vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/2227-2925-2021-11-3-421-429vuzbiochemi-650Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯPHYSICOCHEMICAL BIOLOGYПолучение наноразмерного кремнегуминового препарата и его первичная апробацияObtaining a nanosized silica-humic preparation and its initial approbationСмирноваЮ. Д.SmirnovaYu. D.

Смирнова Юлия Дмитриевна, к.б.н., заместитель директора по науке

170530, Тверская обл., Калининский р-н, п. Эммаус, 27

Yulia D. Smirnova, Cand. Sci. (Biology), Deputy Director for Science

27, Emmauss Village, Kalininsky District, 170530, Tver Region

ulayad@yandex.ruРабиновичГ. Ю.RabinovichG. Yu.

Рабинович Галина Юрьевна, д.б.н., профессор, заведующая отделом биотехнологий

170530, Тверская обл., Калининский р-н, п. Эммаус, 27

Galina Yu. Rabinovich, Dr. Sci. (Biology), Professor, Head of the Department of Biotechnology

27, Emmauss Village, Kalininsky District, 170530, Tver Region

2016vniimz-noo@list.ruФомичеваН. В.FomichevaN. V.

Фомичева Наталья Викторовна, к.б.н., заведующая лабораторией микробиологии и экологической биотехнологии

170530, Тверская обл., Калининский р-н, п. Эммаус, 27

Natalia V. Fomicheva, Cand. Sci. (Biology), Head of the Laboratory of Microbiology and Environmental Biotechnology

27, Emmauss Village, Kalininsky District, 170530, Tver Region

nvfomi@mail.ruФИЦ «Почвенный институт им. В.В. Докучаева»РоссияFRC V.V. Dokuchaev Soil Science InstituteRussian Federation202107102021113421429Copyright © Смирнова Ю.Д., Рабинович Г.Ю., Фомичева Н.В., 20212021Смирнова Ю.Д., Рабинович Г.Ю., Фомичева Н.В.Smirnova Y.D., Rabinovich G.Y., Fomicheva N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/650

Резюме: В последние десятилетия отмечается развитие и внедрение нанотехнологий, в том числе и в различных областях сельского хозяйства. Идет активный поиск способов получения препаратов для растениеводства с наночастицами, которые быстрее включаются в метаболические процессы растений. Целью данной работы являлось получение наноразмерного кремнегуминового препарата и его апробация на растениях картофеля. В качестве источника гуминовых веществ был использован жидкий гуминовый препарат БоГум (разработка Всероссийского научно-исследовательского института мелиорированных земель), источника кремния – метасиликат натрия. Для достижения наноразмерности образцов применяли метод ультразвукового диспергирования. Получение осуществляли путем введения источника кремния в количестве 0,1% (по SiO2) в БоГум, после чего применяли ультразвуковое воздействие в течение 5, 10, 15 и 20 мин. Анализ полученных образцов на анализаторе размера частиц 90 Plus/MAS показал, что с увеличением времени диспергирования эффективный диаметр частиц изменялся незначительно. В то же время отмечено перераспределение частиц: при воздействии на образцы в течение 20 мин увеличивалось количество частиц меньшего размера. После 5 мин обработки диапазон распределения частиц составил 115±13–830±23 нм, после 20 мин воздействия диаметр частиц приходился на две области – 81±8–120±10 и 280±4–470±18 нм. Применение ультразвука способствовало сохранению стабильного агрегатного состояния полученного препарата, большей микробиологической активности и большего содержания гуминовых кислот по сравнению с кремнегуминовым препаратом, полученным без применения ультразвука. Апробацию нового наноразмерного кремнегуминового препарата проводили на растениях картофеля. Обработка клубней перед посадкой с последующим некорневым опрыскиванием вегетирующих растений способствовала повышению урожайности картофеля на 18,7%. Отмечали изменения в содержании монокремниевых и поликремниевых кислот в почве, а также накопление кремния в ботве картофеля при применении кремнегуминовых препаратов в среднем на 0,96% абс.

Abstract: The recent decades have witnessed a significant development and implementation of nanotechnology, including in various branches of agriculture. There is an active search for ways to obtain preparations for plant growing with nanoparticles that can be more rapidly involved in the metabolic processes of plants. This article aims to obtain a nanosized silica-humic preparation and its approbation on potato plants. As a source of humic substances, a liquid humic preparation BoGum (developed by the All-Russian Research Institute of Reclaimed Lands) was used, as a source of silicon – sodium metasilicate. Ultrasonic dispersion method was used for achieving the nanoscale of the samples. A silicon source was introduced in an amount of 0.1% (of SiO2) into BoGum, followed by the application of ultrasonic action for 5, 10, 15 and 20 minutes. The analysis of the obtained samples using a 90 Plus/MAS particle size analyzer has shown that with increasing dispersion time, the effective particle diameter changed insignificantly. At the same time, a redistribution of particles was noted: when the samples were exposed for 20 minutes, the number of smaller particles increased. After 5 minutes of treatment, the range of particle distribution was 115±13–830±23 nm, after 20 minutes of exposure, the particle diameter fell into two regions: 81±8–120±10 and 280±4–470±18 nm. Ultrasonic action contributed to the retention of the stable state of aggregation of the obtained preparation, larger microbiological activity and larger content of humic acid in comparison with the silica-humic preparation, obtained without the application of an ultrasound. The new nanosized silica-humic preparation has been tested on potato plants. Treatment of tubers before planting, followed by foliar spraying of vegetative plants, has contributed to an increase in potato yield by 18.7%. Changes were noted in the content of mono- and polysilicic acids in the soil, as well as the accumulation of silicon in the tops of potatoes when using silicahumic preparations by 0.96% of absolute dry mass on average.

гуминовые кислотыкремнийкартофельультразвукнаноразмерность частицурожайностьhumic acidssiliconpotatoesultrasoundnanosize of particlesyieldReferencesЖемчужин С.Г., Спиридонов Ю.Я., Клейменова И.Ю., Босак Г.С. Нанотехнологии и пестициды (дайджест публикаций за 2011–2017 гг.) // Агрохимия. 2019. N 5. С. 89–96.Zhemchuzhin SG, Spiridonov YuYa, Kleimenova IYu, Bosak GS. Nanotechnology and pesticides (digest publications for 2011–2017). Agrokhimiya. 2019;5:89–96. (In Russian)Nanotechnology for Agriculture: Crop Production & Protection. Eds.: Panpatte D.G., Jhala Y.K. Singapore: Springer, 2019. 337 p. https://doi.org/10.1007/978-981-32-9374-8Nanotechnology for Agriculture: Crop Production & Protection. Panpatte DG, Jhala YK. (eds.) Singapore: Springer; 2019. 337 p. https://doi.org/10.1007/978-981-32-9374-8Кадырова А.И., Колесникова В.Г. Применение микроудобрений в наноформе в технологии возделывания овса // Вестник Ижевской государ- ственной сельскохозяйственной академии. 2016. N 4 (49). С. 3–12.Kadyrovа AI, Kolesnikova VG. Appliance of micronutrients in nanoform in oats cultivation technology. Vestnik Izhevskoi gosudarstvennoi sel'skokhozyaistvennoi akademii = The Bulletin of Izhevsk State Agricultural Academy. 2016;4:3–12. (In Russian)Yazdpour H., Noormohamadi G., Madani H., Heidari H., Abad Sh., Mobasser H.R., et al. Role of nano-silicon and other silicon resources on straw and grain protein, phosphorus and silicon contents in Iranian rice cultivar (Oryza sativa cv. Tarom) // International Journal of Biosciences. 2014. Vol. 5. Issue 12. P. 449–456. https://doi.org/10.12692/ijb/5.12.449-456Yazdpour H, Noormohamadi G, Madani H, Heidari H, Abad Sh, Mobasser HR, et al. Role of nanosilicon and other silicon resources on straw and grain protein, phosphorus and silicon contents in Iranian rice cultivar (Oryza sativa cv. Tarom). International Journal of Biosciences. 2014;5(12):449–456. https://doi.org/10.12692/ijb/5.12.449-456Панова Г.Г., Семенов К.Н., Шилова О.А., Корнюхин Д.Л., Шпанев А.М., Аникина Л.М. [и др.]. Влияние углеродных и кремнезольных наномате- риалов на устойчивость ярового ячменя к заболеванию корневыми гнилями // Агрофизика. 2018. N 3. С. 48–58. httpы://doi.org/10.25695/AGRPH.201 8.03.09Panova GG, Semenov KN, Shilova OA, Kornyuhin DL, Shpanev AM, Anikina LM, et al. Impact of carbon and silica sol nanostructures on spring barley resistance to the root rot infestation. Agrofizika = Аgrophysica. 2018;3:48–58. (In Russian) http://dx.doi.org/10.25695/AGRPH.2018.03.09Lakzian A., Bayat M., Gadzhikurbanov A., Zargar M. The role of nanotechnology for improving crop production // RUDN Journal of Agronomy and Animal Industries. 2019. Vol. 14. Issue 4. P. 297– 305. https://doi.org/10.22363/2312-797X-2019-14-4-297-305Lakzian A, Bayat M, Gadzhikurbanov A, Zargar M. The role of nanotechnology for improving crop production. RUDN Journal of Agronomy and Animal Industries. 2019;14(4):297–305. https://doi.org/10.22363/2312-797X-2019-14-4-297-305Силкин С.В., Куликов Е.Е., Попов И.А. Исследование управляемого ультразвукового диспергирования торфа и бурого угля в воде // Труды Московского физико-технического института. 2018. Т. 10. N 3 (39). С. 86–95.Silkin SV, Kulikov EE, Popov IA. Investigation of the controlled ultrasonic dispersion of peat and brown coal in water. Trudy Moskovskogo fizikotekhnicheskogo instituta = Proceedings of Moscow Institute of Physics and Technology. 2018;10(3):86–95. (In Russian)Алферова Е.Ю., Проценко Е.П., Косолапова Н.И Определение влияния органического удобрения (диспергированного торфа) на биометрические показатели растений [Электронный ресурс] // Auditorium. 2016. N 4 (12). С. 14–19. URL: https://auditorium.kursksu.ru/#index (16.07.2020).Alferova EYu, Protsenko EP, Kosolapova NI. Determination of the effect of organic fertilizer (dispersed peat) on the biometric parameters of plants. Auditorium. 2016;4:14–19. Available from: https://auditorium.kursksu.ru/#index [Accessed 16th July 2020]. (In Russian)Косолапова Н.И., Проценко Е.П., Проценко А.А., Неведров Н.П., Алферова Е.Ю., Мирошниченко О.В. Некоторые протекторные свойства инновационного экологически безопасного агропрепарата «Сavita biocomplex» // Проблемы региональной экологии. 2016. N 3. С. 24–30.kosolapova ni, protsenko ep, protsenko aa, nevedrov np, alferova eyu, miroshnichenko ov. some protective features of innovative ecology-safe agricultural preparation "cavita biocomplex". problemy regional'noi ekologii = regional inviromental issues. 2016;3:24–30. (in russian)Денисюк Е.А., Митрофанов Р.А., Кузнецова И.А. Технологии получения гуминовых веществ //Вестник НГИЭИ. 2014. N 2 (33). С. 66–80.Denisyk EA, Mitrofanov RA, Kuznetsova IA. Technology of obtaining of humic substances. Vestnik NGIEI = Bulletin NGIEI. 2014;2:66–80. (In Russian)Rastogi A., Tripathi D.K., Yadav S., Chauhan D.K., Živčák M., Ghorbanpour M., et al. Application of silicon nanoparticles in agriculture // 3 Biotech. 2019. Vol. 9. Issue 3. Article number 90. https://doi.org/10.1007/s13205-019-1626-7Rastogi A, Tripathi DK, Yadav S, Chauhan DK, Živčák M, Ghorbanpour M, et al. Application of silicon nanoparticles in agriculture. 3 Biotech. 2019;9(3). Article number 90. https://doi.org/10.1007/s13205-019-1626-7Хлебцов Б.Н., Ханадеев В.А., Пылаев Т.Е., Хлебцов Н.Г. Метод динамического рассеяния света в исследованиях силикатных и золотых наночастиц // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2017. Т. 17. N 2. С. 71–84. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2017-17-2-71-84Khlebtsov BN, Khanadeev VA, Pylaev TE, Khlebtsov NG. Dynamic light scattering method in studies of silica and gold nanoparticles. Izvestiya Saratovskogo universiteta. Novaya seriya. Seriya: Fizika = Izvestiya of Saratov University. Physics. 2017;17(2):71–84. (In Russian) https://doi.org/10.18500/1817-3020-2017-17-2-71-84Мофа Н.Н., Жапекова А.О., Садыков Б.С., Баккара А.Е., Сахан М.Г., Бекентаева А.Д. [и др.]. Комплексное использование механохимической и ультразвуковой обработки для получения высоко- дисперсного диоксида кремния специального назначения // Горение и плазмохимия. 2019. N 17. С. 123–132.Mofa NN, Zhapekova AO, Sadykov BS, Bakkara AYe, Sakhan MG, Bekentaeva AD, et al. Complex use of mechanochemical and ultrasonic processing to obtain highly dispersed silicon dioxide for special purposes. Gorenie i plazmokhimiya. 2019;17:123–132. (In Russian)Патент № 2508963, Российская Федерация. Способ диспергирования наноразмерного порошка диоксида кремния ультразвуком / Н.С. Хитерхеева, А.В. Номоев, С.П. Бардаханов, С.С. Уладаева; патентообладатель ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет»; заявл. 18.05.2012; опубл. 10.03.2014.Khiterkheeva NS, Nomoev AV, Bardakhanov SP, Uladaeva SS. Method of dispersion of nanosized silicon dioxide powder by ultrasound. Patent RF, no. 2508963; 2012. (In Russian)Аминова Е.В., Мушинский А.А., КоротковА.М., Дергилёва Т.Т. Воздействие ультрадисперсных частиц диоксида кремния на биохимические показатели растений Solanum tuberosum // Животноводство и кормопроизводство. 2019. Т. 102. N 4. С. 33–42. https://doi.org/10.33284/2658-3135-102-4-33Aminovа EV, Mushinsky AA, Korotkova AM, Dergileva TT. Exposure of ultrafine silica particles on biochemical indicators of plants Solánum tuberósum. Zhivotnovodstvo i kormoproizvodstvo = Animal Husbandry and Fodder Production. 2019;102(4):33–42. (In Russian)https://doi.org/10.33284/2658-3135-102-4-33Fraceto L.F., Grillo R., de Medeiros G.A., Scognamiglio V., Rea G., Bartolucci C. Nanotechnology in agriculture: which innovation potential does it have? // Frontiers in Environmental Science. 2016. Vol. 4. Article number 20. https://doi.org/10.3389/fenvs.2016.00020Fraceto LF, Grillo R, de Medeiros GA, Scognamiglio V, Rea G, Bartolucci C. Nanotechnology in agriculture: which innovation potential does it have? Frontiers in Environmental Science. 2016;4. Article number 20. https://doi.org/10.3389/fenvs.2016.00020Martin-Ortigosa S., Peterson D.J., Valenstein J.S., Lin V.S.-Y., Trewyn B.G., Lyznik L.A., et al. Mesoporous silica nanoparticle-mediated intracellular cre protein delivery for maize genome editing vialox site excision // Plant Physiology. 2014. Vol. 164. Issue 2. P. 537–547. https://doi.org/10.1104/pp.113.233650Martin-Ortigosa S, Peterson DJ, Valenstein JS, Lin VS-Y, Trewyn BG, Lyznik LA, et al. Mesoporous silica nanoparticle-mediated intracellular cre protein delivery for maize genome editing vialox site excision. Plant Physiology. 2014;164(2):537–547. https://doi.org/10.1104/pp.113.233650Bao-shan L., Shao-qi D., Chun-hui L., Li-jun F., Shu-chun Q., Min Y. Effect of TMS (nanostructured silicon dioxide) on growth of Changbai larch seedlings // Journal of Forest Research. 2004. Vol. 15. Issue 2. P. 138–140. https://doi.org/10.1007/BF02856749Bao-shan L, Shao-qi D, Chun-hui L, Li-jun F, Shu-chun Q, Min Y. Effect of TMS (nanostructured silicon dioxide) on growth of Changbai larch seedlings. Journal of Forest Research. 2004;15(2):138–140. https://doi.org/10.1007/BF02856749Забегалов Н.В., Дабахова Е.В. Влияние кремнийсодержащего нанопрепарата на урожайность и содержание кремния в зерновых культурах // Достижения науки и техники АПК. 2011. N 12. С. 22–24.Zabegalov NV, Dabakhova EV. Studying of influence of a siliceous nanocomposite preparation on productivity and silicon content in crops. Dostizheniya nauki i tekhniki APK = Achievements of Science and Technology in Agro-Industrial Complex. 2011;12:22–24. (In Russian)Рабинович Г.Ю., Смирнова Ю.Д., Васильева Е.А., Фомичева Н.В. Инновационная технология для решения проблем агроэкологии // Региональная экология. 2015. N 6 (41). С. 32–40.Rabinovich GYu, Smirnova YuD, Vasilieva EA, Fomicheva NV. An innovative technology to solve the problems of agroecology. Regional'naya ekologiya = Regional ecology. 2015;6:32–40. (In Russian)Матыченков И.В., Хомяков Д.М., Пахненко Е.П., Бочарникова Е.А., Матыченков В.В. Подвижные кремниевые соединения в системе почварастение и методы их определения // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. 2016. N 3. С. 37–46.Matychenkov IV, Khomiakov DM, Pakhnenko EP, Bocharnikova EA, Matychenkov VV. The mobile Si-rich compounds in the soil-plant system and methods for their determination. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 17: Pochvovedenie = Bulletin of the Moscow University. Series 17. Soil Science. 2016;3:37–46. (In Russian).Офицеров Е.Н., Рябов Г.К., Убаськина Ю.А., Климовский А.Б., Фетюхина Е.Г. Кремний и гуминовые кислоты: моделирование взаимодействий в почве // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13. N 4-2. С. 550–557.Ofitserov EN, Rjabov GK, Ubaskina JA, Klimovsky AB, Fetjuhina EG. Silicon and humic acids: modelling of interactions in soil. Izvestiya Samarskogo NTs RAN = Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2011;13(4):550–557. (In Russian)Патент № 2529151, Российская Федерация. Кремнегуминовый регулятор роста растений и его применение / И.В. Перминова, Н.А. Куликова, О.Н. Филиппова; патентообладатель ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»; заявл. 17.12.2012; опубл. 27.09.2014.Perminova IV, Kulikova NA, Filippova ON. Silicon humic plant growth regulator and its application. Patent RF, no. 2529151; 2012. (In Russian)Камбалина М.Г., Скворцова Л.Н., Мазурова И.С., Гусева Н.В., Бакебаев А.А. Исследование форм нахождения кремния в природных водах с высоким содержанием растворенных органических веществ // Известия Томского политехнического университета. Химия и химические технологии. 2014. Т. 325. N 3. С. 64–70.Kambalina MG, Skvortsova LN, Mazurova IS, Guseva NV, Bakibaev AA. Research of the sili con aqueous forms in organic-rich natural water. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Khimiya i khimicheskie tekhnologii = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2014;325(3):64–70. (In Russian)Zhang M., Li D., Ye Z., Wang S., Xu N., Wang F., et al. Effect of humic acid on the sedimentation and transport of nanoparticles silica in water-saturated porous media // Journal of Soils and Sediments. 2019. Vol. 20. Issue 2. P. 911–920. https://doi.org/10.1007/s11368-019-02444-xZhang M, Li D, Ye Z, Wang S, Xu N, Wang F, et al. Effect of humic acid on the sedimentation and transport of nanoparticles silica in water-saturated porous media. Journal of Soils and Sediments. 2019;20(2):911–920. https://doi.org/10.1007/s11368-019-02444-xКуликова А.Х., Козлов А.В., Смывалов В.С. Влияние кремнийсодержащих материалов на свойства почвы, состояние посевов и урожайность зерновых культур в условиях среднего Поволжья // Агрохимия. 2019; N 4. С. 60–69. https://doi.org/10.1134/S0002188119040082Kulikova AKh, Kozlov AV, Smyvalov VS. Influence of silicon-containing materials on soil properties, crop condition and yield of grain crops in the conditions of middle Volga region. Agrokhimiya. 2019;4:60–69. (In Russian) https://doi.org/10.1134/S0002188119040082

The authors declare that there are no conflicts of interest present.