О физико-химической модели экологически чистых биостимуляторов роста растений Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

О ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОИ МОДЕЛИ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ БИОСТИМУЛЯТОРОВ РОСТА РАСТЕНИЙ Абдраков Б.К.1, Кашкынбаева Л.Б.2, Толтаева Б.С.3

1Абдраков Бекет Кыдыралиевич - кандидат медицинских наук, доцент;

2Кашкынбаева Лайла Башановна - магистр биологии;

3Толтаева Бахыт Сергалиевна - магистр биологии, кафедра биологии, Таразский государственный педагогический университет, г. Тараз, Республика Казахстан

Аннотация: работа посвящена поиску синтеза новых биостимулирующих препаратов, на основе имеющегося и применяемого на сегодняшний день в Казахстане «Акпинола». Нами синтезированы аналоги данного препарата, которые способствует повышению урожайности сахарной свеклы на 20 -30% и увелечению сахаристости на 0,9 - 1%.

Ключевые слова: акпинол, ситез, стимулятор, роста растений, биостимулятор, экологический, сахарная свекла.

В последние десятилетия за рубежом (и в России), наряду с традиционным применением, для защиты сельскохозяственных культур, растениеводческой отрасли биостимуляторов роста и урожайности растений, а также качества выпускаемой продукции. На основе всестороннего изучения, исследования биологических действий их получения значительные научно-экспериментальные и производстенные результаты, данные по ускорению роста различных растений, их корнеобразования, цветения, по повышению устойчивости против выхода и качества продукции [1, 2].

В Казахстане в середине 70-х годов в результате новых (фундаментальных) науно-исследовательских работ в области биологически активных соединений зав. лабороторией гербицидов ИХН АН КазССР Е.Н. Азербаевым с сотрудниками впервые была показана возможность создания и синтеза биологически активных, ростовых веществ на основе ацетиленовых производных диаминогликолей гетероциклического ряда [3].

Практическим завершением многолетних систематических работ названной лаборатории (зав. лаб. доктор хим. наук, проф. К.Б. Ержанов) в этом важном направлении и является биостимулятор роста растений «Акпинол», представляющей собой смесь дигидрохлоридов изомеров 1,4-бис (1,2,5триметил-4-гидроксил-пипередил-4) -бутадиина - 1,3 следующего строения:

+ /-\ /ОН НО./-Ч +

Н Н _

Это хорошо растворимое в воде кристаллическое малотоксичное вещество. Включено в список препаратов, разрешенных для применения в сельском хозяйстве. Опытно -производственные проверки эффективности «Акпинола» проводились в Белоруссии, Молдавии, Волгоградской, Московкой, Алма-Атинской и Талды-Курганской областях, особенно они были развернуты на юге Казахстана - в Жамбылской области группой специалистов Таразского государственного педагогического института (профессора Б.К. Абдракова и др.) в 1980-1986гг, а затем в 1992-1997 гг, 2000-2009 гг, и 2010-2018 гг.

В результате совместных с лабораторией профессора К.Б. Ержанова работ и публикаций значительные научные и трудовые вклады в исследовании их свойств «Акпинола» и практическое опытное изучение его на посевах сахарной свеклы и кукурузы Жамбылского региона в последнее десятилетие были вложены нами [4, 5, 6, 10.] Опытно-производственные испытания, внедренческие работы, проведенные в хозяйствах: Колхоз им. Ленина Меркенского района, МП «Сертико» г. Тараза однозначно показали экологическую безвредность, технологическую простоту и приемлемость препарата, следствием которых оказались ранние всходы, увеличение степени произрастания и повышения урожая сахарной свеклы и кукурузы. При этом урожай сахарной свеклы увеличился на 25-30% по сравнению с контрольным участком (т.е. на 50-60 ц/га), сахаристость - на 1,0-1,5%, а кукурузы - на 28-30%, т.е. на 8-9ц/га. Одной из положительных сторон этих работ оказался наш выбор в пользу вегетационной обработки растений и отказ от ранее практиковавшегося биостимулирования - путем намачивания семян раствором «Акпинола», причины которого нами полнее описываются в разработанном нами «Техническом описании и инструкции применения биостимулятора роста урожайности растений «Акпинол».

Следует отметить, что, кроме «Акпинола», на рост стимулируюшие свойства вышеуказанной лабораторией были синтезированы и испытаны большое количество и других соединений (в т.ч. «Фоспинол»), однако они не нашли широкого применения. Арсенал отечественных биостимуляторов роста и урожайности растений невелик «Акпинол» как активный и проверенный препарат, пока еще остается в единственном числе.

При всех вышеупомянутых, достоинствах и отечественном приоритете «Акпинола», как активного биогенного вещества, химический синтез его сопряжен с большими трудностями из-за многостадийности получения, сложностей внутрисхемных превращений, малодоступности исходных продуктов, ввиду необходимости использования вредных для здоровья, огне и взрывоопасных материалов (ацетилен, эфир, соединение ртути, метиламин). Не описывая все сложности и синтетические приемы работ, приводили лишь перечень основных стадий получения «Акпинола»:

- получение винилацетилена из ацетилена;

- конденсация винилацетилена с ацетоном с получением диэтилвинилэтинилкарбинола;

- дегидратация карбинола с винилизопропенилацетилен;

- получение гамма-пиперидона циклизацией пропенилизопропенилкетона с метиламином в автоклаве;

- взаимодействие ацетилена с пиперидином с получением аминоацетиленового спирта;

- димеризация пиперидола в «Акпинол», превращение его в хлористоводородную соль.

Не хватает выхода промежуточных продуктов реакций, снижаются по каждым стадийным переходом.

Таким образом, ситуация с единственным отечественным препаратом "Акпинол" с наступлением и усугублением кризисных моментов, на сегодня становится непростой; из-за вышеуказанных присутствующих трудностей, выпуск «Акпинола» промышленно, в потребном количестве, до сих пор не могут наладить в Казахстане, На стадии массового внедрения его хозяйствам не хватает, поэтому промышленное внедрение «Акпинола», в том числе и нами, носит, в основном, эпизодический характер, на основе прежних наработок лаборатории биоактивных соединений Института химических наук МОН РК и наших небольших запасов. В ходе внедрения в производство биостимулятора (включая 2001 г.) нами установлено, что в дальнейшем основной акцент в подходе к кардинальному решению проблемы биостимулирования растений необходимо обосновать на глубоком анализе,

6

выявлении зависимости свойства «Акпинола» от его строения изучения процессов, происходящих на клеточном уровне живых организмов и создании общей физико-химической модели таких медиаторов и в конечном итоге, на предложении модельно-простых, доступных по и исходному сырью, аналогов «Акпинола» отличающихся от него, возможностью реального промышленного выпуска в ближайшее время не будет.

Общепринято, что, приступая к синтезу новых биологически активных соединений, ожидая от них проявления каких-то полезных, присутствующих им свойств, необходимо аналитически обозреть все известные и научно обосновать заранее, в качестве принципа выбора направления исследований, химическую формулу (структуру; состав) получаемых веществ, в наибольшей степени, преемственно соответствующую результатам известных работ, в рассматриваемой области знания. Ставя перед собой цели и задачи расширения спектра и разнообразия отечественных биостимуляторов, облегчения путей достижения (в т.ч. скрининга опытных исследований) и выпуска наиболее эффективных препаратов, впервые среди исследователей, создавая общую физико-химическую модель таких медиаторов клетки, мы учли, основываясь на следующих сведениях и своих прикладных подходах к ним:

Харкевичем Д.А. с сотрудниками [7] широкомасштабно исследованы строение и свойства, механизм воздействия на животный организм около 50 ганглиоблокирующих (типа кураре) веществ. При этом, экспериментально выявлено, что для наибольшего биогенного воздействия на рецепторные группы клеточных мембран в формуле активанта необходимо:

- наличие двух иониевых (положительно заряженных) центров; лучшие, если, ими будут аммониевые, причем с окружением азота метильными или этильными группами:

- оптимальное расстояние между иониевыми (аммонии катионными) центрами -13-14 А°, что соответствует цепочке из 10-12 углеродных или других атомов. В этом промежутке состав строение цепочки имеют второстепенное значение и могут быть самыми разнообразными, однако желательно присутствие жесткой (линейного, плоскостного) середины, например, ненасыщенная связь (этиленовая, ацетиленовая, бензольная, дикетонная);

- область цепочки вблизи иониевых (катионных) центров должна быть достаточна гибкой лучше алифатической, для прочного контакта иониевых головок с рецепторами клеточной мембраны: наибольшие эффекты проявляют бис-четвертичные аммониевые группы, кватернизированные йодистым метилом.

Изученные Харкевичем Д.А. биогенные вещества, например, парамион, диплацин, декаметоний, дитилин, анатруксоний, циклобутонний, d- тубокурарин хлорид, Bzevidil Е, JmbretiВС-16, дихолиновые эфиры фталевых кислот (в виде йоддиметилатов) и многие другие, часть которых уже давно вошли в медицинскую практику [8], принцпиально мало чем отличаются по строению от известных биостимуляторов. Рассматриваемые медицинские препараты с «Акпинолом» по структуре совпадают почти полностью за исключением того, что в последнем два аммонийных центра представлены в виде обычных хлористоводородных солей: причем, при том же расстоянии (13-14А) и наличии жестколинейной диацетиленовой связи в середине. Такая, почти одноклассная аналогия находит на мысль о том, что в механизмах взаимодействия медиатор-рецептор на клеточно-субклеточном уровне растительного и животного организмов имеется явный параллелизм, за исключением того, что в растениях, в отличие от животных, нервные клетки отсутствуют.

Допуская на основании обобщения и других многочисленных примеров, известных фактов подобия, описанных В.Л. Кретовичем [9] схожесть процессов, происходящих на клетках растительного и животного организмов при мединации фармакологическими препаратами и биостимуляторами растений, исходя из основательных работ Харкевича Д.А. [7] в смежной области, мы приходим к

7

заключению, что наибольшую медиаторную (в т.ч. ростовую) активность проявят соединения, которые по своему строению и структуре отвечают вышеуказанным требованиям. Результатом такого подхода, предположения, со значительным приближением к истине может быть предлагаемая нами общая физико-химическая модель биостимуляторов (ФХМБ), которая для проявления максимума стимулирующих качеств должна содержать как минимум: -двухаммониевых (катионных) головок расположенных на расстоянии 13-14А (10-12 разделяющих атомов): -жесткую середину (ненасыщенная связь, бензольное кольцо и др.):

- окружение азота из метильных или этильных по доступности групп;

- гибкую структуру приазотистых групп.

Прямым доказательством правильности суждения является строение биостимулятора «Акпинола», имеющего две катионные головки, цепочки жесткой диацетиленовой середины. Справедливо и обратное заключение о достоверности данных. Испытаний по многолетнему (кропотливому) практическому отбору «Акпинол». Структурная схожесть синтетических медиаторов живых клеток, в т. ч. «Акпинол» с природным медиатором «Холин», присутствие его в значительных количествах и в растениях, также, хотя косвенно, свидетельствует о наличии в растительных клетках (в области мембран) холинореактивных субстратов, отвечающих за обмен веществ через мембрану клетки. Вероятно, расстоянии между этими субстратами, видимо, носящие отрицательные заряды, равно 13-14А, что приводят их блокаде (или активации) только и преимущественно двухкатионными соединениями, соответствующими ФХМБ (например как «Акпинол»). Вместе с тем, из вышесказанного вытекает, что согласно, химической модели, вовсе не обязательно получать малодоступные, дорогостоящие пиперидины, и проводить вредные, взрывоопасные ацетиленовые (диацетиленовые) синтезы, а достаточно иметь любую линейную структуру, максимально соответствующую ФХМБ на основе простых синтезов и наиболее доступных (даже из отходов) веществ; например, бисдиалкиламиноуксусного эфира двухатомных фенолов:

о О

+

+

и Н

* 2С1"

или продуктов реакций фталевых кислот с диалкиламиноэтанолом:

О О

+ _ || +

Ы-СН^СНг-О-С-^ Ч>-С-СН2-СН2-|С; ' Н J

*2СГ

Н

5-терефталилхолин (в виде йодметилата) проявляет высокую биогенную активность в качестве миорелаксанта: то же самое относится и к сукцинилхолину (четвертичная соль) нашедшему применение в медицинской практике под названием «Дитилин» [7]. В этой же работе отмечется низкая курареактивность биспиперидиновых, особенно дийодметилатов. Авторы обнаружили и обратный эффект, заключающийся в том, что дигидрохлорид продукта реакций янтарной кислоты с диаметилэтаноламином («Акпинол»-дигидрохлорид), показывает выраженную миоблокирующую активность, а это также свидетельствует о схожести процессов, происходящих в растительных и животных организмах, на уровне клеточных мембран.

В настоящее время нами, для практического подтверждения ФХМБ. синтезирован доступный продукт этой модели, исходя из диметилового эфира терефталевой кислоты и диметиламиноэтанола. Определены его физико-химические характеристики, показатели всхожести, энергии произрастания некоторых культур (пшеница в т.ч.) при воздействии синтезированного вещества. Нами подробно рассматриваются технологические приемы его очистки и выделения из водной фазы (без применения органических растворителей), а также возможности его авторской защиты по способу получения к применению в качестве биостимулятора растения.

Резюмируя вышеизложенное, необходимо особо подчеркнуть, что изучение и создание ФХМБ не только открывают путь к синтезу и выпуску экономически и технологически выгодных, эффективных биостимуляторов, но также при тонком разнообразии и систематическом, как в [7] исследовании, расширяет и может углубить в дальнейшем наши биохимические знания, представления о составе и структуре клеточного уровня растений, о механизме и кинетике проявления ростовых, обменных процессов, происходящих в них.

Список литературы

1. Никелл П.Дж. Регуляторы роста растений, применение в сельском хозяйстве. Пер с англ. В.И. Кефели. М Колос, 1984. С. 182.

2. Баскаков Ю.А. Новые синтетические гербициды и регуляторы роста растений // ВХО им. Д.И. Менделеева, 1988. Т. 33. № 6. С. 61-640.

3. Азербаев Е.Н. Ержанов К.Б. Антонов В. и др. Поиск новых химических регуляторов роста растений. Тезисы докл. Научно-тех.совещ.«Химические регуляторы в растениеводство». М. Колос, 1975. С. 33.

4. Абдраков Б.К. и др. Исследования влияния препарата «Акпинол» на сахаристость и урожайность сахарной свеклы в условиях Жамбылской области. Сб. «Депонирование научных работ», КазНИНТИ Алматы. Вып. 2, 1996. С. 45-46.

5. Абдраков Б.К. и др. Использование «Акпинола и его производных» на посевах сахарной свеклы. Журнал «Жаршы». Алматы. Вып. 5, 1998.

6. Абдраков Б.К. и др. Использование биостимулятора «Акпинола» на посевах кукурузы. Журнал «Жаршы». Алматы. Вып. 9, 1998. С. 59-62.

7. Харкевич Д.А. Фармакология курареподобных средств. М. Медицина, 1970.

8. Мащковский М.Д. Лекарственные средства. Пособие по фармакотерапии. 1 ч. Изд. 8-е перераб, доп. М.: Медицина, 1977.

9. Кретович В.Л. Биохимия растений. М.: Высшая школа, 1986.

10. Ержанов К.Б., Абдарков Б.К. и др. Эффективность стимулятора роста растений КН-2 (Акпинол-альфа на уражай и сахаристость сахарой свеклы). Международный журнал прикладных фундаментальных исследований. № 12, 2018.