У фунгицидной защиты зерновых культур от фузариоза колос есть слабое место: жидкие пестициды обладают крайне слабой адгезией: до 70% раствора может стекать с колоса во время осадков превращаясь из защиты в токсичную нагрузку для почвенной микрофлоры. Большинство современных адъювантов, особенно органосиликоновые суперсмачиватели, не сильно помогают. Они работают на снижение поверхностного натяжения капли: капля превращается в плоскую пленку и максимально растекается по листу. На вертикальном, подвижном и восковом колосе пшеницы эта пленка при сильном дожде все равно смывается, так как связь с воском остается слабой. Китайская команда исследователей совершила прорыв, решив эту проблему с помощью принципов циклической биоэкономики (апсайклинга) и биомиметики.
Ученые использовали обычные отходы пшеничной соломы и подсмотрели механизмы прилипания у морских мидий, чтобы создать нанофунгициды нового поколения, работающие по принципу застежки-липучки.
Авторами этого прорывного исследования является группа китайских ученых и инженеров в области биомиметических материалов и защиты растений. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Advanced Functional Materials.
Технология синтеза: от отходов к наноструктурам
Основой для инновационного препарата стала бактериальная целлюлоза, которую ученые синтезировали методом ферментации, используя в качестве питательного субстрата гидролизат обычной пшеничной соломы. Полученная целлюлозная матрица обладает уникальной трехмерной наносетевой структурой.
На втором этапе исследователи применили метод биомиметического интерфейсного инжиниринга. Вдохновившись тем, как прочно морские мидии удерживаются на скалах во время шторма благодаря клейким фенольным белкам, ученые модифицировали 3D-сеть целлюлозы природными полифенолами. Этот комплекс не просто стал носителем для действующего вещества фунгицида, а превратил его в «умную» биополимерную наноструктуру.
Эффект «липучки» и устойчивость к смыву
При попадании на растение нанофунгицид ведет себя принципиально иначе, чем стандартные водно-эмульсионные растворы.
Механическое сцепление. За счет полифенольных групп и трехмерной наносети препарат вступает в прочную нековалентную связь с эпикутикулярным воском листьев и чешуек колоса. Молекулы буквально переплетаются с микрорельефом растения, имитируя работу текстильной застежки-липучки.
Рекордное удержание. Лабораторные тесты с имитацией тропического ливня показали, что удерживаемость пестицида на листьях выросла на 72,5%, а на колосьях — на колоссальные 109,3% по сравнению с коммерческими аналогами. Препарат невозможно смыть водой после высыхания.
Целлюлозная 3D-сеть, модифицированная полифенолами, не просто растекается. Она химически (через нековалентные водородные и гидрофобные связи) сцепляется с микрорельефом кутикулы растения. Она имитирует биссусные нити мидий, которые удерживают моллюска на скалах под ударами океанских волн. Именно поэтому удержание на колосе выросло на 109% — ни один коммерческий адъювант не удваивает стойкость к тропическому ливню на вертикальных чешуйках колоса.
Эффективность защиты. В полевых условиях нанофунгицид продемонстрировал подавление фузариоза колоса на уровне более 95%.
При использовании обычного бакового адъюванта, молекулы фунгицида (например, тебуконазола) остаются открытыми на поверхности листа. Они подвергаются воздействию ультрафиолета (УФ-деградация) и быстро испаряются при высоких температурах. В наноразработке фунгицид заключен внутрь целлюлозной капсулы. Соломенная наноструктура работает как физический щит. Она защищает действующее вещество от солнца, продлевая срок его эффективной жизни на листе в несколько раз. Кроме того, нужно меньше действующего вещества на гектар.
Нанофунгицид активируется по требованию
Очень интересное и важное достоинство разработки — он-деманд высвобождение. Нанокапсулы запрограммированы реагировать на микроокружение, создаваемое патогеном.
Когда спора гриба Fusarium попадает на колос и начинает прорастать, она выделяет целлюлазы (ферменты, расщепляющие оболочку клеток растения) и закисляет среду. Нанофунгицид распознает эту кислую и богатую целлюлазами среду: его 3D-сеть начинает контролируемо разрушаться, выдавая мощный первоначальный импульс действующего вещества прямо в очаг атаки, а затем плавно выделяет остатки фунгицида для пролонгированной защиты.
По сравнению со стандартными формуляциями, «умная липучка» повреждает мембраны мицелия патогена на 47,3% эффективнее и подавляет до 53,7% ключевых регуляторных генов гриба. Это привело к важнейшему для пищевой безопасности результату: содержание опасного микотоксина дезоксиниваленола (DON) в собранном зерне снизилось на 84,3%.
Исследование подтвердило полную экологическую безопасность полимера. Наноцеллюлоза из соломы полностью разлагается в почве, не угнетает полезных подземных микробов и червей. Более того, жидкий остаток ферментационного бульона, который получается на заводе при производстве целлюлозы из соломы, ученые предложили использовать как биостимулятор. При внесении в почву он улучшает ее качество и стимулирует рост проростков пшеницы на 17,2%, а развитие корневой системы — на 49,6%.
Разработка позволяет одновременно утилизировать тонны соломы, кратно снизить объемы применения пестицидов на полях и обеспечивать микробиологическую чистоту зерна в бункере.
Ведущие авторы и исследователи проекта:
Сун-Хао Чжан — ключевой исследователь и первый автор работы, разработавший архитектуру наноносителя.Янь-Лин Ву Бао-И Ма Юэ Ван Фэн-Пэй Ду — профессор и один из руководителей научной группы, координировавший биомиметический инжиниринг.Работа выполнялась в рамках ведущих исследовательских лабораторий Китая и получила статус стратегически важной.
Проект официально поддержан:
Государственной ключевой программой исследований и разработок Китая (National Key R&D Program of China).Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC).Научно-исследовательской программой провинции Гуйчжоу (Guizhou Provincial Key Technology R&D Program) — региона, где проблема защиты зерновых в условиях влажного климата стоит наиболее остро.