Применение диатомитов в сельском хозяйстве

Предлагаем Вашему вниманию статью В.Н. Домацкого, О.А. Симонова и А.Н. Махневой «Применение диатомитов в сельском хозяйстве», опубликованную в №14 научно-популярного журнала «ХолодОК!».

Диатомит (кизельгур, инфузорная земля, горная мука, целит) − рыхлая, землистая или слабо сцементированная кремнистая порода белого, желтоватого или светло-серого цвета, состоящая из створок диатомей, иногда небольшого количества радиолярий и спикул губок, а также глинистого материала, кварца и глауконита. Границы размеров частиц породы находятся в пределах от 3 мкм до 1 мм. Химически диатомит более чем на 80% состоит из водного кремнезёма.

Горная мука

Створки диатомей могут иметь самые необычные формы и даже уже успели стать предметом искусства. Океанограф Пол Харгривз использовал электронный микроскоп, чтобы сфотографировать эти создания, а художница Фей Дарлинг отретушировала снимки с помощью специальных программ. Объекты, представленные на получившихся снимках, удивительны и могут показаться инопланетными, но, на самом деле, всё это лишь многократно увеличенные клетки живых организмов − диатомовых водорослей.

В России диатомит стали добывать еще в XVIII в. в Симбирской губернии. В 1980-е годы коллектив геологов ЗапСибНИГНИ под руководством И.И. Нестерова и П.П. Генералова обнаружил в пределах Западной Сибири крупнейший в мире гипербассейн опал-кристобалитовых пород (ОКП) с суммарным минерагенетическим потенциалом (до глубины 600 м) около 500 трлн. м3 [1]. По значимости событие было сопоставимым с открытием тюменского месторождения нефти.

Россия обладает многочисленными разведанными месторождениями диатомитов, расположенными практически на всей её территории. Известны месторождения диатомита на Дальнем Востоке, восточном склоне Урала, в Среднем Поволжье. В Ульяновской области на базе Инзенского месторождения действует крупный диатомовый комбинат, производящий теплоизоляционный кирпич и пенодиатомитовую крошку. Месторождения диатомита есть в Пензенской, Ростовской, Свердловской, Костромской, Калужской и многих других областях России. Но, к сожалению, ни одно из разведанных месторождений Тюменской области в настоящее время не разрабатывается.

Диатомовые водоросли: микрофотографии Пола Харгривза и Фэй Дарлинг

Диатомиты являются ценнейшими полезными ископаемыми озерного генезиса. Их кремнистый тонкодисперсный состав, высокая пористость и удельная поверхность, а также низкий удельный вес позволяют использовать диатомиты в десятках отраслей промышленности. Однако, следует отметить, что применение диатомита в России недооценено. По отношению к мировому производству, 55% его использования приходится на Америку, 30% – на Китай, доля России составляет пока только 1%. Диатомит используется как адсорбент и фильтр в текстильной, нефтехимической, пищевой промышленности; в производстве антибиотиков, бумаги, различных пластических материалов, красок; как сырье для жидкого стекла, глазури, теплоизоляционного кирпича; в качестве строительных тепло − и звукоизоляционных материалов, добавок к некоторым типам цемента; как полировальный материал (в составе паст) для металлов, мраморов; в качестве инсектицида, вызывающего гибель вредителей; как наполнитель в чистящих и абсорбирующих средствах, удобрениях; для производства товарного бетона, строительных растворов и сухих строительных смесей различного назначения и т.д.[2]. Так, профессор И.И. Нестеров назвал запасы кремния в Сибири «силиконовой долиной» и утверждает, что эти запасы могут позволить нам получать в неограниченных количествах кремний для производства солнечных батарей [3].

Западно-Сибирская провинция ОКП (по материалам И.И. Нестерова, П.П. Генералова, 1989)[4]

Интересные факты о диатомите:

1. Два разных народа в разных концах земли − древние викинги и древние монголы − при посадке деревьев засыпали диатомит в лунку под саженец вперемешку с землей. Весной такая добавка спасала от заморозков (диатомит долго нагревался и корни отмерзали позже, как следствие дерево распускалось позже), а летом − от засухи (диатомит впитывал и удерживал влагу).

2. В Европе лучшие футбольные и гольф поля построены с применением диатомита. Среди самых известных – поля футбольных клубов Барселоны, Аякса, Эйндховена.

3. В 9 из 10 бутылок разливается пиво, очищенное через фильтровальные порошки из диатомита. Похожая ситуация в виноделии − в разные годы до 80% производимого в мире вина фильтровалось через диатомиты. Немецкое название диатомита «kizelghur» в пивной отрасли означает «фильтровальный порошок из диатомита».

4. Пористый и химически инертный диатомит оказался лучшим носителем для нитроглицерина, применение которого было невозможно в связи с тем, что при транспортировке и тряске нитроглицерин взрывался.

5. Кирпичи из диатомита уже 100 лет применяются для теплоизоляции в печах при выплавке стали и алюминия. Кирпич, сделанный из диатомита, настолько пористый, что плавает в воде!

Значительный вклад в развитие научных и практических вопросов использования диатомитов в строительных технологиях внесли ученые института криосферы Земли Сибирского отделения РАН.

Учёные запатентовали технологию получения пеностеклокерамики на основе диатомита [5]. Также тюменскими учеными разработаны дорожные конструкции с устройством теплоизоляционно-дренирующих слоёв из гранулированной пеностеклокерамики [6, 7, 8].

Диатомитовые добавки, помимо дренажа, выполняют теплоизоляционнную функцию. Сейчас для этого используют пластины пеноплекса, который является хорошим теплоизолятором, но обходится весьма дорого, а его укладка происходит вручную. Еще один минус – через 10–15 лет пеноплекс сжимается и теряет свои качества.

Диатомит, как заверяют ученые, материал вечный и свойств не меняет. Более того, укладка дороги с пеноплексом обходится на 20% дороже, чем с устройством слоя из диатомитового пеностекла. А всё потому, что ручной труд сведен к минимуму – гранулы загружаются в щебнеукладчик, который сразу стелет ровный слой, утверждают ученые.

Диатомитовое пеностекло может стать основой для создания новых строительных материалов, отличающихся легкостью, теплоизоляционными свойствами, экологической чистотой и негорючестью. Академик В.П. Мельников уверен: с диатомитом одна из двух российских бед точно перестанет быть вечной.

В настоящее время уже проектируется завод по получению диатомитового пеностекла при поддержке инженеров-дорожников, его планируют построить на Ямале, где имеются значительные залежи полезного ископаемого диатомита. Но тюменские ученые не останавливаются на достигнутом и ищут все новые и новые перспективы использования диатомитов. Одной из таких перспектив является их использование в сельскохозяйственных технологиях региона.

В настоящее время во всем мире широко ведутся разработки по использованию диатомита в растениеводстве и животноводстве.

Так в растениеводстве диатомит используют, в основном, в качестве минерального удобрения, так как он обладает высоким содержанием биологически активного кремния.

Роль кремния в растениях заключается, прежде всего, в защите от неблагоприятных воздействий окружающей среды − как биотических, так и абиотических.

Многочисленные зарубежные исследования показали, что кремний является эффективным средством в борьбе с заболеваниями грибковой и бактериальной природы у различных видов растений за счет утолщения эпидермальных тканей. Например, кремний увеличивает устойчивость риса к широкому спектру возбудителей грибковых болезней (фузариоз и др.), а также уменьшает заболеваемость мучнистой росой у огурца, ячменя и пшеницы. Положительное влияние кремния наглядно показано на рисунке ниже.

Влияние кремния на развитие мучнистой росы на листьях пшеницы:

А − лист без искусственного заражения мучнистой росой;

B − лист искусственно зараженный мучнистой росой (с обработкой кремнием);

С − лист искусственно заражен мучнистой росой (без обработки кремнием)

Первые признаки развития болезни наблюдались на контрольных растениях, которые не обрабатывались кремнием, через 5 дней после заражения мучнистой росой. Болезнь быстро прогрессировала и после 5 недель растения были сильно инфицированы (балл инфекции равен 3,71). С другой стороны, для обработанных кремнием растений степень заражения была очень мала даже после 5 недель – средний балл инфекции составлял 0,41. Результаты этого исследования убедительно доказывают, что кремний обеспечивает эффективную защиту пшеницы от мучнистой росы. Кремний также повышает устойчивость растений к насекомым-вредителям. На рисунке ниже показано, что растения с низким уровнем кремния более восприимчивы к атакам насекомых.

Влияние кремния на рост и урожайность риса:

(а) − растения риса с низким уровнем Si восприимчивы к атакам насекомых;

(б) − при низком уровне Si в зерне наблюдается изменение цвета из-за заражения несколькими грибковыми возбудителями;

«- Si»: Содержание кремния составляет 0,48% в побегах и 1,44% в зернах;

«+ Si»: Содержание кремния составляет 4,21% в побегах и 8,05% в зернах

Еще один интересный факт: при внесении кремния в почву растения более продуктивно используют влагу. Известно, что 20−30% находящегося в растении кремния может участвовать в процессе поддержки внутреннего резерва воды, что является одним из механизмов, позволяющих растениям выжить в условиях острого недостатка воды. Также кремний существенно влияет на охлаждение листьев растений. Так, исследования показали, что обработка листьев кремнием снимает тепловую нагрузку в условиях высоких температур и значительно снижает температуру листьев – на 3−4°C. Установлено, что после обработки листьев кремнием в эпидермисе формируются биокремниевые структуры. Таким образом, внекорневое применение кремния является перспективным и экологически чистым методом повышения засухо- и жаростойкости растений. Имеются также данные, доказывающие значительную роль кремния в формировании морозостойкости растений, в частности озимой пшеницы разных сортов [9]. Данный факт мог бы очень заинтересовать тюменских аграриев.

Преимущества диатомитов очевидны. На рисунке ниже, например, наглядно виден положительный результат влияния диатомита на рост саженцев грейпфрута.

Саженцы грейпфрута месячного возраста − два саженца справа выращены с диатомитовой подкормкой

Следует признать, что российские ученые не отстают от своих зарубежных коллег. На базе опытного хозяйства Ульяновской ГСХА в 2004−2008 годах проводились опыты с диатомитом Инзенского месторождения на разных культурах. Результаты были поразительны. Огурцы и помидоры начинали плодоносить раньше на 8−10 дней, урожайность повышалась на 15−20%. Культуры были менее подвержены заболеваниям. Морковь дала прирост по урожайности до 100%. Сахарная свекла — до 15%, при этом повышалась сахаристость. Другим положительным эффектом было снижение потребления удобрений − диатомит повышал доступность удобрений для растений, большую равномерность питания растений. Все испытания проводились в открытом грунте, на площадях до 50 соток [10]. Кроме того, ученые опробовали способ предпосевной обработки семян диатомитовым порошкам. Его применение в технологии возделывания сахарной свеклы способствовало улучшению условий питания растений, усилению фотосинтетической деятельности посевов и повышению урожайности корнеплодов на 11,5% [11].

Но больше всего, пожалуй, нас заинтересовало применении диатомита в качестве абсолютно экологичного инсектицида. В Австралии, Германии, США, и многих других странах, диатомит уже давно зарекомендовал себя в качестве защиты зерна от насекомых-вредителей [12,13,14]. Когда диатомит измельчают до определенного размера, микроскопическая внешняя оболочка из частиц диоксида кремния становится острой. Эти частицы «разрезают» наружный хитиновый слой насекомых, вызывая их гибель. Таким образом, уничтожение вредителей происходит совершенно нетоксичным образом. Поскольку вред насекомым наносится физически, а не химически, вредители не могут выработать устойчивость к диатомиту. В то время, как кизельгур смертелен для насекомых, он совершенно безобиден для человека и животных, так как не может повредить упругий верхний слой кожи.

Муравей в диатомите

Так, например, в Пакистане была доказана эффективность применения диатомита в борьбе с вредителем бобов мунг − четырехпятнистой зерновкой. Бобы смешивали с диатомитом в соотношениях 200, 400, 600 и 800 ч/млн. В каждую емкость для испытаний было опущено по 50 взрослых особей жуков. Учет гибели насекомых проводили на 2, 3 и 5 дни исследования. Результаты показали, что все составы были эффективны. Тем не менее, абсолютный уровень смертности наблюдался в емкости с максимальным содержанием диатомита при температуре 30°С и относительной влажности воздуха 50% [13].

Мощность дозы (ч/млн.)

Зависимость числа выживших особей от мощности дозы диатомита

Таким образом, можно сделать вывод, о том, что эффективность использования диатомита в качестве инсектицида зависит от различных факторов, таких как: тип и концентрация диатомита, влажность зерна, температура и относительная влажность воздуха, вид насекомых, плотность насекомых, а также тип товарного зерна. Среди этих факторов температура и относительная влажность воздуха играют наиболее важную роль: диатомит наиболее эффективен при высоких температурах и низкой влажности. Следует отметить, что в России подобного рода эксперименты не проводились. Однако, имеются данные по использованию диатомита в качестве пористого носителя инсектицидов [15]. За счет повышенной сорбционной способности диатомита увеличивается устойчивость препаратов к воздействию атмосферных осадков и, следовательно, повышается срок службы репеллентов и инсектицидов.

Дальше всех в этом вопросе продвинулись американские ученые. Ни для кого не секрет, что пестициды, распыляемые на листья сельскохозяйственных культур, смываются дождевой водой и попадают в окружающую среду. В результате чего происходит сильное загрязнение воды и почвы. Для уменьшения интенсивности вымывания пестицидов ученые добавили модифицированную высокоэнергитичным электронным пучком натуральную наноглину (диатомит) к традиционно используемым пестицидам. Такая обработка, считают специалисты, приводит к увеличению объема порового пространства, что способствует улучшению адсорбции молекул пестицидов. Данный пестицидно − диатомитовый комплекс хорошо сохраняется на поверхности листьев. В результате уменьшается объем используемых пестицидов и существенно снижается риск загрязнения почвы [16]. А вот фермеры утверждают, что диатомит можно использовать в качестве лечения коры плодовых деревьев и при обработке корней растений при пересадке. Однако, они отмечают, что его использование здесь следует тщательно контролировать, так как вместе с вредителями он убивает и полезных насекомых [17]. Диатомит может быть эффективно использован для предотвращения проникновения некоторых насекомых в домах (например, уховерток, муравьев и тараканов). Для этого необходимо поместить небольшое количество порошка в углах, трещинах, щелях и других областях, где обычно прячутся насекомые. Помимо этого, диатомит применяют для борьбы с блохами у животных, а также в качестве кормовой добавки.

Применения диатомита для борьбы с блохами у собак

Доказано, что добавление в рацион коров 2% диатомита обеспечивает лучшую перевариваемость питательных веществ корма, а также повышает молочную продуктивность на 10,9%.

Известно, что включение диатомита в рацион кур-несушек улучшает упругую деформацию и толщину скорлупы, снижает процент боя яиц. Также диатомиты способствуют повышению сохранности птицы. В опытных группах этот показатель возрастал, в среднем, на 3,3−5,2 %, по сравнению с контрольным. Использование диатомита в рационе птиц способствует увеличению перевариваемости питательных веществ: органического вещества − на 6,22%; протеина − на 17,26%; клетчатки − на 24,03%; жира − на 15,8%. Введение в рацион диатомита оказывает положительное влияние на инкубационные показатели племенных яиц [18].

Пушнина всегда считалась «мягким золотом» нашей страны. Одним из способов повышения продуктивности пушных зверей клеточного содержания, считают звероводы, является применение в корме препаратов, обладающих адсорбционным и стимулирующим действием (цеолиты, бентониты, диатомиты и др.). Используемые в звероводстве кормовые средства зачастую содержат токсичные вещества (тяжелые металлы, остаточные количества пестицидов и др.), которые являются потенциально опасными для организма зверей. Такие корма приводят к нарушению обмена веществ, возникновению различных болезней, снижению функции воспроизводства зверей и качества шкурок. В связи с этим, проблема повышения качества кормов, удешевления рационов и снижения себестоимости пушной продукции весьма актуальна [19,20,21,22]. Например, известно, что введение в корм норок дозы диатомита в объеме 0,5% увеличивает их массу к убою на 8,6%. Также диатомит оказывает положительное влияние на обменные процессы, естественную резистентность организма и функцию воспроизводства. Этому свидетельствуют следующие данные: повышение оплодотворяемости самок на 4,7%, сохранности щенков на 3,7% [21].

Интересный эксперимент проводился по влиянию лекарственных схем на основе диатомита и антисептических и противовоспалительных средств на динамику гематологических показателей крови у коров с язвенными дефектами в области копытец [23]. Для проведения эксперимента были взяты 3 группы животных. В контрольной группе местно применяли порошок Островского (перманганат калия + борная кислота в соотношении 1:5) в фазе гидратациии и 3% тетрациклиновую мазь в фазе дегидратации. Животным первой опытной группы местно использовали сложный порошок, состоящий из диатомита, сульфата цинка, стрептоцида и борной кислоты в разных соотношениях в фазе гидратации и мазь «Левомеколь» в фазе дегидратации. Во второй опытной группе на язвенный дефект местно накладывали сложный порошок, состоящий из диатомита, сульфата меди, перманганата калия и фурациллина в разных соотношениях в фазе гидратациии и мазь «Левомеколь» в фазе дегидратации. В результате проведенного лечения язвенных поражений в области копытец у крупного рогатого скота клинические признаки хромоты исчезали в контрольной группе на 14 сутки, в первой опытной на 11 сутки и во второй опытной группе на 12 сутки. Помимо этого диатомит применяют в составе паст для обезроживания телят [24]. При беспривязном содержании крупного рогатого скота животные часто наносят друг другу травмы. Чтобы не допустить этого, скот на фермах обезроживают. Существуют два способа обезроживания животных: удаление рогов у взрослых животных и предупреждение роста рогов у молодняка. Удаление рогов проводят кровавым и бескровным способами. Кровавым способом операцию выполняет ветеринарный работник. Что касается бескровного, то здесь легко справляется сам владелец. На основание рога достаточно надеть плотное резиновое кольцо. В результате сдавливания сосудов нарушается питание рога, и он через 4−5 недель отторгается. Для предупреждения роста рогов у телят с успехом применяется едкое кали, едкий натр, азотная или соляная кислота и т.п. Указанные реактивы наносят в места зачатков рогов в возрасте 1−3 недель. Известен состав пасты для предупреждения роста рогов у телят с добавлением диатомита в реактивы. Диатомит в количестве 5−10% в составе пасты обеспечивает повышение ее адгезионных свойств и вязкости, что обеспечивает улучшение потребительских свойств (паста не стекает в глаза телятам и прочно закрепляется на роговых бугорках).

Язвенные дефекты в области копытец у коров

Таким образом, можно сделать вывод, что в мировой практике существует достаточно большой опыт применения диатомита в различных сферах жизнедеятельности человека. Вместе с тем, следует отметить, что далеко не все свойства диатомитов еще исследованы. XXI век − век кремнезема и нанотехнологий. В этом отношении кремнистые по составу и микроскопические по размерам ажурные раковины диатомей являются весьма перспективными природными образованиями для использования их в сельском хозяйстве, медицине, ветеринарии, строительстве и др. отраслях.

Литература

1. Нестеров И.И., Генералов П.П. Западно-Сибирская провинция опал-кристобалитовых пород. Труды ЗапСибНИГНИ. Тюмень. 1984. Вып. 3 С. 1−12;

2. Садаков И.А. Применение диатомита в областях промышленности // Молодежь и наука. 2015. № 2. С. 1−5;

3. Нестеров И.И. Недра с двойным дном. Российская газета − Экономика УРФО. № 5186. 2 мая 2010 г. Электронный ресурс. // [Режим доступа]: http://rg.ru/2010/05/20/reg-ural/neft.html;

4. Смирнов П.В. Перспективы расширения минеральной базы кремнистых пород в приграничной зоне Тюменской и Свердловской областей // Научно-технический журнал «Георесурсы». 2015. № 4(63). С. 81−84;

5. Мельников В.П., Иванов К.С. «Способ получения пористого строительного материала» // Патент России № 2569138. 2015;

6. Мельников В.П., Иванов К.С., Коротков, К.С. «Дорожная конструкция» // Патент России № 154137. 2015;

7. Коротков Е.А., Константинов А.О., Мельникова А.А.. Иванов К.С. «Диатомик» − новый теплоизоляционный материал для дорожного строительства в условиях криолитозоны // Вестник СИБАДИ. 2015. Вып. 1 (41). С. 55−61;

8. Коротков Е.А., Иванов К.С., Паткина И.А. Гранулированный теплоизоляционный материал на основе опалового сырья для устройства морозозащитных слоев дорожной одежды // Вестник СИБАДИ. 2015. Вып. 6 (46). С. 65−70;

9. Крамарев С.М., Полянчиков С.П., Ковбель А.И. Кремний и защита растений от стресса: теория, практика, перспективы. [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://agrosil.ru;

10. Куликова А.Х. Диатомит в системе удобрения сельскохозяйственных культур // Актуальные вопросы агрономии, агрохимии и агроэкологии: Материалы международной научно-технической конференции. С. 96−103;

11. Дронина О.С., Кудряшов А.В.. Формирование ассимиляционного аппарата и продуктивность фотосинтеза сахарной свеклы в зависимости от предпосевной обработки семян биопрепаратами и диатомитовым порошком // Нива Поволжья. 2008. № 3. С. 12−14.

12. Mewis I., Ulrichs С. Red flour beetle bites the dust in diatomaceous earth // Feed Tech. Vol. 5 (5). 1995. Р.35−37.

13. Wakil W., Ghazanfar M.U., Ashfaq M., Ali K., Riasat T. Efficacy assessment of diatomaceous earth against Callosobruchus maculatus (F.) (Coleoptera: Bruchidae) on gram at different temperature and relative humidity regimes // Julius-Kühn-Archiv: Proceedings of the 10th International Working Conference on Stored Product Protection.Vol. 425. 2011. Р. 936−941.

14. Mewis I., Ulrichs C. Тreatment of rice with diatomaceous earth and effects on the mortality of the red flour beetle tribolium castaneum (herbst) // Springer-Verlag GmbH. Vol. 74 (1). 2001. Р.13−16.

15. Катунский А.М., Конышев Н.М., Корчаков В.Ф., Носова А.Г., Татаренко О.Ф. Пористый носитель для репеллентов и инсектицидов // Патент России № 2142366. 1999.

16. Xiang, Y., Wang, N., Song, J., Cai, D., Wu, Z. Micro-nanopores fabricated by high-energy electron beam irradiation: Suitable structure for controlling pesticide loss // Journal of Agricultural and Food Chemistry, Vol. 61. 2013. Р.5215−5219.

17. Macdonald J. Ecological agriculture projects. Diatomaceous earth: A Non Toxic Pesticide. [Electronic resource] // Ecological Agriculture Projects, McGill University (Macdonald Campus), Vol. 47 (2). 1986. Access – http://eap.mcgill.ca/publications/eap4.htm.

18. Диатомит в кормах для животных [Электронный ресурс] // Аграрный бизнес: сельскохозяйственное производство. – Режим доступа: http://biagroferm.ru.

19. Якимов О. А., Гайнуллина М. К., Васильев С. П. Микроструктура щитовидной железы у лисиц, получавших в рацион диатомит // Ученые записки Казанской Государственной академии ветеринарной медицины им. Н.Э. Баумана. 2010. № 202. С. 245−251.

20. Шарафутдинов Р.Ф. Эффективность использования диатомита в сочетаиии с иробиотическим препаратом в рационах песцов: автореф. дис. … канд. сельскохозяйственных наук. пос. Родники Московской обл. 2008. 24 с.

21. Клещёва Л.В. Использование диатомита в кормлении норок: автореф. дис. … канд. сельскохозяйственных наук. пос. Родники Московской обл. 2008. 22 с.

22. Цветкова А.М. Эффективность использования сорбентов в кормлении молодняка кроликов: автореф. дис. … канд. сельскохозяйственных наук. пос. Родники Московской обл. 2013. 22 с.

23. Михайлович Е.М., Ермалаев В.А. Исследование клинических и гематологических показателей у коров с язвенными дефектами в области копытец // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2013. № 4. С. 72−76.

24. Феоктистова О. В., Джапаридзе М. Т., Костромин Д. В., Паста для предупреждения роста рогов // Патент России № 2470509. 2012.

Домацкий Владимир Николаевич – заместитель директора ФГБНУ Всероссийский научно – исследовательский институт ветеринарной энтомологии и арахнологии, доктор биологических наук, профессор

Симонов Олег Анатольевич – заместитель председателя Президиума ТюмНЦ СО РАН, заместитель директора ИКЗ СО РАН, кандидат физико-математических наук

Махнёва Арина Николаевна – аспирант ИКЗ СО РАН