Использование нанотехнологий в интегрированной системе защиты картофеля от фитопатогенов

Использование нанотехнологий в интегрированной системе защиты картофеля от фитопатогенов

В статье представлены данные по разработке и испытанию препарата на основе наночастиц (НЧ) железа, цинка, меди и молибдена в составе полимеров для предпосадочной обработки клубней картофеля. Полевые испытания показали, что предпосевная обработка клубней картофеля нанопрепаратом способствует снижению распространенности и степени развития альтернариоза в 2,2 и 2,4 раза и фитофтороза в 3,4 и 4,2 раза соответственно в период вегетации растений и повышает урожайность товарных клубней на 11,7% по сравнению с контролем.

Аннотация статьи
наночастицы железа
наночастицы цинка
наночастицы меди
наночастицы молибдена
альтернариоз
фитофтороз
ризоктониоз
Ключевые слова

Картофель является для многих стран мира социально значимой культурой. Он зачастую имеет решающее значение для питания людей и продовольственной безопасности государств, в том числе, в России. Общий объем производства картофеля в России достигает 30-31 млн. т, а его посадки занимают более 2,2 млн. га. Но, имея 3-е место в мире (после Китая и Индии) по валовому производству картофеля, Россия занимает одно из невысоких мест по урожайности и качеству полученной продукции [1]. В среднем за последние годы урожайность картофеля в сельхозпредприятиях составила 19,2 т/га, в то время как в развитых картофелеводческих странах мира она достигает более 35 т/га. Одной из причин низкой урожайности является выраженное фитосанитарное неблагополучие российского картофелеводства: насчитывается около 30 особо распространенных и ежегодно вредоносных болезней и вредителей, потери урожая от которых составляют в отдельные годы 30-50 % [2]. Поэтому остро стоит вопрос о разработке методов и средств для совершенствования системы защиты картофеля от инфекций. Необходимость в новых средствах защиты продиктована также нарастающей нагрузкой высокотоксичных пестицидов и других ядохимикатов на окружающую среду. Это порождает не только экологические проблемы, но экономические и проблемы со здоровьем человека (развитие неврологических, опухолевых, онкологических заболеваний). Наиболее перспективным направлением для совершенствования средств защиты является использование современных нанотехнологий, внедрение которых в практику сельского хозяйства демонстрирует повышение урожайности и качества продукции, снижение использования ядохимикатов [3]. Мы разработали препарат на основе наночастиц жизненно важных элементов железа, цинка, меди и молибдена для защиты картофеля от распространенных в Московском регионе России заболеваний: фитофтороза, альтернариоза, ризоктониоза, и провели оценку его эффективности.

Наночастицы (НЧ) железа, цинка, меди, молибдена были получены методом высокотемпературной конденсации [4] на установке Миген-3 [5] Используемые нами НЧ Fe, Zn, Cu представляют собой монокристаллические структуры круглой правильной формы, НЧ Mo – неправильной формы, покрытые полупрозрачной оксидной пленкой. Средний диаметр НЧ железа составляет 56,0 ± 0,9 нм, НЧ цинка 60,6±3,7 нм, НЧ меди 65,0 ± 1,2 нм, НЧ молибдена 51,0±2,1 нм. По данным рентгенофазного анализа НЧ железа содержат металлическую кристаллическую фазу железа (Fe-α – 27,9%), остальное принадлежит металлической кристаллической фазе оксида железа – γ-Fe2O3 (маггемит). НЧZn и НЧ Cu содержат металлическую кристаллическую фазу цинка. Оксидных фаз не обнаружено. НЧ Moсодержат две фазы: металлическая кристаллическая фаза молибдена – 64,0±4,2% и вторая фаза – карбид димолибдена – 36,0±2,9%. Диспергированные НЧ металлов в воде вводили в смесь полимеров Na-карбоксиметилцеллюлозы и полиэтиленгликоля-400. Для визуализации поверхности обработанных клубней в полученную композицию добавляли катионный краситель ксантенового ряда родамин 6Ж. Клубни картофеля обрабатывали полученным раствором непосредственно перед посадкой. Основная задача разработанной композиции является формирование полимерного покрытия на поверхности клубней, которая обеспечить защиту клубня от воздействия стрессовых факторов, сохранение питательных компонентов клубней, дополнительное питание и стимуляцию роста и развития растений за счет введенных наночастиц металлов-микроэлементов и предотвращение попадания наночастиц металлов в почву во избежание нарушения природного элементного статуса почвы и сохранения ее микробиоты.

На рисунке приведены фото срезов картофеля. Видно, что полимерное покрытие с НЧ металлов равномерно распределяется на поверхности клубня, образуя пленку толщиной не более 10 мкм.

Исследования распространенности и развития болезней свидетельствуют о незначительном влиянии предпосевной обработки наночастицами металлов в составе пленки на распространенность и развитие ризоктониоза. В тоже время полученные данные демонстрируют эффективность предпосевной обработки наночастицами металлов в составе пленки в отношении альтернариоза и фитофтороза, способствуя снижению распространенности и развития альтернариоза в 2,2 и 2,4 раза соответственно и фитофтороза в 3,4 и 4,2 раза соответственно в период вегетации (таблица).

Срезы клубней картофеля

Контроль – клубень, необработанный раствором полимеров

Опыт – клубень, обработанный раствором полимеров с НЧ металлов

Рис. Фото срезов клубней картофеля, непокрытых и покрытых полимерным покрытием с НЧ металлов (50-кратное увеличение)

Таблица

Влияние наночастиц металлов в составе полимерного покрытия клубней на распространенность (Р) и степень развития (R) альтернариоза и фитофтороза картофеля в динамике, %

варианта

альтернариоз

23.07

30.07

7.08

10.08

Р

R

Р

R

Р

R

Р

R

1. Контроль

11,6

1,6

19,6

2,7

40,7

9,8

40,9

12,5

2. Нанопрепарат

3,7

0,5

8,1

1,0

13,8

2,1

18,8

5,2

 

фитофтороз

1. Контроль

-

-

5,1

0,7

7,3

1,0

20,2

5,0

2. Нанопрепарат

-

-

-

-

1,1

0,1

6,0

1,2

Такое снижение заболеваний картофеля при предпосадочной обработке клубней нанопрепаратом приводит к увеличению урожайности картофеля на 25,7% и товарных клубней на 11,7 % по сравнению с контролем.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования нанотехнологий в совершенствовании защиты картофеля от фитопатогенов.

Текст статьи
  1. Зейрук В.Н., Анисимов Б.В., Деревягина М.К., Глез В.М., Абашкин О.В., Молявко А.А. Система интегрированной экологически безопасной защиты картофеля от болезней, вредителей и сорняков: (Рекомендации). Россельхозакадемия, М.: ВНИИКХ. 2010. 38 с.
  2. Попкова К.В., Шнейдер Ю.И., Воловик А.С., Шмыгля В.А. Болезни картофеля. М: Колос. 1980, 304 с.
  3. Deepak G.Partatee, Yogeshvari K. Jhala (editors) Nanotechnology for Agriculture: Crop Production & Protection.2019. © Springer Nature Singapore Pte Ltd. 323 p.
  4. Ген М.Я., Миллер А.В. Авторское свидетельство СССР № 814432 // Бюллетень изобретений. 1981. № 11. С. 25.
  5. Leipunsky I.O., Zhigach A.N., Kuskov M.L., Berezkina N.G., Afanasenkova E.S., Kudrov B.V., Lopez G.W., Vorobjeva G.A., Naumkin A.V. Synthesisof TiH2 nanopowder via the Guen-Miller Flow-Levitation method and characterization. Journal of Alloys and Compounds. 2019, 778: 271-279.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 01 декабря по 15 декабря
Осталось 12 дней до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии
19 декабря
Загрузка в elibrary
19 декабря
Рассылка печатных экземпляров
23 декабря