Агрохимия, 2019, № 11, стр. 48-56

ВВЕДЕНИЕ

Повышение устойчивости растений к болезням может быть достигнуто химическим методом с помощью различных веществ – химических иммунизаторов – соединений, которые могут проникать в растения, ассимилироваться ими, оказывать влияние на обмен веществ, повышая тем самым устойчивость к паразиту. Химическую иммунизацию могут вызывать фунгициды, рострегулирующие вещества, антибиотики, макро- и микроэлементы [1]. Фунгициды комплексно-иммунизирующего действия или продукты их декомпозиции изменяют метаболизм растений в сторону повышения устойчивости к заболеваниям не только в год обработки, но и в последующих поколениях [2], что дает основание отнести это явление к типу приобретенного иммунитета.

Среди различных приемов, позволяющих защитить картофель от болезней, наиболее экономичным и экологически безопасным является протравливание клубней. Основной идеей создания протравителей явилось присутствие пропагативных структур возбудителей болезней на поверхности семенного материала, а также внутри него. Ежегодная высокая инфицированность семенных клубней [3] обусловливает необходимость обязательного предпосадочного протравливания клубней. Протравливание обеспечивает максимальный эффект при минимально отрицательном влиянии на компоненты агроценоза [4]. Для прямого подавления и уничтожения патогенов в основном используют химические препараты контактного и системного действия, которые снижают жизнеспособность либо вызывают гибель возбудителя, прерывая его инфекционный цикл. Этим достигается уничтожение инфекции на клубнях и их защита от возбудителей почвенно-клубневых инфекций, как во время хранения, так и во время прорастания. Данный прием в определенной мере также препятствуют поражению клубней нового урожая.

Однако пестициды требуют пристального внимания и изучения из-за их токсического воздействия на окружающую среду. Одним из путей повышения безопасности данного метода является совершенствование ассортимента пестицидов, направленное на улучшение их санитарно-гигиенических и экологических характеристик, высокую эффективность в сочетании с малой опасностью для теплокровных животных и окружающей среды [5].

Цель работы – синтез и изучение биологической эффективности полифункциональных комплексных препаратов-протравителей на основе карбендазима (БМК), полученных его механохимической модификацией с помощью водорастворимых полимеров. Полученные при этом инновационные композиции исследованы в период хранения клубней и вегетации растений в отношении ризоктониоза и сухих гнилей, а также их влияния на продуктивность культуры.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Процесс получения композиций. Карбендазим (БМК) – [N-(бензимидазолил-2)-О-метилкарбамат] – действующее вещество (д.в.) пестицидов из класса бензимидазолов, один из первых системных фунгицидов, который используют и в настоящее время [6]. БМК представляет собой кристаллическое вещество от серого или голубого до темно-коричневого цвета. Плохо растворим в воде и многих органических растворителях, растворим в кислотах. В кислой среде стабилен, в щелочной быстро разрушается, образуя водорастворимые соли. Брутто-формула – C₉H₉N₃O₂. Структурная формула:

Для изменения растворимости БМК применяли следующие водорастворимые полимеры: арабиногалактан (АГ)/ТУ 9363-021-39094141-08, серия 02042013/; гидроксиэтилкрахмал (ГЭК)/марки 200/05 фармакопейной чистоты/; поливинилпирролидон (ПВП) (ФСП 42-0345-4368-03) с молекулярной массой М_w$ \simeq $ 12 кДа.

Процесс получения композиций проводили при совместной обработке БМК с полимерами в измельчителях-активаторах ударно-истирающего типа с регулируемой энергонапряженностью в условиях, описанных ранее [7, 8]. Полученные при этом композиции были исследованы на растворимость в воде, дисперсность, а также методами ИК-спектроскопии и термического анализа для подтверждения стабильности БМК при механообработке (м/о) и образования межмолекулярных комплексов. ИК-спектральные исследования исходного БМК и его композиций с полимерами были проведены на спектрофотометре Shimadzu-2600 (Япония).

Термический анализ образцов карбендазима и его композиций проводили методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) с помощью прибора DSC-550 (Instrument Scientific Specialists Inc., USA) в атмосфере аргона. Температурная программа: 20–250°С, скорость нагрева 10°/мин.

Для определения растворимости БМК и его композиций навески образцов в количествах 0.05 и 0.55 г соответственно растворяли в 10 мл дистиллированной воды при перемешивании на магнитной мешалке (25°С, 250 об./мин) в течение 3 ч. Во всех случаях субстанция БМК в растворе находилась в равновесии с осадком нерастворившегося БМК. Далее проводили центрифугирование и концентрацию БМК в растворе определяли методом ВЭЖХ на хроматографе Agilent 1200 с колонкой Zorbax Eclipse XDB-C18, 4.6 × 50 мм; температура колонки 30°С; детектор диодно-матричный. В качестве элюента применяли систему ацетонитрил–ацетатный буфер pH 3.4 (1 : 1), скорость потока – 1 мл/мин, объем пробы – 5 мкл, детектирование на длине волны 242 нм. Концентрацию БМК определяли относительно специально приготовленного стандартного раствора БМК в ДМСО.

Гранулометрический состав осадков исходного БМК и его композиций определяли с помощью лазерного анализатора размера частиц SALD-7101 (“Shimadzu”, Япония). В модуль пробоподготовки (объем жидкости 150 см³) засыпали 1–5 г исследуемого порошка в количестве, достаточном для достижения 70–75% светопропускания через кювету. Измерения проводили после перемешивания в течение 1–2 мин при одновременной ультразвуковой обработке суспензии для разрушения агломератов. Результаты анализа представлены в виде гистограмм массового распределения по размерам частиц.

Для подтверждения биологической эффективности приготовленные по механохимической технологии композиции БМК были переданы на испытания.

Биологические испытания. Объектами изучения были картофель (Solanum tuberosum L.), ризоктониоз картофеля (Rhizoсtonia solani Küch.), сухие гнили при хранении (Fusarium spp. и Phoma exigua sp.). Эксперименты проводили на сорте картофеля Любава в хранилище и на полях стационара СибНИИЗиХ СФНЦА РАН в ОПХ “Элитное” Новосибирской обл., почвенно-климатические условия которого типичны для лесостепной зоны Западной Сибири в период 2013–2014 гг.

Клубни картофеля обрабатывали фунгицидами-протравителями (в том числе, инновационными композициями БМК с полимерами) осенью (для определения их биологической эффективности в отношении гнилей при хранении) и весной (против ризоктониоза). В качестве эталона (химического контроля) был выбран разрешенный для применения в РФ препарат на основе БМК – колфуго Супер, КС (200 г/л). Норма расхода рабочей жидкости при осеннем и весеннем протравливании составила 10 л/т [9, 10].

Осенью клубни картофеля, взятые из-под картофелеуборочного комбайна (для моделирования производственных условий, где происходит травмирование клубней, что ведет к заселению полученных повреждений возбудителями фомоза, фузариоза, и развитию сухих гнилей в период хранения), опрыскивали изученными композициями в течение 48 ч после их уборки. Нормы расхода композиций БМК были взяты на уровне химического контроля колфуго Супер, с учетом длительного нахождения обработанных клубней в хранении (8 мес.), в связи с чем отмечено разложение и адсорбция почвой действующих веществ.

Образцы клубней массой 20 кг, обработанные фунгицидами перед закладкой на хранение, в четырехкратной повторности хранили в массе картофеля в закроме. Весной их анализировали на пораженность гнилями. Здоровые клубни высаживали в полевом опыте для изучения последействия пестицида на ризоктониоз и урожайность. Густота посадки – 35.7 тыс. растений/га, площадь питания – 0.28 м². Размер делянок 16.8 м², повторность трехкратная.

Весной вновь отобранные посадочные клубни были обработаны композициями БМК с полимерами и высажены в поле для определения биологической эффективности препаратов в период вегетации против ризоктониоза. Нормы расхода этих композиций были снижены в 5 раз в сравнении с химическим контролем. Площадь делянки под вариантом опыта составила 16.8 м². Густота посадки – 35.7 тыс. растений/га, площадь питания – 0.28 м². Повторность опыта трехкратная.

Основные элементы технологии возделывания картофеля соответствовали общепринятым для данного региона [11]. Опыт закладывали согласно методике проведения полевых исследований [12] на естественном инфекционном фоне R. solani. Учет пораженности растений картофеля ризоктониозом проводили через 4, 10 нед после посадки культуры по методике [13]. В период вегетации также проводили наблюдения за фенологией растений [14].

Результаты обработаны с применением прикладного пакета программ СНЕДЕКОР [15]. Схемы опытов осеннего и весеннего применения препаратов на основе БМК представлены в табл. 1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты ИК-спектральных исследований показали, что деструкции БМК при его механообработке с полимерами не происходило, а расширение характеристичных полос поглощения БМК свидетельствовало об образовании межмолекулярных водородных связей между молекулами БМК и полимеров (рис. 1).

Рис. 1.

ИК-спектры: (а) – исходного карбендазима (БМК) и (б) – его композиции с АГ, полученной при совместной механообработке в валковой мельнице LE-101 в течение 4 ч.

Данные термического анализа показали, что при совместной механообработке БМК с полимерами происходило смещение термоэффектов БМК в область более высоких температур, т.е. образовывались энергетически более стабильные системы (рис. 2).

Рис. 2.

Термический анализ: (а) – исходного карбендазима, (б) – его композиции с АГ, полученной при совместной механообработке в валковой мельнице LE-101 в течение 4 ч.

Анализ растворимости БМК и его композиций (табл. 2) показал, что все полученные композиции БМК обладали повышенной водорастворимостью по сравнению с исходной субстанцией БМК, причем наибольшая растворимость БМК отмечена для композиции БМК:АГ (1:10), что предполагало и соответствующее увеличение биологической активности.

Анализ данных дисперсного состава исходного БМК и его композиций (табл. 3) показал, что все композиции являлись нанодиспергированными частицами по сравнению с самой исходной субстанцией БМК, причем композиция с АГ имела наименьший размер частиц, что также предполагало увеличение активности.

Биологические исследования показали, что все изученные композиции БМК с полимерами обладали более высокой эффективностью в отношении возбудителей сухих гнилей при хранении, чем стандартный фунгицид-протравитель колфуго Супер (табл. 4). Весовая доля (в %) больных клубней с сухими гнилями хранения была меньше в 12.5–14.5 раза в сравнении с контрольным вариантом, и в 4.1–4.8 раза – в сравнении с химическим контролем.

Установлено, что все композиции БМК при протравливании клубней осенью показали высокую биологическую эффективность против возбудителей фузариозов и фомоза – 92–93%, тогда как для препарата колфуго Супер данный показатель был меньше на 25–26%.

Исследование также показало, что композиции БМК были эффективны и против возбудителя ризоктониоза картофеля, но данный показатель варьировал в зависимости от срока их применения (табл. 5).

Было установлено, что все изученные композиции в среднем достоверно снижали развитие болезни на всходах картофеля в 1.9–5.4 раза в сравнении с контролем. Эффективность весеннего протравливания посадочного материала против черной парши была в среднем существенно выше, чем осеннего (в 1.4 раза).

В фазе полных всходов наиболее эффективно снижали развитие ризоктониоза композиции в вариантах 3 и 4 при использовании их весной перед посадкой, тогда как эффективность композиции в варианте 5 не имела существенной разницы в зависимости от срока применения.

Все изученные композиции, нанесенные на клубни как осенью, так и весной, к фазе полных всходов в сравнении с контролем достоверно снижали развитие ризоктониоза в 1.5–8.0 и 2.3–8.0 раза соответственно. Для препарата колфуго Супер данный показатель в первом случае составил 1.8 раза, во втором – 2.6 раза.

Определение заболеваемости растений в фазе бутонизации–цветения показало, что тенденции, наблюдаемые в фазе полных всходов, сохранились (табл. 6). Развитие ризоктониоза в среднем в сравнении с контрольным вариантом было существенно меньше в 2.1–5.1 раза на растениях, выросших из клубней, протравленных композициями, использованных в вариантах 3, 4 и 5, и в 1.3–3.3 раза меньше в сравнении с препаратом колфуго Супер. Данный показатель для растений, культивируемых из клубней, протравленных осенью, был больше в среднем в 1.2 раза, и эта разница статистически достоверна.

Наибольший эффект в снижении развития ризоктониоза на стеблях имели композиции, которые были применены в вариантах 3 и 4 при их использовании весной перед посадкой клубней, и в вариантах 4 и 5 – перед закладкой клубней на хранение. Эффективность композиции в варианте 4 не имела существенной разницы в зависимости от срока применения.

Все изученные композиции, нанесенные на клубни как осенью, так и весной, в фазе бутонизации–цветения в сравнении с контрольными растениями достоверно снижали развитие ризоктониоза на стеблях в 1.5–5.1 и 2.2–5.1 раза соответственно. Препарат колфуго Супер уменьшал данный показатель в первом случае в 1.3 раза, во втором – в 2.0 раза.

Изучение влияния композиций БМК на биометрические показатели культуры в фазе полных всходов показало, что в среднем длина побегов не отличалась от таковой в контроле (табл. 7). В фазе бутонизации–цветения данный показатель существенно превышал контроль в варианте 3. Также было отмечено, что в фазе бутонизации–цветения композиция, использованная в варианте 5, существенно уменьшала длину побегов картофеля.

В среднем срок применения композиций БМК сказывался на росте культуры как в период полных всходов, так и в фазе бутонизации–цветения. Использование композиций осенью увеличивало длину побегов на 0.8–1.5 см в сравнении с весенней обработкой.

Нанесение на клубни осенью композиции в варианте 4 способствовало существенному увеличению длины побегов растений в фазе полных всходов, а использование композиции в варианте 3 осенью – также в фазе бутонизации–цветения на 3.0 и 4.2 см соответственно. При обработке клубней весной перед посадкой рост растений в фазе бутонизации–цветения достоверно увеличивала композиция,нанесенная на клубни в варианте 3. В варианте 5 (клубни обработаны весной, фаза бутонизация–цветение) отмечено достоверное снижение данного показателя.

Модифицированные фунгицидные композиции БМК оказывали влияние не только на длину побегов растений, но и на их биомассу (табл. 8). В среднем достоверно увеличивали данный показатель композиции в вариантах 4 и 5 в фазе полных всходов на 12.5–31.3 г/растение в сравнении с контролем, а препарат колфуго Супер увеличивал массу растения на 23.8 г. К фазе бутонизации–цветения все изученные композиции в среднем существенно повышали биомассу картофеля на 26.7–47.4 г/растение, тогда как в варианте с химическим контролем эта величина составила 22.9 г/растение.

Весеннее использование защитных составов обеспечило в среднем увеличение биомассы растений в период полных всходов на 7.0 г/растение, в фазе бутонизации–цветения подобная тенденция сохранилась.

В целом к фазе полных всходов существенную прибавку биомассы при обоих сроках применения защитных составов обеспечила композиция в варианте 5 (на 17.5–45.0 г/растение), а также в варианте 4 в случае ее использования осенью (на 17.5 г/растение) в сравнении с контролем. В фазе бутонизации–цветения существенное увеличение данного показателя наблюдали в вариантах с осенним протравливанием клубней всеми изученными композициями (на 36.4–41.5 г/растение), а также использования композиций в вариантах 3 и 4 весной (на 42.9–49.9 г/растение). Помимо роста биомассы также наблюдали и ее снижение фазе полных всходов в варианте 3 при осеннем протравливании.

Комплексное действие композиций БМК на развитие заболевания, развитие и рост растений картофеля определяло урожайность культуры (табл. 9).

В среднем все изученные композиции достоверно повышали урожайность культуры на 1.52–4.75 т/га. Максимальную прибавку урожайности из всех экспериментальных композиций обеспечил препарат, который был использован в варианте 5. При осеннем протравливании она составила 2.91, при весеннем – 4.75 т/га. Композиция, примененная в варианте 3, позволила получить одинаковый дополнительный урожай в размере 2.30 т/га как при осеннем, так и весеннем сроке ее использования. Наилучшим сроком использования композиции 4 оказалась весна, в этом случае урожайность картофеля была на 2.73 т/га больше, чем в контроле. Препарат колфуго Супер был наиболее эффективен в случае весеннего протравливания посадочного материала (прибавка урожайности составила 3.66 т/га).

ВЫВОДЫ

1. Биологическую эффективность против сухих гнилей при хранении показали все изученные композиции карбендазима и водорастворимых полимеров.

2. Максимальная продуктивность растений картофеля отмечена при использовании композиции 5 (БМК:ГЭК) (прибавка урожайности в сравнении с контролем была равна 35% при осеннем протравливании клубней и 57% – при весеннем). Эффективность композиций 3 (БМК:АГ) и 4 (БМК:ПВП) соответственно составила 28 и 19% при осеннем протравливании и 27 и 33% при весеннем.

3. Более всего снижали развитие ризоктониоза в период вегетации растений картофеля композиции 4 (БМК:ПВП) и 5 (БМК:ГЭК).