RU2845351C1 - Способ получения биостимуляторов роста растений, фитогормонов, антистрессантов из морских водорослей - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Предложен способ переработки морских водорослей с получением экстракта, содержащего сложные полисахариды, фитогормоны, витамины, полифенолы, органические кислоты, антимикробные и антистрессовые агенты, стимуляторы роста растений, который включает промывку морских водорослей от солей и примесей, механическое измельчение – механоактивацию. Способ также включает ферментативный гидролиз с использованием ферментов из ряда амилазы, протеазы, пектиназы, целлюлазы, альгинатлиазы, бетаглюконазы в кислотной среде с ацетатным или цитратным буфером, инактивацию ферментов химическим способом, стабилизацию и корректировку рН жидким торфяным гуматом калия или натрия, обогащение полученного экстракта гуминовыми веществами. Изобретение обеспечивает стимуляцию ростовых процессов растений и уменьшение негативного действия абиотических стресс-факторов. 5 з.п. ф-лы

Description

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к технологии переработки морских водорослей и касается способа получения из морских водорослей сложных полисахаридов, фитогормонов, витаминов, полифенолов, органических кислот, антимикробных и антистрессовых агентов, стимуляторов роста растений, других биоактивных веществ, имеющие агрономическое значение, в виде экстракта, усиленного гуминовыми веществами из торфа. Экстракт морских водорослей, полученный путем мягкого ферментативного кислотного гидролиза с ацетатным или цитратным буфером и обогащенный жидким гуматом калия или натрия, представляет собой новый класс агроресурсов, расширяя набор способов и методов эффективного сельскохозяйственного производства для увеличения продуктивности культурных растений и улучшения качества урожая.

Произведенный из морских водорослей конечный продукт в комбинации с торфяным гуматом калия или натрия богат фитогормонами и регуляторами роста растений, а именно ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота, этилен, бетаин и полиамины. Значительное количество научных работ в мире было посвящено исследованию влияния биологической активности различных компонентов морских водорослей и гуминовых веществ на развитие растений. Ауксин известен своим положительным воздействием на развитие корневой системы. Цитокинины запускают быстрое деление клеток. Тем самым способствуют росту и развитию корней, цветов и плодов. Гиббереллины стимулируют прорастание и поддерживают развитие стеблей и цветов. Бетаины стимулируют синтез хлорофилла.

Польза от применения экстракта морских водорослей и гуминовых веществ часто связана именно с повышением устойчивости растений к абиотическим стрессам. Основными абиотическими факторами, которые отрицательно влияют на урожайность, являются засуха, экстремальные температуры, дефицит элементов минерального питания, засоление.

Проведенными в последние годы научными исследованиями удалось выявить целый ряд положительных эффектов применения биоактивных соединений морских водорослей и торфа. Очень часто неблагоприятные абиотические факторы вызывают окислительный стресс, возникающий в результате избыточного образования активных форм кислорода (АФК). Они выступают в качестве факторов повреждения ДНК, липидов, углеводов и белков, а также вызывают нарушение передачи сигналов в клетках. В ответ в растении запускаются механизмы антиоксидантной защиты. Многочисленные исследования показывают, что биоактивные соединения обладают способностью снижать уровень абиотического стресса у растений. Например, показано, что полисахариды, экстрагированные из водорослей, повышают устойчивость растений к хлоридному засолению. Кроме того, в условиях засоления добавление полисахаридов снижало степень окислительного повреждения растений за счет уменьшения проницаемости мембран и перекисного окисления липидов, а также благодаря увеличению активности супероксиддисмутазы (СОД), гваякол-пероксидазы и каталазы (КАТ), участвующих в нейтрализации АФК. Отмечено повышение активности СОД (на 47 и 181% соответственно) в газонной траве в результате ежемесячного применения экстракта морских водорослей и гуминовых веществ. Это сопровождалось увеличением скорости фотосинтеза и привело к улучшению качества газона. Подобные эффекты отмечены и при изучении влияния внекорневой подкормки экстрактом морских водорослей и жидким гуматом на газонную траву во время длительных интервалов между поливами и в условиях засоления. Кроме того, устойчивость к засухе и засолению приписывалась кумулятивным эффектам, в частности, более высокой фотохимической активности, связанной с минеральным составом биоактивных соединений и регуляторами роста, такими как цитокинины и АБК, усиленным ростом корня и изменением его морфологии, накоплением неструктурных углеводов, что улучшало метаболизм и осмотическую регуляцию. Также было отмечено накопление пролина. Следовательно, экстракт морских водорослей вместе с гуминовыми веществами способны выступать в роли регуляторов ответных реакций растений на действие неблагоприятных факторов.

Экстрагированные без изменения их химической структуры и молекулярно-массового распределения из биомассы водорослей каррагинаны и альгинаты содержат широкий спектр органических соединений, включающий несколько распространенных аминокислот, в том числе аспарагиновую и глютаминовую кислоты, аланин. Альгиновая кислота, ламинаран и маннитол составляют почти половину общего содержания углеводов в полученном конечном продукте. Морские водоросли также содержат большой набор витаминов, которые могут использоваться растениями. В них присутствуют витамины С, В1 (тиамин), В2 (рибофлавин), В3 (никотиновая кислота), В12, D3, Е, К, пантотеновая, фолиевая и фолиниевая кислоты. Витамин А отсутствует, однако встречаются его предшественники - каротин и фукоксантин.

Как показывают исследования, альгинаты не только влияют на свойства почвы, но и способствуют росту полезных грибов. Так, альгинатные олигосахариды, продуцируемые в результате ферментативного расщепления альгиновой кислоты, оказывают сильное стимулирующее воздействие на рост гиф и удлинение арбускулярных микоризных (AM) грибов. Установлено, что как красные, так и бурые и зеленые водоросли содержат соединения, которые играют положительную роль в развитии микоризы у высших растений.

В экстракте морских водорослей и жидком гумате торфа содержится более 60 микроэлементов и питательных веществ. В первую очередь - это калий, азот, фосфор, йод, марганец, молибден и бор. Хелатная форма позволяет питательным веществам легко усваиваться.

Некоторые соединения, полученные из морских водорослей, обладают антибиотическими свойствами и содержат антимикробные агенты, применение которых предохраняет растения от болезней и вредителей, в частности от корневой гнили и мозаичной болезни.

Позитивное влияние торфяных гуматов на увеличение урожайности, на повышение качества сельхозпродукции, на сопротивляемость растений к заболеваниям и неблагоприятным воздействиям среды, на эффективность внесения комплексных минеральных удобрений изучено давно. Торфяные гуматы, вследствие их более простого химического строения (в отличие от гуминовых кислот), легко усваиваются растениями, хорошо растворимы в воде, быстро включаются в процессы метаболизма на клеточном уровне. Это приводит к активизации обмена веществ, улучшает проницаемость клеточных мембран, облегчает проникновение питательных веществ (в том числе минеральных) внутрь клеток.

Многофункциональная структура гуматов обусловила их разностороннюю направленность действия на растение и почву. Гуматы влияют на растения прямо и косвенно. Прямой эффект выражается в повышении активности ферментов дыхания, синтеза белков и углеводов, активизации обменных процессов, увеличении проникновения питательных веществ через поры и мембраны клетки растений. Гуматы замедляют отдачу воды клетками и одновременно поддерживают в них соответствующую степень гидратации, увеличивают содержание хлорофилла, продуктивность фотосинтеза и транспирации, что приводит к ускорению роста и развития растений. Косвенный эффект выражается во влиянии их на формирование почвенной структуры, активизацию микрофлоры, улучшение водно-физических свойств почвы, тепловой режим, повышение коэффициента использования минеральных удобрений, связывание токсических агентов путем образования весьма прочных высокомолекулярных комплексных соединений.

Гуматы и экстракт морских водорослей позволяют получить урожай наиболее эффективным и наименее затратным способом: путем максимального использования внутренних резервов растений, полного раскрытия их биопотенциала. Биологическая активность экстрагированных соединений вызывает активный синтез ферментов и обмен веществ. Это приводит к увеличению количества доступных питательных веществ, к повышению содержания протеинов, витаминов, сахаров, аминокислот. Улучшаются вкусовые и питательные качества продукции растениеводства.

Совместное применение гуматов и биоактивных соединений, полученных из морских водорослей, позволяет активизировать иммунную систему, растение более успешно противостоит резким перепадам температур и влажности, снижается заболеваемость. В полевых и вегетационных опытах при обработке растений пестицидами в смеси с гуматами выявлено снижение угнетающего действия пестицидов на культурные растения, уменьшение накопления пестицидов в конечной продукции растениеводства. Кроме того, по результатам научных исследований, гуматы с экстрактом морских водорослей подавляют размножение некоторых видов болезнетворных микроорганизмов.

Совместное применение гуматов и биоактивных соединений, полученных из морских водорослей, приводит к стимуляции роста и развития растений, повышению усвояемости питательных веществ из почвы, поэтому в этом случае достигается высокая эффективность внесения комплексных минеральных удобрений даже при уменьшении их дозировок.

Известен способ [1] получения биоактивных соединений из морских водорослей, по которому морские водоросли подвергают обработке хлороформом измельченного до размера частиц 0,03-0,20 мм воздушно-сухого сырья влажностью 9 мас. % в аппарате Сокслета в течение 8 часов. Далее обезжиренный водорослевый остаток высушивают при 40°С, измельчают до фракции менее 0,01 мм и экстрагируют ацетоном при 50°С в две стадии по 60 мин с гидромодулем 1:20 при постоянном перемешивании. Полученный ацетоновый экстракт концентрируют на роторном испарителе до густого состояния и добавляют дистиллированную воду в расчете 50 мл на 100 г водорослей для получения водного полифенольного экстракта.

Недостатком данного способа является агрессивная экстракция полифенолов, при которой разрушаются другие агрономически ценные биоактивные соединения.

Известен способ [2] производства удобрений из морских растений, по которому водоросли ферментируются при температуре 15÷40°С в течение от 24 до 240 часов. Потом настаивают в воде при весовом соотношении твердой фазы к воде от 1:50 до 1:3.

Недостатком данного способа является длительность процесса и неэффективная экстракция биоактивных соединений.

Известен способ [3] получения продукта из бурых морских водорослей, по которому предварительно производят замачивание сырья в воде при температуре 35÷40°С в течение 12 ч, потом промывание водорослевой массы, кислотную обработку водорослевой массы растворами органических кислот, промывку водорослевой массы, щелочной гидролиз в водном экстракте, последующую непрерывную гомогенизацию, нейтрализацию пищевыми кислотами, пастеризацию, при этом после замачивания сырья в воде отделяют водорослевую массу, промывают и отжимают, а водный экстракт фильтруют, после кислотной обработки дополнительно отделяют кислотный экстракт и нейтрализуют до РН 5,5÷7,5 с последующей очисткой от образовавшихся солей, перед щелочным гидролизом проводят смешение промытой водорослевой массы с очищенным нейтрализованным кислотным и фильтрованным водным экстрактами, нейтрализацию гомогената осуществляют до рН 4,0÷7,5, после чего смесь охлаждают и подвергают ферментативному гидролизу. Ферментативный гидролиз проводят с использованием ферментов класса гидролаз.

Недостатком данного способа является длительность каждого этапа и сложность процесса, когда для получения конечного продукта применены последовательно и кислотный гидролиз, и щелочной гидролиз, и ферментативный гидролиз с многократной промывкой и нейтрализацией на каждом этапе.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, является способ [4] получения экстракта морских водорослей путем ферментативного гидролиза в водной среде с последовательным применением трех разных ферментов (целлюлаза, глюкоамилаза, протеаза). Способ позволяет получить из морских водорослей биоактивные вещества, включая фитогормоны, полисахариды и аминокислоты, но не лишен недостатков. Описанный в прототипе способ ферментативного гидролиза в водной среде требует длительного времени на проведение, так как проходит в три последовательных этапа (12-96 часов - первый, 6-25 часов - второй, 6-48 часов - третий). Кроме того, инактивация ферментов проводится путем нагревания экстракта до 100°С на каждом этапе, что может приводить к разрушению сложных органических соединений и витаминов.

Представленный способ решает задачу увеличения безопасного экстрагирования агрономически полезных биоактивных соединений из морских водорослей без изменения их химической структуры и молекулярно-массового распределения, предлагает эффективную по времени проведения технологию при оптимальных условиях рН и температуры.

Способ осуществляется следующим образом.

Для получения из морских водорослей сложных полисахаридов, фитогормонов, витаминов, полифенолов, органических кислот, антимикробных и антистрессовых агентов, стимуляторов роста растений, других биоактивных веществ, имеющие агрономическое значение, в виде экстракта, усиленного гуминовыми веществами из торфа, используются массовые виды водорослей Черного и Азовского морей - филлофора, порфира, каллитамнион, цераниум, всего около 270 видов многоклеточных зеленых, бурых, красных донных водорослей. Собранные водоросли, включая штормовые выбросы, тщательно промывают пресной водой для удаления солей, песка, камней и других примесей. Промытые водоросли механически измельчают (механоактивируют) до мелкого состояния для облегчения и ускорения последующей экстракции биоактивных веществ. Процесс ферментативного гидролиза с использованием ферментов (амилазы, протеазы, пектиназы, целлюлазы, альгинатлиазы, бетаглюконазы) в мягкой кислотной среде с ацетатным или цитратным буфером при строгом соблюдении кислотно-щелочного баланса, рН 4÷6, и температурного режима 40°÷60°С при постоянном перемешивании в течение 6-12 часов используется для экстракции первичных и вторичных питательных элементов, микроэлементов, витаминов, фитогормонов, антистрессовых агентов и других биоактивных соединений. После экстракции полученный раствор сливается и фильтруется для удаления крупных частиц и осадка. Для инактивации металлопротеазных ферментов, предотвращая дальнейшее разрушение биоактивных соединений в конечном продукте, вместо нагревания и пастеризации применяется фторид натрия или ЭДТА в низких концентрациях, что считается безопасным в сельскохозяйственной продукции. Для корректировки рН и стабилизации экстракта вместо раствора щелочей используется жидкий торфяной гумат калия или натрия, что позволяет не только стабилизировать раствор, получить желаемый рН (5,5÷7,0), но и дополнительно обогатить конечный продукт гуминовыми веществами для увеличения продуктивности растениеводства и улучшения качества урожая.

Пример реализации заявленного способа получения из морских водорослей сложных полисахаридов, фитогормонов, витаминов, полифенолов, органических кислот, антимикробных и антистрессовых агентов, стимуляторов роста растений, других биоактивных веществ, имеющие агрономическое значение, в виде экстракта, усиленного гуминовыми веществами из торфа.

В реактор помещают промытые измельченные механоактивированные морские водоросли. Заливают 0,1% водным раствором хлористоводородной (уксусной, лимонной, яблочной, щавелевой) кислоты, добавляют ацетатный или цитратный буфер для поддержания рН на уровне 4,0÷6,0 и нагревают до 40°÷60°С при постоянном перемешивании. Ферментный препарат (амилаза, протеаза, пектиназа, целлюлаза, альгинатлиаза, бетаглюконаза) вносят в виде раствора или порошка и поддерживают необходимый уровень рН и температуры в течение 6-8 часов для обеспечения ферментативного гидролиза морских водорослей. После завершения гидролиза полученный раствор сливается, фильтруется и химически инактивируется раствором ЭДТА или фторида натрия. Стабилизация раствора, коррекция рН и обогащение гуминовыми соединениями осуществляется путем применения жидкого торфяного гумата калия или натрия.

Ниже приводим характеристики биологически активных веществ в полученном конечном продукте:

Питательные вещества

1. Основные питательные вещества

Азот (N): около 1,0%. Необходим для общего роста и развития растений, азот способствует росту листьев и стеблей.

Фосфор (Р): около 0,5%. Важен для развития корней, цветения и плодоношения.

Калий (К): около 1,0%. Необходим для устойчивости к болезням, регулирования водного режима и общей жизнеспособности растений.

2. Второстепенные питательные вещества.

Кальций (Са): около 0,3%. Поддерживает структуру клеточной стенки и улучшает развитие корней.

Магний (Mg): около 0,2%. Необходим для фотосинтеза и активации ферментов.

Сера (S): около 0,1%. Важна для синтеза белка и работы ферментов.

3. Микроэлементы

Железо (Fe): около 0,05%. Решающее значение для производства хлорофилла и общего здоровья растений.

Марганец (Mn): около 0,02%. Поддерживает фотосинтез и работу ферментов.

Цинк (Zn): около 0,02%. Важен для выработки гормона роста и активности ферментов.

Медь (Cu): около 0,005%. Необходим для фотосинтеза и работы ферментов.

Бор (В): около 0,005%. Важен для формирования клеточной стенки и репродуктивного развития.

Молибден (Мо): около 0,002%. Поддерживает фиксацию азота и работу ферментов.

Витамины и органические соединения

1. Витамины

Комплекс витаминов группы В: включает В1 (тиамин), В2 (рибофлавин), В6 (пиридоксин) и В12 (кобаламин). Эти витамины играют роль в метаболизме растений и стрессоустойчивости.

2. Органические кислоты.

Альгинат: способствует улучшению структуры почвы и удержанию влаги.

Аминокислоты: включает различные аминокислоты, такие как глицин, аланин и глютаминовая кислота, которые поддерживают рост растений и устойчивость к стрессам.

Фитогормоны

1. Ауксины. Индол-3-уксусная кислота (ИУК): способствует развитию и удлинению корней, влияя на деление и рост клеток.

2. Цитокинины. Кинетин и зеатин: стимулируют деление клеток и способствуют росту побегов, улучшая общее состояние растений и повышая урожайность.

3. Гиббереллины. Гибберелловая кислота (GA): способствует удлинению стебля и повышает всхожесть.

4. Абсцизовая кислота. Абсцизовая кислота (ABA): помогает в борьбе со стрессом и регулирует расход воды в растениях.

Другие биологически активные соединения

1. Бета-глюканы. Усиливает защитные механизмы растений и повышает устойчивость к болезням.

2. Полисахариды. Поддерживают здоровье почвы и рост растений, улучшая усвоение питательных веществ и удерживая влагу.

Окончательные характеристики.

Уровень рН: обычно поддерживается в пределах от 5,5 до 6,0.

Цвет: Темно-коричневая до зеленоватого жидкость.

Запах: Слабый, характерный запах морских водорослей.

Консистенция: Прозрачная или слегка мутная жидкость, в зависимости от концентрации и состава.

Список документов, цитированных в отчете о поиске:

Ерохин В.Е. Предварительные данные по исследованию гиббереллинов водорослей.

Ерохин В.Е., Чурилов Ю.С. Перспективы использования черноморских водорослей для получения лектинов.

В.А. Лукьянов, А.И. Стифеев. Прикладные аспекты применения микроводорослей а агроценозе.

Т.Г. Шибаева, Е.Г. Шерудило, А.Ф. Титов. Экстракты морских водорослей как биостимуляторы растений.

Юркевич М.Г., Сидорова В.А., Дубровина И.А. Влияние применения экстрактов бурой морской водоросли Fucus на плодородие почв и продуктивность растений.

Metting В., Rayburn W.R., Raynand Р.А. Algae and agriculture.

RU 2741634 C1, 24.07.2020.

RU 2161599 C2, 10.06.1998.

RU 2790975 C1, 08.02.2022.

CN112538511A, 26.01.2021.

Claims (6)

1. Способ переработки морских водорослей с получением экстракта, содержащего сложные полисахариды, фитогормоны, витамины, полифенолы, органические кислоты, антимикробные и антистрессовые агенты, стимуляторы роста растений, характеризующийся тем, что включает промывку морских водорослей от солей и примесей, механическое измельчение - механоактивацию, ферментативный гидролиз с использованием ферментов из ряда амилазы, протеазы, пектиназы, целлюлазы, альгинатлиазы, бетаглюконазы в кислотной среде с ацетатным или цитратным буфером, инактивацию ферментов химическим способом, стабилизацию и корректировку рН жидким торфяным гуматом калия или натрия, обогащение полученного экстракта гуминовыми веществами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед экстракцией водоросли очищаются от морской соли пресной водой.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ферментативный гидролиз осуществляется с использованием ферментов, выбранных из ряда амилазы, протеазы, пектиназы, целлюлазы, альгинатлиазы, бетаглюконазы в кислотной среде, в 0,1% водном растворе хлористоводородной кислоты, выбранной из ряда уксусной, лимонной, яблочной, щавелевой.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ферментативный гидролиз осуществляется с использованием ацетатного или цитратного буфера для установления и удержания уровня рН в течение всего времени экстракции биоактивных соединений из морских водорослей.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инактивация ферментов происходит химическим способом с использование фторид натрия или ЭДТА.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что корректировка рН и стабилизация конечного продукта происходит с помощью жидкого щелочного торфяного гумата калия или натрия, одновременно обогащая экстракт морских водорослей полезными для растений гуминовыми соединениями.