Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,252

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АГРОЦЕНОЗОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ГЕРБИЦИДОВ СПЛОШНОГО ДЕЙСТВИЯ

Захарьева Ю.И. 1 Верещагин А.Л. 1
1 Бийский технологический институт (филиал) фгбоу впо «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Настоящая статья посвящена исследованию использования гербицидов сплошного действия и физических факторов, таких как ультразвуковое распыление, магнитная обработка и светодиодное освещение по спектру поглощения хлорофилла, для повышения экологической безопасности агроценозов. Полученные результаты показали высокий потенциал изученных факторов для снижения норм внесения гербицидов. В частности, применение ультразвукового распыления позволяет повысить фитотоксичность в 1,77 раза; светодиодного освещения – в 1,32 раза; ультразвукового распыления в магнитном поле – в 1,96 раза. Совместное использование физических факторов и препарата органических кислот в СМК позволило повысить фитотоксичность за счет синергетического эффекта, в частности, в 3,67 раза в варианте с гербицидом «Глифор» и ультразвуковым распылением.
экологическая безопасность
кислоты цикла Кребса
гербициды сплошного действия
ультразвуковое распыление
светодиодное освещение
магнитное поле
1. Bott S. Glyphosate-induced impairment of plant growth and micronutrient status in glyphosate-resistant soybean (Glycine max L.) // Plant and Soil. – 2008. – Vol. 312. – P. 185–194.
2. Cattani D. Mechanisms underlying the neurotoxicity induced by glyphosate-based herbicide in immature rat hippocampus: involvement of glutamate excitotoxicity // Toxicology. – 2014. – Vol. 320. – P. 34–45.
3. Dallegrave E. Pre- and postnatal toxicity of the commercial glyphosate formulation in Wistar rats // Arch. Toxicol. – 2007. – Vol. 81, № 9. – P. 665–673.
4. Duke S.O. Glyphosate degradation in glyphosate-resistant and susceptible crops and weeds / S.O. Duke // Journal of Agricultural and Food Chemistry. – 2011. – Vol. 59. – P. 5835–5841.
5. Krogmeier M.J. Phytotoxicity of foliar-applied urea / M.J. Krogmeier, G.W. McCarty, J.M. Bremner // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 1989. – Vol. 86, № 21. – P. 8189–8191.
6. Zobiole L.H.S. Glyphosate affects seed composition in glyphosate-resistant soybean // J. Agric. Food chem. – 2010. – Vol. 58. – P. 4517–4522.

Широкое применение средств защиты растений негативно отражается на экологическом состоянии агроценозов. Многие компоненты, входящие в состав гербицидов, могут являться причиной снижения плодородия почв и питательной ценности сельскохозяйственной продукции [1, 4, 6], а также вызывать аллергические реакции, острые отравления, нарушение работы репродуктивной системы человека [2, 3].

В связи с этим интерес представляет использование физических факторов, таких как ультразвуковое распыление, магнитное поле и светодиодное освещение по спектру поглощения хлорофилла, которые могут изменить проницаемость клеточных мембран или изменить форму клеток, за счет чего можно повысить фитотоксичность гербицидов и снизить норму их внесения.

Цель исследования – повышение экологической безопасности агроценозов за счет использования физических факторов.

Объектом исследования являлись растения горчицы белой, которые выращивали в лабораторных условиях в лотках с песком, площадью 0,1 м2 в количестве 80–120 штук. Обработку проводили через 14 суток после посадки, при этом высота растений достигала 10–12 см, наблюдалось 4 листка. Средняя температура в период наблюдения составила 20 °С.

В качестве растворов для опрыскивания растений использовалась формуляция Глифор (360 г/л глифосата и 180 г/л ПАВ) и смесь органических кислот цикла Кребса (лимонная, янтарная, щавелевая, кетоглутаровая, яблочная) с суммарной концентрацией 10–11 М. Смесь органических кислот готовили методом последовательного разбавления 1 М раствора кислот.

Опытные образцы готовились путем разбавления стандартного рабочего раствора гербицида водой или водой и смесью органических кислот. Концентрация рабочего раствора гербицида в образцах для опрыскивания составляла 20, 25, 40, 50, 60, 75, 80 и 100 % от рекомендуемой нормы. Норма внесения рабочей жидкости составила 50 мл/м2.

Для оценки эффективности действия гербицидов использовались показатели фитотоксичность, относительная фитотоксичность и относительная летальная доза.

Фитотоксичность препаратов Ф рассчитывалась по формуле [5]:

zahar01.wmf (1)

где Ф – фитотоксический эффект, %; N1 – число растений до обработки препаратами; N – число растений после обработки.

Относительную фитотоксичность Фо рассчитывали по формуле

zahar02.wmf (2)

где Ф1 – фитотоксический эффект при обработке гербицидом в воде, %; Ф2 – фитотоксический эффект при обработке гербицидов в водном растворе органических кислот, %.

Относительная летальная доза рассчитывалась как концентрация, при которой удается достичь гибели 50 % обработанных растений.

Ультразвуковая обработка растений. Для обработки растений гербицидами использовался ультразвуковой аппарат УЗР-0,15/44-ОМ с рабочей частотой 22 кГц и ультразвуковой ингалятор «Муссон-2»-03.

Обработку проводили с помощью садового распылителя, с помощью ультразвукового распылителя типа УЗР-0,15/44-ОМ с частотой 22 кГц и ультразвукового ингалятора «Муссон-2»-03. Использовали 4 варианта обработки: формуляция гербицида в воде в сочетании с ультразвуковым распылением с рабочей частотой 22 кГц (I) и частотой 2,5 МГц (II) и в препарате органических кислот в сочетании с ультразвуковым распылением с рабочей частотой 22 кГц (III) и частотой 2,5 МГц (IV). Опытные участки опрыскивали опытным раствором в норме 50 см3/м2.

Ультразвуковая обработка в магнитном поле. Для обработки растений гербицидами была собрана установка, состоящая из ультразвукового аппарата типа УЗР-0,15/44-ОМ и кольцевого магнита, расположенного на распыляющем элементе (Nd-B-Fe (40×20×20) с никелевым покрытием, код материала N35, остаточная магнитная индукция 1,17–1,21 Тл).

Использование светодиодного освещения по спектру поглощения хлорофилла. Для выращивания растений использовались синие и красные светильники. Синие светодиоды со световой мощностью 295–440 мВт на 1 Ватт потребляемой мощности и максимумом излучения на длинах волн 445–450 нм. Красные – со световой мощностью 300–400 мВт на 0,6 Ватт потребляемой мощности и максимумом излучения на длинах волн 645–660 нм. Угол раскрытия – 100–130°. Светодиодные светильники располагались на высоте 0,5 м до уровня верхней части побегов растений. Растения горчицы белой помещали в камеру с искусственным освещением в диапазоне длин волн с максимальной мощностью 430–440 нм и выдерживали в течение 7 суток, после чего проводили обработку ГФ-содержащим гербицидом. Затем растения оставляли при естественном освещении (ЕО) или выдерживали в камере с искусственным освещением (ИО) в диапазоне длин волн с максимальной мощностью 640–650 нм. Период освещения составлял 12 часов в сутки. Для сравнения использовали растения горчицы белой, выдержанные при естественном освещении.

Применение ультразвука. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Полученные результаты показывают, что фитотоксичность формуляции гербицида на основе N-(фосфонометил)-глицина увеличивается при его совместном применении с ультразвуковым распылением частотой 22 кГц в варианте гербицид в воде и гербицид в препарате органических кислот в СМК.

Гибели 50 % растений удается достичь при концентрации 31 % от рекомендуемой нормы в варианте гербицид + ультразвуковое распыление и при 15 % от рекомендуемой нормы в варианте гербицид + ультразвуковое распыление + СМК. Применение органических кислот в данном варианте обработки позволяет повысить относительную фитотоксичность в 1,23 раза. Таким образом, лучшие результаты были получены при совместном применении ультразвука и СМК за счет синергетического эффекта.

Так как ультразвуковое распыление частотой 22 кГц позволяет добиться получения капель обрабатываемой жидкости порядка 40 мкм, а средний диаметр устьичных щелей растений составляет 10–60 мкм, данный способ обработки может позволить повысить скорость поступления действующего вещества гербицидов в растение, повысить фитотоксичность и в конечном итоге снизить норму внесения гербицидов.

При использовании ультразвукового распылителя, имеющего рабочую частоту 2,5 МГц, наблюдалась 100 %-ная потеря фитотоксичности препарата, которую можно связать с гидролизом действующего вещества формуляции.

Таблица 1

Фитотоксический эффект и относительная фитотоксичность формуляции «Глифор» при совместном применении с органическими кислотами в СМК по отношению к горчице белой

Вариант

Ф

Ф0

Вариант

Ф

Ф0

20

В воде

15,70 ± 0,90

4,14 ± 0,08

40

В воде

80,50 ± 0,90

1,23 ± 0,06

В СМК

65,00 ± 1,20

В СМК

99,10 ± 0,05

60

В воде

99,41 ± 0,03

1,01 ± 0,05

80

В воде

100,0 ± 0,0

1,00 ± 0,05

В СМК

100,0 ± 0,0

В СМК

100,0 ± 0,0

100

В воде

100,0 ± 0,0

Таблица 2

Фитотоксический эффект и относительная фитотоксичность после обработки растений горчицы белой гербицидом «Глифор» и смесью гербицида и органических кислот в СМК, с использованием ультразвукового распыления в магнитном поле

Вариант

Ф, %

Фо

Вариант

Ф, %

Фо

20

В воде

37,3 ± 3,2

1,25 ± 0,13

40

В воде

68,8 ± 2,5

1,21 ± 0,04

В СМК

46,8 ± 2,1

В СМК

83,2 ± 0,3

60

В воде

95,1 ± 0,2

0,99 ± 0,01

80

В воде

95,9 ± 0,1

0,99 ± 0,01

В СМК

94,1 ± 0,1

В СМК

94,9 ± 0,1

100

В воде

100,0 ± 0,0

Применение ультразвука в магнитном поле. Результаты представлены в табл. 2.

Применение магнитного поля приводит к повышению фитотоксичности гербицида до 7 %. Совместное использование ультразвукового распыления, магнитного поля и препарата СМК привело к повышению фитотоксичности гербицида до 15 % от рекомендуемой нормы (лучший вариант при 40 %-ной концентрации).

Одной из причин эффективности обработки в магнитном поле может являться ускорение клеточных процессов за счет повышения проницаемости клеточных мембран, что позволяет повысить скорость поступления действующего вещества гербицидов в растение.

Гибели 50 % растений удалось достичь при концентрации гербицида 28 % от рекомендуемой нормы внесения в варианте ультразвуковое распыление + магнит и 22 % – в варианте ультразвуковое распыление + магнит + СМК.

Применение светодиодного освещения по спектру поглощения хлорофилла. Полученные результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3

Фитотоксичность и фитотоксический эффект формуляции «Глифор» при совместном использовании с искусственным освещением по отношению к горчице белой

«Глифор» в воде

«Глифор» в водном растворе органических кислот

Вариант обработки

Ф, %

Фо

Вариант обработки

Ф, %

Фо

20

ЕО

31,0 ± 1,8

1,03 ± 0,10

20

ЕО

31,0 ± 1,8

1,08 ± 0,08

ИО

32,1 ± 1,5

ИО

33,5 ± 1,5

25

ЕО

37,5 ± 1,7

1,13 ± 0,07

25

ЕО

37,5 ± 1,7

0,97 ± 0,06

ИО

42,4 ± 1,8

ИО

36,4 ± 1,1

50

ЕО

60,9 ± 1,1

1,17 ± 0,04

50

ЕО

60,9 ± 1,1

0,93 ± 0,05

ИО

71,6 ± 0,8

ИО

56,6 ± 2,4

75

ЕО

72,1 ± 1,3

1,05 ± 0,03

75

ЕО

72,1 ± 1,3

1,02 ± 0,05

ИО

75,8 ± 0,7

ИО

73,5 ± 2,4

100

ЕО

87,7 ± 0,2

1,05 ± 0,01

100

ИО

91,8 ± 0,2

   

Таблица 4

Значение показателей относительной фитотоксичности и относительной летальной дозы для разных вариантов обработки

Вариант обработки

LD50

Фо

«Глифор» + ультразвуковое распыление + СМК

15,0 ± 1,0

3,67 ± 0,07

«Глифор» + ультразвуковое распыление в магнитном поле + СМК

22,0 ± 1,5

2,50 ± 0,05

«Глифор» + ультразвуковое распыление в магнитном поле

28,0 ± 1,2

1,96 ± 0,07

«Глифор» + ультразвуковое распыление

31,0 ± 1,2

1,77 ± 0,04

«Глифор» + Искусственное освещение

31,0 ± 1,3

1,32 ± 0,05

«Глифор» + Искусственное освещение + СМК

42,0 ± 1,4

0,97 ± 0,04

«Глифор» в воде

55,0 ± 1,9

Полученные результаты показали повышение фитотоксичности гербицида на основе глифосата во всех вариантах обработки с водой. Лучший результат получен при 50 %-ной концентрации гербицида, при этом фитотоксичность возросла на 17 % по сравнению с контролем.

Полученные результаты показали повышение фитотоксичности только при 20 %-ной концентрации гербицида (вариант с органическими кислотами), при этом фитотоксичность составила 33,5 %, поэтому данный вариант считается практически неприменимым.

Повышение фитотоксичности под воздействием светодиодного освещения по спектру поглощения хлорофилла, вероятно, связано с удлинением клеток, изменением ширины устьиц растений и устьичной проводимости, угнетением роста стебля и увеличением ширины листа, что позволяет повысить скорость поступления действующего вещества гербицидов в растение.

Сравнительная характеристика влияния физических факторов на изменение фитотоксичности гербицида «Глифор». Эффективность каждого из изученных физических факторов, влияющих на фитотоксичность гербицидов, была оценена при помощи нахождения концентрации гербицида, обеспечивающей гибель 50 % обработанных растений (LD50) и относительной фитотоксичности (к варианту «Глифор» в воде). Результаты представлены в табл. 4.

Анализ представленных данных показывает, что использование физических факторов, таких как ультразвуковое распыление, ультразвуковое распыление в магнитном поле и светодиодное освещение по спектру поглощения хлорофилла имеет потенциал для повышения фитотоксичности ГФ-содержащих гербицидов.

Применение ультразвукового распыления позволяет повысить фитотоксичность в 1,77 раза; светодиодного освещения – в 1,32 раза; ультразвукового распыления в магнитном поле – в 1,96 раза.

Совместное использование физических факторов и препарата органических кислот в СМК позволило повысить фитотоксичность за счет синергетического эффекта, в частности, в 3,67 раза в варианте с гербицидом «Глифор» и ультразвуковым распылением.

Заключение

Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что физические факторы имеют потенциал для снижения норм внесения гербицидов на основе глифосата и тем самым могут способствовать повышению экологической безопасности.

Ультразвуковое распыление частотой 22 кГц позволяет повысить скорость поступления действующего вещества гербицидов в клетки растения, повысить фитотоксичность и в конечном итоге снизить норму внесения гербицидов за счет снижения диаметра распыляемых частиц. Одной из причин эффективности обработки в магнитном поле может являться ускорение клеточных процессов за счет повышения проницаемости клеточных мембран, что позволяет повысить скорость поступления действующего вещества гербицидов в растение. Повышение фитотоксичности под воздействием светодиодного освещения по спектру поглощения хлорофилла, вероятно, связано с повышением скорости поступления действующего вещества гербицидов в клетки растения.

Рецензенты:

Псарев А.М., д.б.н., профессор кафедры биологии и физической культуры, ФГБОУ ВПО «Алтайская государственная академия образования имени В.М. Шукшина», г. Бийск;

Важов В.М., д.с.-х.н., заведующий кафедрой географии и экологии, ФГБОУ ВПО «Алтайская государственная академия образования имени В.М. Шукшина», г. Бийск.


Библиографическая ссылка

Захарьева Ю.И., Верещагин А.Л. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АГРОЦЕНОЗОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ГЕРБИЦИДОВ СПЛОШНОГО ДЕЙСТВИЯ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-23. – С. 5109-5113;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38164 (дата обращения: 18.12.2017).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252