Застосування колоїдного розчину наночастинок молібдену як засобу регуляції утворення бульбочок рослин нуту (cicer arietinum l.)

Реферат: Застосування колоїдного розчину наночасток молібдену як засобу регуляції утворення бульбочок на корінні рослин нуту (Cicer arietinum L.). UA 87042 U (12) UA 87042 U UA 87042 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до рослинництва і є новітнім ефективним заходом у агротехнології вирощування нуту в умовах України шляхом підвищення бульбочкоутворення колоїдним розчином наночастинок молібдену. Нут, однорічна рослина родини бобових, широко розповсюджена у країнах з субтропічним і тропічним кліматом - Індії, Пакистані, Туреччині, Ірані, Австралії, ряді країн Африки тощо. Вирощування нуту в помірному кліматі можливе, але із значними втратами урожайності. Серед зернобобових культур нут відрізняє висока поживна цінність останнього, вміст вітамінів та інших біологічно цінних речовин, що в свою чергу обумовлює високий попит на зерно даної культури, що використовується як для продовольчих, так і кормових цілей. Стійкість до високих температур, та глобальні зміни клімату, створили сприятливі умови для формування високого врожаю нуту і все більше привертають увагу виробників сільськогосподарської продукції України. Рослини нуту є посухостійкими та здатні до біологічної фіксації молекулярного азоту атмосфери за рахунок утворення симбіотичних взаємовідносин із азотфіксувальними мікроорганізмами, що не лише забезпечує потреби рослин у азоті, але й привносить його в ґрунт. За сприятливих погодних умов і на достатньому агрофоні врожайність нуту може становити 2,5-4,2 т/га. В той же час зниження врожаю за несприятливих умов вирощування (посуха тощо) є рентабельним для виробників. Посівні площі нуту в Україні (станом на 2012 рік) становлять майже 100 тис. га, і продовжують зростати. Незважаючи на ряд переваг, існують певні проблеми вирощування нуту, які виражаються збільшенням захворюваності рослин та зменшенням урожайності. В той же час більшість біотехнологій розроблені для південних регіонів, і не дають бажаного ефекту для зони Полісся і Лісостепу. Саме тому необхідною вважається є розробка біотехнології вирощування нуту, яка б дозволяла підвищити урожайність та знизити ураженість даної культури хворобами. На ряду із традиційними біотехнологічними препаратами, в останні роки у світі активно використовують препарати нового покоління на основі біологічно активних металів у формі нанорозчинів. Існують попередні висновки про позитивний вплив даних препаратів на урожайність та стійкість рослин до несприятливих факторів довкілля. На відміну від препаратів, що містять мікроелементи у вигляді солей, препарати, на основі колоїдних розчинів металів, нетоксичні і мають на рослину пролонговану дію, за рахунок поступового включення у біохімічні процеси. Це особливо важливо при вирощуванні рослин на проблемних ґрунтах, тобто ґрунтах, в яких необхідні для рослин мінеральні елементи знаходяться в недоступній формі, що призводить до пригнічення росту і падіння врожайності. У рослинництві застосування препаратів на основі колоїдних розчинів металів, як мікродобрив, забезпечує підвищення стійкості до несприятливих факторів довкілля і збільшення врожайності продовольчих культур (картопля, зернові, овочеві тощо) і технічних культур [Лопатько К.Г., Афтанділянц Є.Г., Каленська С.М., Тонха О.Л. - Патент України № 38459 від 12.01.2009]. Ефект при цьому досягається завдяки активному проникненню елементів у рослину за рахунок нанорозміру часточок та їхнього нейтрального (в електрохімічному сенсі) статусу, що забезпечується утворенням аквахелатів наночасток із молекулами води, що її оточують. В основу корисної моделі поставлена задача створення технології регуляції бульбочкоутворення у рослин нуту Cicer arietinum L. за використання передпосівної обробки насіння колоїдним розчином наночастинок молібдену. Поставлена задача вирішується шляхом застосування колоїдного розчину наночастинок молібдену як засобу регуляції утворення бульбочок на корінні рослин нуту (Cicer arietinum L.) та подальшої передпосівної обробки ним насіння рослин нуту окремо, або у комбінації із мікробним препаратом Ризобофіт. Колоїдний розчин молібдену отримують за рахунок електроіскрового диспергування металу імпульсами електричного струму з амплітудою 100-2000 А у воді [Лопатько К.Г., Афтанділянц Є.Г., Каленська С.М., Тонха О.Л. - Патент на винахід № 38459 від 12.01.2009]. Препарат Ризобофіт є зареєстрованою торговою маркою і включено до Переліку пестицидів та агрохімікатів, дозволених до використання в Україні (посвідчення про державну реєстрацію серія А № 01663). Норми витрат препарату колоїдного розчину наночасток молібдену становить 1 літр робочого розчину із розрахунку на одну тонну насіння, що відповідає концентрації металу 8 мг/л. Норми витрату Ризобофіту згідно з рекомендаціями виробника становлять 200 г препарату 6 на 1,2 л води на гектарну норму висіву насіння, що відповідає 10 концентрації бактерій із розрахунку на одну насінину. Слід зазначити, що за даними розробників [Лопатько К.Г., Афтанділянц Є.Г., Каленська С.М., Тонха О.Л. - Патент України № 38459 від 12.01.2009] маточний колоїдний розчин металів, 1 UA 87042 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 що містить водний розчин наночастинок молібдену характеризується тим, що розмір наночастинок молібдену складає від 100 нм до 250 нм. Використання колоїдного розчину наночастинок молібдену в сільськогосподарській практиці є безпечним для людини, тварин та ґрунтової мікрофлори. Регуляція бульбочкоутворення нуту досягається за рахунок активізації "агрономічно цінної" ризосферної мікрофлори, стимулювання процесів фотосинтезу та накопичення біомаси рослин, а також підвищення антиоксидантного захисту рослин нуту. Дані, що підтверджують отримання статистично достовірного результату наведені у прикладах, що подані нижче. Приклад 1 Вплив колоїдного розчину молібдену на чисельність основних фізіологічних груп мікроорганізмів у ризосферному ґрунті нуту досліджували в стаціонарному досліді кафедри рослинництва Агрономічної дослідної станції Національного університету біоресурсів та природокористування України (с. Пшеничне) на чорноземах типових малогумусних крупнопилувато-легкосуглинкових. Інокуляцію насіння нуту проводили за 1-2 години до висіву. Для цього насіння зволожували водою (2 % від маси) - контроль або водною суспензією препарату ризобофіт, досліджувані зразки оброблювали відповідно препаратом колоїдного розчину наночастинок Мо окремо та разом із ризобофітом. Схема досліду: 1 - Контроль (обробка водою); 2 - Колоїдний розчин наночастинок молібдену, 8 мг/л; 6 3 - Ризобофіт, 10 ; 6 4 - Ризобофіт, 10 + колоїдний розчин наночастинок молібдену, 8 мг/л. Результати представлені у таблиці 1, 2. Отримані дані характеризують динаміку чисельності мікроорганізмів ґрунту. Кількість мікроорганізмів нітрифікаторів у варіанті з нанорозчином молібдену у фазу сходів була більшою, ніж у контролі на 75,2 %, а при комплексному застосування ризобофіту та колоїдного розчину наночастинок Мо більш ніж у 2 рази. У фазу цвітіння у варіанті із колоїдним розчином наночастинок Мо, кількість нітрифікуючих мікроорганізмів зростала на 115 %, а при сумісному застосуванні - на 35 %. За передпосівної обробки насіння нуту колоїдним розчином наночастинок молібдену, чисельність оліготрофів перевищувала значення контролю на 94 %, а у фазу цвітінні у 3,2 разу. Сумісне застосування нанорозчину молібдену із ризобофітом також позитивно впливало на кількість оліготрофів у фазу цвітіння. Так кількість оліготрофів збільшувалась у 2,9 разу у порівнянні із контрольним варіантом, проте у фазу сходів спостерігали зниження кількості мікроорганізмів на 54 % порівняно із контролем. При застосуванні нанобіотехнологій кількість фосфатмобілізувальних бактерій у фазу сходів в 1,2 разу, а при сумісному застосуванні на 96 % перевищувала контроль. У фазу цвітіння кількість фосфатмобілізувальних мікроорганізмів була незначна. Так, в контрольному варіанті та у рослин, оброблених колоїдним розчином наночастинок молібдену їх виявлено не було, і лише у варіантах, де проводилась обробка препаратом ризобофіт, їх кількість була в межах 4, 58 та 2,25 млн. КУО на 1 г а.с.г. Вивчаючи зміни в чисельності целюлозоруйнівних мікроорганізмів, у варіанті із використанням наночастинок Мо виявлено, що кількість целюлозоруйнівних бактерій і грибів збільшувалась на 21 %, а при сумісному застосуванні нанорозчину молібдену із ризобофітом на 39 % порівняно із контролем у фазу сходів. У фазу цвітіння кількість даних мікроорганізмів стабільно збільшувалась у варіантах із застосуванням наночастинок. Кількість целюлозоруйнівних бактерій при застосуванні нанорозчину молібдену була більшою порівняно з контролем у 1,6 разу, а при сумісному застосуванні - на 31,5 %. 50 2 UA 87042 U Таблиця 1 Розвиток ґрунтових мікроорганізмів різних еколого-функціональних груп в кореневій зоні рослин нуту Cicer arietinum L. за передпосівної обробки насіння колоїдним розчином наночастинок молібдену, мікробним препаратом ризобофіт та їх комбінацією (фаза появи сходів) НітриСпоВаОліготфікато- роутворіант рофи ри рюючі №1 №2 №3 №4 25,23± 4,59± 32,88± 1,26 0,23 1,64 43,82± 14,85± 63,87± 2,19 0,74 3,19 22,64± 7,20± 54,88± 1,13 0,36 2,74 57,10± 16,53± 15,03± 2,86 0,83 0,75 Кількість мікроорганізмів, млн. КУО/1 г а.с.г М/о, що АмоніНітриутилізують ПедоАктинофікафікаорганічні трофи міцети тори тори форми азоту 19,12± 10,71± 3,06± 31,35± 5,35± 0,96 0,54 0,15 1,57 0,27 11,14± 14,85± 7,43± 65,35± 4,46± 0,56 0,74 0,37 3,27 0,22 22,64± 17,15± 2,06± 65,17± 4,12± 1,13 0,86 0,10 3,26 0,21 38,32± 6,01± 11,27± 62,36± 7,51± 1,92 0,30 0,56 3,12 0,38 Азотобактер 16,06± 0,80 36,39± 1,82 34,30± 1,72 31,56± 1,58 Фосфат- Целюмобілілозозатори руйнуючі 9,18± 0,46 11,14± 0,56 13,03± 0,65 12,77± 0,64 25,23± 1,26 43,82± 2,19 22,64± 1,13 57,10± 2,86 Таблиця 2 Розвиток ґрунтових мікроорганізмів різних еколого-функціональних груп в кореневій зоні рослин нуту Сісеr arietinum L. за передпосівної обробки насіння колоїдним розчином молібдену, мікробним препаратом ризобофіт та їх комбінацією (фаза цвітіння). Варіант №1 №2 №3 №4 5 10 15 20 Нітрифікатори Спороутворюючі Оліготрофи 6,68± 8,91± 5,94± 0,33 0,45 0,30 14,41± 4,12± 25,38± 0,72 0,21 1,27 24,47± 15,29± 0,76±0,04 1,22 0,76 9,02± 0,75± 23,29± 0,45 0,04 1,16 Кількість мікроорганізмів, млн. КУО/1 г а.с.г М/о, що утиліАмоніНітри- Акти- зують ПедоАзотофікафіканооргатрофи бактер тори тори міцети нічні форми азоту 8,91± 3,71± 31,93± 3,71± 1,49± 0 0,45 0,19 1,60 0,19 0,07 8,23± 66,54± 38,42± 5,49± 9,60± 6,86± 0,41 3,33 1,92 0,27 0,48 0,34 19,12± 33,65± 56,59± 8,41± 3,06± 1,53± 0,96 1,68 2,83 0,42 0,15 0,08 8,26± 122,47± 48,84± 6,01± 11,27± 6,01± 0,41 6,12 2,44 0,30 0,56 0,30 Фосфатмобiлізатори 0 0 4,59± 0,23 2,25± 0,11 Целюлозоруйнуючі 14,85± 0,74 39,79± 1,99 52,00± 2,60 19,53± 0,98 Загальна кількість амоніфікаторів збільшувалася у варіанті з використанням колоїдного розчину наночастинок Мо - на 0,5 %, при сумісному використанні - в 2 рази у порівнянні із контролем, а у фазу цвітіння істотно не змінювалась. Кількісна характеристика амоніфікаторів та педотрофів також дозволяє стверджувати про зростання представників цих груп. Стосовно мікроорганізмів, що використовують для своєї життєдіяльності мінеральні форми азоту, то відбувається збільшення мікроорганізмів даної групи у 2-2,5 разу у варіантах із використанням нанорозчину молібдену. У фазу цвітіння дана тенденція зберігається. Кількість актиноміцетів за умов застосування колоїдного розчину наночастинок Мо була в 1,4-2,7 разу більше, ніж у контролі. У фазу цвітіння ці показники перевищували контрольні на 48 % - 61 %. Кількість спороутворюючих мікроорганізмів змінювалась залежно від фази. Так у фазу сходів обробка нанорозчином молібдену сприяла збільшенню кількості спороутворюючих мікроорганізмів у 2,2-2,6 разу, а у фазу цвітіння навпаки - зменшенню на 53 % - 91 % порівняно із контролем. Щодо кількості мікроскопічних грибів у варіантах із застосуванням колоїдного розчину наночастинок Мо, то на початку вегетації (фаза сходів) їх кількість перевищувала контрольні 3 UA 87042 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 значення на 84 %, а у фазу цвітіння - у 3,1 разу. Сумісне застосування колоїдного розчину наночастинок молібдену із ризобофітом також позитивно впливало на кількість мікроміцетівів у фазу цвітіння. Так їх кількість збільшувалась на 52,9 % у порівнянні із контролем у фазу цвітіння і на 20 % у фазу сходів порівняно із контролем. Мікробіологічні дослідження ґрунту показали, що найбільш оптимальною системою передпосівної інокуляції насіння нуту є застосування нанорозчину молібдену у дозі 8 мг/л разом із мікробним препаратом ризобофітом. Саме таке співвідношення мікробіологічних добрив та колоїдного розчину наночастинок Мо сприяє активному розвитку "агрономічно цінної" мікрофлори. Приклад 2 Дослідження спрямованості мікробіологічних процесів у ґрунті дозволяє зробити більш глибокий аналіз змін у структурі ґрунтово-біотичного комплексу. Спрямованість мікробіологічних процесів визначали за допомогою коефіцієнта мінералізації, який дає можливість охарактеризувати напруженість мінералізаційних процесів та індексу оліготрофності, що характеризує ступінь оліготрофності мікробних ценозів. Схема досліду і умови проведення описані в Прикладі 1. Напруженість мінералізаційних процесів зростала в варіантах використанням колоїдного розчину наночастинок молібдену. Слід зазначити, що така закономірність спостерігалась в обох варіантах застосування нанорозчину молібдену (3,93-1,94). Напруженість мінералізаційних процесів знижувалася у фазу цвітіння, проте даний показник у експериментальних варіантах перевищував подібний у контролі (1,75-1,35) (фіг. 1). Оліготрофність ґрунтів в варіанті поєднання нанорозчину молібдену та ризобофіту була мінімальною (0,16), що свідчить про формування оптимальних умов для функціонування ґрунтового мікробоценозу. На цьому фоні дуже несподіваним є значне збільшення кількості оліготрофної мікрофлори, яка розвивається за рахунок мінімальної кількості органічної речовини і притаманна останнім стадіям її мінералізації. Так, коефіцієнт оліготрофності ґрунту у фазу цвітіння збільшився в 2 рази і становив 1,35. Дворазове збільшення коефіцієнта оліготрофності відображує ці зміни у структурі мікробного ценозу ґрунту. Агросистема з застосуванням колоїдного розчину наночастинок Мо, сприяла збільшенню практично усіх угруповань в 2-3 рази відносно контролю, насамперед, за рахунок бактерій, що засвоюють мінеральний азот, асоціативних азотфіксаторів та оліготрофів. Про це також свідчать розраховані показники мінералізації та оліготрофності (фіг. 2). Застосування нанорозчину молібдену в поєднанні з бактеріальними добривами позитивно вплинуло на показник трансформації органічної речовини, який збільшився в 3 рази порівняно з контролем; мінералізаційні процеси за цих умов посилювалися, показник оліготрофності також зростав, що свідчить про покращення трофічного режиму ґрунту. Цю закономірність можна вважати справедливою для усіх досліджуваних зразків ґрунту. Приклад 3 Рослини родини бобових здатні до утворення симбіотичних систем з азотфіксувальними ризобіальними мікроорганізмами. Процес становлення бобово-ризобіального симбіозу охоплює низку послідовних етапів від адсорбції бактеріальних клітин на поверхні кореневих волосків і інфікування до утворення особливих симбіотичних форм - бактероїдів. У зрілих бактероїдах синтезується складний ферментний комплекс - нітрогеназа, який каталізує відновлення молекулярного азоту атмосфери. Даний комплекс складається з двох ферментів: власне нітрогенази (званої також Mo-Fe-білком або динітрогеназою) і дегідрогенази (Fe-білок). До складу кофактора Mo-Fe-білка входять 2 атоми молібдену, що зумовило актуальність вивчення впливу колоїдного розчину даного металу на бульбочкоутворення - центральної ланки бобоворизобіального симбіозу, що забезпечує необхідні умови для формування і функціонування ферментного комплексу і азофіксувального апарату в цілому. Схема досліду і умови проведення описані в Прикладі 1. Найбільш сприятливі умови для бульбочкових бактерій були відмічені у варіанті із використанням колоїдного розчину наночастинок Мо у комплексі із препаратом ризобофіт. При одночасній обробці насіння цими препаратами кількість бульбочок на рослині більш ніж у 4 рази перевищувала даний показник у контрольному варіанті. Обробка нанорозчином молібдену дозволила збільшити кількість бульбочок у 2 рази. В той час як обробка мікробним препаратом ризобофіт суттєво не впливала на кількість бульбочок на рослині (табл. 3). Слід зазначити, що на більшості рослин контрольних варіантів зовсім не розвивались бульбочки на коріннях. 4 UA 87042 U Таблиця 3 Кількість бульбочок, утворених на коренях нуту Варіант Контроль Ризобофіт Колоїдний розчин наночастинок Мо Ризобофіт + колоїдний розчин наночастинок Мо 5 10 Кількість бульбочок, одиниць/рослину 0,6±0,03 3,3±0,0165 6,7±0,033 12,8±0,064 Приклад 4 Стійкість рослин до ураження фітопатогенами залежить від багатьох чинників, серед яких утворення активних форм кисню (АФК) є однією з найменш специфічних реакцій живих організмів. Завдяки АФК рослина може знищити патоген шляхом окислювального вибуху і в результаті реакції надчутливості сформувати навколо нього зону з мертвих рослинних клітин, насичених антимікробними з'єднаннями. За регуляцію та генерацію АФК, відповідають ферменти оксидредуктаз. Каталаза є одним із ключових ферментів антиоксидантного захисту рослин. При дослідженні каталазної активності рослин нуту встановлено, що колоїдний розчин Мо в широкому діапазоні концентрацій підвищує активність даного ферменту більш ніж у 2 рази, порівняно із контролем (табл. 4), що стверджує про перспективність використання даного розчину як перспективного індуктора антиоксидантної активності рослин нуту, що може сприяти підвищенню їхньої стійкості до фітопатогенів. 15 Таблиця 4 Вплив колоїдного розчину молібдену на каталазну активність рослин нуту Варіант Контроль Концентрація, М Каталазна активність, мкмоль/мг білка 0,47±0,0235 0,91±0,0455 1,23±0,25 1,23±0,25 0,92±0,046 -4 Колоїдний розчин наночастинок Мо 20 25 30 10 -6 10 -8 10 -10 10 Таким чином, в результаті інтродукції комплексу колоїдного розчину наночастинок молібдену та мікробного препарату ризобофіт, як засобу регуляції утворення бульбочок на корінні рослин нуту (Cicer arietinum L.), приводить до активізації «агрономічно цінної» мікрофлори, позитивних змін у спрямованості мікробіологічних процесів у ґрунті та підвищення антиоксидантного захисту рослин нуту (Cicer arietinum L.). Норми витрат препарату колоїдного розчину наночасток молібдену становлять 1 літр робочого розчину із розрахунку на одну тонну насіння, що відповідає концентрації металу 8 мг/л. Норми витрату ризобофіту згідно з рекомендаціями виробника становлять 200 г препарату на 1,2 л води на гектарну норму висіву насіння, що відповідає 106 концентрації бактерій із розрахунку на одну насінину. Застосування колоїдного розчину наночасток молібдену як засобу регуляції утворення бульбочок на корінні рослин нуту (Cicer arietinum L.) є унікальним не лише для України, а в загальносвітовій практиці вирощування даної культури. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Застосування колоїдного розчину наночасток молібдену як засобу регуляції утворення бульбочок на корінні рослин нуту (Cicer arietinum L.). 5 UA 87042 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6