Массалимов И. А., Ахметшин Б. С., Мустафин А. Г., Буркитбаев М. М., Уракаев Ф. X. Антифунгальные свойства наночастиц серы и ее значение в современном растениеводстве // Принципы экологии. 2022. № 1. С. 74–81. DOI: 10.15393/j1.art.2022.8922

Выпуск № 1

Оригинальные исследования

pdf-версия статьи

502.1; 546.22

Антифунгальные свойства наночастиц серы и ее значение в современном растениеводстве

Введение

 В настоящее время в развитых странах стратегия развития сельского хозяйства предполагает совершенствование и внедрение интегрированных систем земледелия, включающих в себя широкое применение химических средств в виде минеральных удобрений, пестицидов, стимуляторов роста растений. Указанной стратегии в целом придерживаются все страны, озабоченные собственной продовольственной независимостью, а также межгосударственные и общественные организации, принимающие во внимание демографические проблемы мира и проблему голода в развивающихся странах. Ежегодное сокращение посевных площадей и большие потери в результате воздействия вредных организмов приводят к увеличению затрат на производство продуктов питания и, как следствие, повышению себестоимости продукции, что немаловажно на фоне быстрого роста населения, по большей части в развивающихся странах.

Напряженная ситуация в области обеспечения населения планеты продуктами питания привела к тому, что в большинстве развитых и развивающихся стран применяется огромное количество удобрений, средств защиты растений, т. к. использование химических препаратов – это наиболее экономичный способ получения высокого урожая. Согласно исследованиям Н. Н. Мельникова (1987), И. В. Горбачева с соавторами (2002) и В. А. Чекереса (Агроэкология..., 2004), химические средства защиты растений (пестициды) выпускаются химической промышленностью и отпускаются потребителям по сравнительно невысоким ценам, что обуславливает высокую окупаемость их применения и ставит их на первый план при ведении сельского хозяйства. Пестициды снижают затраты на борьбу с сорняками, способствуют повышению урожая сельскохозяйственных культур. Химические средства защиты растений по объему применения занимают большое место и имеют много преимуществ, особенно с точки зрения экономической целесообразности. Однако наряду с достоинствами следует отметить и их недостатки, прежде всего токсичность для теплокровных животных и человека. Резкое возрастание объемов использования гербицидов, инсектицидов, десикантов привело к значительному загрязнению окружающей среды. В связи с необходимостью обеспечения безопасности применения химических препаратов для человека и окружающей среды возрастают требования к качеству таких препаратов, возникает необходимость разработки и внедрения новых, более технологичных и безопасных способов их применения. Согласно исследованиям Н. Н. Мельникова с соавторами (1977), пестициды должны обладать следующими свойствами: малой острой и хронической токсичностью для человека и животных; умеренной персистентностью и способностью разлагаться в течение одного вегетационного периода во внешней среде; высокой технической и экономической эффективностью, удобством применения, хранения и транспортировки; селективностью по отношению к полезным организмам.  

С этой точки зрения элементная сера имеет большие перспективы применения в качестве экологически безопасного препарата, особенно в связи с развитием нанотехнологий. Элементная сера и ее соединения играют важную роль в жизни человека на протяжении многих лет. Уже на заре цивилизации использовались бактерицидные (серные мази) и фунгицидные (при обработке виноградной лозы тонко измельченным порошком) свойства серы. Механизм действия препаратов серы заключается в том, что сера, взаимодействуя с органическими веществами, образует сульфиды и пентатионовую кислоту, обладающие противомикробной и противопаразитарной активностью. Кроме того, при высоких температурах молекулы серы постепенно испаряются и создают антигрибковую атмосферу, т. к. сами обладают фунгицидным воздействием. 

В большинстве случаев сера применялась в виде микронизированного порошка, например, наиболее распространенными препаративными формами в СССР, а теперь и в России являются препараты в виде смачивающегося порошка, изготовленные согласно ТУ-113-04-232-86 (Технические условия..., 1986). В работе И. А. Массалимова с соавторами (2013) установлен высокий потенциал применения серы в качестве экологически безопасного фунгицида, особенно при ее использовании в наноформе. В данной работе мы представляем результаты исследования антифунгальных свойств серы в двух формах: в виде порошков микрочастиц и наночастиц. Эффективность препаратов на основе серы можно установить, лишь сравнивая их с антифунгальными характеристиками других препаратов. Поэтому наряду с измерением антифунгальных свойств серы были измерены аналогичные характеристики ряда неорганических и органических веществ. В первую очередь мы сравнили эффективность препаратов на основе микро- и наносеры с тремя хорошо известными и широко применяемыми в качестве средства защиты растений: тетраметилтиурамдисульфидом, тебуконазолом и карбендазимом. Мы также измерили антифунгальные характеристики следующих неорганических веществ: элементарное серебро в виде наночастиц и ионов, а также представитель неорганических пероксидов CaO₂, обладающий, согласно И. И. Вольнову (1980), ярко выраженными антифунгальными свойствами.

Материалы

Для исследований использованы наночастицы серы со средним размером 20 нм и микронные частицы со средним размером 70 мкм, физико-химические свойства и способы получения описаны И. А. Массалимовым с соавторами (2014). В качестве еще двух неорганических препаратов дисперсии использовали наночастицы серебра со средним размером 25 нм и частицы экологически безопасного соединения – пероксида кальция (CaO₂) со средним размером 20 мкм. Проведены исследования трех хорошо известных органических препаратов в качестве средств защиты растений – тетраметилтиурамдисульфида (ТМТД), тебуконазола и карбендазима. В работе использованы тебуконазол (C₄H₂₂ClN₃O), который хорошо известен и широко применяется в сельском хозяйстве в качестве системного фунгицида из класса триазолов, обладающий защитным, лечебным и искореняющим действием. Другим препаратом является карбендазим (C₉H₉N₃O₂) из группы производных бензимидазола, который обладает длительным защитным эффектом. ТМТД (С₆Н₁₂N₂S₄) относится к стойким контактным пестицидам, не проникающим в растения или семена и подавляющим прорастание спор или начальный рост.

 

Методы

 Фунгицидная активность веществ и соединений проверялась путем учета полной задержки роста – минимальной подавляющей концентрации в отношении тест-культур грибов на плотной среде Сабуро, содержащей исследуемые препараты. Мы вносили порошкообразные препараты в расплавленную среду Сабуро (селективная) в различных концентрациях, затем полученную смесь разливали по 20 мл в чашки Петри и равномерно перемешивали вплоть до полимеризации среды. После полимеризации (застывания) на среды с препаратами и контрольные среды (без добавления веществ) высевали тест-культуры грибов и инкубировали при 25 ^оС. Результаты регистрировали ежедневно визуально по наличию роста типичных колоний грибов согласно прописи, представленной в работе П. Н. Кашкина, Н. Д. Шеклакова (1978). 

Результаты

Эффективность действия препарата зависит от равномерности распределения его по поверхности растений. Препарат на основе наночастиц серы получали химическим осаждением из 1 % раствора полисульфида кальция на подложки, при этих концентрациях сера с размером 20 нм используется в качестве фунгицида. Нанесенная дисперсия высыхала при комнатной температуре, далее рассматривались поверхности, покрытые частицами серы, и анализировалась их адгезия на поверхности путем промывания водой, моделируя тем самым процессы смывания с поверхности растений частиц дождем. Исследование распределения наночастиц серы на поверхности растений показало равномерное распределение и хорошую адгезию к поверхности.

На рис. 1а приведено изображение листа и распределение частиц серы на поверхности 3б, увеличенное в 40 раз. Видно, что дисперсия равномерно распределяется по поверхности, и, как показали эксперименты, после высыхания частицы серы крепко связаны с поверхностью, не смываются водой. А это важная характеристика препарата, т. к., однажды нанесенный на поверхность растения (листья и стебли), он остается на поверхности и защищает растение от болезней и вредителей. Этот фактор существенно увеличивает эффективность препарата.

 

                         

                                               а                                                                б

 Рис. 1. Изображение листа, обработанного наночастицами серы (а), и распределение частиц на поверхности (б)

Fig. 1. Image of a leaf treated with sulfur nanoparticles (a) and distribution of particles on the surface (б)

 

На рис. 2 приведены изображения необработанных (а) и обработанных (б) клеток растения, видно, каким образом частицы серы распределены по поверхности клеток. Благодаря малому размеру наночастиц серы они располагаются между клетками и образовывают агломераты, размер клеток растения составляет 10–15 мкм. Эффективность и универсальность антифунгального действия наночастиц серы доказана в исследовании И. А. Массалимова с соавторами (2018). На рис. 2б наночастицы серы, постепенно испаряясь, создают стерильную атмосферу, т. к. молекулы серы сами обладают фунгицидным воздействием, поэтому наночастицы серы являются высокоэффективным фунгицидом и акарицидом, согласно исследованиям W. M. Goodwin, H. Martin (1928). А частицы серы, которые «втиснуты» в пространство между клетками и лежат в глубине, идут на питание растениям.

                       

                                                                                                              а                                                                   б

Рис. 2. Изображение клеток листа, необработанного дисперсией из наночастиц серы (а), и клеток листа обработанного  (б)

 Fig. 2. Image of cells of a leaf untreated by dispersion of sulfur nanoparticles (a) and that of a treated leaf  (б)

 

В таблице представлены результаты измерения антифунгальной активности вышеприведенных пяти видов неорганических веществ, обладающих антигрибковой активностью. Эти вещества представлены серой в двух формах  (микронизированном (средний размер частиц 70 мкм) и наночастичном (средний размер частиц 20 нм) состояниях), серебром в виде наночастиц размер 25 нм и пероксида кальция размером 20 мкм. Также представлены данные для тебуконазола, который хорошо известен и широко применяется в сельском хозяйстве в качестве системного фунгицида из класса триазолов, он обладает защитным, лечебным и искореняющим действием, средний размер частиц 5 мкм. Приведены результаты для карбендазима (C₉H₉N₃O₂, БМК), который также обладает длительным защитным эффектом из группы производных бензимидазола (средний размер частиц 3 мкм), и для тетраметилтиурамдисульфида (ТМТД).

 

Сравнительная фунгицидная активность препаратов

Грибы			Полное угнетение роста (мг/мл)
	Sm (мкм)	Sn (нм)		Ag (нм)	CaO2 (мкм)	Тебуко- назол (мкм)	Карбендазим (мкм)	ТМТД (мкм)
Саndida а1bicans	200	20		25	5	0.3	4	2
Аspergillus niger	250	20		25	5	0.4	6	3
Penicillium  notatum	200	15		25	5	0.4	6	3
Trichophyton mentagrophytes var. granulosum	150	10		25	5	0.4	10	5
Trichophyton rubrum	200	10		25	5	0.3	10	8
Microsporum canis	200	10		25	5	0.5	10	8
Alternaria alternata	400	10		25	5	0.4	8	6
Fusarium graminearum	400	20		25	5	0.3	6	6

 

 Данные, полученные для частиц серы, указывают на универсальность их воздействия на все изученные штаммы патогенных грибов. Установлено, что для концентрации наночастиц серы 20 мг/мл рост всех представленных в таблице видов патогенных микроорганизмов полностью подавляется, для трех грибов достаточно меньшей концентрации.  

Обсуждение

Из данных, приведенных в таблице, также понятно, что применение наночастиц серы взамен микронных частиц снижает критическую концентрацию в 20–30 раз, это означает, что наночастицы серы эффективнее, чем микрочастицы, и применять их нужно в значительно меньших дозах. Сравнение данных для наночастиц серебра для разных видов штаммов показывает, что они одинаково успешно действуют на все виды микроорганизмов и концентрация препарата, равная 25 мг/мл, полностью подавляет рост колонии. Наиболее эффективным из класса неорганических препаратов является пероксид кальция, все виды патогенных микроорганизмов подавляются им при концентрации препарата 5 мг/мл. Из традиционных органических препаратов наиболее эффективным является тебуконазол, который широко применяется в качестве фунгицида в растениеводстве, концентрации препарата в количестве 0.3–0.4 мг/мл достаточно для уничтожения колоний всех микроорганизмов. Карбендазим в 10–30 раз менее эффективен по сравнению с тебуконазолом. По своим антифунгальным свойствам ТМТД находится между карбендазимом и тебуконазолом.

При рассмотрении эффективности воздействия препаратов на растения нужно учитывать не только их антифунгальные и рострегулирующие свойства, но также их воздействие на окружающую среду. Наночастицы серебра нашли свое основное применение в медицине, микрочастицы пероксида кальция очень эффективны и безопасны, в растениеводстве нашли применение как протравители семян, особенно эффективны в анаэробных условиях, например при прорастании семян риса. В этом отношении препараты на основе серы не имеют себе равных, т. к. являются экологически безопасными, кроме того, наряду с фунгицидными свойствами они проявляют и свойства стимулятора роста, как показано И. А. Массалимовым с соавторами (2013). В то же время все препараты (ТМТД, карбендазим и тебуконазол) представляют опасность для окружающей среды. Например, карбендазим, хотя и относится к классу малоопасных препаратов, согласно данным Всемирной организации здравоохранения, токсичен для печени, влияет на репродуктивную систему и считается потенциально канцерогенным соединением. Он нарушает гормональную систему организма и может вызывать раковые заболевания. Тебуконазол относится ко 2-му классу опасности, для млекопитающих этот препарат среднетоксичен, не влияет на численность полезной флоры и фауны, но нельзя допускать его попадания в водоемы. ТМТД относится к ядохимикатам средней токсичности, свойства его в основном связаны с угнетающим действием на окислительно-восстановительные ферментные системы, установлено, что он вызывает, например, у птиц угнетение тканевого дыхания, нарушение углеводного обмена, что приводит к усилению гликолитических процессов в организме, раздражает кожу и дыхательные пути. Очень токсичен для водных организмов, может оказывать долговременное негативное воздействие в водной среде.

Заключение

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

1. Все  препараты подавляют развитие патогенных организмов в разной степени, диапазон критических концентраций варьируется от 0.3 до 400 мг/мл для микронных частиц серы;
2. Использование препаратов на основе серы приводит к подавлению всех исследованных патогенных организмов, а применение ее в виде наночастиц со средним размером 20 нм увеличивает антифунгальную эффективность многократно по сравнению с данными для микронной серы; серу осажденную из полисульфидного раствора можно рекомендовать для обработки растений;
3. Сравнение действия двух видов наночастиц элементарных неорганических веществ серы и серебра размерами в 20 нм и 25 нм указывает, что во всех случаях эффективность наночастиц серы выше, чем наночастиц серебра;
4. Максимальным антифунгальным воздействием обладает тебуконазол, который широко применяется в качестве средства защиты растений, но является токсичным препаратом;
5. Высокие антифунгальные свойства проявляет экологически безопасный пероксид кальция, его можно рекомендовать в качестве протравителя семян и антифунгального средства при длительном хранении овощей и фруктов;
6. Для снижения пестицидной нагрузки на окружающую среду в будущем рекомендуется использовать смеси, в которых токсичные препараты должны быть заменены частично либо полностью безопасными и эффективными, например, такими, как наночастицы серы;
7. Наночастицы серы проявляют также ярко выраженные свойства стимулятора роста растений при протравливании семян, а при обработке пшеницы на стадии вегетации способствуют увеличению урожая и содержания белка в зерне, как показано в работе (Kaya et al., 2018). 

Таким образом, смеси веществ, в микроформе которых есть токсичные препараты, должны быть заменены частично или полностью безопасными и эффективными, например, такими, как наночастицы серы или пероксид кальция.

Библиография