Пшеница, краеугольный камень глобальной продовольственной безопасности, является основным продуктом питания почти для трети населения мира и составляет примерно 20% от общего потребления калорий человеком. Тем не менее, урожайность и стабильность производства пшеницы постоянно находятся под угрозой из-за нашествия сорняков. Эти повсеместные биологические ограничения представляют собой основную причину потерь урожая: заражение сорняками способно снизить урожай пшеницы на 25–30% и представляет собой самую большую потенциальную угрозу среди различных факторов, ограничивающих урожайность, включая вредителей и болезни.
В современном сельском хозяйстве агрохимические гербициды стали незаменимым инструментом управления благодаря своей экономичности, высокой эффективности и экономии трудозатрат, играя решающую роль в обеспечении урожайности и удовлетворении потребностей в продовольствии растущего населения. Однако широкое и часто интенсивное применение этих агрохимикатов вызвало ряд экологических и природоохранных проблем.
Следовательно, разработка стратегий для поддержания эффективного контроля сорняков в пшенице при одновременном значительном снижении дозировок гербицидов представляет собой неотложную и сложную задачу для устойчивого сельского хозяйства.
В последнее десятилетие инновации в области устойчивого сельского хозяйства, основанные на нанотехнологиях, открыли совершенно новые пути для эффективной доставки гербицидов.
Наногербициды, характеризующиеся малым размером и большой удельной поверхностью, могут значительно улучшить диспергируемость, растворимость и стабильность плохо растворимых активных ингредиентов гербицидов, одновременно повышая их эффективность в преодолении биологических барьеров сорняков.
Например, сообщалось, что наночастицы металлоорганического каркаса (ZIF-8), нагруженные метолахлором, значительно снизили выщелачивание и экотоксичность и повысили эффективность борьбы с ежовником обыкновенным. Также было сообщено, что наночастицы поли(эпсилон-капролактона) могут повысить гербицидную активность атразина после всходов против растений горчицы. Более того, недавнее исследование показало, что функционализированные металлоорганическими каркасами полые мезопористые наночастицы могут улучшить поглощение и перемещение квизалофоп-п-этила в ежовнике обыкновенном, тем самым повышая гербицидную активность.
В отличие от них, наносуспензии без носителя обладают явными экономическими и практическими преимуществами по сравнению с этими системами нанодоставки на основе носителя: они устраняют необходимость в сложном синтезе носителя, позволяют избежать потенциальной токсичности, связанной с носителем, обеспечивают сверхвысокую загрузочную способность активного ингредиента (приближающуюся к 100%), требуют минимального использования органических растворителей и поверхностно-активных веществ, а также включают более простые и экономически эффективные производственные процессы, которые легко масштабируются для коммерческого производства. Поэтому существует острая необходимость в разработке наногербицидов с простыми процессами получения и низкой стоимостью для решения текущих проблем.
Наносуспензии, как нанопестициды без покрытия носителя, обладают такими преимуществами, как высокая загрузочная способность, отсутствие органических растворителей, низкие производственные затраты и низкое использование поверхностно-активных веществ.
Команда китайских исследователей применила метод мокрого измельчения для модернизации двух известных гербицидных компонентов — пироксасульфона и изопротурона.
Пироксасульфон, гербицид изоксазолина, может контролировать множество однолетних сорняков, ингибируя биосинтез очень длинноцепочечных жирных кислот при применении до всходов или на ранней стадии после всходов. Изопротурон — это системный гербицид на основе фенилмочевины с комплементарным механизмом действия — он ингибирует перенос электронов в фотосистеме II в качестве гербицида после всходов и широко используется для борьбы с сорняками на пшенице.
Комбинация пироксасульфона (ингибитор элонгазы очень длинноцепочечных жирных кислот, до всходов/на ранней стадии после всходов) и изопротурона (ингибитор ФС II, после всходов) обеспечивает комплементарный и перекрывающийся спектр контроля сорняков, что позволяет эффективно бороться с различными популяциями сорняков на пшеничных полях и потенциально повысить урожайность зерна пшеницы, одновременно снижая риск развития устойчивости к гербицидам.
Ученые уменьшили средний размер частиц действующих веществ до микроскопических показателей — менее 250 нанометров. Полученные наносуспензии продемонстрировали оптимальные физико-химические свойства, показав отличную стабильность как при длительном хранении на складе, так и при разведении водой в баке опрыскивателя. Благодаря наноразмеру, капли рабочего раствора ложатся на листья сорняков сплошной тончайшей пленкой, быстро проникая внутрь растительных тканей.
Практическая проверка новой технологии проходила в ходе масштабных полевых испытаний, которые проводились с января по апрель 2025 года на пшеничных полях китайского города Чжэньцзян в провинции Цзянсу.
Эксперимент стартовал через 7 недель после посева зерна, когда молодые всходы пшеницы уже равномерно проросли.
Для обработки опытных делянок исследователи использовали ранцевые опрыскиватели, работающие под стабильным давлением 0,30–0,45 МПа и оснащенные веерными форсунками, которые обеспечивали равномерное распыление раствора с расходом 1,5 л/мин. Общий объем вылива наногербицидов был установлен на уровне 450 л/га. Чтобы исключить случайные погрешности, каждую дозировку тестировали на изолированных участках площадью 48 м² в четырехкратной повторности с полностью случайным распределением делянок по полю. В качестве главных мишеней выступали доминирующие на этих угодьях злаковые сорняки — лисохвост японский (Alopecurus japonicus), лисохвост равный (Alopecurus aequalis) и бекмания солончаковая (Beckmannia syzigachne).
Оценку безопасности нанопрепаратов для культурных растений ученые проводили визуально через 30 дней после обработки, фиксируя признаки химического повреждения пшеницы. Параллельно велся учет эффективности: через 30 и 104 дня после опрыскивания биологи подсчитывали точное количество выживших сорняков на случайных площадках внутри каждого участка площадью 0,25 м², а финальное взвешивание свежей биомассы сорных трав на 104-е сутки наглядно подтвердило превосходство нанотехнологичной защиты. Сорняки были уничтожены при значительно меньшей концентрации гербицидов на гектар.
Полевые испытания показали, что наносуспензии пироксасульфона и изопротурона значительно повысили гербицидную активность против целевых сорняков. Более того, после обработки наносуспензиями пироксасульфона и изопротурона пшеница не проявляла заметных симптомов повреждения, а количество колосьев, число зерен и урожайность значительно увеличились по сравнению с контрольной группой. Полученные результаты предоставляют ценную информацию об экономичном и эффективном управлении пшеничными полями, тем самым способствуя оптимизации дозировки гербицидов и снижению экологических рисков.