Способ получения биологически активного комплекса - экогеля на основе хитозана и состав биологически активного комплекса для защиты сельскохозяйственных растений

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Хитозан со степенью деацетилирования 75-88% растворяют в водном растворе молочной кислоты при соотношении реагентов 1:1, при температуре 65-75°С, до рН 6,5-7,0, при постоянном перемешивании с вихревым движением потока массы, при насыщении массы ионами серебра и магнитной обработке. Состав представляет собой гель, прошедший магнитную обработку и содержащий, в г/л: хитозан со степенью деацетилирования 75-88% - 1,0-50; молочную кислоту 1,0-50; ионы серебра - 7,5-10 мг/л и вода - остальное. Изобретение позволяет реализовать указанное назначение. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к способу получения биологически активного комплекса (БАК) - экогеля на основе хитозана и к составу биологически активного комплекса, полученного этим способом и используемого для сельскохозяйственных растений. Изобретение может быть использовано в технологии производства экогеля, обладающего многофункциональными свойствами, позволяющими использовать его, например, для системного и локального индуцирования защитных систем растений, в последнем случае, в частности, для защиты растений от нитчатых червей (нематод). Кроме того, экогель как БАК может быть использован в качестве средства для защиты сельскохозяйственных культур от болезней путем внесения его в почву перед посевом (гюсадкой) или путем предпосевной обработки семян и посадочного материала.

Известен способ получения биологически активного средства, включающий смешивание хитозана с метиловым эфиром жасмоновой кислоты (см. Васюкова Н.И., Зиновьева С.В. и др. // Прикл. биохим. микробиол. 2001, т.37, №1, с.115-122 или кн. «Хитин и Хитозан, получение, свойства и применение» под ред. Академика РАСХН К.Г.Скрябина и др., М, «Наука», 2002 г., стр.343).

Известен способ получения биологически активного средства на основе хитозана, используемого в качестве регулятора роста растений, включающий растворение хитозана в водном растворе глутаминовой кислоты (НООСС-HCHCH(NH)COOH) (см. патент США №4812159, от 13.03.1987 г. опубликован 14.03.1989 г, МПК 4, С05G 1/00, С05G 3/00).

Известные способы сложны в технологическом исполнении, поскольку процесс растворения хитозана в указанных растворителях требует применения специального технологического оборудования и технических средств контроля процесса растворения. К тому же способы экологически не безопасны для растений и окружающей среды, что обусловлено видами используемых реагентов.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа является способ получения биологически активной композиции на основе водных растворов хитозана, используемой против пирикуляриоза риса, описанный в патенте РФ №2144768, А01N 43/16 от 15.06.1999 г. Указанный способ заключается в том, что хитозан с ММ 800-50000 Д и степенью деацетилирования 70-90% растворяют в водном растворе смеси молочной и янтарной кислот при массовом соотношении (в мас.ч.) хитозан: смесь органических кислот = 1:1 и далее в полученную смесь вводят химические добавки, в частности кремниевую кислоту в виде калийной соли и диметилсульфоксид при расходе рабочей жидкости 200 л/га.

Способ технически и технологически сложен; он многостадийный и предусматривает использование большого количества химических реагентов, не безвредных для окружающей среды.

Задачей предлагаемого способа является упрощение технологического процесса, разработка экологически безопасного для окружающей среды способа производства, снижение себестоимости производства БАК и получение таким образом дешевого, экологически чистого продукта - экогеля.

Поставленная задача в предложенном способе достигается тем, что природный исходный хитозан со степенью деацетилирования 75-88% в количестве 1,0-50 г/л (0,1-5,0 в масс.%) растворяют при 65-75°С в слабом (0,1-5,0%-ной концентрации) водном растворе молочной кислоты до образования гелеобразной массы с показателем рН 6,5-7,0. Процесс растворения проводят при непрерывном перемешивании с созданием вихревого движения потока массы и при одновременном насыщении смеси ионами серебра до 7,5-10 мг/л и ее магнитной обработке.

Весь технологический процесс получения экогеля осуществляют в одном устройстве (реакторе). Время процесса: один цикл растворения длится 4 часа. Скорость обмена всего объема экогеля осуществляется 8 раз в час. За это время экогель контактирует с перфорированными серебряными пластинами, в частности с 6-ю пластинами, площадь поверхности каждой из которых составляет 45000 мм², и с постоянными кольцевыми магнитами, имеющими остаточную индуктивность 0,8-1,2 Тл. Теоретически количество магнитов в реакторе может быть любое нечетное число, в частности от 3-х и более. Практически в устройстве устанавливают 5 магнитов.

Один рабочий цикл получения экогеля обеспечивает насыщение его ионами серебра до 7,5-10 мг/л, что достаточно для сохранения экогеля до 120 суток при температуре до 30°С.

Механизм растворения хитозана в слабом растворе молочной кислоты проходит на ионном уровне; происходит формирование молекулярных комплексов «молекула кислоты - молекулярная цепочка хитозана». Растворение происходит при температуре 65-75°С, до рН 6,5-7,0 и с вовлечением равных количеств кислоты и хитозана (в г/л). Полученный экогель приобретает водорастворимую форму, которая наиболее удобна для «доставки» полезных свойств хитозана к обрабатываемому объекту.

Процесс растворения хитозана проводят при постоянном перемешивании смеси мешалкой. Циркуляция смеси в реакторе не менее 8-ми циклов в час обеспечивается диспергирующим насосом. При этом происходит циклическая перекачка смеси из нижней части в верхнюю, имеющую тангенциальный ввод, создавая тем самым постоянное вихревое движение потока массы.

Непрерывное перемешивание массы и вихревое движение ее потока способствуют в максимальной степени осуществить растворение хитозана в молочной кислоте, контакт массы с серебряными пластинами с целью обогащения его ионами серебра и провести магнитную обработку массы скалярным магнитным полем дискретной напряженности.

Обогащение экогеля ионами серебра до содержания в нем 7,5-10 мг/л позволяет получить биологически активный комплекс с дополнительными бактерицидными свойствами, а также позволяет обеспечить длительную сохранность полученного экогеля.

Магнитную обработку экогеля производят для придания молекулярным группам хитозана единой ориентации в пространстве подобно физическим диполям. В результате такой ориентации повышается показатель текучести БАК экогеля, который, в свою очередь, способствует ускорению проникновения сквозь природные бактериальные и биологические мембраны, создаваемые для своей защиты некоторыми видами растительных вредителей. Магнитная обработка экогеля дополнительно повышает его бактерицидные свойства и одновременно замедляет процесс образования накипи (солеобразования) на внутренних поверхностях как самого реактора, так и на системе его трубопроводов.

Выявлено, что совокупное действие используемых всех заявленных приемов и его технологических параметров позволяют повысить существующие бактерицидные свойства экогеля и придать ему новые дополнительные полезные свойства, т.е. имеет место проявления эффекта синергизма.

Предложенный способ иллюстрируется следующим примером.

Предварительно молочную кислоту разбавляют водой до значения рабочей концентрации 1,0-50 г/л (0,1-5,0%). Далее порошкообразный хитозан и разбавленную молочную кислоту (в соотношении 1:1) загружают в реактор и включают мешалку.

В одном рабочем цикле или для получения определенного объема экогеля - 500 л «участвует» заданное количество в г/л хитозана и разбавленной молочной кислоты. Растворение хитозана проводят при температуре смеси 65-75°С до получения гелеобразной массы с показателем рН 6,5-7,0, что осуществляется за 4 часа. При этом происходит непрерывное перемешивание смеси с созданием вихревого движения потока массы. Скорость вращения мешалки - 50 оборотов в минуту, кратность смены объема реактора в режиме циркуляции - не менее 8 циклов в час.

Реактор, в котором происходит процесс растворения, снабжен перфорированными серебряными пластинами с площадью поверхности каждой пластины 45000 мм². Обводной циркуляционный трубопровод имеет группу кольцевых постоянных магнитов, с остаточной индуктивностью 0,8-1,2 Тл, смонтированных друг от друга на некотором расстоянии.

«Серебрение» экогеля проводят до содержания в нем ионов серебра 7,5-10 мг/л.

Средства контроля технологического процесса в реакторе и его техническое оснащение доступны и не сложны.

После завершения рабочего цикла экогель (лактат хитозана) выгружают в приемные сборники, тестируют, упаковывают и отправляют потребителю.

Реактор загружают новой партией реагентов, и рабочий цикл получения определенного объема экогеля повторяется. Техническими результатами предлагаемого способа являются:

- простота технологического исполнения, поскольку весь процесс производства экогеля осуществляют в одном реакторе;

- использование дешевого, безвредного и всегда достаточно доступного реагента - молочной кислоты;

- использование недорогих, доступных физических приемов, а именно «серебрение» и магнитную обработку;

- снижение себестоимости производимого продукта минимум как в 2 раза по сравнению с продуктом, произведенным по известному способу;

- получение безвредного препарата (экогеля), обладающего повышенными по сравнению с известными БАК бактерицидными свойствами и имеющего длительный срок хранения без снижения основных функциональных свойств.

Выявлено, что в процессе получения экогеля при выше и ниже пределов технологических показателей, в частности концентрации молочной кислоты (ниже 1,0 г/л и выше 50 г/л), показателя температуры растворения хитозана в молочной кислоте (ниже 65°С и выше 75°С) и показателя концентрации ионов серебра в смеси (ниже 7,5 мг/л и выше 10 мг/л) имеет место снижение технических результатов.

Известна композиция на основе растворенного хитозана, включающая хитозан с метилжасмонатом. Композиция используется для индуцирования защитных систем растений, в частности для подавления галлообразования и уменьшения числа яиц в оотеке нематоды М. incognina, поражающей томаты (см. Васюкова Н.И., Зиновьева СВ. и др. // Прикл. биохим. микробиол. 2001, т.37, №1, с.115-122 или кн. Хитин и Хитозан, получение, свойства и применение. Под ред. акад. РАСХН К.Г.Скрябина и др., М., «Наука», 2002 г., стр.343).

Это средство обладает спектром фунгицидного (токсического) действия, которое проявляется в том, что оно разрушает клеточные покровы патогенов, препятствуя тем самым проникновению их в ткани растений. Однако практика показала, что оно является небезвредным как для растений, так и для окружающей среды.

Известна композиция на основе растворенного хитозана, содержащая, в об.%: хитозан - 0,1-10; глутаминовую кислоту - 0,1-10 при массовом соотношении хитозан: кислота=1:1 (см. патент США №4812159, 13.03.1987 г., опубликован 14.03.1989 г, МПК 4, С05G 1/00, С05G 3/00).

Указанный состав композиции не токсичен, но его существенным недостатком является то, что практически он используется только в качестве регулятора роста и не обладает многосторонней защитной функцией растений от возбудителей болезней.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предложенного состава биологически активного комплекса является известная биологически активная композиция на основе водных растворов хитозана, описанная в патенте РФ №2144768, А01N 43/16 от 15.06.1999 г.

Композиция включает, в мас.%: хитозан с ММ 800-50000 Д и степенью деацетилирования 70-90% - 0,1-0,3; молочную кислоту 0,07-0,21; янтарную кислоту 0,03-0,09; калий кремнекислый мета 0,02-0,06; диметилсульфоксид 0,01-0,03; вода - остальное, при рН раствора 6,0-6,5 и при соотношении хитозан: органическая кислота, в мас.ч., равном 1:1.

Недостатками указанного препарата являются:

- он обладает одним целенаправленным действием при защите растений, в частности против поражения пирикуляриозом культуры риса;

- он не может быть использован для защиты растений от нитчатых червей (нематод), различных видов грибов, бактерий и вирусов, т.е. это средство не участвует в индуцированной устойчивости многих защитных систем и не обеспечивает возможности адаптации патогенов к защищенным растениям;

- в его состав входят такие неорганические соединения, которые чужды естественному обмену веществ в растениях.

Задачей предлагаемого состава БАК экогеля является создание безвредного для окружающей среды комплекса на основе растворенного хитозана, обладающего системностью и продолжительностью защитного действия и использующегося в качестве:

- средства с многофункциональным защитным свойством;

- средства для защиты растений от нитчатых червей (нематод);

стимулятора жизнедеятельности полезных для растений видов бактерий, например Bacillus subtilis;

- элиситора (индуктора), участвующего в индуцированной устойчивости многих защитных систем растений.

Поставленные задачи достигаются тем, что предложенный состав представляет собой гель, обработанную магнитным полем и содержащую, в г/л: хитозан со степенью деацетилирования 75-88% - 1,0-50; молочную кислоту 1,5-50; ионы серебра - 7,5-10 мг/л и вода - остальное.

Хитозан - природный полисахарид - поли-(1-4)-2-ацетамидо-2-дезокси-Д-глюкопиранозид. В отечественной практике это вещество не гостировано и международные стандарты отсутствуют. Для приготовления экогеля используют хитозан, изготовленный из панциря креветок или крабов. Основные качественные характеристики исходного хитозана: степень деацетилирования, % - 75-88; динамическая вязкость, mPas - 150-600; влажность, % - 8-12; нерастворимый остаток, % - 2,0; зольность, % - 1,5; тяжелые металлы, ppm - 50.

Молочная кислота - природная органическая кислота (d-оксипропионовая кислота). Молочную кислоту используют в предложенном способе 40%-ной концентрации и отечественного производства. (ГОСТ 490-79).

Продуктом растворения сухого хитозана в разбавленной молочной кислоте является лактат хитозана в гелеобразной форме - экогель.

Используемая вода для растворения молочной кислоты должна отвечать нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». Разбавляют молочную кислоту до содержания ее в воде 0,1-5,0%-ной концентрации в пересчете на 100%-ную кислоту (1,0-50 г/л). Вода способствует повышению текучести экогеля и позволяет использовать его с требуемой концентрацией в нем активного вещества - лактата хитозана (продукта растворения хитозана в молочной кислоте).

Содержание в экогеле ионов серебра, равном 7,5-10 мг/л, позволяет расширить его функциональных свойства, а также повысить его срок хранения.

Обработка биологически активного комплекса магнитным полем позволяет снизить поверхностное натяжение жидкости, повысить его текучесть и придать полученному экогелю также полезные дополнительные свойства, направленные на защиту растений.

Экогель - легкоподвижная, прозрачная, от бесцветного до желтого цвета гель (жидкость), без запаха и представляет собой магнитоструктурированную коллоидную систему, включающую: хитозан, молочную кислоту, ионы серебра и воду.

Выявлена высокая эффективность экогеля в борьбе с нитчатыми червями (нематодой), поражающими овощные культуры, выращиваемые по технологии защищенного грунта.

Механизм действия экогеля следующий: при контакте с ним вокруг корней растений и отдельных особей, например нематоды, образуются тонкие пленки, т.е. происходит капсулирование части галловых нематод и их яиц и последующая их гибель. Одновременно экогель оказывает благоприятное воздействие на экологическую обстановку, стимулирует развитие хищных и паразитических грибов, уничтожающих личинок нематод и их яйца. Помимо бактерицидного прямого действия экогель имеет также свойства иммуностимулятора растений, обеспечивающего повышение сопротивляемости растений вредным воздействиям внешней среды.

Определено, что наличие в экогеле ионов серебра (7,5-10 мг/л) и его магнитная обработка придают образуемым пленкам дополнительную прочность и повышают его бактерицидную активность, а отсутствие - снижают бактерицидное действие. При этом выявлено, что при выше- и нижеуказанных пределов показателей используемых реагентов в составе экогеля эффект защиты растений снижается.

Предложенный экогель получают способом, раскрытым в данном изобретении.

В реактор, который снабжен специальной мешалкой, перфорированными серебряными пластинами и группой кольцевых постоянных магнитов, имеющих остаточную индуктивность 0,8-1,2 Тл, вводят порошкообразный хитозан и предварительно разбавленную молочную кислоту. Реагенты вводят в соотношении 1:1. Растворение хитозана в молочной кислоте осуществляют при температуре, равной 65-75, в течении 4 часов, до рН 6,5-7. Смесь в реакторе непрерывно перемешивается, причем таким образом, что создается вихревое движение потока массы. «Серебрение» экогеля проводят до содержания в нем ионов серебра 7,5-10 мг/л.

Проведено сравнение по обработке растений известным БАК (по прототипу), предложенным экогелем и простой водой и выявлено, что предлагаемый экогель существенно повышает их урожайность по сравнению с контрольными препаратами. Показатели по увеличению урожайности представлены в таблице 1

Таблица 1 Показатели повышения урожайности растений после обработки их разными препаратами
Используемый препарат	Урожайность, кг/м кв.	Повышение урожайности, кг/ м.кв.
БАК (по прототипу)	32,1	0,5
Экогель	35,7	4,1
Вода	31,6	-

Испытания были проведены на защищенном грунте, на почве (площадью размером 60 м²), в «полевых» условиях, в изоляции от остальной почвы. Выделенная площадь почвы была разделена на три изолированные секции, каждая из которых была обработана разными препаратами.

Как следует из таблицы 1, показатель повышения урожайности растений значительнее выше при обработке их предлагаемым экогелем по сравнению с контрольными препаратами.

Испытания экогеля в качестве нематицидного препарата и контрольных (БАК по прототипу и вода), причем в равных условиях, проводили на растениях томата (сорт «Роматос»). Обработку проводили непосредственно перед посадкой растений путем полива почвы водным раствором экогеля и дополнительного подлива раствора под корень растений на том же участке на 15-й день вегетации.

Водный раствор экогеля готовили в пропорции 1:15 (одна весомая часть экогеля и 15 весомых частей воды). Полив осуществляли равномерно по всей площади выделенного участка секции в количестве 12 л водного раствора на 1 м² площади грунта. Подлив под корень вегетирующих растений осуществляли водным раствором экогеля той же концентрации из расчета 0,75 л водного раствора на одно растение.

Целью испытаний ставилось определение эффективности нематицидного действия предложенного экогеля в сравнении с препаратом-прототипом и водой на примере галловой нематоды (Meloidogyne incognita) - источника заболевания растений - мелойдогиноза. Для испытаний использовали почву, не подвергавшуюся пропарке или обработке химическими нематицидами, и после удаления с нее остатков ранее выращиваемых в ней растений. Определение балла зараженности проводилось на каждом из выделенных участков опытной секции на момент начала плодоношения. Результаты испытаний представлены в таблице 2

Таблица 2 Показатели зараженных растений, в %, обработанных разными препаратами
Используемый препарат	Количество растений	Зараженные растения, в %
		Балл заражения
1	2	3	4
По прототипу	20	-	-	40	60
Экогель	20	20	50	30	-
Вода	20	-	-	-	100

Как следует из таблицы 2, выявлено стабильное увеличение устойчивости растений к галловой нематоде при применении предложенного состава экогегеля (балл заражения 2-3) по сравнению с контрольными препаратами (балл заражения преимущественно 4).

Для сравнения продолжительности защитного действия предлагаемого экогеля в сравнении с БАК по прототипу и водой было проведено повторное определение балла зараженности растений томата галловой нематодой через 1,5 месяца после начала плодоношения (приблизительная середина периода плодоношения). Полученные результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 Показатели зараженных растений, в %, обработанных разными препаратами через 1,5 месяца
Используемый препарат	Количество растений	Зараженные растения в %
		Балл заражения
1	2	3	4
По прототипу	20	-	-	20	80
Экогель	20	10	40	40	10
Вода	20	-	-	-	100

Из таблицы 3 следует, что при обработке растений разными препаратами через 1,5 месяца предложенный экогель обладает большей устойчивостью по защитным свойствам растений по сравнению с контрольными препаратами.

1. Способ получения биологически активного комплекса - экогеля на основе хитозана, характеризующийся тем, что хитозан со степенью деацетилирования 75-88% растворяют в водном растворе молочной кислоты в соотношении хитозана к молочной кислоте 1:1, при температуре 65-75°С, до рН 6,5-7,0 при постоянном перемешивании и с вихревым движением потока массы, при насыщении ее ионами серебра до 7,5-10 мг/л и при магнитной обработке.

2. Состав биологически активного комплекса для защиты сельскохозяйственных растений, характеризующийся тем, что он представляет собой гель, обработанный магнитным полем и содержащий, г/л:

хитозан со степенью деацетилирования 75-88%	1,0-50
молочная кислота	1,0-50
ионы серебра, мг/л	7,5-10
вода	остальное