Mokslas: kiek nanodaleles galima pritaikyti agronomijoje?

2023-03-07

Nanotechnologija yra šiuolaikinio mokslo sritis, kurios rezultatai gali būti panaudojami ir žemės ūkyje. Tai yra ateities mokslas, tačiau prieš pradedant jį plačiai taikyti, reikia ištirti nanodalelių poveikį aplinkai. Be to, atsižvelgiant į klimato kaitą, iškastinių mineralų išeikvojimą ir tvarų ūkininkavimą, būtina taikyti naujus metodus. Į šią sritį gilintis ėmė grupė Lietuvos agrarinių ir miškų mokslų centro (LAMMC) Sodininkystės ir daržininkystės instituto (SDI) mokslininkių. Kviečiame trumpam pokalbiui su viena iš idėjos autorių dr. Rūta Sutuliene.

Kas paskatino gilintis į šią sritį?

Nanotechnologija tai lyg sena naujiena. Šiuolaikinės nanotechnologijos iš tikrųjų prasidėjo seniai – 1981 m., kai skenuojantis tunelinis mikroskopas leido mokslininkams ir inžinieriams pamatyti atskirus atomus ir jais manipuliuoti. Panaudojant nanotechnologijas pagamintų nanodalelių pritaikymas žemės ūkio tikslams yra inovatyvi ir nauja sritis. Nors magistratūros studijose dirbau su nanodalelių poveikiu bakterijoms, diskusijose su darbo vadove doc. dr. Lina Rageliene vis iškeldavome klausimą, o kas būtų, jeigu jas panaudotume augalams. Po magistrantūros studijuojant doktorantūroje LAMMC SDI Augalų fiziologijos skyriuje nusprendžiau keisti kryptį ir pradėti tyrimus su augalais. Atvykusi į pirmąjį pokalbį sužinojau, kad augalai, ypač žirniai, labai jautriai reaguoja į aplinkos pokyčius. Atsižvelgiant į Europos Sąjungos reikalavimus laikytis sėjomainos ir auginti pupinius augalus ne tik dėl naudos dirvožemiui, bet ir didelio kiekio baltymų, naudingų ir žmonėms, ir gyvuliams, norėjosi padėti ūkininkams išlaikyti stabilų derlių net esant nepalankiems aplinkos veiksniams. Tyrimo pradžioje nežinojome, kokių rezultatų tikėtis. Prieš ketverius metus pasauliniu mastu apie nanodalelių poveikį žirniams, o ypač nepalankiomis aplinkos sąlygomis, dar nebuvo daug publikacijų. Tokia inovatyvi, dar netyrinėta sritis ir paskatino atlikti tyrimus.

Eksperimento tikslas buvo ištirti nanodalelių poveikį antioksidacinei sistemai ir oksidacinio streso biožymekliams sausros paveiktuose žirniuose ir sukurti auginimo metodiką, kuri padėtų gauti pastovų derlių. Ar pavyko jį pasiekti?

Buvo ištirta silicio, molibdeno, boro ir vario oksidų nanodalelių poveikis žirniams sausros metu. Šiame straipsnyje pateikti boro oksido nanodalelių poveikio rezultatai. Dėl skirtingo augalų gebėjimo įsisavinti mikroelementus šių nanodalelių poveikis žirniams buvo tirtas ir laistant, ir purškiant. Žirnius palaisčius didesnėmis koncentracijomis, gumbelių formavimasis ant jų šaknų padidėjo tris kartus, taip pat padidėjo ir patys augalai bei jų lapų plotas. Taip pat augaluose susikaupė daugiau antioksidantų, dėl kurių žirniai tapo atsparesni sausros poveikiui ir gautas 10 % didesnis derlius. Įdomu tai, kad augalus nupurškus gumbelių skaičius padidėjo dar daugiau, iki 5 kartų, tačiau lapų plotas nebuvo paveiktas. Naudojant mažesnę koncentraciją (2,5 g/ha), žymiai padaugėjo antioksidantų, kurie sumažino sausros sukeliamą stresą ir gautas iki 20 % didesnis žirnių derlius. Reikėtų atsižvelgti į tai, kad boro nanodalelių panaudojimas, nors ir padidino sausros paveiktų žirnių derlių, bet nesugebėjo duoti tokio pat dydžio derliaus kaip optimaliomis sąlygomis augusių žirnių. Nanodalelių panaudojimas optimaliomis sąlygomis augintų žirnių derlių padidino iki 12 %.

Nanodalelės gali padėti gauti žirnių derlių net esant nepalankioms aplinkos sąlygoms, o jų poveikis priklauso nuo koncentracijos ir poveikio būdo. Ar tai reiškia, kad kintant klimatui ir auginimo sąlygoms darantis vis sunkiau prognozuojamoms, tai gali būti vienas iš būdų sumažinti neigiamą aplinkos poveikį augalams?

Kaip pastebėjote, kintantis klimatas, kuris pasireiškia dideliais temperatūros ir drėgmės svyravimais, tikrai yra iššūkis žemės ūkiui. Nanodalelių panaudojimas augalams gali būti vienas iš būdų, kaip juos padaryti atsparesniais. Pavyzdžiui, silicio nanodalelės gali padengti augalų lapų paviršių ir sumažinti augaluose vykstančią transpiraciją, dėl kurios streso metu vanduo augaluose išsilaikys ilgiau. Boras ir molibdenas paskatina gumbelių formavimąsi ant šaknų ir padidina augalų pasisavinamo azoto kiekį dirvožemyje, kuris nulemia didesnį kiekį antioksidantų ir atsparumą sausrai. Didesnės koncentracijos augaluose gali sukelti hormezės stadiją (kai susidaro streso būsena, dėl kurios padidėja antioksidantų, bet dar nepasireiškia neigiami oksidacinio streso padariniai), dėl kurios augalai įgauna atsparumą neigiamiems aplinkos veiksniams.

Sėjomainoje žirniai yra būtini augalai, nes vykdo simbiozę su azotą fiksuojančiomis bakterijomis ir pagerina dirvožemio kokybę, o mitybos atžvilgiu jie yra svarbus baltymų šaltinis. Ar jūsų tyrimo rezultatai prisidės prie dažnesnio pupinių augalų įtraukimo į sėjomainas ir gausesnio produkcijos vartojimo?

Atsižvelgiant į doktorantūros metu gautus rezultatus, kad esant sausros streso sąlygoms, molibdeno ir silicio nanodalelių panaudojimas žirnių derlių sugebėjo išlaikyti tokį patį ar net didesnį, lyginant su optimaliomis sąlygomis žirnių augintų derliumi, manau, kad taip. Taip pat kitas svarbus veiksnys, kad molibdeno nanodalelių panaudojimas auginant žirnius mineralinio azoto kiekį dirvožemyje padidino nuo 19 iki 50 mg/kg. Specifinių nanodalelių panaudojimas žemės ūkyje gali prisidėti prie tvaresnio ūkininkavimo, nes naudojami mažesni kiekiai, taupomi resursai ir, svarbiausia, gaunama ekonominė nauda.

Susiduriama su kitu iššūkiu, kad ūkininkams dar labai sunku suprasti, kaip tokie maži kiekiai gali turėti tokį didelį poveikį. Šioje srityje svarbu suprasti skirtumą tarp nanodalelių ir paprastų trąšų. Pagrindinis skirtumas, – kad nanodalelėmis laikomos dalelės, kurių dydis yra iki 100 nm (1 mm atitiktų 1000000 nanometrų), o įprastų trąšų dalelių dydis varijuoja. Dėl specifinio atomų išsidėstymo, kuris nulemia dalelių formą, paviršiaus krūvį ir paviršiaus plotą, gali pasikeisti mums įprastų medžiagų savybės. Pavyzdžiui, agronomijoje naudojamos molibdeno arba boro mikroelementinės trąšos dažniausiai būna baltos spalvos milteliai, o štai nanodalelių milteliai yra juodos spalvos. Kitas didelis skirtumas yra medžiagų grynumas. Pavyzdžiui, nanodalelių grynumas būna 99,7–99,9 % – tai reiškia, kad jų milteliai yra grynas elementas. Tačiau perkant, pavyzdžiui, mikroelementines boro trąšas, turime rinktis iš Borax (Na₂[B₄O₅(OH)₄]·8H₂O) ir DOT Boron (Na2B8O13·4H2O), kuriose yra iki 20 % boro. Tai reiškia, kad siekiant augalus patręšti boru, reikės naudoti daug didesnį kiekį įprastų trąšų ir į dirvožemį papildomai pateks didelis kiekis natrio. Tokia tendencija yra būdinga ir kitiems makro- ir mikroelementams.

Teigėte, kad tyrimo rezultatai prisideda prie platesnio nanodalelių taikymo agronomijoje, tačiau kad būtų panaudotos praktiškai, reikia ištirti jų poveikį skirtingoms ekosistemoms. Kokia kryptimi planuojate tęsti savo tyrimus?

Tai užuomina kitų sričių mokslininkams ištirti šių nanodalelių poveikį vabzdžiams ir dirvožemio mikroorganizmams. Mūsų tyrėjų komanda toliau gilinasi į nanodalelių kaupimąsi augaluose. Šiuo metu vykdomas Lietuvos mokslo tarybos finansuojamas mokslininkų grupių projektas „Nanogreens“ (Nr. S-MIP-21-27). Jo tikslas – ištirti cinko ir vario oksidų nanodalelių poveikį lapinėms daržovėms. Tyrimo duomenimis, tirtos nanodalelės nepasiekia pavojingos sveikatos rizikos indekso ribos. Tokie rezultatai rodo, kad augalai efektyviai pasisavina cinko oksidą purškiant per lapus ir papildomi žmonėms reikalingu cinku bei antioksidantais.

Kitas įdomus eksperimentas buvo atliktas siekiant išsiaiškinti, kaip greitai augalai pasisavina nanodaleles. Tikėkimės, kad jo rezultatai taip pat bus publikuoti aukšto mokslinio lygio žurnale.

Šia tema mokslinę publikaciją parengė LAMMC Sodininkystės ir daržininkystės instituto mokslininkės Sutulienė R., Brazaitytė A., Małek S., Jasik M., Samuolienė G. 2023. Response of oxidative stress and antioxidant system in pea plants exposed to drought and boron nanoparticles. Antioxidants, 12 (2): 528. IF – 7,675.

Parengta pagal LAMMC informaciją