Ученые выяснили, что наиболее дешевые и экологически безопасные системы доставки гербицидов — капсулы из биоугля, кремнезема и глинистых минералов. К такому выводу авторы пришли, изучив статьи, посвященные инновационным способам борьбы с сорняками. При этом кремнезем удобен еще и тем, что скорость высвобождения гербицида из него можно регулировать в пределах от нескольких часов до месяца. Подобные системы позволят предотвратить попадание агрохимикатов в грунтовые воды и поверхностные водоемы, а также повысить эффективность препарата в борьбе с сорняками для защиты зерновых культур. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Crop Protection.
В сельском хозяйстве для борьбы с сорняками широко используют гербициды, многие из которых в своем составе содержат 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту (2,4-Д). Это соединение входит в состав более чем 1500 разных препаратов. Оно особенно ценится за эффективность и избирательное действие, поскольку подавляет рост таких сорняков, как пастушья сумка, бодяк, ярутка, лебеда и других, при этом не нанося вреда большинству видов сельскохозяйственных трав. Это делает 2,4-Д идеальным для защиты зерновых культур и ухода за газонами.
Однако использование гербицида 2,4-Д в концентрациях, необходимых для эффективной борьбы с сорняками, приводит к его попаданию в грунтовые воды и поверхностные водоемы. Это, в свою очередь, может ухудшить состояние водорослей, рыб и других обитателей водных экосистем. Более того, традиционное опрыскивание посевов препаратом приводит к его неравномерному распределению, из-за чего обработку приходится повторять. Поэтому, чтобы повысить безопасность и эффективность 2,4-Д, ученые разрабатывают новые способы ее использования.
Исследователи из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) сравнили описанные в литературе способы адресной доставки и контролируемого высвобождения препарата 2,4-Д. Оказалось, что его можно помещать в капсулы на основе разных соединений: биоугля, кремнезема, глинистых минералов (бентонита, цеолита и других), полимеров и гелей. Такие материалы капсул предлагаются потому, что они прочно удерживают гербицид, но после внесения препарата в почву — при изменении температуры и кислотности среды — постепенно его высвобождают. Подобные системы доставки удобны тем, что они высвобождают 2,4-Д в верхнем слое почвы — вблизи корней сорняков, — гарантируя, что практически весь гербицид достигнет своей намеченной цели, не просочится в грунтовые воды и не будет расходоваться впустую.
Анализ показал, что капсулы на основе биоугля высвобождают до 80% гербицида в течение 8 суток, при этом в грунтовые воды препарата поступает на 75% меньше, чем при стандартном опрыскивании. Однако при таком использовании скорость высвобождения препарата контролировать не удается.
Капсулы на основе кремнезема, наоборот, очень удобны для того, чтобы управлять поступлением гербицида в почву. Так, меняя их пористость и заряд на поверхности молекул, можно добиться того, что 80% вещества попадет в почву за время от нескольких часов до месяца.
«При выборе системы доставки нужно учитывать время, за которое препарат проникает в почву. Так, в идеале большая часть гербицида должна высвобождаться за первые несколько часов, чтобы оказать выраженное действие на сорняки. Это важно, так как низкие дозы гербицида способны привести к появлению сорняков, устойчивых к данному препарату. Далее остаток вещества должен более продолжительное время медленно поступать в почву примерно в одинаковой концентрации», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Вера Бутова, доктор физико-математических наук, сотрудник Международного исследовательского центра «Интеллектуальные материалы» ЮФУ.
Синтезированная в рамках проекта система доставки. Источник: Вера Бутова
Чтобы использовать в качестве носителей глинистые минералы, на их поверхность предварительно необходимо наносить поверхностно-активные вещества, которые позволяют удерживать гербицид и контролируемо высвобождать его. С помощью таких модификаций ученым удалось добиться того, что за неделю из капсул высвобождалось до 64% действующего вещества.
Исследования, проведенные с полимерными носителями для 2,4-Д, показали, что такой способ доставки повышает эффективность гербицида в 1,5 раза за счет того, что вещество не «рассеивается» в почве. Это позволит использовать препарат в меньших концентрациях и тем самым уменьшить его воздействие на окружающую среду. Однако такой подход значительно дороже биоугля, кремнезема и минералов. Кроме того, пока остается не до конца ясным, не будут ли полимеры-доставщики нести вред почвенным экосистемам.
Согласно экспериментам, гидрогелевые капсулы равномерно высвобождают 79–95% гербицида в течение 10 дней, при этом их эффективность оказывается в одних случаях сопоставимой, а в других даже большей (в зависимости от состава гидрогеля), чем у чистого гербицида. Еще одно преимущество гидрогелевых капсул — удобство в хранении и доставке.
«В целом, все рассмотренные нами системы доставки перспективны и могут использоваться в сельском хозяйстве. Они повышают эффективность борьбы с сорняками, снижают воздействие на окружающую среду, экономят затраты и повышают безопасность пользователей. Поскольку эти технологии продолжают развиваться, они обещают играть все более важную роль в устойчивых методах ведения сельского хозяйства», — подводит итог Вера Бутова.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда