Среди них – применение нанодисперсных кормовых добавок, ветпрепаратов на основе биологически активных наночастиц, обработки растений и семян нанодисперсными химическими веществами, наночистацами металлов, наноструктурированной водой, наносредствами доставки химических веществ к корням.
Приставка «нано» во всех этих терминах обозначает изменения масштаба в 109 раз, то есть, один нанометр составляет одну миллионную миллиметра. Размер наночастиц колеблется от 1 до 100 нм. Такого же размера, например, бывают многие вирусы.
В чем польза?
Одна из проблем, которую помогают решить наночастицы в сельском хозяйстве – повышение эффективности минеральных удобрений и пестицидов, которые при неправильных дозировках оказывают негативное воздействие на почвенную экосистему.
Нанотехнологичные подходы в этом случае помогают снизить химическую нагрузку на почву за счет повышения биоактивности препаратов. Кроме того, обработка растений и семян вместо пестицидов безъядными наночастицами металлов позволяет избежать проникновения ядохимикатов в почву, а наночастицы позволяют доставить минеральные удобрения и пестициды к корням растений, повышая рациональность их использования.
Так, широкое распространение получила обработка растений и семян нанодисперсными химическими веществами. Введение препаратов в питательную среду в концентрации 10 мг/л способствовало активации роста корней, побегов и листьев рапса и люцерны.
При возделывании сельхозкультур, в том числе зерновых и сахарной свеклы, применяются наноэмульсии с пестицидным действием. Они, в отличие от традиционных ядохимикатов, обеспечивают полное смачивание поверхности растений, полностью всасываются, не смываются дождем. Благодаря максимальному проникновению в листья, корни и стебли, эффективность достигается даже при небольших дозах.
Для обработки вегетирующих растений и предпосевной обработки семян используются нанопорошки ряда металлов: алюминия, железа, меди,
молибдена, никеля и цинка. Однако здесь не все так просто.
- Нанотехнологии появились на рынке относительно недавно, особенно, если говорить о сфере сельского хозяйства, отсюда – внимание на положительные стороны разработок, - отмечает Марина Бурачевская, ведущий научный сотрудник Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского Южного федерального университета. - В отличие от большого количества исследований по изучению токсического действия на почву, растения и микробиоту тяжелых металлов в макродисперсной форме, исследование токсичности наноформы металлов является малоизученным.
Обратная сторона медали
Именно этой проблеме посвящено недавнее исследование Марины Викторовны, которое она провела вместе с коллегами из турецкого Университета Ондокуз-Майис.
- В своей работе мы решили сосредоточиться на одном металле – меди. Это необходимый элемент для развития растений, поэтому широко применяется при производстве удобрений и биоцидов. Сама по себе медь – это микроэлемент и в небольших количествах безопасна и необходима для роста и развития как растений, так животных и человека. Но в больших концентрациях она переходит в разряд поллютантов, то есть тяжелых металлов, которые могут нанести вред окружающей среде.
Главная опасность меди и других тяжелых металлов – возможность их перехода по пищевой цепочке к человеку. При употреблении пищи, содержащей такие элементы, в пределах нормативов (ниже предельно допутимых концентраций) вреда не будет, но тяжелые металлы обладают и еще одним свойством – они способы накапливаться в организме человека или растения.
- По пищевой цепочке медь может попадать к сельхозживотным. Кроме того, вместе с дождем она промывается в глубинные слои почвы и выносится грунтовыми водами в реки и другие водоемы, которые служат источником питьевой воды для населения. И если раньше считалось, что это касается только макродисперсной формы, то теперь можно говорить об опасности и наночастиц. Накопление наночастиц меди в почве и грунтовых водах может привести к их накоплению в тканях растений. Оксиды меди в форме наночастиц в высоких концентрациях не только токсичны для растений, но также токсичны и для клеток животных, человека.
Доказательство на практике
Исследование Марины Бурачевской и ее коллег включает не только теоретическую, но и практическую часть.
- Наночастицы оксида меди, воздействуя на сельхозрастения, приводят к
уменьшению роста, всхожести, фотосинтеза, качества урожая, повреждению корней, уменьшению длины побегов и снижению биомассы. Чаще всего исследования на эту тему проводились на анатомическом и гистологическом уровнях (органы и ткани). Мы же решили рассмотреть ультраструктурные изменения в растениях, то есть, на внутриклеточном уровне.
Для этого почвоведы взяли образцы чернозема обыкновенного из Ростовской области и добавили в них оксид меди разной степени дисперсности (3–5 миллиметров и 30–50 нанометров). Разное количество соединений меди добавляли в виде сухого порошка и перемешивали с почвой. В загрязненные образцы высадили семена ячменя. Содержание меди определяли при помощи рентгеновских лучей в порошке из уже высушенных частей растений.
Для изучения токсичности меди на ультраструктуру клеток ярового ячменя, растения отбирались в фазе выхода в трубку. В этой фазе ячмень очень чувствителен к недостатку влаги, питательных веществ и других факторов жизни.
- В итоге мы доказали, что негативное влияние на почву и само растение оказывает не только макродисперсная форма меди, но и нанодисперсная. Во-первых, в обоих случаях это привело к увеличению содержания в почве слабосвязанных соединений металлов более чем в 20 раз. И если в случае с макроразмерным оксидом меди их количество увеличивалось на 9-37%, то для наночастиц мы зафиксировали показатель в 21-52%. Во-вторых, чем выше доза внесения, тем сильнее подвижность металлов в почве за счет увеличения обменных, комплексных и специфически адсорбированных форм.
Марина Викторовна пояснила, что подвижность металлов, в том числе и меди – крайне важный индикатор, который показывает, насколько активно элемент может переходить из почвы в растение, и как сильно он будет влиять на его клеточную структуру.
- Оксид меди плохо растворим в воде. Но в нано форме он растворяется намного лучше, поэтому легче попадает в экосистему. Получается, что вещество одно и тоже, но из-за меньшего размера наноформа характеризуется большей активностью, соответственно, она легче проникает в растения и приводит к большим изменениям как внешнего вида, так и клеточной структуры растений.
- Испытание мы проводили на черноземе, поскольку данная почва является основной почвой используемой в сельском хозяйстве Ростовской области и широко представлена в данном регионе. Влияние нано формы меди в других почвах еще только предстоит исследовать, однако можно ожидать, что в этом случае негативное влияние окажется
не просто на таком же уровне, но и будет выше. Связано это с тем, что для чернозема характерна большая буферная емкость, то есть, наша почва отличается хорошими физико-химическими свойствами, высоким плодородием и устойчивостью к внешним воздействиям. И загрязнители, попадающие в нее, имеют низкую подвижность. В тоже время, в других почвах, имеющих более низкие показатели сорбционной способности, связанные с более низким содержанием органического вещества, илистых частиц, подвижность поллютантов в них будет выше. Соответственно, негативный эффект от использования нано формы меди – еще выше.
Подводя итог, Марина Бурачевская добавила, что в ходе эксперимента установлено: влияние высокой дозы оксида меди, как макро-, так и наноразмерной формы, тормозило развитие и продуктивность ярового ячменя. В целом, наноформа имеет больший экологический риск, чем привычная всем макроформа.
Комментарии отсутствуют