1. (обязательно)
  2. (обязательно)
 

Механизм действия

Перспективы нанотехнологий в обеспечении  сельскохозяйственного производства микроэлементами.

Выступая на третьем международном форуме по нанотехнологиям RUSNANOTECN-2010, президент РФ Дмитрий Медведев заявил о необходимости организации в России нанотехнологической отрасли. Создание наноиндустрии становится ключевым элементом построения инновационной экономики [1,2]. Благодаря междисциплинарному, универсальному характеру, нанотехнологии легко интегрируются в различные области знания. Их использование в сельском хозяйстве позволяет развивать системные, экологически безопасные, ресурсосберегающие агротехнологии, увеличивать производство, качество и сохранность сельскохозяйственной продукции при минимальных антропогенных нагрузках, трудовых и энергетических затратах [3].

В процессе эволюции в природе закладывались принципы многоуровневых наносистем, обладающих различными свойствами. На наноуровне функционируют почвенные коллоиды и бактерии, протекают кооперативные процессы самоорганизации и самосборки материи, образуются фрактальные структуры и текстурированные поверхности природных объектов. Взаимное проникновение нано-, био- и агротехнологий позволяет оптимизировать процессы, протекающие в агрофитосистемах, создавать наносистемы для доставки химических соединений растениям, повышающие эффективность средств питания, защиты и стимуляции роста.

Вопросы оптимизации минерального питания растений необходимо рассматривать с учетом актуальных факторов различной природы: взаимодействие в системе почва – растения, стрессовое давление меняющихся природно-климатических условий, низкая экономическая эффективность традиционных удобрений, биологическая активность нано-форм микроэлементов и другие.

Различные аспекты данных проблем отражают результаты агрохимических исследований нового удобрения «Green Lift», проведенные ФГУ ЦАС «Нижегородский».

Распределение элементов по районам Нижегородской области имеет закономерности, связанные, в основном, с типом почв.  Так на севере области в районах, расположенных в дерново-подзолистой зоне,  в почвах зафиксировано недостаточное содержание бора, меди, кобальта. Почвы черноземной зоны обеднены марганцем. Практически на всей территории области — низкое содержание цинка. В отдельных районах выявлено низкое содержание от 2 до 4 микроэлементов одновременно.

Низкое и недостаточное содержание микроэлементов в почвах оказывает негативное влияние на качество сельскохозяйственной продукции. Так, корма, которые анализирует центр имеют низкое содержание  практически всех микроэлементов.

Недостаток в почвах микроэлементов можно было бы компенсировать внесением оптимальных доз навоза, сырых калийных солей, фосфоритной муки и других минеральных удобрений. Однако в настоящее время на один гектар посевов в хозяйствах области вносится всего 48 кг д. в. минеральных и 2,1 т органических удобрений. Удобряемая ими площадь составляет около 40% и 6% соответственно.

Все это говорит об очевидности использования микроудобрений, в сельскохозяйственном производстве области. Центр постоянно занимается исследованиями препаратов и удобрений, разработанных в Нижнем Новгороде, таких как «МиБас», «Микромак, «Микроэл» и др.

При поддержке Министерства сельского хозяйства и продовольственных ресурсов Нижегородской области в 2007 году центр приступил к оценке эффективности  новой разработки ученых Нижегородского Государственного университета – инновационного биологически активного комплекса макро- и микроэлементов под брендом «Green Lift».

Данный комплекс представляет собой водную ультрадисперсную суспензию биогенных элементов для предпосевной обработки семян и внекорневой подкормки растений. Одновременное использование нанотехнологий, природных компонентов и синергетического эффекта многофакторной системы позволили получить микроудобрение с пролонгированными целевыми свойствами – высокой биологической активностью и доступностью элементов питания.

Ниже рассмотрены основные принципы строения и свойства данной композиции. Компоненты состава находятся в стабилизированном состоянии за счет межмолекулярных взаимодействий между наночастицами  труднорастворимых неорганических оксидов и полисахаридами.

Данные взаимодействия иммоболизуют действующие вещества микроудобрения, препятствуя перекрестным реакциям биогенных элементов. Последние встраиваются в  композиционный состав в виде водорастворимых солевых и комплексных форм, образованных неорганическими и, участвующими в цикле Кребса, органическими кислотами. По аналогии с почвенными коллоидами присутствие в составе «Green Lift» широкого набора координационных соединений повышает биологическую активность состава.

При обработке семян и растений водной дисперсией «Green Lift» образуется пленка, содержащая корректирующие дозы макро- и микроэлементов (табл. 1).

Таблица 1

Содержание элементов в концентрате «Green Lift», вес. %

Cu

Zn

B

Mg

Co

Fe

Mn

Se

Mo

I

N

P

K

S

(общий)

(P2O5)

2O)

0,05

0,34

0,02

1,1

0,01

0,21

0,47

0,0005

0,05

0,05

1,6

1,44

2,75

1,9

Принципиальным является образование наноразмерной текстуры поверхности пленки (рис. 1,2), с высокой удельной поверхностью, содержащей множество центров избыточной энергии и поверхностной активности [4].

 

Рис. 1,2. Поверхности пленок «Green Lift» (сканирующая зондовая микроскопия)

 

Данные центры адсорбируют и координируют образующиеся неустойчивые переходные комплексы биогенных элементов, различные лиганды и молекулы воды, снижая энергию активации последующих биохимических превращений.

Важной характеристикой является высокая гидрофильность данной поверхности и состояние воды, поскольку все биохимические процессы обмена и синтеза веществ в клетках растений проходят в водных растворах. Образующиеся поверхностные гетерогенные зоны с полимолекулярными слоями структурированный воды обеспечивают эффективную диссоциацию и транспорт элементов питания к клеточным органоидам.

Иммобилизация широкого набора действующих веществ позволяет растениям самим регулировать их поступление, экономить энергию, быстрее реагировать на стрессы, изменять механизмы реакций, корректировать  баланс и согласованность обменных процессов.

Текстура поверхности пленки способствует постепенному усвоению питательных веществ растениями и почвенными микроорганизмами, пролонгируя процессы стимуляции природных механизмов минерального питания, развития и защиты растений.

С целью оценки эффективности препарата  в период 2007-2010 гг было проведено 12 мелкоделяночных и 4 производственных опыта с зерновыми культурами. Одновременно в 32 хозяйствах 20 районов на общей площади  более 3,0 тыс. га проводились производственные испытания препарата.

 В результате исследований установлена наиболее эффективная доза и способ применения препарата: 0,5-1 л водорастворимого концентрата на 1 т семян/1 га посевов.

Проведенные исследования показали довольно высокую эффективность препарата  «Green Lift» в производственных условиях:  на большинстве обработанных участков получена прибавка урожая зерна  от 16 до 33 % (табл. 2). Интерес вызывает стабильное повышение урожая в различных регионах области, отличающихся микроэлементным составом почв. По-видимому, действие профилактических концентраций микроэлементов состава «Green Lift» вносит основной вклад в прибавку урожая.

Таблица 2.

Результаты  производственных опытов

Место проведения

Урожайность, ц/га

Прибавка

Примечания*

Контроль

Опыт

ц/га

%

1

Крестьянско-фермерское хозяйство «Суханов А.В.», Нижегородская область, Спасский район,2009 г.

Картофель – сорт «Удача»

150

206

56

37

Растения легче преодолевали засуху, развитие альтернариоза уменьшилось на 5 %

2

ООО «Агропредприятие Княгининское», Нижегородская область, Княгининский район,2009 г.

Озимая пшеница – сорт «Московская — 39»

31,5

37,1

5,6

18

3

ООО «Агропредприятие Соловьевское», Нижегородская область, Княгининский район, 2008 — 2009 гг.

Ячмень – сорт «Солет»

19,2

24

4,8

25

4

РУП «Витебский зональный институт сельского хозяйства НАН Белоруси»,2008 г.

Лен

33,2

37,9

4,7

14

5

ОНО ОПХ «Центральное», Нижегородская область, Кстовский район

Яровая пшеница – сорт «Московская – 35»

41,2

48,6

7,4

18

прибавка клейковины – 2 %

6

ООО СХП «Россия»,2009 г.

Озимая пшеница – сорт «Московская — 39»

13,1

17,4

4,3

33

7

ОАО «Лакша», Нижегородская область, Богородский район,2008 г.

Яровая пшеница – сорт «Курская-2038»

19,7

24,9

5,2

26

8

ОАО «Шатковская сельхозхимия», Нижегородская область, Шатковский район, 2008 г.

Яровая пшеница – сорт «Тулайковская-10»

16

20,5

4,5

28

9

ООО «Агропредприятие Княгининское», Нижегородская область, Княгининский район, 2010 г.

Ячмень

15

18

3

20

В 2010 году для демонстрационных целей при проведении областного Дня поля были заложены сравнительные опыты в Работкинском аграрном колледже Кстовского района. В данном опыте формирование и налив зерна яровой пшеницы сорта «Экада-70» происходили при температуре 35-380С и остром дефиците влаги. Прибавка урожая от обработки составом «Green Lift» семян при агрофоне (NPK)16 составила 2,4 ц/га (16%),  от обработки семян и посевов — 2,8 ц/га (18%), а препаратами «Микромак» и «Микроэл»  — 2,2 ц/га (14%) при более высоком агрофоне (NPK)40.

Анализ качества зерна показал, что применение «Green Lift»  повышает  содержание клейковины зерна яровой пшеницы на 2-3%, озимой – на 1-2%, содержание белка в ячмене увеличивается на 1,5-2,0%.

Полученные результаты показывают, что методы нанотехнологий позволяют воздействовать на ферментативные и защитные системы растений за счет повышения активности и доступности микроэлементов и других средств минерального питания.

Развитие данного направления позволяет расширять адаптационные возможности растений. Одним из путей является создание наноразмерных текстур поверхностей, получаемых при обработке растений микроудобрениями. При этом, эффективность применения удобрений резко возрастает за счет увеличения удельной поверхности, дополнительной гидрофильности и полифункциональности пленки. Наноразмерная текстура пленки приводит к образованию на основе координационно-ненасыщенных поверхностных атомов множества комбинаций взаимодействий с биогенными элементами. При этом для растений дополнительно возникают разнообразные источники энергии  и биологически активных веществ. Их использование позволяет растению быстрее запускать природные механизмы саморегуляции, формируя ответные реакции на стресс.

Заключение:

— благодаря интеграции нано-, био и агротехнологий разработан продукт для растениеводческой отрасли – биологически активный комплекс макро и микроэлементов «Green Lift», имеющий следующие целевые характеристики:

  • повышение конкурентоспособности, урожайности и качества  сельскохозяйственной продукции;
  • оптимизация минерального питания растений;
  • стимуляция иммунитета растений, понижающая риски потери урожая при негативных изменениях климата и других стрессовых факторах;
  • усиление действия средств защиты растений;
  • сохранение почвенного плодородия;
  • уменьшение антропогенной нагрузки на агроценозы.

— полученные результаты позволяют говорить об имеющихся  перспективах  реализации потенциала нанотехнологий для дальнейшего развития адаптогенного направления в агрохимической науке и практике.

— необходимо проведение дальнейших испытаний данной разработки в направлении повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к аномальным погодным и почвенным условиям.

Литература

1. Постановление Правительства Российской Федерации от 2 августа 2007 г. № 498 о федеральной целевой программе «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 — 2010 годы».

2. Концепция развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года (утв. приказом Минсельхоза РФ от 25 июня 2007 г. № 342).

3. Федоренко В.Ф. Нанотехнологии и наноматериалы в агропромышленном комплексе: нач. изд. — М.: ФГНЦ «Росинформагротех», 2008. — 148 с.

4. Суздалев И.П. Нанотехнология: физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006. — 592с.