 338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′) и 806R (5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′) с помощью термоциклерной системы ПЦР (GeneAmp 9700, ABI, Уолтем, Массачусетс, США).

Реакции ПЦР проводились по следующей программе:

• 3 минуты денатурации при 95 °C
• 27 циклов по 30 секунд при 95 °C
• 30 секунд отжига при 55 °C
• 45 секунд элонгации при 72 °C
• финальная элонгация при 72 °C в течение 10 минут

Реакции ПЦР проводились в трёх повторностях в 20-микролитровой смеси, содержащей:

• 4 мкл буфера 5× FastPfu
• 2 мкл dNTP (2,5 мМ)
• 0,8 мкл каждого праймера (5 мкМ)
• 0,4 мкл FastPfu-полимеразы
• 10 нг матричной ДНК

Полученные продукты ПЦР извлекались из 2% агарозного геля, дополнительно очищались с использованием набора AxyPrep DNA Gel Extraction Kit и количественно определялись с использованием QuantiFluor™-ST.

2.4.2. Секвенирование Illumina MiSeq

Очищенные ампликоны объединялись в эквимолярных количествах и подвергались парному секвенированию (2 × 300) на платформе Illumina MiSeq в соответствии со стандартными протоколами.

2.4.3. Обработка данных секвенирования

Обработка выполнялась по следующим критериям:

• (I) Считывания обрезались при среднем качестве <20
• (II) Праймеры совпадали с допуском 2 нуклеотидных несовпадений
• (III) Перекрытия более 10 п.н. объединялись

OTU кластеризовались при 97% сходстве с использованием UPARSE. Химерные последовательности удалялись с помощью UCHIME. Таксономия определялась с использованием RDP Classifier и базы Silva.

α-разнообразие оценивалось индексами Шеннона, Симпсона, Chao1 и ACE с использованием QIIME.

Все анализы проводились на платформе Majorbio I-Sanger Cloud Platform.

2.5. Тепличные эксперименты

Для эксперимента был выбран сорт картофеля Agata (Solanum tuberosum L.).

Клубни высаживались в 6-литровые горшки (n = 15) в супесчаную почву. Почва пастеризовалась паром.

Добавлялось 10 г удобрения Bionic на 1,5 кг почвы.

Во втором этапе клубни высаживались в:

• (I) контрольную почву
• (II) SLHA (1 г/кг)
• (III) SPL (1,5 г/кг)

Использовалось 15 повторностей. Один клубень на горшок.

Условия:

• 23 °C и 50% влажности днём
• 21 °C и 35% ночью
• 1 л воды каждые 3 дня

2.6. Измерения растений

Измерялись параметры роста: количество стеблей, высота растений, количество и масса клубней.

Клубни делились на категории:

• малые (<80 г)
• средние (81–150 г)
• крупные (>151 г)

2.7. Статистический анализ

Данные представлены как средние ± стандартное отклонение (SD).

Использовался однофакторный ANOVA (SPSS 26.0).

Значимость определялась тестом Дункана (p = 0,05).

Для микробных сообществ применялся точный тест Фишера (n = 13).

3. Результаты

3.1. Исходные характеристики почвы

Физические и химические свойства исходных образцов почвы представлены в Таблице 1. Темно-каштановая почва имела глинисто-суглинистую текстуру и pH 7.4.

Table 1. Summary of soil characteristics.

---

3.2. Технические характеристики леонардита

С целью оценки физико-химических свойств образцов леонардита были проведены комплексные исследования по техническим и элементным параметрам на лабораторной базе, результаты которых представлены в Таблице 2. Согласно проведённым анализам, образцы относятся к углям низкой степени.

Table 2. Proximate and ultimate analyses of PL (parental leonardite) samples.

---

3.3. Выход и элементный анализ LHA

Гуминовая кислота была извлечена из PL методом щелочной экстракции в соответствии с методом Huculak-Mączka [31], поскольку ими было предложено, что использование раствора NaOH концентрацией 0.25 М для извлечения гуминовой кислоты из угля низкой степени является более эффективным (51.6%). В нашем случае выход гуминовой кислоты составил 71.1%.

Результаты её элементного анализа представлены в Таблице 3. Элементный состав LHA аналогичен тому, который был представлен для гуминовых кислот углей низкой степени в других исследованиях [37,38,39].

Атомные соотношения H/C, O/C и N/C обычно используются для идентификации гуминовых кислот из различных источников, а также для определения их структурных изменений. Атомное соотношение H/C рассматривается как индикатор происхождения органического вещества.

Извлечённая гуминовая кислота может происходить из сосудистых растений, а не из грибного/бактериального органического вещества, поскольку значение H/C было меньше единицы (0.81) [40].

Значение O/C отражает количество кислородсодержащих групп, то есть углеводов и карбоксильных групп в органическом веществе. Его типичное значение составляет около ~0.4 [41].

Атомное соотношение N/C указывает на содержание азота; его более высокое значение характерно для гуминовых кислот различного происхождения, тогда как для гуминовых кислот, полученных из угля, оно обычно <0.05 [39].

Table 3. Ultimate analysis of LHA (leonardite-derived humic acid) samples.

3.4. FTIR-спектры образцов

Органические и минеральные вещества, присутствующие в образцах PL и LHA, были оценены с помощью FTIR-анализа. Результаты представлены на Рисунке 1, а характерные полосы функциональных групп показаны в Таблице 4. Назначения основных полос основаны на опубликованных значениях для угля и гуминовых веществ [42].

Table 4. FTIR (Fourier-transform infrared) bands of major functional groups.

3.5. Раман-спектры образцов

На Рисунке 2 представлены рамановские полосы образцов PL и LHA. В обоих образцах были обнаружены две полосы при 1350 и 1590 см^-1, которые обычно обозначаются как дефектная (D) и графитовая (G) полосы соответственно.

В целом, элементный анализ и атомные соотношения показали, что LHA имеет более высокое содержание азота по сравнению с данными, полученными в других исследованиях [32,39], тогда как FTIR-спектры указывают на присутствие азотсодержащих групп, таких как –N–H и –NH₂.

В некоторых исследованиях [43,44] сообщается, что степень гумификации постепенно увеличивается с ростом содержания азота, таким образом, полученные результаты могут подтверждать более высокую степень зрелости LHA.

3.6. Влияние гуминовых добавок на pH почвы

Добавление леонардита или его гуминовой фракции оказало значительное влияние на pH почвы. Значение pH в SPL (6.9 ± 0.4) было ниже, чем в контрольной почве (7.4 ± 0.5). Однако pH почвы в меньшей степени изменялся при добавлении LHA (7.1 ± 0.3).

---

3.7. Влияние гуминовых добавок на бактериальное сообщество почвы

Различия в микробных сообществах образцов почвы были выявлены до выращивания растений путём сравнения показателей богатства и разнообразия. В общей сложности было получено 182,470 высококачественных последовательностей 16S из всех образцов почвы, включая контроль, SPL и SLHA.

Эти чтения были распределены между 7371 операционными таксономическими единицами (OTU) во всех образцах, из которых 2172 (SPL), 2630 (SLHA) и 2569 (контроль) OTU (Таблица 5).

В общей сложности 1681 OTU были общими для всех образцов почвы, тогда как уникальные OTU составляли 168 (SPL), 359 (SLHA) и 253 (контроль) от общего числа OTU. В сумме 184 OTU были общими между SPL и контролем, 139 OTU между SPL и SLHA, и 451 OTU между SLHA и контролем (Рисунок 3).

Table 5. Number of observed operational taxonomic units (OTUs), richness, and diversity of soil samples.

Значение индекса Шеннона, отражающее бактериальное разнообразие, было выше в SLHA по сравнению с SPL и контролем. Результаты показали значительное снижение уровня микробного разнообразия в SPL.

Оценка покрытия на основе численности (ACE), учитывающая количество видов, была наибольшей для SLHA и наименьшей для SPL, тогда как оценка богатства Chao1 была наибольшей для контроля и наименьшей для SPL (Таблица 5).

Кроме того, кривые Шеннона демонстрировали аналогичные тенденции, при которых наибольшее микробное разнообразие наблюдалось в SLHA, а наименьшее значение — в SPL (Рисунок 4).

Индексы разнообразия показали наибольшее бактериальное разнообразие и богатство в образцах почвы, обработанных LHA. Это явление можно объяснить тем, что гуминовая кислота может служить источником питательных веществ для микробных сообществ, стимулируя местные микроорганизмы за счёт усиления их роста и размножения [45,46].

Рисунок 5a иллюстрирует столбчатый анализ, описывающий влияние внесения угольных добавок (PL и LHA) на структуру бактериальных сообществ на уровне типа в ризосфере.

Пять типов были преобладающими во всех образцах, включая Actinobacteria, Proteobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi и Bacteroidetes.

Однако применение гуминовых кислот на основе угля вызвало значительные изменения в структуре бактериальных популяций по сравнению с контролем. Доля типа Actinobacteria снизилась с 35.72% до 29.08%, тогда как Proteobacteria увеличилась с 26.15% до 31.17%.

Предыдущие исследования показали, что популяции Actinobacteria обычно менее многочисленны в почвах с более высокой концентрацией органического углерода [47,48].

В ответ на внесение исходного угля структура бактериальной популяции также изменилась. Было установлено, что, в частности, тип Actinobacteria предпочитает среду, богатую леонардитом, при этом наиболее многочисленная группа бактерий наблюдалась в SPL (43.26%).

Анализ Circos был применён для визуализации взаимосвязи между образцами почвы и бактериальными сообществами на уровне типа, что подтвердило результаты столбчатого анализа (Рисунок 5b).

Более детальное статистическое сравнение микробных сообществ (с использованием точного теста Фишера; n = 13 для каждой группы) в ризосферной почве (SPL vs. контроль и SLHA vs. контроль) представлено в виде столбчатой диаграммы на Рисунке 6.

Для удобства значения относительной численности SLHA по сравнению с контролем (Рисунок 6a) были упорядочены следующим образом: SLHA > контроль для Proteobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi, Bacteroidetes, Verrucomicrobia, Planctomycetes, Firmicutes, Nitrospirae и Chlamydiae, в то время как остальные значения были упорядочены как контроль > SLHA.

Значимые различия наблюдались для всех типов (p < 0.01), за исключением Acidobacteria, Chloroflexi, Nitrospirae и Latescibacteria.

При сравнении контрольных образцов и SPL (Рисунок 6b) относительная численность типов была упорядочена как SPL > контроль, за исключением Actinobacteria, Proteobacteria, Chloroflexi, Bacteroidetes и Patescibacteria.

Здесь различия между группами микроорганизмов, за исключением Chloroflexi и Patescibacteria, были высоко значимыми (p < 0.01).

3.8. Влияние гуминовых добавок на рост картофеля и урожай клубней

Тепличные испытания показали, что рост растений и урожай клубней значительно зависели от внесения в почву добавок на основе леонардита.

Характеристики роста картофеля и количество полученных клубней в группах SPL и SLHA по сравнению с контролем представлены в Таблице 6.

Добавление LHA способствовало увеличению высоты растений, а также количества стеблей на растение (увеличение на 20.8% и 24% соответственно по сравнению с контролем).

Table 6. The effects of leonardite-based soil amendments on potato growth and tuber harvest.

Общее количество клубней, а также распределение по размерам, также значительно зависели от внесения добавок. Наибольшее общее количество клубней картофеля было получено в группе SLHA (на 88.5% больше, чем в контрольной группе).

Наибольший общий урожай клубней и товарный урожай были получены при применении LHA, что показало увеличение на 54.9% и 66.4% соответственно по сравнению с контролем (Таблица 7).

Table 7. The effects of leonardite-based soil amendment treatment on tuber yield.

4. Обсуждение

Поддержание функциональной целостности и устойчивости почвы является приоритетной задачей при развитии интенсивного сельского хозяйства. Длительное применение невозобновляемых химических удобрений и пестицидов оказывает негативное влияние на здоровье почвы и вызывает экологические проблемы. Поэтому современные подходы в сельском хозяйстве связаны с постепенной заменой химических веществ органическими добавками и повышением их эффективности за счёт применения правильных методов внесения [5,49]. Леонардит, благодаря наличию в нём гуминовых кислот, может быть подходящим для улучшения почвы [2,50].

В нашем исследовании техническая характеристика образцов исходного леонардита подтвердила, что они корректно относятся к углям низкой степени с низкой теплотворной способностью. Однако зафиксированное высокое содержание гуминовой кислоты (71.1%) в образцах леонардита указывает на его потенциальную ценность как почвенного улучшителя. Элементный анализ подтвердил, что LHA имеет более высокое содержание азота и, следовательно, большой потенциал для стимуляции биологической активности в почве [51]. Кроме того, соотношения O/C и N/C показали, что LHA богата кислород- и азотсодержащими группами. Эти данные сопоставимы с другими опубликованными результатами для гуминовых кислот, полученных из угля [39,41].

Согласно FTIR-анализу, образцы LHA и PL имели сходные спектры. Их основные пики поглощения находились при 3050, 2900, 1260–1240 и 1070–1020 см⁻¹ и были отнесены к функциональным группам ароматических C–H, алифатических C–H, карбоксильных C–O и полисахаридных C–O–C [42]. Однако интенсивность полос поглощения в области около 1600 и 3100 см⁻¹ была выше для LHA, что отражает большее содержание азотсодержащих групп.

Сообщаемые концентрации гуминовых веществ, используемых для обработки почвы, значительно различаются. Chen и Aviad [52] оценили среднюю дозировку для полевых условий как 75 кг гуминовых веществ на гектар (значения варьировались от 20 до 225 кг·га⁻¹) на основе среднего эффекта применения гумуса. Таким образом, при использовании леонардита с содержанием гуминовых веществ 70% требуемое количество составит примерно 110 кг·га⁻¹, находясь в диапазоне 30–350 кг·га⁻¹. В отличие от коммерчески доступных гуминовых веществ, которые широко изучены в тепличных условиях, данные по гуминовым веществам, полученным из леонардита, ограничены. Применяемая концентрация почвенных добавок на основе леонардита может сильно варьироваться, что затрудняет определение эффективных норм внесения. Кроме того, структурные и композиционные характеристики гуминовых веществ минерального происхождения могут отличаться от почвенных [53,54]. Другие факторы, такие как методы экстракции/очистки, предварительная обработка и способы внесения гуминовых кислот, также могут существенно влиять на конечный результат урожайности [20,55]. Мы надеемся, что представленные здесь данные смогут способствовать лучшему пониманию и унификации значений.

В нашем случае доза LHA 1 г·кг⁻¹ была выбрана для дальнейших этапов анализа по следующим причинам: (1) нормы внесения гуминовых кислот в условиях горшечных экспериментов могут быть выше, чем в полевых испытаниях; (2) исследуемые почвы имели относительно низкое содержание органического вещества и обрабатывались только однократной дозой гуминовой кислоты в течение эксперимента; (3) биодоступность гуминовых кислот, полученных из леонардита, может отличаться от гуминовых веществ почвы и торфа. Аналогично, Asik et al. [56] рекомендовали обработку засоленной почвы гуминовой кислотой, полученной из леонардита, в дозе 1 г·кг⁻¹ для повышения роста и продуктивности пшеницы. В нашем случае было использовано 1.5 г·кг⁻¹ PL, поскольку он обладает высоким потенциалом выхода гуминовой кислоты (71.1%).

Эффект исходного леонардита как почвенного улучшителя может значительно варьироваться в зависимости от происхождения и дозы применяемого леонардита, условий окружающей среды, вида растения и типа почвы. Согласно Akinremi et al., агрономическая продуктивность рапса увеличивалась при внесении 3.3 г·кг⁻¹ леонардита в почву [1].

Влияние гуминовых кислот на поглощение основных анионных макроэлементов (таких как нитрат, сульфат и фосфат) обсуждалось в других работах [57,58], где подчёркивается важная роль pH. Наши результаты показали, что pH почвы через три месяца после обработки оставался выше 7.0 для SLHA и контрольной группы, тогда как в группе SPL значение pH снижалось. Известно, что изменение pH почвы приводит к изменениям в микробных сообществах почвы [13,59]. Воздействие органического вещества на почвенную экосистему в первую очередь связано с активацией метаболизма почвенных микроорганизмов. Доступное органическое вещество в почве разлагается микроорганизмами с удержанием C и N в их биомассе и выделением CO₂, CH₄ и NO₂ в атмосферу [45]. Многие химические превращения гуминовых почвенных добавок опосредуются гетеротрофными микроорганизмами [60,61]. Исследования показывают, что внесение гуминовых веществ в почву обычно влияет на состав и численность бактериальных сообществ и в меньшей степени — на грибы, актиномицеты и микроводоросли [13,62]. В настоящее время метагеномные подходы стали ценным методом для определения структуры и разнообразия микробных популяций. Исследования влияния гуминовых веществ угольного происхождения на микробиом почвы немногочисленны. Однако опубликованные данные, полученные с использованием микроматриц на основе гена 16S рРНК, показали значительное влияние коммерческих гуминовых продуктов на бактериальные сообщества в различных почвенных профилях [17,21,63].

Микробное сообщество SLHA в основном содержало Proteobacteria, которые могут обладать свойствами стимулирования роста растений, обеспечивая растения легко усваиваемыми питательными веществами [64]. Преобладание Proteobacteria в образцах SLHA также может быть связано с деполимеризацией гуминовых веществ, сопровождающейся реакциями деградации гуминовых кислот [65,66].

Наблюдаемое увеличение урожайности клубней в ответ на обработку LHA и PL можно напрямую связать с увеличением относительного количества стеблей и клубней. Наши результаты по стимулирующему эффекту SLHA хорошо согласуются с результатами, полученными Z. Ekin и ранее R. Selladurai et al. [67,68], которые показали, что обработка гуминовой кислотой значительно увеличивает урожай картофеля по сравнению с контролем как в тепличных, так и в полевых условиях.

Внесение PL в почву оказало менее выраженное влияние на рост растений и урожай клубней. Однако из-за сложной природы леонардита трудно охарактеризовать все реакции, происходящие при преобразовании угля в почве и микробной деградации органического вещества угля (что делает его доступным для усвоения растениями). Примечательно, что в образцах SPL наблюдалась высокая численность Actinobacteria. Благодаря своей нитчатой структуре актинобактерии способны проникать в мелкие поры угольной матрицы, эффективно используя её для роста. Кроме того, многие представители Actinobacteria продуцируют биосурфактанты, способствующие растворению углеводородов и облегчению усвоения трудно доступных источников углерода [69,70]. Реакция этих бактериальных сообществ указывает на хороший потенциал биодеградации леонардита в почве при достаточном времени. Недавние исследования S.J. Robbins et al. [71] и A. Detman et al. [72] также показали, что такие методы, как биоаугментация (введение в почву экзогенных микроорганизмов-деструкторов) [73] и биостимуляция (стимулирование деградационной способности местных сообществ путём добавления питательных веществ для предотвращения метаболических ограничений) [73], могут быть перспективными подходами для ускорения разложения леонардита. Как видно из приведённых примеров, учёт процессов микробной динамики является важным для интерпретации долгосрочных изменений качества почвы при прямом внесении леонардита в почву.

h2>5. Выводы

В заключение, данное исследование указывает на благоприятное влияние добавок, полученных из леонардита, на рост растений картофеля и структуру микробного сообщества почвы. Согласно нашему метагеномному анализу, образцы почвы, обработанные гуминовыми кислотами угольного происхождения, продемонстрировали более высокое микробное разнообразие и богатство по сравнению с контролем. Тепличные испытания показали, что как рост растений, так и урожай клубней зависели от внесения в почву добавок на основе леонардита.

Гуминовые кислоты, являясь важнейшим компонентом любой почвы, могут представлять собой ферментативно активный комплекс, способный инициировать различные реакции, которые обычно относятся к метаболической активности микроорганизмов. Наблюдаемые эффекты внесения, вероятно, могут быть обусловлены: (a) снижением pH образцов почвы; (b) более высокой концентрацией и доступностью азотсодержащих функциональных групп; (c) лучшей ионообменной способностью; (d) лучшей способностью удержания воды; (e) облегчением (гетерофазным катализом) определённых биохимических реакций; и (f) гипотетическими адаптогенными механизмами и др.

Наши результаты показали стимулирующее воздействие гуминовых веществ, полученных из леонардита, на рост растений и урожай клубней. Соединения гуминовых кислот из леонардита могут представлять полезные возможности для разработки устойчивых сельскохозяйственных технологий по улучшению почвы и созданию органических удобрений экологически ответственным способом.

Однако некоторые ограничения и другие вопросы должны быть рассмотрены в будущем для успешной реализации положительных эффектов добавок на основе леонардита на рост растений и урожайность. Влияние угольных гуминовых остатков на филогенетически различные и многочисленные группы микроорганизмов до сих пор недостаточно изучено. Важные аспекты для будущих исследований включают: гетерогенность, вариабельность и сложность гуминовых веществ угольного происхождения; отсутствие достоверных экспериментальных исследований по дозировке добавок в зависимости от типа почвы; точное определение зависимостей «доза–эффект»; необходимость лучшего понимания механизмов влияния LHA на стимулирование роста и развитие растений и др.

Вклад авторов

Концептуализация: N.A. и A.Z.; методология: X.Q. и G.A.; валидация: I.D.; формальный анализ: X.Q. и P.U.; исследование: N.A. и A.Z.; подготовка первоначального текста: N.A.; рецензирование и редактирование: I.D. и A.Z.; визуализация: N.A. и G.A.; руководство: N.A. и A.Z.; администрирование проекта: P.U. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Данное исследование было выполнено при финансовой поддержке Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан [номер гранта AP05134797, 2018–2020].

Благодарности

Авторы выражают благодарность Azhar Malik (Казахский национальный университет имени аль-Фараби) за дружескую помощь и содействие в проведении тепличных экспериментов.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Akinremi, O.O.; Janzen, H.H.; Lemke, R.L.; Larney, F.J.
Отклик рапса, пшеницы и зелёной фасоли на внесение леонардита.
Can. J. Soil Sci., 2000, 80, 437–443.

2. Turgay, O.C.; Erdogan, E.E.; Karaca, A.
Влияние гуминового месторождения (леонардита) на разложение полулетучих и тяжёлых углеводородов и качество почвы в загрязнённой сырой нефтью почве.
Environ. Monit. Assess., 2010, 170, 45–58.

3. David, J.; Smejkalová, D.; Hudecová, S.; Zmeškal, O.; von Wandruszka, R.; Gregor, T.; Kučerík, J.
Физико-химические свойства и биостимулирующая активность гуминовых веществ, регенерированных из лигнита.
SpringerPlus, 2014, 3, 156.

4. Vlčková, Z.; Grasset, L.; Antošová, B.; Pekař, M.; Kučerík, J.
Предварительная обработка лигнита и её влияние на биостимулирующие свойства соответствующих гуминовых кислот.
Soil Biol. Biochem., 2009, 41, 1894–1901.

5. Little, K.R.; Rose, M.T.; Jackson, W.R.; Cavagnaro, T.R.; Patti, A.F.
Улучшают ли органические добавки на основе лигнита рост пастбищ на ранней стадии и ключевые биологические и физико-химические свойства почвы?
Crop Pasture Sci., 2014, 65, 899–910.

6. Schobert, H.
Введение в угли низкой степени: типы, ресурсы и современное использование.
В: Fuel and Chemical Production; Woodhead Publishing, 2017; стр. 3–21.

7. Lee, S.; Kim, S.; Chun, D.; Choi, H.; Yoo, J.
Технологии обогащения и глубокой очистки углей низкой степени.
В: Fuel and Chemical Production; 2017; стр. 73–92.

8. Demirbas, A.; Kar, Y.; Deveci, H.
Гуминовые вещества и азотсодержащие соединения из бурых углей низкой степени.
Energy Sources, 2006, 28, 341–351.

9. Demirbas, A.
Производные гуминовых кислот из турецких бурых углей низкой степени.
Energy Sources, 2002, 24, 127–133.

10. Verlinden, G. и др.
Применение гуминовых веществ приводит к устойчивому увеличению урожайности и усвоения питательных веществ.
J. Plant Nutr., 2009, 32, 1407–1426.

11. Akimbekov, N. и др.
Биосолюбилизация лигнита бактериями Bacillus sp. RKB 2 и характеристика продуктов.
Geomicrobiol. J., 2020, 37, 255–261.

12. Ece, A. и др.
Влияние леонардита на урожай вьющейся фасоли и свойства почвы.
J. Agron., 2007, 6, 480.

13. Dong, L. и др.
Гуминовые кислоты буферируют влияние мочевины на аммоний-окисляющие бактерии и нитрификацию.
Soil Biol. Biochem., 2009, 41, 1612–1621.

14. Fong, S.S. и др.
Характеристика гуминовых кислот из угля как кондиционера почвы.
J. Braz. Chem. Soc., 2006, 17, 582–587.

15. Olivella, M. и др.
Геохимическая характеристика испанского леонардита.
Arch. Min. Sci., 2011, 56, 789–804.

16. Tahir, M.M. и др.
Влияние гуминовой кислоты из лигнита на рост пшеницы.
Pedosphere, 2011, 21, 124–131.

17. Puglisi, E. и др.
Влияние гуминовых веществ на микробное разнообразие ризосферы.
J. Geochem. Explor., 2013, 129, 82–94.

18. Igbinigie, E.E. и др.
Фитобиоконверсия каменного угля в ризосфере Cynodon dactylon.
Biotechnol. J., 2010, 5, 292–303.

19. Sekhohola, L.M.; Cowan, A.K.
Биологическая переработка угля низкого качества в гуминоподобный материал.
Int. J. Coal Sci. Technol., 2017, 4, 183–190.

20. Seyedbagheri, M.M. и др.
Влияние гуминовых продуктов на урожай картофеля.
В: Sustainable Potato Production, 2012; стр. 131–140.

© 2020 Авторы.
Лицензиат: MDPI, Базель, Швейцария.
Статья распространяется по лицензии Creative Commons Attribution (CC BY):
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/