Результат интеллектуальной деятельности: Композиция для протравливания семян и способ её получения

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к средствам для борьбы с болезнями зерновых культур и повышения их урожайности, а именно к созданию фунгицидных препаратов, и может найти применение в защите посевов зерновых культур от корневой гнили и других заболеваний.

Тебуконазол (ТБК) - техническое название действующего вещества 4,4-диметил-3-(1Н-1,2,4-триазол-1-илметил)-1-n-хлорфенилпентан-3-ол, относится к классу органических соединений (а именно к классу триазолов), а по биологической активности - к системным фунгицидам широкого спектра действия для борьбы с болезнями листьев и колосьев зерновых (фузариозом, септориозом, ржавчиной, мучнистой росой и другими), серой гнилью винограда, некоторыми заболеваниями сои, рапса, подсолнечника, овощных и плодовых культур методом опрыскивания и протравителя семян для борьбы с твердой и пыльной головней, септориозом зерновых культур [1. Мельников Н.Н., Новожилов К.В., Белан С.Р. Справочник. Пестициды и регуляторы роста растений. М.: Химия, 1995].

ТБК - системный фунгицид широкого спектра действия. Обладает защитными, лечебными и искореняющими свойствами [2. Белов Д.А. Химические методы и средства защиты растений в лесном хозяйстве и озеленении: Учебное пособие для студентов. - М.: МГУЛ, 2003. - 128 с.]. Быстро проникает в растение и равномерно распределяется в нем [3. Андреева Е.И., Зинченко В.А. Системные фунгициды-ингибиторы биосинтеза эргостерина. Журнал «АгроХХI», №4, 2002, с. 14-151]. При обработке семян эффективно подавляет возбудителей корневых гнилей, головневые грибы и плесневение семян [4. Попов С.Я. Основы химической защиты растений. Попов С.Я., Дорожкина Л.А., Калинин В.А. / Под ред. профессора С.Я Попова. - М.: Арт-Лион, 2003. - 208 с.].

ТБК обладает рострегулирующим действием, которое может перейти в ретардантное при неблагоприятных условиях: недостаток влаги, переувлажнение почвы, слишком глубокая заделка семян, их низкая энергия прорастания и полевая всхожесть, высокая гербицидная нагрузка, что может замедлить появление всходов (такие же свойства присущи диниконазолу, тритиконазолу и в меньшей степени другим азолам). [5. Тютерев С.Л. Протравливание семян зерновых колосовых культур. Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений РАСХН. Москва: Журнал «Защита и карантин растений» (Приложение), 2005].

Протравители семян должны быть токсичными для возбудителей болезней, хорошо удерживаться на поверхности семян, не снижать их всхожести. При протравливании семян сравнительно небольшие количества действующих веществ необходимо равномерно нанести на семена для обеспечения их защиты от внешней и внутренней инфекции, от поражения возбудителями болезней, находящихся в почве. В целях достижения оптимального биологического действия против болезней протравители семян должны иметь хорошую препаративную форму.

Такими формами для ТБК являются препаративные формы в виде суспензионных концентратов (Барьер-Колор, Виал-Траст, Стингер, Алт-Сил) и микроэмульсий (Тебу, Скарлет) [6. Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации. М., 2010, 840 с.]. Для приготовления суспензионных форм субстанцию препарата диспергируют в шаровых и бисерных мельницах в водной (или водно-органической) среде с добавками ПАВ, стабилизаторов и других наполнителей. Масляные эмульсии готовят путем растворения субстанции препарата в органическом растворителе (или смеси растворителей) с добавлением ПАВ, образующего с водой устойчивую эмульсию [7. Методические рекомендации по контролю за качеством препаративных форм ХСЗР и исходного сырья для их приготовления. Черкассы, НИИТЭХИМ, 1984, 48 с.].

В качестве аналога для излагаемого ниже изобретения выбрана препаративная форма ТБК в виде препарата «Раксил», КС (60 г/л), которая рекомендована для протравливания семян зерновых культур в борьбе с корневой гнилью [8. Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации. М., 2010, 840 с.]. Эта препаративная форма получается способом мокрого измельчения действующего вещества препарата «Раксил» (ТБК) со вспомогательными веществами (смачиватели, диспергаторы, эмульгаторы, ПАВ и др.) в жидкой среде.

Известен также способ получения фунгицидного средства [9. ЕР 2269581, опубл. 05.01.2011 г.], содержащего фунгицид в виде наночастиц и натуральные или синтетические водорастворимые полимеры в соотношении фунгицид:полимеры 1:(1-100). Однако известный способ требует присутствия растворителей, энергоемких процессов распылительной или сублимационной сушки, отличается многостадийностью процесса. Кроме того, в составе препаративных форм в значительных количествах присутствуют вспомогательные вещества - эмульгаторы, стабилизаторы, обладающие, как правило, нежелательными токсико-химическими свойствами.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является фунгицидное средство и способ его получения [10. Пат. РФ №2469536, опубл. 20.12.2012 г.]. Это фунгицидное средство содержит ТБК и водорастоворимые природные или синтетические полимеры из группы: бета-цилодекстрин, арабиногалактан, гидроксиэтилкрахмал, пектин, полиэтиленгликоль, поливинилпирролидон, в массовом соотношении 1:(1-5) соответственно. Средство получают путем механохимического взаимодействия указанных компонентов. Изобретение позволяет увеличить водорастворимость фунгицидного средства, повысить его фунгицидную активность. Однако увеличение водорастворимости само по себе не связано напрямую с увеличением биологической активности препаратов. Так, на примере лекарств известен довольно широкий круг препаратов, имеющих высокую водорастворимость, но плохо проникающих через биологические мембраны [11. Food and Drug Administration. Guidance for Industry: Waiver of In Vivo Bioavailability and Bioequivalence Studies for Immediate-Release Solid Oral Dosage Forms Based on a Biopharmaceutics Classification System. Food and Drug Administration, Rockville, MD, 2000. Available at http://www.fda.gov/cder/guidance/index.htm] и тем самым обладающих недостаточной фармакологической эффективностью. Отсюда следует, что для повышения эффективности фунгицидных композиций необходимо прежде всего повышать проникновение ТБК через оболочки зерна в его объем, т.н. «биодоступность». К сожалению, к настоящему времени данные о величинах проникновения ТБК во внутренний объем зерна из различных препаративных форм отсутствуют.

Задачей настоящего изобретения является:

- увеличение проникновения ТБК во внутренние структуры зерна через плодовую и семенные оболочки;

- повышение фунгицидной активности ТБК в составе композиции;

- снижение ретардантного действия ТБК;

- использование безотходной и производительной технологии получения композиции.

Решение поставленной задачи достигается за счет создания композиции для протравливания семян, содержащей ТБК и водорастворимые производные глицирризиновой кислоты (ГК), используемые в виде самой кислоты, ее солей или экстракта корней солодки в массовом соотношении 1:(1-10) соответственно. Производные ГК могут встраиваться в липидные биологические мембраны и, предположительно, являться «носителями» низкомолекулярных биологически активных веществ в трансмембранном переносе. В водных растворах производные ГК образуют везикулы - мицеллы, состоящие из 60-100 молекул, в которые включаются молекулы малорастворимого в воде ТБК. Такие мицеллы обладают мембранотропными свойствами, позволяющими увеличивать трансмембранный перенос ТБК, тем самым увеличивая его биодоступность. Вместе с тем, далеко не очевидно, что ГК будет способствовать переносу ТБК через оболочки зерна, так как они имеют более сложное строение по сравнению с липидными мембранами клеток животных.

Композиция представлена в форме водорастворимого порошка, при этом при растворении ее в воде методами гель-проникающей хроматографии фиксируется образование вышеуказанных мицелл. Это свидетельствует о специфических межмолекулярных взаимодействиях ТБК и производных ГК, формирующихся в процессе механохимического получения композиций. При этом значительно увеличивается биодоступность ТБК, усиливается фунгицидное действие. Кроме того, производные ГК способствуют снижению ретардантного эффекта действующего вещества и повышению продуктивности зерновых (см. примеры реализации изобретения).

Предлагаемая композиция для протравливания семян обладают следующими преимуществами:

- использование доступных и дешевых материалов, производных ГК, выделяемых из широко распространенного растительного сырья - корней солодки - и способных образовывать механохимические супрамолекулярные структуры - мицеллы - комплексы с ТБК;

- повышенная биодоступность - способность проникновения ТБК через оболочки зерна в его внутренний объем, что позволяет улучшить фунгицидные свойства ТБК и снизить его действующие дозы;

- использование полезных технологических и биологических свойств самих водорастворимых производных ГК, что позволит не только улучшить показатели качества механохимических комплексов/мицелл, но и достичь эффекта синергизма в фунгицидном и антимикробном действии ТБК;

- использование биологических свойств самих водорастворимых производных ГК, что позволит снизить ретардантный эффект и повысить урожайность зерновых культур.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что заявляемую композицию получают путем механохимического взаимодействия ТБК и водорастворимых производных ГК в соотношении 1:(1-10). В качестве аппаратов для механохимической обработки могут быть использованы шаровые валковые, планетарные, вибрационные, виброцентробежные и т.п. мельницы, т.е устройства ударно-истирающего воздействия. Процесс масштабируется от шаровых лабораторных мельниц с загрузкой в несколько грамм до проточных виброцентробежных мельниц с производительностью до 100 кг/ч и более.

Смесь ТБК и производных ГК, взятых в массовом соотношении от 1:1 до 1:10, подвергают механохимической обработке в вышеуказанных измельчителях-активаторах ударно-истирающего типа. В процессе механической обработки происходит диспергирование молекул ТБК в объем твердых фаз вспомогательных веществ, образуя твердый раствор, представляющий собой разупорядоченную твердую фазу, в которой молекулы ТБК и вспомогательного вещества, в виде водорастворимых производных глициризиновой кислоты, испытывают нековалентные неионные взаимодействия. Во время растворения этой твердой дисперсии образуются мицеллы ГК, в которые включаются молекулы ТБК, что обосновывается достигаемым увеличением его водорастворимости [12. А.V. Dushkin, Е.S. Meteleva, et al., Complexing of Pharmacons with Glycyrrhizic Acid as a Route to the Development of the Preparations with Enhanced Efficiency // Chemistry for Sustainable Development 18 (2010) 437-444].

Таким образом, достигаются заявленные преимущества механохимически полученных композиций - включение молекул ТБК в везикулы/мицеллы ГК и увеличение проницаемости через оболочки зерна, обуславливающее соответствующий показатель фунгицидного и антимикробного действия. При этом также достигаются следующие заявленные преимущества способа получения - приготовление заявляемых композиций происходит в одну технологическую стадию механической обработки в измельчителе-активаторе, не требуется участия жидких фаз, исключается энергоемкий и длительный процесс сушки материала, отсутствуют отходы растворителей. При отсутствии вышеуказанных условий получения - например, использование смешения компонентов в «мягких» условиях, в водный раствор переходят только водорастворимые компоненты композиций, а кристаллическая фаза ТБК остается в осадке.

Отсутствуют специальные требования к контролю влажности помещений, так как вещества обрабатывают в герметичном внутреннем объеме мельниц. Во всех случаях процесс проводят фактически в одну стадию, он не требует дорогостоящего оборудования и прост в реализации.

Следует отметить, что обнаруженное явление повышения фунгицидной активности, снижение ретардантного эффекта и повышение урожайности зерновых культур при использовании заявляемого состава и способа получения композиции не следует с очевидностью из существующего уровня научных знаний и впервые обнаружено авторами изобретения. Таким образом, согласно приведенному описанию обнаруженное нами явление повышения фунгицидной активности в комплексе со снижением ретардантного эффекта и повышением урожайности зерновых культур, а также способ получения таких композиций, обеспечивающий их свойства, отвечает критерию новизны.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. Получение композиции для протравливания семян на основе ТБК и экстракта солодки

В металлический барабан (емкость 1 л, загрузка мелющих тел - стальных шаров диаметром 23 мм, 1,5 кг) валковой мельницы ВМ-1 (ускорение 1 g) помещают 6 г субстанции ТБК и 60 г сухого экстракта корней солодки (содержание ГК 20,5%). Активацию проводят в течение 12 часов, отбирая и анализируя пробы (см. Пример 4) через каждые 2 часа. Оптимальное время механохимической обработки выбирается по критериям максимальной водорастворимости при условии сохранения содержания ТБКа не менее 95% от начального.

Пример 2. Получение композиций для протравливания семян на основе ТБК и ГК

В металлический барабан (емкость 0,3 л, загрузка мелющих тел - стальных шаров диаметром 23 мм, 0,75 кг) валковой мельницы ВМ-1 (ускорение 1 g) помещают 3 г субстанции ТБК и 15 г субстанции ГК. Активацию проводят в течение 12 часов, отбирая и анализируя пробы (см. Пример 4) через каждые 2 часа. Оптимальное время механохимической обработки выбирается по критериям максимальной водорастворимости при условии сохранения содержания ТБК не менее 95% от начального.

Пример 3. Получение композиций для протравливания семян на основе ТБК и глицирризината натрия

В металлические барабаны (два спаренных барабана по 50 мл) измельчителя-активатора АГО-2 загружают 1,0 г ТБК, 5,0 г динатриевой соли ГК (Na₂ГК) и 96 г шаров (диаметр 4-5 мм). Активацию проводят при энергонапряженности 20 g в течение 10 мин. После активации продукт в виде порошка выгружают и характеризуют по данным анализа его водного раствора (см. Пример 4).

Пример 4. Анализ водных растворов механохимически полученных композиций для протравливания зерна

Для определения растворимости в воде композиции ТБК/производные ГК в количестве 0,2 г растворяли в 10 мл дистиллированной воды при перемешивании в шейкере-инкубаторе (25°С, 180 об/мин) в течение 3 ч. Концентрацию ТБК 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 - вода (1:1), скорость потока - 1 мл/мин, объем пробы - 5 мкл, детектирование на длине волны 238 нм. Концентрации ТБК определяли относительно его специально приготовленного раствора в этаноле.

Для исследования структуры водных растворов композиций применяли метод гель-фильтрационной хроматографии на хроматографе Agilent 1200 с колонкой PL aquagel-OH 40, 300×7,5 мм; температура колонки +30°С; детектор рефрактометрический. В качестве растворителя и элюента использовали водный раствор 0,1 М LiNO₃ или дистиллированную воду, скорость потока - 1 мл/мин. Калибровку проводили по стандартам декстранов фирмы Sigma-Aldrich с молекулярными массами 12, 25, 50, 80, 150, 270 и 410 кДа. Для обработки полученных результатов и расчета ММР использовали программу Agilent GPC Date Analysis (в предположении линейной зависимости lgMM - время удерживания). Во всех случаях в хроматограммах водных растворов композций ТБК с ГК, Na₂ГК и с экстрактом солодки наблюдались пики высокомолекулярных образований массой 60-100 кДа. Ранее, [13. А.V. Dushkin, Е.S. Meteleva, et al., Complexing of Pharmacons with Glycyrrhizic Acid as a Route to the Development of the Preparations with Enhanced Efficiency // Chemistry for Sustainable Development 18 (2010) 437-444] нами было показано, что они относятся к мицеллам ГК, состоящим из 60-100 ее молекул. Пиков низкомолекулярных соединений (ТБК) в используемых условиях анализа не обнаруживается, что наряду с данными об увеличении растворимости ТБК, см. Таблицу 1, свидетельствует о включении молекул ТБК в мицеллы.

Пример 5. Определение проникновения тебуконазола во внутренний объем зерна

Зерно пшеницы (сорт Омская 36) обрабатывалось водной суспензией композиции, а также тебуконазола исходя из количества 0,03 г действующего вещества (ТБК) на 100 г зерна. Суспензия готовилась путем смешения расчетного количества композиции и 5 см³ воды. Смешение суспензии с зерном производили в барабане валковой мельницы ВМ-1 (см. пример 1), однако без загрузки мелющих тел. Время обработки - 1 час.

Затем обработанное зерно проращивалось в течение 3 дней. Для этого зерновки раскладывались в стерильные камеры на увлажненную фильтровальную бумагу и помещались в термостат при температуре +25°С.

Пророщенное зерно вместе с ростками высушивали до постоянной массы в вакуумном шкафу при +60°С. Затем производился смыв ТБК, не проникшего в объем зерна и оставшегося на его поверхности. Для этого навеска зерна обрабатывалась несколькими порциями этанола до исчезновения пика ТБК на хроматограммах ВЭЖХ (см. пример 4) в вышеуказанных спиртовых смывах.

Обработанное таким образом зерно сушилось в течение 24 часов в вакуумном шкафу при +60°С и измельчалось в мельнице ударного типа (кофемолке). Далее, к навеске полученного порошка добавлялось известное количество этанола, смесь перемешивали на орбитальном шейкере в течение 20 мин при +25°С и фильтровали через бумажный фильтр. Концентрацию ТБК в полученном растворе проводили методом ВЭЖХ (см. пример 4). Затем производился расчет массы ТБК, содержащегося в 100 г зерна. Результаты приведены в Таблице 2.

Таким образом, полученные результаты подтверждают, что заявляемая композиция увеличивает проникновения ТБК во внутренний объем зерна в не менее чем 2 раза.

Пример 6. Биологическая эффективность протравливания семян композицией Na₂ГК/ТВК 5/1

Эффективность применения композиции Na₂ГК/ТБК 5/1 с нормой расхода 0,3 кг/т семян изучали в полевом эксперименте на посевах яровой пшеницы сорта Омская 36 и ярового ячменя сорта Ача. Эталоном служил протравитель-фунгицид Раксил, КС с нормой расхода 0,5 л/т. Повторность опыта четырехкратная, размещение делянок систематическое, площадь делянки 23 м².

Биологическая эффективность композиции в подавлении развития обыкновенной корневой гнили в фазе 3 листьев зерновых достигала в посевах яровой пшеницы 83,2%, в посевах ярового ячменя 49,6% и была выше, чем при применении эталонного препарата - 76,6 и 37,9% соответственно (таблица 3). Существенно снижался и показатель распространенности заболевания. На пшенице высокая биологическая эффективность композиции определялась в том числе за счет подавления развития болезни на колеоптиле. К фазе трубкования зерновых фитосанитарный эффект протравливания составил 46 и 41,9% на пшенице и ячмене, на варианте с Раксилом - 44,6 и 34,9% соответственно.

Пример 7. Влияние композиции Na₂ГК/ТБК 5/1 на показатели продуктивности зерновых культур

Полевым экспериментом показано, что обработка семян композицией оказала положительное влияние на ростовые процессы растений зерновых (Фиг. 1. Динамика роста мягкой яровой пшеницы и ярового ячменя при обработке семян композицией Na₂ГК/ТБК 5/1).

Высота защищенных композицией растений пшеницы и ячменя в фазе 3 листа превышала чистый контроль (23,0 и 21,8 см) и эталон (21,7 и 21,1 см) в фазе трех листьев на 1,6 и 0,7 см (контроль) и на 2,9 и 1,3 см (эталон). В последующую фазу учета растения пшеницы в варианте с композицией превысили контроль на 0,2 см, а эталонный вариант - на 2,3 см, соответствующие показатели у растений ячменя составили 3,0 и 5,0 см.

Протравливание семенного материала оказало влияние на плотность посевов зерновых. В большей мере воздействие протравителей сказалось на продуктивном стеблестое (табл. 4). Количество продуктивных стеблей пшеницы превысило контроль на 137 шт./м², эталон - на 8 шт./м². При посеве семян ячменя, обработанных композицией, оба показателя плотности посева достоверно возрастали: число растений/м² - на 54 (относительно контроля) и на 11 шт./м² (относительно эталона), продуктивных стеблей - на 246 и 84 шт./м² соответственно.

К фазе молочной спелости зерна растения, выросшие из обработанных композицией семян, оказались более (на 11,0% - пшеница; на 13,0% - ячмень) высокорослыми (контроль - 86,7 и 53,8 см), сильнее кустились (табл. 5). У растений пшеницы и ячменя достоверно увеличивалась относительно контроля длина колоса, число колосков в колосе, число зерен в главном колосе, масса зерна с 1 растения, масса 1000 зерен. Относительно варианта с Раксилом наблюдалась тенденция роста всех указанных показателей.

Урожайность зерна увеличилась относительно контроля на 0,2 т/га при посеве пшеницы и на 0,19 т/га при посеве ячменя, обработанных Na₂ГК/ТБК 5/1, относительно Раксила эти показатели составили 0,04 т/га и 0,12 т/га.

Таким образом, приведенные примеры реализации изобретения подтверждают заявляемые характеристики и способ получения композиций для протравливания семян. Достигаемый технический результат заключается в получении по безотходной и производительной технологии новой композиции для протравливания семян, обеспечивающей увеличение в два раза проникновение тебуконазола во внутренний объем зерна, повышение фунгицидной активности и снижение его ретардантного действия.