Способ выращивания зеленых гидропонных кормов с использованием наноматериалов

Изобретение относится к сельскохозяйственному производству. Способ осуществляют путем обработки семян электрохимически активированным катодным раствором наночастиц сплава железа и кобальта в процентном соотношении соответственно 70 на 30. Лабораторные испытания показали высокую эффективность влияния этого комплекса при концентрации 0,001 мас. %. Способ позволяет повысить активацию прорастания семян и урожайность. 2 табл.

 

Изобретение относится к сельскохозяйственному производству и может быть использовано для активации произрастания семян и повышения урожайности в системе выращивания кормовых культур методами аэропоники и гидропоники.

Способ осуществляют путем обработки семян электрохимически активированной катодной водной суспензией наночастиц сплава железа и кобальта в процентном соотношении соответственно 70 на 30. Лабораторные испытания показали высокую эффективность влияния этого коплекса при концентрации 0,001 мас. %

Взаимодействие наночастиц металлов с растениями сопровождается их встраиванием в мембраны, проникновением в клетки и клеточные органеллы, взаимодействием с нуклеидными кислотами и белками, что существенно изменяет функции различных биологических структур [1, 2, 3, 4]. При этом на фоне многочисленных форм влияния наночастиц [5, 6, 7] некоторые из них находят практическое применение для предпосевной обработки семян и в качестве микроудобрений [1, 8, 9].

Используя достижения нанотехнологии с применением совместно с методом активации проращивания семян путем их обработки электрохимически активированной (ЭХА) водой - католитом, образующимся в катодной зоне диафрагменного электролизера, который обладает биостимулирующим действием, предоставляется возможность значительно повысить выход и питательность зеленых гидропонных кормов (ЗГК) [10, 11, 12, 13, 14].

Многочисленные исследования показали, что аэроионная активация семян и вегетативной массы повышает продуктивность и качество ЗГК [17, 18, 19].

Оценка влияния микроэлементов Fe и Со в форме ионов минеральных солей и наночастиц сплава Fe×Со в тесте прорастания семян ячменя при аэрогидропонном выращивании ЗГК проводилось на модернизированной модели проращивателя «Здоровья КЛАД» производства фирмы ООО «Стексель» [15].

Использование стабилизированной желатином электрохимически активированной катодной воды с pH 7-8 и Eh=-350…-400 мВ увеличивает в 2,3-3,4 раза энергию прорастания семян по сравнению с обычной водопроводной водой. Основные агротехнические процессы выращивания представлены в табл.1.

Отличительной особенностью этой технологии является то, что проводится аэрогидропонная активация пузырьков воздуха после прохождения через слой стабилизированного катодного раствора.

В качестве стабилизатора использовался пептид, представленным желатином (ТУ 9219-011-99205730-08) в концентрации не менее 0,01 мас. %, что гарантировало сохранность его свойств суспензии pH 8 и Eh=-350…-400 мВ при проведении эксперимента, кроме того, раствор демонстрирует противомикробную и противогрибковую активность [14, 16].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ предпосевной обработки семян стабилизированной электрохимически активированной катодной водной суспензией наночастиц железа [14].

При гидропонном выращивании зеленых кормов преимущество признано за фуражной культурой - ячменем [21].

Материалом для эксперимента были взяты семена ячменя сорта «Донецкий 8», качество их соответствовало первому классу ГОСТ 10469-76.

Режим выращивания: влажность корневой зоны ЗГК на уровне 80-90%, суточный расход воды из емкости увлажнения 300-350 мл/сут.

Применение питательного раствора не предусмотрено.

В свою очередь использование стабилизатора [5] обеспечило длительную сохранность полезных свойств катодного раствора в течение всего периода выращивания уже зеленых проростков (7-8 сут) по показателю рН на уровне 89-92%, Eh - 71,4%.

При проведении исследования использованы наночастицы Fe и Со, полученные методом высокотемпературной конденсации на установке «Ми-Ген» как сферические образования размером 62,5±0,6 нм. В свою очередь использование методов рентгеновской дифрактометрии идентифицировало на поверхности наночастиц оксидные пленки, составляющие 4-15% от их массы [20].

При оценке влияния сплава наночастиц Fe×Со при выращивании ЗГК проводилось в сравнении с влиянием обработок семян ячменя ЭХА катодными водными растворами, содержащими соответственно ионы Fe и Со сернокислых соединений FeSO₄⋅7Н₂О и CoSO₄⋅6H₂O. Раздел на ионные фракции растворов осуществлялся на биоэлектроактиваторе ЭСПЕРО-1 (табл. 1).

Концентрация ионов Fe и Со и наночастиц сплава Fe×Со определялась нами на основании данных авторов из ранее проведенных работ. Так концентрация наночастиц Fe и Со 0,001 мас. % положительно влияла как на энергию прорастания, так и на лабораторную всхожесть семян. Увеличение концентрации до 0,01 мас. % приводило к подавлению прорастания даже по сравнению с контролем [1, 14].

На этом основании нами определена при лабораторных опытах концентрация ионов Fe и Со и наночастиц сплава Fe×Со - 0,001 мас. % (табл. 2).

Исследования химического состава и питательности ЗГК из зерна ячменя проводились в «Испытательном центре ФГБНУ ВНИИМС», г. Оренбург (аттестат аккредитации №РОСС RU. 0001.21 ПФ59 от 19.05.2001 г.).

Анализ данных по всем вариантам эксперимента показал высокую продуктивность ЗГК, однако влияние действия наночастиц сплава Fe×Со (II вариант) превосходил показатели по содержанию протеина в среднем на 5,2%, кормовых единиц на 15,4% и каротина на 33,7% (табл. 2).

Предпосевная обработка семян ячменя (I, II, III и IV варианты) вызвала глубокие качественные и количественные изменения белкового состава корма, при этом наночастицы Fe и Со (II вариант) в качестве биостимуляторов обменных процессов активнее участвуют в окислительно-восстановительных процессах, способствуют образованию и накоплению хлорофилла, каротина и жиров и при дозировке в растворе 0,001 мас. % предоставляют возможность одновременного восполнения в корме этих несовместимых элементов-антагонистов и повышают урожайность по сухому веществу корма на 2% (табл. 2).

Кобальт, взаимодействуя с железом, вызывает синергический эффект, способствует включению железа в состав цитохромов, нуклеиновых кислот и белков, играющих основную роль в процессе фотосинтеза, что сопоставимо с имеющимися литературными сведениями [23, 24, 25].

Из вышесказанного свидетельствует, что выращивание ЗГК с использованием наночастиц комплекса железо-кобальт при предпосевной обработке - замачивании семян ячменя в ЭХА католите и последующей аэрогидропонной активацией семян и вегетативной массы способствует повышению урожайности корма, благодаря положительному влиянию на образование и накопление хлорофилла, на синтез и накопление сахаров и жиров, прочность связей с белком. Наночастицы, как биостимуляторы обменных процессов, вызывают качественные и количественные изменения белкового состава корма.

Список использованной литературы

1. Виноградова Д.Л., Малышев Р.А., Фолманис Г.Э. Экономические аспекты применения нанотехнологий в земледелии / Под общ. редакцией Г.В. Павлова. - М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 2005, с. 8-34.

2. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Активация прорастания семян ультрадисперсными порошками железа // Достижения науки и техники АПК. 2001. №9. С. 7-8.

3. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006. 124 с.

4. Nel. A.E., Madler L., Velegol D., Xia Т., Hoek E.M., Somasundaran P., Klaessig F., Castranova V., Thompson M. Understanding, biophysicochemical interactions at the nano-bio interface // Nat. Mater. 2009, Vol. 8, P. 543-557.

5. Дерябина Т.Д. Оценка безопасности ионов, нано- и микрочастиц железа и меди в тесте прорастания семян Triticum aestivum // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011, №12 (131), с. 386-389.

6. Soenen S.J., Himmelreich U., Nuytten N., De Cuyper M. Cytotoxic effects of iron oxide nanoparticles and implications for safety in cell labeling // Biomaterials. 2011, Vol. 32(l), P. 195-205.

7. Mahmoudi M., Hofmann H.,, Rothen-Rutishauser В., Petri-Fink A. Assessing the in. vitro and in vivo toxicity of superparamagnetic iron oxide nanoparticles // Chem. Rev. 2012, Vol. 112(4), P.2323-2338.

8. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006, 124 с.

9. Райкова А.П., Паничкин Л.А., Райкова Н.Н. Исследования влияния ультрадисперсных порошков металлов, полученных различными способами, на рост и развитие растений // Материалы Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии и информационные технологии - технологии 21 века». М., 2006, с. 118-123.

10. Бутко М.П., Фролов B.C., Титанов B.C. Применение электрохимически активированных растворов хлорида натрия для санации объектов АПК. - Веткорм, №1, 2007 г. - С. 25-27.

11. Джурабов М. Применение электроактивированной воды в сельском хозяйстве. - Механизация и электрификация сельского хозяйства, №11, 1986 г. - С. 51-53.

12. Калунянц К.А., Кочеткова А.А., Сушенкова О.А., Садова А.И., Филатова Т.В. Интенсификация технологических процессов обработки зерна электрохимическим воздействием // Совещание по электрохимической активации сред. Тезисы докладов. - Всесоюзное химическое общество им. Д.И. Менделеева, 1987. - С. 83.

13. Патент на изобретение №2429592 РФ. Способ выращивания гидропонных кормов / С.А. Мирошников, Т.Д. Дерябина и др. Опубл. 27.09.2010.

14. Заявка на изобретение №2014149835 РФ. Способ предпосевной обработки семян / С.А. Мирошников, Е.А. Сизова и др. Дата поступления 09.12.2014.

15. Патент на полезную модель №152402 РФ Установка для выращивания гидропонных зеленых кормов / А.В. Харламов, Н.Н. Докина и др. Опубл. 27.05.2015.

16. Патент на изобретение №2234945 РФ. Стабилизатор водного раствора и водосодержащего сырья с самопроизвольно изменяющимися окислительно-восстановительными свойствами / В.М. Дворников. Опубл. 27.08.2004.

17. Чижевский А.Л. Аэроионофикация в народном хозяйстве. - М.: Госпланиздат, 1960. - 758 с.

18. Патент на изобретение №2349071 РФ. Способ обработки озимой пшеницы / Э.А. Александрова, Р.М. Герчаулова и др. Опубл. 20.03.2009.

19. Патент на изобретение №2349072 РФ. Способ некорневой подкормки озимой пшеницы / Э.А. Александрова, Р.М. Герчаулова и др. Опубл. 20.03.2009.

20. Жиган А.Н., Лейпунский И.О., Кусков М.Л. и др. Установка для получения и исследования физико-химических свойств наночастиц металлов. - Приборы и техника эксперимента, №6, 2000, с. 12.

21. Давтян Г.С., Бабаханян М.А. Непрерывное гидропоническое производство свежего травяного корма и эффективность его применения. - Ереван, Изд-во АН Арм. ССР, 1977. - С. 71.

22. Нормы и рационы кормления сельскохозяйственных животных. Справочное пособие. 3-е издание переработанное и дополненное / Под ред. А.П. Калашникова, В.И. Фисинина, В.В. Щеглова, Н.И. Клейменова. - М., 2003. С. 432-433.

23. Пейве Я.В. Руководство по применению микроудобрений. - М.: Сельхозиздат, 1963. - С. 201-209.

24. Патент на изобретение №2517228 РФ. Способ производства корма для рыб / А.Е. Аринжанов, Е.П. Мирошникова и др. Опубл. 27.05.2014.

25. Ягодин Б.А. Кобальт в жизни растений. М.: «Наука», 1970. - С. 13, 55, 72, 292, 297.

26. Кругляков Ю.А. Оборудование для непрерывного выращивания зеленого корма гидропонным способом. - М.: ВО «Агропромиздат», 1981. - С. 13.

Способ выращивания зеленых гидропонных кормов с использованием наноматериалов, включающий предварительную обработку семян электрохимически активированной катодной водной суспензией наночастиц металлов, отличающийся тем, что при предварительной обработке - замачивании семян в электроактивированном католите в течение 10-15 мин используются наночастицы комплекса железо-кобальт размером 62,5±0,6 нм, синтезированного методом высокотемпературной конденсации на установке Ми-ген-3 при процентном соотношении железа к кобальту, равном 70 на 30, и вводится в дозировке к раствору при замачивании 0,001 мас. %, при этом при аэрации корневой системы и непосредственно растений в течение их вегетации используется электрохимически активированная катодная вода с рН 7-8 и Eh=-350…-400 мВ, стабилизированная желатином в концентрации не менее 0,01 мас. % при постоянном ее принудительном барботаже кислородом воздуха.