ГИДРОГЕЛИ КАК НОВАЯ СРЕДА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР
ГИДРОГЕЛИ КАК НОВАЯ СРЕДА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР
Аннотация
Повышение урожайности и продуктивности с помощью контролируемого изменения среды прорастания и роста сельскохозяйственных культур является актуальной задачей. В данной работе получены новые содержащие частицы диоксида титана гидрогели на основе 3-сульфопропилметакрилата калия и 2-гидроксиэтилметакрилата для применения в качестве среды прорастания и роста растений. Полученные гели охарактеризованы методами ИК-спектроскопии. Измерены характеристики этих гелей, такие как степень набухания и пористость. Произведён сравнительный анализ эффективности гидрогелей с различным содержанием диоксида титана (0,001 мг/л, 0,01 мг/л и 0,1 мг/л) для применения в сельском хозяйстве. Определена биологическая активность синтезированных вариантов гидрогелей по показателям прорастания семян и роста проростков фито тест-культуры – кресс-салата сорта Ажур. Была оценена энергия прорастания, всхожесть семян, длина ростков, биомасса и сухое вещество в них.
1. Введение
В последнее время наблюдается всплеск популярности полимерных композиционных материалов для применения в сельском хозяйстве . Благодаря сочетанию и возможности варьировать свойства полимерного композита, данные материалы находят широкое применение в современных технологиях интенсивного земледелия и вызывают огромный интерес у исследователей , . Суперабсорбирующие полимерные материалы в земледелии используются в качестве инструмента борьбы с нехваткой и дефицитом воды. Обработка семян сельскохозяйственных культур направлена на ускорение прорастания семян и увеличение вегетации, а также повышение стрессоустойчивости семян и их способности поглощать воду и кислород. Для сохранения повышенной всхожести семян, наращиванию биомассы используют огромный спектр биопротекторных материалов, например таких как дикоксид титана. Благодаря своей способности к фотокаталитической активации кислорода, наночастицы диоксида титана и его различные модификации активно применяется в земледелии . Создание новых набухаемых гидрогелей, в структуре которых находится диоксид титана может использоваться для применения в качестве среды проращивания семян и выращивания различных агрокультур. Предложенный подход к синтезу сложных полимерных систем позволяет контролировать количество добавляемого диоксида титана. Сочетание уникальных свойств, таких как повышенная набухаемость полимерной сетки, и введение в процессе синтеза необходимого количества водорастворимых частиц диоксида титана является перспективным в получении композиционного материала для сельского хозяйства.
2. Методы и принципы исследования
2.1. Материалы
3-сульфопропилметакрилат калия (СПМ-K) («Sigma Aldrich», Германия), 2-гидроксиэтилметакрилат (ГЭМА) («Sigma Aldrich», Германия), N,Nʹ-метилен-бис-акриламид (МБА) («Sigma Aldrich», Германия), персульфат калия (ЗАО «Вектон», Россия), N,N,N',N'-тетраметилэтилендиамин (ТМЭД) («Sigma Aldrich», Германия), циклогексан (ЗАО «Вектон», Россия), частицы TiO2 K2S2O8 очищали двукратной перекристаллизацией из воды с последующей промывкой водой и сушкой при 20°С в темноте на воздухе, затем в вакууме. ГЭМА перед использованием выдерживали над прокаленными при 400ᴼС молекулярными ситами. Остальные реактивы использовали без дополнительной очистки.
2.2. Синтез гелей
Для синтеза гелей навеску СПМ-K 0,092 г (0,375 ммоль) растворяли в 1 мл воды, после чего прибавляли 45 мкл (0,375 ммоль) ГЭМА, 0,00014 г (0,1 мас.%) МБА и инициирующую систему (100 мкл персульфата калия (концентрация 15 мг/мл) и 10 мкл ТМЭД). Реакцию проводили в течение 24 часов при постоянной температуре -18ᴼС. После полимеризации криогели размораживали при комнатной температуре и оставляли в воде на 48 часов для удаления непрореагировавших мономеров и установления равновесного состояния.
Синтез гелей содержащих водорастовримые частицы типа ядро-оболочка: диоксида титана- полиметакриловая кислота (TiO2-ПМАК) проводили аналогичным образом. Концентрация частиц TiO2 составляла 0,001 мг/л, 0,01 мг/л и 0,1 мг/л. Синтез частиц TiO2-ПМАК проводили по методике, представленной в статье .
2.3. Исследование структуры и свойств гелей
Структуру гелей изучали ИК-спектроскопией. ИК-спектры получали на ИК-спектрометре IR-Affinity-1S (Shimadzu, Япония) с алмазной призмой. Все спектры представляют собой среднее значение от 32 сканирований, проведенных в диапазоне волновых чисел 4000-400 см-1.
Определение степени набухания (Q) гелей проводили по стандартной методике – путём измерения массы сухого (mсух) и набухшего (mнабух) в бидистилированной воде образца . Степень набухания образцов определяли по формуле:
Определение общей пористости (P) гелей проводили по методике, описанной в работе . Высушенный образец взвешивали (mсух), затем выдерживали в циклогексане в течение часа, чтобы заполнить им все поровое пространство, после чего набухший образец повторно взвешивали (mнабух). Общую пористость рассчитывали по формуле:
Биологическую активность синтезированных вариантов гидрогелей определяли в лабораторных условиях при температуре +22-+24 по показателям прорастания семян и роста проростков фито тест-культуры – кресс-салата сорта Ажур. Семена растений получены из коллекции ФГБНУ ФИЦ ВИР. Семена проращивали на протяжении семи суток в чашках Петри на инертном гидрофильном материале, обеспечивающим равномерное поступление воды к корням проростков. Контролем служил вариант без гидрогеля, в вариантах опыта гидрогель вносили тонким слоем толщиной 1 мм на поверхность гидрофобного материала, после чего распределяли семена по площади материала с гелем.
Исследование проводили в соответствии с правилами международной ассоциации (ISTA) и стандартами (ГОСТ 12038-84) . На третий день после высева семян определяли энергию прорастания, на седьмые сутки после высева семян оценивали всхожесть семян, а также измеряли длину ростков и корней, биомассу ростков и содержание сухого вещества в них. Опыт повторяли трижды, число семян на вариант – 400 штук.
3. Результаты и обсуждение
Синтезированные гели (СПМ-со-ГЭМА) были получены методом криотропного гелеобразования в результате реакции радикальной сополимеризации 3-сульфопропилметакрилата калия (СПМ-К) с 2-гидроксиэтилметакрилатом (ГЭМА) при температуре -18ᴼС. Формирование ковалентной сшивки гелей обеспечивалось за счёт сшивающего агента N,Nʹ-метилен-бис-акриламид (МБА). Инициирование осуществлялось с использованием окислительно-восстановительной системы K2S2O8/ТМЭД. Синтезированные гели и их свойства представлены в Таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики полученных гелей СПМ-со-ГЭМА
Образец | Содержание TiO2-ПМАК, мг/л | QH2O, г/г | P, % |
1 | 0 | 233 | 98,3 |
2 | 0,001 | 286 | 98,6 |
3 | 0,01 | 220 | 98,3 |
4 | 0,1 | 250 | 98,5 |
Синтезированные гели характеризуются высокой пористостью (более 98%, Таблица 1), что связано с проведением реакции при отрицательных температурах, где в качестве порогенов выступают образующиеся кристаллы льда. Введение частиц TiO2-рМАА различной концентрации не оказало значительного влияния ни на пористость, ни на степень набухания синтезированных гелей СПМ-со-ГЭМА.
Рисунок 1 - ИК-спектры исходного геля СПМ-со-ГЭМА (а) и гелей, содержащие TiO2-рМАА с концентрацией 0,001 (б), 0,01 (в) и 0,1 г/л (г)
Таблица 2 - Влияние гидрогеля TiO2-рМАА на прорастание семян и показатели роста проростков кресс-салата сорта Ажур
Вариант опыта | Энергия прорастания | Всхожесть | Длина ростка | Длина корня | |||||
% | % от контроля | % | % от контроля | cм | % от контроля | cм | % от контроля | ||
Контроль | 79±3,0 | 100 | 85±4,0 | 100 | 5,1±0,4 | 100 | 7,9±0,8 | 100 | |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,1 мг/л | 82±2,0 | 104 | 90±3,0 | 106 | 4,8±0,4 | 94 | 7,8±0,8 | 99 | |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,01 мг/л | 81±3,0 | 103 | 90±3,0 | 106 | 4,9±0,4 | 96 | 7,5±0,9 | 95 | |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,001 мг/л | 80±3,0 | 101 | 90±4,0 | 106 | 5,1±0,5 | 100 | 6,7±0,9 | 85 | |
Анализ показателей биомассы ростков и сухого вещества в них свидетельствует об отсутствии достоверных отличий по значениям данных показателей между вариантами с гидрогелем TiO2-рМАА и контролем (Таблица 3). Проявляется слабая тенденция к некоторому увеличению значения сырой массы ростков с уменьшением концентрации геля. В то же время некоторое повышение значения сухой массы ростков в вариантах с гелем в различных концентрациях составляет одну величину – 14 %. При этом сухое вещество в ростках в виде тенденции выше контрольных значений на 5-10%.
Очевидно, изменение в содержании сухого вещества в ростках и тенденция к снижению длины корней с увеличением концентрации гидрогеля может быть вызвано поступлением в органы растений его компонентов, включая TiO2.
Таблица 3 - Влияние гидрогеля TiO2-рМАА на биомассу ростков и сухое вещество в них у кресс-салата сорта Ажур на седьмые сутки проращивания его семян
Вариант опыта | Сырая масса 100 ростков | Сухая масса 100 ростков | Сухое вещество ростков | |||
г | % от контроля | г | % от контроля | % | % от контроля | |
Контроль | 3,33±0,30 | 100 | 0,14 ±0,02 | 100 | 4,2±0,3 | 100 |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,1 мг/л | 3,41±0,34 | 102 | 0,16 ±0,02 | 114 | 4,6±0,3 | 110 |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,01 мг/л | 3,44 ±0,32 | 103 | 0,16 ±0,02 | 114 | 4,6±0,3 | 110 |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,001 мг/л | 3,56 ±0,40 | 107 | 0,16±0,03 | 114 | 4,4±0,4 | 105 |
4. Заключение
Таким образом, особенности прорастания семян и развития проростков фито-тест объекта кресс-салата сорта Ажур в тонком слое гидрогеля TiO2-рМАА в диапазоне его испытуемых концентраций свидетельствуют об отсутствии значимых изменений в оцениваемых показателях у растений относительно контроля. Слабая тенденция к увеличению значений ряда показателей с уменьшением концентрации гидрогеля TiO2-рМАА свидетельствует о необходимости проведения оценки его влияния в более широком диапазоне концентраций на прорастание семян и рост проростков на раннем этапе их развития и о перспективности использовании гидрогелей в качестве субстрата для выращивания сельскохозяйственных культур в условиях интенсивной светокультуры.