Biologiczne środki ochrony roślin i biostymulatory – wyzwania formulacyjne

Środki ochrony roślin odgrywają niebagatelną rolę w zabezpieczaniu upraw przed szkodnikami, chwastami, chorobami i pleśniami, natomiast biostymulatory wspierają rośliny przed niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi i poprawiają ich ogólną kondycję. Ich przydatność nie ulega wątpliwości. W ostatnich latach zintensyfikowano poszukiwania zamienników dla pestycydów chemicznych – na znaczeniu zyskały ich biologiczne alternatywy. Do tej kategorii zalicza się substancje występujące naturalnie, które zwalczają szkodniki, w wyniku naturalnych mechanizmów biochemicznych. Są to substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego (np. olejki, saponiny, kwasy organiczne) albo metabolity bakterii (np. spinosad, abamektyna, toksyny Bt). W przypadku regulatorów wzrostu roślin również opracowano preparaty zawierające substancje naturalne takie jak: auksyny, cytokininy czy gibereliny ^[2].

Biologiczne środki ochrony roślin obejmują również makroorganizmy i mikroorganizmy. Wśród drobnoustrojów będących składnikami czynnymi biopreparatów znajdują się wirusy, bakterie (głównie Bacillus i Pseudomonas) oraz grzyby (Trichoderma, Beauveria, Coniothyrium, Matharhizium, Pythium) ^[2].

Poczyniono również spory postęp w rozwoju biostymulatorów, które wspierają biologiczne procesy w roślinach. Na rynku dostępnych jest wiele produktów opartych na: ekstraktach z alg morskich, ekstraktach roślinnych, aminokwasach i białkach, kwasach humusowych oraz mikroorganizmach. Ostatnia grupa jest szczególna, ponieważ mikroorganizmy mogą wspierać rośliny na wiele sposobów: wspomaganie rozwoju systemu korzeniowego, przekształcanie składników odżywczych do bardziej dostępnych form i dodatkowo walka z insektami lub grzybami. Dlatego dosyć często biostymulatory oparte na mikroorganizmach, mogą być zarejestrowana również jako środki ochrony roślin ^{[3, 4, 5]}.

Obie opisywane grupy agrochemikaliów działają bardzo specyficznie, łatwo ulegają biodegradacji i są bezpieczne dla środowiska oraz konsumenta, a co najważniejsze – bardzo skutecznie podnoszą wydajność upraw ^[3].

Preparaty biologiczne oparte na mikroorganizmach

Mikrobiologiczne środki ochrony roślin są najszerzej stosowaną i badaną klasą biopestycydów. Są to preparaty zawierające mikroorganizmy, takie jak bakterie, grzyby oraz wirusy.

Pestycydy mikrobiologiczne zabijają larwy owadów lub hamują wzrost chwastów na polach uprawnych. Działają na patogeny roślin i szkodniki poprzez różne mechanizmy, takie jak produkcja toksyn, wydzielanie enzymów, związków lotnych, bezpośrednia kolonizacja lub konsumpcja żywiciela. Mogą zwalczać wiele różnych rodzajów szkodników, chociaż każdy oddzielny składnik aktywny jest względnie specyficzny. Charakteryzują się zdolnością do potencjalnego namnażania na roślinach uprawnych po zastosowaniu. Wspierają także wzrost roślin i poprawiają jakość plonów ^[6].

Biostymulatory i środki ochrony roślin oparte na Bacillus

Różne gatunki bakterii mogą być stosowane przeciwko patogenom roślinnym przenoszonym przez glebę, szkodnikom owadzim lub nicieniom pasożytniczym roślin. Są to bakterie tworzące przetrwalniki, w tym Bacillus (np. B. amyloliquefaciens, B. subtilis i B. thuringiensis) i Streptomyces, a także gatunki nieprzetrwalnikujące z rodzajów takich jak Pasteuria i Pseudomonas ^[2].

Szczególne miejsce wśród mikrobiologicznych środków używanych w rolnictwie zajmują biostymulatory oparte na bakteriach Bacillus. Składają się z liofilizowanych przetrwalników zmieszanych z dodatkami i adiuwantami (substancjami wspomagającymi) i przynoszą szereg korzyści dla roślin ^[7].

Różnorodność metaboliczna i genetyczna Bacillus spp. pozwala na adaptację w różnych warunkach środowiskowych. Wykazano, że bakterie towarzyszące roślinom zwiększają ich odporność na stres wywołany np. zasoleniem gleby lub suszą. Są także zdolne do produkcji fitohormonów (hormonów roślinnych), które pozytywnie wpływają na wzrost i rozwój roślin ^[7].

Klucz do sukcesu – dobrze opracowana formulacja

Proces formułowania preparatów biopestycydowych prowadzi do powstania produktu końcowego poprzez zmieszanie składnika mikrobiologicznego z różnymi nośnikami i adiuwantami w celu lepszej ochrony przed warunkami środowiskowymi, większej przeżywalności czynników biologicznych, a także poprawy bioaktywności i stabilności przechowywania ^[6].

Formuły biopestycydów można podzielić na płynne i suche. Preparaty płynne mogą być przygotowywane na bazie wody, olejów roślinnych, estrów bazujących na tych olejach, alkoholi tłuszczowych, laktydów lub ich kombinacji. Preparaty na bazie wody (koncentraty zawiesinowe (SC), skoncentrowane emulsje (EW), zawiesiny kapsułkowe (CS) itp.) wymagają dodania obojętnych składników, takich jak dyspergatory, emulgatory, zwilżacze, zagęstniki, modyfikatory reologii, monomery sieciujące, barwniki, związki przeciwzamarzaniowe oraz dodatkowe składniki odżywcze. Proces formułowania w zależności od typu formulacji obejmuje operacje mieszania zwykłego lub szybkościnającego, mielenia na mokro lub polimeryzacji in situ. Suche formulacje (dyspergowalne proszki (WP) oraz dyspergowalne granule (WG), granule (GR) lub tabletki (TB) do bezpośredniej aplikacji itp.) mogą być wytwarzane przy użyciu różnych technologii, takich jak suszenie rozpyłowe, liofilizacja, suszenie na powietrzu, z użyciem lub bez użycia złoża fluidalnego. Technik granulacji również jest kilka: granulacja na morko poprzez obtaczanie, na sucho przez zagęszczanie proszku i kruszenie, a także przez ekstruzję i sferonizację. Tu również dodawane są: spoiwa, nośniki, dyspergatory, środki zwilżające itp.

Najbardziej popularne formulacje biopestycydów i biostymulatorów to: SL, OD, CS i WP lub WG. Jak już wspomniano, mikroorganizmy są szczególnie wrażliwe na czynniki zewnętrzne jak promieniowanie słoneczne, wilgoć czy zbyt duże wahanie temperatury przechowywania, dlatego szczególnie odpowiednie dla nich są formulacje OD i CS. Olej zabezpiecza mikroorganizmy przed promieniowaniem UV, izoluje je przed wilgocią oraz chroni przed zmianami temperatur. W formulacji CS mikroorganizmy są zamknięte w kapsułkach, dzięki czemu również są mniej narażone na czynniki zewnętrzne. Endospory lub zarodniki bakterii i grzybów można suszyć, dlatego również występują w formulacjach WP i WG. Większość ekstraktów używanych jako biostymulatory jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i można je zabezpieczać konserwantami, dlatego często występują w formulacji SL ^{[7, 8]}.

Organizmy wykorzystywane w formulacjach są zawieszone w odpowiednim nośniku, który jest uzupełniany dodatkami w celu maksymalizacji przeżywalności, optymalizacji aplikacji do celu i ochrony organizmów po zastosowaniu ^{[7, 8]}.

Formulacje zawierają jedną lub więcej substancji czynnych oraz szereg dodatkowych składników poprawiających ich skuteczność. Wśród nich są sejfnery (protektanty herbicydowe), synergetyki, nośniki, substancje zagęszczające oraz klejące, substancje zwilżające i inne.

Wyzwania formulacyjne

Skuteczność działania biologicznych środków ochrony roślin w dużej mierze zależy od ich formy. Preparaty te – bazujące na naturalnych substancjach – są znacznie bardziej wrażliwe na warunki środowiskowe, niż ich chemiczne odpowiedniki. Szczególnie dotyczy to biostymulatorów opartych na bakteriach Bacillus. Zatem przed branżą stoi szereg wyzwań formulacyjnych, aby mieć pewność, że żywe mikroorganizmy pozostaną skuteczne i stabilne przez długi czas ^{[7, 8]}.

Wrażliwość mikroorganizmów na czynniki środowiskowe

Niektóre z mikroorganizmów są niestabilne i szybko ulegają degradacji pod wpływem światła, powietrza lub wysokich temperatur. Krótki czas działania oraz zmienna skuteczność ograniczają liczbę substancji naturalnych, które mogą być wprowadzane do obrotu na rynku środków ochrony roślin. Jednym z rozwiązań w tej dziedzinie jest opracowanie bardziej stabilnych i skutecznych formulacji, maksymalizujących żywotność i skuteczność pochodnych, szczególnie Bacillus. Istotnym postępem jest mikrokapsułkowanie. W tym procesie zarodniki są zamykane w ochronnej matrycy, która chroni je przed czynnikami stresogennymi środowiska. Powłoka stopniowo ulega degradacji, uwalniając bakterie w odpowiednim miejscu i czasie ^[8].

Kontrolowane uwalnianie substancji czynnej

Wpływ na kontrolowane uwalnianie substancji czynnych zwiększa ich skuteczność, zmniejszając tym samym potrzebę częstych aplikacji i obniżając koszty ogólne. Jednym z często wykorzystywanych rozwiązań jest wspomniane wcześniej użycie mikrokapsułek. Stosowane są także dedykowane matryce, które uwalniają składnik w odpowiedzi na określone bodźce np. zmiany pH czy wilgotności. Ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie nośników polimerowych. Wykorzystanie biodegradowalnych polimerów jako nośnika w celu ukierunkowanego i kontrolowanego dostarczania substancji do roślin poprzez liście lub korzenie jest bardzo obiecujące. Uwalnianie następuje powoli, ponieważ polimer jest rozkładany (w zależności od miejsca) przez światło słoneczne lub mikroflorę glebową. Szybkość uwalniania biopestycydów można regulować poprzez zastosowanie różnych monomerów i dodatków sieciujących oraz dobór ich odpowiedniego stosunku. Równie ciekawym przykładem jest wykorzystanie struktur nanoporowatych ^{[8, 9]}.

Wprowadzenie na rynek nanoformulacji

Nanotechnologia ma potencjał, aby zaproponować nowe rozwiązania zwiększające skuteczność biopestycydów. Jednym z przykładów jest stworzenie nanometrycznych otoczek, chroniących składnik aktywny przed czynnikami zewnętrznymi. Ciekawe możliwości przynoszą postępy w zakresie tworzenia nanoemulsji. W tym przypadku substancja czynna jest rozproszona w ciekłym nośniku. Takie preparaty charakteryzują się większą dyspersyjnością, pozwalającą równomiernie pokryć rośliny. Dodatkowo niewielki rozmiar umożliwia lepszą penetrację oraz bardziej ukierunkowane działanie.

Wprowadzanie na rynek nanoformulacji to spora szansa, ale także szereg wyzwań i wątpliwości. Jednym z istotniejszych jest stosunkowo wysoki koszt produkcji, a także wciąż nieznane długoterminowe skutki wprowadzenia nanomateriałów do środowiska ^[8].

Wielofunkcyjne formulacje dla kompleksowej ochrony roślin

Ciekawym kierunkiem rozwoju formulacji biopestycydów jest synergistyczne połączenia szczepów Bacillus z innymi środkami biokontrolnymi lub biostymulatorami, aby stworzyć wielofunkcyjne preparaty, które zapewnią kompleksową ochronę roślin i wspomogą ich wzrost. Różne szczepy wykazują odmienne działanie i właściwości, a ich połączenie zapewnia kompleksowe wsparcie rośliny. Ponadto dodanie innych składników wspomagających, takich jak np. kwasów humusowych czy ekstraktów z alg, może dodatkowo wzmacniać działanie bakterii. ^{[3, 6, 7]}

PCC Exol jako dostawca rozwiązań dla formulacji biopestycydów i biostymulatorów

Producent surfaktantów PCC Exol już od lat wspiera branżę rolniczą swoimi produktami i doradztwem technicznym. Cały czas poszukujemy również optymalnych rozwiązań dla opisanych powyżej formulacji biopestycydów i biostymulatorów, dzięki czemu możemy polecić kilka z naszych produktów do tych kategorii.

Do formulacji SL oferujemy szeroki wybór zwilżaczy, środków poprawiających formowanie i retencję spreju oraz środków penetrujących kutykulę liścia i zwiększających przyswajanie. Wszystkie z wymienionych produktów są łatwo biodegradowalne i nieszkodliwe dla środowiska. Jako zwilżacze szczególnie polecamy produkty opracowane specjalnie w tym celu jak: EXOwet D15, EXOwet L5, EXOwet T7 i EXOwet OS. Również wiele produktów z grupy ROKAnol ma dobre właściwości zwilżające a na szczególną uwagę zasługują: NL8P4, L5P5, seria DB, seria GA i seria ID. Jako środki poprawiające formowanie i retencję spreju polecamy serię ROKAmer, w tym produkty ROKAmer G4300 i G3800, a w szczególności ROKAmer 6500 lub jego wodną i wygodniejszą w stosowaniu wersję ROKAmer 6500W. Jako środki penetrujące kutykulę liścia polecamy produkty oparte na nienasyconych kwasach lub alkoholach tłuszczowych o średnim HLB: ROKAcet O7 lub ROKAnol O10 ^[10].

W formulacjach OD należy zapewnić odpowiednią stabilność zawiesiny i emulgowanie fazy olejowej po dodaniu do wody, dlatego dobrze sprawdzają się surfaktanty łączące obie te funkcje. W dodatku surfaktanty te nie mogą szkodzić mikroorganizmom dlatego do tej formulacji polecamy: ROKAcety z serii R oraz grupy produktów ROKwin i ROKwinol, które wpływają pozytywnie również na właściwości spreju i zwiększają efektywność oprysku ^[10].

W formulacji CS należy zapewnić odpowiednie emulgowanie fazy olejowej podczas polimeryzacji międzyfazowej lub in situ, co wymaga precyzyjnego doboru emulgatorów i koloidów ochronnych, w przeciwnym razie dojedzie do zlepiania się miceli i uzyskania nieodpowiedniego rozmiaru kapsułek. Ponadto wiele ze stosowanych rozpuszczalników i emulgatorów wykorzystywanych do enkapsulacji konwencjonalnych substancji, zabija mikroorganizmy, dlatego najczęściej wykorzystuje się oleje roślinne i odpowiednio do nich dobrane emulgatory. Po procesie enkapsulacji należy jeszcze dodać odpowiednie zwilżacze i dyspergatory wodne. Jako zwilżacze można użyć tych samych ROKAnoli lub ROKAmerów, które są wykorzystywane w formulacjach SL. ROKAmery dodatkowo stabilizują zawiesinę pełniąc rolę ko-dyspergatorów. Jako dyspergatory polecamy tutaj EXOfos PT­K25 lub PT­K60, SULFOROKAnol TSP95, EXOdis PC40, Rodys OP i Rodys KP ^[10].

PCC Exol służy również doradztwem technicznym w rozwiązywaniu różnych problemów związanych z formulacjami a także opracowuje nowe produkty lub ich warianty na życzenie klientów. Zachęcamy do odwiedzenia naszego katalogu produktowego i zapraszamy do kontaktu.