Возможности применения метода анализа отношений стабильных изотопов азота и кислорода для идентификации азота органических и минеральных удобрений и подтверждения органического происхождения сельскохозяйственной продукции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможности применения метода анализа отношений стабильных изотопов азота и кислорода для идентификации азота органических и минеральных удобрений и подтверждения органического происхождения сельскохозяйственной продукции

Литвинский В.А., Сушкова Л.О., Гришина Е.А., Носиков В.В.

Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д.Н. Прянишникова

Аннотация

Возрастающая экологизация аграрного производства ведет к ужесточению контроля параметров выращивания продукции, в том числе вида применявшихся азотных удобрений. Аналитическая методология для решения этой задачи может включить в себя анализ изотопных подписей азота, а также кислорода различной сельскохозяйственной продукции, в которых заключена информация для идентификации вида азотных удобрений, вносившихся под возделываемые культуры, и подтверждения органического происхождения продукции.

Ключевые слова: органическое сельское хозяйство, органическая продукция, подтверждение соответствия, подлинность продукции, стабильные изотопы, азот, кислород, изотопная подпись, анализ отношений стабильных изотопов.

В наши дни все более остро встает вопрос необходимости создания системы сертификации продукции, выращенной в органической системе земледелия, для оценки ее качества и подлинности. Однако в настоящее время такая процедура подтверждения соответствия невозможна по ряду причин, наиболее значимые из которых: отсутствие нормативно-правовой базы и регламента проведения самой процедуры, отсутствие основополагающих документов в этой сфере, включая отраслевые и государственные стандарты.

По этой причине в 2019 году в лаборатории разработки новых методов анализа почв и растений ФГБНУ «ВНИИ агрохимии» была исследована возможность использования в целях подтверждения аутентичности органической сельскохозяйственной продукции метода анализа отношений стабильных изотопов легких газообразующих биогенных элементов.

В настоящей статье рассматривается возможность использования изотопов таких элементов, как азот и кислород: ¹⁵N/¹⁴N и ¹⁸O/¹⁶O.

Наряду с остальными биофильными элементами, азот и кислород включены в перенос вещества биосферы, формирующий биогеохимические циклы этих элементов. Перенос химических соединений сопровождается изменением отношения стабильных изотопов в их составе - термодинамическим и биологическим фракционированием. Термодинамическое (кинетическое) фракционирование вызвано физико-химической неравноценностью атомов изотопов одного элемента, приводящей к разности в скорости включения в термодинамически обусловленные процессы атомов разной массы [1]. Биологическое фракционирование происходит в живых организмах в процессе метаболизма, в результате изотопный состав атомов одного элемента в этих организмах приобретает значение, отличное от изотопного состава среды [2].

В результате процессов фракционирования у отдельных объектов биоценозов формируются значения изотопного состава азота и кислорода, находящиеся в интервалах, достоверно отличающихся от изотопного состава других компонентов этих ценозов [3], и складываются закономерности этих изменений от одного звена цикла к другому [4, 5, 6].

Для описанного выше интервала значений в научной литературе выработан специфический термин: изотопная подпись, или изотопная сигнатура. В настоящее время для биологических объектов, непосредственно включенных в агроценозы, собраны обширные данные о значениях изотопной подписи разных элементов.

Отношение стабильных изотопов азота почв может принимать значения в диапазоне от -+1,0 до +16 ‰ [7], в зависимости от микробной активности и содержания аммиачного и нитратного азота. Для большинства растений это отношение колеблется от -5 до +2 ‰ [8], для безмикоризных видов растений в тундровых экосистемах - -2,0…+2 ‰ [9.

Для азота минеральных и органических удобрений значения изотопной подписи также достаточно подробно изучены. Для удобрений (навоз, навозные компосты, кровяная мука, костяная мука, рыбная мука, водоросли), которые могут быть использованы при производстве органической продукции, значения д¹⁵N относительно высоки по причине выраженного биологического фракционирования и потерь из органического удобрения, например, навоза КРС, легкого изотопа ¹⁴N в составе газов, образующихся в процессе внесения или хранения удобрений. В среднем изотопная подпись таких удобрений близка к 8,5‰ при диапазоне значений от +0,6 до +36,7 ‰, в то время как для подавляющего числа минеральных удобрений, полученных промышленным способом по методу Габера-Боша из атмосферного азота (д¹⁵N=0‰), значения д¹⁵N находятся в узком диапазоне от -2,0‰ до +2,0‰, что объясняется слабовыраженным фракционированием изотопов в ходе производства [10].

Закономерное изменение значения изотопной подписи азота от одного звена трофической цепи к последующему дает основание предполагать возможность использования этого значения как маркера источника поступления атомов этого элемента - предшествующего звена цепи [11].

Нельзя не упомянуть, что в агрохимических исследованиях уже не одно десятилетие используются стабильные изотопы азота для детального изучения миграции и трансформации этого элемента в процессе выращивания сельскохозяйственных растений [12].

Но в таких научных экспериментах вносят доступный в рамках научного исследования, однако, в случае промышленного ведения сельского хозяйства, чрезвычайно дорогостоящий из-за высокой стоимости производства объект (чаще всего - удобрение), обогащенный либо обедненный в отношении ¹⁵N по сравнению с его природной распространенностью.

По причине дороговизны меченого материала мы рассмотрим возможность использования значений изотопного состава азота, естественным образом присущих биологическим объектам в составе агроценозов.

Рядом иностранных исследований возможность использования изотопной подписи азота органической продукции для подтверждения ее подлинности, ранее обоснованная теоретически, была подтверждена экспериментально. Более подробно мы рассматривали этот вопрос в своих предыдущих статьях [13, 14, 15].

Учитывая тот факт, что, как и азот, кислород поглощается растением частично из вносимых в почву удобрений, и то, что двойной изотопный анализ успешно применялся в исследованиях для отслеживания источников поступления нитратов в окружающую среду [16], мы считаем целесообразным изучить возможность использования значений изотопного состава кислорода в качестве индикатора «органического» происхождения сельскохозяйственной растительной продукции.

В растение кислород поступает, помимо процесса дыхания, также в составе молекул питательных веществ (в т.ч. нитратов) и молекул воды почвенной влаги. Таким образом, изотопный состав кислорода растений является результатом микробиологической трансформации состава кислорода почвенных карбонатов, почвенного CO₂, органического вещества почвы и вносимых удобрений.

Анализ д¹⁸O влаги, содержащейся в листьях растений, не позволяет достоверно отличить «органические» сладкий перец и томаты от продукции, полученной в традиционной системе земледелия (+0,9 и -3,2 ‰ против -0,1 и -5,3 ‰, соответственно) [17]. Для лука и китайской капусты разница в значениях изотопной подписи кислорода в составе воды листьев также недостоверна (-5,98±0,52 ‰ и -6,77±0,30 ‰ против-6,28‰±0,61 ‰ и -6,77±0,27 ‰) [18].

Из числа фруктовых культур проводились исследования для апельсинов, клементинов, персиков и клубники, показавшие, что сорт, год и территория выращивания этой продукции достоверно изменяют значение изотопной подписи кислорода в составе водной фазы сока, в отличие от используемой системы земледелия [19]. На примере апельсинов сорта Valencia Late видно, что значение изотопного состава кислорода мякоти при применении минеральных удобрений достоверно не отличается от значений для этих же фруктов, выращенных с использованием минеральных удобрений, гуано и компостов на основе побочной продукции цитрусовых и отходов животноводства - +3,68, 3,65, +3,79 и 3,61 ‰, соответственно, при неопределенности измерения ±0,3‰ [20]. Аналогичная картина наблюдалась и для яблок [21] и при сравнении изотопного состава кислорода в зерне риса, выращивавшегося на географически разобщенных между собой опытных полях в эксперименте Токийского Столичного Университета с традиционной и органической системами земледелия [22].

При изучении изотопных подписей кислорода в составе зерна озимой пшеницы показано, что достоверное различие между значениями этого признака для продукции, выращенной с использованием минеральных удобрений (среднее +26,2‰) и органических (на основе животных отходов, среднее +26,4‰ или зеленых удобрений - +26,5‰) отсутствует [23].

Более оптимистично, по сравнению с перспективами использования изотопной подписи общего кислорода, выглядят результаты, полученные с помощью предложенного А. Михайловой, Н. Педенчуком и S. Kelly из Университета Восточной Англии компонент-специфичного изотопного анализа кислорода [24]. В основе этого подхода - метод денитрификации, исходно разработанный для изотопного анализа нитратов в пресной и морской воде [25] и примененный к нитратам, экстрагированным из исследуемого растительного материала с помощью горячей воды. Извлеченные таким способом нитраты трансформируются в оксид азота (I) (N₂O) с помощью культуры бактерий Pseudomonas chlororaphis, штамм ATCC No. 13985, чей генетический код был искусственно модифицирован с тем, чтобы эти микроорганизмы после переработки нитратов в оксид азота (I) не выполняли дальнейшую трансформацию N₂O в N₂.

Диапазоны значений д¹⁸O_NO3 минеральных и органических удобрений существенно различаются. Поступление всех трех атомов кислорода из атмосферного O₂ в ходе производства минеральных удобрений обусловливает близость диапазона значений изотопной подписи кислорода нитратов синтетических удобрений (+17…+25 ‰ [26]) к величине, характерной для кислорода воздуха (среднее значение д¹⁸O равно +23‰ [27]). Значения изотопной подписи кислорода нитратов, образующихся в ходе минерализации и дальнейшей трансформации почвенными микроорганизмами органических удобрений, находятся в диапазоне -10…+10 ‰ [28], что объясняется поступлением в ион NO₃^_ двух атомов кислорода, происходящих из почвенной воды (диапазон значений изотопного состава кислорода -22…+8 ‰ [29, 30]), и только одного атома кислорода, берущего начало в воздухе. Можно ожидать соответствующее различие значений д¹⁸O_NO3 для сельскохозяйственной продукции, выращенной с использованием минеральных удобрений и без них, ввиду слабовыраженного изменения изотопного состава кислорода в ходе процесса поглощения растениями из почвенного раствора [31].

В вегетационном эксперименте с латуком значения д¹⁸O_NO3 для салата, выращенного с использованием калийной селитры, были с уровнем достоверности p<0.05 выше, чем для растительной массы этой же культуры, полученной с применением куриного помета, независимо от доз этих удобрений (рис. 1).

Рис. 1. Изотопный состав кислорода нитратов в салате латук при выращивании с использованием минерального и органического удобрения [24]

В продолжение этой работы был проведен сравнительный анализ д¹⁸O_NO3 коммерчески доступных томатов и картофеля. И также была получена достоверная разница между значениями отношений стабильных изотопов кислорода нитратов для плодов, полученных в традиционной и органической системе земледелия: +45,3‰ и +27,3‰ для первой и +22,6‰ и 15,1‰ для второй культуры.

Однако в полевом опыте с выращиванием капусты и моркови д¹⁸O_NO3 показал свою неэффективность (наряду с определенным для каждого овоща д¹⁸O) для дифференциации продукции, полученной с использованием органических и минеральных удобрений. Предложен альтернативный метод, также основанный на компонент-специфичном подходе: анализ отношений стабильных изотопов кислорода в составе сульфатов, экстрагированных из растительных тканей [32]. Извлечение сульфатов основано на комбинации нескольких методов, разработанных для изотопного анализа морской и пресной воды [33, 34]. Процедура включает извлечение водой из растительных тканей растворенных сульфатов с последующим осаждением хлоридом бария с формированием нерастворимого сульфата бария.

Диапазоны значений д¹⁸O_SO4 минеральных и органических удобрений существенно различаются. Значения изотопной подписи кислорода сульфатов синтетических удобрений находятся в диапазоне +8…+20 ‰ [35], что объясняется основным источником кислорода, используемым для получения промышленных удобрений: серной кислотой, синтезируемой с использованием атмосферного кислорода (д¹⁸O = +23‰). Известные значения д¹⁸O_SO4 для органических удобрений находятся в диапазоне +4…+6 ‰ [36], что объясняется основным источником кислорода - водой, находящейся в живых организмах, отходами жизнедеятельности которых являются эти удобрения [37].

Использовавшиеся в вышеупомянутом полевом опыте удобрения значительно отличались по значениям д¹⁸O_SO4: -+9,9…+10,4 ‰ для органических удобрений и +13,6…+16,2 ‰ для минеральных.

Сравнение отношений стабильных изотопов кислорода сульфатов позволило однозначно отличить овощную продукцию, выращенную с использованием органических и минеральных удобрений (рис. 2).

Как демонстрирует наш обзор, комплексный мультиэлементный анализ отношений стабильных изотопов биогенных элементов как самой продукции, так и отдельных ее составляющих, может служить цели подтверждения подлинности органической продукции. В то же время очевидна ограниченность накопленного к настоящему времени экспериментального материала, что требует дальнейшей опытной работы (включая массовые вегетационные и полевые опыты, развитие аналитических подходов), способной послужить основой для составления нормативных документов, регламентирующих аналитические процедуры, необходимые для подтверждения соответствия органической продукции при ее сертификации.

Рис. 2. Отношение стабильных изотопов кислорода сульфатов для картофеля, капусты и моркови, выращенной в традиционной системе земледелия (C) и органической с разными видами органических удобрений (OA и OB) [32]

*Работа выполнена по государственному заданию № АААА-А18-118030590015-7.

азот сельскохозяйственный кислород зерно

Список использованных источников

1. Бучаченко А.Л. Новая изотопия в химии и биохимии / Ин-т проблем хим. физики РАН. - М.: Наука. - 2007. - 189 с.

2. Галимов Э.М. Природа биологического фракционирования изотопов // Наука. - 1981. - 247 с.

3. Peterson B.J., B. Fry. Stable isotopes in ecosystem studies. Annual review of ecology and systematics. - 1987. - 18. - Pp. 293-320.

4. A. Mariotti A., J.C. Germon, P. Hubert, P. Kaiser, R. Letolle, A. Tardieux, P. Tardieux. Experimental determination of nitrogen kinetic isotope fractions: Some principles; illustration for the denitrification and nitrification processes. Plant and Soil. - 1981. - 62. - Pp. 413-430.

5. Тиунов А.В. Стабильные изотопы углерода и азота в почвенно-экологических исследованиях // Известия РАН. Серия биологическая. - 2007, №4. - С. 475-489.

6. Федоров Ю.А. Биогеохимия стабильных изотопов кислорода. - Деп.в ВИНИТИ. - 1985, №470. - 42 с.

7. Cheng H.H., Bremner J.M., Edwards A.P. Variations of nitrogen-15 abundance in soils // Science. - 1964. V. 146. - Pp. 1574-1575.

8. Hoefs J. Stable Isotope Geochemistry, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2018. - 437 p. 10.1007/978-3-319-78527-1.

9. Michelsen, A., Schmidt I.K., Jonasson S., Quarmby C., Sleep D. Leaf 15N abundance of subarctic plants provides field evidence that ericoid, ectomycorrhizal and non- and arbuscular mycorrhizal species access different sources of nitrogen // Oecologia. - 1996. V. 105. Pp. 53-63.

10. Bateman A.S., Kelly S.D. Fertilizer nitrogen isotope signatures. Isotopes in environmental and health studies. - 2007. - 43 (3). - Pp. 237-47. DOI 10.1080/10256010701550732.

11. Макаров М.И. Изотопный состав азота в почвах и растениях: использование в экологических исследованиях (обзор) // Почвоведение. - 2009, №12. - С. 1432-1445.

12. Метод меченых атомов в биологии / Под. ред. А.М. Кузина. - М.: МГУ. - 1955. - 452 с.

13 Литвинский В.А., Носиков В.В., Сушкова Л.О., Гришина Е.А., Белопухов С.Л., Верхотуров В.В. Применение метода анализа отношений стабильных изотопов азота в сельскохозяйственной продукции с целью идентификации его генезиса в контексте органического земледелия // Научные основы пищевых технологий. - 2019, №5. - С. 3-10.

14. Литвинский В.А., Носиков В.В., Сушкова Л.О., Гришина Е.А. К вопросу о возможности использования изотопного состава азота и водорода для идентификации азота минеральных удобрений // Проблемы агрохимии и экологии. - 2019, №4. - В печати.

15. Литвинский В.А., Носиков В.В., Сушкова Л.О., Гришина Е.А. Возможность использования анализа отношений стабильных изотопов серы и азота, как критерий, позволяющий идентифицировать систему удобрений при выращивании сельскохозяйственной продукции // Агрохимический вестник. - 2019, №6. - C. 79-82.

16 Kendall, C., Caldwell, E.A. Fundamentals of isotope geochemistry. In: C. Kendall and J.J. McDonnell, editors, Isotope tracers in catchment hydrology. Elsevier. - Amsterdam. - 1998. - Рp. 519-576.

17. Schmidt, H., RoЯmann, A., Voerkelius, S., Schnitzler, W. H., Georgi, M., GraЯmann, J., Winkler, R. Isotope characteristics of vegetables and wheat from conventional and organic production. Isotopes in Environmental and Health Studies. - 2005, №41(3). - Рp. 223-228. DOI 10.1080/10256010500230072.

18. Georgi M. et al. Multielement isotope ratios of vegetables from integrated and organic production // Plant and Soil. - 2005, т. 275, №. 1-2. - Рp. 93-100.

19. Camin F., Perini M., Bontempo L., Fabroni S., Faedi W., Magnani S., Baruzzi G., Bonoli M., Tabilio M.R., Musmeci S., Rossmann A., Kelly S.D., Rapisarda P. Potential isotopic and chemical markers for characterising organic fruits // Food Chemistry. - 2011. - 125. - Рp. 1072-1082.

20. Rapisarda P., Camin F., Fabroni S., Perini M., Torrisi B., & Intrigliolo F. Influence of Different Organic Fertilizers on Quality Parameters and the д15N, д13C, д2H, д34S, and д18O Values of Orange Fruit (Citrus sinensis L. Osbeck) // Journal of agricultural and food chemistry. - 2010. - 58(6). - Рp. 3502-3506. DOI 10.1021/jf903952v.

21. Bat, K. B., Vidrih, R., Necemer, M., Vodopivec, B. M., Mulic, I., Kump, P., & Ogrinc, N. (2012). Characterization of Slovenian apples with respect to their botanical and geographical origin and agricultural production practice // Food Technology and Biotechnology. - 2012, 50(1). - Р. 107.

22. Suzuki Y., Nakashita R., Akamatsu F., Korenaga T. Multiple stable isotope analyses for verifying geographical origin and agricultural practice of Japanese rice samples. Bunseki Kagaku. - 2009, №12(58). - Рp. 1053-1058.

23. Laursen K.H., Mihailova A., Kelly S.D., Epov V.N., Bйrail S., Schjoerring J.K., Husted S. Is it really organic? - Multi-isotopic analysis as a tool to discriminate between organic and conventional plants // Food chemistry. - 2013. - 141(3), - Рp. 2812-2820. DOI 10.1016/j.foodchem.2013.05.068.

24. Mihailova A., Pedentchouk N., & Kelly S.D. (2014). Stable isotope analysis of plant-derived nitrate-Novel method for discrimination between organically and conventionally grown vegetables. Food chemistry, 154. Рp. 238-245.

25. Casciotti K.L., Sigman D.M., Hastings M.G., Bцhlke J.K., & Hilkert A. (2002). Measurement of the oxygen isotopic composition of nitrate in seawater and freshwater using the denitrifier method // Analytical Chemistry. 74, 4905-4912.

26. Amberger A., & Schmidt H.L. (1987). Naturliche Isotopengehalte von Nitrat als Indikatoren fur dessen Herkunft // Geochimica et Cosmochimica Acta. 51. 2699-2705.

27 Kroopnick P., & Craig H. (1972). Atmospheric oxygen: isotopic composition and solubility fractionation // Science. 175. 54-55.

28. Kendall C., E.M. Elliott and S.D. Wankel. 2007. Tracing anthropogenic inputs of nitrogen to ecosystems. pp. 375-449. In: R. Michener and K. Lajtha (eds.) // Stable Isotopes in Ecology and Environmental Science. -Oxford: Blackwell.

29. Hsieh J.C., Chadwick O.A., Kelly E.F., & Savin S.M. (1998). Oxygen isotopic composition of soil water: quantifying evaporation and transpiration // Geoderma, 82(1-3), 269-293.

30. Stoll M. (2014). H and O stable isotope compositions of different soil water types-effect of soil properties.

31. Dawson T.E., & Ehleringer J.R. (1991). Streamside trees that do not use stream water // Nature, 350(6316), 335.

32. Novak V., Adler J., Husted S., Fromberg A., Laursen K.H. Authenticity testing of organically grown vegetables by stable isotope ratio analysis of oxygen in plant-derived sulphate // Food Chemistry. - 2019. - 291. - Рp. 59-67.

33. Blake R.E., Surkov A.V., Bцttcher M.E., Ferdelman T.G., & Jшrgensen B.B. (2006). Oxygen isotope composition of dissolved sulfate in deep-sea sediments: eastern equatorial Pacific Ocean // Proceedings of the Ocean Drilling Programm. Scientific Results. 201, 1-24.

34. Kang P.-G., Mayer B., & Mitchell M.J. (2012). Comparison of sample preparation methods for stable isotope analysis of dissolved sulphate in forested watersheds -- Isotopes in Environmental and Health Studies. 48(3), 410-420.

35. Vitoria L., Otero N., Soler A., Canals A., Fertilizer Characterization:-- Isotopic Data (N, S, O, C, and Sr) Environmental Science Technology. - 2004. - 38(12). - Рp. 3254-3262.

36. Otero N., А. Canals and A. Soler. 2007. Using dual-isotope data to trace the origin and processes of dissolved sulphate: A case study in Calders stream (Llobregat Basin, Spain) // Aquat. Geochem. 13:109-126. doi:10.1007/s10498-007-9010-3.

37. Koch P.L. 2007. Isotopic study of the biology of modern and fossil vertebrates. In: R. Michener and K. Lajtha, editors, Stable isotopes in ecology and environmental science. 2nd ed. Blackwell Publ. - Boston: MA. - Рp. 99-154.

38. Литвинский В.А., Сушкова Л.О., Гришина Е.А., Носиков В.В. Возможности применения метода анализа отношений стабильных изотопов азота и кислорода для идентификации азота органических и минеральных удобрений и подтверждения органического происхождения сельскохозяйственной продукции // АгроЭкоИнфо. - 2019, №4.

Размещено на Allbest.ru