CC BY
21
УДК 620.3:63
DOI 10.24411/0235-2516-2018-10062
ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАНОСТРУКТУРНОЙ ВОДНО-БЕНТОНИТОВОЙ СУСПЕНЗИИ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН
1Н.Л. Шаронова, к.б.н., 1Г.Ф. Рахманова, 1И.А. Яппаров, д.б.н., 2Т.А. Сибгатуллин, к.б.н.
1 Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения ФИЦКазанский научный центр РАН, e-mail: [email protected]
2Казанский институт биохимии и биофизики - обособленное структурное подразделение ФИЦ «Казанский научный центр РАН», e-mail: [email protected]
Проведены исследования биобезопасности и эффективности использования наноструктурной водно-бентонитовой суспензии для предпосевной обработки семян. В процессе оценки действия наноструктурной водно-бентонитовой суспензии на 9 видов тест-растений установлена ее биологическая безопасность в концентрациях 0,25-10,0 кг/т семян. Применение наноструктурной водно-бентонитовой суспензии способствовало повышению полевой всхожести семян вики посевной и люцерны изменчивой до 90,0-91,0%, росту надземной биомассы - до 1,15-1,22 кг/м2.
Ключевые слова, наноструктурная водно-бентонитовая суспензия, биобезопасность, вика посевная, люцерна изменчивая, урожайность зеленой массы.
EFFICIENCY OF NANOSTRUCTURED WATER-BENTONITE SUSPENSION FOR PRESOWING SEEDS TREATMENT
lPh.D. N.L. Sharonova, :G.F. Rakhmanova, lDr.Sci. I.A. Yapparov, 2Ph.D. T.A. Sibgatullin
lTatar Scientific Research Institute of Agrochemistry and Soil Science, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences, e-mail: [email protected] 2Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences, e-mail: [email protected]
Investigations of biosafety and efficiency of using nanostructured water-bentonite suspension for precise seed treatment were conducted. There were established a biological safety of nanostructured water-bentonite suspension on 9 species of test plants at concentrations of 0.25-10.0 kg/t of seeds. The use of a nanostructured water-bentonite suspension promoted an increase the field germination of vetch and alfalfa seed to 90.0-91.0%, above-ground biomass to 1.15-1.22 kg/m2.
Keywords: nanostructured water-bentonite suspension, biosafety, vetch, alfalfa, yield of green mass.
Применение био- и нанотехнологий способно обеспечить устойчивое развитие АПК и получение высококачественных, экологически чистых продуктов питания [1, 2]. Без использования инноваций сельскохозяйственное производство России будет оставаться высокозатратным и проигрывать в конкурентоспособности. Наноматериалы способны оказывать комплексное положительное действие на рост и развитие растительных организмов, повышать их устойчивость к патогенам, стимулировать урожайность и улучшать качество сельскохозяйственной продукции [3-9]. Биологические эффекты наноматериалов представляют большой интерес, поскольку в условиях возрастающего техногенного прессинга крайне важно повысить адаптивный потенциал растений. Для оценки потенциального риска применения новых видов наноматериалов важным этапом является их комплексное тестирование [10]. С помощью метода просвечивающей
электронной микроскопии выявлено проникновение углеродных нанотрубок через клеточную стенку и их накопление в корнях и листьях [11]. Растения могут использовать энергию поступающих извне наночастиц, а наночастицы оказывать пролонгирующее действие, регулируя минеральное питание, углеводный обмен, синтез аминокислот и дыхание клеток [12]. В сельскохозяйственном производстве для улучшения свойств почв, в качестве удобрений, мелиорантов и кормовых добавок широко используют природные нерудные минералы, поскольку в их составе присутствует широкий спектр биогенных макро- и микроэлементов [13, 15].
Цель работы - оценка биобезопасности и эффективности применения наноструктурной водно-бентонитовой суспензии в отношении роста и развития растений.
Объекты и методы исследований. В качестве средств для предпосевной обработки семян расте-
ний использовали бентонит Тарн-Варского месторождения Республики Татарстан и наноструктур-ную водно-бентонитовую суспензию (НВБС).
НВБС изготавливали согласно методике, предложенной В.О. Ежковым и др. [11]. Химический состав определяли методом количественного спектрального анализа на спектрометре ЭС-1 на базе дифракционного спектрографа ДФС-458С и фотоэлектронного регистрирующего устройства типа ФП-4, оснащенных компьютерной программой, без специальной пробоподготовки. Химический состав бентонита и НВБС представлен следующими соединениями, %: SÍO2 - 66,6; AhO3 - 17,04; Fe2O3 -5,5; K2O - 2,5; MgO - 1,5; CaO - 0,8; TiO2 - 0,6; SO3 - 0,4; Na2O - 0,2; P2O5 - 0,1; MnO - 0,03; органический остаток - 4,7. Соединения кадмия, ртути, мышьяка и свинца отсутствуют. Минеральный состав, %: монтмориллонит - 80,0-82,0; гидрослюда - 6,08,0; каолинит - 6,0 и кварц - 5,0-7,0 [16].
Оценку действия наноматериала на растения по морфологическим признакам в ходе тестирования безопасности и мониторинга состояния окружающей среды проводили по МУ 1.2.2968-11 [10]. В лабораторных опытах при биотестировании нано-материалов в качестве тест-культур были использованы семена 9 культурных растений - горох (Pisum sativum L.) сорта Кабан, яровая пшеница (Triticum vulgare L.) сорта Йолдыз, яровой рапс (Brassica napus L.) сорта Юмарт, огурец (Cucumis sativus L.) сорта Кураж, кукуруза (Zea mays L.) сорта Молдавская 215, гречиха (Fagopyrum esculentum Moench. ) сорта Саулык, редис (Raphanus sativus var. radicula Pers.) сорта Ранний красный, овес (^v-ena sativa L.) сорта Конкур, кресс-салат (Lepidium sativum L.) сорта Дукат. Использованные семена принадлежали к одному сорту, соответствовали первому классу, были одного года репродукции. Семена не обрабатывали протравителями.
Бентопорошок и НВБС вводили в цветковые растения путем проращивания семян на чашках Петри, содержащих вещества в виде водной суспензии. Были сформированы следующие варианты: 1 - контроль (без обработки); 2-7 - обработка семян бентопорош-ком в концентрации 0,25, 0,50, 0,75, 1,25, 5,0 и 10,0 кг/т; 8-13 - обработка семян НВБС в концентрации 0,25, 0,50, 0,75, 1,25, 5,0 и 10,0 кг/т. Для проращивания брали 10 семян. Повторность опыта четырехкратная.
Для оценки повреждающего действия исследуемых веществ на проростки использовали шкалу, представленную в таблице 1.
В полевых опытах при оценке эффективности предпосевной обработки семян НВБС использовали вику посевную (Vicia sativa L.) сорта Льговская 22 и люцерну изменчивую (Medicago х varia Martyn.) сорта Татарская пастбищная.
Полевые исследования проводили в 2014-2016 гг. на серой лесной среднесуглинистой почве Республики Татарстан: содержание гумуса 3,24%; pHKCl 6,72; гидролитическая кислотность 0,75 мг-экв/100 г почвы; сумма поглощенных оснований -29,8 мг-экв/100 г почвы; щелочно-гидролизуемый азот (по Корнфилду) 102,0 мг/кг; подвижный фосфор 136,0 мг/кг и обменный калий (по Кирсанову в модификации ЦИНАО) 116,0 мг/кг.
Схема опыта: 1) контроль (посев растений без обработки семян); 2) предпосевная обработка семян бентопорошком в дозе 1,25 кг/т; 3) предпосевная обработка семян НВБС в дозе 1,25 кг/т. Учетная площадь делянки составляла 50 м2. Размещение вариантов рендомизированное. Повторность трехкратная.
Всхожесть и энергию прорастания семян определяли согласно ГОСТ 12038-84. Фенологические наблюдения вели в соответствии с методическими указаниями [17]. Учет биомассы растений проводили спустя 90 суток после посева по окончании вегетационного периода. Биомассу надземной части определяли методом взвешивания на технических весах после высушивания при комнатной температуре.
Для статистической обработки и оценки результатов использовали метод дисперсионного анализа.
Результаты исследований. При сравнении структуры бентопорошка и НВБС с помощью сканирующего зондового микроскопа установлено, что они существенно отличались по форме, размеру и расположению частиц. Структура бентопо-рошка была представлена конгломератами частиц полигональной формы с размерами в диапазоне 0,01-2,10 мкм. Их распределение носило хаотичный характер. Частицы НВБС имели неправильную эллипсоидную форму, при этом 80,0-82,0% от общего количества частиц имела размеры 5,0-100,0 нм. Частицы НВБС имели большую удельную площадь, открытые химически активные связи и увеличенную контактную поверхность.
1. Шкала повреждающего действия бентопорошка и наноструктурной водно-бентонитовой суспензии
Определяемые показатели
(-) Повреждающее действие отсутствует Всхожесть семян достигает 90-100%, всходы дружные, проростки крепкие, ровные
(+) Слабое повреждающее действие Всхожесть 60-90%, проростки почти нормальной длины, крепкие, ровные
(++) Среднее повреждающее действие Всхожесть 20-60%, проростки по сравнению с контролем короче и тоньше, некоторые проростки имеют уродства
(+++) Сильное повреждающее действие Всхожесть семян очень низкая (менее 20%), проростки мелкие и уродливые
При оценке влияния бентопорошка на всхожесть, энергию прорастания и начальный рост проростков в диапазоне концентраций от 0,25 до 10,0 кг/т семян не установлено его повреждающего действия. Всходы в контрольном и опытных вариантах были дружные, проростки крепкие, ровные, без видимых морфологических отклонений в развитии.
В таблице 2 приведены данные по всхожести, длине корней и проростков, биомассе корней и проростков кукурузы. Всхожесть семян кукурузы при обработке бентопорошком составила 90,092,0%. При использовании НВБС всхожесть семян возрастала до 97,0% с наилучшими показателями в дозах 1,25 и 5,0 кг/т семян. Увеличение дозы НВБС до 10,0 кг/т не оказывало дальнейшего стимулирующего влияния. В вариантах с НВБС отмечали повышение энергии и быстроты прорастания семян по сравнению с контролем без обработки и предпосевной обработкой семян бентопорошком.
Длина проростков кукурузы при обработке семян бентопорошком варьировала в диапазоне 14,3-14,5 см. При обработке семян НВБС длина проростков увеличивалась на 2,1-16,0%, длина корней - на 5,311,7%. Наилучшие показатели выявлены при применении НВБС в дозах 1,25 и 5,0 кг/т семян.
Сырая биомасса проростков кукурузы при обработке семян бентопорошком в исследованных концентрациях составила 4,5-4,8 г, сырая биомасса корней - 5,0-5,2 г. Использование НВБС для обработки семян способствовало формированию большей биомассы как в случае проростков (прирост к контролю составил 6,4-21,3%), так и корней - прирост 13,325,0%. Наибольшие значения прироста показателей биомассы отмечены при использовании НВБС в дозах 1,25 и 5,0 кг/т семян. Аналогичные тенденции отмечены при исследовании всхожести семян и начального роста других растений - пшеницы, ржи, ячменя, редиса, гороха, томата, огурца, гречихи.
Всхожесть, энергия прорастания семян, накопление надземной биомассы сельскохозяйственными растениями служат основными показателями эффективности удобрений и стимуляторов роста. В контрольном варианте всхожесть семян вики посевной в первый год исследований составила 83,0%. При предпосевной обработке семян бентопорошком в дозе 1,25 кг/т всхожесть повысилась до 87,0%, а наиболее высокие показатели 90,0% были отмечены при предпосевной обработке семян НВБС в дозе 1,25 кг/т. Энергия прорастания семян повышалась на 3,2 и 9,0%. Полевая всхожесть семян люцерны изменчивой в контроле составила 85,0%. В случае обработки семян люцерны бентопорошком достоверных отличий не обнаружено, в то время как при обработке семян НВБС всхожесть составила 91,0%. Как и при выращивании вики посевной, энергия прорастания семян люцерны повышалась на 3,7 и 10,4%.
Фенологические наблюдения за ростом и развитием исследуемых растений в фазы всходов и ветвления показали, что растения, полученные из семян, обработанных бентопорошком и НВБС, росли интенсивнее по сравнению с контрольными. В первый год надземная биомасса вики посевной в контроле составила 0,96 кг/м2. Предпосевная обработка семян увеличивала фитопродуктивность: прирост к контролю при применении бентопорошка составил 14,6%, НВБС - 19,8%. Во второй и третий годы многолетнее растение люцерна изменчивая формировала большую биомассу, чем однолетний травостой вики. Биомасса растений в контроле соответственно годам составляла 1,06 и 1,10 кг/м2. Надземная биомасса люцерны при обработке семян бентопорошком за исследуемый период составила 1,10-1,14 кг/м2, прибавка к контролю - 3,8% и 3,6% во второй и третий годы исследований соответственно. НВБС в аналогичной дозе обладал большей стимулирующей активностью. Биомасса рас
2. Влияние разных концентраций бентопорошка и наноструктурной водно-бентонитовой суспензии на всхожесть семян и морфологические показатели проростков кукурузы
Доза, кг/т семян Всхожесть семян, % Длина проростков, см Длина корней, см Сырая биомасса проростков/корней, г
бентопорошок | НВБС бентопорошок | НВБС бентопорошок | НВБС бентопорошок | НВБС
0 (контроль) 91±5 14,4±1,2 17,1±1,7 4,7±0,7 5,2±0,4
0,25 кг/т 91±2 94±6 14,3±1,1 15,7±1,6 17,0±1,9 18,1±1,7 4,8±0,5 5,0±0,7 5,3±0,7 5,9±0,2
0,50 кг/т 90±5 93±4 14,3±1,0 15, 9± 1,1 17,3±1,7 18,7±1,9 4,7±0,3 5,2±0,4 5,4±0,4 6,0±0,3
0,75 кг/т 91±4 95±2 14,4±1,4 16,0±1,4 17,3±2,0 18,6±1,6 4,7±0,5 5,1±0,5 5,4±0,3 6,4±0,3
1,25 кг/т 92±3 97±3 14,3±1,3 16,7±1,0 17,3±1,8 19,1±1,5 4,6±0,3 5,2±0,6 5,7±0,3 6,5±0,7
5,0 кг/т 92±6 97±6 14,5±1,2 16,7±1,5 17,1±1,7 19,0±1,6 4,5±0,4 5,2±0,3 5,6±0,1 6,4±0,2
10,0 кг/т 90±3 91±2 14,3±1,0 14,7±1,1 17,1±1,6 18,0±1,3 4,5±0,1 5,1±0,3 5,0±0,2 5,9±0,4
Примечание: значения достоверны при Р < 0,05.
тений во второй год составила 1,17 кг/м2, что выше контроля на 10,4%; в третий год - 1,22 кг/м2, прирост к контролю - 10,9%.
Вынос элементов питания с урожаем зеленой массы растений складывался в соответствии с типом возделываемой культуры и способом обработки семян. При выращивании вики посевной вынос азота с урожаем зеленой массы с 1 га составил 5,0-5,6 кг/т, с наибольшими показателями у растений, семена которых были обработаны НВБС. При выращивании люцерны (второй и третий годы исследований) вынос азота незначительно вырос и составил в среднем 5,3 кг/т в отсутствии обработки семян, при обработке семян бентопорошком 5,6 кг/т и НВБС - 5,7 кг/т. Вынос фосфора при выращивании вики в вариан-
тах без обработки составил 1,4 кг/т, при использовании бентопорошка - 1,6 кг/т, НВБС - 1,7 кг/т. В случае люцерны значения показателя выноса фосфора составили в среднем 1,6 кг/т по всем вариантам. Вынос калия при выращивании растений существенно не менялся и составил в первый год 3,7 кг/т, во второй и третий годы - 3,6 кг/т.
Таким образом, оценка действия НВБС показала ее биологическую безопасность при предпосевной обработке семян вики посевной и люцерны изменчивой. Применение НВБС способствовало повышению полевой всхожести семян, росту надземной биомассы, что обеспечило увеличение урожайности.
Литература
1. Прогноз научно-технологического развития России: 2030. Новые материалы и нанотехнологии / под ред. ЛМ. Гохберга, A^. Ярославцева. - M. : Mинистерство образования и науки Российской Федерации, Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2014. - 52 с.
2. Кадомцева M.E. Био- и нанотехнологии в агропродовольственном комплексе // Вестник ПНИПУ. Социально-экономические науки, 2015, № 1. - С. 74-82.
3. Назарова A.A., Полищук С.Д. Нанопорошки металлов-микроэлементов для повышения урожайности и качества свеклы кормовой // Aгрохимический вестник, 2018, № 1. - С. 28-30.
4. Imada K., Sakai S., Kajihara H., Tanaka S., Ito S. Magnesium oxide nanoparticles induce systemic resistance in tomato against bacterial wilt disease // Plant Pathol., 2016, V. 65. - P. 551-560.
5. Kumar V., Guleria P., Kumar V., Yadav S.K. Gold nanoparticle exposure induces growth and yield enhancement in Arabidopsis thaliana // Sci. Total Environ., 2013, V. 461-462. - P. 462-468.
6. Sharonova N.L., Yapparov A.K., Khisamutdinov N.S., Ezhkova A.M., Yapparov I.A., Ezhkov V.O., Degtyareva I.A., Babynin E.V. Nanostructured water-phosphorite suspension is a new promising fertilizer // Nanotechnologies in Russia, 2015, Vol. 10, № 7-8. - P. 651-661.
7. Смирнова E.A., Гусев A.A., Зайцева О.Н. и др. Углеродные нанотрубки проникают в ткани и клетки и оказывают стимулирующее воздействие на проростки эспарцета Onobrychis Arenaria (Kit.) Ser // Acta Naturae, 2011, Т. 3, № 1. - С. 10б-113.
8. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. - M.: Наука, 200б. - 124 с.
9. Siddiqui M.H., Al-Whaibi M.H., Firoz M., Al-Khaishany M.Y. Role of nanoparticles in plants // Nanotech. Plant Sci., 2015. - P. 19-35.
10. Порядок биологической оценки действия наноматериалов на растения по морфологическим признакам: Mето-дические указания 1.2.29б8-11. - M.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2012. - 39 с.
11. Eжков В.О., Яппаров A.X., Нефедьев E.C, Eжкова A.M., Яппаров ИА., Герасимов AH. Наноструктурные минералы: получение, химический и минеральный составы, структура и физико-химические свойства // Вестник Казанского технологического университета, 2014, Т. 17, № 11. - С. 41-45.
12. Чурилов Г.И. Эколого-биологические эффекты нанокристаллических металлов: дисс. д.б.н. - Балашиха, 2010.
- 332 с.
13. Исследования в области нанобиотехнологий в сельском хозяйстве и международное сотрудничество с Социалистической Республикой Вьетнам / под общ. ред. A.X. Яппарова. - Казань: Центр инновационных технологий, 2017.
- 320 с.
14. Варламова Л.Д., Бахарев AH., Сергеев В.В. Оценка эффективности кремнийсодержащих минералов при внесении под полевые культуры // Aгрохимический вестник, 2017, № 2. - С. 21-24.
15. Яппаров A.X., Биккинина ЛМ.-X., Яппаров ИА., Aлиев ША., Eжкова A.M., Eжков В.О., Газизов Р.Р. Изменение свойств и продуктивности чернозема выщелоченного и серой лесной почвы под влиянием мелиорантов // Почвоведение, 2015, № 10. - С. 1267-1276.
16. Eжкова A.M., Яппаров A.X., Eжков В.О., Яппаров ИА., Шаронова Н.Л., Дегтярева ИА., Xисамyтдинов Н.Ш., Биккинина ЛМ.-X. Изготовление наноразмерного бентонита, изучение его структуры, токсических свойств и определение безопасных доз применения // Российские нанотехнологии, 2015, Т. 10, № 1-2. - С. 9б-101.
17. Практикум по физиологии растений: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / под общ. ред. В.Б. Иванова. - M.: Издательский центр «Aкадемия», 2001. - 144 с.
