העולם החל כבר מזמן בפריחה סביב מוצרים אורגניים שחייבים לעמוד בקריטריונים מסוימים, כולל ידידותיים לסביבה. ואיך להשיג את הטוהר הרצוי, אם כמעט כל הגידולים רגישים למחלות הנגרמות על ידי חיידקים? לא קל לפתור בעיה כזו בלי "כימיה". לכן, מדענים חושבים כיצד להפוך כימיקלים לבלתי מזיקים ככל האפשר לצמחים ולבריאות האדם. Alla PERFILYEVA, חוקרת בכירה של המעבדה לאינטראקציות צמחים-מיקרוביאליות של המכון הסיבירי לפיזיולוגיה וביוכימיה של צמחים של הענף הסיבירי של האקדמיה הרוסית למדעים, מועמדת למדעי הביולוגיה, נטלה את פתרון הבעיה יחד עם הצוות המדעי שלה. . נושא המחקר "שיפור צמחים חקלאיים מפתוגנים של חיידקים ופטריות באמצעות ננו-מרוכבים של סלניום המתקבלים על ידי סינתזה כימית ומיקרוביולוגית" נתמך על ידי מענק מנשיא הפדרציה הרוסית.
- חיידקים פיטופתוגנים הם הגורמים הגורמים למחלות של צמחים תרבותיים, אומר אלא. הם יכולים להיות בצורה של וירוסים, חיידקים או פטריות. בשל שינויי האקלים העולמיים, מגוון החיידקים הפתוגניים רבים מתרחב, כולל התפשטות לטריטוריות חדשות. פתוגנים מובילים לתבוסה של חומר שתילה - ריקבון של נורות, פקעות של צמחים. כתוצאה מכך, צמיחת הצמח מואטת במהלך עונת הגידול: גודלו בכללותו או איבריו פוחתים - העלים הופכים קטנים יותר, מערכת השורשים מתפתחת בצורה גרועה. שינויים בפיגמנטציה: מתרחשת הצהבה, האיברים הופכים לירוק חיוור. עלים וגבעולים קמלים, מקרים של מוות מוחלט של צמחים אינם נדירים. כל זה, כמובן, משפיע לרעה על היבול.
- איך מתמודדים עם זה?
- כדי לדכא מיקרואורגניזמים פיטופתוגניים, נעשה שימוש בחומרי הדברה רעילים. עם זאת, הם פועלים נגד פטריות ואינם יעילים נגד חיידקים. אבל אין ספק שיש צורך בכספים כאלה.
- מסתבר שחיידקים פיטופתוגניים הורסים הכל ואי אפשר לעשות כלום בנידון?
- זה לא משתלם לפיטופתוגנים להרוס הכל, כי הם צריכים בסיס מזון. אם הם משמידים לחלוטין צמחים מארח, אז פשוט לא יהיה להם איפה לגור ולא יהיה להם מה לאכול. לכן, פיטופתוגנים מעכבים צמחים בהדרגה.
התפתחות המחלות מושפעת מתנאי מזג האוויר, לפעמים הם מתבררים לטובת אדם, לא פתוגנים. כך למשל, ריקבונים שונים, לרבות מחלת דלקת מאוחרת, מתפתחים בצורה פעילה יותר בקיץ קר וגשום, ומזג אוויר יבש וחם אינו נוח עבורם. לפעמים הפסדי היבול הם משמעותיים ומסתכמים ב-40-70%. יש לקחת בחשבון את העובדה שפיטופתוגנים לעולם אינם פועלים לבד. ככלל, יש השפעה מורכבת של פטריות וחיידקים על צמחים. כתוצאה מכך, זיהום אחד (לעיתים קרובות פטריות) מחליש את האורגניזם הצמחי, ושאר הפיטופתוגנים תוקפים מאוחר יותר.
- מסתבר שחלק מהגידולים לא אמורים לגדל בכלל - האם חיידקים יאכלו אותם בכל זאת?
- כתוצאה מבחירה ארוכת טווח, אדם בחר את הזנים העמידים ביותר של צמחים מעובדים. עם זאת, האבולוציה של פיטופתוגנים הולכת במקביל לאבולוציה של הצמחים המארחים - הם גם נעשים עקשניים יותר.
- אילו תרופות מפתחות כיום כדי לפתור את הבעיה?
- מיקרואורגניזמים פיטופתוגניים עמידים מאוד בפני גורמים סביבתיים, מכיוון שהם מסוגלים לבלות חלק מחייהם מחוץ לאורגניזם הצמח המארח, בהיותם באדמה. לכן, לא כל החומרים יכולים להשפיע על הכדאיות שלהם. זה אני יודע מהניסיון שלי בבדיקת כימיקלים שונים.
- מדוע החלטת לנסות ננו מרוכבים של סלניום?
סלניום הוא מיקרו-נוטריינט חיוני לכל היצורים החיים. הוא חלק מהאנזימים הנחוצים לתא, בעל פעילות ביולוגית גבוהה ואפקט נוגד חמצון. עם זאת, התוכן שלו באדמה ברחבי העולם אינו מספיק.
בהרכב של ננו-מרוכבים, סלניום הוא בצורה של ננו-חלקיקים. אין להם מטען, הגודל שלהם הוא עד 100 ננומטר. בהשוואה לתרכובות קונבנציונליות של יסודות כימיים, יש לצרוך ננו-חלקיקים בנפחים קטנים יותר. בכמויות גדולות יש להם השפעה רעילה.
בעת יצירת ננו מרוכבים, ננו-חלקיקים ארוזים בצפיפות בתוך מולקולה גדולה (מטריקס). זהו פולימר טבעי, למשל, עמילן המתקבל מתפוחי אדמה, או קרגנין, המשמש כחומר מעבה לתעשיית המזון, או ארבינוגלקטן, רב-סוכר המבודד מגש סיבירי, וכן חומרים הומוסיים. ננו-חלקיקים אינם ממוקמים על פני השטח של הננו-מרוכב, אלא בפנים, ולכן הם אינם מסוגלים להיכנס לתגובות כימיות.
איך הורסים חיידקים?
- פולימרים טבעיים אטרקטיביים לחיידקים פתוגניים כמזון. הם מפרישים חומרים מיוחדים בחוץ - אקזואנזימים, המסוגלים לפרק מולקולות גדולות מחוץ לתא החיידק לקטנות יותר - אוליגומרים ומונומרים. חיידקים ניזונים מהם. כאשר מטריצת הננו מרוכבת נבקעת על ידי אקזואנזימים, משתחררים ננו-חלקיקי סלניום.
הם נצמדים לפני השטח של תא החיידק ופועלים על פוטנציאל הממברנה, כלומר המטען על פני התא. כתוצאה מכך, נוזל מהסביבה מתחיל להיכנס באופן פעיל לתא החיידק, מה שמוביל לקרע של החיידק.
יחד עם זאת, גם לננו-חלקיקי סלניום וגם למטריצות אין השפעה שלילית על הצמחים. יתרה מכך, חקרנו מספר חומרים - ננו מרוכבים של סלניום במטריצות פולימריות טבעיות שונות - ומצאנו שהם אפילו ממריצים את הצמיחה וההתפתחות של צמחים, מגבירים את עמידותם לפיטו-פתוגניים במבחנה, כלומר "במבחנה", ואת התפוקה בצמחים. תנאי שטח. לְנַסוֹת.
יחד עם זאת, סלניום אינו מצטבר ברקמות הצמח לאחר הטיפול בהם ואין לו השפעה מזיקה על מיקרואורגניזמים בקרקע, דבר המעיד על בטיחות השימוש בננו מרוכבים. יתר על כן, הם מעשירים את התזונה המינרלית של צמחים, מגבירים את עמידותם למחלות. כך מתברר שננו-מרוכבים של סלניום הורסים מיקרואורגניזמים פיטו-פתוגניים ובנוסף, בעלי השפעה ממריצה צמיחה לצמחים מבלי לפגוע בסביבה.
- כמה זמן אתה עובד על הנושא הזה? אילו עוד תוצאות קיבלת?
– התחלתי לחקור את הפעילות הביולוגית של ננו מרוכבים מיד לאחר שהגנתי על הדוקטורט שלי. עבודת גמר בשנת 2013. ננו-מרוכבים של סלניום מסונתזים על ידי הקבוצה המדעית של בוריס סוחוב במכון לקינטיקה ובערה של הענף הסיבירי של האקדמיה הרוסית למדעים. VV Voevodsky בנובוסיבירסק. במכון שלנו, אני ועמיתיי עוסקים בננו-מרוכבים: אירינה גרסקובה, חוקרת ראשית של המעבדה לאינטראקציות צמחים-מיקרוביאליות, דוקטור לביולוגיה, אולגה נוז'קינה ואנסטסיה גזיזובה, מהנדסת מובילה, וכן סטודנטים של הפקולטה לביולוגיה וקרקע. מאוניברסיטת Irkutsk State University, שמבצעים מחקר תחת פיקוחי עבור עבודות התואר והעבודות שלהם.
חקרנו את ההשפעה של מספר ננו מרוכבים המכילים סלניום במטריצות על נביטה של צנוניות, פולי סויה ותפוחי אדמה. גילו שבמקרים מסוימים הם מעוררים גדילה. במשך שלוש שנים, מ-2020 עד 2022, במהלך ניסויי שדה, חקרנו את השפעת הננו-מרוכבים של סלניום על תפוקת תפוחי האדמה ומצאנו שהם מגדילים את מספר הפקעות המתקבלות מכל צמח.
בנוסף, גילינו את ההשפעה המזיקה שיש לננו-מרוכבים של סלניום על חיידקי ריקבון הטבעת של תפוחי אדמה, Clavibactersepedonicus, ופתוגן השחמה המאוחר Phytophthora cactorum, שמדביק מגוון רחב של גידולים, מעצי תפוח ועד פרחים.
דלקת מאוחרת היא מחלה של צמחים שבה נצפים הצהבה ונבילה של עלים, ריקבון של פירות על הגפן ואפילו מוות מוחלט של הצמח. נמצא לעתים קרובות בנציגי משפחת ליל הלילה - אלה עגבניות ותפוחי אדמה. כעת אנו לומדים כיצד טיפול טרום השתלה של פקעות תפוחי אדמה עם ננו מרוכבים של סלניום משפיע על ההרכב המיקרוביאלי (מיקרוביום) של פקעות מיבול תפוחי האדמה.
במשך 10 שנים, חקרנו מספר ננו מרוכבים המבוססים על ננו-חלקיקים של מתכות - כסף, נחושת, מנגן, ברזל, כמו גם את השילובים השונים שלהם. התקבלו נתונים מעניינים חדשים, לפיהם חלק מהננו-מרוכבים בעלי פעילות ביולוגית גבוהה מאוד: הם ממריצים את הצמיחה וההתפתחות של צמחים, ובעלי השפעה אנטיבקטריאלית גבוהה. כבר הגשנו בקשה לפטנט על רישום הפעילות הביולוגית של ננו מרוכבים מנגן.
- עד כמה תוצאות המחקר שלך יהיו מבוקשות?
– כיום, נדון באופן פעיל בשימוש בננו-טכנולוגיות בתחומים שונים של הכלכלה הלאומית. ברפואה וברפואה הווטרינרית, ננו-חלקיקים כבר נמצאים בשימוש נרחב לטיפול בסרטן וכנוגדי חמצון. השימוש בננו-טכנולוגיות באגרוכימיה מבטיח בשל נפח השימוש הנמוך בחומרים המכילים ננו-חלקיקים. יחד עם זאת, העלויות דומות לחומרי חיטוי קונבנציונליים, והשפעת השימוש בננו-חלקיקים גבוהה בהרבה. בשל העובדה שהאדמה דלה בסלניום, צמחים זקוקים לתוספי מינרלים מתאימים. עם זאת, רובם אינם מתמוססים לחלוטין בלחות הקרקע ונספגים בצמחים. לכן, הצורך בטיפול בחומר שתילה בננו מרוכבים של סלניום ברור.
בנוסף, עדיין אין מספיק ידע בסיסי על ההשפעה של ננו-חלקיקים על אורגניזמים צמחיים, מיקרואורגניזמים פיטו-פתוגניים ויחסי צמחים-מיקרוביאליים. המחקר שלנו ממלא את הפערים הללו. כבר ערכנו מספר רב של בדיקות מעבדה וניסויים בשטח, שנתנו לנו הבנה די מעמיקה של הבעיה. כדי להשתמש בידע זה בפועל, יש צורך באישור במשרד חקלאי. נעשה גם את זה, אבל בהמשך. עבודה כזו דורשת נפחים גדולים בהרבה של ננו מרוכבים מאשר למחקרי מעבדה. זוהי המשימה של כימאים סינתטיים.