Биологическая активность цитрусового пектина, сукцината хитозана и их производных в качестве пленкообразующих компонентов композиций для предпосевной обработки семян

DOI:

В сельском хозяйстве становится все более актуальным применение экологически безопасных и эффективных средств защиты и регуляторов роста растений. Одним из наиболее эффективных способов защиты растений является метод индуцирования их устойчивости к внешним неблагоприятным условиям и болезням. Особенно перспективны в этом плане биогенные стимуляторы, в том числе природные полисахариды (пектины, хитозан и их производные) [1].

Так, пектины вместе с другими компонентами клеточных стенок растений обеспечивают их прочность и растяжимость, предохраняют растения от высыхания, обеспечивая засухоустойчивость и морозостойкость, выполняют защитную роль во взаимоотношениях растений с фитопатогенами, способствуют ликвидации повреждений и выходу растения из состояния стресса. Их макромолекулы являются определяющими в прорастании семян и роста растений, в созревании и хранении овощей и фруктов, а структура может существенно меняться в процессе роста и развития растения.

Хитозан и его производные также обладают широким спектром биологических эффектов: антибактериальной, фунгицидной, адсорбционной активностью, антиоксидантными свойствами [2; 6; 8–12; 14–20; 22–23].

Наибольший интерес вызывает использование пектинов, хитозана и их производных в качестве пленкообразующей основы композиций для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур. Несомненно, что главным препятствием для применения хитозана в составе композиции для предпосевной обработки семян является его плохая растворимость в воде. Этого недостатка лишены низкомолекулярные полимергомологи хитозана, а также карбокси-метилированные, сукцинилированные производные, четвертичные аммонийные соли хитозана, растворимые при рН выше 7–8 [3].

Следовательно, целесообразным является сравнительное исследование различных способов деструкции цитрусового пектина и сукцината хитозана (далее – СХТЗ) для получения низкомолекулярных гомологов, и последующее изучение влияния продуктов деструкции на энергию роста семян сельскохозяйственных растений.

Методология проведения работы

В работе использованы образцы цитрусового пектина (ГОСТ 29186-91) со степенью этерификации 70 % и СХТЗ (ТУ 9284-02711734126-08) с М.м. = 207 кДа и степенью замещения 75 % производства ЗАО «Бипрогресс» (Щелково, Россия).

Динамическую вязкость растворов пектина (концентрация 1 г/дл), СХТЗ (концентрация 2–5 г/дл) в воде и продуктов деструкции измеряли на реометре Haake Mars II (Thermo Fisher, Германия) при 200 °С в режиме постоянного напряжения сдвига со скоростью сдвига от 0,1 до 100 с-1.

Радикально-цепную деструкцию пектина и СХТЗ осуществляли в присутствии 0,2 % пероксида водорода при температуре 65– 70 °С в течение 3,5–4 часов.

Кислотный гидролиз пектина и СХТЗ проводили в присутствии 0,05 н раствора соляной кислоты при до 65–70 °С в течение 3,5– 4 часов.

Исследование влияния растворов пектина и СХТЗ и продуктов их деструкции на энергию роста семян проводили на примере семян пшеницы сортов «Экада-70» и «Башкирская», предоставленных отделом биологических испытаний Научно-исследовательского технологического института гербицидов и регуляторов роста растений (г. Уфа). Методика эксперимента: в чашки Петри помещали бумажный фильтр, затем заливали необходимым для опыта количеством жидкости и раскладывали сухие семена зерновых культур. В контрольном опыте использовалась вода. Количество жидкости зависит от размера семян – от 4 до 8 мл. Длительность опытов составляла 3 дня. Повторность каждого варианта 3-кратная.

Результаты работы

Для получения низкомолекулярных гомологов пектина и СХТЗ, обладающих лучшей растворимостью в водных средах по сравнению с исходными полисахаридами, проведено сравнительное исследование различных способов деструкции растворов пектина и СХТЗ. Установлено, что динамическая вязкость растворов пектина и СХТЗ и в случае кислотного гидролиза, и в случае радикально-цепной деструкции резко уменьшается в первые 60– 70 мин процесса (рис. 1, 2). Изменение динамической вязкости, которое для растворов пектина и ряда его производных в области малых концентраций обычно коррелирует с изменением молекулярной массы, подчиняется уравнению первого порядка [7; 13].

Рис. 1. Зависимость наибольшей динамической вязкости при 200 °С для 5 %-го раствора СХТЗ от времени процесса деструкции в присутствии 0,01 моль/л Н2О2 при 65–70 °С

Рис. 2 Зависимость наибольшей динамической вязкости при 200 °С для 5 %-го раствора СХТЗ от времени процесса кислотного гидролиза в присутствии 0,05 н НCl при 65–70 °С

Оптимальная концентрация продуктов деструкции пектина и СХТЗ в составе пленкообразующей композиции для предпосевной обработки семян определена по результатам биологических испытаний в пределах концентраций пленкообразующей основы от 10–1 до 10–4 г/л (рис. 3, 4). Обработанные семена пшеницы высевались в чашки Петри диаметром 15 см по 20 семян в каждый [3–5]. В течение трех дней проводились визуальные наблюдения (табл. 1).

1,5

30 60 90 120150180 210 240 270

1,МИН

Рис. 3. Зависимость наибольшей динамической вязкости при 200 °С для 1 %-го раствора пектина от времени процесса деструкции в присутствии 0,01 моль/л Н2О2 при 65–70 °С

0,3

0   20 40 60 80 100

т, мин

Рис. 4. Зависимость наибольшей динамической вязкости при 200 °С для 1 %-го раствора пектина от времени процесса кислотного гидролиза в присутствии 0,05 н НCl при 65–70°С

Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что производные пектина и СХТЗ стимулируют начальные процессы роста растений

Таблица 1

Влияние пектина, СХТЗ и продуктов их деструкции на энергию роста семян пшеницы

Пленкообразующая основа Концентрация в рабочем растворе, г/л Длина стебля, см Длина корня, см Всхожесть семян, % Зараженность семян, % Контроль (дистиллированная вода) – 3,3 ± 0,2 6,3 ± 0,7 82 ± 6,3 23 ± 5,2 Цитрусовый пектин 0,1 1,8 ± 0,1 1,1 ± 0,2 35 ± 5,1 18 ± 4,8 0,01 6,6 ± 0,3 11,9 ± 1,6 87 ± 8,9 6 ± 2,1 0,001 5,5 ± 0,7 9,7 ± 0,9 87 ± 4,6 23 ± 7,4 0,0001 4,2 ± 0,4 6,2 ± 0,8 83 ± 6,7 10 ± 3,6 Продукт кислотного гидролиза цитрусового пектина 0,1 2,5 ± 0,2 1,9 ± 0,4 70 ± 2,8 0 ± 0 0,01 6,6 ± 0,8 9,0 ± 1,2 78 ± 9,5 3 ± 0,9 0,001 9,0 ± 1,3 12,0 ± 1,5 87 ± 5,1 5 ± 1,3 0,0001 6,7 ± 1,1 9,2 ± 1,6 78 ± 7,0 1 ± 0,2 Продукт кислотного гидролиза СХТЗ 0,1 3,9 ± 0,4 5,0 ± 0,9 82 ± 6,2 0 ± 0 0,01 3,0 ± 0,2 4,0 ± 0,3 72 ± 8,4 3 ± 1,1 0,001 4,5 ± 1,1 8,8 ± 0,8 92 ± 9,3 0 ± 0 0,0001 4,3 ± 0,6 5,8 ± 1,1 85 ± 5,6 0 ± 0 Продукт радикально-цепной деструкции цитрусового пектина 0,1 0 ± 0 0 ± 0 0 ± 0 25 ± 7,4 0,01 6,0 ± 1,2 8,5 ± 0,7 88 ± 10,1 1 ± 0,4 0,001 5,9 ± 0,5 8,1 ± 0,9 87 ± 9,4 1 ± 0,1 0,0001 4,8 ± 0,2 6,3 ± 1,0 85 ± 4,9 1 ± 0,6 Продукт радикально-цепной деструкции СХТЗ 0,1 0 ± 0 0 ± 0 0 ± 0 15 ± 2,9 0,01 5,5 ± 1,4 9,6 ± 1,4 82 ± 3,6 11 ± 3,2 0,001 5,4 ± 0,8 8,3 ± 0,8 87 ± 4,2 6 ± 0,8 0,0001 6,1 ± 1,6 8,7 ± 1,3 78 ± 8,9 13 ± 3,9 пшеницы, значительно увеличивая всхожесть семян, в сравнении с контрольным вариантом, где семена обрабатывались водой.

Установлено, что 0,001 %-е растворы продуктов деструкции пектина и СХТЗ оказывают положительное влияние на энергию роста семян пшеницы сортов «Экада-70» и «Башкирская».

Выводы

Таким образом, результаты предварительных биологических испытаний продуктов деструкции пектина и СХТЗ показали их положительное влияние на энергию роста семян пшеницы сорта Экада-70, следовательно, их можно рекомендовать в качестве пленкообразующей основы композиций для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур.