Российские нанотехнологии, 2023, T. 18, № 3, стр. 424-432

ВВЕДЕНИЕ

На долю России приходится ~15% мирового валового производства картофеля. При этом урожайность картофеля (по данным РОССТАТа, 2021 г.) составляет в среднем 19.2 т/га, что в 2.0–2.5 раза ниже урожайности культуры в Нидерландах, Германии, США [1]. Главной причиной невысокой урожайности картофеля является низкая культура производства: недостаточное применение органических и минеральных удобрений, средств защиты растений, нарушение сроков проведения работ, слабое внедрение прогрессивных технологий. Одним из направлений повышения продуктивности картофеля (культуры с повышенным требованием к элементам питания) является обеспечение сбалансированных норм макро- и микроэлементов. Для получения хороших урожаев с высокими характеристиками качества питательные вещества должны быть доступны растениям в необходимом количестве и в нужной форме [2, 3].

В этом отношении применение микроэлементов в виде наночастиц (НЧ) имеет ряд преимуществ по сравнению с солями: токсичность НЧ в 7–50 раз ниже, чем солей; НЧ проявляют пролонгированное и полифункциональное действие, стимулируют обменные процессы и легко проникают в ткани; НЧ меди обнаруживают синергидный эффект с природными полисахаридами. Биологическое действие НЧ связано с их структурными особенностями и физико-химическими характеристиками. В настоящее время накоплен положительный опыт по использованию наноструктурных материалов в сельском хозяйстве: показано, что НЧ эффективно защищают растения от болезней и способствуют повышению урожайности и качества продукции [4–7].

Для изучения влияния НЧ на рост и развитие растений картофеля и его продуктивность в настоящей работе выбраны эссенциальные элементы: медь, бор, молибден и магний. Выбор этих элементов обусловлен их исключительной ролью в формировании урожая. Известно, что медь ускоряет образование клубней картофеля и повышает устойчивость к фитопатогенам. При дефиците меди растения теряют тургор и верхние листья, снижается количество продуктивных стеблей и замедляется рост. Бор обеспечивает боковой рост корней, улучшает синтез крахмала и усвоение кальция, повышает качество и товарность урожая. Дефицит молибдена проявляется в плохом усвоении азота и, как следствие, снижении темпа роста растений. Клубни, выращенные на фоне дефицита молибдена, характеризуются низкими вкусовыми качествами, имея горьковатый вкус [8, 9]. Магний играет основную роль в процессах фотосинтеза, на ключевых этапах синтеза сахара и белка, при транспорте сахарозы от листьев к клубням. Характерным признаком недостатка магния является межжилковый хлороз, который при значительном дефиците приводит к закручиванию и хрупкости листовых пластинок [2, 10].

Особое значение в системе выращивания картофеля имеет комплекс мер по подготовке клубней к посадке, направленный на ускорение их прорастания, повышение всхожести, сокращение сроков развития растений, на защиту их от болезней и вредителей и в конечном счете на получение более высоких урожаев.

Целью данной работы было исследование влияния нанобиопрепаратов с наночастицами Cu, B, Mo, Mg на рост растений картофеля, урожайность и качество клубней, распространение фитопатогенов.

МЕТОДЫ

Исследования проводили на картофеле (Solanum tuberosum L.) сорта Санте – среднераннем сорте высокой продуктивности. Посадочным материалом служили клубни с глазками, которые прогревали при температуре 27°C в течение шести дней и отсортировывали. Прогревание использовали для получения всходов на неделю раньше и для повышения засухоустойчивости картофеля. Масса клубней составляла 70–80 г.

Методы характеристики наночастиц. НЧ меди, бора, молибдена, магния были приготовлены методом высокотемпературной конденсации [11]. Форму и размер НЧ визуализировали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе Joel JSM 7401F при напряжении 1 кВ. Для оценки среднего диаметра НЧ микрофотографии обрабатывали с помощью программного обеспечения Micran 25. Распределение металлических НЧ по размерам рассчитывали путем измерения диаметров не менее 1000 частиц. Рентгенофазовый анализ металлических НЧ проводили на рентгеновском анализаторе ADP-1 (RU) с CoH_α-излучением с шагом сканирования 0.05° при времени накопления сигнала 8–10 с. Для выявления фазового состава металлических НЧ проводили обработку интерференционных пиков с помощью программы Match 3.8.0.137 [11].

Приготовление нанобиопрепарата. Для предпосадочной обработки клубней картофеля готовили смесь полимеров: Na-карбоксиметилцеллюлозы и полиэтиленгликоля-400, в которую добавляли Na-ЭДТА, родамин 6G (для окрашивания пленки на клубне) и водную суспензию НЧ (в необходимой концентрации), которую получали диспергированием навески порошков с помощью ультразвукового дезинтегратора Scientz JY 92-IIN (Китай) в режиме 0.5 А, при частоте 44 кГц в течение 30 с, с перерывами в 30 с (повтор 3 раза) при 0°С. Полученным раствором проводили предпосадочную обработку клубней картофеля из расчета 10 л/1 т.

Условия проведения лабораторного опыта. Для оценки влияния нанобиопрепаратов, содержащих НЧ меди, бора, молибдена и магния, на прорастание клубней проведены лабораторные эксперименты. В ходе испытаний были приготовлены нанобиопрепараты, содержащие НЧ индивидуальных элементов Cu, B, Mo и Mg в различных концентрациях или их композиции. Клубни картофеля обрабатывали полученными нанопрепаратами и проращивали при температуре 20°С в темном месте в течение 30 дней. Каждые два дня клубни опрыскивали водой. Через 30 дней оценивали количество появившихся на клубнях проростков, их высоту и массу.

Условия проведения полевого опыта. Полевой опыт проводили в условиях почвенно-климатической зоны подзолистых и дерново-подзолистых почв таежно-лесной области РФ, на экспериментальном поле ВНИИКХ (п. Красково, г.о. Люберцы, Московская область). Размещение делянок – рандомизированное, по четыре контрольных и четыре опытных участка. Количество учетных растений – 100 штук в каждой повторности. Площадь каждого участка составляла 25 м². Клубни картофеля были высажены с междурядьем 75 см, расстоянием между растениями 30 см, плотность посадки 400 растений на 100 м². Общая схема эксперимента представлена на рис. 1.

Оценку роста картофеля и его зараженности проводили в соответствии со стандартными методиками [12–15].

Определение потребительских качеств картофеля. Оценку качества картофеля проводили органолептическим методом, который позволяет оценить продукт при помощи анализа сенсорных восприятий – зрения, запаха и вкуса [16].

Для оценки качества картофеля, в том числе потемнения клубней после варки, было отобрано 10 клубней, свободных от болезней, неповрежденных и чистых. Клубни опускали в кипящую воду и варили до готовности. Сваренные клубни разрезали пополам, выкладывали на белую бумагу, оставляли на 10–12 ч и определяли цвет при дневном свете по шкале 1 (интенсивное потемнение), 3 (умеренное потемнение) и 5 (отсутствие потемнения). Вкус картофеля оценивался четырьмя дегустаторами по балльной системе: идеальный вкус = 5 баллов, очень хороший = 4, хороший = 3, плохой = 2 и очень плохой = 1. Вкус картофеля определяли при температуре 20–30°C. Запах определялся в проветриваемом помещении при температуре 20°С и оценивался по той же системе баллов (1–5 баллов). Все расчеты проводили в соответствии со стандартными процедурами (Руководство ЕЭК ООН 2014, 2015, 2018).

Оценка заболеваемости картофеля. Распространенность заболевания оценивали по формуле

где P – распространенность болезни (%), n – количество растений или клубней, пораженных болезнью, N – количество растений или клубней в группе.

Степень развития болезни рассчитывали по формуле

где R – степень развития болезни (%), A – количество больных растений, B – степень поражения каждого растения, N – общее количество растений, как больных, так и здоровых, K – наивысший балл по шкале повреждений (максимальное повреждение (90–100%) растения).

Статистика. Результаты экспериментов рассчитывали как отношение тестовых значений к контролю (О/К, %) с помощью программы Statistica-20. Статистически значимым считается p ≤ 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Физико-химические характеристики наночастиц. Необходимым условием успешного использования НЧ для разработки биопрепаратов является контроль заданных в процессе синтеза физико-химических характеристик НЧ. Это обусловлено тем, что размер частиц, их форма, фазовое состояние влияют на проявление биологической активности [17].

Согласно изображениям, полученным на просвечивающем и сканирующем электронных микроскопах (ПЭМ и СЭМ), НЧ имеют сферическую форму (рис. 2). Кривые распределения по размеру лежат в области: НЧ Cu 5–250 нм, НЧ Mo – 5–150 нм, НЧ B – 10–600 нм, НЧ Mg – 5–600 нм. Средний диаметр НЧ Cu – 65 ± 1.2 нм, НЧ Mo – 70 ± 2.1 нм, НЧ B – 134 ± 5.4 нм, НЧ Mg – 193 ± 12 нм. Фазовый состав НЧ следующий: НЧ Cu имели только кристаллическую фазу; НЧ Mo включали в себя металлическую фазу (64.0 ± 4.2%) и карбид димолибдена (36.0 ± 2.9%); НЧ аморфного бора содержали BH₃O₃ (90.1%) и B₂O (9.9%); НЧ Mg включали в себя металлическую фазу (79.0 ± 5.4%) и магния оксид (21.0 ± 1.3%).

Исследования эффективности обработки клубней картофеля наночастицами в составе полимеров. В ходе лабораторных испытаний обработку клубней проводили биопрепаратами на основе полимеров, содержащих НЧ индивидуальных элементов и их композиции в различных концентрациях. Для определения однородности полимерного покрытия использовали световую микроскопию. На рис. 3 показаны срезы клубней из контрольной и экспериментальной групп. В контрольной группе клубни обрабатывали водой. Видно, что полимерное покрытие равномерно распределено по поверхности клубней с образованием пленки толщиной ~10 мкм (табл. 1). Обработка клубней полимерами без НЧ положительно влияет на прорастание (на 18% выше контроля), на среднюю длину проростков (на 45% выше контроля). Наночастицы B, Mg, Mo, Cu в составе полимеров улучшают прорастание картофеля и морфометрические показатели проростков. Так, наибольшее число проростков наблюдали при обработке полимерами с НЧ Cu в концентрации 10^–7% и НЧ Mo в концентрации 10^–6% (на 42.9% выше контроля). Длина проростков картофеля увеличивается при действии НЧ B 10^–4% на 56.4%, НЧ Mg 10^–6% – на 48.8%, НЧ Mo 10^–7% – на 38.4%, композиции НЧ Cu 10^–9% + НЧ B 10^–6% + НЧ Mo 10^–7% + НЧ Mg 10^–6% – на 31.8% по сравнению с контролем. Наибольшую массу проростков наблюдали при обработке клубней НЧ Cu в концентрации 10^–9% – на 95.4% выше контроля.

Испытания эффективности предпосадочной обработки клубней картофеля наночастицами микроэлементов в составе полимеров. Для исследования в полевых условиях были приготовлены нанобиопрепараты следующего состава: полимер + НЧ Cu 10^–9% + НЧ B 10^–6% + НЧ Mo 10^–7% + НЧ Mg 10^–6%; полимер + НЧ Cu 10^–9%. В качестве контроля использовали клубни, обработанные водой. Обработка клубней препаратами, содержавшими композицию НЧ или НЧ Cu, привела к увеличению валовой урожайности на 3.6 и 3.3% соответственно, а доли стандартных клубней – на 1.5 и 2.9%. Результаты анализа фракционного состава клубней в полученном урожае 2021 г. не выявили значительных различий в опытных и контрольной группах (табл. 2).

Через 1.5 мес после уборки урожая провели анализ клубней, который показал, что препараты с НЧ снизили количество пораженных патогенами клубней по сравнению с контролем. Количество больных клубней сухой гнилью при использовании для обработки комбинации НЧ Cu 10^–9% + + НЧ B 10^–6% + НЧ Mo 10^–7% + Mg НЧ 10^–6% составляло 1.2%, что ниже контроля на 4.0%, при этом клубней, пораженных паршой обыкновенной и ризоктониозом, не обнаружено. При обработке картофеля НЧ Cu 10^–9% также не обнаружено клубней, пораженных паршой обыкновенной и ризоктониозом, а поражение сухой гнилью составляло 2%. Анализ товарной фракции картофеля показал, что применение композиции НЧ и НЧ Cu позволило увеличить выход здорового картофеля на 5.4 и 6.2% по сравнению с контролем соответственно (табл. 3).

Распространенность и развитие болезней на растениях картофеля. На рис. 4 представлены данные по влиянию препаратов с НЧ микроэлементов на показатели распространенности и степени поражения альтернариозом и ризоктониозом растений картофеля. Активное распространение альтернариоза наблюдалось через 70 сут роста растений, оно достигло 67.4% при степени поражения 13.9% в контрольной группе. Предпосадочная обработка клубней картофеля НЧ микроэлементов в составе полимеров снижала распространенность альтернариоза в 1.4–1.5 раза, степень поражения в 2.9 раза (композиция НЧ) и в 1.7 раза (НЧ Cu) по сравнению с контролем. Распространение ризоктониоза при обработке композицией НЧ и НЧ Cu уменьшалось в 2 и 3 раза соответственно по сравнению с контролем.

Потребительские качества картофеля. Проверка потребительских качеств клубней картофеля нового урожая при использовании предпосадочной обработки НЧ микроэлементов не выявила отличий от контроля: сенсорная оценка клубней показала общий индекс качества ≥4. Вкус испытуемой группы был очень хорошим, запах – приятным; потемнения мякоти как сразу после варки, так и через 12 ч не наблюдалось.

ОБСУЖДЕНИЕ

Для получения высоких урожаев полноценных и здоровых клубней картофеля необходимо совершенствование системы подготовки семенного материала к посадке. Предпосадочное протравливание клубней картофеля помогает бороться с патогенами и вредителями, внесение в почву минеральных и органических удобрений обеспечивает интенсивный рост растений и формирование нового урожая. С другой стороны, использование токсичных пестицидов и/или синтез новых химических средств, вследствие адаптации патогенов к используемым препаратам, приводит к экологическим, экономическим проблемам и нарушениям здоровья человека (развитие неврологических, опухолевых и аллергических заболеваний). Поэтому возникает необходимость в разработке новых подходов и средств для смягчения этих проблем. В этом отношении использование нанотехнологий вселяет оптимизм. Накапливается опыт использования наноструктурных пестицидов, микроэлементов в растениеводстве. Применение нанобиопрепаратов способствует повышению урожайности и качества продукции, снижению дозы использования химических средств для защиты от вредителей и болезней [7, 18].

Обнаружена противогрибковая активность чистого и покрытого НЧ серебра TiO₂ против Fusarium solani, вызывающего фузариозное увядание картофеля. Установлено, что фунгицидный эффект НЧ зависит от концентрации Ag и связан со способностью образовывать стабильные Ag–S и дисульфидные связи (R–S–S–R) в клеточном белке, вызывая повреждение клеток патогена. Сравнительное исследование действующих концентраций НЧ Ag (размером 12.7 нм) и фунгицида (Kocide) показало полное подавление развития Alternaria solani серебром в концентрации 25 мкг/мл, в то время как максимальное ингибирование фунгицидом происходит при концентрации 600 мкг/мл [19].

НЧ Se в природных полимерных матрицах арабиногалактана и крахмала обладают антибактериальным действием в отношении фитопатогенного возбудителя кольцевой гнили картофеля Clavibacter sepedonicus (Cms) и почвенной бактерии Rhodococcus erythropolis. При этом НЧ Se стимулируют рост и развитие растений картофеля и его корнеобразование. Se не накапливается в тканях картофеля и не нарушает роста и образования биопленки почвенной бактерии R. erythropolis [20]. Для активного роста растения картофеля и получения высоких урожаев клубней необходимо достаточное количество в соответствующих пропорциях следующих элементов: Ca, Mg, S, Fe, Mn, Zn, B, Cu, Mo на фоне сбалансированного содержания NPK (комплексного удобрения, содержащего в своем составе азот, фосфор и калий). С учетом уникальных свойств НЧ использовали НЧ железа, молибдена, цинка, меди – элементов, обеспечивающих профилактику хлороза листьев, антистрессовое действие против неблагоприятных условий окружающей среды (заморозки, засуха, жара и т.д.), в качестве препаратов для предпосадочной обработки клубней картофеля. Установлена целесообразность интегрирования НЧ в стратегию борьбы с болезнями картофеля. Полевые испытания, проведенные в 2018 и 2019 г., показали, что в среднем за два года в результате предпосевной обработки семенных клубней нанопрепаратами Fe, Zn, Cu и Mo снизились распространенность и степень развития Alternaria spp. с 29.2 и 7.4% соответственно до 10.8 и 2.0% и Phytophthora infestans с 12.8 и 2.1 до 0.9 и 0.1%, а распространенность Rhizoctonia solani – с 8.4 до 6.5%. При этом наблюдается увеличение урожайности на 25.7% (2018 г.) и 28.1% (2019 г.), урожайности товарных клубней на 11.7% (2018 г.) и 31.2% (2019 г.) [4, 21].

Погодные условия 2021 г. не способствовали развитию фитофтороза на картофеле. Нами не было обнаружено ни одного растения с признаками этого заболевания за весь вегетационный период. Однако в этот год отмечалось эпифитотийное развитие альтернариоза. Так, в середине июля распространение альтернариоза в контрольном варианте достигало 67.4% при степени поражения 13.9%, а к концу вегетации распространение альтернариоза в контрольном варианте достигло 99.3% при степени поражения 34.7%. В результате исследований по разработке оптимального состава НЧ в полимерном покрытии для предпосадочной обработки клубней на основании лабораторных испытаний была выбрана композиция НЧ Cu 10^–9% + НЧ B 10^–6% + НЧ Mo 10^–7% + Mg НЧ 10^–6% и НЧ Cu 10^–9%, обработка клубней которыми увеличивала валовую урожайность на 3.3 и 3.6% и урожайность стандартных клубней на 1.5 и 2.9%, а выход здорового картофеля на 5.4 и 6.2% по сравнению с контролем соответственно. Предпосадочная обработка клубней композицией НЧ и НЧ Cu снижала распространенность альтернариоза в 1.4–1.5 раза, степень поражения – в 2.9 раза (композиция НЧ), в 1.7 раза (НЧ Cu) по сравнению с контролем, распространение ризоктониоза при обработке композицией НЧ и НЧ Cu уменьшалось в 2 и 3 раза по сравнению с контролем соответственно. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования полимерного покрытия с НЧ микроэлементов в предпосадочной обработке картофеля. Гидрофильная полимерная пленка защищает клубни картофеля от инфекций и вредителей, предохраняет их от увядания при засухе, предотвращает диффузию НЧ в почву. Такая предпосадочная обработка клубней набирает популярность [22]. Микроэлементы в виде НЧ в составе пленки стимулируют рост и развитие растений, активизируют естественные биологические процессы, повышают иммунитет растений, а также защищают картофель от вредителей и болезней. Введение в состав пленки меди – элемента с переменной валентностью, активно участвующего в реакции Хабера–Вейсса и генерирующего высокореакционные OH^●-радикалы, способствует повреждению клеточной стенки фитопатогенов. Кроме того, медь образует устойчивые дисульфидные связи с клеточными белками, что приводит к гибели клеток патогена [19, 23].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нанопрепараты в виде композиции (НЧ Cu 10^–9% + НЧ B 10^–6% + НЧ Mo 10^–7% + Mg НЧ 10^–6%) и НЧ Cu 10^–9% в составе карбоксиметилцеллюлозной пленки толщиной менее 10 мкм могут быть рекомендованы для предпосадочной обработки картофеля. НЧ микроэлементов эффективно защищают растение картофеля в течение всего вегетационного периода. Это позволяет повысить урожайность и качество продукции, снизить распространенность и степень развития фитопатогенов растений картофеля.

Авторы выражают благодарность А.Н. Жигачу, заведующему лабораторией ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, и сотрудникам его лаборатории.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.