Адъювантная оптимизация ведет к сокращению использования пестицидов и улучшению их эффективности. Сокращение количества сельскохозяйственных пестицидов, может сократить количество загрязняющих стоков, попадающих в окружающую среду, одновременно снижая расходы фермеров и, возможно, даже повышая их производительность. Способ, как это сделать при помощи уже хорошо известных прилипателей-адъювантов, нашли ученые.
Группа исследователей из Массачусетского технологического института и созданная ими дочерняя компания разработали технологию, которая добавляет тонкое покрытие вокруг капель агрохимических препаратов, когда они распыляются на поле, что значительно снижает их тенденцию отскакивать от листьев и в конечном итоге оседать на земле. Вместо этого покрытые капли прилипают к листьям, как и предполагалось.
Исследование описано сегодня в журнале Soft Matter в статье недавних выпускников Массачусетского технологического института Вишну Джаяпракаша (доктор философии, 2022 г.) и Шридата Паната (доктор философии, 2023 г.), аспиранта Саймона Руфера и профессора машиностроения Массачусетского технологического института Крипы Варанаси.
Недавнее исследование показало, что если бы фермеры не использовали пестициды, они бы потеряли 78% фруктов, 54% овощей и 32% зерна. Несмотря на их важность, отсутствие технологий, которые контролируют и оптимизируют опрыскивание, заставило фермеров полагаться на личный опыт и практические правила, чтобы решить, как применять эти химикаты. В результате эти химикаты, как правило, распыляются чрезмерно, что приводит к стоку и попаданию химикатов в водоемы или накоплению в почве.
Пестициды наносят значительный ущерб глобальному здоровью и окружающей среде, отмечают исследователи. Недавнее исследование показало, что 31% сельскохозяйственных почв во всем мире подвергаются высокому риску загрязнения пестицидами. А сельскохозяйственные химикаты являются основной статьей расходов для фермеров: в США они тратят 16 миллиардов долларов в год только на пестициды.
Повышение эффективности распыления - один из лучших способов сделать производство продуктов питания более устойчивым и экономичным. Сельскохозяйственное распыление по сути сводится к смешиванию химикатов с водой и распылению капель воды на листья растений, которые часто по своей природе являются водоотталкивающими. «За более чем десятилетие исследований в моей лаборатории в Массачусетском технологическом институте мы получили фундаментальное понимание распыления и взаимодействия между каплями и растениями - изучая, когда они отскакивают, и все способы, которыми мы можем заставить их лучше прилипать и улучшить покрытие», - говорит Варанаси.
Ранее команда нашла способ уменьшить количество распыляемой жидкости, которая отскакивает от листьев, на которые она попадает, что включало использование двух распылительных насадок вместо одной и распыление смесей с противоположными электрическими зарядами. Но они обнаружили, что фермеры неохотно брали на себя расходы и усилия по переоборудованию своего распылительного оборудования в систему с двумя насадками. Поэтому команда искала более простую альтернативу.
Они обнаружили, что могут достичь того же улучшения в удержании капель, используя систему с одним соплом, которую можно легко адаптировать к существующим распылителям. Вместо того, чтобы давать каплям пестицида электрический заряд, они покрывают каждую каплю исчезающе тонким слоем маслянистого материала.
В своем новом исследовании они провели лабораторные эксперименты с высокоскоростными камерами. Когда они распыляли капли без специальной обработки на водоотталкивающую (гидрофобную) поверхность, похожую на поверхность листьев многих растений, капли сначала растекались в блиноподобный диск, затем отскакивали обратно в шар и отскакивали. Но когда исследователи покрывали поверхность капель небольшим количеством масла - составляющим менее 1% жидкости капли - капли растекались и затем оставались на месте. Обработка улучшала «липкость» капель в сто раз.
«Когда эти капли ударяются о поверхность и расширяются, они образуют это масляное кольцо, которое по сути прижимает каплю к поверхности», - говорит Руфер. Исследователи перепробовали самые разные условия, говорит он, объясняя, что они провели сотни экспериментов «с разными скоростями удара, разными размерами капель, разными углами наклона, всеми вещами, которые полностью характеризуют это явление».
Хотя разные масла различались по своей эффективности, все они были эффективны. «Независимо от скорости удара и масел, мы увидели, что высота отскока была значительно ниже», - говорит он.
Эффект работает с удивительно малым количеством масла. В своих первых тестах они использовали 1% масла по сравнению с водой, затем они попробовали 0,1% и даже 0,01%. Улучшение в прилипании капель к поверхности продолжалось при 0,1%, но начинало разрушаться после этого. «По сути, эта масляная пленка действует как способ задержать эту каплю на поверхности, потому что масло очень притягивается к поверхности и как бы удерживает воду на месте», - поясняет Руфер.
В первоначальных тестах исследователи использовали соевое масло для покрытия, полагая, что это будет знакомый материал для фермеров, с которыми они работали, многие из которых выращивали сою. Но оказалось, что хотя они и производили бобы, масло не было частью их обычной цепочки поставок для использования на ферме.
В дальнейших тестах исследователи обнаружили, что несколько химикатов, которые фермеры уже регулярно использовали при опрыскивании, называемые поверхностно-активными веществами и адъювантами, обеспечивали те же преимущества, удерживая капли на листьях.
«Таким образом, мы не вводим новый химикат и не изменяем химические процессы в их области, а используем то, что им давно известно», - отмечает Варанси.
Варанаси и Джаяпракаш создали компанию AgZen для коммерциализации системы. Чтобы доказать, насколько их система покрытия улучшает количество распыляемого вещества, которое остается на растении, им сначала пришлось разработать систему для мониторинга распыления в реальном времени.
Эта система, которую они называют RealCoverage, была развернута на фермах размером от нескольких десятков акров до сотен тысяч акров и на многих различных типах культур и позволила фермерам сэкономить от 30 до 50% расходов на пестициды просто за счет улучшения контроля над существующими опрыскиваниями.
По словам компании, система будет развернута на 920 000 акрах посевов в 2025 году, включая некоторые фермы в Калифорнии, Техасе, на Среднем Западе, во Франции и Италии. Исследователи говорят, что добавление системы с использованием новых сопел должно привести как минимум к еще одному удвоению эффективности.
«Вы могли бы вернуть миллиард долларов американским фермерам, если бы сэкономили всего 6% их бюджета на пестициды, - говорит Джаяпракаш, ведущий автор исследовательской работы и генеральный директор AgZen. - В лаборатории мы получили 300% дополнительного продукта на растении. Это означает, что мы могли бы получить порядки сокращения количества пестицидов, распыляемых фермерами».
Фермеры уже использовали эти поверхностно-активные вещества и адъювантные химикаты для повышения эффективности опрыскивания, но они смешивали их с водным раствором. Чтобы это имело какой-либо эффект, им приходилось использовать гораздо больше этих материалов, рискуя вызвать ожоги растений. Новая система покрытия уменьшает количество необходимых этих материалов, одновременно повышая их эффективность.
В полевых испытаниях, проведенных AgZen, «мы удвоили количество продукта на капусте и соевых бобах, просто изменив местонахождение адъюванта от смешивания к покрытию. Это удобно для фермеров, потому что все, что они делают, это меняют распылитель. Они заставляют все свои существующие химикаты работать лучше, и они получают больше продукта на растении», - говорит Джаяпракаш. Он добавил, что та же система будет работать для любой агрохимии, включая внекорневые подкормки, то есть по листу.
Недавно компания AgZen привлекла 10 миллионов долларов венчурного финансирования для поддержки быстрого коммерческого внедрения этих технологий, которые могут улучшить контроль за использованием химикатов в сельском хозяйстве.
«Знания, которые мы собираем с каждого листочка, в сочетании с нашими знаниями в области межфазной науки и механики жидкостей дают нам непревзойденное понимание того, как используются и разрабатываются химикаты, и становится ясно, что мы можем обеспечить ценность на протяжении всей цепочки поставок агрохимикатов. Наша миссия - использовать эти технологии для улучшения результатов и снижения затрат в сельскохозяйственной отрасли», - заключил Варанаси.
Источник: Massachusetts Institute of Technology. Автор: Дэвид Л. Чандлер.
Технология добавляет тонкое покрытие вокруг капель, когда они распыляются на поле, что значительно снижает их тенденцию отскакивать от листьев и в конечном итоге оседать на земле. Фото предоставлено Varanasi Lab.