Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СТИМУЛИРОВАНИЯ РОСТА РАСТЕНИЙ

Изобретение относится к области сельского хозяйства, агрохимии, экологии, в частности к химическим средствам, воздействующим на процессы жизнедеятельности растений, стимулирующих их рост и развитие путем предпосевной подготовки семян, и может быть использовано как ресурсосберегающий агроприем, уменьшающий токсическую нагрузку на агросистемы за счет повышения эффективности действия агрохимических препаратов.

Разработка таких препаратов является актуальной задачей ввиду усиления негативных последствий антропогенного воздействия на природные экосистемы.

Известен способ предпосевной обработки семян, состоящий в замачивании растений перед посевом в водном растворе комплексона иминодиянтарной кислоты с концентрацией 1,5·10^-4 М/л при комнатной температуре в течение 24 часов (аналог). Затем раствор сливают, и семена осушают фильтровальной бумагой (Патент №2399183, 2010, бюл. №26). Обработка семян иминодиянтарной кислотой обеспечивает значительное увеличение общего хлорофилла в растениях. Структурные компоненты используемого комплексона содержатся в растениях и являются естественными регуляторами метаболизма. Комплексоны такого типа легко усваиваются растениями, в клетках разлагаются на аминокислоты, которые вовлекаются в обмен и полностью метаболизируются в процессах энергообмена.

К недостаткам этого способа следует отнести отсутствие возможности восполнения нехватки микроэлементов, которые оказывают стимулирующее действие на развитие растений, так как для обработки используется только комплексон - не содержащая микроэлементов иминодиянтарная кислота, а не ее комплексонаты микроэлементов.

Также известен способ предпосевной обработки семян микроэлементами в составе неорганических солей, состоящий в обработке семян за 6-8 часов до посева 0,1% раствором сульфатов и хлоридов марганца и цинка из расчета 1-1,5 литра раствора на 1 центнер семян. Применение микроэлементов положительно влияет на прорастание семян, всхожесть яровой пшеницы, способствует усилению фотосинтетических процессов, что в результате приводит к повышению урожайности (Настина Ю.Р., Костин В.И., Ерофеева Е.Н. Влияние микроэлементов на изменение фотосинтетической деятельности посевов яровой пшеницы и формирование урожая // Нива Поволжья. 2012. №3. С. 14-18).

К недостаткам этого способа следует отнести необходимость внесения больших количеств микроэлементов при эффективности повышения урожайности в 10-20% относительно контроля, что связано со сложностями усваивания растениями микроэлементов в минеральной форме неорганических солей.

Известен состав для стимулирования развития растений картофеля (А.С. №1825610, 1993, бюл. №25), состоящий в применении комплексонатов биометаллов на основе этилендиамин-N,N¹-диянтарной кислоты (ЭДДЯК).

Обработку проводили путем опрыскивания листового аппарата водными растворами, содержащими 0,05-0,1 мас. % комплексонатов этилендиамин- N,N¹-диянтарной кислоты с молибденом, цинком, марганцем, кобальтом, бором, магнием, взятых в соотношении 1:1:1:1:1:1. Предложенный состав комплексонатов обладает комплексным интегративным действием: оптимизирует физиологические процессы, повышает продуктивность, улучшает качество конечного продукта - клубней картофеля.

К недостаткам следует отнести значительный расход готового раствора, связанный со способом обработки растений (опрыскивание листового аппарата). А также использование в качестве комплексона этилендиамин-N,N¹-диянтарной кислоты, которая содержит два атома азота, в отличие от иминодиянтарной кислоты, которая содержит только один атом азота, в связи с чем, безопасность последней должна быть выше в соответствии с имеющимися данными (Hyvonen Н., Orama М., Saarine Н., Aksela R. Studies on biodegradable chelating ligands: complexation of iminodisuccinic acid (ISA) with Cu (II), Zn (II), Mn (II) and Fe (III) ions in aqueous solution // Green Chemistry. 2003, №5. P 410-414).

В качества прототипа выбран способ стимулирования роста растений, повышающий содержание зеленых пигментов и каротиноидов в растениях, заключающийся в обработке биологически активным веществом - водным раствором из комплексонатов биометаллов (магния и цинка) в соотношении 1:1 с определенной концентрацией, где в качестве комплексообразователя используется иминнодиянтарная кислота (SU 1819556 А1, 1993 г.).

Недостатками данного способа является необходимость применения большого количества растворов комплексонатов ИДЯК с биометаллами (магний и цинк), что повышает расход и затратность процесса. Замачивание семян для стимулирования роста растений в 34 раза эффективнее опрыскивания листовой кроны растений по А.С. №1819556, опубл. 07.06.1993 аналогичным раствором (в 0,15% растворе комплексонатов по А.С. №1819556 содержится биологически активного вещества не менее 1,5 г/л, тогда как нами используется 1,5*10^-4 М раствор комплексонатов, содержащий [1,5*(24+65+2*247)/2=1,5*292=438]*10^-4 г/л). Обработка листового аппарата растений раствором не обеспечивает достаточного повышения содержание зеленых пигментов и каротиноидов в растениях.

Задачей изобретения является стимулирование роста и развития растений при низком расходе используемого препарата, показателем чего может служить интенсификация образования пигментов фотосинтетического аппарата, наименее трудоемким и экономичным путем.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе стимулирования роста растений, включающем обработку посадочного материала путем замачивания семян перед посевом в течение 24 часов в водном растворе комплексонатов магния и цинка с иминодиянтарной кислотой при соотношении MgL:ZnL=1:1, концентрация комплексонатов биометаллов (магния и цинка) составляет 1,5·10^-4 моль/л.

При попадании комплексонатов (Mg+Zn) ИДЯК, т.е. смеси MgL и ZnL с соотношением компонентов 1:1, где L - обозначение лиганда, вместе с замоченными семенами в почву, наблюдается неожиданный технический результат за счет дополнительного вовлечения необходимых растению микроэлементов из почвы путем образования биядерных M₂L и даже полиядерных M_nL комплексонатов [Н.М. Дятлова, В.Я. Темкина, К.И. Попов «Комплексоны и комплексонаты металлов», М.: Химия, 1988, с. 100]. Причем наличие в системе (в почве) нескольких катионов способствуют синтезу гетероядерных образований М′М″L - смешаннометальных комплексов.

Благодаря наличию в ИДЯК четырех карбоксильных групп (-СОО^-) и повышенному сродству щелочноземельных элементов (в т.ч. и магния), а также цинка к кислороду [Н.М. Дятлова, В.Я. Темкина, К.И. Попов «Комплексоны и комплексонаты металлов», М.: Химия, 1988, с. 351-352] образуются повышающие начальную стехиометрию Mg-L или Zn-L смешаннометальные полиядерные комплексы M_nL за счет карбоксилатных мостиков [М. Бек, И. Надьпал «Исследование комплексообразования новейшими методами», М.: Мир, 1989, С. 332].

Причем, как свидетельствуют М. Бек, и И. Надьпал в этой же монографии [С. 332], «…если данный ион металла вообще способен давать комплексное соединение, он дает моно- и полиядерные комплексы». Образование биметальных комплексов цинка и других металлов с соотношением M:L, превышающим 1:1, описано в работах Бринтцигера и Мюнкельта, а также Лангерта [H. Brintzinger, U. Munkelt // Z. Anorg. Chem. 1948, 256, 65; H.G. Langer // J. Inorg. a. Nucl. Chem. 1964, V. 226, P. 767. Цитируется по Н.М. Дятлова, В.Я. Темкина, И.Д. Колпакова ″Комплексоны», 1970, М.: Химия, с. 282].

М. Бек и И. Надьпал образование полиядерных комплексов объясняют энтропийным эффектом, замечая, что это есть упрощенное объяснение действующего в описываемом нами случае хелатного эффекта [М. Бек, И. Надьпал «Исследование комплексообразования новейшими методами», М.: Мир, 1989, с. 333].

Как следует из табл. 1 и табл. 2 описания, дополнительное вовлечение комплексонатами (Mg+Zn) ИДЯК микроэлементов за счет хелато-эффекта из почвы (в т.ч. и магния) способствует увеличению содержания хлорофиллов почти на 50% по сравнению с применением чистого комплексона ИДЯК [как это предусмотрено в Патенте №2399183] у яровой пшеницы (325-218)/218*100%=49,08% и более чем на 14% в шпинате (160-140)/140*100%=14,29%.

Создание условий для проявления хелато-эффекта, обеспечивающего дополнительное значительное образование хлорофиллов при применении комплексонатов (Mg+Zn) ИДЯК, в предлагаемом нами «Способе стимулирования роста растений» приводит к неожиданному техническому результату, подтверждающему «изобретательский уровень» нашей заявки.

Предложенный способ отличается комплексным синергетическим эффектом воздействия от присутствия комплексона (регулятора метаболизма) и двух микроэлементов (магния и цинка) в легкоусвояемой форме органического соединения (в виде комплексоната), а не неорганической соли.

Техническим результатом является сокращение расхода ростостимулирующего препарата, повышение урожайности путем использования минимальных концентраций комплексонатов ИДЯК с одновременным усилением фотосинтетических процессов растений за счет синергетического эффекта от поставки микроэлементов магния и цинка в легкодоступной растению форме в виде соединения с биологически активным лигандом ИДЯК. Технический результат проявляется также в создании экологически чистого и безопасного продукта, так как этот полученный экологически безопасный сельскохозяйственный продукт позволяет уменьшить или минимизировать неблагоприятное воздействие на окружающую среду или токсическое действие.

Сущность предложенного способа заключается в следующем:

Семена сельскохозяйственных культур на сутки замачивают в растворе биологически активного вещества, содержащего комплексы иминодиянтарной кислоты с магнием и цинком.

Предлагаемые растворы заявляемого стимулятора роста готовят следующим образом. Первоначально готовят 1 литр 0,1 моль/л раствора, например, иминодиянтарной кислоты в дистиллированной воде.

В качестве соединений магния используют магний сернокислый, нитрат или хлорид.

В качестве соединений цинка используют цинк сернокислый по ГОСТ 4174-77 или цинк оксид по ГОСТ 10262-73.

Предлагаемый состав получают смешением исходных компонентов в указанных соотношениях, обеспечивающих синергетический эффект.

Концентрация каждого комплексоната 1,5·10^-4 моль/л. Расход раствора зависит от площади поверхности семян и составляет, например, 1-1,5 литра раствора на 1 центнер зерновых.

Важной отличительной особенностью данного состава является синергизм действия от совокупности положительных эффектов поставки микроэлементов магния и цинка в легкодоступной растению форме и ростостимулирующего действия биологически активного лиганда ИДЯК.

Комплексы цинка и магния с ИДЯК оказывают благотворное влияние на физиологическое состояние, рост и продуктивность растений.

Применение данных хелатных соединений положительно сказывается на состоянии пигментной системы растений, т.к. эти соединения индуцируют увеличение как содержания хлорофиллов «а» и «б», так и суммы каротиноидов.

Накопление урожая зависит от совокупности всех внутренних процессов растительных организмов и соотношения внешних факторов. Наиболее значимым процессом, существенно влияющим на урожайность сельскохозяйственных культур, является фотосинтез.

В состав фотосинтетического аппарата высших растений входят два вида зеленых пигментов: хлорофилл «а» и хлорофилл «в». Основная функция хлорофиллов в растении - поглощение световой энергии и преобразование ее в химическую. Желтые пигменты - каротиноиды (каротины и ксантофиллы) относятся к дополнительным пигментам фотосинтетического аппарата, расширяющим его спектральный диапазон.

Растительные пигменты - важнейшие участники процесса фотосинтеза, обеспечивающего биологический урожай агрофитоценозов - посевов сельскохозяйственных растений.

Иминодисукцинаты биометаллов (магний и цинк), использование которых предусматривает данный способ, оказывают существенное влияние на синтез растительных пигментов и формирование урожая. Это объясняется тем, что катион магния в качестве иона - комплексообразователя входит в состав магний - порфиринового комплекса молекул хлорофилла, а цинк является компонентом более чем сорока ферментов, в т.ч. карбоангидразы хлоропластов, физиологическая роль которой заключается в быстрой фиксации поглощаемого растениями CO₂.

Недостаток как магния, так и цинка в почве вызывает различные формы хлороза растений и снижение их урожайности. Предложенный способ предпосевной обработки хелатами магния и цинка с ИДЯК способствует усилению фотосинтетических процессов растений, что в результате приводит к повышению урожайности.

Изобретение позволяет стимулировать рост растений путем предпосевной обработки семян. Этот способ более прост в исполнении по сравнению с прототипом и более экономичен, т.к. расход биологически активных растворов на обработку семян меньше, чем на обработку растений опрыскиванием, что связано с различием в площади обрабатываемой поверхности.

В отличие от ЭДДЯК, используемой в качестве лиганда в прототипе, заявляемый состав основан на использовании ИДЯК, которая содержит в своем составе меньше азота. И это важно, т.к. чем меньше содержание азота в соединении, тем меньше его попадает в сточные воды при разложении комплексона (H. Hyvonen, M. Orama, H. Saarinen, R. Aksela. Studies on biodegradable chelating ligands: complexation of iminodisuccinic acid (ISA) with Cu (II), Zn (II), Mn (II) and Fe (III) ions in aqueous solutions // Green Chemistry, 2003, 5, 410-414).

Кроме того, синергетическое усиливающее действие смеси приводит, например, к снижению норм применения и/или большей длительности действия и/или более высоким урожаям сельскохозяйственных культур. Такого положительного действия нельзя было ожидать исходя из суммы активностей индивидуальных компонентов.

Синергетическое воздействие на жизнеспособность растений смеси по изобретению было продемонстрировано при помощи описанных ниже экспериментов.

Опыт показал, что композиция с использованием ИДЯК вместо ЭДДЯК позволяет получить растения, например, пшеницы или шпината с большим содержанием растительных пигментов.

Пример 1.

Семена яровой пшеницы на сутки замачивали в растворах ИДЯК и ее комплексов с магнием и цинком (концентрация всех исходных растворов 1,5·10^-4 моль/л). Для сравнения в эксперименте использовали семена яровой пшеницы, замоченные в растворах MgSO₄, ZnSO₄, а так же в растворах комплексов магния и цинка с этилендиамин-N,N¹-тетрауксусной кислотой (ЭДТУК) и ЭДДЯК той же концентрации. Контрольные образцы семян замачивали в дистиллированной воде. Опыт был заложен в двух параллелях на делянках площадью 1 м².

Содержание растительных пигментов в листьях пшеницы определяли в начале стадии колошения путем исследования ацетоновых вытяжек спектрофотометрическим методом с использованием фотометра КФК-3.

Результаты опыта приведены в табл. 1.

Как свидетельствуют данные таблицы, предпосевная обработка семян оказала на растения пшеницы значительное воздействие, что объясняется большей массой и большей площадью поверхности семян, что в свою очередь, обеспечивает большое количество сорбированных препаратов.

Для яровой пшеницы предлагаемый состав является более эффективным по сравнению с прототипом. Из таблицы видно, что наилучшим стимулятором образования хлорофиллов оказалась смесь (Mg+Zn)-ИДЯК (ΔW_ХЛ=57% по отношению к контролю). Причем стимулирующее действие комплексонатов ИДЯК возрастает в ряду: Mg-ИДЯК<Zn-ИДЯК<(Mg+Zn)-ИДЯК. Для действия комплексонатов ЭДТУК характерна другая зависимость: Zn-ЭДТУК<(Mg+Zn)-ЭДТУК<Mg-ЭДТУК. Очевидно, ионы Mg²⁺ в комплексе с ЭДТУК (lgK_MgL ^2-=8.83) еще доступны для растений, тогда как из комплекса Zn-ЭДТУК (lgK_ZnL ^2-=16.44) ионы Zn в физиологическом диапазоне значений рН растениями извлечены быть не могут.

Пример 2.

Семена шпината на сутки замачивали в растворах ИДЯК и ее комплексов с магнием и цинком (концентрация всех исходных растворов 1,5·10^-4 моль/л). Для сравнения в эксперименте использовали семена шпината, замоченные в растворах MgSO₄, ZnSO₄ а так же в растворах комплексов магния и цинка с этилендиамин-N,N¹ - тетрауксусной кислотой (ЭДТУК) и ЭДДЯК той же концентрации. Контрольные образцы семян замачивали в дистиллированной воде. Опыт был заложен в двух параллелях на делянках площадью 1 м².

Содержание растительных пигментов в листьях шпината определяли через 30 дней после появления всходов путем исследования ацетоновых вытяжек спектрофотометрическим методом с использованием фотометра КФК-3.

Результаты опыта приведены в табл. 2.

Как свидетельствуют данные таблицы, смесь (Mg+Zn)-ИДЯК оказывает стимулирующее влияние на развитие шпината, хотя и менее значительное по сравнению с примером 1. Это объясняется небольшой площадью поверхности семян шпината в сравнении с площадью поверхности семян яровой пшеницы и, следовательно, различным количеством сорбированных препаратов.

Заметное стимулирующее действие на оба вида опытных растений оказывает свободная ИДЯК. Можно предположить, что продукты ее распада в растительном организме идут не только на синтез пептидов, но и используются в других реакциях, например, трансаминирования при биосинтезе глутаминовой кислоты, необходимой для образования хлорофиллов.

Таким образом, предпосевная обработка семян (наименее трудоемкий способ применения биологически активных веществ в растениеводстве) показала хорошую эффективность в качестве приема, интенсифицирующего образование пигментов фотосинтетического аппарата и делающего его очень полезным с точки зрения промышленного применения.