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]:
(1)
где Ф – фитотоксический эффект, %; N1 – число растений до обработки препаратами; N – число растений после обработки.
Относительную фитотоксичность Фо рассчитывали по формуле
(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.