Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93. Вып. 1

НЕОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК [666.63+635.03]:[54.055+58.04]

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СЛОЕВ

НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА И КРЕМНЕЗОЛЕЙ,

СФОРМИРОВАННЫХ НА ПОВЕРХНОСТИ СЕМЯН ПЕКИНСКОЙ КАПУСТЫ

А. М. Артемьева⁴, О. Р. Удалова³, А. С. Галушко³, А. Е. Баранчиков⁵

¹ Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН,

199034, г. Санкт-Петербург, наб. Макарова, д. 2

² Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»,

197376, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5

³ Агрофизический научно-исследовательский институт,

195220, г. Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14

⁴ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова,

190000, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 44

⁵ Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН,

119991, г. Москва, Ленинский пр., д. 31

E-mail: olgashilova@bk.ru

Поступила в Редакцию 11 августа 2019 г.

После доработки 3 октября 2019 г.

Принята к публикации 21 октября 2019 г.

Рассмотрены проблемы использования синтетических наночастиц диоксида титана в агрохимии в

качестве биологически активных стимуляторов и микроудобрений. С помощью коммерческого нано-

порошка TiO₂ P-25 в виде водных суспензий и в сочетании с кремнезолями на основе тетраэтокси-

силана сформированы функциональные слои на поверхности семян пекинской капусты. Исследовано

содержание углерода и кремния на поверхности семян до и после предпосевной обработки. Проана-

лизировано влияние TiO₂ и добавок глицерина и полиэтиленгликоля на морфологию поверхности слоев,

образовавшихся вокруг семени в результате предпосевной обработки. Установлено положительное

влияние наночастиц TiO₂ на прорастание семян, качественный и количественный состав эпифитных

микроорганизмов, физиологическое состояние проростков, что стимулирует рост растений и их

сопротивляемость к стрессорам, включая фитопатогенные микроорганизмы. Рассмотрено синерги-

ческое влияние всех факторов (кремнезоль, наночастицы TiO₂ P-25, раствор макро- и микроэлементов,

полиолы) на рост и развитие растений в начальный период развития.

Ключевые слова: наночастицы диоксида титана; кремнезоли; полиолы; морфология поверхности

пленок; предпосевная обработка семян

DOI: 10.31857/S004446182001003X

Применение синтетических наночастиц в агрохи- и микроудобрений является перспективной областью

мии в качестве биологически активных стимуляторов исследований. Среди позитивных эффектов влияния

Синтез и исследование функциональных слоев на основе наночастиц диоксида титана...

наночастиц на растения можно выделить фотокатали-

Практически отсутствуют исследования по ис-

тическую активность, которая стимулирует прораста-

пользованию кремнезолей для предпосевной обра-

ние семян и скорость роста, повышение содержания

ботки семян. Чаще всего для обработки семян или

хлорофилла [1-4]. В то же время существуют свиде-

почвы используют разбавленные водные растворы

тельства того, что наночастицы оказывают угнетаю-

щелочных силикатов или тетраэтоксисилана (менее

щее влияние на растения: снижение интенсивности

1 мас%) [9, 10]. Наша идея по использованию золей

роста, активности фотосинтеза, кислородный стресс,

на основе гидролизованного тетраэтоксисилана для

нарушение водного обмена, гормонального баланса,

формирования функциональных слоев — тонкой по-

процессов метаболизма, увеличение чувствитель-

ристой оболочки на поверхности семян ячменя была

ности к природным токсинам [4-6]. Исследователи

успешно апробирована и запатентована [11, 12]. В зо-

отмечают множественность механизмов влияния на-

ли также вводились растворы солей и кислот, которые

ночастиц на растения и сложность регуляции их по-

обогащали функциональные слои полезными для

ведения в окружающей среде, что свидетельствует о

растений микроэлементами.

необходимости изучать взаимодействие конкретных

В отличие от классического дражирования семян

наночастиц с конкретными культурами [4-7].

на основе применения органического полимерного

Диоксид титана является фотосенсибилизатором,

пленкообразователя (мочевиноформальдегидные со-

который под воздействием УФ-радиации (или облу-

единения, поливиниловый спирт, поливинилацетат,

чения) способствует образованию активных форм

поливинилпирролидон, метилцеллюлоза и др.) с до-

кислорода, гидроксильных радикалов, H₂O₂ и тем

бавками природных минералов (бентонит, гипс, вер-

самым ингибирует развитие бактерий, плесневых

микулит и др.), полифосфатов, растительных поли-

грибов и других патогенных микроорганизмов [5-7].

сахаридов, торфа, древесно-волокнистых материалов

Эти свойства TiO₂ могут быть полезными и для борь-

[13] методом золь-гель технологии можно получать

бы с фитопатогенами растений. В то же время именно

существенно более тонкие субмикрометровые «обо-

индукция активных форм кислорода лежит в основе

лочки», которые будут обеспечивать сохранность

токсического действия наночастиц диоксида титана,

полезных веществ на начальном этапе развития рас-

причем реактивность зависит не только от фазово-

тений, но не препятствовать попаданию влаги.

го состава, размеров наночастиц, но и от степени

Ранее нами было показано, что золь-гель компози-

окристаллизованности, дефектности структуры и

ции на основе тетраэтоксисилана повышают устойчи-

др. [5-8]. Несмотря на большое количество исследо-

вость ярового ячменя к поражению фитопатогенами

ваний по изучению токсических свойств наночастиц

за счет формирования на поверхности семян функци-

TiO₂, тему нельзя считать достаточно изученной.

ональных кремнеземных слоев, обогащенных полез-

Авторы [1] обосновали использование наночастиц

ными для растений химическими соединениями [14].

диоксида титана, синтезированных по золь-гель тех-

Это происходит как за счет активизации иммунитета

нологии и обогащенных фосфолипидами, в качестве

растений, так и за счет регулирования численности

агентов, обеспечивающих взаимодействие полезных

микроорганизмов на поверхности семян, в том числе

стимулирующих рост растений бактерий (Bacillus

потенциально патогенных микроорганизмов. Однако

amyloliquefaciens UCMB5113) и рапса (Brassica

разработанные составы кремнезолей позитивно дей-

napus), с целью защиты его от патогена Alternaria

ствовали на растения только в узком диапазоне кон-

brassicae. Полученные ими результаты свидетель-

центраций. Предполагалось, что введение наночастиц

ствуют о возможности использования наночастиц

диоксида титана в пленкообразующие кремнезоли

TiO₂ для усиления протекторных свойств биологи-

и соответственно в функциональные слои, форми-

чески активных препаратов при борьбе с грибковыми

руемые на поверхности семян, усилит положитель-

инфекциями.

ное влияние предпосевной обработки в кремнезолях

Как отмечают авторы [3], исследования по приме-

на ростовые характеристики растений и регуляцию

нению наночастиц в агротехнологиях должны быть

численного состава эпифитных микроорганизмов.

направлены на подбор составов нанопрепаратов и оп-

Целью данной работы являлся синтез пленкообра-

тимизацию методики их создания, обеспечивающих

зующих кремнезолей с добавками наночастиц диок-

синергический положительный эффект от воздей-

сида титана и изучение их влияния на образование

ствия на растения. Необходимо выявить механизмы

функциональных слоев на поверхности семян пекин-

взаимодействия наночастиц с растениями и оценить

ской капусты, численный состав эпифитных микро-

их последствия на молекулярном, клеточном, орга-

организмов и ростовые характеристики растений на

низменном и популяционном уровнях.

ранних этапах развития последних.

Шилова О. А. и др.

Экспериментальная часть

В качестве нанопорошка диоксида титана ис-

пользовали коммерческий нанопорошок TiO₂ P-25

Для обработки семян были приготовлены крем-

(Degussa®), фотокаталитический материал, который

незоли на основе гидролизованного в кислой среде

содержит анатаз и рутил в соотношении примерно

тетраэтилового эфира ортокремниевой кислоты —

1/3, средний размер наночастиц анатаза и рутила

тетраэтоксисилана (ТЭОС), которые различались

~85 и 25 нм соответственно [15]. Порошок диоксида

вариантами модифицирующих добавок (допантов):

титана смешивали с водой и кремнезолями в соот-

нанопорошок диоксида титана, глицерин и поли-

ношении 0.003 г TiO₂ на 1 мл воды или кремнезоля

этиленгликоль ПЭГ-400. В качестве прекурсоров

и подвергали полученные смеси ультразвуковому

золей также использовали соляную кислоту HCl в

диспергированию. Режим диспергирования выби-

виде 0.25 М водного раствора и дистиллированную

рали исходя из того, что длительность нахождения

воду. В качестве питательных для растений доба-

мелких семян, каковыми являются семена капусты

вок макро- и микроэлементов в кремнезоли вводи-

пекинской, в тестируемых жидкостях перед стадией

ли водный раствор (I_aq), содержащий следующие

последующего высушивания не должна превышать

соединения: Са(NО₃)₂, KNO₃, KH₂PO₄, MgSO₄,

20-30 мин, иначе возрастает риск существенного

Fe(NH₄)₃(C₆H₅O₇)₂, H₃BO₃, ZnSO₄, CuSO₄, H₂SO₄ и

снижения их всхожести. Руководствуясь этими реко-

MnSO₄.

мендациями, а также необходимостью равномерного

Методика приготовления золей заключалась в по-

диспергирования наночастиц диоксида титана в крем-

следовательном смешивании водного раствора макро-

незолях с получением устойчивой суспензии, выбра-

и микроэлементов (I_aq), ТЭОС, 0.25 М раствора HCl и

ли режим ультразвукового озвучивания — 10 мин.

модифицирующих добавок глицерина или ПЭГ-400,

Семена сушили при комнатной температуре на

в результате чего получали кремнезоли, составы ко-

воздухе и затем при 30°С в течение 60 мин в сушиль-

торых представлены в табл. 1. Полученные кремне-

ном шкафу. Режимы сушки семян соответствовали

золи выдерживали в течение 1 сут перед дальнейшим

указанным в ГОСТ 12038. Сушка при температуре

использованием.

выше 40°C может привести к снижению всхожести

Для предпосевной обработки семян была выбра-

семян.

на пекинская капуста сорта Дацинкоу (к-56, Китай).

Обработанные семена перед посевом хранились

Предпосевная обработка семян осуществлялась в

при комнатной температуре. Повторность опыта —

результате перемешивания в течение 10 мин простым

400 семян на каждый вариант опыта.

взбалтыванием семян в емкостях с водой (контроль),

Морфологию поверхности семян до и после пред-

а также со следующими композициями: раствор

посевной обработки оценивали с помощью скани-

глицерина в воде концентрацией 1 об%; раствор

рующей электронной микроскопии (СЭМ), которая

ПЭГ-400 в воде с концентрацией 1 об%; суспензия

была выполнена с использованием растрового элек-

нанопорошка диоксида титана в воде (0.003 г TiO₂/мл

тронного микроскопа высокого разрешения Carl Zeiss

воды); кремнезоль 1% ТEOS + I_aq с добавкой нано-

NVision 40 при ускоряющем напряжении 1 кВ. Перед

порошка диоксида титана (0.003 г TiO₂/мл кремне-

проведением измерений на поверхность анализиру-

золя); кремнезоль 1% ТEOS + I_aq+ Gl с добавкой

емых объектов не наносили пленки из проводящего

нанопорошка диоксида титана (0.003 г TiO₂/мл крем-

материала. Чтобы оценить изменение состава поверх-

незоля); кремнезоль 1% TEOS + I_aq+ PEG с добав-

ности семян, был использован микрорентгеноспек-

кой нанопорошка диоксида титана (0.003 г TiO₂/мл

тральный элементный анализ (МРСА), выполнен-

кремнезоля).

ный с помощью энергодисперсионного спектрометра

Таблица 1

Составы кремнезолей

Исходные компоненты, об%

Маркировка золей

pH среды

HCl

I_aq

ТЭОС

глицерин

ПЭГ-400

0.25 М водный раствор

1% ТEOS+ I_aq

98.5

0.5

—

1% ТEOS + I

97.5

0.5

—

2-3

aq + Gl

1% ТEOS + I_aq+ PEG

97.5

0.5

—

Синтез и исследование функциональных слоев на основе наночастиц диоксида титана...

Oxford Instruments X-MAX (80 мм²) при ускоряющем

ния поверхности семян до и после их обработки в

напряжении 20 кВ. Перед проведением анализа на

суспензиях, растворах и кремнезолях. Важно было

поверхность материала наносили проводящий слой

оценить сплошность и равномерность образования

углерода (~5 нм) методом термического распыления

функциональных слоев, в том числе содержащих на-

углеродной нити в вакууме. Количественное опреде-

ночастицы диоксида титана, на поверхности семян.

ление элементного состава поверхности семян прово-

Для этого поверхность была исследована методами

дили путем усреднения данных МРСА по нескольким

СЭМ и МРСА (рис. 1). Как необработанные, так и об-

точкам.

работанные в кремнезолях семена содержат углерод

Изучение биологической активности тестируе-

(60 ± 2 и 56 ± 2 ат% соответственно). Однако только

мых веществ заключалось в определении их влияния

поверхность обработанных в кремнезоле семян обо-

на энергию прорастания (ГОСТ 12038-84). Семена

гащена кремнием (5 ± 2 ат%), в то время как на по-

пекинской капусты проращивали в чашках Петри

верхности необработанных семян этого элемента не

диаметром 10 см на фильтровальной бумаге, смочен-

обнаружено. Таким образом, можно заключить, что

ной 10 мл водного раствора тестируемого вещества.

из золей с концентрацией ТЭОС, равной 1 об%, на

В контрольных вариантах семена проращивали на

поверхности семян капусты пекинской формируется

дистиллированной воде. На 3-й день оценивали энер-

функциональный слой, обогащенный соединениями

гию прорастания семян, на 7-й день — их всхожесть

кремния, вероятнее всего кремнеземом.

(ГОСТ 12038-84), а также измеряли длину ростков

Из результатов ранее проведенных исследований

и корней проростков. Исследования выполнены в

известно о положительном влиянии добавок поли-

соответствии с правилами Международной ассоци-

ации тестирования семян (ISTА) и общепринятых

методов.^* Все эксперименты повторяли трижды.

Оценку влияния предпосевной обработки семян

пекинской капусты приготовленными растворами,

суспензиями наночастиц диоксида титана в воде

или кремнезолями на численный состав эпифитных

микроорганизмов проводили следующим образом.

Навески предварительно обработанных сухих семян

(по 10 г) помещали в колбы со 100 мл натрий-фос-

фатного буферного раствора (рН 7.2). Колбы под-

вергали воздействию ультразвука в течение 18 мин.

Длительность воздействия ультразвуком была вы-

брана на основании результатов предварительно

выполненных экспериментов по определению за-

висимости количества смываемых с поверхности

семян клеток микроорганизмов от временного пери-

ода ультразвукового воздействия. Далее с примене-

нием общепринятого метода серийных разведений,

заключающегося в высеве 0.1 мл (или 1 мл) водных

суспензий — смывов из соответствующих разведений

в твердые и жидкие питательные среды с последую-

щим их культивированием в термостате при 28°C,

определяли численность микроорганизмов основных

таксономических и физиологических групп.

Обсуждение результатов

Состояние поверхности семян после предпосевной

Рис. 1. СЭМ-изображения поверхности семени капусты

обработки. Было проведено исследование состоя-

пекинской после обработки водой (а) и кремнезолем

(1 об% тетраэтоксисилана, pH 2-3) (б).

Крестиком обозначены участки поверхности, где осущест-

* International Seed Testing Association — ISTA.

влялось зондирование.

International Rules for Seed Testing. V. 2016. N 1. P. 1-384.

Шилова О. А. и др.

олов — глицерина и полиэтиленгликоля на сплош-

составом на основе ПЭГ-400 с целью защиты расте-

ность и равномерность покрытий, нанесенных из

ний от бактериальных и грибковых инфекций [19].

золей на основе тетраэтоксисилана на кремниевые,

Действие заявленного концентрированного состава

стеклянные или металлические подложки [16, 17].

основано на следующих механизмах: 1) эксперимен-

Поэтому представляло интерес проверить влияние

тально установленная способность ПЭГ-400 усили-

этих веществ на пленкообразующие свойства кремне-

вать антимикробную активность основных действу-

золей при нанесении их на новые объекты — семена

ющих веществ; 2) присутствие ПЭГ-400 в составе

пекинской капусты.

способствует увеличению чувствительности тех бак-

Влияние глицерина и ПЭГ-400 на состояние по-

терий, которые устойчивы к действию используемых

верхности функциональных слоев, сформирован-

противомикробных и противогрибковых препара-

ных на семенах, проявилось и в данном случае. Из

тов; 3) повышенное содержание активных веществ

золей, модифицированных небольшими добавками

в концентрированном составе и в рабочих растворах

глицерина и ПЭГ, на поверхности семян образуются

благодаря способности ПЭГ их солюбилизировать;

неоднородные по структуре слои, неравномерные

4) пролонгированность биологического действия

по толщине, что, видимо, связано с более высокой

вследствие постепенного выхода активных веществ

вязкостью кремнезолей на их основе (рис. 2, г, д).

из полимерного препарата; 5) синергизм — суммар-

Кремнезоли с введенными в них наночастицами ди-

ный антимикробный эффект рабочих растворов за-

оксида титана образуют достаточно равномерные

явленного состава превышает биологическую актив-

слои на поверхности семян, но с явно выраженными

ность, проявляемую отдельно каждым входящим в

трещинами (рис. 2, в; 3, а). Менее дефектные, прак-

него компонентом. Однако в серии экспериментов

тически без трещин слои формируются из кремне-

авторами [19] установлено, что сам ПЭГ-400 как рас-

золей с добавками TiO₂ и глицерина (рис. 2, е; 3, в).

творитель не обладает биологической активностью,

По-видимому, глицерин, увеличивая вязкость крем-

а лишь способствует высокой антимикробной актив-

незоля, способствует получению более однородной

ности основных противомикробных компонентов,

суспензии и более равномерному распределению

которая сохраняется в течение 1.5 лет.

наночастиц TiO₂ в слое. Олигомер ПЭГ-400 с более

В литературе обнаружено незначительное число

высокой молекулярной массой, чем глицерин, ухуд-

работ, посвященных применению растворов глицери-

шает равномерность распределения частиц порошка,

на для обработки семян растений. Так, рассмотрено

что нарушает сплошность слоя (рис. 2, ж; 3, г).

влияние растворов глицерина в широком диапазоне

Таким образом, можно констатировать, что вве-

концентраций отдельно или в составе пленкообразу-

дение глицерина в кремнезоль, содержащий наноча-

ющих комплексов хитозан-глицерин на прорастание

стицы диоксида титана (1 TEOS + I_aq + TiO₂ + Gl),

семян пшеницы и выявлен положительный эффект

улучшает состояние поверхности получаемых функ-

при определенных концентрационных соотношени-

циональных слоев. Как будет показано далее, добавка

ях [20, 21]. В то же время в ряде статей отмечается

глицерина в золь, содержащий наночастицы TiO₂,

возможность использования глицерина — побочного

оказывает положительное влияние на ростовые ха-

продукта при производстве биодизельного топлива —

рактеристики капусты пекинской.

в качестве заменителя пестицидов, предназначенного

Реакция растений на предпосевную обработку

для подавления всхожести сорных растений [22].

на начальных этапах развития. Отличие настояще-

Как ПЭГ, так и глицерин хорошо совмещаются

го исследования от ранее проведенных работ [11,

с кремнезолями, увеличивают вязкость золей, спо-

12, 18] состояло в использовании для предпосевной

собствуют растворению минеральных добавок и об-

обработки семян пекинской капусты кремнезолей с

разованию однородных по структуре тонкослойных

добавками нанопорошка TiO₂, а также в использова-

покрытий [17].

нии глицерина и ПЭГ в качестве модифицирующих

В нашем случае кремнезоли не являлись концен-

добавок в кремнезоли.

трированными ни по содержанию пленкообразова-

ПЭГ-400 входит в состав ряда стимуляторов ро-

теля (1 об% ТЭОС), ни по содержанию модификато-

ста, способствуя лучшему проникновению в клетки

ров — TiO₂ (0.003 г·мл^-1 золя) и глицерина (1 об%)

растений компонентов средств защиты, применяемых

или ПЭГ (1 об%). Однако предпосевная обработка

для обработки семян и растений различных сельско-

семян пекинской капусты показала (табл. 2), что вы-

хозяйственных культур. Более того, известен запатен-

раженное положительное влияние на их прорастание,

тованный способ предпосевной обработки семян и

всхожесть и ростовые характеристики проростков

посадочного материала растений концентрированным

оказывает кремнезоль с добавками минеральных ве-

Шилова О. А. и др.

Рис. 3. СЭМ-изображения поверхности семян пекинской капусты с функциональными слоями, полученными на

основе кремнезолей с добавками нанопорошка TiO₂: без добавок полиолов (1 TEOS + I_aq + TiO₂) (а); с добавками

глицерина (1 TEOS + I_aq + TiO₂ + Gl) (б, в), ПЭГ-400 (1 TEOS + I_aq + TiO₂ + PEG) (г).

проростков происходит в вариантах с обработкой се-

влиянием водного раствора глицерина или суспен-

мян водным раствором глицерина, а также кремнезо-

зии порошка диоксида титана в воде. По-видимому,

лем с добавками неорганических веществ, модифици-

такой эффект связан с формированием на поверх-

рованным ПЭГ (1% ТEOS+ I_aq + PEG). В остальных

ности семян менее дефектного функционального

вариантах опытов наблюдается достоверное или в

слоя (рис. 3, а-в). Обратная зависимость наблюда-

виде тенденции увеличение длины корней, особенно

лась в вариантах опытов с водным раствором ПЭГ

выраженное при обработке семян кремнезолем (1%

и с ПЭГ в составе кремнезоля — действие водных

ТEOS + I_aq) — на 40%, а также в сочетании его с

растворов ПЭГ было эффективнее, чем в комплексе

нанопорошком диоксида титана (1% ТEOS + I_aq +

с кремнезолем. Интересно отметить, что диоксид

+ TiO₂) — на 34% или отдельно водным раствором

титана в составе золь-гель композиции с ПЭГ (1%

ПЭГ-400 — на 30%. Интересно отметить, что вве-

TEOS + I_aq + TiO₂ + PEG) существенно усиливает

дение в кремнезоль глицерина отдельно или в соче-

положительное влияние на ростовые характеристики

тании с TiO₂ не повышало эффективность его сти-

семян по сравнению с действием золь-гель компози-

мулирующего влияния на ростовые характеристики

ции без него (1% ТEOS + I_aq + PEG).

проростков семян пекинской капусты. Однако в отно-

Такие показатели, как разнообразие и численность

шении показателя «всхожесть семенного материала»

полезных микроорганизмов, являются чрезвычайно

данное сочетание компонентов в золь-гель системе

важными для развития растений. В табл. 3 представ-

существенно усиливало положительное действие

лены данные о численности основных таксономиче-

кремнезоля. При этом присутствие диоксида титана и

ских и физиологических групп эпифитных микро-

(или) глицерина в составе золь-гель композиции (1%

организмов. Семена пекинской капусты оказались

ТEOS + I_aq + TiO₂, 1% ТEOS + I_aq + Gl, 1% TEOS +

существенно менее заселенными микроорганизмами

+ I_aq + TiO₂ + Gl) оказывало более сильное положи-

по сравнению с ранее изученными семенами яро-

тельное воздействие на растения по сравнению с

вого ячменя [12] и, судя по численности грибов на

Синтез и исследование функциональных слоев на основе наночастиц диоксида титана...

Таблица 2

Показатели прорастания и ростовые характеристики семян пекинской капусты после предпосевной обработки

водными растворами и кремнезолями, в том числе с наночастицами TiO₂

Энергия прорастания

Всхожесть

Длина корня

Длина ростка

Вариант обработки семян

мм

от контроля

Вода (контроль)

100

22.2

100

27.4

100

Водный раствор с глицерином

102

104

17.2*

77.4*

20.7*

75.8*

(1 об%)

Водный раствор с ПЭГ-400

59*

120*

63*

134*

28.9*

130.3*

25.5

93.1

(1 об%)

Водная суспензия TiO₂

106

24.3

109.5

21.6*

78.8*

(0.003 г·мл^-1)

Кремнезоль 1% TEOS + I_aq

60*

122*

57*

121*

31.1*

140.2*

24.4

89.1

Кремнезоль 1% ТEOS + I_aq +

108

55*

117*

29.9*

134.9*

25.6

93.4

+ TiO₂

Кремнезоль 1% ТEOS + I_aq+ Gl

55*

112*

67*

143*

26.1*

117.7*

20.9*

76.4*

Кремнезоль 1% ТEOS + I_aq +

59*

120*

63*

134*

25.5*

115.1*

22.7*

82.8*

+ TiO₂ + Gl

Кремнезоль 1% ТEOS + I_aq +

40*

85*

15.2*

68.4*

19.5*

71.3*

+ PEG

Кремнезоль 1% ТEOS + I_aq +

59*

120*

56*

119*

21.5

96.9

22.8*

83.3*

+ TiO₂ + PEG

* Значение достоверно отличается от контрольного на 5%-ном уровне значимости.

контрольных семенах, превышающих численность

ности микромицетов над бактериями наблюдается и

бактерий, были собраны во влажный период либо

в вариантах обработки семян глицерином отдельно

хранились при неоптимальной влажности воздуха,

или в составе кремнезоля. Следует подчеркнуть, что

обеспечивающей развитие грибной микрофлоры на

это неблагоприятное влияние несколько нивелирует-

поверхности. На поверхности семян полностью от-

ся при добавлении в состав кремнезоля с ПЭГ или с

сутствовали и не появились после предпосевной об-

глицерином диоксида титана. Введение в кремнезоли

работки такие микроорганизмы, как актиномицеты и

диоксида титана способствовало преимущественно

дрожжи. Обработка семян пекинской капусты водной

существенному увеличению функционально полез-

суспензией диоксида титана, а также кремнезолем от-

ных бактерий, способных разлагать и трансформи-

дельно (1% ТEOS + I_aq) или с добавкой нанопорошка

ровать органические и минеральные формы азота.

диоксида титана как без ПЭГ (1% TEOS + I_aq + TiO₂),

Сам водный раствор диоксида титана обеспечивает

так и с ПЭГ (1% TEOS + I_aq + TiO₂ + PEG) способ-

наиболее значительное увеличение как бактерий,

ствовала возрастанию числа эпифитных бактерий в

использующих органические и минеральные формы

несколько большей степени, чем грибов, что явля-

азота в своем метаболизме, так и микромицетов.

ется положительным фактом. Отмеченное наиболее

Таким образом, обработка семян пекинской капу-

выражено в варианте обработки семян кремнезо-

сты кремнезолями с добавкой диоксида титана TiO₂

лем, одновременно содержащим и ПЭГ, и TiO₂ (1%

P-25, модифицированными органическими полиола-

TEOS + I_aq + TiO₂ + PEG). Следует отметить, что ПЭГ

ми (ПЭГ-400 или глицерином), способствовала оп-

отдельно и в составе кремнезоля без диоксида титана

тимизации состава эпифитных микроорганизмов на

способствовал резкому изменению в неблагоприят-

поверхности семян, что косвенно, наряду с прямым

ную сторону соотношения численности бактерий

действием данных нанокомпозиций, преимуществен-

и грибов за счет значительного увеличения числа

но положительным образом отражалось на растениях

последних. Существенное доминирование по числен-

на начальных этапах их развития.

Шилова О. А. и др.

Таблица 3

Численность микроорганизмов основных таксономических и физиологических групп на поверхности семян

пекинской капусты после предпосевной обработки водными растворами и кремнезолями, в том числе

с наночастицами TiO₂

Количество эпифитных микроорганизмов* × 1000, КОЕ/г семян

бактерии,

Вариант обработки семян

использующие

спорообразующие

микромицеты⁴

органические

минеральные

бактерии³

формы азота¹

формы азота²

Вода (контроль)

0.50

0.250

1.875

Водный раствор с глицерином (1 об%)

2.88**

0.38**

0.125**

8.125**

Водный раствор с ПЭГ-400 (1 об%)

0.50

0.25**

0.125**

7.875**

Водная суспензия TiO₂ (0.003 г·мл^-1)

21.38**

2.13**

0.375**

20.250**

Кремнезоль 1% ТEOS + I_aq

9.50**

3.13**

3.625**

9.375**

Кремнезоль 1% ТEOS + I_aq + TiO₂

6.63**

1.63**

4.375**

9.750**

Кремнезоль 1% ТEOS + I_aq + Gl

0.03**

0.38**

0.125**

1.250**

Кремнезоль 1% TEOS + I_aq + Gl + TiO₂

0.25**

3.000**

1.250**

Кремнезоль 1% TEOS + I_aq + PEG

0.63**

0.13**

0.125**

19.875**

Кремнезоль 1% TEOS + I_aq + TiO₂ + PEG

7.38**

0.25**

0.250

2.250**

* Определение численности микроорганизмов осуществляли методом высева на твердые (глубинный или поверх-

ностный посев) или жидкие питательные среды; 1 — количество микроорганизмов на капустном агаре, 2 — на крахма-

ло-аммиачном агаре, 3 — на смеси сусло-агара и рыбо-пептонного агара, 4 — на подкисленном сусло-агаре.

** Значение достоверно отличается от контрольного на 5%-м уровне значимости.

Выводы

стимулирующего или нейтрализации негативного

влияния на прорастание семян и развитие проростков

1. Установлено, что кремнезоль с низкой концен-

при совместном применении в составе кремнезолей,

трацией прекурсора — тетраэтоксисилана (1 об%)

модифицированных органическими полиолами (гли-

обеспечивает обогащение поверхности семян крем-

церином или полиэтиленгликолем ПЭГ-400).

нием за счет формирования на поверхности тонко-

3. Предпосевная обработка семян пекинской ка-

го функционального слоя (оболочки). Введенный в

пусты кремнезолями на основе тетраэтоксисилана

кремнезоль наноразмерный порошок диоксида титана

(1 об% ), модифицированными органическими поли-

(0.003 г TiO₂/мл кремнезоля) достаточно равномерно

олами ПЭГ-400 или глицерином, с добавкой нанопо-

распределяется и закрепляется на поверхности семян.

рошка TiO₂ P-25 способствует оптимизации состава

Присутствие глицерина в кремнезоле (1 об%) способ-

эпифитных микроорганизмов на поверхности семян,

ствует более равномерному распределению порошка

а именно: преимущественно увеличению доли функ-

TiO₂ P-25 по поверхности семян капусты и улучшает

ционально полезных бактерий, способных разлагать

сплошность сформировавшегося функционального

и трансформировать органические и минеральные

слоя.

формы азота. Этот эффект наряду с прямым дей-

2. Обработка семян пекинской капусты кремнезо-

ствием золь-гель нанокомпозиций положительным

лями на основе тетраэтоксисилана (1 об%, pH 2-3) с

образом отражается на растениях на начальных эта-

небольшими добавками полезных для растений неор-

пах их развития.

ганических веществ, особенно в сочетании с наноча-

стицами диоксида титана, а также отдельно водным

раствором ПЭГ-400 (1 об%) продемонстрировала

Финансирование работы

выраженное положительное влияние тестируемых

веществ на прорастание, всхожесть семян и ростовые

Работа выполнена при частичной финансовой

характеристики проростков. Выявлена выраженная

поддержке Российского научного фонда (проект 19-

положительная роль наночастиц TiO₂ P-25 в усилении

13-00442).

Синтез и исследование функциональных слоев на основе наночастиц диоксида титана...

Благодарности

nanozymes, improving growth and abiotic

stress tolerance in Brassica napus // Nanosc.

Исследования методом растровой электронной

Res. Lett. 2017. V. 12. Article number: 631.

микроскопии и рентгеноспектрального элементного

https://doi.org/10.1186/s11671-017-2404-2

анализа выполнены с использованием оборудования

[3] Janmohammadi M., Amanzadeh T., Sabaghnia N.,

ЦКП ФМИ ИОНХ РАН, функционирующего при

Dashti S. Impact of foliar application of nano

поддержке государственного задания ИОНХ РАН в

micronutrient fertilizers and titanium dioxide

области фундаментальных научных исследований.

nanoparticles on the growth and yield components

of barley under supplemental irrigation // Acta

Agriculturae, Slovenica. 2017. V. 107. N 2. P. 265-276.

Конфликт интересов

https://doi.org/10.14720/aas.2016.107.2.01

[4] Tripathi D. K., Gaur S. S., Singh S, Pandey R.,

Авторы заявляют об отсутствии конфликта ин-

Singh V. P., Sharma N. C., Prasad S. M., Dube N. K.,

тересов, требующего раскрытия в данной статье.

Chauhan D. K. An overview on manufactured

Соавтор О. А. Шилова является членом редколлегии

nanoparticles in plants: Uptake, translocation,

Журнала прикладной химии.

accumulation and phytotoxicity // Plant Physiology.

Biochem. 2017. V. 110. N 2. P. 2-12. https://

doi.org/10.1007/s00709-018-1281-6

Информация об авторах

[5] Silva S., Oliveira H., Silva A. M. S., Santos C. The

Шилова Ольга Алексеевна, д.х.н., проф., и.о.

cytotoxic targets of anatase or rutile + anatase nano-

зам. директора по научной работе ИХС РАН, г.н.с.

particles depend on the plant species // Biol. Plant.

ИХС РАН, академик Всемирной академии керами-

2017. V. 61. N 4. P. 717-725.

https://doi.org/10.1007/s10535-017-0733-8

ки (Academician of the World Academy of Ceramics),

[6] Dias M. C., Santos C., Pinto G., Silva A. M. S.,

ORCID: https:orcid.org/0000-0002-3856-9054

Silva S. Titanium dioxide nanoparticles impaired both

Хамова Тамара Владимировна, к.х.н., ученый

photochemical and non-photochemical phases of

секретарь ИХС РАН, с.н.с., ORCID: https://orcid.

photosynthesis in wheat // Protoplasma. 2019. V. 256.

org/0000-0003-4302-3520

N 1. P. 69-78.

Панова Гаянэ Геннадьевна, к.б.н., зав. отделом

https://doi.org/10.1007/s00709-018-1281-6

ФГБНУ АФИ, в.н.с., ORCID: https:orcid.org/0000-

[7] Вардуни Т. В., Середа М. М., Капралова О. А.,

0002-1132-9915

Чохели В. А., Вардуни В. М., Шиманская Е. И.

Аникина Людмила Матвеевна, к.б.н., в.н.с. ФГБНУ

Влияние наночастиц диоксида титана на рост и

АФИ, ORCID: https:orcid.org/0000-0001-5217-174X

развитие томата (lycopersicon esculentum) в куль-

Удалова Ольга Рудольфовна, к.с.-х.н., в.н.с. ФГБНУ

туре in vitro // Современные проблемы науки и

АФИ ORCID: https:orcid.org/0000-0003-3521-0254

образования. 2017. № 6. С. 268-276.

[8] Мансуров Р. Р., Сафронов А. П., Саматов О. М.,

Галушко Александр Сергеевич, к.б.н., в.н.с. ФГБНУ

Бекетов И. В., Медведев А. И., Лакиза Н. В.

АФИ, ORCID: https:orcid.org/0000-0002-0387-7997

Фотокаталитическая активность наночастиц

Корнюхин Дмитрий Львович, н.с. ВИР, ORCID:

диоксида титана, полученных методами вы-

https:orcid.org/0000-0001-9181-5368

сокоэнергетического физического дисперги-

Артемьева Анна Майевна, к.б.н., зав. отделом

рования // ЖПХ. 2017. Т. 90. № 2. С. 156-163

ВИР, ORCID: https:orcid.org/0000-0002-6551-5203

[Mansurov R. R., Safronov A. P., Lakiza N. V.,

Баранчиков Александр Евгеньевич, к.х.н., зав. лаб.

Beketov I. V. Photocatalytic activity of titanium

ИОНХ РАН, ORCID: https:orcid.org/0000-0002-2378-

dioxide nanoparticles immobilized in the polymer

7446

network of polyacrylamide hydrogel // Russ. J. Appl.

Chem. 2017. V. 90. N 10. P. 1712-1721. https://

doi.org/10.1134/S1070427217100238].

Список литературы

[9] Сласти И. В. Влияние обработки соединениями

[1] Palmqvist N. G. M., Bejai S., Meijer J., Seisen-

кремния семян и вегетирующих растений на про-

baeva G. A., Kessler V. G. Nano titania aided clustering

дуктивность сортов ярового ячменя // Агрохимия.

and adhesion of beneficial bacteria to plant roots to

2012. № 10. С 51-59.

enhance crop growth and stress management // Sci.

[10] Матыченков В. В., Бочарникова Е. А., Кособрю-

Rep. 2015. N 5. Article number: 10146. https://

хов А. А., Биль К. Я. О подвижных формах кремния

doi.org/10.1038/srep10146

в растениях // ДАН. 2008. Т. 418. № 2. С. 279-281.

[2] Palmqvist N. G. M., Seisenbaeva G. A., Svedlindh P.,

[11] Пат. РФ 2618143 (опубл. 2017). Способ предпосев-

Kessler V. G. Maghemite nanoparticles acts as

ной обработки семян ячменя.

Шилова О. А. и др.

[12] Шилова О. А., Хамова Т. В., Панова Г. Г.,

ми оптической и атомно-силовой микроскопии //

Аникина Л. М., Артемьева А. М., Корнюхин Д. Л.

Физика и химия стекла. 2007. Т. 33. № 4. С. 429-

Использование золь-гель технологии для обработ-

441 [Smirnova I. V., Shilova O. A., Efimenko L. P.,

ки семян ячменя // Физика и химия стекла. 2018.

Pugachev K. E., Moshnikov V. A., Bubnov Yu. Z.

Т. 44. № 1. С. 39-47 [Shilova O. A., Khamova T. V.,

Investigation into the surface morphology of nanosized

Panova G. G., Anikina L. M., Artem′eva A. M.,

silicate and hybrid films by optical and atomic-force

Kornyukhin D. L. Using the sol-gel technology for the

microscopy // Glass Phys. Chem. 2007. V. 33. N 4.

treatment of barley seeds // Glass Phys. Chem. 2018.

P. 306-314.

V. 44. N 1. P. 26-32.

https://doi.org/10.1134/S1087659607040025].

https://doi.org/10.1134/S108765961801011X].

[18] Панова Г. Г., Шилова О. А., Хамова Т. В., Аники-

[13] Будков В. А., Пахальская Н. В. Дражирование се-

на Л. М., Артемьева А. М., Корнюхин Д. Л.,

мян сельскохозяйственных культур // Плодородие.

Удалова О. Р., Гусакова Л. П., Синявина Н. Г.,

2009. № 2. С. 17-19.

Блохина С. Ю., Долматов В. Ю. Влияние нано-

[14] Панова Г. Г., Семенов К. Н., Шилова О. А., Кор-

композиционной кремнезольной оболочки на по-

нюхин Д. Л., Шпанев А. М., Аникина Л. М.,

верхности семян на начальные этапы развития

Хамова Т. В., Артемьева А. М., Канаш Е. В.,

растений // Агрофизика. 2017. № 2. С. 19-39.

Чарыков Н. А., Удалова О. Р., Галушко А. С., Жу-

[19] Пат. РФ 2565291 (опубл. 2015). Концентрирован-

равлева А. С., Филиппова П. С., Кудрявцев Д. В.,

ный состав для обработки семян и посадочного

Блохина С. Ю. Влияние углеродных и кремне-

материала растений против бактериальных и гриб-

зольных наноматериалов на устойчивость яро-

ковых болезней.

вого ячменя к заболеванию корневыми гниля-

[20] Рогожин Ю. В., Рогожин В. В. Влияние глицерина

ми // Агрофизика. 2018. № 3. С. 48-58. https://

на прорастание зерновок пшеницы // Вестн. Алтай.

doi.org/10.25695/AGRPH.2018.03.09

гос. аграр. ун-та. 2013. Т. 108. № 10. C. 37-42.

[15] Ohno T., Sarukawa K., Tokieda K., Matsumura

[21] Базунов А. А., Аллаяров И. Р., Базунова М. В., Заи-

M. Morphology of a TiO₂ photocatalyst (Degussa,

ков Г. Е. Использование систем хитозан-глицерин

P-25) //J. Catal. 2001. V. 203. N 1. P. 82-86. https://

в качестве связующей основы в композициях для

doi.org/10.1006/jcat.2001.3316

микрокапсулирования и дражирования семян сель-

[16] Shilova O. A. Synthesis and structure features of

скохозяйственных растений // Вестн. технол. ун-та.

composite silicate and hybrid TEOS-derived thin films

2016. Т. 19. № 5. С. 12-14.

doped by inorganic and organic additives // J. Sol-Gel

[22] Matteoa R., Back M. A., Reade J. P. H., Ugolini L.,

Sci. Technol. 2013. V. 68. N 3. P. 387-410. https://

Pagnotta E., Lazzeri L. Effectiveness of defatted

doi.org/10.1007/s10971-013-3026-5

seed meals from Brassicaceae with or without crude

[17] Смирнова И. В., Шилова О. А., Ефименко Л. П.,

glycerin against black grass (Alopecurus myosuroides

Пугачев К. Э., Мошников В. А., Бубнов Ю. З.

Huds.) // Industrial Crops & Products. 2018. V. 111.

Исследование морфологии поверхности нанораз-

P. 506-512.

мерных силикатных и гибридных пленок метода-