CC BY
223
94
Химия
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2008, № 6, с. 94-99
УДК 661.152.3
РАЗРАБОТКА И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ НОВЫХ ВИДОВ УДОБРЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
© 2008 г. Н.П. Егоров г, О.Д. Шафронов 2, Д.Н. Егоров 3, Е.В. Сулейманов 3
1 ОАО «Семеновский комбикормовый завод»
2 ФГУ «Центр агрохимической службы “Нижегородский”»
3 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
Поступила и редакцию 20.09.2008
Проводится обзор методов использования продукции нанотехнологий в растениеводстве с целью повышения урожайности зерновых и других сельскохозяйственных культур. Представлены результаты, полученные авторами при разработке водорастворимого комплекса «Green Lift» на основе полимеров, нанодисперсных металлов и биологически активных веществ, а также результаты испытаний предложенной концепции применения данного коммерческого продукта.
Ключеиые слоиа: нанотехнологии, химические удобрения, сельское хозяйство.
Ввиду универсальности многих нанотехнологий, накопленный опыт работы в высокотехнологичных областях целесообразно адаптировать для решения задач АПК при производстве и переработке продукции сельского хозяйства, в сферах биотехнологий, строительства, технического сервиса и сельскохозяйственного машиностроения. Использование нанообъектов с размерами, соизмеримыми с радиусом действия межмолекулярных сил, позволяет реализовывать новые явления и процессы [1-4].
Так, применение нанопрепаратов, совмещенных с бактериородопсином, приводит к повышению устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличению урожайности (в среднем в 1.5-2 раза) практически всех производственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (лен, хлопок) культур [5].
Немаловажной является тенденция удешевления на мировых рынках используемых сырьевых нанокомпонентов. Поэтому при построении бизнес-процессов в инновационных областях возможны минимальные маркетинговые затраты для продвижения новой продукции на рынки, поскольку бренд «нано» уже работает и наблюдается «условный принцип» А*В = const, где А - стоимость научной разработки, В - остальные затраты выхода продукции на рынок.
1. Развитие концепции комплексного системного подхода к вопросам питания и стимуляции роста растений с использованием нанотехнологий
В основе предлагаемой разработки лежит последовательное применение в растениеводстве и земледелии ряда направлений, независимо исследуемых агрохимической наукой. В конечном итоге идея реализуется с использованием стандартных агроприемов - предпосевной обработки семян, внекорневой и корневой подкормки по фазам развития растений. При этом ставится задача повышения урожайности сельскохозяйственных культур, качества и конкурентоспособности растительного сырья за счет совместного взаимодействия ряда факторов, рассмотренных в виде следующих положений.
1.1. Препараты на основе нанопорошков биогенных элементов. Возможность эффективного использования в земледелии и растениеводстве процессов в наноразмерном диапазоне показана в работах [5-11].
Оказалось, что растения сами способны создавать и накапливать высокодисперсные частицы химических элементов, например золота (люцерна, пшеница, овес), кремния (крапива). Они также используют поверхностную энергию поступающих извне наночастиц и, в частности, полученную семенем во время предпосевной обработки.
Наночастицы воздействуют на биологические объекты на клеточном уровне, внося свою избыточную энергию, повышающую эффективность протекающих в растениях процессов, а также, участвуя в процессах микроэлементного баланса, т.е. являются биоактивными. Получаемые варианты наноформ таких металлов как железо, цинк и медь, в отличие от их солей, потенциально менее токсичны. Они расходуются постепенно, генерируя по мере необходимости ионы и электроны, быстро включающиеся в биохимические реакции в момент образования. Таким образом, достигается пролонгирующий эффект питания растений с огромной удельной поверхности (сотни квадратных метров на 1 грамм вещества), содержащей множество источников, окруженных оболочкой ионов. Препараты вносятся в микродозах и не загрязняют среду.
Они, участвуя в процессах переноса электронов, усиливают действие ферментов, переводящих нитраты в аммонийный азот, расширяют возможности воздействия на дыхание клеток, фотосинтез, синтез ферментов и аминокислот, углеводный и азотный обмен, а также непосредственно на минеральное питание растений.
Имея высокую подвижность, они взаимодействуют друг с другом и могут конгломериро-вать на поверхности растений, регулируя целевые эффекты.
Так, наночастицы меди, железа, цинка обладают бактерицидными свойствами и могут дополнять и усиливать традиционные средства защиты.
Их действие основано на том, что в условиях почвы они постепенно окисляются, создавая на поверхности семян условия, неблагоприятные для обитания патогенной микрофлоры. При этом поражаются (в отличие от растений и живых существ) наименее энергоёмкие оболочки клеток бактерий, лишающихся защитных функций и доступа кислорода, в частности, в результате ингибирования ферментов дыхательной цепи. Безоболочечные клетки вирусов и верои-дов могут также уничтожаться. Мощным лидером этих избирательных процессов являются наночастицы серебра, нашедшие в данном направлении широкое коммерческое применение.
Действующие дозы не заменяют, а дополняют существующий агрофон. Они значительно ниже физиологических норм растений и составляют несколько миллиграмм микроэлементов на гектар или тонну семян зерновых культур. При этом они не деформируют генную систему, обеспечивая стабильность в продуктивности растений.
Таким образом, вопросы защиты растений целесообразно рассматривать в контексте со-
вместного применения в баковых смесях наночастиц биогенных элементов и уменьшенных доз ядохимикатов. Расширяя ассортимент химических элементов, из которых формируются наночастицы, можно замедлять процессы приспособления вредителей к ядохимикатам, а также избирательно воздействовать на популяции, устойчивые к традиционным схемам защиты растений.
Другим перспективным направлением является обогащение через растительное сырье продуктов питания, комбикормов, медицинских и ветеринарных препаратов селеном, йодом, германием, кремнием, кальцием и другими элементами в биологически активных наноформах.
1.2. Использование регуляторов роста и мембраноактивных веществ. К настоящему времени создано уже свыше нескольких тысяч препаратов химического, микробного и растительного происхождения, обладающих регуляторным действием. Они помогают нивелировать последствия отрицательного воздействия различных факторов среды, сочетать урожайность зерновых культур с высоким качеством и т.д. Известно, что торможение процессов роста является основной причиной снижения урожаев при засухе [12].
Перспективным считается направление применения очень низких концентраций с целью получения экологически чистой продукции. Один из примеров препаратов нового поколения - «Мелафен», работающий в количествах менее 110-7 - 1-10-9 % [13].
Представляют интерес также мембраноактивные вещества как средства трансмембранной доставки питательных веществ, обеспечивающие их включение во внутриклеточный синтез [14]. В качестве контейнеров для доставки биопрепаратов в места назначения в строго определённых дозах стали использовать один из наиболее популярных наноматериалов - углеродные нанотрубки.
Отмечается возможность повышения биологической активности биостимуляторов за счёт введения наночастиц [15].
1.3. Стабилизация компонентов в матрице полимерных материалов. В качестве плен-кообразователей эффективно используются полимеры, в цепях которых находятся функциональные группы, способные играть роль лигандов [16, 17]. При этом образуются устойчивые комплексы ионов металлов с полимерными макромолекулами. Удаление растворителя (воды) приводит к образованию полимерных ре-
шеток, наполненных наночастицами металлов и целевыми добавками в молекулярной и ионизированной формах.
Реализуя возможности методов полимеризации, можно менять характер относительного пространственного расположения органических и неорганических фрагментов, природу межмо-лекулярных взаимодействий и, следовательно, целевые физико-химические свойства получаемого нанокомпозита. Многообразие трехмерных фрагментов и соответствующих каркасных структур пленок позволяет регулировать следующие процессы: растворение, порообразование, газообмен, диффузию и совместимость компонентов, поверхностно-активные свойства, пластичность и влагоудержание. С течением времени полимерная матрица подвергается деструкции и биоразложению, конгломерируя и структурируя почву.
Возможность образовывать синтетические органоминеральные гели, совместимые с почвенными растворами и природными полимерными веществами, позволяет агрегировать почву, защищая от эрозии и деградации. Полимеры сцепляют частицы грунта, закрепляют песчаные откосы, усиливают буферные свойства почвы, а также препятствуют испарению влаги с поверхности, повышая ее температуру на 2 3 граду-
са. Эти процессы регулируются концентрацией полимеров и толщиной образуемой пленки и могут использоваться для создания почвообразующих добавок и восстановления почвенного плодородия.
1.4. Локальное питание растений как основа для разработки ресурсосберегающих экологически безопасных агротехнологий. Природа влияния локального распределения минеральных удобрений, когда часть корневой системы растения функционирует в условиях гиперконцентрации ионов, остаётся во многом непознанной. Создаваемое при этом гетерогенное распределение элементов в корнеобитаемой среде является дополнительным фактором активации ростовых функций корневой системы и надземных органов [18]. Отмечаются значительные преимущества данной технологии в сравнении с разбросным (экранным) способом применения удобрения и её широкое внедрение в мировой практике.
Данный аспект важен при повышении эффективности обсуждаемой технологии возделывания растений на основе дробного применения по различным схемам приготовления и использования жидких комплексов, позволяющих корректировать дозы, сроки и характер воздей-
ствия при решении задач предпосевной обработки семян и подкормки растений.
В целом системный подход использования адресной доставки растениям необходимых компонентов в виде жидких комплексов является физиологичным, экологичным и экономичным агроприёмом. Это направление рационально и перспективно с учётом дальнейшего развития нанотехнологий и методов интенсификации химико-технологических процессов (применение гравитационных мельниц, вихревых и кавитационных потоков, электромагнитных полей и т.д.), позволяющих «активировать», «подзаряжать», изменять растворимость и модифицировать различные удобрения и агрохимические препараты.
Данная концепция реализуется в разработанном нами комплексном агрохимическом продукте «Green Lift» и ресурсосберегающих способах его применения, обеспечивающих получение растением необходимых средств питания, биостимуляции и защиты одновременно согласно фазам развития. Функциональный состав комплекса можно представить в виде схемы, показанной на рисунке.
2. Объемы и методы исследований
2.1. Разработка состава полимерного пленкообразователя агрохимического применения. Синтезированные нами композиции представляют собой водорастворимые насыщенные многокомпонентные полимерносолевые системы на основе смесей анионных полиэлектролитов, с низкой вязкостью и высокой степенью наполнения.
Они имеют следующие характеристики:
- обладают свойствами поверхностно-активных веществ при смачивании поверхности растений;
-образуют стабильные водные растворы с буферными свойствами при рН 6-7;
- образуют пленки с необходимой адгезией, пластичностью, газо- и водопроницаемостью;
- имеют особенности структуры, позволяющие связывать и наполнять полимерный каркас различными целевыми добавками с весовой концентрацией, составляющей сотни процентов;
- подвержены медленному разрушению пленки в природных условиях с выделением биогенных элементов.
В результате модифицирования широко распространенных типовых полимерных систем нами получены гидрофильные полимеры, содержащие функциональные группы, харак-
Рис. Схема использования водорастворимого, пленкообразующего комплекса «Green Lift», стимулирующего рост и питание сельскохозяйственных растений
терные для природных органических веществ, в частности незаменимых аминокислот ^-СН(ЫН2)-СООН) - структурных элементов белков.
Исследовались системы на основе поливинилового спирта (-ОН), полиакриловой кислоты (-СООН), полиакриламида (-ЫИ2), полиак-рилонитрила (-СК), являющихся химическими мелиорантами, структурирующими грунт. В процессе деструкции последних образуются органические кислоты, которые, в свою очередь, попадая в почвенный поглощающий горизонт, «выбивают» оттуда дополнительные количества минеральных веществ, необходимых растениям.
Подобранные полимеры хорошо растворяются в воде и способны к образованию водородных связей и другим специфическим кооперативным межмолекулярным взаимодействиям, образующим структуру (матрицу) различной топологии. При введении в эту «сетку» низкомолекулярных веществ создается композиционная система, в которой активные компоненты -сольватированные катионы и наночастицы ме-
таллов - иммобилизованы координационными связями, влияющими на процессы их диффузии в направлении градиента концентрации.
В образуемых композиционных пленках «носителями наноразмеров» являются как частицы добавок, включённых в матричный полимер, так и элементы структуры самой матрицы. Последняя определяет характер распределения образованного в ней многообразного гетерогенного ансамбля частиц различного размера и химического состава.
Исследуемые составы позволяют разрабатывать технологии обработки семян, почвы и внекорневой подкормки, комплексно решая следующие вопросы:
- повышение качества семенного материала, выравнивание условий сева, регулировка доступа влаги и питательных веществ, улучшение температурного режима в период всходов;
- повышение эффективности применения средств защиты и питания растений;
- совмещение подкормки растений со структурированием почвы.
2.2. Введение целевых добавок — элементов питания растений и защитно-стимулиру-ющих составов. Оптимизация состава и оценка совместного действия активных добавок являются наиболее важным этапом исследований, позволяющим получить взаимное усиление агрохимических свойств. С этой целью в полимерную «матрицу» совместно вводились следующие компоненты:
1. Солевые водорастворимые формы, содержащие элементы С, Н, О, N (общий, аммонийный, нитратный), Р, S, В, К, Са, Mg, Си, Zn, Fe, Мп, Мо, I, Se.
2. Органические кислоты, стимулирующие синтез ростовых веществ, протонные и апро-тонные растворители, являющиеся мембраноактивными веществами и средствами доставки питательных элементов.
3. Наночастицы металлов ^е, Zn, Си) в виде жидкой дисперсии, стабилизированные ультразвуковой обработкой и введением поверхностно-активных веществ. Были подобраны условия, препятствующие их агломерации и потере активности.
4. Экстракты, содержащие природные биостимуляторы (гуматы).
2.3. Стадии производства концентрата.
Стадия I. Дозирование различных компонентов, приготовление водных растворов заданной концентрации, стандартизация физико-химических характеристик.
Стадия II. Введение компонентов в полимерный комплекс путем смешения.
Стадия III. Приготовление смеси азотной и фосфорной кислот, введение ее в комплекс путем смешения.
Стадия IV. Приготовление и введение дополнительных ингредиентов под заказ.
Стадия V. Стабилизация буферного раствора комплекса по рН 6-7, растворимости, вязкости и другим свойствам. Выходной метрологический контроль состава.
Стадия VI. Расфасовка, отгрузка.
2.4. Проведение полевых опытов. Осенью 2007 г. и в вегетационном сезоне 2008 г. агрохимической службой ФГУ ЦАС «Нижегородский» проведена закладка полевых мелкоделя-ночных и производственных опытов по испытаниям разработанного нами водорастворимого комплекса «Green Lift». Проведен сев обработанных семян пшеницы в Г агинском, Лукоянов-ском, Чкаловском, Кстовском и Богородском районах Нижегородской области. Контролировались несколько вариантов изменения состава и концентраций, условия и динамика опытов, агрохимические характеристики участков.
Было установлено увеличение густоты всходов пшеницы (шт/м2) ввиду наличия некоторых фунгицидных свойств у «Green Lift», а также синергетического эффекта при совместном применении с химическими средствами защиты. Так, например, совместное применение с препаратом «Стингер» дало наилучшие показатели по снижению в 7 раз поражений корневыми гнилями яровой пшеницы в фазе кущения (ГОУ «Работкинский аграрный колледж»). Положительные результаты также получены с препаратами «Ковбой» и «Рефери» (СПК «Мир» Богородского района).
Эффект взаимного усиления воздействия препаратов иллюстрирует таблица, представленная фитосанитарным отделом ФГУ «Нижегородский референтный центр “Россельхознад-зора”» по результатам применения плёнкообразующего комплекса «Green Lift» на яровой
Таблица
Результаты применения плёнкообразующего комплекса «Green Lift» на яровой пшенице в ОАО «Новоисуповское» Г агинского района в 2007 году
Вариант обработки Обработка семян при протравливании Поражение корневыми гнилями (развитие болезни) Химическая прополка 05.06.2007 Биологические показатели по вариантам
количество зёрен в колосе, шт. масса 1GGG зёрен, г биологическая урожайность, ц/га прибавка урожая, ц/га
Применение пленкообразующей добавки «Green Lift» «Дивиденд микс», добавка «Green Lift» 0.4% «Диален супер» 0.2 л/га, «Магнум» 6 г/га, «Green Lift» 1 л/га 15 4G.1 24.3 З.8
Эталон (схема, принятая в хозяйстве) «Дивиденд микс» 4.5% «Диален супер» 0.2 л/га, «Магнум» 6 г/га 1З З9Ю 20.5
пшенице в ОАО «Новоисуповское» Гагинского района в 2007 году. В приведенных результатах, в первую очередь, обращает на себя внимание прибавка урожая яровой пшеницы около 4 ц/га, полученная в засушливый период на юге области. В процентном выражении по отношению к обычным значениям урожая это весьма положительный результат, что позволяет считать проводимые исследования перспективными в плане внедрения их результатов в сельскохозяйственную практику.
Список литературы
1. Рит М. Наноконструктирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчёта: Пер. с англ. Ижевск: Удмуртский госуниверситет, 2005. 160 с.
2. Кэнтон Дж. Социальное значение нанотехнологии: прогноз на будущее: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. С. 239-243.
3. Feynman R.P. Engineering and Seience. 1960. V. 23. № 2. Р. 22-26.
4. Drexler K.E. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. New York: Anchor-Doubleday, 1986. 298 p.
5. Федоренко В.Ф., Буклагин Д.С., Голубев И.Г. Направления использования нанотехнологий и наноматериалов в АПК и задачи информационного обеспечения их развития // Нанотехнологии - производству. 2006. С. 409-413.
6. Фолманис Г.Э. Способ предпосадочной подготовки семян. Патент РФ 2056084 от 23.03.96.
7. Арсентьева И., Ушаков Б., Арсентьев А., Захаров Н., Дзидзигури Э., Фолманис Г., Павлов Г. Ульт-радисперсные порошки металлов // Национальная металлургия. 2002. № 4. С. 66-71.
8. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Активация прорастания семян ультрадисперсными порошками
железа // Достижения науки и техники АПК. 2001. № 9. С. 7-8.
9. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Высокоэффективные биопрепараты нового покаления // Сахарная свекла. 2000. № 4-5. 20 с.
10. Полякова О.П., Селиванов В.Н., Зорин Е.В., Фолманис Г.Э., Коваленко Л.В. Предпосадочная обработка клубней картофеля нанокристаллическими микроэлементами // Достижения науки и техники АПК. 2000. № 8. С. 18-20.
11. Селиванов В.Н., Зорин Е.В., Сидорова Е.Н., Дзидзигури Э.Л., Фолманис Г.Э. Пролонгированное воздействие ультрадисперсных порошков металлов на семена злаковых культур // Перспективные материалы. 2001. № 4. С. 66-69.
12. Костин В.И., Исайчев В.А., Костин О.В. Элементы минерального питания и росторегулирования в онтогенезе сельскохозяйственных культур. М.: Колос, 2006. 290 с.
13. Состояние исследований и перспективы применения регулятора роста растений нового поколения «Мелафен» в сельском хозяйстве и биотехнологии. Сборник материалов Всероссийского семинара-совещания. Казань, октябрь 2006. 172 с.
14. Егоров М.А. Биорегуляторы с нанокомпонентами как перспективные биопрепараты // Нанотехника. 2006. № 4. С. 74-76.
15. Средство для трансмембранной доставки катионов двухвалентных металлов, обеспечивающее их включение во внутриклеточный синтез. Патент РФ 2228183 от 18.07.2002.
16. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000. 672 с.
17. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-
химия кластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: Ком-Книга, 2006. 592 с.
18. Трапезников В.К., Иванов И.И., Тальвинская Н.Г. Локальное питание растений. Уфа: Гилем, 1999. 260 с.
DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL ESTIMATION OF APPLICATION EFFICIENCY OF NEW NANOTECHNOLOGY FERTILIZERS IN CROP PRODUCTION
N.P. Egorov, O.D. Shafronov, D.N. Egorov, E. V. Suleimanov
A review is given of nanotechnology product application in crop production in order to raise the level of crop yield. The authors present their results obtained in developing the water-soluble complex “Green Lift” on the basis of polymers, nanodispersed metals and biologically active substances, as well as the results of the testing of the proposed concept for the application of this commercial product.
