De wereld is al lang begonnen met een hausse rond biologische producten die aan bepaalde criteria moeten voldoen, waaronder milieuvriendelijkheid. En hoe bereik je de gewenste zuiverheid, als bijna alle gewassen vatbaar zijn voor ziekten veroorzaakt door microben? Het is niet eenvoudig om zo'n probleem op te lossen zonder "chemie". Daarom denken wetenschappers na over hoe ze chemicaliën zo onschadelijk kunnen maken voor planten en de menselijke gezondheid. Alla PERFILYEVA, senior onderzoeker van het laboratorium voor plant-microbiële interacties van het Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry van de Siberian Branch van de Russian Academy of Sciences, kandidaat voor biologische wetenschappen, nam samen met haar wetenschappelijke team de oplossing van dit probleem op zich . Het onderzoeksonderwerp "Verbetering van landbouwplanten uit bacteriële en schimmelfytopathogenen met behulp van seleniumnanocomposieten verkregen door chemische en microbiologische synthese" werd ondersteund door een subsidie ​​van de president van de Russische Federatie.

  • Fytopathogene microben zijn de veroorzakers van ziekten van cultuurplanten, zegt Alla. Ze kunnen de vorm hebben van virussen, bacteriën of schimmels. Als gevolg van de wereldwijde klimaatverandering breidt het bereik van veel pathogene microben zich uit, inclusief verspreiding naar nieuwe gebieden. Ziekteverwekkers leiden tot de nederlaag van plantmateriaal - rotting van bollen, knollen van planten. Als gevolg hiervan vertraagt ​​​​de groei van de plant tijdens het groeiseizoen: de grootte als geheel of de organen nemen af ​​​​- de bladeren worden kleiner, het wortelsysteem ontwikkelt zich slecht. Pigmentatieveranderingen: er treedt vergeling op, de organen worden lichtgroen. Bladeren en stengels verdorren, gevallen van volledige dood van planten zijn niet ongewoon. Dit alles heeft natuurlijk een negatieve invloed op het gewas.

– Hoe ermee om te gaan?

– Om fytopathogene micro-organismen te onderdrukken, worden giftige bestrijdingsmiddelen gebruikt. Ze werken echter tegen schimmels en zijn niet effectief tegen bacteriën. Maar dergelijke fondsen zijn ongetwijfeld nodig.

  • Blijkt dat fytopathogene bacteriën alles vernietigen en daar is niets aan te doen?
  • Het is onrendabel voor fytopathogenen om alles te vernietigen, omdat ze een voedselbasis nodig hebben. Als ze waardplanten volledig uitroeien, hebben ze gewoon nergens meer om te leven en niets te eten. Daarom remmen fytopathogenen planten geleidelijk af.

De ontwikkeling van ziekten wordt beïnvloed door weersomstandigheden, soms blijken ze in het voordeel van een persoon te zijn, niet van ziekteverwekkers. Verschillende soorten rot, waaronder de ziekte van de aardappelziekte, ontwikkelen zich bijvoorbeeld actiever in koude en regenachtige zomers, en droog en warm weer is ongunstig voor hen. Soms zijn oogstverliezen aanzienlijk en bedragen ze 40-70%. Men moet er rekening mee houden dat fytopathogenen nooit alleen werken. In de regel is er een complex effect van schimmels en bacteriën op planten. Als gevolg hiervan verzwakt één infectie (vaak schimmels) het plantenorganisme en vallen de rest van de fytopathogenen later aan.

  • Het blijkt dat sommige gewassen helemaal niet mogen worden verbouwd - zullen bacteriën ze toch opeten?
  • Als resultaat van langdurige selectie selecteerde een persoon de meest resistente variëteiten van gecultiveerde planten. De evolutie van fytopathogenen loopt echter parallel met de evolutie van waardplanten – ze worden ook taaier.

– Welke medicijnen worden momenteel ontwikkeld om het probleem op te lossen?

  • Fytopathogene micro-organismen zijn zeer resistent tegen omgevingsfactoren, omdat ze een deel van hun leven buiten het waardplantorganisme kunnen doorbrengen, namelijk in de bodem. Daarom kunnen niet alle stoffen hun levensvatbaarheid aantasten. Dit weet ik uit eigen ervaring met het testen van verschillende chemicaliën.

– Waarom heb je besloten om selenium nanocomposieten te proberen?

Selenium is een essentieel micronutriënt voor alle levende organismen. Het maakt deel uit van de enzymen die nodig zijn voor de cel, heeft een hoge biologische activiteit en een antioxiderende werking. Het gehalte in de bodem over de hele wereld is echter onvoldoende.

In de samenstelling van nanocomposieten is selenium in de vorm van nanodeeltjes. Ze hebben geen lading, hun grootte is maximaal 100 nanometer. In vergelijking met conventionele verbindingen van chemische elementen, moeten nanodeeltjes in kleinere hoeveelheden worden geconsumeerd. In grote hoeveelheden hebben ze een toxisch effect.

Bij het maken van nanocomposieten zijn nanodeeltjes dicht op elkaar gepakt in een groot molecuul (matrix). Dit is een natuurlijk polymeer, bijvoorbeeld zetmeel verkregen uit aardappelen, of carrageen, gebruikt als verdikkingsmiddel voor de voedingsindustrie, of arabinogalactan, een polysaccharide geïsoleerd uit Siberisch lariks, evenals humusstoffen. Nanodeeltjes bevinden zich niet op het oppervlak van de nanocomposiet, maar binnenin, en kunnen daarom geen chemische reacties aangaan.

Hoe worden bacteriën vernietigd?

– Natuurlijke polymeren zijn aantrekkelijk voor ziekteverwekkende bacteriën als voedsel. Buiten scheiden ze speciale stoffen af ​​– exo-enzymen, die in staat zijn grote moleculen buiten de bacteriecel af te breken tot kleinere – oligomeren en monomeren. Bacteriën voeden zich ermee. Wanneer de nanocomposietmatrix wordt gesplitst door exo-enzymen, komen selenium nanodeeltjes vrij.

Ze hechten zich aan het oppervlak van de bacteriecel en werken in op de membraanpotentiaal, dat wil zeggen de lading op het celoppervlak. Als gevolg hiervan begint vloeistof uit de omgeving actief de bacteriecel binnen te dringen, wat leidt tot het scheuren van de bacterie.

Tegelijkertijd hebben zowel selenium nanodeeltjes als matrices geen negatief effect op planten. Bovendien hebben we een aantal stoffen bestudeerd – selenium nanocomposieten in verschillende natuurlijke polymeermatrices – en ontdekten dat ze zelfs de groei en ontwikkeling van planten stimuleren, hun weerstand tegen fytopathogenen in vitro verhogen, dat wil zeggen “in reageerbuis”, en de productiviteit in veld omstandigheden. experiment.

Tegelijkertijd hoopt selenium zich na hun behandeling niet op in plantenweefsels en heeft het geen nadelig effect op micro-organismen in de bodem, wat wijst op de veiligheid van het gebruik van nanocomposieten. Bovendien verrijken ze de minerale voeding van planten, verhogen ze hun weerstand tegen ziekten. Zo blijkt dat selenium-nanocomposieten fytopathogene micro-organismen vernietigen en bovendien een groeistimulerend effect hebben op planten zonder het milieu te schaden.

  • Hoe lang ben je al bezig met dit onderwerp? Welke andere resultaten heb je gekregen?

– Direct na het verdedigen van mijn doctoraat ben ik begonnen met het onderzoeken van de biologische activiteit van nanocomposieten. thesis in 2013. Selenium nanocomposieten worden gesynthetiseerd door de wetenschappelijke groep van Boris Sukhov aan het Instituut voor Kinetiek en Verbranding van de Siberische Tak van de Russische Academie van Wetenschappen. VV Voevodsky in Novosibirsk. Op ons instituut houden ik en mijn collega's zich bezig met nanocomposieten: Irina Graskova, hoofdonderzoeker van het laboratorium voor plant-microbiële interacties, doctor in de biologie, Olga Nozhkina en Anastasia Gazizova, hoofdingenieur, evenals studenten van de faculteit Biologie en Bodem van de Irkutsk State University, die onder mijn supervisie onderzoek doen voor hun scripties en dissertaties.

We hebben het effect bestudeerd van een aantal seleniumhoudende nanocomposieten in matrices op de kieming van radijzen, sojabonen en aardappelen. Vond dat ze in sommige gevallen de groei stimuleren. Gedurende drie jaar, van 2020 tot 2022, bestudeerden we tijdens veldexperimenten het effect van selenium nanocomposieten op de aardappelproductiviteit en ontdekten dat ze het aantal knollen van elke plant verhoogden.

Daarnaast ontdekten we het schadelijke effect van selenium-nanocomposieten op aardappelringrotbacteriën, Clavibactersepedonicus, en de ziekteverwekker Phytophthora cactorum, die een breed scala aan gewassen infecteert, van appelbomen tot bloemen.

Phytophthora is een plantenziekte waarbij vergeling en verwelking van bladeren, rotting van fruit aan de wijnstok en zelfs volledige dood van de plant worden waargenomen. Vaak te vinden in vertegenwoordigers van de nachtschadefamilie - dit zijn tomaten en aardappelen. Nu onderzoeken we hoe de voorplantbehandeling van aardappelknollen met selenium nanocomposieten de microbiële samenstelling (microbioom) van knollen uit het aardappelgewas beïnvloedt.

Gedurende 10 jaar hebben we een aantal nanocomposieten bestudeerd op basis van nanodeeltjes van metalen – zilver, koper, mangaan, ijzer, evenals hun verschillende combinaties. Er zijn nieuwe interessante gegevens verkregen, volgens welke sommige nanocomposieten een zeer hoge biologische activiteit hebben: ze stimuleren de groei en ontwikkeling van planten en hebben een hoge antibacteriële werking. We hebben al patent aangevraagd op de registratie van de biologische activiteit van mangaan-nanocomposieten.

– In hoeverre zijn de resultaten van uw onderzoek gewild?

– Vandaag de dag wordt actief gediscussieerd over het gebruik van nanotechnologieën op verschillende terreinen van de nationale economie. In de geneeskunde en diergeneeskunde worden nanodeeltjes al veel gebruikt voor de behandeling van kanker en als antioxidanten. Het gebruik van nanotechnologieën in de agrochemie is veelbelovend vanwege het lage gebruik van stoffen die nanodeeltjes bevatten. Tegelijkertijd zijn de kosten vergelijkbaar met conventionele desinfectiemiddelen en is het effect van het gebruik van nanodeeltjes veel groter. Omdat de bodem seleniumarm is, hebben planten passende minerale supplementen nodig. De meeste lossen echter niet volledig op in bodemvocht en worden door planten opgenomen. Daarom ligt de noodzaak voor behandeling van plantmateriaal met selenium nanocomposieten voor de hand.

Daarnaast is er nog onvoldoende fundamentele kennis over het effect van nanodeeltjes op plantenorganismen, fytopathogene micro-organismen en plant-microbiële relaties. Ons onderzoek vult deze hiaten. We hebben al een groot aantal laboratoriumtesten en veldexperimenten uitgevoerd, waardoor we een redelijk goed begrip van het probleem hebben gekregen. Om deze kennis in de praktijk te kunnen gebruiken is erkenning op een agrarisch bedrijf nodig. Dat gaan we ook doen, maar dan later. Voor dergelijk werk zijn veel grotere hoeveelheden nanocomposieten nodig dan voor laboratoriumonderzoek. Dit is de taak van synthetisch chemici.