Красноярские учёные предлагают более экологичный способ доставки гербицидов, при помощи которого они вносятся непосредственно в почву при посевах сельскохозяйственных культур. Материалы-носители полностью разлагаются без выделения токсичных веществ, поэтому могут сохранить природные ресурсы и позволят достичь высоких урожаев.
Для защиты сельскохозяйственных культур нужен экологически чистый способ доставки удобрения. Например, таким вариантом могут быть биополимеры в качестве носителей пестицидов. Они обладают важным преимуществом, как способность разлагаться в почвах на безопасные для природы компоненты. Однако самый важный недостаток биополимеров и изделий из них – высокая стоимость. Один из вариантов снижения стоимости биополимеров – это поиск недорогих субстратов. Другой вариант снижения стоимости – это создание композитных материалов на основе биополимеров.
Сибирские ученые, используя бактерии, синтезировали биополимер на среде с растительными маслами. Смешав его с природными наполнителями, они предложили альтернативный вариант доставки гербицидов в виде микрочастиц, таблеток, гранул. Основная задача: не навредить агроэкосистемам, удалить сорняки и сохранить плодородие почвы.
Работа проводится в рамках проекта «Агропрепараты нового поколения: стратегия конструирования и реализация» под руководством профессора Сабу Томаса из Университета Махатма Ганди (Индия). Инициатор и основной двигатель научной команды – профессор Татьяна Григорьевна Волова, заведующая базовой кафедрой биотехнологии СФУ, заведующая лабораторией Хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН.
На фото – Евгений Геннадьевич Киселев – ктн, научный сотрудник лаборатории биотехнологии новых биоматериалов Сибирского федерального университета (г. Красноярск), н.с. лаборатории Хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН (г. Красноярск)
Серия исследований специалистов СФУ (г. Красноярск) в сотрудничестве с коллегами из Института биофизики СО РАН (г. Красноярск) послужила основой разработки полимера как носителя для гербицидов и прошла в три этапа: синтез полимера на маслах в качестве углеродного субстрата, создание форм на основе полимера (изучение их свойств и биодеградации в почве) и проверка действия этих форм на растениях.
Евгений Геннадьевич Киселев – кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории биотехнологии новых биоматериалов Сибирского федерального университета (г. Красноярск), научный сотрудник лаборатории Хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН и Наталья Олеговна Жила – кандидат биологических наук, доцент базовой кафедры биотехнологии Сибирского федерального университета (г. Красноярск), старший научный сотрудник лаборатории Хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН – сообщили о ключевых аспектах работы, в частности, как наполнители из природных материалов помогли модифицировать синтетический полимер, чем вызвана эффективность биодеградации полимера и почему преимущество в его форме.
На фото – Наталья Олеговна Жила – кбн, доцент базовой кафедры биотехнологии Сибирского федерального университета (г. Красноярск), старший научный сотрудник лаборатории Хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН (г. Красноярск)
Евгений Киселев отметил актуальность подобных разработок экологичного способа доставки гербицидов для биотехнологий: «Используются биоразлагаемые полимеры, которые синтезируются микроорганизмами. Микроорганизмами они же и разлагаются, не нанося вред окружающей среде. Перспективы использования данного класса полимеров – упаковка, медицина, фармацевтика, электроника и т.д. По своим техническим характеристикам они аналог полиэтилена или полипропилена. Единственный недостаток: пока они дороже синтетических полимеров. И еще один из способов снижения стоимости – это поиск более дешевых субстратов и повышение продуктивности процесса биосинтеза. Для с/х и агрохимии мы предлагаем новый способ доставки пестицидов».
Как известно, традиционный метод обработки растений (опрыскивание) в сельском хозяйстве осуществляется при помощи техники. За вегетационный период аграрии сталкиваются с несколькими волнами сорняков, что приводит к необходимости неоднократного опрыскивания гербицидами, поэтому красноярские специалисты, как уточняет Евгений Киселев, «создают долговременные формы, то есть обладающие пролонгированным эффектом. В почву они вносятся во время посева вместе с семенами и действуют весь вегетационный период, что сейчас и проверяется в полевых опытах. Это в перспективе должно создать значительную экономию для с/х и сделать работу с гербицидами более безопасной (токсичный пестицид заключен в полимерную матрицу)».
Отмечая достоинства предлагаемого метода, ученый поясняет, что «при любой научной разработке строится концепция или предварительная модель, прежде чем приступить к масштабным экспериментам. Мы пытаемся представить альтернативный способ использования агрохимии. Препарат вносится в почву в виде твердых гранул (ветром не сдуваются), вносятся в землю, а не на землю. Полимерная матрица гидрофобная, то есть в воде не растворима, конечно, при сильных дождях небольшая часть пестицида может попасть в воду, но основная часть находится в полимерной матрице и высвобождается постепенно. При традиционном способе применения гербицидов (распылением) они наносятся на поверхность растений и почвы, откуда они могут легко смываться. А если не повезло с погодой (сразу после обработки пошел дождь), то обработку придется повторить. В нашем случае используются системные пестициды, которые могут поглощаться корневой системой и двигаться по капиллярам растений, в отличие от поверхностных пестицидов».
Рисунок 1. Стадии получения гранул и таблеток
Основной материал разработанных форм – биополимер. В рамках проекта специалистами было проведено исследование по росту штамма Cupriavidus necator B-10646 на различных маслах, с целью снижения стоимости биополимера (результаты обнародованы в издании INTERNATIONAL JOURNAL OF BIOLOGICAL MACROMOLECULES 164 (2020) 121–130). Для синтеза полимера этого штамма были взяты пальмовое масло, рыжиковое масло и два вида масла семян подсолнечника (рафинированное и нерафинированное масло).
По словам Натальи Жила, «растительные масла в настоящее время рассматриваются в качестве потенциального углеродного субстрата для синтеза полигидроксиалканоатов. Помимо низкой стоимости липидных субстратов, экономический коэффициент по полимеру, полученному на растительных маслах, выше чем на сахарах, то есть для получения 1 г полимера необходимо 1,3-1,5 г масла, тогда как сахаров (глюкоза, фруктоза) потребуется 3-3,3 г. В итоге это всё приводит к снижению себестоимости готового полимера».
Какие отличия среди клеток, выращенных в средах, содержащих разные растительные масла, были выявлены (динамика роста, липидный состав, свойства)?
«Бактерии, выращиваемые на сахарах, синтезировали гомополимер поли(3-гидроксибутират) П(3ГБ), тогда как на всех исследованных растительных маслах бактерии синтезировали трехкомпонентный полимер, состоящий из мономеров 3-гидроксибутирата, 3-гидроксивалерата и 3-гидроксигексаноата. По сравнению с гомополимером П(3ГБ), полученные на маслах полигидроксиалканоаты характеризовались более низкой молекулярной массой и более низкими показателями температуры плавления и термической деградации. В работе использовали растительные масла, значительно отличающиеся своим жирнокислотным составом. Потребление жирных кислот бактериями зависело от используемого масла. Так, при росте на пальмовом масле бактерии равномерно потребляли все жирные кислоты, входящие в состав масла, тогда как при культивировании бактерий на рыжиковом и подсолнечном маслах в первую очередь бактерии утилизировали полиеновые кислоты, то есть кислоты, содержащие 2 и 3 двойные связи», – объясняет Наталья Жила.
По мнению биолога, из исследованных масел «пальмовое масло было наилучшим субстратом для роста бактерий и синтеза полимера. Показатели концентрации биомассы и содержания полимера были сопоставимы с результатами, полученными на сахарах».
Возникла ли какая-то либо проблема при культивировании бактерий на растительных маслах?
«Основная проблема при использовании масел – это их несмешиваемость со средами на водной основе. Поэтому чтобы получить устойчивую эмульсию, необходимо использовать поверхностно-активные вещества», – заметила ученый.
Специалисты изучили, как взаимодействуют природные материалы и полимер, и на основе полученных сведений создали порошковые композиты для изготовления гранул и таблеток. Исследования деградации композитов в почве позволили рекомендовать их использование как средство доставки пестицидов и удобрений (результаты опубликованы PEST MANAG SCI 2020; 76: 1772–1785, а последний обзор представлен INTERNATIONAL JOURNAL OF BIOLOGICAL MACROMOLECULES VOLUME 155, 15 JULY 2020, PAGES 1373-1384).
В качестве наполнителей для биополимера сибирские ученые использовали торф, глину и опилки в силу их доступности и дешевизны.
Каковы оказались выигрышные показатели этих наполнителей?
По словам Евгения Киселева, «наиболее существенным критерием здесь будет степень кристалличности. Наполнители могут выступать как инициализаторы кристаллизации, так и препятствовать кристаллизации. Высокая степень кристалличности говорит о более плотной упаковке молекул, что делает их менее доступными для микроорганизмов и напрямую влияет на скорость деструкции, увеличивая её. В нашем случае наибольшее снижение степени кристалличности наблюдалось при добавке древесной муки».
Изменяя форму образцов (гранулы, таблетки), учеными были отмечены хорошие результаты разложения полимера и высвобождения гербицида в почву.
Каким образом и почему на разложение состава полимера в почве в лабораторных условиях повлияла форма образцов (гранулы, микрочастицы, таблетки), а не тип наполнителя (торфа, глины или древесной муки)?
Евгений Киселев разъясняет: «Опять же тут следует обратиться к упаковке, только теперь уже не молекул, а частиц. Таблетки получаются прессованием и представляют собой плотные структуры с минимальной пористостью и высокой твёрдостью. Гранулы получаются из полимерной пасты и при высыхании (испарение растворителя), образуются микро- и макропоры, за счёт чего в гранулах плотность упаковки частиц ниже, чем в таблетке и более развитая поверхность, поэтому они более доступны для деструкции микроорганизмами. Ну а микрочастицы представляют собой микросферы, которые, также как и гранулы, имеют более развитую поверхность, что делает их более доступными для деструкции микроорганизмами».
Как влияют на новые препараты климат, погодные условия?
«Климат, погодные условия, состав почв, время года больше влияет на состав микробного сообщества. И допустим неблагоприятные стечения этих факторов (например, засуха, холод) будут негативно влиять на микробное сообщество (на его состав, на количество микроорганизмов), а это уже отрицательно отразится на деструкции полимера», – отмечает ученый.
Рисунок 2. Образцы на разной стадии деградации
Что показали исследования биодеградации композиционных гранул в почве?
«Достоинства нашего полимера в том, что его деградация происходит за счёт микроорганизмов, а не воды или других факторов. Если говорить об эффективности полимера как носителя для гербицидов, то она была подтверждена в лабораторных исследованиях. На первом этапе установлена взаимосвязь между формой (гранулы, таблетки), количеством и видом наполнителя и скоростью деградации. Что позволило спрогнозировать и подобрать необходимую скорость деструкции матрицы. Далее проведены исследования, которые позволили утверждать, что при изготовлении форм с гербицидами не происходит химических превращений с участием действующего вещества. Затем проведены исследования кинетики выхода действующего вещества из матрицы носителя. Конечная эффективность разработанных препаратов исследовалась в лабораторных посевах зерновых культур.
Лабораторные эксперименты показали, что гербициды, депонированные в разрушаемую основу, действуют на сорняки не хуже, чем при традиционной обработке. Исследование остаточных концентраций гербицидов в готовой продукции (ячмень и пшеница) не превышает предельно допустимые концентрации (исследования проводил ФБУ "КРАСНОЯРСКИЙ ЦСМ)», – Евгений Киселев указал на главные результаты работы, которые доказали действенность препарата.
На фото эксперименты в фитотронах
В настоящий момент проходят полевые испытания на полях Красноярского государственного аграрного университета и Красноярского научно-исследовательского института сельского хозяйства. Полная картина будет только после уборки урожая. «Предварительно можно сказать, что разработанные препараты работают, а вот эффективность будем оценивать осенью», – подчеркнул ученый.
На фото опытные посевы пшеницы с гранулами содержащими трибенурон
Где могут быть рекомендованы композиты, приготовленные в этом исследовании?
«К нам сейчас обращаются сельхозпроизводители из Краснодара и Казахстана, имеющие желание опробовать наши препараты в своих хозяйствах. Однако следует учитывать, что мы всего лишь лаборатория и не в состоянии удовлетворить интерес производственников. Мы просто не потянем такие объёмы, поэтому с моей точки зрения, наши разработки должны быть интересны компаниям, которые специализируются на производстве пестицидных препаратов для сельского хозяйства», – выразил мнение Евгений Киселев.
Применение биоразлагаемого полимера, определяемое формой, благоприятно на почвенную микрофлору и растительную культуру. Ожидается надежность и востребованность нового композитного материала в сельском хозяйстве и промышленном производстве.
