АГРОБИО ТЕХНИКА - растениевъдство, животновъдство, биоенергетикагодина VII, брой 3, 2019

Наноторове за повишаване на добивите

За постигане на висока ефективност в селскостопанското производство, през последните години се използват иновативни агробио-нанотехнологии. В растениевъдството използването на наноторове осигурява повишаване на добивите средно с 1,5–2 пъти на редица земеделски култури - зърнено-житни, зеленчукови, овощни, технически – картофи, памук, лен, и други. Ефектът се постига благодарение на по-активното проникване на биологично активните вещества и микроелементи в растението поради наноразмера на частиците, тяхната специална функционалност и комплексни свойства.
В тази статия на списание АгроБио Техника ще разкажем за приложението на нанотехнологиите в селското стопанство, за характеристиките на наноторовете, за бионаноторовете, за методите на приложение на наноторовете, за ефекта на бионаноторовете върху добива на растенията, за безвредността и безопасността на наноторовете.


Нанотехнологиите са сравнително нова научна област, която се появява през последната четвърт на изминалия век и сега се развива с бързи темпове. Благодарения на тях един след друг се появяват проекти, които преди няколко години изглеждаха фантастични. Нанотехнологията се отнася до научна област, която се занимава с много малки структури, обикновено средно под 100 нанометра. Един нанометър (Nm) e една милиардна част от метъра и е 10000 пъти по-малък от дебелината на човешкия косъм. Наноразмерните материали разкриват уникални свойства в сравнение с обикновените насипни материали и дори молекули. Редица свойства на материалите се променят с намаляването на размера на частиците. Това включва усъвършенствани техники за изучаване и подобряване на поведението на материалите. Разработване и производство на много фини прахови, течни или твърди материали, съдържащи частици с размер между 1 и 100nm, т.e. наночастици.

Все повече фирмите използват тези наночастици, за да придадат на своите продукти нови или подобрени свойства. В растениевъдството дълго време успешно се използват водоразтворими торове с микроелементи в хелатни форми. В сегашно време се говори за наноторове. Развитието на растенията се определя от различни биохимични реакции, които се задействат и ускоряват от специални протеини - ензими. Съставът на молекулите на повечето от тях съдържат микроелементи - мед, желязо, цинк, кобалт, манган, молибден, селен и др. Ако те не постъпват в растителните клетки, то не е възможен техния растеж и получаването на задоволителна реколта. Но не всички микроелементи - особено под формата на соли, могат да проникнат през клетъчната мембрана и да бъдат усвоени от растенията на 100%. Това принуждава да се произвежда много повече тор, отколкото растенията се нуждаят. Но наночастиците преминават през клетъчната мембрана на растенията безпрепятствено. Размерът на порите в защитната растителна обвивка е около 50nm. А наночастиците, варират между 1 и 100nm. Това означава, че 8 кислородни атома могат да се поберат в един нанометър. Свръхпропускливостта на наночастиците позволява да се осигури висок добив чрез използване на хранителни елементи не 10 пъти, а 200 пъти по-малко, отколкото най-добрите солеви и хелатни торове.

Наноторовете спомагат за дозирано постъпване в растителните клетки на микроелементи, необходими за синтеза на ензими, които ускоряват растежа и развитието на растенията, като образуват мощна коренова система. Те също повишават устойчивостта на растенията към стрес - ниска и висока температура, липса и излишък на влага, засоленост, химикали, болести и неприятели.

Приложение на нанотехнологиите в селското стопанство
Темповете на увеличаване на световното население през последните 10-15 години налага необходимостта от повишаване на селскостопанската продукция за задоволяване на хранителните нужди на стотици милиони хора. Повишаването на хранителния дефицит в почвите причинява значителни икономически загуби за фермерите и значително намаление на хранителните качества на зърното, използвано за храна. В наши дни, пред селскостопанските научни работници се явяват такива основни предизвикателства за решаване като намалени добиви, недостиг на почвени хранителни вещества и климатични промени.

Добивите от селскостопанската продукция могат да бъдат увеличени посредством използването на торове. Конвенционалните торове обикновено се прилагат посредством пулверизиране или разпръскване на голяма площ. Те предлагат хранителни вещества в химична форма, която не е напълно усвояема от растенията. Оценено е, че около 40-70% от азотното, 80-90% от фосфорното и 50-90% от калиевото съдържание на прилаганите торове се губи в средата и никога не достига до растението. Тези проблеми налагат повторната употреба на торове. Повтарящата се употреба на свой ред влияе неблагоприятно върху хранителния баланс на почвата и води до замърсяване на околната среда, засягащо нормалната флора и фауна, т.е. нарушава се минералния баланс на почвата и се намалява почвеното плодородие. Алтернатива на торенето с конвенционални химически торове са агро-нанотехнологиите. Иновативните нанотехнологии предлагат по-прецизни решения на създадените проблеми. Агро-нанотехнологията включва широки приложения като контрол на болестите по растенията, повишен прием на хранителни вещества, подобрения в растежа на растенията, както и забавено освобождаване на агрохимикали. Популярността на новата стратегия, базирана на наночастиците, нараства в селскостопанския сектор, като резултат на уникалните є възможности, сравнени с тези на био-пестицидите. Все по-голямо значение се отдава на следните є предимства: повишаване на добива, увеличаване на ефикасността в използването на ресурсите и намаляване на отпадъците. Наносензорите са направени от много специфично химично съединение, което позволява торът да бъде освободен в почвата, когато кореновата система на растението се нуждае от него.

По такъв начин, разработването на торове с контролирано освобождаване, на базата на нанотехнологиите, се явява ключов етап на екологически устойчиво селскостопанско производство. Прилагането на наночастици като носители за торове, водят до разработване на така наречените „умни торове“, които разкриват нови възможности за повишаване на ефективността на използване на хранителните вещества. Технологията за производство на наноторове е съвременна иновация.

Характеристики на наноторовете
Наночастиците са части от материята с големина до 100nm. Един нанометър (nm) е равен на десет милиардни от метъра и е 10 хиляди пъти по-малък от дебелината на човешкия косъм. Наночастиците имат различни химични и физични свойства. Те превъзхождат по разтворимост, ефективност, химическа активност и време за усвояване на същите субстанции, но с по-едри частици. При раздробяване на хранителните вещества до такива малки размери се концентрира голямо количество хранителни макро- и микроелементи в малкия обем на нанотора, който създава ефективност на вложените хранителни вещества - по-високи добиви при отглеждане на културите. Установено е, че този нанопродукт има отлична разтворимост, висока подвижност, ниска токсичност, стабилност и съвместимост с всички най-масово използвани продукти - третиране на семена с фунгициди и инсектициди. Така например, третирането на царевица с наночастици от титанов диоксид има значителен ефект върху растежа на културата, докато ефектът от традиционно третиране с титанов диоксид е незначителен. Титановите наночастици увеличават абсорбцията на светлина и предаването на фотоенергия.

При наноторовете хранителните вещества могат да бъдат капсулирани и покрити с тънък защитен филм или доставени като емулсии или наночастици. Покриването и свързването на наночастиците помага да се регулира отделянето на хранителни вещества от капсулата за тор. Така те осигуряват бавно, целенасочено и ефективно освобождаване на хранителни вещества, водещо до повишена ефективност на усвояването им. Създадените наночастици намаляват хроничния проблем със задържането на влага в сухите почви и подобряване на растителната продукция чрез увеличаване наличието на хранителни вещества в кореновата система. Така например, прилагането на нанокомпозитен продукт, състоящ се от азот, фосфор, калий, микроелементи, монозахарида - маноза и аминокиселини, повишава поглъщането и използването на хранителни вещества от зърненo-житни култури. За контролирано освобождаване на химични съединения, които действат като регулатори на растежа на растенията, също се използват натриеви двукомпонентни нанокомпозити от цинк и алуминий. Нанопорестият зеолит на базата на азотни торове, може да бъде използван като алтернативна стратегия за подобряване на ефективността при използването на азот в производството на растителни култури. Така конвенционални продукти, с помощта на нанотехнологиите, се превръщат в „интелигентни” торове. Наноструктурираният тор „интелигентно” контролира скоростта на освобождаване на хранителните вещества, за да съответства на модела на поглъщане от конкретна култура. Той подобрява разтворимостта и дисперсията на неразтворимите хранителни вещества в почвата, намалява абсорбцията и фиксирането в почвата, и увеличава ефективността на поглъщане на хранителните вещества. Аналитични методи показват, че въглеродните нанотръбички проникват в плътната семенна обвивка и поддържат поглъщането на вода вътре в семената - например при доматите.

Наноторовете се зареждат с хранителни вещества, най - често по някой от следните начини: абсорбция на наночастици, прикрепване към наночастици, свързани с лиганди, капсулиране в нанополимерна обвивка, улавяне в наночастици. Във връзка с тези методи е установено, че суспензии на наночастици на катионния полизахарид - хитозан, съдържащи азотни, фосфорни и калиеви торове, могат да бъдат полезни за земеделието. По същия начин, наночастици от фосфатния минерал - хидроксиапатит, модифицирани с карбамид, се използват за бавно и продължително освобождаване на азот по време на растежа на културите. Големият повърхностен слой на хидроксиапатита улеснява закрепването на голямо количество карбамид на повърхността му. Силното взаимодействие между наночастиците от хидроксиапатита и карбамида допринася за бавното и контролирано освобождаване на последния. Мезопорести наночастици, от 2 до 50nm, базирани на полимери, също осигуряват ефективна носеща система за агрохимични съединения. Мезопорести силициеви наночастици, с размери от 150nm, улавят карбамид и след това го освобождават по контролиран начин в почвата и водата. Ефективността на наноторовете и тяхното въздействие върху производството на растителни култури се влияе от метода на тяхното приложение.

Конвенционалните методи за получаване на метални наночастици като високи енергийни изисквания и високи производствени разходи, както и производството на токсични странични продукти, прави прилагането на такива подходи в голям мащаб много сложно.

Бионаноторове
Биотехнологичният синтез на наночастици има много предимства като използването на известни микробиологични технологии и процеси за увеличаване на добива от растителни култури. Използването на микроорганизми - бактерии, вируси, гъби, дрожди, водорасли и други като „био-нанопроизводство”, осигурява интелигентен алтернативен начин за синтез на метални наночастици. Биосинтезата на метални наночастици от такива микроорганизми е с ниска цена и представлява екологична технология. Тя зависи от условията на растеж на микроорганизмите продуценти - хранителните вещества, водородния показател рН, температурата и т.н. Наночастиците се получават главно чрез биоредукция, която се реализира чрез коензими, като никотинамид аденин динуклеотид хидрогеназа (NADH), никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADPH), флавин аденин динуклеотид (FAD) и други. Установено е, че синтезата на наночастици с помощта на цели гъбни клетки е много по-евтина в сравнение с тази при използване на пречистени ензими от същия гъбен щам. Използването на голям брой прокариотни и еукариотни микроорганизми, води до синтезата на широка гама от метални наночастици като златни, сребърни, оловни, платинени, медни, железни, кадмиеви и метални оксиди - титанов оксид, цинков оксид и други. Тези микроорганизми осигуряват разнообразни условия за производството на наночастици. Изработените наночастици са много полезни, безопасни и екологосъобразни с много приложения.

В селското стопанство наночастиците, най-широко използвани като биологични фактори, са тези от мед, желязо, сребро и злато. Бъдещите предизвикателства в това отношение включват оптимална биосинтеза на наночастици с определен размер и форма, както и оптимална продължителност на ферментационния процес за повишаване на тяхната стабилност.

Методи на приложение на наноторовете
Методите за приложение на наноторовете са почвено и листно. При листното приложение течните торове директно се впръскват върху листата за снабдяване на растението с микроелементи. Така се намалява периода между прилагане и приемане от растението по време на бързото му нарастване. Преодолява се проблема с ограниченото приемане на хранителни вещества от почвата. Листното прилагане е агрономическо предимство, тъй като в приемането на хранителни вещества участват основно клетки на порите - устицата на листния епидермис. Недостатъци на метода са необходимостта от нормативно стандартизиране на пръскането, за да се избегне увреждането на листата - ако торът се прилага в неправилна концентрация, както и ограничение във времето на пръскане в определени часове от деня - сутрин и вечер, тъй като устицата са отворени само по това време.

При директното доставяне в почвата се поставят изисквания като подбор на времето за циркулиране на тора в почвата, специално внимание към структурата, солеността на почвата, чувствителността на растенията към засоляване, рН на почвата. Отрицателно заредените почвени частици влияят на адсорбцията на минерални вещества - обменът на аниони на повечето селскостопански почви е малък в сравнение с този на катионите. Сред анионите, нитратният анион остава подвижен в почвения разтвор и е податлив на изнасяне с вода. Фосфатният анион се свързва с почвените частици, съдържащи алуминий или желязо поради факта, че положително заредените железни и алуминиеви катиони обменят хидроксилни групи с фосфатите, което води до здраво свързване на последните, чиято подвижност и наличност в почвата може да ограничи растежа на растенията. Директното поставяне в почвата е най-често прилаганият метод за доставяне на хранителни вещества с помощта на химически или органични торове.

С развитието на агро-нанотехнологиите сега се произвеждат наноторове от важни за физиологията на растенията метали, които се използват като „системи за интелигентно доставяне”. Целта е да се намалят загубите на хранителни вещества и да се увеличи поглъщането им в растителните клетки. Със „системите за интелигентно доставяне”, се осъществява специализирано насочване на многофункционалните характеристики на наночастиците в растенията. В тях се включват специфичните свойства на наноторовете - тяхната висока повърхностна площ, сорбционен капацитет и кинетика на контролирано освобождаване към целеви места.

Ефект на био-наноторовете върху добива на растенията
Установено е, че наночастиците, прилагани в контролирани и безопасни ниски дози, допринасят за стимулиране на растежа и повишаване на добива на растенията от 30 до 200% в зависимост от културата. Био-наноторовете - течност или под формата на гранули, стимулират биохимичните процеси по време на поникването на семената и образуването на корени. Ускоряването на биохимичните реакции води до увеличаване на производството на феноли, флавоноиди, антоцианини, антиоксидантни ензими и други биологично активни вещества в растенията, защитаващи клетките от разрушителните ефекти на радикалите. В резултат се формира добре развита коренова система, проникваща в дълбоките слоеве на почвата. След това се увеличава повърхността на листата, което осигурява база за фотосинтеза, допринасяща за интензивния растеж на зелена растителна маса. В резултат на това, био-наноторовете увеличават устойчивостта към неблагоприятни климатични фактори (суша, ниски температури), увеличават добива, ускоряват узряването на плодовете, а също така подобряват тяхното качество, увеличават съдържанието на протеини, захари, витамини и намаляват количеството на нитратите и нитритите.

Обработката на листата също стимулира растежа и развитието на растенията. Комплексната обработка позволява да се увеличи добива и качеството на земеделските култури. Например в зърнените култури се увеличава съдържанието на глутен, увеличава се и броя на зърната в класа. В захарното цвекло се ускорява растежът и развитието, съкръщава се вегетационния период, нараства добивът и съдържанието на захар в кореноплодните култури. В допълнение към подчертано стимулиращия ефект на био-наноторовете, се облекчава и стреса при растенията по време на обработката им с пестициди. При листно третиране, признаци на стимулиране се появяват в рамките на няколко часа, като стимулиращият растежа ефект продължава 2 месеца.

Необходими са вегетационни обработки, за да се засили и укрепи стимулиращият ефект при третирането на семената. Въпреки това, дори едно третиране с био-нанотор по време на вегетацията на растенията, може да има значителен ефект и резултат. За зеленчуковите култури, захарното цвекло и царевицата, решаващо значение има третирането на листата. От голямо значение е времето за обработка, тъй като листните обработки, извършвани във физиологично важните фази от развитието на растенията, имат голям ефект. Така био-наноторовете се използват за комплексно третиране на растения - от обработката на семена или посадъчен материал до обработката на вегетиращи растения.

Безвредност и безопасност на наноторовете
Всички водещи агрохимически компании като Syngenta, Bayer CropScience, BASF и други, понастоящем, провеждат изследвания в областта на нанотехнологиите за разработване на продукти за използване в селското стопанство. Следователно в бъдеще наноматериалите ще се използват директно в агро-промишлените екосистеми. Някои продукти вече са на западноевропейския пазар.

За сега няма регистрирана човешка болест, пряко свързана с употребата на наночастици. Наночастиците могат да влизат в тялото на хора или животни по орален, респираторен или интрадермален път. В момента има общоприето предположение, че малкият размер на наночастиците им позволява лесно да влизат в тъканите, клетките и органите, и да взаимодействат с функционалните биомолекулни структури, т.е. ДНК, рибозоми, тъй като реалният физически размер на конструираните наноструктури е подобен на много биологични молекули, например антитела, протеини и структури-вируси.

Хетерогенният и развиващ се характер на нанотехнологиите прави оценката на риска доста субективна. Липсата на стандартизирани методологии и насоки затруднява сравняването на оценките за безопасност в храните от различни изследователски групи. Най-вероятно е различните видове наночастици да се различават по отношение на токсикологичните им свойства. Оценката на риска от наночастици трябва да се извършва за всеки отделен случай. Това означава физико-химично характеризиране на наночастиците, тяхната стабилност в храните и фуражите, и токсикокинетиката - абсорбция, разпределение, метаболизъм.

Още нанотехнологии
В бъдеще все повече ще се говори за различни видове нанотехнологии във всички сфери на икономиката. Дейността, свързана с нанотехнологиите и технологиите в областта на материалите и производството се очаква да има голямо социално-икономическо значение.

Затова и в предстоящите броеве на списание АгроБио Техника, освен при наторяването и подхранването на растенията, ще представим материали за приложението на нанотехнологиите при продуктите за растителна защита, при сеитбените технологии, в животновъдството и т.н. В днешно време например учените разработват ново направление на нанотехнологиите, което може да направи революция в селското стопанство - нанопестициди. От направените проучвания, се е установило, че нанопестицидите имат редица преимущества, включващи повишена стабилност на добива и устойчивост на селскостопанските култури към болести и неприятели. С намаляването на конвенционалните пестициди до наноразмери се дава възможност да се намали количеството на използваните в селското стопанство химикали.