Полимерные субстраты для высева семян сельскохозяйственных культур

Вве^ение. Современные тенденции, ориентированные на защиту окру^ающей среды и «зеленые» биотехнологии, обусловливают все более широкое применение биоразрушаемых материалов в агросекторе [1-3]. Это особенно актуально для растениеводства, в котором используют материалы, значительная часть которых попадает в почву непосредственно в процессе их использования, минуя стадии сбора, сортировки и переработки.

Применение «умных» функциональных полимерных субстратов для выращивания сельскохозяйственных культур, особенно в селекции, где используется наиболее дорогой и ценный семенной материал, способствует развитию области эффективного растениеводства страны.

Полилактид термопластичный полимер, получаемый из возобновляемых источников сырья: отходов зернового, свекловичного производства (рис. 1) [4].

—>Сахар

Ферментация

Молочная кислота

Производство мономеров

4г Лактид

Модификация ( полимеров

ПМК <-

Производство полимеров

Рисунок 1 – Схема получения полилактида и изделий из него

Полилактид (ПЛ^) совместим с организмом человека, хорошо подвергается гидролитической деградации не только в дистиллированной воде, но и других средах [5, 6]. Однако у него есть недостаток – низкая эластичность [7]. Для улучшения физико-механических свойств в матрицу ПЛ^ вводят различные типы наполнителей или полимеры других классов [8-10]. В этой работе используется натуральный каучук, смешение с которым позволит улучшить эластичность ПЛ^, расширить сферу применения полимерного материала, а так^е сохранить способность к разрушению в окру^ающей среде, свойственной для ПЛ^.

Возмо^ность использования экологичных материалов в сельском хозяйстве активно изучается. ^вторы [11] предло^или 2-х слойный волокнистый субстрат для выращивания растений на основе биодеградируемого полимера. В работе [12] показано поло^ительное влияние полимерного субстрата на рост и развитие растений пшеницы, однако в качестве добавки, улучшающей эластичность биодеградируемого полимера, применялся синтетический каучук, что является недостатком с точки зрения вопросов экологии.

В данном исследовании авторы постарались избе^ать недостатков, связанных со свойствами материала, а в качестве биологического объекта был выбран базилик фиолетовый (Purple Ruffles), как одна из самых популярных пряных культур в России.

Цель работы – определение эффективности воздействия полимерного субстрата на всхо^есть семян базилика фиолетового, рост и развитие вегетативных органов растений в условиях фитотрона.

Услови^, материалы и мето^ы. В качестве объекта исследования применялись семена базилика фиолетового (Purple Ruffles), производитель ООО «^грофирма ^элита» (Россия).

Временной период, в который определяли всхо^есть семян, соответствовал ГОСТ 12038-84. Высев семян осуществляли следующим образом. В одинаковые емкости помещали по 200±20 г почвогрунта марки «Почвогрунт Кева для Овощей», рН 5,5-7,0 (ООО Гера), на котором с заглублением 10-15 мм размещали образцы нетканых материалов размером 65×65 мм, равномерно раскладывали на них семена базилика, присыпали слоем увла^ненного почвогрунта. Емкости помещали в фитотрон (ФГБНУ ФН^Ц ВИМ, Россия) при температуре 20±2°С и поддер^ивали грунт во вла^ном состоянии без добавления каких-либо удобрений. Всхо^есть семян определяли на 10-й день после высева, полный цикл вегетации составлял 60 дней, по завершении которого растения извлекали из почвы, а образцы нетканого материала после промывания и высушивания использовали для дальнейших исследований.

Повторность опыта – трехкратная. В процессе вегетации растений базилика фиолетового в климатической камере проводились:

– фенологические наблюдения за всходами, ростом и развитием растений в различные фазы их вегетации;

– оценка биометрических показателей морфологических органов растений.

Контрольным образцом слу^ил контейнер с почвой, в которую высеяли семена базилика фиолетового без использования полимерного субстрата.

В работе использовали полилактид марки 4032D производства компании Nature works (СШ^) со среднечисловой молекулярной массой 1,7×105 г/моль, плотностью 1,24 г/см3, и натуральный каучук (НК) марки SVR-3L (Вьетнам) из которых методом электроформования из раствора были получены нетканые волокнистые материалы на основе полилактида и натурального каучука, с содер^анием НК: 5, 10 и 15 мас.% по методике, описанной в работе [13].

Влияние полимерного субстрата на морфологические органы растений оценивалось по измерениям массы растений, высоты стеблей, длины корней.

Микрофотографии волокнистых материалов получали с помощью оптического поляризационного микроскопа Olympus CX43 (Япония).

Для статистической обработки данных использовали программное обеспечение Statistica 8.0 (Dell Software Inc., СШ^) и Microsoft Excel 2007. Результаты экспериментов представлены в виде средней арифметической величины (X) и ее стандартной ошибки (x).

Результаты и обсуждение. На рисунке 2 можно видеть растения базилика, выросшие на полимерных субстратах и без них (контроль). Все растения имели яркую окраску, характерную для сорта, и не имели признаков фитозаболеваний.

Рисунок 2 – Базилик фиолетовый (Purple Ruffles) на 21-й день вегетации

В таблице 1 приведены данные по всхо^ести семян изучаемой культуры в условиях фитотрона.

Таблица 1 – Всхо^есть семян базилика овощного фиолетового на подло^ках из материалов различного состава

Материал субстрата	Всхо^есть, %
Нетканый волокнистый материал состав ПЛ^/НК, мас. %
100/0	85±1,67
95/5	72±1,89
90/10	92±1,23
85/15	83±1,48
Контроль	68±1,56

Из этих данных видно, что применение нетканого волокнистого материала на основе полилактида для высева семян базилика приводит к значительному повышению показателя всхо^ести (от 72 до 92%) по сравнению с контролем (68%) – традиционным способом посева семян непосредственно в почву. Различное содер^ание натурального каучука значительно не влияет на всхо^есть, а только на характеристики, связанные с полимерной матрицей [13]. Такое поло^ительное влияние обусловлено тем, что пористая проницаемая структура нетканых волокнистых материалов способствует эффективному водо- и газообмену и обеспечивает благоприятные условия для прорастания семян в почве . Кроме того, протекающий в водной среде гидролиз полилактида по схеме, приводит к локальному накоплению молочной кислоты, слу^ащей для семян дополнительной питательной средой (рис. 3)

полилактид                                                молочная кислота

Рисунок 3 – Гидролитическое разрушение полилактида

Из данных таблицы 2 видно, что растения, выращенные на полимерных субстратах, превосходят по размерам и развитию контрольные растения, выращенные в обычных условиях.

Таблица 2 – Показатели развития растений базилика овощного фиолетового на нетканых волокнистых материалах разного состава в сравнении с контролем

Состав полимерного субстрата		Масса одного растения, г	Высота надземной части, см	Длина корня, см
Соотношение ПЛ^/НК, мас.%	100/0	1,93±0,11	17,4±0,88	6,8±0,35
	95/5	1,57±0,07	13,2±0,67	6,5±0,28
	90/10	1,86±0,08	16,5±0,71	7,4±0,32
	85/15	1,62±0,09	15,1±0,66	7,0±0,34
Контроль		0,95±0,08	10,2±0,61	5,5±0,21

После 60 дней полимерные волокнистые материалы были отмыты, просушены и исследованы под микроскопом. На рис. 4 для примера приведены микрофотографии волокнистых субстратов из ПЛ^ и ПЛ^/НК с содер^анием натурального каучука 10 мас.%. Согласно рисунку, в волокнистых материалах видны потемнения, которые свидетельствуют о пора^ении полимера микроорганизмами почвы и начальной стадии процесса биологической деградации, что является поло^ительным экологическим эффектом.

Рисунок 4 – Микрофотографии волокнистых субстратов из ПЛ^ и ПЛ^/НК с 10 мас.% натурального каучука

Таким образом, полученные волокнистые субстраты из полилактида и натурального каучука являются перспективными материалами для современного сельского хозяйства. Всхо^есть базилика (Purple Ruffles) оказалась выше в среднем в 1,2 раза в случае применения субстрата по сравнению с контрольным образцом. Подобную зависимость продемонстрировали биометрические показатели растений базилика. Масса 1 растения возросла в 1,6-2,0 раза, высота надземной части – в 1,3-1,7 раза, а длина корней увеличилась в среднем на 1,4 см по сравнению с традиционным методом выращивания. Наблюдаемый эффект обусловлен физико-химическими свойствами полимерного волокнистого субстрата. Биодеградация в почве – это комплексное влияние нескольких агрессивных факторов: температуры, микробиоты почвы и воды. Температура в проведенном исследовании была постоянной: 20±2ºС. Под действием микроорганизмов почвы: различных бактерий, плесневых грибов, а так^е воды, – протекает процесс разрушения макроцепей полимера. Поскольку при гидролитическом распаде полилактида образуется молочная кислота, происходит дополнительное питание растений, что отра^ается на показателях развития растений базилика овощного фиолетового.

Выво^ы . Проведенные исследования подтвер^дают возмо^ность применения волокнистых полимерных материалов из биоразрушаемых полимеров в качестве субстрата для высева семян. Например, исследуемые субстраты на основе полилактида и натурального каучука мо^но использовать для получения рассады или выращивания в теплицах.

Несомненно, ну^но охватывать различные сельскохозяйственные культуры и исследовать влияние полимерного субстрата на фотосинтетическую активность растений. В дальнейшем планируется провести подобные эксперименты, а так^е подробнее изучить взаимное влияние полимерного субстрата и ферментов, выделяемых корневой системой растений. Однако у^е сейчас мо^но заключить, что:

• -    наличие пористой структуры полимерного субстрата обеспечивает формирование благоприятных условий для прорастания семян и развития растений за счет эффективного влаго- и газообмена;

• -    способность к гидролитическому и ферментативному расщеплению в природных условиях с образованием продуктов, безвредных для окру^ающей среды и при этом стимулирующих рост и развитие растений, делает изучаемые полимерные субстраты перспективными для применения в агросекторе.