Агрохимия, 2023, № 12, стр. 98-105

ВВЕДЕНИЕ

Чрезмерное использование химических удобрений часто является основной причиной деградации почв, загрязнения окружающей среды и негативного влияния на здоровье человека [1]. Применение большого количества химических удобрений также связывают с дисбалансом питания выращиваемых растений, что способствует заражению болезнями сельскохозяйственных культур, усилению атак насекомых-вредителей, а также стимулирует рост сорняков [2]. Для решения этих проблем в последнее время было предложено использовать биостимуляторы, которые способствуют смягчению негативного воздействия различных абиотических стресс-факторов для выращиваемых растений, включая такие как климатические изменения (засуха, заморозки, снижение качества поливных вод и др.), где невозможно использовать традиционные химические средства защиты растений [3]; повышают природную устойчивость выращиваемых растений к биотическим стресс-факторам и снижают нормы использования ядохимикатов в сельском хозяйстве [4]; позволяют сокращать дозы применения химических удобрений и повышают эффективность использования внесенных в систему почва–растение питательных веществ [2]; улучшают качество получаемой сельскохозяйственной продукции [5]; позволяют снизить скорость деградации почвенного покрова, выраженное в уменьшении содержания важнейших микроэлементов (железа, цинка, бора и др.) [6].

Особое внимание сейчас уделяется необходимости снижения доз внесения минеральных удобрений. Например, European Commission еще до энергетического кризиса планировала снизить внесение агрохимикатов на 30% к 2050 г. [7]. Несомненно, что проблема с высокими ценами на энергоносители и природный газ еще больше повысят интерес к биостимуляторам [8]. Поэтому сегодня наиболее развивающимся сектором в сельском хозяйстве является производство и применение биостимуляторов [9, 10]. Этот рынок является одним из самых быстрорастущих секторов сельского хозяйства, увеличиваясь на 12–15% в год. Предполагают, что рынок биостимуляторов увеличится с 2.79 млрд $ США в 2018 г. до 6.98 млрд $ США в 2026 г.

Однако часто термин биостимулятор используют неправильно, причисляя к этому классу стимуляторы роста или микроэлементы [11]. Поэтому важно точно определить, что понимают под термином биостимулятор.

БИОСТИМУЛЯТОРЫ

Важно, что само понятие стресса у растений используют только со 2-й половины ХХ века [12]. Различная интенсивность и длительность негативного раздражителя порождают стресс, который вызывает специфическую или неспецифическую реакцию организма [13, 14]. Первое обычно возникает, когда стрессор фокусируется на определенной цели, второе – когда реакции на различные стрессоры схожи. Поскольку укореняющиеся растения не могут вырваться из вредной среды, они развили другие защитные стратегии, включая способность избегать стресса (например, морфологические и биохимические барьеры, препятствующие или задерживающие стрессорную активность внутри клетки, адаптацию жизненного цикла к сезонам года) и/или стрессоустойчивость (например, альтернативные пути, позволяющие клетке функционировать в стрессовых условиях, предотвращение вызванных стрессом изменений, толерантность к изменениям или механизмы быстрого восстановления повреждений) [14].

Традиционные методы производства растениеводческой продукции основаны в основном на совершенствовании агротехники (например, обработки почвы, рекультивации, внесении макро- и микроэлементов (удобрений), орошении и т.п.) ограничены из-за невозможности эффективно использовать биологический потенциал культивируемого сорта [15]. Предотвращения ущерба, наносимого вредными организмами или абиотическими стрессами полевым культурам, производство и защита растений в основном основываются на стимулировании их роста и развития с одновременным снижением опасностей, представляемых для человека и окружающей среды, а также на обеспечении безопасной высококачественной сельскохозяйственной продукцией. Использование пестицидов, представляющих собой в основном яды, позволяет снизить негативное воздействие биотических стресс-факторов, но не может влиять на абиотические стресс-факторы. Поэтому применение биостимуляторов представляется наилучшим средством удовлетворения острой потребности в альтернативных методах, основанных на новых биологически активных, экологически чистых и безопасных веществах, применение которых повышает природную устойчивость растений к неблагоприятным условиям.

Однако до сих пор нет четкого определения, что есть биостимулятор. Вот несколько примеров таких определений:

– растительные биостимуляторы (фитостимуляторы) – это различные нетоксичные вещества преимущественно природного происхождения, которые улучшают и стимулируют жизненные процессы растений более дифференцированно, чем удобрения или фитогормоны. Влияние биостимуляторов на обработанные растения не является следствием прямой способности регулировать обмен веществ, и их действие может быть разнонаправленным. Решающим моментом является то, что биостимуляторы, в отличие от биорегуляторов и гормонов, улучшают обменные процессы растений, не изменяя их естественного гомеостаза [10];

– биостимуляторы – это различные природные вещества, активирующие естественные биологические процессы, которые помогают растениям преодолеть стрессы и достичь максимального генетического потенциала с точки зрения урожайности и качества (http://biotech2030.ru/biostimulyatory-dlya-rastenij-prodazhi-nabirayut-oborot/);

– биостимулятором являются вещества и/или микроорганизмы, используемые для обработки семян, растений или ризосферных микроорганизмов, которые стимулируют естественные процессы, повышающие усвоение питательных веществ, эффективность их использования, устойчивость к абиотическому стресс-фактору или качество и урожайность сельскохозяйственных культур (Agriculture Improvement Act of 2018, USA).

Биостимуляторы используют как для обработки почвы (микроорганизмы), обработки семян, так и взрослых растений. Существует несколько классификаций биостимуляторов. Например на сайте (https://info.agricen.com/growing-for-future-ag-biologicals-booklet) биостимуляторы делят на 4 группы – органические кислоты, микроорганизмы, экстракты и др. Однако сегодня существует более детальные классификации биостимуляторов. Согласно регламенту Европейского Союза ((ЕС) 2019/1009), биостимуляторы в целом разделены на 2 большие категории в зависимости от происхождения – микробные и немикробные препараты [16]. К категории микробных биостимуляторов относят бактерии, дрожжи и нитевидные грибы [17 ] . Эти микроорганизмы извлекают из почвы, растений и других органических материалов [18]. Микробные биостимуляторы вносят в почву, ими обрабатывают семена, и они могут оказывать прямое или косвенное действие на повышение урожайности сельскохозяйственных культур [19]. Микроорганизмы могут оказывать прямое воздействие на урожай через установление взаимной симбиотической ассоциации с растениями (например, микориза) или косвенно, увеличивая биодоступность питательных веществ для растений [20]. В последнем европейском Регламенте по удобрениям (https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A32019R1009), микроорганизмы Azotobacter spp., Mycorrhiza, Rhizobium spp. и Azospirillum spp. признаны биостимуляторами.

Для немикробных биостимуляторов обычно выделяют 6 подкатегорий: 1 – хитозан – полисахарид является компонентом хитина. Известно 2 способа получения хитозана, которые заключаются в извлечении хитозана непосредственно из клеточных стенок термохимическими или ферментативными методами деацетилирования хитина, позволяющими удалять N-ацетильные группы из хитина. В настоящее время хитозан получают путем термохимического гидролиза хитина [21]; 2 – гуминовые и фульвокислоты – природные компоненты органического вещества почвы, образующиеся в результате процессов разложения растений, животных и микроорганизмов, а также дополнительно модифицированные метаболической активностью почвенных микробов [22]; 3 – гидролизаты животных и растительных белков, которые представляют собой смесь соединений, таких как аминокислоты, пептиды и полипептиды, получаемые путем химического, ферментативного и термического гидролиза белков из сложных биологических матриц [23]; 4 – экстракты морских водорослей, которые представляют собой большую группу и включают макроскопические морские водоросли и многоклеточные водоросли, принадлежащие к различным таксономическим группам, таким как бурые, красные и зеленые водоросли [24]; 5 – фосфит [${{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{PO}}_{3}^{ - }$ или ${\text{HPO}}_{3}^{{2 - }}$], аналог фосфата является неорганическим биостимулятором в сельском хозяйстве, который усиливает рост и продуктивность различных культурных растений, выращиваемых в условиях абиотических стресс-факторов [25], 6 – кремний является общепризнанным неорганическим биостимулятором, который активно используют во многих странах как биостимулятор [26].

Часто к неорганическим биостимуляторам относят также селен, поскольку препараты на его основе позволяли улучшить усвоение питательных веществ, повышать устойчивость растений к стресс-факторам и улучшать качество урожая [27].

Эффективное использование биостимуляторов требует понимания процессов, определяющих их воздействия на онтогенез и устойчивость выращиваемых растений. Любой стресс-фактор усиливает синтез активных форм кислорода (АФК), что характерно для большинства живых организмов, вызывая окислительный стресс [28, 29]. АФК – супероксидный радикал, пероксид водорода, синглетный кислород, гидроксильный радикал, пероксидный и алкоксильные радикалы [30]. В клетках любого организма происходят окислительно-восстановительные реакции, которые обеспечивают эти организмы необходимой энергией. Молекулярный кислород важен для извлечения химической энергии, запасенной в органических молекулах и прежде всего углеводах и белках. С его помощью различные ферменты (оксидоредуктазы) осуществляют окислительные реакции. Противовесом АФК в этих реакциях являются различные антиоксиданты [31]. Антиокислительная защитная система включает ферментативные (энзимные) и неферментативные (не энзимные) компоненты [32]. Ферментативные компоненты (аскорбатпероксидаза, глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза, гваяколпероксидаза, каталаза, супероксиддисмутаза и др.) работают в разных клеточных компартментах и активируются, когда клетки испытывают окислительный стресс, т.е. находятся под каким-либо стресс-фактором. Аскорбиновая кислота, α-токоферол, глутатион, каротиноиды, пролин и флавоноиды относятся к неферментативным антиоксидантам [33]. Механизм снижения активности АФК антиоксидантами может быть различным, но все они либо нейтрализуют избыточный заряд АФК, либо расщепляют АФК и липидные радикалы, либо защищают напрямую клеточные мембраны и клеточные органеллы [31, 33, 34].

Несмотря на то, что сами АФК, как правило, обладают сигнальными функциями, инициируя процессы активации энзимных и неэнзимных антиоксидантов, противостоять многим стресс-факторам растения не могут, что ведет к потерям урожая и качества выращиваемой продукции. Поэтому поддержание баланса окислительно-восстановительных процессов при использовании биостимуляторов является основным способом защиты растений в условиях стресс-факторов. Способность того или иного продукта, участвующего непосредственно в регулировании окислительно-восстановительного баланса растений, является одним из ключевых параметров классификации этого продукта как биостимулятора.

КРЕМНИЕВЫЕ БИОСТИМУЛЯТОРЫ

Многочисленные современные исследования свидетельствуют, что кремневые препараты положительно влияют на онтогенез растений и их устойчивость к стрессам различной природы [35, 36]. В настоящее время определены следующие механизмы, обеспечивающие защиту растений при использовании кремний-содержащих соединений в условиях биотического и абиотического стресс-факторов: 1 – аккумуляции кремния в эпидермальных тканях растений и образование двойного кутикулярного слоя, который препятствует развитию заболеваний растений и атакам насекомых [37]; 2 – ускорение развития корневой системы растений и увеличение содержания хлорофиллов а и б и каротиноидов в клетках растений [38]; 3 – нейтрализация неорганических загрязняющих веществ (тяжелых металлов и мышьяка) монокремниевой кислотой в апопласте и симпласте растений [39]; 4 – контроль и регуляция транспорта макро- и микроэлементов [40]; 5 – активация специфических и неспецифических антиоксидантов при воздействии на растения различных стресс-факторов [41].

В настоящее время можно выделить 2 группы кремнийсодержащих препаратов, которые могут быть определены как биостимуляторы согласно малым дозам внесения (до 10 кг/га) и по воздействию на растения, где фиксируется увеличение активности стресс-ферментов или антиоксидантов. Это жидкие препараты на основе концентрированной монокремниевой кислоты и твердые препараты, химический состав которых определяется либо как аморфный тонкодисперсный кремнезем, либо как гель кремниевой кислоты.

Препараты на основе концентрированной монокремниевой кислоты. Препараты этой группы производят во многих странах – США (Quick-sol, Silica Boost, EcoSil), Польше (Optysil), Индии (Liquid Silicon, SiSili, Liquisil), России (Pевитаплант кремний, Ek-Si). Обычно концентрация растворенного кремния в этих препаратах составляет от 5 до 15% Si, и препаративной формой этих препаратов является монокремниевая кислота.

Монокремниевая кислота содержит 1 атом кремния. Часто встречающаяся форма монокремниевой кислоты – ортокремниевая кислота (H₄SiO₄), рK = –9.85 и ее анион – ${{{\text{H}}}_{{\text{3}}}}{\text{SiO}}_{4}^{ - }$. Метакремниевая кислота (H₂SiO₃) встречается в природе редко [42] (рис. 1).

Рис. 1.

Типы кремниевых кислот в растворах [42].

В ряде экспериментов было показано, что монокремниевая кислота стабильна при рН 7.0 при концентрации до 100 мг Si/л [43, 44]. При дальнейшем увеличении концентрации монокремниевой кислоты в нейтральном растворе происходит процесс полимеризации кремниевой кислоты. Для растворов с низким рН процесс полимеризации кремниевой кислоты происходит при более низких концентрациях монокремниевой кислоты, а для растворов с высоким рН полимеризация может вообще не происходить [44]. Скорость процесса полимеризации зависит от нескольких факторов, включая исходную концентрацию мономеров кремниевой кислоты. Поэтому для жидких препаратов можно стабилизировать высокую концентрацию монокремниевой кислоты. В основном для этого используют щелочь (например, Quick-Sol, Eco-Sil, Эк-Си). Однако в препарате Optusil используют азотные соединения для стабилизации концентрированного раствора монокремниевой кислоты.

Эффекту жидких кремнийсодержащих препаратов посвящено много работ [45–50]. Эти препараты обычно вносят в виде некорневой (листовой) подкормки выращиваемых растений. В исследованиях охвачено большое количество культур: картофель, сахарная свекла, люпин, пшеница, лук, рис, рапс и др.

В литературе описаны различные эффекты жидких кремнийсодержащих биостимуляторов, прежде всего на урожайность и качество выращиваемой продукции. Многие работы посвящены специальным эффектам, таким как снижение токсичности тяжелых металлов [51, 52], устойчивость к абиотическим и биотическим стрессам [41, 53].

Нами в предыдущих исследованиях было сделано предположение, что защита растений при внесении Si-содержащих соединений может быть определена: 1 – влиянием на передачу внутри- и внеклеточных сигналов, что может приводить к ответным реакциям клетки или всего организма на внешнее воздействие, либо 2 – оказывать прямое влияние на синтез соединений, участвующих в снижении активности АФК.

Препараты на основе твердых кремнийсодержащих соединений. Твердых кремнийсодержащих биостимуляторов, которые бы использовали на практике или в научных исследованиях значительно меньше. В 2023 г. был зарегистрирован как биостимулятор препарат АпаСил (ФосАгро), который является твердым и представляет собой твердый материал с содержанием 31.5% SiO₂. Он рекомендован для обработки семян и некорневой (листовой) подкормки растений. Наши исследования показали, что применение этого препарата повышало устойчивость пшеницы и сахарной свеклы к низким температурам [41]. Было показано, что кроме влияния на ростовые параметры, внесение твердого кремний-содержащего биостимулятора повышало содержание фотосинтетических пигментов и повышало активность таких антиоксидантов как аскорбат пероксидаза, гуяаколпероксидаза. Также было отмечено уменьшение количества продуктов, реагирующих с тиобарбитуровой кислотой [41].

Тонкодисперсный аморфный диоксид кремния или микросилика применяют в некоторых исследованиях c использованием низких доз, что позволило использовать эти препараты как биостимуляторы [52, 54].

В последнее время появились работы, где применяют кремниевые препараты, имеющие нано-размеры частиц [55, 56]. В этих работах показано, что нанокремний положительно влиял на растения при обработке семян [57, 58] и при обработке листьев растений [59]. При этом также отмечено увеличение активности стресс-ферментов, что позволило культивируемым растениям снизить негативный эффект от действия стресс-факторов [60]. Часто нанокремний используют совместно с другими неорганическими веществами, что усиливает положительный эффект [61, 62].

Однако при использовании твердых форм кремнийсодержащих биостимуляторов сложно определить сам механизм воздействия. Обычно эти препараты перед применением смешивают с водой или водным раствором. Так как скорость растворения кремнезема очень высокая [43], то можно предположить, что действующим веществом является образовавшаяся монокремниевая кислота. С другой стороны, вода быстро испаряется, и кремнийсодержащие частицы, особенно наноразмеров могут оказывать прямое влияние на сигнальную систему растений. Но это предположение необходимо доказать.

Однако подтверждение участия активных форм кремния в работе сигнальной системы растений трудно доказать при использовании существующих методов исследования, но некоторые работы указывают на такую возможность [63].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ литературы свидетельствует, что кремнийсодержащие препараты как в жидкой, так и твердой форме, использованные в низких дозах (до 10 кг/га), могут оказывать положительное воздействие на выращиваемые культуры и быть классифицированы как эффективные биостимуляторы.

Использование кремнийсодержащих биостимуляторов имеет высокую эффективность, и их применение позволяет снизить негативное влияние многих стресс-факторов, включая климатические, атаки насекомых-вредителей, болезней, повысить эффективность традиционных агрохимикатов, что позволит снизить дозы их применения и повысить уровень плодородия почв.