Конструирование и оценка эффективности систем контролируемой доставки сельскохозяйственных препаратов различного действия
|
ВВЕДЕНИЕ 4#
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 6#
1.1 Характеристика биоразлагаемых полиэфиров 6#
1.2 Полигидроксиалканоаты, их свойства и применение 7#
1.2.1 Разнообразие ИГА 7#
1.2.2 Биосинтез ИГА 9#
1.2.3 Поли-3-гидроксибутират: структура и свойства 11#
1.3 Поликапролактон, его свойства 13#
1.3.1 Биодеградация поликапролактона 15#
1.3.2 Синтез поликапролактона 17#
1.4 Полилактид. Синтез, структура, свойства, области применения и
биоразложение 19#
1.5 Общее представление о пестицидах 24#
1.5.1 Рекомендации по уменьшению степени химического загрязнения
биосферы пестицидами 27 #
1.6 Основные виды минеральных удобрений 29#
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 32#
2.1 Объекты исследования 32#
2.2 Изготовление полимерных форм 34#
2.2.1 Изготовление форм с использованием полимерного матрикса из
П(3ГБ) и его композита с древесными опилками 34#
2.2.2 Изготовление депонированных форм азотного удобрения (нитрат
аммония) с использованием полимерного матрикса из П(3ГБ) и его композита с древесными опилками 35#
2.2.3 Получение биополимерных гранул методом формирования
осажденного полимера 36#
2.2.4 Получение биополимерных гранул методом экструзии из расплава 36#
2.2.5 Изготовление депонированных форм с пестицидами (метрибузин) с использованием полимерного матрикса из ПКЛ Ошибка! Закладка не определена.#
2.3 Изучение биодеградации полимерных и композитных форм различного
состава и структуры в модельной почве 36#
2.4 Оценка эффективности применения разработанных форм азотного удобрения в лабораторных экспериментах с модельными растениями 38#
2.4.1 Схема эксперимента удобрений в почве 38#
2.4.2 Измерение количества азота в почве 41#
2.4.3 Определение азота в ирригационной воде 42#
Заключение
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 6#
1.1 Характеристика биоразлагаемых полиэфиров 6#
1.2 Полигидроксиалканоаты, их свойства и применение 7#
1.2.1 Разнообразие ИГА 7#
1.2.2 Биосинтез ИГА 9#
1.2.3 Поли-3-гидроксибутират: структура и свойства 11#
1.3 Поликапролактон, его свойства 13#
1.3.1 Биодеградация поликапролактона 15#
1.3.2 Синтез поликапролактона 17#
1.4 Полилактид. Синтез, структура, свойства, области применения и
биоразложение 19#
1.5 Общее представление о пестицидах 24#
1.5.1 Рекомендации по уменьшению степени химического загрязнения
биосферы пестицидами 27 #
1.6 Основные виды минеральных удобрений 29#
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 32#
2.1 Объекты исследования 32#
2.2 Изготовление полимерных форм 34#
2.2.1 Изготовление форм с использованием полимерного матрикса из
П(3ГБ) и его композита с древесными опилками 34#
2.2.2 Изготовление депонированных форм азотного удобрения (нитрат
аммония) с использованием полимерного матрикса из П(3ГБ) и его композита с древесными опилками 35#
2.2.3 Получение биополимерных гранул методом формирования
осажденного полимера 36#
2.2.4 Получение биополимерных гранул методом экструзии из расплава 36#
2.2.5 Изготовление депонированных форм с пестицидами (метрибузин) с использованием полимерного матрикса из ПКЛ Ошибка! Закладка не определена.#
2.3 Изучение биодеградации полимерных и композитных форм различного
состава и структуры в модельной почве 36#
2.4 Оценка эффективности применения разработанных форм азотного удобрения в лабораторных экспериментах с модельными растениями 38#
2.4.1 Схема эксперимента удобрений в почве 38#
2.4.2 Измерение количества азота в почве 41#
2.4.3 Определение азота в ирригационной воде 42#
Заключение
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Актуальность. Интенсивные технологии ведения сельского хозяйства требуют применения огромного количества разнообразных химических веществ для борьбы с вредителями, сорняками и возбудителями болезней культивируемых видов, так как во всем мире больше половины потенциального урожая теряется из-за этого. При этом не более 10 % применяемых и вносимых в окружающую среду пестицидов достигает цели: основная масса этих веществ аккумулируется в биологических объектах, загрязняет почвы, водоемы, вызывает гибель полезных организмов и нарушает равновесие в природных экосистемах.
В связи с этим, новые направления исследований, ориентированные на снижение риска неконтролируемого распространения химических препаратов в биосфере, заключаются в использовании биоразрушаемых полимеров в качестве основы для депонирования и адресной доставки препаратов сельскохозяйственного назначения [1, 2]. Полимеры разрушаются в почве и других биологических средах под воздействием почвенной микрофлоры до безвредных для живой и неживой природы продуктов и обеспечивают постепенный и длительный выход препаратов в почву. Такие формы позволяют сократить объемы вносимых в почву препаратов, поддерживая их длительную и контролируемую доставку в течение вегетационного сезона, исключая резкие выбросы в окружающую среду. Ключевым моментом для создания препаратов такого типа является наличие адекватного материала, обладающего специальными свойствами, среди которых обязательными являются: экологическая совместимость с окружающей средой и глобальными биосферными круговоротными циклами; разрушаемость; безопасность для живой и неживой природы; длительная сохраняемость в природной среде и контролируемая деструкция с образованием нетоксичных продуктов; химическая совместимость с препаратами; возможность переработки доступными способами, совместимыми с технологиями изготовления пестицидов и удобрений.
Из полиэфиров, способных к биосовместимости и к биоразложению, наряду с полилактидами и полигликолидами, важное значение имеют полигидроксиалканоаты (ИГА), получаемые микробным биосинтезом, а также поли-е-капролактон (ПКЛ) - относительно дешевый и биоразрушаемый полиэфир с низкой температурой плавления (57-60°С).
Цель работы заключалась в разработке способов конструирования систем контролируемой доставки биологически активных веществ (удобрений и пестицидов) сельскохозяйственного назначения на основе биоразрушаемых полимеров и оценке применимости полученных модельных форм.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:
1. Получить биополимерные конструкции различных типов, различающиеся составом полимеров и способами их переработки, и исследовать закономерности их биоразрушения в модельной почве в лабораторных условиях;
2. Разработать и получить таблетированные формы удобрений долговременного действия на основе аммиачной селитры с использованием в качестве биоразлагаемого носителя поли-3-гидроксибутирата и его композита с древесными опилками, в том числе с дополнительным пленочным покрытием из поли-3-гидроксибутирата;
3. Оценить эффективность разработанных таблетированных форм азотного удобрения на рост модельного растения - пшеницы;
4. Разработать и получить формы гербицида метрибузина пролонгированного действия методом совместной экструзии гербицида с поликапролактоном в качестве биоразлагаемого носителя;
5. Оценить характеристики высвобождения метрибузина из разработанных форм в модельной почве.
В связи с этим, новые направления исследований, ориентированные на снижение риска неконтролируемого распространения химических препаратов в биосфере, заключаются в использовании биоразрушаемых полимеров в качестве основы для депонирования и адресной доставки препаратов сельскохозяйственного назначения [1, 2]. Полимеры разрушаются в почве и других биологических средах под воздействием почвенной микрофлоры до безвредных для живой и неживой природы продуктов и обеспечивают постепенный и длительный выход препаратов в почву. Такие формы позволяют сократить объемы вносимых в почву препаратов, поддерживая их длительную и контролируемую доставку в течение вегетационного сезона, исключая резкие выбросы в окружающую среду. Ключевым моментом для создания препаратов такого типа является наличие адекватного материала, обладающего специальными свойствами, среди которых обязательными являются: экологическая совместимость с окружающей средой и глобальными биосферными круговоротными циклами; разрушаемость; безопасность для живой и неживой природы; длительная сохраняемость в природной среде и контролируемая деструкция с образованием нетоксичных продуктов; химическая совместимость с препаратами; возможность переработки доступными способами, совместимыми с технологиями изготовления пестицидов и удобрений.
Из полиэфиров, способных к биосовместимости и к биоразложению, наряду с полилактидами и полигликолидами, важное значение имеют полигидроксиалканоаты (ИГА), получаемые микробным биосинтезом, а также поли-е-капролактон (ПКЛ) - относительно дешевый и биоразрушаемый полиэфир с низкой температурой плавления (57-60°С).
Цель работы заключалась в разработке способов конструирования систем контролируемой доставки биологически активных веществ (удобрений и пестицидов) сельскохозяйственного назначения на основе биоразрушаемых полимеров и оценке применимости полученных модельных форм.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:
1. Получить биополимерные конструкции различных типов, различающиеся составом полимеров и способами их переработки, и исследовать закономерности их биоразрушения в модельной почве в лабораторных условиях;
2. Разработать и получить таблетированные формы удобрений долговременного действия на основе аммиачной селитры с использованием в качестве биоразлагаемого носителя поли-3-гидроксибутирата и его композита с древесными опилками, в том числе с дополнительным пленочным покрытием из поли-3-гидроксибутирата;
3. Оценить эффективность разработанных таблетированных форм азотного удобрения на рост модельного растения - пшеницы;
4. Разработать и получить формы гербицида метрибузина пролонгированного действия методом совместной экструзии гербицида с поликапролактоном в качестве биоразлагаемого носителя;
5. Оценить характеристики высвобождения метрибузина из разработанных форм в модельной почве.
1. На основе биоразрушаемых полимеров разного состава и с использованием различных способов их переработки разработана серия биополимерных конструкций, потенциально пригодных для разработки пролонгированных препаратов сельскохозяйственного назначения.
2. Исследована биодеградация полученных полимерных конструкций в течение 85 дней. Наибольшая скорость деградации в модельной почве отмечена для прессованных форм, при этом опилки не влияли на скорость деструкции. Наименьшая скорость деградации (9-11%) отмечена для экструдированных образцов всех типов полимеров, кроме П(3ГБ/3ГВ).
3. С использованием техники холодного прессования разработаны формы удобрения аммиачной селитры пролонгированного действия, в том числе с дополнительным биополимерным покрытием. В эксперименте с модельными растениями показано положительное влияние разработанных форм на основе композита ПГБ/опилки с дополнительным покрытием на прирост биомассы пшеницы по сравнению с удобрением в свободной форме.
4. Разработаны и получены формы гербицида метрибузина пролонгированного действия методом совместной экструзии гербицида с поликапролактоном в качестве биоразлагаемого носителя;
5. Изучена динамика выхода метрибузина из полимерного матрикса в воду в течение 1 недели. Высокая концентрация препарата в воде в первые сутки обусловлена тем, что изначально происходит смыв его с поверхности образцов и уже в дальнейшем идет выход из глубинных слоев;
6. Исследована биодеградация полученных полимерных конструкций с метрибузином в модельной почве в течение 14 недель. Отмечено увеличение скорости деградации образцов при увеличении содержания пестицида: от 9% при 10%-ном включении гербицида до 27% при 40%-ном включении. При этом динамика высвобождения препарата в почве из образцов с различным соотношением компонентов существенно не отличалась.
2. Исследована биодеградация полученных полимерных конструкций в течение 85 дней. Наибольшая скорость деградации в модельной почве отмечена для прессованных форм, при этом опилки не влияли на скорость деструкции. Наименьшая скорость деградации (9-11%) отмечена для экструдированных образцов всех типов полимеров, кроме П(3ГБ/3ГВ).
3. С использованием техники холодного прессования разработаны формы удобрения аммиачной селитры пролонгированного действия, в том числе с дополнительным биополимерным покрытием. В эксперименте с модельными растениями показано положительное влияние разработанных форм на основе композита ПГБ/опилки с дополнительным покрытием на прирост биомассы пшеницы по сравнению с удобрением в свободной форме.
4. Разработаны и получены формы гербицида метрибузина пролонгированного действия методом совместной экструзии гербицида с поликапролактоном в качестве биоразлагаемого носителя;
5. Изучена динамика выхода метрибузина из полимерного матрикса в воду в течение 1 недели. Высокая концентрация препарата в воде в первые сутки обусловлена тем, что изначально происходит смыв его с поверхности образцов и уже в дальнейшем идет выход из глубинных слоев;
6. Исследована биодеградация полученных полимерных конструкций с метрибузином в модельной почве в течение 14 недель. Отмечено увеличение скорости деградации образцов при увеличении содержания пестицида: от 9% при 10%-ном включении гербицида до 27% при 40%-ном включении. При этом динамика высвобождения препарата в почве из образцов с различным соотношением компонентов существенно не отличалась.