Vật liệu nanocompozit sẽ tấn công mầm bệnh thực vật

Thế giới từ lâu đã bắt đầu bùng nổ xung quanh các sản phẩm hữu cơ phải đáp ứng các tiêu chí nhất định, bao gồm cả việc thân thiện với môi trường. Và làm thế nào để đạt được độ tinh khiết mong muốn, nếu hầu hết tất cả các loại cây trồng đều dễ bị nhiễm bệnh do vi khuẩn gây ra? Không dễ để giải quyết một vấn đề như vậy nếu không có "hóa học". Do đó, các nhà khoa học đang suy nghĩ về cách làm cho hóa chất trở nên vô hại đối với thực vật và sức khỏe con người nhất có thể. Alla PERFILYEVA, Nhà nghiên cứu cấp cao của Phòng thí nghiệm Tương tác giữa Thực vật và Vi sinh vật của Viện Sinh lý học và Hóa sinh Thực vật Siberia thuộc Chi nhánh Siberia của Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Ứng cử viên Khoa học Sinh học, đã đưa ra giải pháp cho vấn đề này cùng với nhóm khoa học của cô ấy . Đề tài nghiên cứu “Cải thiện cây trồng nông nghiệp từ mầm bệnh vi khuẩn và nấm bằng cách sử dụng tổ hợp nano selen thu được từ quá trình tổng hợp hóa học và vi sinh” được hỗ trợ bởi một khoản trợ cấp từ Tổng thống Liên bang Nga.

• Alla cho biết các vi khuẩn gây bệnh thực vật là tác nhân gây bệnh cho cây trồng. Chúng có thể ở dạng vi rút, vi khuẩn hoặc nấm. Do biến đổi khí hậu toàn cầu, phạm vi của nhiều vi khuẩn gây bệnh đang mở rộng, bao gồm cả việc lan sang các vùng lãnh thổ mới. Các mầm bệnh dẫn đến sự thất bại của vật liệu trồng trọt - thối củ, củ của cây. Kết quả là, sự phát triển của cây chậm lại trong mùa sinh trưởng: kích thước tổng thể hoặc các cơ quan của nó giảm – lá nhỏ lại, hệ thống rễ phát triển kém. Thay đổi sắc tố: xuất hiện màu vàng, các cơ quan chuyển sang màu xanh nhạt. Lá và thân khô héo, trường hợp cây chết hoàn toàn không phải là hiếm. Tất nhiên, tất cả điều này ảnh hưởng tiêu cực đến cây trồng.

- Làm thế nào để đối phó với nó?

– Để ức chế vi sinh vật gây bệnh thực vật, thuốc trừ sâu độc hại được sử dụng. Tuy nhiên, chúng hoạt động chống lại nấm và không hiệu quả đối với vi khuẩn. Nhưng những khoản tiền như vậy chắc chắn là cần thiết.

• Hóa ra vi khuẩn gây bệnh thực vật phá hủy mọi thứ và không thể làm gì được?
• Các mầm bệnh thực vật phá hủy mọi thứ là không có lợi, bởi vì chúng cần một cơ sở thức ăn. Nếu chúng tiêu diệt hoàn toàn cây ký chủ, thì đơn giản là chúng sẽ không còn nơi nào để sống và không có gì để ăn. Do đó, phytopathogens ức chế thực vật dần dần.

Điều kiện thời tiết ảnh hưởng đến sự phát triển của bệnh tật, đôi khi chúng có lợi cho con người chứ không phải mầm bệnh. Ví dụ, các bệnh thối rữa khác nhau, bao gồm cả bệnh mốc sương, phát triển mạnh hơn vào mùa hè lạnh và mưa, và thời tiết khô nóng không thuận lợi cho chúng. Đôi khi thiệt hại mùa màng là đáng kể và lên tới 40-70%. Người ta phải tính đến thực tế là phytopathogens không bao giờ hoạt động một mình. Theo quy định, có một tác động phức tạp của nấm và vi khuẩn đối với thực vật. Kết quả là, một bệnh nhiễm trùng (thường là nấm) làm suy yếu cơ thể thực vật và phần còn lại của mầm bệnh thực vật sẽ tấn công sau đó.

• Hóa ra một số loại cây trồng hoàn toàn không nên trồng – liệu vi khuẩn có ăn chúng không?
• Kết quả của quá trình lựa chọn lâu dài, một người đã chọn những giống cây trồng có khả năng kháng bệnh tốt nhất. Tuy nhiên, sự tiến hóa của mầm bệnh thực vật diễn ra song song với sự tiến hóa của cây ký chủ – chúng cũng trở nên ngoan cường hơn.

– Những loại thuốc hiện đang được phát triển để giải quyết vấn đề?

• Các vi sinh vật gây bệnh thực vật có khả năng chống lại các yếu tố môi trường rất cao, vì chúng có thể dành một phần cuộc sống của chúng bên ngoài cơ thể thực vật ký chủ, ở trong đất. Do đó, không phải tất cả các chất có thể ảnh hưởng đến khả năng tồn tại của chúng. Điều này tôi biết từ kinh nghiệm của bản thân khi thử nghiệm các loại hóa chất khác nhau.

– Tại sao bạn quyết định thử sử dụng vật liệu tổng hợp nano selen?

Selenium là một vi chất dinh dưỡng thiết yếu cho tất cả các sinh vật sống. Nó là một phần của các enzym cần thiết cho tế bào, có hoạt tính sinh học cao và tác dụng chống oxy hóa. Tuy nhiên, hàm lượng của nó trong đất trên khắp thế giới là không đủ.

Trong thành phần của nanocomposite, selen ở dạng hạt nano. Chúng không có điện tích, kích thước của chúng lên tới 100 nanomet. So với các hợp chất thông thường của các nguyên tố hóa học, các hạt nano cần được tiêu thụ với khối lượng nhỏ hơn. Với số lượng lớn, chúng có tác dụng độc hại.

Khi tạo nanocompozit, các hạt nano được đóng gói dày đặc bên trong một phân tử lớn (ma trận). Đây là một loại polymer tự nhiên, chẳng hạn như tinh bột thu được từ khoai tây, hoặc carrageenan, được sử dụng làm chất làm đặc cho ngành công nghiệp thực phẩm, hoặc arabinogalactan, một loại polysacarit được phân lập từ cây thông tùng Siberia, cũng như các chất humic. Các hạt nano không nằm trên bề mặt của nanocompozit mà ở bên trong, do đó chúng không thể tham gia vào các phản ứng hóa học.

Vi khuẩn bị tiêu diệt như thế nào?

– Polyme tự nhiên hấp dẫn vi khuẩn gây bệnh làm thức ăn. Chúng tiết ra các chất đặc biệt bên ngoài – exoenzyme, có khả năng phá vỡ các phân tử lớn bên ngoài tế bào vi khuẩn thành các phân tử nhỏ hơn – oligome và monome. Vi khuẩn ăn chúng. Khi ma trận nanocompozit bị cắt bởi exoenzyme, các hạt nano selen được giải phóng.

Chúng bám vào bề mặt tế bào vi khuẩn và tác động lên điện thế màng, nghĩa là điện tích trên bề mặt tế bào. Do đó, chất lỏng từ môi trường bắt đầu tích cực xâm nhập vào tế bào vi khuẩn, dẫn đến vi khuẩn bị vỡ.

Đồng thời, cả hạt nano selen và ma trận đều không có tác động tiêu cực đến cây trồng. Ngoài ra, chúng tôi đã nghiên cứu một số chất – vật liệu nano selen trong các nền polyme tự nhiên khác nhau – và nhận thấy rằng chúng thậm chí còn kích thích sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, tăng khả năng chống lại mầm bệnh thực vật trong ống nghiệm, nghĩa là “trong ống nghiệm”, và năng suất trong điều kiện hiện trường. cuộc thí nghiệm.

Đồng thời, selen không tích tụ trong các mô thực vật sau khi xử lý và không có tác động bất lợi đối với các vi sinh vật trong đất, điều này cho thấy sự an toàn của việc sử dụng nanocompozit. Hơn nữa, chúng làm giàu dinh dưỡng khoáng cho cây trồng, tăng khả năng kháng bệnh. Do đó, hóa ra các tổ hợp nano selen tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh thực vật và ngoài ra, còn có tác dụng kích thích tăng trưởng cho cây trồng mà không gây hại cho môi trường.

• Bạn đã làm việc về chủ đề này trong bao lâu? Những kết quả khác mà bạn đã nhận được?

– Tôi bắt đầu nghiên cứu về hoạt tính sinh học của nanocomposite ngay sau khi bảo vệ bằng Tiến sĩ. luận án năm 2013. Vật liệu tổng hợp nano selen được tổng hợp bởi nhóm khoa học của Boris Sukhov tại Viện Động học và Đốt cháy thuộc Chi nhánh Siberia của Viện Hàn lâm Khoa học Nga. VV Voevodsky ở Novosibirsk. Tại Viện của chúng tôi, tôi và các đồng nghiệp của mình đang nghiên cứu vật liệu nano: Irina Graskova, Trưởng phòng nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Tương tác giữa Thực vật và Vi sinh vật, Tiến sĩ Sinh học, Olga Nozhkina và Anastasia Gazizova, Kỹ sư hàng đầu, cũng như các sinh viên của Khoa Sinh học và Đất của Đại học Bang Irkutsk, người đã thực hiện nghiên cứu dưới sự giám sát của tôi cho các bài báo học kỳ và luận án của họ.

Chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số nanocompozit chứa selen trong chất nền lên sự nảy mầm của củ cải, đậu tương và khoai tây. Tìm thấy rằng trong một số trường hợp, chúng kích thích tăng trưởng. Trong ba năm, từ năm 2020 đến năm 2022, trong quá trình thực nghiệm đồng ruộng, chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của hợp chất nano selen đến năng suất khoai tây và nhận thấy rằng chúng đã làm tăng số lượng củ thu được trên mỗi cây.

Ngoài ra, chúng tôi đã phát hiện ra tác động bất lợi của vật liệu tổng hợp nano selen đối với vi khuẩn thối vòng khoai tây, Clavibactersepedonicus và mầm bệnh mốc sương Phytophthora cactorum, lây nhiễm trên nhiều loại cây trồng, từ cây táo đến hoa.

Bệnh sương mai là một bệnh của cây trồng làm vàng và héo lá, thối quả trên cây nho và thậm chí cây chết hoàn toàn. Thường được tìm thấy trong các đại diện của gia đình nighthade – đây là cà chua và khoai tây. Bây giờ chúng tôi đang nghiên cứu cách xử lý củ khoai tây trước khi trồng bằng vật liệu tổng hợp nano selen ảnh hưởng đến thành phần vi sinh vật (microbiome) của củ từ vụ khoai tây.

Trong 10 năm, chúng tôi đã nghiên cứu một số vật liệu tổng hợp nano dựa trên các hạt nano của kim loại – bạc, đồng, mangan, sắt, cũng như các tổ hợp khác nhau của chúng. Dữ liệu thú vị mới đã thu được, theo đó một số vật liệu nano có hoạt tính sinh học rất cao: chúng kích thích sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, đồng thời có tác dụng kháng khuẩn cao. Chúng tôi đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế về việc đăng ký hoạt động sinh học của vật liệu tổng hợp nano mangan.

– Bao nhiêu kết quả nghiên cứu của bạn sẽ được yêu cầu?

– Ngày nay, việc sử dụng công nghệ nano trong các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc gia đang được thảo luận sôi nổi. Trong y học và thú y, các hạt nano đã được sử dụng rộng rãi để điều trị ung thư và làm chất chống oxy hóa. Việc sử dụng công nghệ nano trong hóa nông nghiệp rất hứa hẹn do khối lượng sử dụng thấp của các chất có chứa hạt nano. Đồng thời, chi phí tương đương với các chất khử trùng thông thường và hiệu quả của việc sử dụng các hạt nano cao hơn nhiều. Do đất nghèo selen nên cây trồng cần bổ sung khoáng chất thích hợp. Tuy nhiên, hầu hết chúng không hòa tan hoàn toàn trong độ ẩm của đất và được cây hấp thụ. Do đó, nhu cầu xử lý vật liệu trồng trọt bằng vật liệu tổng hợp nano selen là rõ ràng.

Ngoài ra, vẫn chưa có đủ kiến ​​thức cơ bản về ảnh hưởng của các hạt nano đối với sinh vật thực vật, vi sinh vật gây bệnh thực vật và mối quan hệ giữa vi sinh vật và thực vật. Nghiên cứu của chúng tôi lấp đầy những khoảng trống này. Chúng tôi đã tiến hành một số lượng lớn các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực nghiệm tại hiện trường, điều này giúp chúng tôi hiểu khá sâu về vấn đề này. Để sử dụng kiến ​​thức này trong thực tế, cần có sự chấp thuận của một công ty nông nghiệp. Chúng tôi cũng sẽ làm điều này, nhưng sau đó. Công việc như vậy đòi hỏi khối lượng vật liệu tổng hợp nano lớn hơn nhiều so với các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Đây là nhiệm vụ của các nhà hóa học tổng hợp.