HYDROGELS AS A NEW CROP MEDIUM
HYDROGELS AS A NEW CROP MEDIUM
Abstract
Increasing crop yield and productivity by means of controlled changes in the germination and growth medium of agricultural crops is an urgent task. In this work, new hydrogels containing titanium dioxide particles based on potassium 3-sulfopropyl methacrylate and 2-hydroxyethyl methacrylate were obtained for use as germination and plant growth medium. The gels obtained were characterized by IR spectroscopy. The characteristics of these gels such as degree of bulking and porosity were measured. A comparative analysis of the efficiency of hydrogels with different titanium dioxide content (0.001 mg/l, 0.01 mg/l and 0.1 mg/l) for agricultural applications was carried out. The biological activity of synthesized variants of hydrogels was determined according to the indicators of seed germination and growth of seedlings of phyto test-crop – garden cress-variety Azhur. The germination energy, seed germination, seedlings length, biomass and dry matter in them were evaluated.
1. Введение
В последнее время наблюдается всплеск популярности полимерных композиционных материалов для применения в сельском хозяйстве . Благодаря сочетанию и возможности варьировать свойства полимерного композита, данные материалы находят широкое применение в современных технологиях интенсивного земледелия и вызывают огромный интерес у исследователей , . Суперабсорбирующие полимерные материалы в земледелии используются в качестве инструмента борьбы с нехваткой и дефицитом воды. Обработка семян сельскохозяйственных культур направлена на ускорение прорастания семян и увеличение вегетации, а также повышение стрессоустойчивости семян и их способности поглощать воду и кислород. Для сохранения повышенной всхожести семян, наращиванию биомассы используют огромный спектр биопротекторных материалов, например таких как дикоксид титана. Благодаря своей способности к фотокаталитической активации кислорода, наночастицы диоксида титана и его различные модификации активно применяется в земледелии . Создание новых набухаемых гидрогелей, в структуре которых находится диоксид титана может использоваться для применения в качестве среды проращивания семян и выращивания различных агрокультур. Предложенный подход к синтезу сложных полимерных систем позволяет контролировать количество добавляемого диоксида титана. Сочетание уникальных свойств, таких как повышенная набухаемость полимерной сетки, и введение в процессе синтеза необходимого количества водорастворимых частиц диоксида титана является перспективным в получении композиционного материала для сельского хозяйства.
2. Методы и принципы исследования
2.1. Материалы
3-сульфопропилметакрилат калия (СПМ-K) («Sigma Aldrich», Германия), 2-гидроксиэтилметакрилат (ГЭМА) («Sigma Aldrich», Германия), N,Nʹ-метилен-бис-акриламид (МБА) («Sigma Aldrich», Германия), персульфат калия (ЗАО «Вектон», Россия), N,N,N',N'-тетраметилэтилендиамин (ТМЭД) («Sigma Aldrich», Германия), циклогексан (ЗАО «Вектон», Россия), частицы TiO2 K2S2O8 очищали двукратной перекристаллизацией из воды с последующей промывкой водой и сушкой при 20°С в темноте на воздухе, затем в вакууме. ГЭМА перед использованием выдерживали над прокаленными при 400ᴼС молекулярными ситами. Остальные реактивы использовали без дополнительной очистки.
2.2. Синтез гелей
Для синтеза гелей навеску СПМ-K 0,092 г (0,375 ммоль) растворяли в 1 мл воды, после чего прибавляли 45 мкл (0,375 ммоль) ГЭМА, 0,00014 г (0,1 мас.%) МБА и инициирующую систему (100 мкл персульфата калия (концентрация 15 мг/мл) и 10 мкл ТМЭД). Реакцию проводили в течение 24 часов при постоянной температуре -18ᴼС. После полимеризации криогели размораживали при комнатной температуре и оставляли в воде на 48 часов для удаления непрореагировавших мономеров и установления равновесного состояния.
Синтез гелей содержащих водорастовримые частицы типа ядро-оболочка: диоксида титана- полиметакриловая кислота (TiO2-ПМАК) проводили аналогичным образом. Концентрация частиц TiO2 составляла 0,001 мг/л, 0,01 мг/л и 0,1 мг/л. Синтез частиц TiO2-ПМАК проводили по методике, представленной в статье .
2.3. Исследование структуры и свойств гелей
Структуру гелей изучали ИК-спектроскопией. ИК-спектры получали на ИК-спектрометре IR-Affinity-1S (Shimadzu, Япония) с алмазной призмой. Все спектры представляют собой среднее значение от 32 сканирований, проведенных в диапазоне волновых чисел 4000-400 см-1.
Определение степени набухания (Q) гелей проводили по стандартной методике – путём измерения массы сухого (mсух) и набухшего (mнабух) в бидистилированной воде образца . Степень набухания образцов определяли по формуле:
Определение общей пористости (P) гелей проводили по методике, описанной в работе . Высушенный образец взвешивали (mсух), затем выдерживали в циклогексане в течение часа, чтобы заполнить им все поровое пространство, после чего набухший образец повторно взвешивали (mнабух). Общую пористость рассчитывали по формуле:
Биологическую активность синтезированных вариантов гидрогелей определяли в лабораторных условиях при температуре +22-+24 по показателям прорастания семян и роста проростков фито тест-культуры – кресс-салата сорта Ажур. Семена растений получены из коллекции ФГБНУ ФИЦ ВИР. Семена проращивали на протяжении семи суток в чашках Петри на инертном гидрофильном материале, обеспечивающим равномерное поступление воды к корням проростков. Контролем служил вариант без гидрогеля, в вариантах опыта гидрогель вносили тонким слоем толщиной 1 мм на поверхность гидрофобного материала, после чего распределяли семена по площади материала с гелем.
Исследование проводили в соответствии с правилами международной ассоциации (ISTA) и стандартами (ГОСТ 12038-84) . На третий день после высева семян определяли энергию прорастания, на седьмые сутки после высева семян оценивали всхожесть семян, а также измеряли длину ростков и корней, биомассу ростков и содержание сухого вещества в них. Опыт повторяли трижды, число семян на вариант – 400 штук.
3. Результаты и обсуждение
Синтезированные гели (СПМ-со-ГЭМА) были получены методом криотропного гелеобразования в результате реакции радикальной сополимеризации 3-сульфопропилметакрилата калия (СПМ-К) с 2-гидроксиэтилметакрилатом (ГЭМА) при температуре -18ᴼС. Формирование ковалентной сшивки гелей обеспечивалось за счёт сшивающего агента N,Nʹ-метилен-бис-акриламид (МБА). Инициирование осуществлялось с использованием окислительно-восстановительной системы K2S2O8/ТМЭД. Синтезированные гели и их свойства представлены в Таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики полученных гелей СПМ-со-ГЭМА
Образец | Содержание TiO2-ПМАК, мг/л | QH2O, г/г | P, % |
1 | 0 | 233 | 98,3 |
2 | 0,001 | 286 | 98,6 |
3 | 0,01 | 220 | 98,3 |
4 | 0,1 | 250 | 98,5 |
Синтезированные гели характеризуются высокой пористостью (более 98%, Таблица 1), что связано с проведением реакции при отрицательных температурах, где в качестве порогенов выступают образующиеся кристаллы льда. Введение частиц TiO2-рМАА различной концентрации не оказало значительного влияния ни на пористость, ни на степень набухания синтезированных гелей СПМ-со-ГЭМА.
Рисунок 1 - ИК-спектры исходного геля СПМ-со-ГЭМА (а) и гелей, содержащие TiO2-рМАА с концентрацией 0,001 (б), 0,01 (в) и 0,1 г/л (г)
Таблица 2 - Влияние гидрогеля TiO2-рМАА на прорастание семян и показатели роста проростков кресс-салата сорта Ажур
Вариант опыта | Энергия прорастания | Всхожесть | Длина ростка | Длина корня | |||||
% | % от контроля | % | % от контроля | cм | % от контроля | cм | % от контроля | ||
Контроль | 79±3,0 | 100 | 85±4,0 | 100 | 5,1±0,4 | 100 | 7,9±0,8 | 100 | |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,1 мг/л | 82±2,0 | 104 | 90±3,0 | 106 | 4,8±0,4 | 94 | 7,8±0,8 | 99 | |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,01 мг/л | 81±3,0 | 103 | 90±3,0 | 106 | 4,9±0,4 | 96 | 7,5±0,9 | 95 | |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,001 мг/л | 80±3,0 | 101 | 90±4,0 | 106 | 5,1±0,5 | 100 | 6,7±0,9 | 85 | |
Анализ показателей биомассы ростков и сухого вещества в них свидетельствует об отсутствии достоверных отличий по значениям данных показателей между вариантами с гидрогелем TiO2-рМАА и контролем (Таблица 3). Проявляется слабая тенденция к некоторому увеличению значения сырой массы ростков с уменьшением концентрации геля. В то же время некоторое повышение значения сухой массы ростков в вариантах с гелем в различных концентрациях составляет одну величину – 14 %. При этом сухое вещество в ростках в виде тенденции выше контрольных значений на 5-10%.
Очевидно, изменение в содержании сухого вещества в ростках и тенденция к снижению длины корней с увеличением концентрации гидрогеля может быть вызвано поступлением в органы растений его компонентов, включая TiO2.
Таблица 3 - Влияние гидрогеля TiO2-рМАА на биомассу ростков и сухое вещество в них у кресс-салата сорта Ажур на седьмые сутки проращивания его семян
Вариант опыта | Сырая масса 100 ростков | Сухая масса 100 ростков | Сухое вещество ростков | |||
г | % от контроля | г | % от контроля | % | % от контроля | |
Контроль | 3,33±0,30 | 100 | 0,14 ±0,02 | 100 | 4,2±0,3 | 100 |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,1 мг/л | 3,41±0,34 | 102 | 0,16 ±0,02 | 114 | 4,6±0,3 | 110 |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,01 мг/л | 3,44 ±0,32 | 103 | 0,16 ±0,02 | 114 | 4,6±0,3 | 110 |
TiO2-рМАА, 1,31кг 0,001 мг/л | 3,56 ±0,40 | 107 | 0,16±0,03 | 114 | 4,4±0,4 | 105 |
4. Заключение
Таким образом, особенности прорастания семян и развития проростков фито-тест объекта кресс-салата сорта Ажур в тонком слое гидрогеля TiO2-рМАА в диапазоне его испытуемых концентраций свидетельствуют об отсутствии значимых изменений в оцениваемых показателях у растений относительно контроля. Слабая тенденция к увеличению значений ряда показателей с уменьшением концентрации гидрогеля TiO2-рМАА свидетельствует о необходимости проведения оценки его влияния в более широком диапазоне концентраций на прорастание семян и рост проростков на раннем этапе их развития и о перспективности использовании гидрогелей в качестве субстрата для выращивания сельскохозяйственных культур в условиях интенсивной светокультуры.