CC BY
28
УДК / UDC 631.8
ПОЛИМЕРНЫЕ СУБСТРАТЫ ДЛЯ ВЫСЕВА СЕМЯН СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР
POLYMER SUBSTRATES FOR SOWING SEEDS OF AGRICULTURAL CROPS
Тертышная Ю.В.*, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Tertyshnaya Yu.V.*, Candidate of Chemical Sciences, Senior Researcher ФГБУН Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук, Москва, Россия Emanuel Institute of Biochemical Physics of Russian Academy of Sciences,
Moscow, Russia ФГБОУ ВО «Российский экономический университет
имени Г.В. Плеханова», Москва, Россия Plekhanov Russian University of Economics, Moscow, Russia Скороходова A.H., кандидат биологических наук, старший преподаватель Skorokhodova A.N., Candidate of Biological Sciences, Senior Lecturer ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева», Москва, Россия Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Russian Timiryazev State Agrarian University", Moscow, Russia
*E-mail: yersinia@bk.ru
Работа посвящена актуальному направлению: созданию инновационных материалов и технологий для современного сельского хозяйства. Представлены результаты эксперимента по высеву семян базилика фиолетового (Purple Ruffles), на полимерные субстраты, которые были помещены в контейнеры с почвой на полный процесс вегетации. Полимерные субстраты - нетканые волокнистые материалы получены из биодеградируемого полилактида и натурального каучука, взятых в разных соотношениях. Изучаемые полимеры являются экологичными и разрушаются в условиях окружающей среды без образования токсичных отходов. Весь процесс вегетации базилика фиолетового (Purple Ruffles) протекал в условиях фитотрона. Показано увеличение всхожести семян базилика фиолетового, проросших на полимерных субстратах, по сравнению с контролем. Всхожесть в контрольном образце составила 68%, при использовании полимерных субстратов - от 72% и выше в зависимости от соотношения полимеров. Масса одного растения, высота надземной части, оказались больше в среднем в 1,7 раза у растений базилика, выросших на полимерных субстратах, чем в контрольном образце. Длина корней тоже увеличилась на 1,5-2 см. Наблюдаемый эффект, вероятно, связан с биодеградацией полимерного субстрата в почве за счет действия влаги и микроорганизмов (бактерий, плесневых грибов), вследствие чего образуются низкомолекулярные соединения, являющиеся питательной средой для растений базилика.
Ключевые слова: базилик фиолетовый, всхожесть, биометрические характеристики, полилактид, полимерный субстрат.
The work is devoted to the current direction: the creation of innovative materials and technologies for modern agriculture. The results of an experiment on sowing seeds of Purple basil (Purple Ruffles) on polymer substrates that were placed in containers with soil for the full vegetation process are presented. Polymer substrates - nonwoven fibrous materials are obtained from biodegradable polylactide and natural rubber taken in different ratios. The studied polymers are environmentally friendly and are destroyed in the environmental conditions without the formation of toxic waste. The entire vegetation process of Purple basil (Purple Ruffles) took place under phytotron conditions. An increase in the germination of purple basil seeds sprouted on polymer substrates was shown compared to the control group. The germination in the control sample was 68%, with the use of polymer substrates - from 72% and higher, depending on the ratio of polymers. The mass of one plant, the height of the aboveground part, turned out to be 1.5 times higher on average in basil plants grown on polymer substrates than in the control sample. The length of the roots also increased by 1.5-2 cm. The observed effect is probably associated with
the biodegradation of the polymer substrate in the soil due to the action of moisture and microorganisms (bacteria, mold), resulting in the formation of low-molecular compounds that are a nutrient medium for the basil plants.
Key words: purple basil, germination, biometric characteristics, polylactide, polymer substrate.
Введение. Современные тенденции, ориентированные на защиту окружающей среды и «зеленые» биотехнологии, обусловливают все более широкое применение биоразрушаемых материалов в агросекторе [1-3]. Это особенно актуально для растениеводства, в котором используют материалы, значительная часть которых попадает в почву непосредственно в процессе их использования, минуя стадии сбора, сортировки и переработки.
Применение «умных» функциональных полимерных субстратов для выращивания сельскохозяйственных культур, особенно в селекции, где используется наиболее дорогой и ценный семенной материал, способствует развитию области эффективного растениеводства страны.
Полилактид термопластичный полимер, получаемый из возобновляемых источников сырья: отходов зернового, свекловичного производства (рис. 1) [4].
Молочная —>Сахар->Ферментация —* кислота
I
Производство мономеров
I
Лактид Ф
Модификация ^_ПМК <_ Производство
полимеров полимеров
Рисунок 1 - Схема получения полилактида и изделий из него
Полилактид (ПЛА) совместим с организмом человека, хорошо подвергается гидролитической деградации не только в дистиллированной воде, но и других средах [5, 6]. Однако у него есть недостаток - низкая эластичность [7]. Для улучшения физико-механических свойств в матрицу ПЛА вводят различные типы наполнителей или полимеры других классов [8-10]. В этой работе используется натуральный каучук, смешение с которым позволит улучшить эластичность ПЛА, расширить сферу применения полимерного материала, а также сохранить способность к разрушению в окружающей среде, свойственной для ПЛА.
Возможность использования экологичных материалов в сельском хозяйстве активно изучается. Авторы [11] предложили 2-х слойный волокнистый субстрат для выращивания растений на основе биодеградируемого полимера. В работе [12] показано положительное влияние полимерного субстрата на рост и развитие растений пшеницы, однако в качестве добавки, улучшающей эластичность биодеградируемого полимера, применялся синтетический каучук, что является недостатком с точки зрения вопросов экологии.
В данном исследовании авторы постарались избежать недостатков, связанных со свойствами материала, а в качестве биологического объекта был выбран базилик фиолетовый (Purple Ruffles), как одна из самых популярных пряных культур в России.
Цель работы - определение эффективности воздействия полимерного субстрата на всхожесть семян базилика фиолетового, рост и развитие вегетативных органов растений в условиях фитотрона.
Условия, материалы и методы. В качестве объекта исследования применялись семена базилика фиолетового (Purple Ruffles), производитель ООО «Агрофирма Аэлита» (Россия).
Временной период, в который определяли всхожесть семян, соответствовал ГОСТ 12038-84. Высев семян осуществляли следующим образом. В одинаковые емкости помещали по 200±20 г почвогрунта марки «Почвогрунт Кева для Овощей», pH 5,5-7,0 (ООО Гера), на котором с заглублением 10-15 мм размещали образцы нетканых материалов размером 65^65 мм, равномерно раскладывали на них семена базилика, присыпали слоем увлажненного почвогрунта. Емкости помещали в фитотрон (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Россия) при температуре 20±2°С и поддерживали грунт во влажном состоянии без добавления каких-либо удобрений. Всхожесть семян определяли на 10-й день после высева, полный цикл вегетации составлял 60 дней, по завершении которого растения извлекали из почвы, а образцы нетканого материала после промывания и высушивания использовали для дальнейших исследований.
Повторность опыта- трехкратная. В процессе вегетации растений базилика фиолетового в климатической камере проводились:
- фенологические наблюдения за всходами, ростом и развитием растений в различные фазы их вегетации;
- оценка биометрических показателей морфологических органов растений.
Контрольным образцом служил контейнер с почвой, в которую высеяли
семена базилика фиолетового без использования полимерного субстрата.
В работе использовали полилактид марки 4032D производства компании Nature works (США) со среднечисловой молекулярной массой 1,7*105 г/моль, плотностью 1,24 г/см3, и натуральный каучук (НК) марки SVR-3L (Вьетнам) из которых методом электроформования из раствора были получены нетканые волокнистые материалы на основе полилактида и натурального каучука, с содержанием НК: 5, 10 и 15 мас.% по методике, описанной в работе [13].
Влияние полимерного субстрата на морфологические органы растений оценивалось по измерениям массы растений, высоты стеблей, длины корней.
Микрофотографии волокнистых материалов получали с помощью оптического поляризационного микроскопа Olympus CX43 (Япония).
Для статистической обработки данных использовали программное обеспечение Statistica 8.0 (Dell Software Inc., США) и Microsoft Excel 2007. Результаты экспериментов представлены в виде средней арифметической величины (X) и ее стандартной ошибки (x).
Результаты и обсуждение. На рисунке 2 можно видеть растения базилика, выросшие на полимерных субстратах и без них (контроль). Все растения имели яркую окраску, характерную для сорта, и не имели признаков фитозаболеваний.
Рисунок 2 - Базилик фиолетовый (Purple Ruffles) на 21-й день вегетации
В таблице 1 приведены данные по всхожести семян изучаемой культуры в условиях фитотрона.
Таблица 1 - Всхожесть семян базилика овощного фиолетового на подложках из материалов различного состава_
Материал субстрата Всхожесть, %
Нетканый волокнистый материал состав ПЛА/НК, мае. %
100/0 85±1,67
95/5 72±1,89
90/10 92±1,23
85/15 83±1,48
Контроль 68±1,56
Из этих данных видно, что применение нетканого волокнистого материала на основе полилактида для высева семян базилика приводит к значительному повышению показателя всхожести (от 72 до 92%) по сравнению с контролем (68%) - традиционным способом посева семян непосредственно в почву. Различное содержание натурального каучука значительно не влияет на всхожесть, а только на характеристики, связанные с полимерной матрицей [13]. Такое положительное влияние обусловлено тем, что пористая проницаемая структура нетканых волокнистых материалов способствует эффективному водо- и газообмену и обеспечивает благоприятные условия для прорастания семян в почве. Кроме того, протекающий в водной среде гидролиз полилактида по схеме, приводит к локальному накоплению молочной кислоты, служащей для семян дополнительной питательной средой (рис. 3)
полилактид молочная
кислота
Рисунок 3 - Гидролитическое разрушение полилактида
Из данных таблицы 2 видно, что растения, выращенные на полимерных субстратах, превосходят по размерам и развитию контрольные растения, выращенные в обычных условиях.
Таблица 2 - Показатели развития растений базилика овощного фиолетового на нетканых волокнистых материалах разного состава в сравнении с контролем
Состав полимерного субстрата Масса одного растения,г Высота надземной части, см Длина корня, см
Соотношение ПЛА/НК, мас.% 100/0 1,93±0,11 17,4±0,88 6,8±0,35
95/5 1,57±0,07 13,2±0,67 6,5±0,28
90/10 1,86±0,08 16,5±0,71 7,4±0,32
85/15 1,62±0,09 15,1±0,66 7,0±0,34
Контроль 0,95±0,08 10,2±0,61 5,5±0,21
После 60 дней полимерные волокнистые материалы были отмыты, просушены и исследованы под микроскопом. На рис. 4 для примера приведены микрофотографии волокнистых субстратов из ПЛА и ПЛА/НК с содержанием натурального каучука 10 мас.%. Согласно рисунку, в волокнистых материалах видны потемнения, которые свидетельствуют о поражении полимера микроорганизмами почвы и начальной стадии процесса биологической деградации, что является положительным экологическим эффектом.
Рисунок 4 - Микрофотографии волокнистых субстратов из ПЛА и ПЛА/НК с 10
мас.% натурального каучука
Таким образом, полученные волокнистые субстраты из полилактида и натурального каучука являются перспективными материалами для современного сельского хозяйства. Всхожесть базилика (Purple Ruffles) оказалась выше в среднем в 1,2 раза в случае применения субстрата по сравнению с контрольным образцом. Подобную зависимость продемонстрировали биометрические показатели растений базилика. Масса 1 растения возросла в 1,6-2,0 раза, высота надземной части - в 1,3-1,7 раза, а длина корней увеличилась в среднем на 1,4 см по сравнению с традиционным методом выращивания. Наблюдаемый эффект обусловлен физико-химическими свойствами полимерного волокнистого субстрата. Биодеградация в почве - это комплексное влияние нескольких агрессивных факторов: температуры, микробиоты почвы и воды. Температура в проведенном исследовании была постоянной: 20±2°С. Под действием микроорганизмов почвы: различных бактерий, плесневых грибов, а также воды, -протекает процесс разрушения макроцепей полимера. Поскольку при гидролитическом распаде полилактида образуется молочная кислота, происходит дополнительное питание растений, что отражается на показателях развития растений базилика овощного фиолетового.
Выводы. Проведенные исследования подтверждают возможность применения волокнистых полимерных материалов из биоразрушаемых полимеров в качестве субстрата для высева семян. Например, исследуемые субстраты на основе полилактида и натурального каучука можно использовать для получения рассады или выращивания в теплицах.
Несомненно, нужно охватывать различные сельскохозяйственные культуры и исследовать влияние полимерного субстрата на фотосинтетическую активность растений. В дальнейшем планируется провести подобные эксперименты, а также подробнее изучить взаимное влияние полимерного субстрата и ферментов, выделяемых корневой системой растений. Однако уже сейчас можно заключить, что:
- наличие пористой структуры полимерного субстрата обеспечивает формирование благоприятных условий для прорастания семян и развития растений за счет эффективного влаго- и газообмена;
- способность к гидролитическому и ферментативному расщеплению в природных условиях с образованием продуктов, безвредных для окружающей среды и при этом стимулирующих рост и развитие растений, делает изучаемые полимерные субстраты перспективными для применения в агросекторе.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Impact of environmental agents on non-woven polylactide/natural rubber agrofiber / Y. Tertyshnaya, M. Zakharov, A. Ivanitskikh, A. Popov // E3S Web of Conferences. 2021. V. 285. 07034. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128507034.
2. Graupner N., Herrmann A.S., Mussig J. Natural and man-made cellulose fibre-reinforced poly (lactic acid) (PLA) composites: an overview about mechanical characteristics and application areas. Composites: Part A. 2009. 40. P. 810-821.
3. Resent progress in coaxial electrospinning: new parametres, warious structure, and wide application / J. Yoon, H.S. Yang, B.S. Lee, W.R. Yu // Adv. Mater. 2018. V. 30. 1704765.
4. Lim L-T., Auras R., Rubino M. Processing technologies for poly(lactic acid). Prog. Polym. Sci. 2008. V. 33. P. 820.
5. Accelerated aging of polylactide in aqueous environment: comparative study between distilled water and seawater / M. Deroine, A. Le Duigou, Y-M. Corre, P-Y. Le Gac, P. Davies, G. Cesar, S. Bruzaud // Polym. Degrad. Stab. 2014. V. 108. P. 319-329.
6. Olewnik-Kruszkowska E. Influence of the type of buffer solution on thermal and structural properties of polylactide-based composites // Polym. Degrad. Stab. 2016. V. 129. P. 87-95.
7. Kowalczyk M.; Piorkowska E. Mechanisms of plastic deformation in biodegradable polylactide-poly(1,4- cis-isoprene) blends // J. Appl. Polym. Sci. 2012. Vol. 124. P. 4579-4589. https://doi10.1002/app.35489.
8. Подзорова M.B., Тертышная Ю.В. Термическая и термоокислительная деструкция смесей на основе полилактида и полиэтилена // Деформация и разрушение материалов. 2020. № 6. С. 38-41. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2020-6-38-41.
9. Tailoring toughness of fully biobased poly(lactic acid)/natural rubber blends through dynamic vulcanization / W-L. Sia, W-Q. Yuana, Y-D. Lia, Y-K. Chenb, J-B. Zengabc // Polymer Test. 2018. V. 65. P. 249-255. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.11.030.
10. Biodegradable polylactide (PLA) fiber mats containing Al2O3-Ag nanopowder prepared by electrospinning technique — Antibacterial properties / P. Kurtycz, E. Karwowska, T. Ciach, A. Olszyna, A. Kunicki // Fibers and Polymers. 2013. V. 14. P. 1248-1254. https://doi.org/10.1007/s12221 -013-1248-3.
11. Miyuki S. Product for growing plant, and method for producing the same. Patent. 2011. JP2011135844 (A).
12. Биодеградируемые полимеры как материалы для высева семян зерновых культур / Л.С. Шибряева, Ю.В. Тертышная, Д.Д. Пальмина, Н.С. Левина // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2015. № 6. С. 14-18.
13. Electrospun Polylactide/Natural Rubber Fibers: Effect Natural Rubber Content on Fiber Morphology and Properties / Y. Tertyshnaya, S. Karpova, M. Moskovskiy, A. Dorokhov // Polymers 2021. V. 13. P. 2232. https://doi.org/10.3390/polym13142232.
REFERENCES
1. Impact of environmental agents on non-woven polylactide/natural rubber agrofiber / Y. Tertyshnaya, M. Zakharov, A. Ivanitskikh, A. Popov // E3S Web of Conferences. 2021. V. 285. 07034. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128507034.
2. Graupner N., Herrmann A.S., Mussig J. Natural and man-made cellulose fibre-reinforced poly (lactic acid) (PLA) composites: an overview about mechanical characteristics and application areas. Composites: Part A. 2009. 40. R. 810-821.
3. Resent progress in coaxial electrospinning: new parametres, warious structure, and wide application / J. Yoon, H.S. Yang, B.S. Lee, W.R. Yu // Adv. Mater. 2018. V. 30. 1704765.
4. Lim L-T., Auras R., Rubino M. Processing technologies for poly(lactic acid). Prog. Polym. Sci. 2008. V. 33. R. 820.
5. Accelerated aging of polylactide in aqueous environment: comparative study between distilled water and seawater / M. Deroine, A. Le Duigou, Y-M. Corre, P-Y. Le Gac, P. Davies, G. Cesar, S. Bruzaud // Polym. Degrad. Stab. 2014. V. 108. R. 319-329.
6. Olewnik-Kruszkowska E. Influence of the type of buffer solution on thermal and structural properties of polylactide-based composites // Polym. Degrad. Stab. 2016. V. 129. R. 87-95.
7. Kowalczyk M.; Piorkowska E. Mechanisms of plastic deformation in biodegradable polylactide-poly(1,4- cis-isoprene) blends // J. Appl. Polym. Sci. 2012. Vol. 124. P. 4579-4589. https://doi10.1002/app.35489.
8. Podzorova M.V., Tertyshnaya Yu.V. Termicheskaya i termookislitelnaya destruktsiya smesey na osnove polilaktida i polietilena // Deformatsiya i razrushenie materialov. 2020. № 6. S. 38-41. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2020-6-38-41.
9. Tailoring toughness of fully biobased poly(lactic acid)/natural rubber blends through dynamic vulcanization / W-L. Sia, W-Q. Yuana, Y-D. Lia, Y-K. Chenb, J-B. Zengabc // Polymer Test. 2018. V. 65. R. 249-255. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.11.030.
10. Biodegradable polylactide (PLA) fiber mats containing Al2O3-Ag nanopowder prepared by electrospinning technique — Antibacterial properties / P. Kurtycz, E. Karwowska, T. Ciach, A. Olszyna, A. Kunicki // Fibers and Polymers. 2013. V. 14. R. 1248-1254. https://doi.org/10.1007/s12221 -013-1248-3.
11. Miyuki S. Product for growing plant, and method for producing the same. Patent. 2011. JP2011135844 (A).
12. Biodegradiruemye polimery kak materialy dlya vyseva semyan zernovykh kultur / L.S. Shibryaeva, Yu.V. Tertyshnaya, D.D. Palmina, N.S. Levina // Selskokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2015. № 6. S. 14-18.
13. Electrospun Polylactide/Natural Rubber Fibers: Effect Natural Rubber Content on Fiber Morphology and Properties / Y. Tertyshnaya, S. Karpova, M. Moskovskiy, A. Dorokhov // Polymers 2021. V. 13. R. 2232. https://doi.org/10.3390/polym13142232.
