Нанопестицидите

Приложение и използването им в земеделието

В днешно време учените разработват ново направление на нанотехнологиите, което може да направи революция в селското стопанство - нанопестициди. От направените проучвания, се е установило, че нанопестицидите имат редица преимущества, включващи повишена стабилност на добива и устойчивост на селскостопанските култури към болести и неприятели. С намаляването на конвенционалните пестициди до наноразмери се дава възможност да се намали количеството на използваните в селското стопанство химикали.
В статията ще разкажем за видовете нанопестициди, за наноемулсиите, нановлакната, нанолипозомите, липидните наночастици и неорганичните наночастици.

Текст: списание АгроБио Техника

Пестицидите са разнородни по химичен състав и токсикологични свойства вещества, които се използват за борба с вредителите по растенията, в това число с редица фитопатогени, неприятели и плевели при житните, маслодайните, бобовите, зеленчуковите, овощните и други култури. Също така за борба и с ектопаразити по домашните животни, които са преносители на опасни заболявания по хората и животните. Към пестицидите се отнасят следните видове: хербициди, унищожаващи плевелите, инсектициди, унищожаващи насекомите, фунгициди, унищожаващи патогенни гъби и т.н. Повечето от пестицидите са токсични вещества, отравящи целевите организми. Някои от тях се явяват инхибитори на ензими. С употребата им се цели повишаване на добивите, чрез ликвидиране на определени вредители по растенията. Под действието на пестицидите, някои физиологични процеси в целевите организми, се преустановяват. Третирани с тези съединения плевели изсъхват, насекомите умират, унищожават се бактериите и гъбите. Но непрекъснато се увеличава информацията за отрицателните ефекти на тези съединения върху екосистемите и хората, вследствие на нарушаване на правилата при тяхното използване по отношение на дозите, сроковете на приложение и др. По пътя на хранителната верига, с продуктите на хранене, остатъчните количества от пестициди попадат в организма на човек. 

С Директива 2009/128/EО се въвежда изискването държавите-членки да приемат национални планове за действие за определяне на количествени и други цели, мерки и графици, с цел намаляване на риска и въздействието от използването на пестициди върху човешкото здраве и околната среда. Въздушното пръскане на културите е забранено по принцип, както и пръскането изобщо в непосредствена близост до жилищни зони. В резултат на това е наложена забрана за използването на някои от тях и включването им в списъка на устойчивите химически замърсители. Съвременното човечество търси иновации. Селскостопанските научни работници се надяват да подобрят приложението на пестицидите чрез нанотехнологиите. Продукти като нанопестициди се разработват от дълго време. На пазара вече има пестициди, които съдържат наночастици от вещества, които могат да се разтварят във вода с много по-голяма ефективност от традиционните средства за защита. Някои световно известни компании в областта на агрохимията - BASF, Monsanto и Syngenta, предлагат суспензии и наноемулсии на пестициди, които лесно проникват в растителната тъкан, когато са в минимални дози. Препаратите, направени от наноматериали, не се разрушават под въздействието на топлината и светлината, а приготвеният разтвор може да запази свойствата си за много дълго време. И най-важното, нанопродуктите, за разлика от традиционните пестициди, осигуряват максимално омокряне на растителната повърхност, напълно се абсорбират от растението и не се отмиват от дъждове.

Видове нанопестициди

Нанопестицидите са продукти за растителна защита, които съдържат компоненти в диапазона на нанометровите размери - до 1000Nm. Те се характеризират с нови свойства, свързани с малкия размер на техните компоненти. Като цяло пестицидите винаги се състоят от няколко вещества. Както и в случай на лекарство, действителното активно вещество се смесва с други съпътстващи вещества, така че да може да се прилага добре към растението, добре да се разпространява и да остава стабилно след прилагане. При повечето нанопестициди, предложени за употреба, този наноматериал сам по себе си не е активно вещество, но стабилизира тъканта като активно вещество или подобрява контролираното му освобождаване, например като нанокапсула. Наночастици от мед и сребро, са примери за наноматериали като самостоятелни активни вещества. Наноматериалът обикновено се използва като носител на действителната активна съставка в наноемулсии, наногелове, нановлакна и наночастици.

Наноемулсии

В наноемулсиите активната съставка се намира в наноразмерни маслени капчици, които плуват във воден разтвор. Характеризира се с добро разпределение и повишено поглъщане от вредители. Примери за активни вещества в наноемулсиите са Neem oil - срещу паразити и насекоми и Permethrin (Перметрин) - срещу въшки и комари.

Neem oil е растително масло със зелено-жълт и кафеникав цвят. Има силен аромат на лук, чесън и сяра, както и горчив вкус. Състои се главно от триглицериди и съдържа много тритерпеноидни смеси, които са причина за горчивия вкус. Маслото е хидрофобно. За емулгирането му във вода за целите на приложението, то се свързва с повърхностно активни вещества. Използва се като водна емулсия за борба с вредители по растенията и паразити при хора и животни, поради инсектицидното си действие. В Германия, Австрия и Швейцария е разрешено използването на маслото азадирахтин в продукти за растителна защита. Във Великобритания пестицидите, които съдържат активното вещество азадирахтин са обект на контрол и продажбата им се регулира. Тази основна активна съставка влияе върху хормоналния баланс на вредителите, нарушавайки синтеза на хитин. Това успешно предпазва ларвите от образуване на кожена обвивка. По този начин, ларвите на насекомите не могат да преминат към следващия етап от цикъла на развитие. Препаратите, приготвени от Neem oil, широко се използват като биологичен препарат в биологичното земеделие, тъй като отблъсква различни вредители, включително брашнен червей, листни въшки, акари, трипси, белокрилки, гъбни комари, бръмбари, молци, ларви на мухи, гъсеници, скакалци, нематоди и редица други.

Перметринът е инсектицид и акарицид, от групата на пиретроидите. Представлява нискотопимо, твърдо вещество или вискозна течност с оранжево-кафяв оттенък. Перметринът убива въшки, бълхи, акари и други ектопаразити тип членестоноги, заради нарушена йонна пропускливост на натриеви канали и забавяне процесите на мембранна поляризация - реполяризация на нервните клетки на изброените вредители. Получава се паралезиращ ефект. В селското стопанство перметринът се използва за защита на добивите на култури главно като памук, пшеница, царевица и люцерна. Използването му е противоречиво, защото като химикал с широк спектър, той убива както неприятелите, така и полезните насекоми, включително пчели и водни организми. През 2000г. Комисията на ЕС отменя разрешението за приложение на активното вещество - перметрин. В Германия, Австрия и Швейцария перметринът вече не е разрешен като продукт за растителна защита.

Перметринът е най-често използваният инсектицид в световен мащаб за защита на вълната от кератинофазни насекоми, като например Tineola bisselliella (дрешен молец).

Нановлакна

При нановлакната активната съставка е включена във влакна, които са наномащабни. Получава се добро разпределение на активното вещество и бавно освобождаване. Пример за активно вещество в нановлакната е тиаметоксам. Тиаметоксамът е активно вещество от групата на неоникотиноидите. Той представлява кафеникаво твърдо вещество. Устойчив е на хидролиза при рН 5 и 7, но се разлага при рН 9. Тиаметоксамът се използва като средство за защита на дървесината и инсектицид. Прилага се срещу термити - жълтоноги земни термити, и бръмбари по домашните кози. Действието му се основава на необратимата блокада на постсинаптичните никотино-енергийни ацетилхолинови рецептори в централната нервна система. На пазара е пуснат през 1998г. от Syngenta. През 2011г. в Съединените щати са използвани около 550 тона тиаметоксам, като една трета от него е използван в соеви и царевични ферми, а една четвърт в памучни ферми.

Тиаметоксамът е инсектицид със системно и контактно действие с трансламинарна активност - абсорбира се в проводящата система на растенията и се разпространява по нея, като ги прави токсични за насекомите. Потиска пробиващо-смучещи и гризещи насекоми, включително скрито живеещи и хранещи се в долната част на листата. Следователно, препаратът може да се прилага не само чрез пръскане, но и чрез напояване, което е удобно за третиране на дървета - трудни за пръскане поради своя размер, или чрез капково напояване - препаратът просто се добавя към водата за напояване. Това увеличава количеството на усвоеното активното вещество, защото част от него неизбежно остава в земята. Периодът на защитно действие е 2 седмици при пръскане и 4 при поливане. Подобно на всички неоникотиноиди, тиаметоксамът действа върху никотино-ацетилхолиновите рецептори на нервната система на насекомите, причинявайки конвулсии и парализа, водещи до смърт. Според изследване на Вayer тиаметоксамът в тялото на насекомите се метаболизира до клотианидин, който действа по-бързо и по-дълго в растенията и почвата.

Препарати на основата на тиаметоксам се използват срещу редица неприятели по пшеницата, ечемика, срещу колорадския бръмбар по картофите, и срещу много други неприятели по зеленчукови, овощни и цветни култури. Използването на препарата за контрол на калифорнийската щитоносна въшка по ябълката, се оказва слаба - общата численост след пръскане намалява само с 35%, но увреждането на плодовете намалява с 82%, а броят на петната по плодовете с 96%. Благодарение на системни и трансламинарни свойства, препаратите на база тиаметоксам могат да се използват за третиране на клубени, което дава възможност за защита на растенията, започвайки от периода на поникване. Разходът на тиаметоксам е 10-40g/ha, в зависимост от вредителя върху посевите, 80-400g/ha за розите.

Тиаметоксамът не е фитотоксичен. При пръскане той се преразпределя изцяло по листата на растението след 20 часа. Той прониква главно в листата и на практика не навлиза в плода. Умерено е токсичен за дъждовните червеи. Има ниска токсичност за риби, водни безгръбначни и водни растения. Не дразни очите и кожата на зайците. Той е силно токсичен за пчелите и други полезни насекоми, поради което е забранен в Европейския съюз за употреба на открито. Периодът на полуразпад в почвата е 30-50 дни.

Нанолипозоми

Наномащабните липозоми се характеризират с бавно освобождаване на активното вещество. Пример за активно вещество в нанолипозомите е етофенпрокс.

Етофенпроксът е инсектицид, който нарушава нервната система на насекомите след пряк контакт или поглъщане. Активен е срещу широк спектър от вредители, като например Lepidoptera (Пеперуди), Hemiptera (Полутвърдокрили), Coleoptera (Твърдокрили), Diptera (Двукрили), Thysanoptera (Трипси) и Hymenoptera (Ципокрили). В селското стопанство етофенпроксът се използва срещу вредители по култури като ориз, овошни, зеленчуци, царевица, соя и чай. 

Етофенпроксът се използва с ниски обеми за контролиране на комарите, мушиците и мухите. Той се използва неразреден за аерозолни приложения с нисък обем или се разрежда с разредител като минерално масло за директно приложение, за контрол на вредители в или близо до жилищни, промишлени, търговски, градски, зони за отдих, горски терени и други райони, където тези вредители са проблем.

Етофенпроксът е вреден при поглъщане и причинява умерено дразнене на очите. Трябва да се избягва контакт с очите, кожата или облеклото. При зайци не е дразнещ за кожата или очите. Етофенпроксът е токсичен за водни организми, включително риби и водни безгръбначни. Оттичането от третираните площи или отлагането във водни обекти може да бъде опасно за рибите и другите водни организми. Етофенпроксът е силно токсичен за пчелите, изложени на директно третиране при цъфтящи култури или плевели. Възможни са времеви приложения за осигуряване на максимално възможен интервал между третирането и следващия период на активност на пчелите. Етофенпроксът се рапада в почвата чрез анаеробни и аеробни микроорганизми. Фотохимичното окислително разграждане е бързо. Етофенпроксът се разгражда от 7 до 45 дни в зависимост от почвата и температурата.

Липидни наночастици

Липидните наночастици се състоят от мазнини, в които се намира активното вещество. Характеризират се с бавното му освобождаване и защита срещу разграждане. Пример за липидни наночастици е делтаметрин.

Делтаметринът е инсектицид от групата на пиретроидите и се използва във ветеринарната медицина срещу различни ектопаразити. Използва се също като продукт за растителна защита и за импрегниране на мрежи против комари.

Насекомите приемат делтаметрин върху повърхността на тялото си, след което той се разпространява по цялото тяло. Това е нервна отрова, водеща до факта, че каналите на натриевите йони в нервните клетки вече не се затварят. Натриевите йони свободно проникват в клетката, което води до неконтролирани нервни импулси. Първо се получават състояния на възбуда с конвулсии, след това до нарушена координация и накрая до парализа. Насекомото се оказва неподвижно за няколко минути, и това се нарича нокаут ефект. Смъртта идва само след известно време. 

Като продукт за растителна защита в Германия и Австрия се допуска препарат, съдържащ делтаметрин при отглеждане на зърнени култури, рапица, цвекло и картофи, както и ливади. В Швейцария са одобрени няколко препарата, обхватът на приложение е малко по-широк и включва по-специално използване срещу неприятели по дървесните култури. В Европейския съюз използването на биоциди с активно вещество делтаметрин е разрешено до 2023г. 

Неорганични наночастици

Характерно за неорганичните наночастици е, че те могат сами да се явяват като активни съставки или да бъдат преносители. Те се разпределят добре и имат висока ефективност срещу вредителите. Когато са преносители на активния агент, се характеризират с бавното му освобождаване - титанов диоксид и силициев диоксид. Други примери за активни вещества са сребро, силициев оксид, алуминии, цинков оксид, мед. 

Основната характеристика на наночастиците от титанов диоксид, за селското стопанство, е тяхната фотокаталитична активност - светлинно предизвикани химични реакции. Приложенията са насочени към разграждането на пестициди или други замърсители. По-малко фотокаталитичната активна форма на нанотитановия диоксид - рутилова структура се използва като защита срещу фотоокислителното разграждане. Това е полезно, защото много пестициди са чувствителни към слънчева светлина и следователно са фотокаталитично разградими. Също така представлява интерес антибактериалната активност на наночастиците от титанов диоксид. Те могат да се използват като фунгициди, например срещу патогенни гъби. Установено е, че използването на наночастици от титанов диоксид в селскостопанските продукти може да доведе до увеличаване на растежа на културите.

Антибактериалните свойства на среброто и сребърните наночастици са добре известни и са тествани върху различни растителни патогени. Например се предлага наносребро да се използва за борба с патогена, причиняващ брашнеста мана по розите до 95% и основните патогени, засягащи ечемика и царевицата - Bipolaris sorokiniana, и ориза - Magnaporthe grisea. Проучванията показват, че ефективността на новите продукти е по-висока от тази на използваните понастоящем фунгициди, т.е. количеството на препарата може да бъде намалено. Въпреки това, според авторите, концентрацията на наносребро в почвата ще бъде висока, което може да засегне живите микроорганизми. Така търговското приложение на наносреброто в селското стопанство оказва отрицателно въздействие върху микробната биомаса в почвата. Благоприятно се оказва влиянието на малки дози сребърни наночастици върху поникването на пшеницата.

Основните приложения на силициевия диоксид в селското стопанство са порьозни наноматериали с цел контролирано освобождаване на активни вещества, като например в инсектициди. Порестите силициеви наноматериали имат кухини, които са подходящи за обогатяване с голям брой активни вещества.

Наноструктурираният алуминий също се разглежда като инсектицид. Така наречените зеолити - кристални алуминиеви силикати, имат много голяма вътрешна повърхност - до около 400 m2/g поради специалната им структурна решетка. В резултат на това, зеолитът, който днес може да се произвежда и в наномащаб, има недостижим капацитет за съхранение на вода или други вещества и е подходящ за производството на субстрати или подобрители на почвата.

Наночастиците от цинков оксид са от особен интерес за селското стопанство поради техните UV-блокиращи свойства. Има и експерименти, при които наночастици от цинков оксид се използват като инсектициди. В допълнение, има данни, че соеви растения се подобряват благодарение на наночастиците от цинков оксид, в сравнение с контролирани растения в почви без съответни частици.

Медта има дълга традиция като фунгицид, особено в лозарството и биологичното земеделие. Медта има недостатъка, че често трябва да се използва в сравнително високи количества, за да се предотврати разпространението на гъбните спори. Медните наноформули намаляват постъпването на мед в селскостопанската екосистема. Вече има съответен патент на BASF за полимерно-смесени наноразмерни аморфни, т.е. некристални, медни соли с размер на частиците между 1 и 200Nm.