RU2257711C2

RU2257711C2 - Композиция на основе хитозана, снижающая содержание нитратов в растениеводческой продукции

Info

Publication number: RU2257711C2
Application number: RU2003129759/04A
Authority: RU
Inventors: С.Л. Тютерев (RU); С.Л. Тютерев; Т.А. Евстигнеева (RU); Т.А. Евстигнеева
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2005-08-10
Also published as: EP1671543A1; RU2003129759A; JPWO2005032258A1; CN1863461A; WO2005032258A1; US20050148472A1

Abstract

Описана композиция на основе хитозана, снижающая содержание нитратов в растениеводческой продукции, содержащая хитозан с молекулярной массой 20-150 кД, органические кислоты - смесь янтарной, аскорбиновой и сорбиновой кислот в массовом соотношении 2:1:1, активаторы нитрат- и нитритредуктаз - нитрат железа, аммоний молибденовокислый, индолилуксусную кислоту и этилендиаминтетрауксусную кислоту в массовом соотношении 20:5:1:1, или нитрат железа, аммоний молибденовокислый, индолилуксусную кислоту, N,N-дикарбоксиметилглутаминовую кислоту в массовом соотношении 20:5:1:1, и усилители синтеза хлорофилла -2-оксоглутаровую и L-глутаминовую кислоты в массовом соотношении 30:1, а также поверхностно-активное вещество при следующем соотношении вышеуказанных компонентов (в мас.%): хитозан - 15-25; органические кислоты - 15-25; активаторы нитрат- и нитритредуктаз - 25-30; усилители синтеза хлорофилла - 29-35; поверхностно-активное вещество - 1-3. Композиция позволяет усилить ассимиляцию неорганического азота растения и снижает содержание нитратов в растениеводческой продукции. 5 табл.

Description

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к улучшению качества растениеводческой продукции с помощью экологически безопасных биологически активных веществ, путем снижения содержания нитратов в овощах, кормовых и других сельскохозяйственных культурах.

Известно, что нитраты, содержащиеся в пище, опасны для здоровья человека, снижают содержание гемоглобина и вызывают множество других нарушений обмена веществ. Нитратный азот служит источником образования в организме человека мутагенных и канцерогенных нитрозаминов.

Поэтому существует необходимость в средствах и способах снижения содержания нитратов в продуктах растениеводства, особенно в употребляемых в пищу в сыром виде овощах, а также в культурах, служащих кормом для животных, т.к. в этом случае нитраты попадают в молоко и другие продукты животноводства.

Нитрат - наиболее важный источник азота для большинства сельскохозяйственных культур. Он стимулирует рост растений, действуя как питательный элемент и как сигнал. Как питательный элемент нитрат восстанавливается до аммония и затем включается в аминокислоты, и далее в белки, хлорофилл, гормоны и другие азотсодержащие соединения растений. Как сигнал нитрат связывает метаболизм азота и углерода посредством усиления экспрессии большой группы генов.

Нитрат восстанавливается до аммония в два этапа. Первая реакция катализируется нитратредуктазой, восстанавливающей нитрат до нитрита, во второй реакции нитрит восстанавливается нитритредуктазой до аммония. Включение аммония в аминокислоты катализируют в основном ферменты глутаминсинтетаза и глутаматсинтаза.

Известна композиция для снижения содержания нитратного азота в растениях на основе водных растворов 5-аминолевулиновой кислоты и ее солей (Yoshida et al., 1996, US patent 5489572).

Недостатком этой композиции является высокий расход 5-аминолевулиновой кислоты (от 80 г до 3 кг на гектар), имеющей высокую стоимость (50-75 тысяч долларов за 1 кг), что делает предлагаемую композицию очень дорогой и экономически невыгодной. Еще один недостаток композиции заключается в том, что 5-аминолевулиновая кислота - гербицид и при определенных условиях даже в низких дозировках может ингибировать рост обрабатываемых ею растений. Согласно этому патенту 5-аминолевулиновая кислота применяется для обработки почвы и/или растений. И в том, и в другом случае ее применение в низких (не гербицидных) концентрациях может привести к стимуляции роста не только обрабатываемых растений, но и сорняков.

За прототип принята композиция на основе хитозана, предложенная в качестве средства, повышающего устойчивость растений к болезням (Новожилов и др., 2000, патент РФ № 2158510).

Эта композиция не влияют на содержание нитратного азота в растениеводческой продукции.

Задача предлагаемого изобретения - создание экологически безопасного средства, позволяющего усилить ассимиляцию неорганического азота растениями, снижающего содержание токсичных и канцерогенных нитратов в растениеводческой продукции без применения трансгенных растений, а также дорогостоящих соединений.

Эта задача решена разработкой состава композиции на основе хитозана. Хитозан в сочетании с органическими кислотами, активаторами нитрат- и нитритредуктаз и усилителями синтеза хлорофилла в растениях снижает содержание нитратов в растениеводческой продукции до приемлемого уровня.

Композиция представляет собой водорастворимый порошок для обработки семян и опрыскивания вегетирующих растений, при этом компоненты композиции взяты в следующих соотношениях (% по массе):

Хитозан с М.м. 20-150 кДа	15-25
Органические кислоты	15-25
Активаторы нитрат- и нитритредуктаз	25-30
Усилители синтеза хлорофилла	29-35
Поверхностно-активное вещество	1-3

В качестве органических кислот композиция содержит янтарную, аскорбиновую и сорбиновую кислоты в массовом соотношении: 2:1:1.

В качестве активаторов нитрат- и нитритредуктаз композиция содержит нитрат железа, аммоний молибденовокислый, индолилуксусную (или нафтилуксусную) кислоту и этилендиаминтетрауксусную (или N,N-дикарбоксиметилглутаминовую) кислоту в массовом соотношении 20:5:1:1.

В качестве усилителей синтеза хлорофилла композиция содержит 2-оксоглутаровую и L-глутаминовую кислоты в массовом соотношении 30:1.

В качестве поверхностно-активного вещества, улучшающего удерживаемость композиции на листьях растений, композиция содержит Твин-60.

Соответственно, настоящее изобретение предусматривает способ применения вышеописанной композиции в виде водных растворов, рН растворов 4,5-5,0, для снижения содержания нитратов в растениеводческой продукции, состоящий в обработке семян сельскохозяйственных культур (путем намачивания) и последующем опрыскивании растений в период вегетации.

Анализ известного уровня техники показал, что для хитозана и органических кислот ранее была известна только рострегулирующая активность и способность повышать устойчивость растений к болезням. Для молибдат- и нитрат-анионов была известна способность повышать активность нитратредуктазы, но они не нашли практического применения как средства для снижения содержания нитратов в овощах и другой растениеводческой продукции.

Действие композиции на повышение эффективности ассимиляции неорганического азота растениями и снижение посредством этого эффекта содержания нитратов в растениеводческой продукции является вновь найденным нами и его нельзя ожидать из ранее предложенных ростстимулирующих и подобных эффектов.

Композиция, предлагаемая в настоящем изобретении, может быть применена к любому виду растений, но ее действие особенно очевидно, если растения имеют высокое содержание нитратов (более 0,5% нитратного азота в общем азоте товарной части растения). Примером таких растений являются овощи (шпинат, различные виды салата, капусты, укроп, петрушка, редис, лук), а также корне- и клубнеплоды (свекла, морковь, картофель).

Действие заявленной композиции основано на неизвестной ранее способности хитозана - нетоксичного, экологически безопасного биологически активного вещества - в совокупности с остальными ингридиентами композиции выступать в качестве активатора ферментов нитратредуктазы, нититредуктазы, повышать содержание хлорофилла в растениях, служить осмотически активным веществом и посредством этого повышать ассимиляцию неорганического азота и снижать содержание нитратов в урожае сельскохозяйственных культур.

Только специфичное сочетание хитозана со строго определенными органическими кислотами и некоторыми другими из заявляемых нами соединений обладают указанной активностью. Это связано с тем, что композиция снижает содержание нитратов тремя способами:

- активацией генов и ключевых ферментов ассимиляции неорганического азота - нитратредуктазы, нитритредуктазы, глутаматсинтазы и глутаминсинтетазы за счет хитозана, 2-оксоглутаровой, янтарной, индолилуксусной кислот, нитрата и молибдена, которые адсорбируясь на матрице хитозана, хорошо удерживаются на листьях и проявляют более длительное действие как кофакторы, предшественники субстратов и активаторы вышеперечисленных ферментов, чем при их отдельном применении. Координированно с увеличением активности нитратредуктазы возрастает активность нитритредуктазы, что предотвращает накопление нитритов в тканях растений, особенно в условиях недостатка света и других стрессов;

- повышением содержания хлорофилла в листьях растений, синтез которого усиливается его предшественниками - 2-оксоглутаровой и L-глутаминовой кислотами, и повышением вследствие этого интенсивности фотосинтеза и образования сахаров, которые индуцируют ассимиляцию азота в растениях;

- осмотической активностью хитозана и других компонентов композиции, что предотвращает ингибирование восстановления нитратов конечными продуктами - восстановленными формами азота, координирует углеводный и азотный метаболизм.

Все вышеперечисленные доводы подтверждают наличие функциональной зависимости, ранее неизвестной «состав-свойства». Это определяет соответствие заявленного решения такому условию патентоспособности как «изобретательский уровень».

Заявленная композиция водорастворима и обладает хорошей пленкообразующей и прилипающей способностью, высокой адгезией к растительному материалу, активна и устойчива в водных растворах при рН, близких к нейтральным, равным 4,5-5,5, не обладает фитотоксичностью в диапазоне рабочих концентраций.

Хитозан, 2-оксоглутаровая, L-глутаминовая, янтарная, сорбиновая, аскорбиновая, индолилуксусная кислоты используются как действующие вещества в предлагаемом изобретении и являются известными природными соединениями, которые могут быть получены любыми известными методами - химическим синтезом, микробиологически, ферментным синтезом, экстракцией из природных источников и т.п.

Хитозан - ключевой ингридиент в композиции в предлагаемом изобретении. Он является деацетилированной формой хитина и может быть получен при действии на хитин концентрированным водным раствором КОН при температуре ~40°С. Этот процесс приводит к деацетилированию хитина. Степень деацетилирования не является узкоспецифичной для эффективности заявляемых композиций, поэтому рекомендуется использовать хитозан со степенью деацетилирования 70-90%.

В настоящем изобретении для приготовления композиции рекомендуется хитозан с молекулярной массой от 20 до 150 кДа, что соответствует степени полимеризации от 120 до 850, но предпочтительнее использовать хитозан с молекулярной массой 20-120 кДа, т.к. композиция на основе хитозана с такой молекулярной массой легче растворяется и быстрее проникает в растение.

Количество и частота применения раствора композиции на основе хитозана для снижения содержания неассимиллированных нитратов варьируют в зависимости от окружающих условий. Обычно метод включает обработку семян и опрыскивание растений водными растворами композиций. Опрыскивание вегетирующих растений рекомендуется проводить 1 раз в неделю в течение 3 недель до уборки урожая. В условиях низкой освещенности и других стрессов количество обработок может быть увеличено.

Обработку семян овощных культур проводят путем замачивания их в 0,5% водном растворе сухого препарата. Расход рабочего раствора составляет 1 л на 1 кг семян. Для опрыскивания растений используют 0,5% по препарату водный раствор сухого порошка с расходом 200-300 литров на гектар.

Для доказательства соответствия предложенного решения условию «промышленная применимость», а также для лучшего понимания сущности изобретения приводим примеры конкретной реализации, которые не могут исчерпать сущность заявленного изобретения.

Пример 1 показывает способность композиции повышать активность нитратредуктазы в листьях растений салата, выращенного в теплице. Состав композиции (вариант I) в массовых %: хитозан с М.м. 50 кДа - 20; органические кислоты - 20; активаторы нитрат- и нитритредуктаз - 27; усилители синтеза хлорофилла - 31; поверхностно-активное вещество - 2. Состав композиции (вариант II) в массовых %: хитозан с М.м. 170 кДа - 15, органические кислоты - 25; активаторы нитрат- и нитритредуктаз - 25; усилители синтеза хлорофилла - 34, поверхностно-активное вещество - 1.

Данные по примеру 1 приведены в таблице 1. Они свидетельствуют, что более высокая, чем в контроле активность нитратредуктазы сохраняется в течение 7 суток после опрыскивания растений салата.

Таблица 1. Влияние опрыскивания растений салата сорта «Азарт» водными растворами композиции на активность нитратредуктазы в листьях
Вариант	Активность нитратредуктазы в листьях в мкг NO₂ ^-/г сырой ткани/час
Вариант	До обработки	Через 1 сутки	Через 3 суток	Через 7 суток	Через 10 суток
Контроль-вода	64±2	61±2	65±2	60±2	63±2
Композиция (вариант I)		93±3	79±3	69±1	65±1
Композиция (вариант II)		85±2	80±3	70±2	67±2

Пример 2 характеризует способность заявляемой композиции повышать содержание хлорофилла в листьях растений салата. Состав вариантов композиции такой же, как и в примере 1. Данные по примеру 2 (табл. 2) свидетельствуют, что заявляемая композиция повышает содержание хлорофилла в листьях растений салата в течение 3-х суток после обработки.

Таблица 2. Влияние опрыскивания растений салата сорта «Азарт» водными растворами композиции на содержание хлорофилла в листьях
Вариант	Содержание хлорофилла (мг/100 г сырой массы)
Вариант	До обработка	Через 1 сутки	Через 2 суток	Через 3 суток
Контроль - вода	98±4	99±4	97±4	99±3
Композиция (вариант I)		143±5	138±5	115±4
Композиция (вариант II)		140±6	120±4	110±5

Примеры 3-5 характеризует способность предлагаемой композиции снижать содержание нитратов в листьях салата разных сортов («Азарт», «Лолла Росса», «Одесский кучерявец») и шпината (сорт «Матадор»). Состав композиции (вариант I) - такой же как и в примерах 1 и 2, состав композиции (вариант III) в массовых %: хитозан с М.м. 100 кДа - 18; органические кислоты - 18; активаторы нитрат- и нитритредуктаз - 30; усилители синтеза хлорофилла - 31; поверхностно-активное вещество - 3.

Данные по примерам 3-5 (табл.3-5) свидетельствуют, что предлагаемая в изобретении композиция существенно снижает содержание нитратов в листьях растений салата и шпината, достигших товарной спелости.

Таблица 3. Влияние двукратной обработки растений салата сорта «Азарт» на содержание нитратов в листьях при сборе урожая
Вариант *	Содержание нитратов в мг/кг сырой массы	Дополнительно восстановлено нитратов, %
Контроль - вода	3200±145	-
Композиция (вариант I)	1620±74	49
Композиция (вариант III)	1700±80	47
*Опрыскивание листьев салата (сорт Азарт) в контроле - водой, в опыте - двукратно водными растворами композиций

Таблица 4. Содержание нитратов в листьях салата (сорт «Лолла Росса») и шпината (сорт «Матадор») через 2 недели после двукратного опрыскивания (с интервалом 10 дней) растений 0,5% водным раствором композиции
Вариант обработки	Вид растения	Содержание нитратов в листьях в мг/кг сырой массы ткани		Содержание нитратов, % к контролю*
Контроль - опрыскивание водой	Салат	4280±114		100,0
	Шпинат	3840±97		100,0
Опрыскивание растений 0,5% раствором композиции (вариант I)	Салат	2115±93		49,4
	Шпинат	1967±69		51,2
* товарная спелость растений
Таблица 5. Содержание нитратов в листьях салата сорта «Одесский кучерявец» при обработке семян и опрыскивании растений в период вегетации
Вариант обработки			Содержание нитратов в листьях в мг/кг сырой массы ткани через 65 дней после посева (товарная спелость)
Контроль - обработка семян водой (замачивание). Трехкратное с интервалом 10 дней опрыскивание растений водой. Первое опрыскивание - через 35 дней после посева.			5200±134
Обработка семян композицией* (замачивание в течение 24 часов в 0,5% водном растворе). Трехкратное с интервалом 10 дней опрыскивание растений композицией. Первое опрыскивание - через 35 дней после посева			2300±115
* вариант I

Заявленное изобретение позволяет получать снижение содержания нитратов в овощах, кормовых травах и клубнекорнеплодах при небольших количествах добавленных к хитозану биологически активных веществ: Применение заявленной композиции повышает эффективность использования азотных удобрений растениями и тем самым уменьшает загрязнение окружающей среды (особенно водоемов), высокотоксичными для фауны нитратами, позволяет получить экологически чистую сельскохозяйственную продукцию со сниженным содержанием нитратов.

Источник информации

1. Новожилов и др. Композиция для повышения устойчивости растений к болезням (варианты). Патент РФ № 2158510, 2000.

2. Yoshida et al. Methods for reducing nitrate nitrogen and oxalic acids contents in plants, US Patent 5489572, 1996.

Claims

Композиция на основе хитозана, снижающая содержание нитратов в растениеводческой продукции, отличающаяся тем, что она содержит хитозан с молекулярной массой 20-150 кД, органические кислоты - смесь янтарной, аскорбиновой и сорбиновой кислот в массовом соотношении 2:1:1, активаторы нитрат- и нитритредуктаз - нитрат железа, аммоний молибденово-кислый, индолилуксусную кислоту и этилендиаминтетрауксусную кислоту в массовом соотношении 20:5:1:1, или нитрат железа, аммоний молибденово-кислый, индолилуксусную кислоту, N,N-дикарбоксиметилглутаминовую кислоту в массовом соотношении 20:5:1:1, и усилители синтеза хлорофилла - 2-оксоглутаровую и L-глутаминовую кислоты в массовом соотношении 30:1, а также поверхностно-активное вещество при следующем соотношении вышеуказанных компонентов, мас.%:

Хитозан 15-25 Органические кислоты 15-25 Активаторы нитрат- и нитритредуктаз 25-30 Усилители синтеза хлорофилла 29-35 Поверхностно-активное вещество 1-3