Использование органических биоресурсов для обеспечения посевных качеств зерна пшеницы
Бесплатный доступ
Разработка новых видов органических удобрений является актуальным направлением в настоящее время, поскольку позволяет повысить урожайность сельскохозяйственных культур и снизить затраты на ведение агротехнических процессов. В этой связи активно развиваются инновационные направления формирования линейки продукции на основе различных биоресурсов в рамках решения задач нацпроекта «Технологическое обеспечение биноэкономики». Успешность разрабатываемых технологических решений возможно обеспечить на основе применения методов моделирования на этапе прогнозирования эффективности для решения конкретной задачи. Целью данного исследования является осуществление квантовохимического моделирования органических биоресурсов для прогнозирования их эффективности и полезности для посевных качеств зерна пшеницы. Объектом исследований был определен гумат калия – это органические калийные соли гуминовых кислот, получаемые из природного сырья (торфа, бурого угля, сапропеля), для которого были проведены квантовохимические расчеты с использованием программного пакета Gaussian 16, что послужило основанием для изучения возможных молекулярных взаимодействий гумата калия, гуминовой кислоты с клейковинными белками на примере глиадина зерна пшеницы, а также некоторых их комбинаций. Оценивались такие показатели, как локализация молекулярных орбиталей HOMO и LUMO, размер энергетического зазора HOMOLUMO. Результаты исследования демонстрируют оптимальный размер энергетического зазора HOMOLUMO для гуминовых кислот/ глиадина, который составляет 6,372 eV, что характерно для высокой кинетической стабильности молекулы. Порученные данные будут полезны для дальнейшего создания новых форм органических удобрений на основе возобновляемых биоресурсов для корректировки посевных качеств зерновых культур.
Органический биоресурс, гумат калия, гуминовые кислоты, зерно пшеницы, квантово-химическое моделирование, сельское хозяйство
Короткий адрес: https://sciup.org/147252432
IDR: 147252432 | УДК: 633.13:631.82-027.236 | DOI: 10.14529/food250410
Use of organic bioresources to ensure the sowing qualities of wheat grain.
The development of new types of organic fertilizers is currently a pressing area, as it allows for increased crop yields and reduced agricultural costs. In this regard, innovative approaches to developing a product line based on various bioresources are actively being pursued as part of the national project «Technological Support for the Bioeconomy». The success of developed technological solutions can be ensured by applying modeling methods at the efficiency prediction stage for solving a specific problem. The aim of this study is to conduct quantumchemical modeling of organic bioresources to predict their efficiency and effectiveness for sowing wheat grain. The object of this study was potassium humate – organic potassium salts of humic acids obtained from natural raw materials (peat, brown coal, sapropel). Quantumchemical calculations were performed using the Gaussian 16 software package. This served as the basis for studying the possible molecular interactions of potassium humate, humic acid, and gluten proteins, using wheat grain gliadin as an example, as well as some of their combinations. Parameters such as the localization of the HOMO and LUMO molecular orbitals and the HOMOLUMO energy gap were evaluated. The study results demonstrate that the optimal HOMOLUMO energy gap for humic acids/gliadin is 6.372 eV, which is characteristic of the molecule's high kinetic stability. The obtained data will be useful for the further development of new forms of organic fertilizers based on renewable bioresources for adjusting the sowing properties of grain crops.
Текст научной статьи Использование органических биоресурсов для обеспечения посевных качеств зерна пшеницы
Введение
На сегодняшний день разработка и внедрение новых биоресурсов является не просто актуальным направлением, а стратегической необходимостью для восстановления почв, производства безопасных продуктов питания и обеспечения долгосрочной продовольственной безопасности. Органические биоресурсы выступают как эффективная взаимосвязь между устойчивым и интенсивным, экологически ответственным земледелием. В этой связи активно развиваются следующие инновационные направления, к которым относятся удобрения с контролируемым высвобождением питательных веществ, наноформулы и микроэлементы позволяют питательным веществам быстрее и эффек- тивнее проникать в клетки растений, специализированные формулы для сельскохозяйственных культур и условий климата, биоми-неральные комплексы.
Разработка гуматов является важным направлением развития современного агропромышленного комплекса, поскольку позволяет использовать природные соединения, не оказывающие негативного воздействия на экосистемы. Стоит отметить, что гуматы являются биологически активными регуляторами роста и улучшителями структуры почвы, обеспечивающими комплексное улучшение агроэкосистем. Действие гуматов, направленное на повышение качества сельскохозяйственной продукции, основано на комплексе процессов: интенсификации фотосинтеза, стимуляции ферментной активности и метаболизма, а также увеличении проницаемости клеточных мембран [1, 5, 7].
Однако существует также необходимость вулучшении гуматов для повышения их эффективности и использования в сельском хозяйстве. Современные технологии позволяют производить органические биоресурсы с улучшенными свойствами.
Гумат калия используется для различных культур, дозировка внесения зависит от вида, стадии её развития, а также от состава и структуры почвы. Гуматы калия – это органические калийные соли гуминовых кислот, получаемые из природного сырья (торфа, бурого угля, сапропеля). Таким образом, для зерна пшеницы биоресурс гумат калия может использоваться для предпосевной обработки семян стимулирования корнеобразования и другие физиологические процессы [6].
Для улучшения свойств гуматов и повышения их эффективности, а также полезности на этапе прогнозирования могут применяться методы квантово-химического моделирования. Данные методы моделирования могут использоваться для создания энергоэффективных удобрений и минимизирования нагрузки углеродных выбросов, таким образом возможно создавать базы данных по энергиям образования металлоорганических веществ, а также нахождению наиболее выгодных и экономичных способов получения солей металлов. Также стоит отметить, что моделирование позволит оптимизировать и определить свойства комплекса и установить их энергетически выгодное взаимодействие и химическую стабильность [2].
Цель данного исследования – осуществление квантово-химического моделирования органических биоресурсов для прогнозирования их эффективности и полезности для урожая зерна пшеницы.
Объекты и методы исследования
Для изучения приближённого описания связывания в молекулах, численного моделирования конфигурации молекул гумата калия, а также одного из основных компонентов гуминовой кислоты, глиадина зерна пшеницы, а также их комплекса проводились квантовохимические расчеты с использованием программного пакета Gaussian 16. В исследованиях использовался метод Ground state Hartree-Fock с применением базисного набора 3-21G/ RB3LYP. Исходные данные о гумате калия, гуминовой кислоте и глиадине зерна пшеницы для квантово-химических расчетов были получены при помощи баз данных PubChem и PDB.
В рамках исследования учитывались такие показатели, как локализация молекулярных орбиталей HOMO и LUMO, размер энергетического зазора HOMO-LUMO (далее HOMO-LUMO gap). Затем осуществлялась статистическая обработка полученных данных квантово-химических расчётов молекул и их комплексов [10].
Результаты и их обсуждение
На первом этапе исследования была проведена оптимизация геометрии молекул гума-та калия, гуминовой кислоты и глиадина зерна пшеницы как по отдельности, так и в комплексе для последующих квантово-химических расчетов. Локализация молекулярных орбиталей молекул и их комплексов представлена в таблице. Под молекулярной орбиталью понимается математическая функция, описывающая волновое поведение одного электрона в молекуле.
Молекулярная орбиталь определяет прочность связи через порядок связи. Таким образом, чем больше порядок связи, тем прочнее связь между двумя атомами. В связи с этим увеличение избытка связывающих электронов приводит к увеличению энергии связи (прочности связи). Показатель HOMO-LUMO gap связан с прочностью молекулярной связи, который определяет разницу в энергии между самой высокой занятой молекулярной орбиталью (HOMO) и самой низкой незанятой молекулярной орбиталью (LUMO) в молекуле.
Показатель HOMO-LUMO gap для всех составляющих компонентов (молекул) по отдельности составляет: гумат калия – 5,103 (eV/ ед. измерения электронвольты), гуминовые кислоты – 6,318 eV, глиадин – 5,778 eV. Таким образом, гуминовые кислоты обладают более высокой кинетической стабильностью молекулы и низкой химической реактивностью [2, 3].
При анализе молекулярных орбиталей HOMO и LUMO белково-лигандного комплекса, состоящего из гумата калия/ глиадина, а также гуминовой кислоты/ глиадина наблюдаются как связывающие, так и разрыхляющие орбитали. HOMO-LUMO gap для комплексов гумата калия/ глиадина составляет
Локализация молекулярных орбиталей HOMO и LUMO компонентов и белково-лигандного комплекса
полезен для дальнейшего изучения и прогнозирования силы взаимодействия гумата калия, а также гуминовых кислот с белками зерна пшеницы для получения новых форм и комбинаций органических биоресурсов.
