Нанопрепараты серебра и висмута из здравоохранения в растениеводство

Введение
Зерно является стратегическим ресурсом и ключевым фактором продовольственной безопасности России [1]. Семена пшеницы, показывающие высокую жизнеспособность в лабораторных условиях, после посева в поле вступают в сложные, часто противоречивые, отношения с факторами внешней среды, в частности, с бактериями и почвенными грибами. Важным резервом повышения урожайности и качества зерна яровой пшеницы является обеззараживание семенного материала от возбудителей болезней. Через семенной и посадочный материал передается около 75 % возбудителей грибной природы и более 88 % бактериальной. Потери зерна от патогенных микроорганизмов достигают не менее 15 % [1].

В медицине широкое применение нашли препараты серебра [2] и висмута [3] в качестве эффективных антимикробных средств. Ранее в исследованиях с нашим участием показана высокая эффективность этих препаратов в отношении кишечной палочки, золотистого стафилококка, синегнойной бактерии, картофельной палочки. И если серебро в медицине применяют с древнейших времен и всесторонне изучено, то висмут в этом отношении менее известен. Между тем в наших сравнительных исследованиях установлено, что в отношении указанной патогенной микрофлоры висмут сравним или даже превосходит серебро. При этом его стоимость более чем в 20 раз ниже, что очень важно в случае промышленного применения препаратов в сельском хозяйстве. Современное состояние комплекса вопросов, связанных с применением серебра и висмута в медицине, характеризуется поступательным развитием. Существенно, что современные наука и практика, освоив в передовых областях микрообъекты размером 10?6 м, в XXI веке уверенно переходят в мир объектов наноразмерного масштаба, 1 нм = 10?9 м [4]. Среди приоритетных направлений исследований отмечены медицина и агропромышленный комплекс. Если в первом из них имеется значительный научно-технический задел, то второй находится на этапе поисковых работ. Поэтому целесообразно вести поиск в решении проблем обеззараживания зерна в увязке с достижениями в области здравоохранения [4].

Химия гетерогенных систем характеризуется размерными эффектами [5]. Переход вещества, например, частиц металла, к наноразмерному масштабу хотя бы в одном измерении сопровождается изменением их фундаментальных свойств (эффект квантового ограничения) и повышением их активности [5] в том числе биологической [6]. Особенно эффективен диапазон размеров 1-10 нм [5]. Именно в этом диапазоне размеров наночастицы серебра, как установлено в работах проф. Д. Якамана (США) и сотрудников, приобретают способность ингибировать вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) [6]. Повышенная биологическая активность частицы висмута наноразмерного масштаба установлена в отношении синегнойной бактерии и, что примечательно, картофельной палочки как угрозы для качества хлеба [7,8,9]. Отметим, что использовались стандартные типовые культуры этих микроорганизмов, рекомендованные для определения антимикробного действия препаратов. В целях обеззараживания зерна наше внимание было привлечено главным образом к висмуту, а серебро служило для сравнения. Использовали коллоидный раствор субцитрата висмута с размером частиц 2-4 нм. Для сравнения применяли коллоидный раствор серебра с близкими размерами частиц. Субцитрат висмута является исходным основным активным прекурсором для изготовления субстанции современных фармацевтических препаратов (De-Nol и др.), обладающих высокой терапевтической активностью и низкой токсичностью при лечении желудочно-кишечных заболеваний. Биологическкую эффективность исследуемых нанопрепаратов в отношении зерна сравнивали с действием широко известных в настоящее время в зернопроизводстве импортных протравителей семян Раксил-Ультра (Германия) и Витавакса (Комптон (Юнироял Кемикал) Регистрейшен Лимитед, Великобритания, США). Целью исследования явилось выявление биологической эффективности нанопрепаратов висмута и серебра при обеззараживании семян мягкой яровой пшеницы перед посевом и оценка возможности импортозамещения зарубежных протравителей зерна.

Экспериментальная часть
В изучении действия нанопрепаратов висмута и серебра на этапе предпосевной обработки семян яровой пшеницы, их влияния на ростовые процессы и фунгицидные свойства принимали участие несколько научных коллективов. В исследованиях принимали участие ИХТТМ СО РАН – разработчик нанопрепаратов, СФ ФГБНУ «ВНИИЗ» и ФГБНУ СибНИИРС – проведение лабораторных, опытных и производственных испытаний нанопрепаратов на сортах мягкой яровой пшеницы Сибирской селекции. Концентрация коллоидных растворов субцитрата висмута составляла 2,8 и 5,6 мг/л а серебра 5.0 и 10 мг/л. Норма расхода препаратов в опытах составляла 11,0 л на 1 тонну семян.

Определение токсического действия нанопрепаратов на фитопатогенную микрофлору семян, проводили в чистой культуре путем высева обработанных серебром и висмутом семян яровой пшеницы на картофельно-декстрозном агаре (Наумова, 1970).
Изучение влияния нанопрепаратов на посевные качества семян проводили в лабораторных условиях на сортах Сибирской селекции Новосибирская 29 и Сибирская 12. Посевные качества семян – энергию прорастания и всхожесть определяли по ГОСТ 12038-84 «Метод определения всхожести».

Оценку на поражение корневыми гнилями проростков пшеницы проводили в лабораторных условиях рулонным методом, дифференцированно по органам, с одновременным измерением их длины (Лангольф Э. И., Чулкина В. А., 1985, Чулкина В. А., 1972) [10,11,12].

Полевые испытания нанопрепаратов серебра и висмута проводили на фитопатологическом участке лаборатории иммунитета ФГБНУ СибНИИРС на делянке 2,4 м² в трех повторениях.
Производственный опыт проводили на селекционном участке ФГБНУ СибНИИРС на площади 2.4 га в трех повторениях каждого варианта. Уборку зерна проводили комбайном.
 
Результаты и обсуждение
Научно-исследовательская работа по изучению влияния различных препаративных доз новых биологически активных продуктов – нанопрепаратов серебра и висмута на посевные качества семян и фитотоксическое действие препаратов на возбудителей болезней проводилась на базе Сибирского научно-исследовательского института растениеводства и селекции, в лаборатории иммунитета 

Анализ семян, проведенных в лабораторных условиях, показал, что в среднем за годы исследований энергия прорастания и всхожесть семян, обработанных нанопрепаратами, превышали показатели, полученные в вариантах с контролем и химическим протравителем Раксил Ультра. Во все годы отмечено положительное влияние Bi 2,8 мг/л на энергию прорастания и всхожесть. Серебро в концентрации 5 мг/л повысило всхожесть семян в 1,03 раза в сравнении с контрольным вариантом (таблица 1).  

Таблица 1 - Влияние нанопрепаратов на всхожесть и энергию прорастания семян яровой пшеницы Новосибирская 29 

Вариант	Энергия прорастания, %				Всхожесть, %
	2010г	2011г	Среднее	+/- к контролю	2010г	2011г	Среднее	+/- к контролю
Ag 5 мг/л	94,7	90,7	92,7	+3,0	97,3	95,3	96,3	+2,3
Ag 10	92,7	90,0	91,4	+1,7	93,3	94,7	94,0	0
Bi 2,8мг/л	98,0	91,3	94,7	+5,0	98,0	94,0	96,0	+2,0
Bi 5,6	90,0	92,7	91,4	+1,7	94,7	94,0	94,4	+0,4
Раксил Ультра	89,3	88,0	88,7	-1,0	92,0	94,0	93,0	-1,0
Раксил Ультра + Bi 2,8мг/л	-	91,7	91,7	+2,0	-	94,7	94,7	+0,7
Контроль	94,7	84,7	89,7	-	96,0	92,0	94,0	-

Измерение длины органов проростка в лабораторных исследованиях позволило установить ростостимулирующее действие препаратов серебра и висмута в нано форме. Во всех вариантах отмечено увеличение длины ростка, колеоптиля и корней в сравнении с контролем в среднем 1,1-1,3 раза. Химические протравители  Раксил – Ультра и Витавакс существенного влияния на длину органов растения не оказали [табл. 2].
 
Таблица 2 - Влияние нанопрепаратов висмута и серебра на длину органов проростка  яровой пшеницы (лабораторные испытания)

Вариант опыта	Новосибирская 29			Сибирская 12
	длина органов, мм (среднее за 2010-2011гг.)			длина органов, мм (среднее за 2012-2013гг.)
	проросток	корни	колеоптиль	проросток	корни	колеоптиль
Контроль	108,40	117,9	61,85	75,7	125,5	66,8
Bi 2.8мг/л	128,6	144.15	64.3	79.4	132,8	69.0
Bi 5.6мг/л	123,25	137,7	64,3	80,1	131,5	71,4
Ag 5мг/л	126,75	136,85	67,1	80,3	137,5	68,1
Ag 10мг/л	121,9	130,95	64,05	83,5	138,2	69,9
Раксил-Ультра	63,55	118,6	22,6	-	-	-

Предпосевная  обработка семян изучаемыми препаратами  позволила снизить зараженность зерна фитопатогенными грибами. Наибольшая эффективность отмечена при применении висмута в дозе 5,6 и серебра в10 мг/л. (табл. 3).
 
Таблица 3 – Влияние нанопрепаратов висмута и серебра на заселенность семян яровой пшеницы  фитопатогенами.

Вариант опыта	Заселенность семян фитопатогенными грибами, %
	Alternaria	Fusarium	Bipolaris	общая зараженность
Контроль	40	16	10	66
Bi 2,8мг/л	32	14	6	52
Bi 5,6мг/л	26	12	4	42
Ag 5мг/л	38	2	8	48
Ag10мг/л	22	8	4	34

Проведенная  в фазу кущения оценка пораженности растений корневыми гнилями дифференцированно по органам, позволила выявить эффективность нанопрепаратов в борьбе с этим заболеванием. За годы исследований наибольшее оздоравливающее действие было выявлено у висмута (табл. 4).
 
Таблица 4. Эффективность нанопрепаратов в борьбе с  корневыми гнилями яровой пшеницы Новосибирская 29 (среднее за 2010 - 2011 год).

Вариант	Индекс развития болезни, %
	первичные корни	вторичные корни	основание	эпикотиль	в среднем по растению
Контроль	35,5	12,8	28,2	26,8	25,8
Ag 10 мг/л	19,2	5,7	18,8	22,7	17,8
Ag 5	23,0	6,0	20,0	16,7	16,4
Bi 5,6мг/л	16,3	4,3	18,9	16,3	13,9
Bi 2,8	17,3	8,9	16,4	17,3	15,0
Раксил Ультра 120 г/л	22,8	2,0	4,0	10,8	8,9

 Изучение влияния последействия препаратов на семенную инфекцию и поражение проростков пшеницы корневыми гнилями после 5-ти месяцев хранения зерна, позволили установить, что фунгицидное действие препаратов сохраняется. Отмечено снижение поражения проростков корневыми гнилями во всех испытуемых вариантах в сравнении с контролем (таб.5).
 
Таблица 5 – Влияние последействия нанопрепаратов на поражение проростков семян пшеницы нового урожая корневыми гнилями после 5 месяцев хранения (лабораторные испытания)

Варианты опыта	Индекс развития болезни на проростках, %
	среднее за 2010-2013 гг.	после 5 месяцев хранения
		зерно урожая 2010г.	зерно урожая 2012г.	зерно урожая 2013г.
Контроль	19,07	11,5	18,1	14,9
Bi 2.8мг/л	15,5	10,2	3,2	7,9
Bi 5.6мг/л	13,0	6,5	3,4	7,1
Ag 5мг/л	17,1	9,2	8,4	7,9
Ag 10мг/л	14,9	7,85	7,5	7,3
Раксил-Ультра 240 мг/л	4,6	7,1	4,3	-
Раксил-Ультра  240 мг/л + Bi 2,8 мг/л	4.1	-	6,8	-

Отмечено увеличение урожайности в вариантах с концентрацией висмута 2,8-5,6 мг/л и серебра 5-10 мг/л на 20%. При этом отчетливо прослеживается тенденция к увеличению эффективности нанопрепаратов висмута и серебра при выращивании растений в неблагоприятный по метеоусловиям вегетационный период: засушливый 2012г. и с избыточным количеством осадков 2013г. (табл. 6).
 
Таблица 6 - Влияние  обработки семян пшеницы нанопрепаратами висмута и серебра на урожай (производственные испытания) 

Вариант опыта	Новосибирская 29		Сибирская 12
	Урожайность, ц/га		Урожайность, ц/га
	2010 г.	2011 г.	2012 г.	2013 г.
Контроль	31,5	34,2	7,9	9,9
Bi 2,8мг/л	42,6	37,7	9,4	12,4
Bi 5,6мг/л	37,5	43,5	9,5	11,8
Ag 5мг/л	35,5	43,6	9,5	12,9
Ag 10мг/л	41,2	40,2	9,6	12,7
Раксил-Ультра240мг/л	39,4	35,2	9,1	10,4
Раксил –Ультра240мг/л+Bi2,8мг/л	-	30,8	9,4	13,2
НСР 05	1,04	0,06	0,83	0,65

Заключение
Установлено стимулирующее действие нанопрепаратов висмута и серебра на рост проростков и корней яровой пшеницы, превышающее контроль в 1,3 раза. Эти показатели позволяют существенно улучшить качество всходов. Увеличить продуктивность стебля и повысить урожайность зерна.

При оценке пораженности проростков яровой пшеницы корневыми гнилями отмечено фунгицидное действие нанопрепаратов. Оптимальное фитосанитапрное действие выражено у препарата висмута с концентрацией 2,8 и  5,6 мг/л.
Для производственных испытаний предложен препарат висмута с концентрацией 5,6 мг/л при норме расхода 10 л на 1 тонну семян яровой пшеницы.

Экономически целесообразно применение препарата висмута, стоимость этого металла составляет 900 руб. / кг, тогда как серебра 20 000 руб. / кг.

Применение биологически активных препаратов висмута и серебра с указанной концентрацией позволило более чем в 2 раза снизить действие патогена в борьбе с корневой гнилью и по эффективности превосходит применяемые в настоящее время импортные протравители семян Витавакс и Раксил-Ультра, что указывает на возможное решение актуальной проблемы импортозамещения в этой области. Кроме того, препарат висмута нетоксичен и экологически безопасен.

Препарат висмута стимулирующего действия с фунгицидными антистрессовыми свойствами для предпосевной обработки семян и способ его применения, предложенные авторами, защищен патентом Российской Федерации № 2556723 [13], а также патентом РФ на способ получения исходного соединения субцитрата висмута (висмут-калий-аммоний цитрата) [14]. Этот препарат зарегистрирован в реестре лекарственных средств РФ под номером ФС-001029 и допущен к использованию в медицинской практике. Ведутся укрупненные производственные испытания этого препарата в хозяйственной практике, в том числе в отношении возможности импортозамещения зарубежных протравителей зерна. Готовится оформление санитарно-гигиенического заключения по его применению с целью внесения в реестр разрешенных к использованию препарата в растениеводстве.
 
Литература
1.Мачихина Л.И., Алексеева, Львова Л.С. «Научные основы продовольственной безопасности зерна (хранение и переработка)». – ДеЛи принт, 2007. – С. 15-329.
2.Благитко Е.М., Бурмистров В.А., Колесников А.П., Михайлов Ю.И., РодионовП.П., «Серебро в медицине», Новосибирск, Наука-Центр, 2004г. с. 254.
3.Юхин Ю.И., Михайлов Ю.И. «Химия висмутовых соединений и материалов», Новосибирск, Наука-Центр, 2004г. 254 с.
4.Михайлов Ю.И., Юхин Ю.И. // Материалы международ. науч. – практ. конф. «Серебро и висмут в медицине». Новосибирск, 25-26 февраля 2005г. С. 31-34.
5.Уваров Н.Ф., Болдырев В.В. // Успехи химии. – т. 70, - в 4. – 2001. – С. 307-329.
6.Михайлов Ю.И. // Сб. трудов междунар. науч. – практ. конф. «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины». Новосибирск, 11-12 октября 2007г. с. 101-107.
7.Михайлов К.Ю., Юхин Ю.И., Благитко Е.М., Михайлов Ю.И. // Сб. трудов междунар. науч. – практ. конф. «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины». Новосибирск, 11-12 октября 2007г. С. 210-212.
8.Скрябин В.А., Михайлов Ю.И., Юхин Ю.М., Носенко Н.А., Орлова Е.А., Реймер В.А. // Сб. трудов междунар. конф. «Биотехнологии и качество жизни». Секция «Сельскохозяйственные биотехнологии». М., 18-20 марта 2014г., С. 306-308.
9.Скрябин В.А., Мачихина Л.И., Носенко Н.А., Орлова Е.А., Михайлов Ю.И., Юхин Ю.М., Болдырев В.В. // Сб. материалов Всероссийской научно- практической конференции «Актуальные проблемы в области создания инновационных технологий хранения сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов» Углич, 2011 г., С. 230-233.
10.Наумова Н. А. /Анализ семян на грибную и бактериальную инфекцию Изд-во «Колос», Ленинград, 1970. – 207 с.
11.Чулкина В. А. Методические указания по учету обыкновенной корневой гнили хлебных злаков в Сибири дифференцированно по органам. – СО ВАСХНИЛ, Новосибирск, 1972. –21 с.
12.Лангольф Э. И. , Чулкина В. А. /Оценка устойчивости яровой пшеницы к обыкновенной корневой гнили в Западной Сибири. Методические рекомендации СО ВАСХНИЛ, Новосибирск, 1985. – 12 с.
13.Пат. 2556723 РФ, 2015.
14.Пат. 2530897 РФ, 2014. 
 

---