Биологические средства защиты растений и биостимуляторы – вызовы в области разработки рецептур

Средства защиты растений играют важную роль в защите культур от вредителей, сорняков, болезней и плесени, а биостимуляторы поддерживают растения в неблагоприятных погодных условиях и улучшают их общее состояние. Их полезность не вызывает сомнений. В последние годы активизировались поиски заменителей химических пестицидов — все большее значение приобретают их биологические альтернативы. К этой категории относятся природные вещества, которые борются с вредителями в результате естественных биохимических механизмов. Это вещества растительного или животного происхождения (например, масла, сапонины, органические кислоты) или метаболиты бактерий (например, спиносад, абамектин, токсины Bt). В случае регуляторов роста растений также были разработаны препараты, содержащие такие природные вещества, как ауксины, цитокинины или гиббереллины ^[2].

Биологические средства защиты растений также включают макроорганизмы и микроорганизмы. Среди микроорганизмов, являющихся активными компонентами биопрепаратов, есть вирусы, бактерии (в основном Bacillus и Pseudomonas) и грибы (Trichoderma, Beauveria, Coniothyrium, Matharhizium, Pythium) ^[2].

Также был достигнут значительный прогресс в разработке биостимуляторов, которые поддерживают биологические процессы в растениях. На рынке доступно множество продуктов на основе: экстрактов морских водорослей, растительных экстрактов, аминокислот и белков, гумусовых кислот и микроорганизмов. Последняя группа является особенной, поскольку микроорганизмы могут поддерживать растения многими способами: способствуя развитию корневой системы, преобразуя питательные вещества в более доступные формы и, кроме того, борясь с насекомыми или грибками. Поэтому довольно часто биостимуляторы на основе микроорганизмов могут регистрироваться также как средства защиты растений ^{[3, 4, 5]}.

Обе описываемые группы агрохимикатов действуют очень специфично, легко подвергаются биоразложению и безопасны для окружающей среды и потребителя, а главное — очень эффективно повышают урожайность культур ^[3].

Биологические препараты на основе микроорганизмов

Микробиологические средства защиты растений являются наиболее широко используемым и исследуемым классом биопестицидов. Это препараты, содержащие микроорганизмы, такие как бактерии, грибы и вирусы.

Микробиологические пестициды убивают личинок насекомых или подавляют рост сорняков на сельскохозяйственных полях. Они воздействуют на патогены растений и вредителей с помощью различных механизмов, таких как производство токсинов, выделение ферментов, летучих соединений, прямая колонизация или потребление хозяина. Они могут бороться с многими различными видами вредителей, хотя каждый отдельный активный компонент является относительно специфичным. Они характеризуются способностью к потенциальному размножению на сельскохозяйственных культурах после применения. Они также способствуют росту растений и улучшают качество урожая ^[6].

Биостимуляторы и средства защиты растений на основе Bacillus

Различные виды бактерий могут быть использованы против почвенных растительных патогенов, насекомых-вредителей или паразитических нематод растений. К ним относятся бактерии, образующие споры, в том числе Bacillus (например, B. amyloliquefaciens, B. subtilis и B. thuringiensis) и Streptomyces, а также не образующие споры виды из родов Pasteuria и Pseudomonas ^[2].

Особое место среди микробиологических средств, используемых в сельском хозяйстве, занимают биостимуляторы на основе бактерий Bacillus. Они состоят из лиофилизированных спор, смешанных с добавками и адъювантами (вспомогательными веществами), и приносят ряд преимуществ для растений ^[7].

Ключ к успеху — хорошо подготовленная формула

Процесс формулирования биопестицидных препаратов приводит к созданию конечного продукта путем смешивания микробиологического компонента с различными носителями и адъювантами для лучшей защиты от условий окружающей среды, большей выживаемости биологических факторов, а также улучшения биологической активности и стабильности хранения ^[6].

Формулы биопестицидов можно разделить на жидкие и сухие. Жидкие препараты могут быть приготовлены на основе воды, растительных масел, эфиров на основе этих масел, жирных спиртов, лактидов или их комбинаций. Препараты на водной основе (концентраты суспензий (SC), концентрированные эмульсии (EW), капсульные суспензии (CS) и т. д.) требуют добавления инертных компонентов, таких как диспергаторы, эмульгаторы, увлажнители, загустители, модификаторы реологии, сшивающие мономеры, красители, антифризы и дополнительные питательные компоненты. Процесс формулирования в зависимости от типа формулировки включает операции обычного или быстросрезающего смешивания, мокрого измельчения или полимеризации in situ. Сухие рецептуры (диспергируемые порошки (WP) и диспергируемые гранулы (WG), гранулы (GR) или таблетки (TB) для непосредственного применения и т. д.) могут быть изготовлены с использованием различных технологий, таких как распылительная сушка, лиофилизация, сушка на воздухе, с использованием или без использования флюидного слоя. Существует также несколько методов грануляции: влажная грануляция путем обмазки, сухая грануляция путем уплотнения порошка и измельчения, а также путем экструзии и сферонизации. Здесь также добавляются: связующие вещества, носители, диспергаторы, смачивающие вещества и т. д.

Наиболее популярными формами биопестицидов и биостимуляторов являются: SL, OD, CS и WP или WG. Как уже упоминалось, микроорганизмы особенно чувствительны к внешним факторам, таким как солнечное излучение, влажность или слишком большие колебания температуры хранения, поэтому для них особенно подходят формы OD и CS. Масло защищает микроорганизмы от ультрафиолетового излучения, изолирует их от влаги и защищает от перепадов температуры. В рецептуре CS микроорганизмы заключены в капсулы, благодаря чему они также менее подвержены воздействию внешних факторов. Эндоспоры или споры бактерий и грибов можно сушить, поэтому они также присутствуют в составах WP и WG. Большинство экстрактов, используемых в качестве биостимуляторов, хорошо растворимы в воде и могут быть защищены консервантами, поэтому они часто присутствуют в составе SL ^{[7, 8]}.

Организмы, используемые в составах, суспендированы в соответствующем носителе, который дополняется добавками для максимального увеличения выживаемости, оптимизации применения по назначению и защиты организмов после применения ^{[7, 8]}.

Формулы содержат одно или несколько активных веществ, а также ряд дополнительных компонентов, повышающих их эффективность. Среди них есть сейфнеры (гербицидные протектоны), синергенты, носители, загустители и связующие вещества, смачивающие вещества и другие.

Проблемы формулирования

Эффективность биологических средств защиты растений в значительной степени зависит от их формы. Эти препараты, основанные на натуральных веществах, гораздо более чувствительны к условиям окружающей среды, чем их химические аналоги. Особенно это касается биостимуляторов на основе бактерий Bacillus. Таким образом, перед отраслью стоит ряд задач по разработке рецептур, чтобы гарантировать, что живые микроорганизмы останутся эффективными и стабильными в течение длительного времени ^{[7, 8]}.

Чувствительность микроорганизмов к факторам окружающей среды

Некоторые микроорганизмы нестабильны и быстро разлагаются под воздействием света, воздуха или высоких температур. Короткий срок действия и переменная эффективность ограничивают количество натуральных веществ, которые могут быть выведены на рынок средств защиты растений. Одним из решений в этой области является разработка более стабильных и эффективных рецептур, максимально увеличивающих срок хранения и эффективность производных, особенно Bacillus. Важным прорывом является микрокапсулирование. В этом процессе споры заключаются в защитную матрицу, которая защищает их от стрессовых факторов окружающей среды. Покрытие постепенно разлагается, высвобождая бактерии в нужном месте и в нужное время ^[8].

Контролируемое высвобождение активного вещества

Влияние на контролируемое высвобождение активных веществ повышает их эффективность, тем самым снижая необходимость в частых применениях и сокращая общие затраты. Одним из часто используемых решений является упомянутое выше применение микрокапсул. Используются также специальные матрицы, которые высвобождают компонент в ответ на определенные стимулы, например, изменение pH или влажности. Интересным решением является использование полимерных носителей. Использование биоразлагаемых полимеров в качестве носителя для целенаправленной и контролируемой доставки веществ к растениям через листья или корни является очень перспективным. Высвобождение происходит медленно, поскольку полимер разлагается (в зависимости от места) под воздействием солнечного света или почвенной микрофлоры. Скорость высвобождения биопестицидов можно регулировать путем использования различных мономеров и сетевых добавок, а также подбора их соответствующего соотношения. Не менее интересным примером является использование нанопористых структур ^{[8, 9]}.

Вывод на рынок наноформулировок

Нанотехнология имеет потенциал для предложения новых решений, повышающих эффективность биопестицидов. Одним из примеров является создание нанометрических оболочек, защищающих активный компонент от внешних факторов. Интересные возможности открывают достижения в области создания наноэмульсий. В этом случае активное вещество диспергируется в жидком носителе. Такие препараты характеризуются большей дисперсностью, что позволяет равномерно покрывать растения. Кроме того, небольшой размер обеспечивает лучшую проникающую способность и более целенаправленное действие.

Вывод на рынок наноформулировок — это большая возможность, но также и ряд вызовов и сомнений. Одним из наиболее важных является относительно высокая стоимость производства, а также все еще неизвестные долгосрочные последствия внедрения наноматериалов в окружающую среду ^[8].

Многофункциональные формулы для комплексной защиты растений

Интересным направлением развития биопестицидных формуляций является синергетическое сочетание штаммов Bacillus с другими средствами биоконтроля или биостимуляторами для создания многофункциональных препаратов, которые обеспечат комплексную защиту растений и будут способствовать их росту. Различные штаммы обладают разным действием и свойствами, а их сочетание обеспечивает комплексную поддержку растения. Кроме того, добавление других вспомогательных компонентов, таких как, например, гуминовые кислоты или экстракты водорослей, может дополнительно усиливать действие бактерий. ^{[3, 6, 7]}

PCC Exol как поставщик решений для формулирования биопестицидов и биостимуляторов

Производитель поверхностно-активных веществ PCC Exol уже много лет поддерживает сельскохозяйственную отрасль своими продуктами и техническими консультациями. Мы также постоянно ищем оптимальные решения для описанных выше рецептур биопестицидов и биостимуляторов, благодаря чему мы можем порекомендовать несколько наших продуктов для этих категорий.

Для формулировки SL мы предлагаем широкий выбор увлажнителей, средств, улучшающих формирование и удержание спрея, а также средств, проникающих в кутикулу листа и увеличивающих усвоение. Все перечисленные продукты легко разлагаются и безвредны для окружающей среды. В качестве смачивателей мы особенно рекомендуем продукты, специально разработанные для этой цели, такие как: EXOwet D15, EXOwet L5, EXOwet T7 и EXOwet OS. Также многие продукты из группы ROKAnol обладают хорошими смачивающими свойствами, и особого внимания заслуживают: NL8P4, L5P5, серия DB, серия GA и серия ID. В качестве средств, улучшающих формирование и удержание спрея, мы рекомендуем серию ROKAmer, в том числе продукты ROKAmer G4300 и G3800, а в частности ROKAmer 6500 или его водную и более удобную в использовании версию ROKAmer 6500W. В качестве средств, проникающих в кутикулу листа, мы рекомендуем продукты на основе ненасыщенных кислот или жирных спиртов со средним HLB: ROKAcet O7 или ROKAnol O10 ^[10].

В рецептурах OD необходимо обеспечить достаточную стабильность суспензии и эмульгирование масляной фазы после добавления в воду, поэтому хорошо подходят поверхностно-активные вещества, сочетающие обе эти функции. Кроме того, эти поверхностно-активные вещества не должны наносить вред микроорганизмам, поэтому для этой рецептуры мы рекомендуем: ROKAcety из серии R и группы продуктов ROKwin и ROKwinol, которые также положительно влияют на свойства спрея и повышают эффективность опрыскивания ^[10].

В рецептуре CS необходимо обеспечить надлежащее эмульгирование масляной фазы во время межфазовой или in situ полимеризации, что требует тщательного подбора эмульгаторов и защитных коллоидов; в противном случае произойдет слипание мицелл и получение капсул несоответствующего размера. Кроме того, многие из используемых растворителей и эмульгаторов, применяемых для инкапсуляции традиционных веществ, убивают микроорганизмы, поэтому чаще всего используются растительные масла и соответствующим образом подобранные эмульгаторы. После процесса инкапсуляции необходимо добавить соответствующие увлажнители и водные диспергаторы. В качестве увлажнителей можно использовать те же ROKAnols или ROKAmers, которые используются в рецептурах SL. ROKAmers дополнительно стабилизируют суспензию, выполняя роль ко-диспергаторов. В качестве диспергаторов мы рекомендуем EXOfos PT­ K25 или PT­ K60, SULFOROKAnol TSP95, EXOdis PC40, Rodys OP и Rodys KP ^[10].

PCC Exol также предоставляет технические консультации по решению различных проблем, связанных с рецептурами, а также разрабатывает новые продукты или их варианты по запросу клиентов . Приглашаем вас посетить наш каталог продуктов и связаться с нами.