Результат интеллектуальной деятельности: КОМПЛЕКСНОЕ МИКРОУДОБРЕНИЕ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области наноиндустрии и сельского хозяйства и может найти широкое применение при возделывании сельскохозяйственных культур в полевых и регулируемых условиях.

Для интенсификации производства и стабильного получения высоких урожаев качественной растительной продукции в РФ существует потребность сельского хозяйства в разработке и внедрении новых экологически безопасных и высокоэффективных препаратов комплексного положительного действия на растения: стимуляционного, адаптогенного, фитопротекторного. В то же время потребность в расширении сферы применения наноматериалов и внедрении их в сельское хозяйство делает актуальным разработку на их основе препаратов с вышеуказанными свойствами.

Наноматериалы фуллеренолы - полигидроксилированные водорастворимые производные фуллеренов, являющихся аллотропной модификацией углерода и характеризующихся в отличие от других его форм - алмаза и графита, - строго определенными по молекулярному весу и свойствам молекулами. По отношению к биологическим объектам к настоящему времени идентифицированы такие качества фуллеренолов как: антиоксидантные свойства, противовирусная и антимикробная активность, способность проникать через клеточные стенки и биологические мембраны и при этом служить переносчиками ряда биологически активных веществ к клеткам-мишеням. Все это свидетельствует о возможности применения указанных наноматериалов, в частности, в растениеводстве для повышения продуктивности и устойчивости сельскохозяйственных культур.

Аналогов - препаратов на основе фуллеренолов для использования в растениеводстве к настоящему времени не создано.

В качестве функциональных аналогов, содержащих в качестве комплексообразователей органические соединения и необходимые для жизнедеятельности растений макро- и микроэлементы можно рассматривать органо-минеральные микроудобрения.

Известно комплексное микроудобрение и способ его получения, изложенные в заявке на изобретение RU 2004100512, МПК 7 C05F 11/02, C05F / 3/00, заявлено 05.01.2004. Микроудобрение содержит гуминовые кислоты, микроэлементы для питания растений, в том числе медь сернокислую, вспомогательные вещества - элементы минерального питания растений, в том числе цинк сернокислый, кобальт сернокислый, аммоний молибденовокислый, и отличается дополнительным содержанием марганца сернокислого, трилона Б и органического прилипателя, в качестве которого используют поливиниловый спирт в 5%-ном растворе при указанном в формуле изобретения соотношении компонентов. Несмотря на положительное действие этого микроудобрения на растения, к его недостаткам следует отнести отсутствие в составе указанного микроудобрения микроэлементов, важных для жизнедеятельности растений - бора и железа, а главное - кремния, соединения которого обладают фитопротекторными свойствами, положительно воздействуют на обменные процессы растений, способствуют повышению эффективности минерального питания и увеличению устойчивости к стрессовым факторам.

Известен способ стимулирования роста растений (пат. РФ №2088086, 6 МПК A01N 59/00, заявлено 09.01.1992, опубл. 27.08.1997 г.), заключающийся в обработке семян и поливе растений в период вегетации водным раствором, содержащим 10^-6-10^-4 моль/л перекиси водорода, 10^-6-10^-5 г/ион ионов меди и 10^-6-2·10^-6 моль/л щавелевой кислоты. Недостатком является отсутствие в составе указанного микроудобрения основных макроэлементов и других важных для жизнедеятельности растений микроэлементов, соединения которых обладают фитопротекторными и адаптогенными свойствами, положительно воздействуют на обменные процессы растений, способствуют повышению эффективности минерального питания и увеличению устойчивости к стрессовым факторам.

Наиболее близким к заявляемому микроудобрению является комплексное водорастворимое микроудобрение по авторскому свидетельству СССР №743641, МКл.² A01G 31/00, C05D 9/02, заявл. 20.10.78, которое принято нами за прототип. Это микроудобрение, используемое для обработки растений и предназначенное для интенсивного выращивания растений в защищенном грунте, содержит 15 микроэлементов, в числе которых (в весовых %) борная кислота (0,004-0,01), кобальт хлористый (0,001-0,003) и медь сернокислая (0,001-0,003), и дополнительно включает метасиликат калия или натрия (0,30-0,35) и микроэлементы: железо сернокислое закисное (0,02-0,06), алюминий сернокислый (0,006-0,020), марганец сернокислый (0,002-0,008), цинк сернокислый (0,001-0,004), калий йодистый (0,001-0,004), калий бромистый (0,001-0,004), аммоний молибденовокислый (0,001-0,003), натрия вольфрамат (0,0006-0,001), калия хромат (0,0004-0,002) и аммония ванадат (0,0004-0,001), и в качестве хелатообразователя азотную или лимонную кислоту, которую берут в количестве, необходимом для установления реакции раствора до pH 5,5-6,0.

К недостаткам прототипа - микроудобрения следует отнести небольшой срок хранения препарата (до трех месяцев) без нарушения его функциональности, что связано с применением в качестве комплексообразователя лимонной или азотной кислот, активно потребляемых микроорганизмами. Кроме того, наличие в составе прототипа указанных комплексообразователей не обеспечивает высокую фитопротекторную функцию препарата против фитопатогенных микроорганизмов. К недостаткам прототипа также можно отнести сложность микроэлементного состава. В ранее проведенных нами исследованиях установлено, что количество микроэлементов возможно сократить без ущерба для эффективности микроудобрения, при этом снижется его себестоимость.

Известен способ получения жидкого гуминового удобрения (Патент РФ №2181710, C05F 11/02, C05F 3/00, заявлен 09.08.2000, опубл. 27.04.2002), заключающийся в том, что расчетное количество биогумуса смешивают с торфом, обрабатывают раствором гидроокиси калия, смесь отстаивают дважды в течение 19-24 часов, затем смешивают с набором микроэлементов, включающим медь и/или бор, а также дополнительно цинк или магний, молибден, и/или кобальт или селен, и/или окись кремния. Недостатком данного способа является длительность и сложность процесса приготовления раствора, содержащего гуминовые кислоты.

Известен также способ получения комплексного микроудобрения, изложенный в описании изобретения по указанному выше авторскому свидетельству СССР №743641. Способ состоит в том, что готовят два маточных компонентных водных раствора микроэлементов и метасиликата калия или натрия, которые хранят при комнатной температуре в раздельных резервуарах. Для приготовления маточного раствора микроэлементов используют перечисленные выше их соли (в форме кристаллогидратов) в указанных в прототипе количествах, которые растворяют в водопроводной воде, подкисленной посредством добавления азотной или лимонной кислоты (5-10 г/л) до pH 2,5-3,0. Для приготовления маточного раствора, содержащего кремний, метасиликат калия или натрия растворяют в водопроводной воде до уровня содержания SiO₂ в форме Si(OH)₄ - 0,12-0,13 г/л. Для приготовления рабочего раствора, указанного в прототипе, маточные водные растворы смешивают в водопроводной воде в количестве 20-40 г/л.

Этот способ условно принят нами за прототип.

К недостаткам способа-прототипа следует отнести использование азотной или лимонной кислоты в качестве комплексообразователя, что не обеспечивает высокую биологическую эффективность препарата. Кроме этого, необходимость приготовления двух маточных растворов усложняет процесс его производства, делая его более материалоемким и затратным.

Задачей настоящего технического решения является создание нового комплексного водорастворимого микроудобрения с ростстимулирующими, фитопротекторными и адаптогенными свойствами, а также разработка способа его получения, что обеспечит повышение продуктивности и увеличение устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды. Заявляемое биологически активное микроудобрение может служить для предпосевной обработки семян и внекорневой обработки растений на протяжении вегетационного периода.

Это достигается тем, что комплексное водорастворимое микроудобрение, имеющее в своем составе борную кислоту, аммоний молибденовокислый и метасиликат калия или натрия, дополнительно содержит в качестве органической компоненты, выполняющей функции комплексообразователя - фуллеренол, полученный прямым каталитическим окислением фуллерена С₆₀ щелочью, а также кальций азотнокислый четырехводный, калий азотнокислый, калий хлористый, калий фосфорнокислый однозамещенный, магний сернокислый семиводный в количествах (г/л водопроводной воды):

фуллеренол, полученный прямым

щелочью, состава С₆₀(OH)_n1O_n2, где

n1+n2=12÷34

Способ получения комплексного микроудобрения включает приготовление рабочего раствора путем растворения и смешивания в водопроводной воде неорганических солей макро- и микроэлементов в следующей последовательности: кальций азотнокислый четырехводный; калий азотнокислый; калий хлористый; калий фосфорнокислый однозамещенный; магний сернокислый семиводный; метасиликат калия или натрия; борная кислота; аммоний молибденовокислый с получением раствора макро- и микроэлементов и добавлением к нему водного раствора фуллеренола, полученного прямым каталитическим окислением фуллерена С₆₀ щелочью, состава C₆₀(OH)_n1O_n2, где n1+n2=12÷34, при этом pH рабочего раствора равен 5,5-6,0.

Существенность признаков предполагаемого изобретения подтверждается следующим.

В патентной и научно-технической литературе описано большое количество различных методов синтеза фуллеренолов.

Фуллеренол C₆₀(OH)₂₄ может быть получен щелочным гидролизом полибромзамещенного фуллерена C₆₀Br₂₄ (A. Djordjevic, M. Vojinovic-Miloradov, N. Petranovic et al. Synthesis and characterization of water-soluble biologically active C₆₀(OH)₂₄. Archive of Oncology, 1997, 5(3), 139-41). Недостатком указанного метода является необходимость синтеза и очистки первичного бромпроизводного фуллерена состава C₆₀Br₂₄.

В статье K. Kokubo, K. Matsubayashi, H. Tategaki et al. Facile Synthesis of Highly Water-Soluble Fullerenes More Than Half-Covered by Hydroxyl Groups. ACS Nano, 2008, 2 (2), 327-333) описан процесс получения фуллеренолов с различным брутто-составом и структурой, в частности C₆₀(ОН)₃₆·8Н₂О и C₆₀(ОН)₄₀·9H₂O, в котором исходным материалом служила ограничено растворимая в воде производная фуллерена C₆₀-С₆₀(ОН)₁₂. Недостатком указанного метода является необходимость синтеза первичного соединения состава C₆₀(ОН)₁₂.

Известны способы получения фуллеренолов непосредственно из фуллерена C₆₀. Каталитическим окислением фуллерена C₆₀ щелочью получали фуллеренол С₆₀(ОН)_26,5 (Li J., Takeuchi A., Ozawa М, Li X., Saigo K., Kitazawa К. C₆₀ fullerol formation catalysed by quaternary ammonium hydroxide. J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1993, 1784-1785), а также смесь полигидрокислированных фуллеренов C₆₀ с общей формулой: C₆₀(OH)_nlO_n2(ONa)_n3, n1+n2+n3=12÷34 (К.Н. Семенов, Д.Г. Летенко, Н.А. Чарыков и др. Синтез и идентификация фуллеренола, полученного методом прямого окисления. Журн. прикл. химии, 2010, т.83, 12, С.1948-1952). В более поздней работе (K.N. Semenov, N.A. Charykov, V.A. Keskinov. Fullerenol Synthesis and Identification. Properties of the Fullerenol Water Solutions. J. Chem. Eng. Data, 2011, 56, 230-239) было показано, что фуллеренол, полученный прямым каталитическим окислением фуллерена C₆₀ щелочью, может иметь состав C₆₀(OH)_n1O_n2 и C₆₀(OH)_n1O_n2(ONa)_n3, где n1+n2+n3=12÷34.

В нашем случае, в качестве органической компоненты, выполняющей функции комплексообразователя, использовали фуллеренол, полученный прямым каталитическим окислением фуллерена C₆₀ щелочью, состава C₆₀(OH)_n1O_n2, где n1+n2=12÷34.

Рабочий раствор комплексного микроудобрения готовят непосредственно перед обработкой семян и вегетирующих растений следующим образом: к раствору макро- и микроэлементов, неорганические соли которых смешиваются в разбавленном виде непосредственно перед обработкой растений, добавляют водный раствор фуллеренола, полученный прямым каталитическим окислением фуллерена C₆₀ щелочью, состава C₆₀(OH)_n1O_n2 где n1+n2=12÷34 (далее фуллеренол).

Ранее проведенные исследования влияния фуллеренола в различных концентрациях на растения показали, что минимальные их значения, при которых наблюдается положительный эффект, судя по реакции корней и побегов проростков после обработки семян, находятся в диапазоне 6-25 мг/л (табл.1 и 2). При меньших концентрациях фуллеренол не оказывает достоверного влияния на растения, при концентрациях в диапазоне 25-100 мг/л - действие фуллеренола преимущественно оказывает сходный по силе эффект, что и при 25 мг/л, при концентрациях свыше 150 мг/л - наблюдается снижение относительно контроля показателей роста растений.

Для приготовления раствора макро- и микроэлементов используются их неорганические соли, которые растворяют в водопроводной воде в последовательности и количестве, представленных в таблице 3, после чего в раствор макро- и микроэлементов добавляется водный раствор фуллеренола в концентрациях 6-25 мг/л раствора.

При этом количество каждого вещества, содержащего макро- и микроэлемент, экспериментально обосновано и подобрано для усиления положительного эффекта на растения фуллеренола. Показано, что при меньшей концентрации макро- и микроэлементов эффективность микроудобрения на основе фуллеренола падает, при большей - достоверно не отличается от наблюдаемой в указанном диапазоне.

При этом pH рабочего раствора равен 5,5-6,0.

Рабочий раствор готовиться непосредственно перед обработкой растений и может храниться при комнатной температуре в течение недели.

Для доказательства достигаемого технического результата предложенным микроудобрением и способом его получения были проведены эксперименты по установлению эффективности его действия.

В регулируемых благоприятных для роста и развития растений условиях, когда проявление дополнительных средств воздействия на растение наименее эффективно, предложенное микроудобрение при некорневой обработке им растений ячменя, огурца, салата обеспечивало прибавку их биомассы относительно контроля (некорневая обработка водой) на 8%, 29% и 39% соответственно и относительно прототипа - на 4%, 4% и 15% соответственно (табл.4).

Некорневое воздействие микроудобрением на основе фуллеренола способствовало увеличению урожая плодов томата на 17%, огурца - на 28% относительно контроля (обработка водой) и на 7% и 9% - относительно прототипа (табл.5 и 6).

В естественных условиях микрополевого опыта некорневая обработка растений кресс-салата и листового салата разработанным микроудобрением на основе фуллеренола вызывала прибавку их биомассы на 63% и 46% относительно контроля (некорневая обработка водой) и на 15% и 11% относительно прототипа (табл.7).

Положительный эффект действия предложенного микроудобрения на основе фуллеренола обусловливается комплексом полезных свойств микроудобрения, а именно: способностью связывать свободные радикалы (антиоксидантные свойства), служить переносчиком элементов питания в растения, интенсифицировать процессы биосинтеза хлорофиллов и др. соединений и др.

На примере изучения изменения концентрации закиси азота (источника свободных радикалов) в питательном растворе показано, что УФ-В облучение растений вызывает увеличение ее концентрации на 48% - до 0,99 ppm (табл.8). Некорневая обработка растений ячменя микроудобрением на основе фуллеренола обеспечивает достоверное снижение (на 16%) концентрации закиси азота в питательном растворе относительно контроля в благоприятных и стрессовых условиях, полностью нивелируя действие окислительного стресса, вызванного УФ-В облучением.

Выявлено, что в условиях теплового стресса, когда корни проростков растений после предэкспозиции их в растворе макро- и микроэлементов, входящих в состав предложенного микроудобрения, а также в растворе микроудобрения на основе фуллеренола подвергались действию 10-минутного прогрева при 40-42°C, негативный эффект данного стресса на рост корней и проростков существенно снижался (на 12-16%) (табл.9).

Показано, что при действии солевого стресса в корнеобитаемой среде у контрольных растений ячменя и пшеницы, выращиваемых на растворе макро- и микроэлементов, входящих в состав микроудобрения на основе фуллеренола, наблюдалось резкое торможение роста корней, связанное со снижением продольной растяжимости корней δl и менее выраженное торможение роста побегов (табл.10). Предэкспозиция растений в растворе микроудобрения на основе фуллеренола преимущественно полностью нивелировала негативный эффект последующего солевого стресса на проростки растений. Основная причина ускорения роста корней ячменя и пшеницы в присутствии микроудобрения на основе фуллеренола - увеличение продольной растяжимости корней в зоне роста δl.

Введение в корнеобитаемую среду микроудобрения на основе фуллеренола и некорневая обработка им растений способствовали существенному увеличению содержания в растениях основных макроэлементов и подвижных их форм, а также содержания белкового азота.

Так, некорневая обработка растений микроудобрением на основе фуллеренола обеспечивает увеличение в их надземной части валового содержания азота на 30%, фосфора - на 43%, калия - на 15%, содержания небелкового азота - на 62%, белкового азота - на 27%, нитратного азота - на 20%, аммонийного азота - на 49% (табл.11). Отмечено также увеличение содержания пигментов хлорофиллов в листьях растений, а именно: содержание хлорофилла а увеличивается на 7% (тенденция), тогда как хлорофилла b - на 25%, сумма хлорофиллов а и b - на 14%, что свидетельствует об активизации процессов биосинтеза и в целом метаболизма в растениях (табл.12).

Показано также, что при введении в почвозаменитель микроудобрения на основе фуллеренола происходит усиление транспорта нитратного азота, а также подвижных форм фосфора и калия в растения (табл.13). При этом содержание нитратов в растительной продукции не превышает ПДК (Гигиенические требования к безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. СанПиН 2.3.2.1078-01", 06.11. 2001).

Обогащение фосфором, калием, азотом растений при корневой и, особенно, при некорневой обработке растений микроудобрением на основе фуллеренола является важным положительным его эффектом и при применении в сельскохозяйственном производстве позволит сократить дозовую нагрузку на агроэкосистемы минеральных удобрений.

Таким образом, полученные результаты оценки эффективности действия разработанного микроудобрения на основе фуллеренола на растения в регулируемых и полевых условиях показывают, что микроудобрение обладает ростстимулирующими, фитопротекторными антиоксидантными и адаптогенными свойствами, обеспечивает повышение усвоения минеральных элементов питания растениями за счет усиления их транспорта в растения и активизации процессов метаболизма в растениях.

Приведенные примеры применения разработанного микроудобрения на основе фуллеренола для некорневой и корневой обработки растений в регулируемых и полевых условиях показывают его преимущество перед прототипом и свидетельствуют о его более высокой эффективности по сравнению с ним.

Преимущество разработанного микроудобрения на основе фуллеренола по сравнению с прототипом состоит также в том, что нет необходимости готовить маточные растворы, все компоненты микроудобрения имеют твердую форму и растворяются в водопроводной воде в последовательности, указанной в таблице 3, для приготовления рабочего раствора непосредственно перед обработкой посевов.