Виробництво та використання наночастинок селену як добрив

Гудков Сергій Васильович

† Інститут загальної фізики імені Прохорова РАН, вул. Вавілова, 38, Москва 119991, Росія

Георгій Олександрович Шафєєв

† Інститут загальної фізики імені Прохорова РАН, вул. Вавілова, 38, Москва 119991, Росія

‡ Національний дослідницький ядерний університет МІФІ (Московський інженерно-фізичний інститут), 31 Каширське ш., Москва 115409, Росія

Олексій Петрович Глінушкін

§ Всеросійський науково-дослідний інститут фітопатології РАН, Великі Вязьоми, Московська область 143050, Росія

Олексій Васильович Шкірін

† Інститут загальної фізики імені Прохорова РАН, вул. Вавілова, 38, Москва 119991, Росія

Катерина В. Барміна

† Інститут загальної фізики імені Прохорова РАН, вул. Вавілова, 38, Москва 119991, Росія

Ігнат І. Раков

† Інститут загальної фізики імені Прохорова РАН, вул. Вавілова, 38, Москва 119991, Росія

Олександр Васильович Сімакін

† Інститут загальної фізики імені Прохорова РАН, вул. Вавілова, 38, Москва 119991, Росія

Кислов Анатолій Васильович

§ Всеросійський науково-дослідний інститут фітопатології РАН, Великі Вязьоми, Московська область 143050, Росія

Максим Є. Асташев

∥ Інститут клітинної біофізики РАН, вул. Інститутська, 3, м. Пущино, Московська область 142290, Росія

Володимир Олександрович Водєнєв

⊥ Інститут біології та біомедицини, Нижній Новгородський державний університет імені Лобачевського, проспект Гагаріна, 23 к.1, Нижній Новгород 603950, Росія

Калінітченко Валерій Петрович

§ Всеросійський науково-дослідний інститут фітопатології РАН, Великі Вязьоми, Московська область 143050, Росія

# Інститут родючості ґрунтів Південної Росії, вул. Кривошликова, 2, Персіанівка, Ростовська область 346493, Росія

Анотація

1. Вступ

Мікроелемент селен незамінний для функціонування більшості живих істот. 1 Se міститься в ґрунті, воді, посівах, тваринах та продуктах харчування. 2 Вміст Se в грунті сильно відрізняється у всьому світі. Вміст селену в ґрунтах сильно коливається від 0,005 до 1200 мкг г –1 і найчастіше від 0,1 до 10 мкг г –1. 3−6 Концентрація Se в окремому живому організмі сильно залежить від споживання Se. Наночастинки 7−9 Se посилюють здатність придушувати хвороби рослин і виявляють протигрибкові властивості. 10,11

Se є частиною білка ссавців, який зазвичай називають селенопротеїнами. 12 Відомо 25 селенопротеїнів. Щонайменше 12 селенопротеїдів є антиоксидантними ферментами, які в основному беруть участь у окисно-відновному гомеостазі організму разом з іншими ферментними антиоксидантами. 13,14 Найвідомішими білками цього виду є глутатіонпероксидаза (GSH-Pxs), тіоредоксинредуктаза (TrxR) та селенопротеїн Р (SePP). Остання молекула містить до 10 атомів Se. 15 Ферменти мають тетрамерну форму і містять по одному Se на субодиницю. 16 Селенопротеїни утворюють антиоксидантний бар’єр для захисту організмів від згубної дії шкідливих продуктів клітинного метаболізму, включаючи активні форми кисню. 17,18 Ферменти розкладають пероксид водню та органічні гідропероксиди, захищаючи тканину від окисних пошкоджень. 19 TrxR беруть участь у визначенні та сигналізації окисно-відновного потенціалу клітини. SePP - позаклітинний антиоксидант. 20 Активність селенопротеїну залежить від концентрації Se в тканинах.

Цей документ є розвитком наших попередніх досліджень. 26-29 Обговорено технологію отримання наночастинок з нульовим валентним станом Se. Наночастинки Se з нульовим валентним станом досліджувались як добрива та антиоксиданти. Обговорюється проблема синергії, яка пов'язує наночастинки Se та зменшення окисного стресу рослин. 15,30,31 Дослідження має синергетичну спрямованість. Це відкрило можливість не тільки виробляти, але й застосовувати наночастинки з нульовим валентним станом Se на основі методології Біогеосистемна техніка (BGT *) для довгострокового вдосконалення ґрунтової системи та підвищення сільськогосподарської ефективності наночастинок Se. 32

Цілі дослідження полягають у наступному: дослідження нульового валентного стану наночастинок Se, технологія наночастинок Se лазерної абляції при розробці води, експериментальне вивчення впливу наночастинок Se на ріст рослин та ефективне сільськогосподарське застосування наночастинок Se за допомогою BGT * методологія.

2. Результати та обговорення

2.1. Se Властивості наночастинок

(а) Функція розподілу маси частинок Se як функція часу лазерної фрагментації. Час фрагментації вказується біля кожної кривої розподілу, хв; (b) Вигляд ТЕМ наночастинок Se після лазерної фрагментації, шкала шкали 200 нм.

Картини рентгенівської дифракції наночастинок Se. (a) наночастинки Se, отримані безпосередньо після лазерної абляції і висушені при кімнатній температурі в атмосферному повітрі; (б) великі осілі частинки Se.

2.2. Вплив наночастинок на рослини

Вплив наночастинок Se при різних концентраціях на розвиток рослин вивчали за допомогою кліматичної камери. Було виявлено, що наночастинки Se не впливали дуже сильно на ріст рослини за незмінного штучного клімату протягом перших 10 днів органогенезу (рис. Рис. 3 3). Ріст рослини та середовище існування були дещо кращими з дозою наночастинок Se 10 мкг кг –1. Для більш повної оцінки ми розрахували поверхню листкової пластини рослини за допомогою програмного забезпечення Green Image. Найбільша різниця в показниках була зареєстрована в експерименті, проведеному на 30-й день після початку росту рослини. Площа поверхні листкової пластини рослини становила 30 ± 2 см 2 у контрольному варіанті експерименту. Площа листкової пластини рослин, вирощених при концентрації наночастинок Se 1 мкг кг –1, становила близько 32 ± 3 см 2, і відповідно площа пластинки листків для 5 мкг кг –1 становила 37 ± 2 см 2, 10 мкг кг –1 становила 38 ± 3 см 2, а 25 мкг кг –1 становило 28 ± 4 см 2 .

(a, b) Саджанці редьки (Raphanus sativus var. sativus) та (c, d) саджанці руколи (Eruca sativa), вирощені на інтактному ґрунті (варіант контролю, спочатку ліворуч); ґрунт із добавками наночастинок Se у концентраціях 1 мкг кг –1 (друга зліва); 5 мкг кг –1 (посередині); 10 мкг кг –1 (друга справа); і 25 мкг кг –1 (перший праворуч); (а, в) через 5 днів після посадки; (b, d) через 10 днів після посадки.

Саджанці редьки (Raphanus sativus var. Sativus) через 20 днів після посадки: (а) вирощені на недоторканому грунті; (b) вирощені на ґрунті з додаванням наночастинок Se у концентрації 1 мкг кг –1; (c) вирощені на ґрунті з додаванням наночастинок Se у концентрації 5 мкг кг –1; (d) вирощені на ґрунті з додаванням наночастинок Se у концентрації 10 мкг кг –1; та (e) вирощені на ґрунті з додаванням наночастинок Se у концентрації 25 мкг кг –1 .

Рослини, вирощені в інтактному ґрунті (праворуч) та у ґрунті, доповненому наночастинками Se у концентрації 10 мкг кг –1 (ліворуч) після теплового стресу. (а) баклажани (Solanum melongena); (b) огірок (C. sativus); (в) помідор (S. lycopersicum); та (d) перець чилі (C. annuum).

Наночастинки Se не впливали на розвиток перцю чилі порівняно з варіантом контролю після гіпертермії. Органогенез рослин був задовільним в обох варіантах. Ми також експериментували з саджанцями ячменю (Hordeum vulgare) та капусти (Brassica oleracea). Капуста не пережила гіпертермії в обох умовах, тобто вирощувалася на ґрунті з додаванням наночастинок Se у концентрації 10 мкг кг –1 та вирощувалась в необробленому ґрунті (варіант контролю). Лише кілька рослин ячменю (близько 10% від початкової кількості проростків) ряду вижили в ґрунті з наночастинками Se.

Після впливу гіпертермії баклажани, вирощені на ґрунті з додаванням наночастинок Se у концентрації 10 мкг кг –1, показали майже вдвічі більше площі листкової пластини рослини порівняно з площею листкової пластини рослини баклажанів, вирощеною в необробленому ґрунті. Подібні результати були отримані щодо площі поверхні листкової пластини рослин томатів. Площа поверхні листкової пластини рослини огірка, вирощеної з використанням наночастинок Se, зросла майже на 50% порівняно з експериментальним варіантом контролю. Прояв антиоксидантного потенціалу наночастинки Se може бути значним для підтримки органогенезу рослин при гіпертермії у варіантах експерименту, обговорених у параграфі.

2.3. Ефективність наночастинок у ґрунті

В нашому експерименті ми змішували наночастинки Se при мікрорівні ґрунтового гранулометричного складу з використанням форсованого ґрунту та розчину, що вводяться для перемішування ґрунту. Хороший контакт наночастинок Se та ґрунту забезпечив необхідний результат. У стандартній агрономічній практиці оранка чи інші процедури обробітку ґрунту не забезпечують формування агрегатної системи ґрунту, необхідної для належного функціонування наночастинок Se. Грунтові грудки мають поперечний розмір до 100 мм після стандартної оранки. 40 Таким чином, наночастинки Se потраплять у проміжки між великими грунтовими агрегатами і, таким чином, будуть виключені з активного біологічного процесу ґрунту.

Іншим занепокоєнням наночастинок Se, а також інших функцій наночастинок, HS та полімікробної біоплівки у стандартній структурі аграрних технологій є зволоження грунту. Загальновідомий факт, що вміст води у ґрунті повинен відповідати зростанню рослин та функціям наночастинок, HS, полімікробних біоплівки. Вміст води у ґрунті не повинен бути занадто високим, що запобігає вимиванню наночастинок та інших речовин у ґрунті. Однак стандартне зрошення не може вирішити це завдання, оскільки вологість грунту висока після стандартного поливу. Це визначає деградацію поверхні ґрунту та втрату води та речовини до пільгового потоку води від ґрунту до зони вадоз.

Наночастинки, що використовуються у сільському господарстві, мають важливе значення, це суворий контроль дозування та розподілу. І те, і інше неможливо за сучасних аграрних технологій. Таким чином, оцінка екологічного ризику застосування наночастинок у ґрунті та/або рослині (насінні) для рослин, тварин та людей визначається як висока. 41

Наночастинки Se є вираженим стимулятором низьких доз. Стандартне застосування добрива Se оцінюється як менш ефективне порівняно з наночастинками Se щодо біологічних процесів та врожайності в грунті та рослинах. Рецепт дозування наночастинок 42-44 вимагає обережності, оскільки надмірні дози наночастинок токсичні для рослин та грунту. 45 Дози наночастинок для позакореневого або ґрунтового застосування різняться через можливість сорбції ґрунту. 46 Рекомендована доза наночастинок Se становить приблизно 0,1–0,4 г га –1, 42,47, але ця доза, а також десятикратна і навіть у сто разів більша доза, не може бути забезпечена за допомогою стандартного сільськогосподарського обладнання. Таким чином, застосування наночастинок Se до польових культур можливе зараз лише на невеликих дослідних ділянках. 47 Ручне перемішування та нанесення на ґрунт та/або рослину (насіння) практикується за відсутності відповідної роботизованої системи.

Стабільність наночастинок у часі зазвичай вважається прийнятною. На наш погляд, ця точка зору є перебільшенням. Внаслідок важкого перетворення природного продукту наночастинки мають обмежений термін існування. Існує нагальна необхідність виробляти наночастинки безпосередньо перед їх внесенням у грунт та на рослини. На додаток до вищезазначених мотивів, це завдання забезпечує відповідний синтез роботизованої системи.

Вперше було показано синергетичну ефективність для наночастинок з нульовим валентним станом Se, і запропоновано нову процедуру застосування цієї речовини до ґрунту на основі методології BGT *. 32 Ця синергія забезпечить довгострокову родючість ґрунтової системи та високу стабільну продуктивність рослин. 53 Поліпшиться стан ґрунту, рослин та довкілля. 54-56

3. Наслідки дослідження та перспективи

У цій роботі показана розроблена технологія отримання наночастинок Se за допомогою лазерної абляції. Підготовлені наночастинки Se складались з нульового валентного Se і мали однаковий характерний розмір. Підготовлені наночастинки Se не суттєво впливають на розвиток рослин у порівняльних умовах. Підготовлені наночастинки Se ефективно вирівнювали несприятливий ефект гіпертермії в органогенезі розсади баклажанів, томатів та огірків. Підготовлена концентрація наночастинок Se 10 мкг кг –1 у ґрунті є найбільш ефективною для прояву антиоксидантного потенціалу наночастинок Se та покращення росту рослин. Методологія BGT * для внутрішньогрунтового подрібнення шару ґрунту 20–45 см для формування ґрунтової багаторівневої агрегатної системи та внутрішньогрунтового імпульсного безперервного поливу для контролю водного режиму ґрунту має перспективу для кращого функціонування наночастинок Se в реальному ґрунті. Це забезпечить синергетичний ефект механічної обробки грунту, наночастинок, HS та полімікробних біоплівки на родючість грунту.

4. Методи

4.1. Виробництво наночастинок селену

Наночастинки Se отримували у воді за допомогою процесу лазерної абляції. Для опромінення твердої мішені Se використовувались такі лазери: волоконний іттербієвий лазер з довжиною хвилі від 1060 до 1070 нм, частотою повторення імпульсу 20 кГц, тривалістю імпульсу 80 нс і середньою потужністю 20 Вт та мідним паровий лазер з довжинами хвиль 510,6 і 578,2 нм і середньою потужністю 8 Вт.

У першій серії досліджень ціль Se піддавалась лазерному опроміненню в середовищі з нерухомою водою.

У другій серії досліджень був використаний реактор з проточною коміркою. Цей тип реактора забезпечує щойно створене зменшення дії скринінгової наночастинки в процесі цільового лазерного опромінення. Швидкість генерування наночастинок Se становила близько 0,8 мг/хв у негазованій воді та 2,4 мг/хв у реакторі, що протікає. 57 Розмір генерованих наночастинок Se визначали за допомогою аналітичної вимірювальної центрифуги DC24000 (CPS Instruments). Морфологію наночастинок було отримано за допомогою TEM Carl Zeiss 200FE, що враховує спектроскопію втрат енергії електронів. Кристалічну структуру наночастинок визначали на рентгенівському дифрактометрі Bruker AXS P4.

4.2. Тести на рослинність

Водна суспензія наночастинок Se була внесена в грунт. Концентрація наночастинок Se в ґрунті становила близько 1, 5, 10 та 25 мкг кг –1. Для нанесення наночастинок Se в наднизьких дозах вихідний колоїдний розчин наночастинок розбавляли водою з отриманням дози 100 г розведеного розчину на кг ґрунту, висушуваного на повітрі при 22 ° C. Для цього в процесі розбавлення розчину застосовували примусове механічне перемішування ґрунту, додаючи ґрунт для досягнення рівномірного розподілу наночастинок у ґрунті. Експерименти проводили в кліматичній камері з використанням наступних процедур.

Рослини вирощують у ґрунті, імітуючи стандартні умови середовища органогенезу: освітленість 16 год на добу, температура 22 ° С, вологість ґрунту 25% ШДЕ і тривалість експерименту 30 днів.

Рослини вирощують у ґрунті в умовах мінливого органогенезу середовища. Стандартні умови навколишнього середовища протягом перших 10 днів такі: освітленість 16 годин на добу –1, температура 22 ° C і вологість ґрунту 25% SDW. Стрес рослини протягом 5 днів при гіпертермії 40 ° C. Стандартні умови навколишнього середовища на наступні 15 днів такі: освітленість 16 годин на добу –1, температура 22 ° C та вологість ґрунту 25% SDW. Передбачалося, що швидкість розвитку рослин під впливом стресу може зменшитися порівняно зі стандартними умовами органогенезу у другій серії експериментів. 58

Експериментованими видами рослин були редька (Raphanus sativus var. Sativus), рукола (Eruca sativa), баклажани (Solanum melongena), огірок (Cucumis sativus), помідор (Solanum lycopersicum) та перець чилі (Capsicum annuum). Саджанці рослин вирощували у рослинній посудині діаметром 6 см та висотою 10 см. Розрахунок площі листя саджанців рослин проводили за допомогою програмного забезпечення Green Image. 59