Serghei V. Gudkov

† Institutul de Fizică Generală Prokhorov RAS, strada Vavilova 38, Moscova 119991, Rusia

Georgy A. Shafeev

† Institutul de Fizică Generală Prokhorov RAS, strada Vavilova 38, Moscova 119991, Rusia

‡ Universitatea Națională de Cercetare Nucleară MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute), 31 Kashirskoe sh., Moscova 115409, Rusia

Alexey P. Glinushkin

§ Institutul de Cercetare pentru Fitopatologie All-Russia RAS, Big Vyazyomy, Regiunea Moscova 143050, Rusia

Alexey V. Shkirin

† Institutul de Fizică Generală Prokhorov RAS, strada Vavilova 38, Moscova 119991, Rusia

‡ Universitatea Națională de Cercetare Nucleară MEPhI (Institutul de Fizică Inginerie din Moscova), 31 Kashirskoe sh., Moscova 115409, Rusia

Ekaterina V. Barmina

† Institutul de Fizică Generală Prokhorov RAS, strada Vavilova 38, Moscova 119991, Rusia

Ignat I. Rakov

† Institutul de Fizică Generală Prokhorov RAS, strada Vavilova 38, Moscova 119991, Rusia

Alexandru V. Simakin

† Institutul de Fizică Generală Prokhorov RAS, strada Vavilova 38, Moscova 119991, Rusia

Anatoly V. Kislov

§ Institutul de Cercetare pentru Fitopatologie All-Russia RAS, Big Vyazyomy, Regiunea Moscova 143050, Rusia

Maxim E. Astashev

∥ Institutul de Biofizică Celulară RAS, str. Institutskaya 3, Pushchino, Regiunea Moscova 142290, Rusia

Vladimir A. Vodeneev

⊥ Institutul de Biologie și Biomedicină, Universitatea de Stat Lobachevsky din Nijni Novgorod, Prospekt Gagarina, 23 k.1, Nijni Novgorod 603950, Rusia

Valery P. Kalinitchenko

§ Institutul de Cercetare pentru Fitopatologie All-Russia RAS, Big Vyazyomy, Regiunea Moscova 143050, Rusia

# Institutul de Fertilitate al Solurilor din Rusia de Sud, str. Krivoshlykova, 2, Persianovka, Regiunea Rostov 346493, Rusia

Abstract

nanoparticulelor

1. Introducere

Oligoelementul seleniu este indispensabil pentru funcționarea majorității creaturilor vii. 1 Se găsește în sol, apă, culturi, animale și alimente. 2 Conținutul de Se din sol variază foarte mult în întreaga lume. Conținutul de seleniu al solurilor variază foarte mult de la 0,005 la 1200 μg g –1 și cel mai frecvent între 0,1 și 10 μg g –1. 3−6 Concentrația de Se într-un organism viu individual depinde în mare măsură de consumul de Se. 7−9 Se nanoparticulele sporesc capacitatea de suprimare a bolii plantelor și manifestă proprietățile antifungice. 10.11

Se face parte din proteina mamiferelor, denumită în mod obișnuit selenoproteine. 12 Există 25 de selenoproteine ​​cunoscute. Cel puțin 12 selenoproteine ​​sunt enzime antioxidante implicate în mare parte în homeostazia redox a organismului împreună cu alți antioxidanți enzimatici. 13.14 Cele mai cunoscute proteine ​​din acest gen sunt glutation peroxidaza (GSH-Pxs), tioredoxin reductaza (TrxR) și selenoproteina P (SePP). Ultima moleculă conține până la 10 atomi de Se. 15 Enzimele au o formă tetramerică și conțin o Se pe subunitate. 16 Selenoproteinele formează o barieră antioxidantă pentru protecția organismelor împotriva efectului dăunător al metabolismului celular produse nocive, inclusiv specii reactive de oxigen. 17,18 Enzimele descompun peroxidul de hidrogen și hidroperoxizii organici, protejând țesutul de deteriorarea oxidativă. 19 TrxR-urile sunt implicate în determinarea și semnalizarea potențialului redox celular. SePP este un antioxidant extracelular. 20 Activitatea selenoproteinei depinde de concentrația de Se în țesuturi.

Această lucrare este o dezvoltare a studiilor noastre anterioare. 26−29 S-a discutat despre tehnologia de producere a nanoparticulelor cu stare zero valentă. Nanoparticulele cu stare zero valentă au fost investigate ca îngrășăminte și antioxidanți. Se discută problema sinergiei care leagă nanoparticulele de Se și reducerea stresului oxidativ al plantelor. 15,30,31 Studiul are un accent sinergic. Acesta a deschis posibilitatea nu numai de a produce, ci și de a aplica nanoparticulele în stare zero valentă Se bazate pe metodologia Biogeosystem Technique (BGT *) pentru îmbunătățirea pe termen lung a sistemului solului și pentru o eficacitate agricolă mai mare a nanoparticulelor de Se. 32

Obiectivele cercetării sunt după cum urmează: Studiu cu starea zero-valentă a nanoparticulelor Se, tehnologia nanoparticulelor Se de ablație cu laser în dezvoltarea apei, studiul experimental al influenței nanoparticulelor Se asupra creșterii plantelor și aplicarea eficientă a nanoparticulelor Se prin intermediul BGT * metodologie.

2. Rezultate și discuții

2.1. Vezi Proprietățile nanoparticulelor

(a) Funcția de distribuție a masei particulelor de Se în funcție de timpul de fragmentare cu laser. Timpul de fragmentare este indicat în apropierea fiecărei curbe de distribuție, min; (b) Vedere TEM a nanoparticulelor Se după fragmentarea laserului, bară la scară 200 nm.

Modele de difracție cu raze X ale nanoparticulelor Se. (a) Se găsesc nanoparticule obținute direct după ablația cu laser și uscate la temperatura camerei în aerul atmosferic; (b) particule mari de Se sedimentate.

2.2. Vezi Efectul nanoparticulelor asupra plantelor

Efectul nanoparticulelor de Se la diferite concentrații asupra dezvoltării plantelor a fost studiat folosind camera climatică. S-a dezvăluit că nanoparticulele Se nu au afectat în mod semnificativ creșterea plantelor în condiții climatice artificiale neschimbate în primele 10 zile de organogeneză (Figura Figura 3). Creșterea și habitatul plantei au fost puțin mai bune cu o doză de nanoparticule de Se de 10 μg kg –1. Pentru o evaluare mai completă, am calculat suprafața plăcii frunzelor plantei utilizând software-ul Green Image. Cea mai mare diferență de indicatori a fost înregistrată într-un experiment realizat în a 30-a zi de la începutul creșterii plantelor. Suprafața plăcii frunzei plantei a fost de 30 ± 2 cm 2 în opțiunea de control a experimentului. Suprafața plăcii frunzei a plantelor crescute la o concentrație de nanoparticule Se de 1 μg kg –1 a fost de aproximativ 32 ± 3 cm 2 și în mod corespunzător suprafața plăcii frunzei pentru 5 μg kg –1 a fost de 37 ± 2 cm 2, 10 μg kg –1 a fost de 38 ± 3 cm 2 și 25 μg kg –1 a fost de 28 ± 4 cm 2 .

(a, b) Răsaduri de ridiche (Raphanus sativus var. sativus) și (c, d) răsaduri de rucola (Eruca sativa) cultivate pe sol intact (opțiune de control, mai întâi în stânga); sol suplimentat cu nanoparticule de Se la concentrații de 1 μg kg –1 (al doilea din stânga); 5 μg kg –1 (în mijloc); 10 μg kg –1 (al doilea din dreapta); și 25 μg kg –1 (prima dreapta); (a, c) 5 zile după plantare; (b, d) la 10 zile de la plantare.

Răsaduri de ridiche (Raphanus sativus var. Sativus) la 20 de zile de la plantare: (a) cultivate pe sol intact; (b) crescute pe sol cu ​​nanoparticulele Se adăugate la o concentrație de 1 μg kg –1; (c) crescute pe sol cu ​​nanoparticulele Se adăugate la o concentrație de 5 μg kg –1; (d) crescute pe sol cu ​​nanoparticulele Se adăugate la o concentrație de 10 μg kg –1; și (e) crescute pe sol cu ​​nanoparticulele Se adăugate la o concentrație de 25 μg kg –1 .

Plantele cultivate în solul intact (dreapta) și în solul suplimentat cu nanoparticule de Se la o concentrație de 10 μg kg –1 (stânga) după stresul termic. (a) Vinete (Solanum melongena); (b) castravete (C. sativus); (c) roșii (S. lycopersicum); și (d) ardei iute (C. annuum).

Nanoparticulele Se nu au afectat dezvoltarea ardeilor iute în comparație cu opțiunea de control după hipertermie. Organogeneza plantelor a fost satisfăcătoare în ambele opțiuni. Am experimentat și răsaduri de orz (Hordeum vulgare) și varză (Brassica oleracea). Varza nu a supraviețuit hipertermiei în ambele condiții, adică fiind cultivată pe sol cu ​​adăugarea de nanoparticule de Se la o concentrație de 10 μg kg –1 și crescută în solul netratat (opțiunea de control). Doar câteva plante de orz (aproximativ 10% din numărul inițial de răsad) dintr-o serie au supraviețuit în sol cu ​​nanoparticule de Se.

După expunerea la hipertermie, vinetele cultivate pe sol cu ​​adăugarea de nanoparticule Se la o concentrație de 10 μg kg –1 au arătat aproape de două ori suprafața plăcii frunzelor plantei comparativ cu suprafața plăcii frunzelor plantelor vinete crescute în solul netratat. Rezultate similare s-au obținut cu suprafața plăcii de frunze a plantelor de tomate. Suprafața plăcii de frunze a plantei de castraveți crescută cu nanoparticule de Se a crescut cu aproape 50% comparativ cu opțiunea de control experimental. Manifestarea potențială antioxidantă a nanoparticulelor de Se poate fi substanțială pentru a sprijini organogeneza plantelor sub hipertermie în opțiunile experimentului discutat în paragraful.

2.3. Vezi Eficacitatea nanoparticulelor în sol

În experimentul nostru, am amestecat nanoparticule Se la microlivelul compoziției granulometrice a solului folosind sol forțat și o soluție introdusă în amestecarea solului. Un bun contact al nanoparticulelor de Se și cu solul a oferit rezultatul necesar. În practica agronomică standard, aratul sau alte proceduri de cultivare a solului nu asigură formarea sistemului de agregat al solului necesar pentru funcționarea adecvată a nanoparticulelor de Se. Pământul are o dimensiune transversală de până la 100 mm după aratul standard. 40 Astfel, nanoparticulele Se vor cădea în golurile dintre agregatele mari ale solului și vor fi astfel excluse din procesul biologic activ al solului.

O altă preocupare a nanoparticulelor Se, precum și a altor funcții de nanoparticule, HS și biofilm polimicrobian în cadrul tehnologiei agrare standard este umezirea solului. Este un fapt bine cunoscut că conținutul de apă din sol trebuie să fie adecvat pentru creșterea plantelor și pentru funcțiile nanoparticulelor, HS, biofilmelor polimicrobiene. Conținutul de apă din sol nu ar trebui să fie prea mare, împiedicând leșierea nanoparticulelor și a altor substanțe din sol. Cu toate acestea, irigarea standard este incapabilă să rezolve această sarcină, deoarece umiditatea solului este ridicată după udarea standard. Aceasta determină degradarea interfeței solului și pierderea apei și a materiei la fluxul preferențial de apă din sol către zona vadoză.

Nanoparticulele utilizate în agricultură au o problemă importantă, care este controlul strict al dozelor și al distribuției. Ambele sunt imposibile în actuala tehnologie agrară. Astfel, evaluarea riscului de mediu al aplicării nanoparticulelor în sol și/sau în plantă (semințe) pentru plante, animale și oameni este definită ca fiind ridicată. 41

Nanoparticulele sunt stimulentul pronunțat cu doze mici. Aplicarea formularului de îngrășământ standard Se este evaluată ca fiind mai puțin eficientă în comparație cu nanoparticulele Se referitoare la procesele biologice și randamentul în sol și plante. Prescrierea dozelor de nanoparticule necesită precauție, deoarece dozele excesive de nanoparticule sunt toxice pentru plante și sol. 45 Dozele nanoparticulelor pentru aplicații foliare sau în sol sunt diferite din cauza capacității de sorbție a solului. 46 Doza recomandată de nanoparticule de Se este de aproximativ 0,1-0,4 g ha –1, 42,47, dar această doză, precum și doze de zece ori chiar de o sută de ori mai mari, nu poate fi furnizată folosind echipamente agricole standard. Astfel, aplicarea nanoparticulelor Se la culturile de câmp este posibilă acum doar pe parcele experimentale mici. 47 Amestecarea manuală și aplicarea pe sol și/sau plantă (semințe) se practică în absența unui sistem robotizat adecvat.

Stabilitatea nanoparticulelor în timp este de obicei considerată acceptabilă. În opinia noastră, acest punct de vedere este o exagerare. Fiind rezultatul transformării grele a produsului natural, nanoparticulele au un termen limitat de existență. Este urgent să se producă nanoparticule imediat înainte de aplicare în sol și pe plante. În plus față de motivele menționate mai sus, această sarcină oferă o sinteză adecvată a sistemului robotizat.

Pentru prima dată, eficacitatea sinergică a fost demonstrată pentru nanoparticulele cu stare zero valentă și a fost propusă o nouă procedură pentru ca această substanță să fie aplicată solului pe baza metodologiei BGT *. 32 Această sinergie va oferi o fertilitate pe termen lung sistemului solului și o productivitate ridicată a plantelor. 53 Solul, plantele și sănătatea mediului vor fi îmbunătățite. 54−56

3. Implicații de studiu și perspectivă

În această lucrare, s-a demonstrat o tehnologie dezvoltată pentru producerea nanoparticulelor de Se folosind ablația cu laser. Nanoparticulele de Se preparate au fost formate din Se valent zero și au avut aceeași dimensiune caracteristică. Nanoparticulele Se preparate nu afectează semnificativ dezvoltarea plantelor în condiții de referință. Nanoparticulele Se preparate au nivelat efectul advers al hipertermiei la organogeneza răsadurilor de vinete, roșii și castraveți. Concentrația pregătită de nanoparticule de Se de 10 μg kg –1 în sol este cea mai eficientă pentru manifestarea potențială antioxidantă a nanoparticulelor de Se și îmbunătățirea creșterii plantelor. Metodologia BGT * pentru măcinarea intrasoil a stratului de sol de 20–45 cm pentru formarea sistemului agregat pe mai multe niveluri a solului și udarea pulsului intrasoil continuu-discret pentru controlul regimului apei din sol are o perspectivă pentru o mai bună funcționare a nanoparticulelor de Se în solul real. Acest lucru va oferi un efect sinergic al procesării mecanice a solului, nanoparticulelor, HS și biofilmelor polimicrobiene asupra fertilității solului.

4. Metode

4.1. Producția de nanoparticule de seleniu

Nanoparticulele au fost produse în apă folosind procesul de ablație cu laser. Pentru iradierea țintei Se solide, au fost folosite următoarele lasere: un laser cu fibre de iterbiu cu lungimea de undă cuprinsă între 1060 și 1070 nm, rata de repetare a pulsului de 20 kHz, durata impulsului de 80 ns și puterea medie de 20 W și un cupru laser cu vapori cu lungimi de undă de 510,6 și 578,2 nm și o putere medie de 8 W.

În prima serie de studii, ținta Se a fost expusă la iradiere cu laser într-un mediu cu apă liniștită.

În a doua serie de studii, a fost utilizat un reactor cu celule curgătoare. Acest tip de reactor asigură reducerea acțiunii de screening a nanoparticulelor, generată doar în cursul iradierii laser țintă. Rata de generare a nanoparticulelor Se a fost de aproximativ 0,8 mg/min în apă plată și 2,4 mg/min într-un reactor cu celule care curge. 57 Mărimea nanoparticulelor generate de Se a fost determinată folosind o centrifugă de măsurare analitică DC24000 (CPS Instruments). Morfologia nanoparticulelor a fost dobândită folosind TEM Carl Zeiss 200FE, care reprezintă spectroscopia de pierdere a energiei electronice. Structura cristalină a nanoparticulelor a fost determinată pe un difractometru cu raze X Bruker AXS P4.

4.2. Teste de vegetație

Suspensia de apă cu nanoparticule Se a fost introdusă în sol. Concentrația de nanoparticule în sol a fost de aproximativ 1, 5, 10 și 25 μg kg –1. Pentru a aplica nanoparticulele Se în doze foarte mici, soluția coloidală originală de nanoparticule a fost diluată cu apă pentru a furniza o doză de 100 g de soluție diluată pe kg de sol, uscat la aer la 22 ° C. Pentru aceasta, amestecul mecanic forțat al solului a fost aplicat în cursul soluției diluate, prin adăugarea solului pentru a realiza distribuția uniformă a nanoparticulelor în sol. Experimentele au fost efectuate într-o cameră climatică folosind următoarele proceduri.

Plantele sunt cultivate în sol imitând condițiile de mediu organogeneza standard: iluminare de 16 ore pe zi, temperatură de 22 ° C, umiditate a solului de 25% SDW și o durată de experiment de 30 de zile.

Plantele sunt cultivate în sol în condiții de mediu organogeneza în schimbare. Condițiile de mediu standard pentru primele 10 zile sunt următoarele: iluminare de 16 ore pe zi –1, temperatură de 22 ° C și umiditate a solului de 25% SDW. Stresul plantei timp de 5 zile în hipertermie de 40 ° C. Condițiile de mediu standard pentru următoarele 15 zile sunt următoarele: iluminare de 16 ore pe zi –1, temperatură de 22 ° C și umiditate a solului de 25% SDW. S-a presupus că rata de dezvoltare a plantelor sub stres s-ar putea reduce în comparație cu condițiile standard de organogeneză din a doua serie de experimente. 58

Speciile de plante experimentate au fost ridiche (Raphanus sativus var. Sativus), rucola (Eruca sativa), vinete (Solanum melongena), castraveți (Cucumis sativus), roșii (Solanum lycopersicum) și ardei iute (Capsicum annuum). Răsadurile de plante au fost cultivate în vasul de vegetație cu un diametru de 6 cm și o înălțime de 10 cm. Calculul suprafeței frunzelor de răsad a plantelor a fost efectuat utilizând software-ul Green Image. 59