Московский экономический журнал 2/2017


УДК 338.001.36

Bezymyannyj-12

1Иванова Елена Павловна, 2Потапов Вадим Владимирович

1Камчатский государственный технический университет, кафедра “Экономики”, Петропавловск-Камчатский,  аспирант      

2доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно- исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук,  Петропавловск- Камчатский, главный научный сотрудник

Ivanova Elena Pavlovna, post graduate student, Kamchatka State Technical University, e-mail: elenakamsalsa@mail.ru 

Potapov Vadim Vladimirovich, Doctor of  Engineering, professor, chief researcher, Research Geotechnological Centre, e-mail: vadim_p@inbox.ru

ПРИМЕНЕНИЯ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО НАНОКРЕМНЕЗЕМА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

INDUSTRIAL APPLICATIONS OF HYDROTHERMAL NANOSILICA IN AGRICULTURE

Аннотация. Рассмотрены технология производства золей, гелей и порошков аморфного нанокремнезема на основе гидротермальных растворов и их основные физико-химические характеристики. Показаны примеры применения гидротермального нанокремнезема для повышения показателей сельско-хозяйственных животных: крупный рогатый скот, свиньи, курицы-несушки, пчелы, Применением гидротермального нанокремнезема достигнуты повышения урожайности картофеля, пшеницы, капусты, горчицы, топинамбура, амаранта и других культур.

Abstract. Technology of amorphous nanosilica sols, gel and powders production from hydrothermal solutions and it’s physical and chemical characteristics was considered. Examples of hydrothermal nanosilica application for rising productivity of agricultural animals such cows, pigs, hens, bees were discussed. By application of hydrothermal nanosilica crop capacity of potato, wheat, cabbage, mustard, topinambur, amaranth and other plants was achieved.

Ключевые слова: Гидротермальный раствор, золи, гели и нанопорошки кремнезема, сельскохозяйственные животные и растения

Key words: Hydrothermal solution, silica sols and nanopowders, silica market, production cost, concrete’s modificator, agricultural animals and plants

1.Технология получения золей, гелей и нанопорошков гидротермального нанокремнезема.

Три формы гидротермального нанокремнезема (нано-SiO2, золь, гель, нанопрошок), применявшиеся в экспериментах с сельскохозяйственными животными и растениями, получены по технологии, представленной в работе [1]. Основными стадиями технологии являются:

  1. вывод пересыщенного гидротермального раствора на поверхность по продуктивным скважинам геотермальной электрической станции ГеоЭС (Мутновское месторождение, южная Камчатка), проведение поликонденсации ортокремниевой кислоты с образованием наночастиц SiO2 при температуре 60 0С и pH = от 9,2:

 SimO(m-1)(OH)(2m+2) + SinO(n-1)(OH)(2n+2)  ® Si(m+n)O(m+n-1)OH(2n+2m+2) + H2O

  1. концентрирование наночастиц SiO2 в водной среде с помощью ультрафильтрационных мембран и получение стабильного водного золя с содержанием SiO2 10 мас. % (около 100 г/дм3);
  2. проведение золь-гель перехода подкислением золя соляной кислотой от pH=9,2 pH=5,0 и получение вязкого геля с содержанием воды 90 мас. % и содержанием твердого SiO2 10 мас. %, плотностью 1070-1080 г/дм3.
  3. Для получения нанопорошков SiO2 золи сублимировали на установке Л, включающей блоки диспергирования, получения криогранул, вакуумной камеры и десублиматора. Перед сублимацией в вакуумной камере золи кремнезема диспергировали с помощью форсунки, капли отверждали в жидком азоте при температуре 77 К и получали криогранулы. После диспергирования размер капель золя составлял 30-100 мкм, что соответствует размеру сублимированных криогранул на изображениях, полученных сканирующей электронной микроскопией. Таким размерам капель соответствуют средняя скорость охлаждения капель порядка 125 К/с, скорость кристаллизации 0,26 мм/с. Мелкие размеры капель золя, высокая поверхность теплообмена позволили в итоге достичь быстрого твердения капель, и отсутствия слипания частиц: размеры частиц в порошках не превышали размеры частиц в золях. Вакуумная сублимация проходила при давлениях 0,02 − 0,05 мм. рт. ст. без фрагментов капельной влаги и слипания частиц. Для ускорения сублимации использовался нагрев: диапазоне температур поверхностей нагрева в разных частях вакуумной камеры по мере нагрева в ходе сублимации был от – 80 до + 250C.

Содержание основных катионов и анионов исходного гидротермального раствора и начальное содержание SiO2 в растворе перед мембранным концентрированием приведены в таблице 1, в таблице 2 – характеристики порошка кремнезема, который получен вакуумной сублимацией геля. 

Таблица 1. Концентрация основных компонентов исходного гидротермального раствора (сепарат продуктивных скважин Мутновских ГеоЭС), pH=9,2.

Screenshot_1

Таблица 2. Характеристики порошка кремнезема, полученном вакуумной сублимацией геля. Содержание химических компонентов установлено рентгенофлюоресцентным анализом, площадь, диаметр, объем пор – методом низкотемпературной адсорбции азота.

Screenshot_2

На рисунке 1 приведены изображения сферических частиц геля SiO2 с последовательно возрастающим коэффициентом увеличения: (25, 50, 100, 250) x103 раз (СЭМ-изображения, сканирующий электронный микроскоп JEM-100CX, JEOL, Japan).

Screenshot_3

Рисунок 1. СЭМ-изображения наночастиц геля SiO2 с коэффициентами увеличения: а) 25000; б) 50000; 3) 100000; 4) 250000 раз.

Нанокремнезем, полученный  на основе гидротермального раствора по указанной технологии, имеет преимущества по сравнению с пирогенными порошками типа Орисил, Аэросил, медпрепараты Силикс, Полисорб-МП, Полисорб-ВП, что было показано в экспериментах с сельскохозяйственными животными и растениями [2, 3]:

  1. Наличие активных поверхностных силанольных групп и более высокая химическая и биохимическая активность гидротермальных нанокремнеземов; более высокая скорость растворения; более высокая скорость проникновения в ткани и органы; более высокая сорбционная емкость, т.е. количество примесных токсичных соединений, “прилипающих” к единице поверхности. Как следствие, биомедицинский эффект достигается за более короткое время.
  2. Наличие пор (у пирогенных кремнеземов по паспорту технических характеристик пористость отсутствует). Отсюда более широкие возможности модифицирования кремнеземов биологически активными веществами.
  3. Отсутствие токсичных химических компонентов в самом производстве и в конечных продуктах.
  4. Возможность получения кремнезема в трех варьируемых формах: золь, гель и порошок, что расширяет медицинские применения. Гель гораздо перспективнее для наружного применения. При пероральном приеме внутрь гидротермальный золь, гель и порошок слабее травмируют слизистую желудка.
  5. Нетоксичность нанокремнезема гидротермальных растворов. Испытания на простейших (парамиции, стилонихии, тетрахимены).

Биотестирование материалов проводили извлечением из них фракций токсических веществ ацетоном и водой с последующим воздействием экстрактом на инфузории [4] [ParameciumcaudatumetStylonychiamytilus]. Оценку делали по их гибели через фиксированные промежутки времени. Безопасным считали материал не вызывающий гибели этих инфузорий при одновременном воздействии ацетонового (один час) и водного экстракта (три часа). На инфузориях [Tetrachymenapyriformis] определяли их выживаемость в течение трех часов в среде, содержащей  исследуемый продукт 0,05 0,10 и 0,15 г/дм3. При биотестировании опыты проводили  с первыми инфузориями на планшетах в 5-и лунках дважды с каждым экстрактом параллельно с контрольными, а при использовании тетрахимен – дважды с каждой концентрацией параллельно с контрольными.

На стилонихиях и парамициях, получили аналогичные результаты, свидетельствующие, что гибели таких инфузорий не наблюдалось. На тетрахименах выживаемость во всех группах была абсолютной.

Результаты испытаний на многоклеточных рачках дафний DaphniamagnaStraus.

Результаты тестирования порошка нанокремнезема по смертности рачков дафний DaphniamagnaStraus показали нетоксичность при концентрации SiO2 менее 0,1 г/дм3. Индекс токсичности, определенный по отношению разности концентрации живых рачков в контроле и в образце с добавкой нанокремнезема к концентрации  живых рачков в контроле после 48 ч экспозиции, при концентрации SiO2 менее 0,04 г/дм3 не превышал 20 %.

Результаты испытаний на общую токсичность на высших животных.

 Птица

Три опытные группы цыплят, получавшие ацетоновую и водную вытяжку экстракта из геля  SiO2 и три группы, получившие вытяжку из нанопорошка кремнезема, не отличались изменением активности и состоянием покрова. При вскрытии на четвертые сутки после получения экстракта никаких видимых изменений по сравнению с контрольной группой не обнаружили. Это позволило сделать заключение о не токсичности экстрактов нанокремнезема для птицы.

Млекопитающие

Аналогичный результат получили на мышах. Во всех опытных группах никаких отличий в состоянии и в активности не обнаружили. При вскрытии видимые изменения по сравнению с контрольной группой также не зафиксированы.

Цыплята, получавшие различные дозы нанодисперсного кремнезема (НДК), через пять дней также не отличались состоянием покрова или поведением. При вскрытии на шестые сутки после получения экстракта никаких видимых изменений по сравнению с контрольной группой не обнаружили.

Аналогичный результат получили во всех опытных группах и на мышах. Не обнаружили также никаких изменений в поведении и физиологии мышей. Массовые коэффициенты органов у исследованных животных (мышей и птицы) также не различались. Дерматотоксические пробы на кроликах, подвергшихся воздействию ацетонового и водного экстракта, не выявили никакой реакции.  Сделан вывод об общей нетоксичности геля и порошка нанокремнезёма для животных.

Испытания на хроническую токсичность.

Кремнезём  не обладает хронической и репродуктивной токсичностью для простейших. Обработка кремнеземом, не препятствовала размножению стилоннихий, что подтверждает его нетоксичность при проверке корма.

Проверена хроническая токсичность на мышах весом 20 – 22 г. В I группе вес падал у нелинейных мышей, регулярно получавших добавку кремнезема 1г/кг живой массы. При дозе 500 мг/кг падение веса было несущественным. Количество малых лимфоцитов в крови падало в 3-й и 4-й группах. Удлинение периода свертывания крови в 3-й и 4-й группах наблюдали в сыворотке животных с меньшей массой. В 4-й опытной группе и в моче исследованных животных следы белка, глюкозы, кетонов, гемоглобина не обнаружили. При вскрытии на 35 день массовые индексы мышей не менялись, у группы 4 жировая капсула вокруг внутренних органов была выражена слабее, но патологические изменения не обнаружены. В 4-й группе при вскрытии тонкий кишечник был слабо розовый, однако несколько розовее, чем в контрольной группе. При гистологии кишечника ворсинки присутствовали, наблюдали небольшое уменьшение расстояния между ними и умеренное укорочение ворсинок по сравнению с контрольной группой.

Таким образом, введение в корм мышей НДК в дозе 100 — 500 мг/кг на интересующие исследователей показатели влияния не оказывали.

Рассмотренные формы нанокремнезема (гель, порошок) не обладали токсичностью, как для простейших, так и для высших животных. Нанокремнезем из гидротермального раствора характеризуется как сорбент с высокими сорбционными свойствами, что подтверждалось как его антитоксическим влиянием  на маток, так и молодняк, в том числе при заболеваниях желудочно-кишечного тракта различной этиологии.

 Изучение токсичности нанокремнезема на пчелах.

Острая токсичность НДК изучали на 8000 пчелах карпатской породы. При нанесении на хитиновые покровы пчел в виде 10% геля контактная токсичность не обнаружена, при оральном однократном скармливании всех форм НДК индекс токсичности, равный 50 %, соответствовал дозе SiO2 не менее 100 мкг/пчелу при средней массе медоносной пчелы 0,1 г. Таким образом, НДК во всех формах практически не опасен для пчел.

3.Влияние нанокремнезема на молодняк крупного рогатого скота.

Исследовано влияние различных доз аморфного нанодисперсного кремнезема из гидротермальных растворов, введенного в рацион молодняка крупного рогатого скота молочного направления [5-9]. Изучено влияния нанокремнезема на физиологический статус этого молодняка, установлены его оптимальные дозы в рационе, оказывающие положительное влияние на энергию роста и развития животных.

Исследование проводилось на телятах холмогорской породы (20  – 540 – дневный возраст). За  период наблюдения (520) дней,  в первые 345 дней дополнительно к рациону в количестве 30, 50 и 70 г/кг сухого вещества корма вводился гель кремнезема с содержанием SiO2 10%. В контрольной группе было 15 голов, в трех опытных группах – по 10. Кремнезем давался в смеси с комбикормом. Опытные животные получали гель до 360 – дневного возраста. Рацион кормления на 70% состоял из объемистых кормов: сена, силоса и сенажа. Остальной состав рациона состоял из комбикорма, соли мела и премикса (Табл.3-6).

Таблица 3. Влияние доз кремнезема на рост, развитие и воспроизводительные функции молодняка

Screenshot_4

Таблица 4. Зависимость живой массы в различных группах от возраста.

Screenshot_5

Таблица 5. Привес в группах.

Screenshot_6Таблица 6. Зависимость прироста от возраста.

Screenshot_7

Молодняк опытных групп, получавший кремнезем, весь период опережал развитие контрольной группы в росте. К концу периода выращивания живая масса первой опытной группы превосходила контрольную на 27 кг (9,18%); вторая группа на 20 кг (6,56%). Третья опытная группа также на 3,3% превышала контрольную по живой массе, высоте в холке, глубине и ширине груди, а также в тазобедренном сочленении на 6,1, 7,4, 7,7 и 7,7%, соответственно. Телки 1-й опытной группы к шестимесячному возрасту имели лучшие показатели по высоте в холке, глубине и ширине груди, ширине в тазобедренном сочленении, косой длине туловища на 8,1, 9,3, 10,3, 10,3 и 4,4 % , соответственно. Во все возрастные периоды наибольшей живой массой отличался молодняк первой опытной группы, получавший 10% кремнезем на 30 г/кг сухого вещества корма. Показатели минерального обмена были интенсивнее у молодняка третьей опытной группы, получавшей гель в количестве 70 г/кг сухого вещества корма. Опытные животные имели развитый костяк и являлись более морфо – и физиологически зрелыми, чем животные контрольной группы, где сформировались позднеспелые мелкие животные с нереализованным генетическим потенциалом.

Screenshot_8

Рис. 2. Прирост живой массы молодняка при использовании 10% геля кремнезема из гидротермального раствора. а) –набор массы по месяцам а; б) – гистограмма распределения массы в четырех группах животных.

Важное  значение имеет соотношение в крови кальция и фосфора (Рис. 3). У здоровых животных при нормальном уровне обмена веществ этот коэффициент равен 1,6 – 2,0. Повышение показателя более 3 (снижение менее 1,5) указывает на патологию фосфорно-кальциевого обмена.

Таблица 7. Содержание кальция в сыворотке крови.

Screenshot_9

Таблица 8. Содержание фосфора в сыворотке крови.

Screenshot_10

Важное диагностическое значение имеет соотношение в крови кальция и фосфора. У здоровых животных при нормальном уровне обмена веществ этот коэффициент равен 1,6 – 2,0. Повышение этого показателя более 3 (или снижение менее 1,5) указывает на патологию фосфорно-кальциевого обмена.

Таблица 9. Отношение Ca/P в крови разных групп животных.

Screenshot_11

Screenshot_12

Рис. 3. Показатели кальций – фосфорного обмена а) кальций (ммоль/л); б) фосфор (ммоль/л); в) соотношение кальций /фосфор (г/г).

Screenshot_13

Рис. 4. Концентрация кальция и фосфора (моль/л) в крови животных при различных дозах подкорма гелем кремнезема: 0, 30, 50 и 70 г/кг (соответственно, 0, 3, 5 и 7  г/кг по SiO2). а) концентрация кальция; б) концентрация фосфора. Возраст: 90, 180, 360, 540 дней.  По горизонтали – концентрация Ca (а) и P (б), ммоль/л; по вертикали – доза геля по сухому корму, г/кг.

Анализ  соотношения Са/Р показывает, что в возрасте 180-360 дней активно усваиваются кальций и фосфор. Постепенно соотношение снижается, и при отмене молока и увеличении доли концентратов необходимо вводить в рацион больше кальция. Затем возрастает потребность в фосфоре, идущем на синтез мышечной ткани,  и  соотношение повышается.

На рис. 4 а) и б) показана концентрация кальция и фосфора в крови животных разного возраста в зависимости от количества добавляемого в корм геля кремнезема. Концентрации Ca и P в крови всегда возрастала с увеличением расхода кремнезема, в том числе в возрасте 540 дней, когда добавление кремнезема в корм было прекращено.

Результаты свидетельствуют о том, что кремнезём в виде геля в дозах 30-70 г/кг корма может быть рекомендован для молодняка крупного рогатого скота молочной направленности в возрасте до года. При этом в связи с усилением расхода микроэлементов на генез опорных тканей, особенно остеогенез, при введении нанокремнезема необходим его мониторинг и коррекция вводимого количества.

4. Производственные испытания на свиньях.

При подкорме нанокремнеземом у поросят учитывали физиологическое состояние, показатели крови, сохранность, вес [9].

При введении НДК оральным путём в дозе 0,005-0,01 г/кг живой массы (поросята, телята) получали приращение показателей:

  • живая масса как новорожденных, так и подсосных поросят за счёт нормализации минерального обмена у свиноматок возрастала на 20-40 %;
  • прочность кости при изломе возрастала на 30-50 % по сравнению с контролем;
  • выявлена тенденция к росту сохранности поросят при введении свиноматкам в первом и заключительном периоде беременности на 3,4 %, тогда как при введении в среднем периоде беременности влияние кремнезёма не выявлено;
  • средняя масса при переводе поросят из-под свиноматок, получавших кремнезём, оказалась на 9 % выше;
  • прирост массы поросят за четыре месяца на 29,4 % выше контроля;
  • кость поросят после 120 дней ввода в корм кремнезёма выдерживает большую нагрузку на излом на 17 %;
  • ввод кремнезёма в два раза повышает усвояемость кальция у свиноматок;
  • через два месяца кормления с добавкой кремнезема у поросят нормализовалось кальций-фосфорное отношение, увеличился уровень кобальта, повысился показатель фосфора в крови в полтора раза;
  • в крови, как у свиней, так и у цыплят, наблюдали достоверный сдвиг до 25 % в сторону появления больших форм лимфоцитов, что говорит о возрастании неспецифической фагоцитарно обусловленной резистентности;
  • при диарее поросят скармливание кремнезёма в дозе 0,01 г/кг в сочетании с применением антибиотиков увеличивало сохранность молодняка на 20 %, падеж молодняка снижается в четыре раза;
  • при выпойке молоком, содержащем кремнезём (50 мг/дм3), наблюдали замедление падения гемоглобина в постнатальном периоде развития поросят и телят.

5. Производственные испытания на птице.

При испытании на птице кормовой добавки НДК [10], полученного на основе гидротермальных растворов, изучали влияние на следующие показатели: продуктивность, переваримость и использование питательных веществ, укрепление костяка для повышения продуктивно­сти в дальнейшем, также возможность профилактики и снижения токсикозов и стимуляции продуктивности.

В 4-х месячном возрасте приращение живой массы птицы при дозе  геля по твердому Si02 1-2,0 г/кг относительно сухого корма составило 9,6 % по сравнению с контролем. Яйценоскость в группах с подкормом кремнеземом проявилась раньше (в возрасте 4,3 месяца) по сравнению с контролем (в возрасте 5,0 месяцев). Яйценоскость промстада повысилась на 3-4 % по сравнению с использованием рациона с добавкой токсисорба в сухой корм в тех же дозах (1-2,0 г/кг), и на 10-11 % относительно рациона с комбикормом без токсисорба.

6.Применение нанокремнезема гидротермальных растворов в рационе пчел.

При подкорме пчел нанодисперсный кремнезем (НДК) оказывает лечебно-профилактическое действие против варроатоза, укрепляет их имммунорезистентность, увеличивает силу и продуктивность семей [11]. Препарат не токсичен для растений, простейших и высших животных. При подкорме в весеннее время гелем НДК в дозе 0,25 г SiO2 на 1 кг массы пчёл в пчелосемье при концентрации SiO2 до 150 мг/л сиропа (2 кг воды и 1 кг сахара, 33,3 %) снижает инвазивность пчёл усиливает репродуктивную активность маток, суммарную массу пчелосемьи, работоспособность пчёл. Повышение силы рабочих пчёл увеличивает медосбор на 33-57,5 %. Испытания проведены на пчеле карпатской, сбор нектара и перги проводили с одуванчиков и вербы. Были испытаны дозы 0,05, 0,10, 0,15, 0,20, 0,25 г SiO2/кг (гель и порошок). Для геля наблюдали возрастающий эффект по медосбору, достигающий максимума при 0,2 – 0,25 SiO2/л. При дальнейшем увеличении дозы SiO2 (гель) медосбор прекращал увеличиваться. Для нанопорошка был заметен эффект по медосбору при 0,25 г SiO2/кг, но он был заметно ниже ниже, чем у геля. На каждой дозе подкорма кремнеземом было испытано 10 пчелосемей (в каждой семье десять тысяч пчел в двенадцати рамочном корпусе).

Максимальный прирост по товарному меду получили при даче подкормки 100 и 150 мг  на пчелосемью. Прирост составляет 61,0 и 62,6% относительно контрольной пчелосемьи.

Похожая зависимость наблюдается и по восковой продуктивности – максимальный прирост получили при даче подкормки 100 и 150 мг  на пчелосемью он составляет 51,9 и 60,5% больше к контрольной пчелосемье.

При сборе пыльцы разница между контрольной группой  и группами, получавшими кремнезем в дозах 100 и 150 мг/п.с.,  оказалась гораздо существеннее. Разница к контролю составила 347,4 % в группах получавших 100 и 150 мг/п.с. и 242,1% в группе получавшей 250 мг/п.с.

Еще более выраженные результаты получены при двукратной подкормке и массовой доли сахара в сиропе 33 %. Наибольший прирост по товарному меду получили при даче 100 мг/п.с.   – 77,8 %. Минимальный прирост  – 62,3% – при даче 150 мг/п.с.

Похожая зависимость наблюдали и по восковой продуктивности: наибольший прирост по воску получили при дозе 100 мг двукратно – 65,4 %.

Прирост продуктивности пчелосемьи по пыльце при двухкратной подкормке также возрос относительно контроля во всех группах. Наибольший прирост по пыльце составил +373,7% при даче 100 мг двукратно.

7.Повышение урожайности картофеля при применении нанокремнезема.

Для снижения потерь урожая необходим высокий уровень защитных мероприятий, включающих применение химических средств защиты (ХСЗ). Постоянно ведутся поиски снижения пестицидной нагрузки, уменьшения опасности загрязнения окружающей среды при использовании ХСЗ без снижения эффективности защитных мероприятий.

Для решения данной проблемы исследования проводятся в нескольких направлениях. Одно из них – снижение потерь пестицидов. Известно, что более 90 % вносимых в агроценозы пестицидов не достигают целевых организмов, а попадают в почву, водоемы или в урожай. Ограничить такие потери можно за счет использования пестицидов со вспомогательными веществами. Однако такие вещества не позволяют существенно снизить норму расхода пестицидов. Кроме того, они используются, как правило, только для протравливания семян. Более целесообразным является применение для этих целей кремнийсодержащих соединений [9].

Вначале были проведены испытания на фитотоксичность на водорослях и злаковых, где было установлено не токсичность НДК для растений и показано положительное влияние на корневую систему высших растений.  С учетом указанных обстоятельств было проведено изучение использования нанодисперсного кремнезема в картофелеводстве. В частности, изучено влияние предпосадочной обработки семенных клубней гелем кремнезема и  гуминами, а также вегетирующих растений на всхожесть и развитие. Оценено влияние на устойчивость обработанных растений картофеля к патогенам.

Установлено, что применение геля способствует более раннему цветению при более позднем увядании (в комбинации с гуматами вегетация продлевается на две недели). Количество обработок пестицадами можно сократить с шести до четырех. Всхожесть в ранний период была выше на 6%. Эта тенденция сохранилась. Заболеваемость гельминтоспориозно – фузариозной инфекцией при применении геля была в 4-5 раз ниже по сравнению с контрольным материалом. Урожайность картофеля при применении этого геля возрасла на 20%, а в комбинации с гумином – на 45%.

В июне-сентябре 2012 года испытаны действие геля и нанопорошка кремнезема из гидротермального раствора Мутновского месторождения. Испытания проводились на сортах картофеля Фреско (ранний) и Сантэ (средне-ранний). Перед посадкой семена обрабатывались водной суспензией с содержанием нанокремнезема 2 г/л. Плотность засева составляла 3,6-4,0 т/га, расход суспензии на обработку семян – 2 л/т. В результате расход по кремнезему составил около 16 г/га. Нанокремнезем испытывался в формах геля и нанопорошока. Результаты однократного эксперимента по изучению влияния нанодобавки на урожайность картофеля оказались следующими:

Сорт Фреско. Урожайность контрольного участка – 140 ц/г. Урожайность при добавлении геля – 160 ц/г (+ 14,3 %). Урожайность при добавлении порошка – 150 ц/г (+ 7,1 %). Наибольшее отклонение от средних показателей по четырем параллельным участкам площадью 625 м2 каждый – 12 ц/г.

Сорт Сантэ. Урожайность контрольного участка – 183 ц/г. Урожайность при добавлении геля – 248 ц/г (+ 35,5 %). Урожайность при добавлении порошка – 223 ц/г (+ 21,8 %). Среднеквадратичное отклонение по четырем параллельным участкам – 17,2 ц/г.

Таким образом, нанокремнезем в форме геля по сравнению с порошковой формой показал большую активность на обоих сортах картофеля, при этом абсолютное повышение урожайности было сильнее выражено на среднераннем сорте по сравнению с ранним сортом. Необходимо продолжение испытаний с применением нанодисперсных форм кремнезема, полученных в разных технологических режимах.

Дополнительные перспективы открывает применение нанокремнезема совместно с биокремнийорганическими регуляторами роста, например, мивал-агро.

Применение кремний содержащего препарата мивал-агро, для опрыскивания растений в период массовых всходов, обработке клубней + опрыскивание, стимулировало рост растений картофеля и способствовало увеличению высоты растений на 4,5; 5,4 см соответственно. Опрыскивание растений мивал-агро в фазу массовых всходов и бутонизации снижало поражение ростков ризоктониозом  на 0,7%, степень развития на стеблях  при первом учете – на 10,2%, втором учете – на 9,9%, поражение клубней – на 3,4% в контроле 1,5%, 17,5%, 14,4%, 6,9% соответственно. Урожайность при использовании мивал-агро увеличилась на 3,6-4,7 т/га и составила 23,4-24,5 т/га против 19,8 т/га в контроле. Содержание витамина С варьировало в пределах 7,22-10,0 мг% против 6,67 в контроле.

Использование нанодисперсного кремнезёма геля и порошка способствовало увеличению количества стеблей на 0,6 и 0,7 шт/куст при обработке клубней+опрыскивание растений в фазу массовых всходов и  опрыскивания растений в фазу массовых всходов и бутонизации, которое составило 5,4 и 5,5 шт/куст соответственно и было максимальным.

Наиболее эффективна против ризоктониоза была обработка клубней + опрыскивание растений в период массовых всходов кремнезёмом  (гель и порошок). На этих вариантах поражение ростков снизилось на 0,9%, степень развития на стеблях в период бутонизации – на 12,8% и 13,9%, перед уборкой  – на 11,1% и 11,0%, поражение клубней нового урожая – на 6,3% и 3,8% в контроле 1,5%, 17,5%, 14,4%, 6,9% соответственно. Урожайность на всех вариантах с применением кремнезёма варьировала в пределах 22,4-23,8 т/га, прибавка к контролю составила  4,0-4,6 т/га при НСР05=1,4 т/га.

При внесении кремнегеля в почву 50 кг/га на фонах минерального питания (NPK)120 и (NPK)60 отмечена минимальная  степень развития ризоктониоза на стеблях при первом и втором учёте, которая  составила соответственно 6,1 и 4,6%; 5,2 и 4,1% по отношению к фону1 = 9,1 и 7,8 %, к фону2= 9,6 и 8,4% соответственно. Внесение кремнегеля  25 кг/га на обоих фонах минерального питания не влияло на снижение заболеваемости ризоктониозом.

Из различных доз кремнезема, внесенных под картофель, наиболее  эффективной были дозы 50 и 25 кг/га (порошок) и 50 кг/га (гель), на фоне (NPK)60, поражение ростков ризоктониозом составило 0,2%, степень развития ризоктониоза перед уборкой не превышала 6,8%, поражение клубней нового урожая – 6,3%, в контроле соответственно 1,8; 14,2; 9,1%. Достоверная прибавка  урожая при внесении  кремнезёма на фоне (NPK)60  получена на всех вариантах и составила 2,3-4,0 т/га по отношению к фону (17,5 т/га).

Содержание крахмала в клубнях при внесении кремнезёма в дозе 50 кг/га порошка и геля на фоне (NPK)60  увеличилось на 2,0-1,2% по отношению к контролю, на повышенном фоне минерального питания этот показатель повысился на 1,1% при внесении кремнезёма–порошка 25 кг/га.  Максимальное накопление сухого вещества в клубнях картофеля получено при внесении кремнегеля в дозе 25 кг/га  на обоих фонах минерального питания, которое составило  22,19% против 20,76% в контроле

Повышенное содержание витамина С в клубнях отмечено при внесении кремнезёма порошка и геля в дозе 25 кг/га соответственно на фоне (NPK)120  и (NPK)60 – 10,19 и 8,33 мг% против 5,56 в контроле.

Вынос питательных веществ с гектара на фоне (NPK)60  повысился на всех изучаемых вариантах: азот на 11,74-18,52; фосфор на 11,10-2,47; калий на 33,16-38,91; магний на 0,28-2,10 кг/га. Максимальный вынос азота, фосфора, калия и кремния урожаем картофеля был на вариантах с внесением кремнезёма-порошка в дозе 25 кг/га на фоне (NPK)120, который увеличился по сравнению с фоном соответственно на 21,1, 0,89, 18,1, 0,71 кг/га.

В расчете на 1т клубней больше всего  выносится калия (5,70-6,92 кг) и азота (2,93-3,59 кг), меньше кремния и фосфора соответственно 0,32-0,83 и 0,31-0,43 кг. 

8.Испытания на других сельскохозяйственных растениях. Перспективы применения в медицине.

Многочисленные испытания показали эффективность применения гидротермального нанокремнезема ( ГНК) для повышения урожайности и скорости роста сельскохозяйственных растений: амаранта, кабачка, лука, яровой пшеницы, сахарной свеклы и др. [12-15]. Наночастицы кремнезема повышают скорость роста микроорганизмов, в том числе патогенных, что позволяет сократить сроки диагоностики резистентности микробов-возбудителей к антибиотикам [16].

Наиболее последовательные исследования по синтезу высокодисперсных кремнеземов (порошок “Орисил”,  медпрепарат “Силикс”), модифицированию их поверхности и испытанию в качестве основы медпрепаратов для лечения болезней выполнены в Институте химии поверхности (г. Киев) под руководством академика А.А. Чуйко: 1) костно-суставных болезней (дисфункции позвоночника, артрит), 2) атеросклероза, 3) в качестве энтеросорбента для вывода токсинов (в тч. числе связанных с инфекциями и вирусами [17]. Преимущества гидротермального нанокремнезема (активные поверхностные силанольные группы и более высокая химическая и биохимическая активность; более высокая скорость растворения; более высокая скорость проникновения в ткани и органы; более высокая сорбционная емкость;  наличие пор и более широкие возможности модифицирования кремнеземов биологически активными веществами позволяют рассчитывать; три варьируемых формы: золь, гель и порошок) позволяют рассчитывать на успешное пременение ГНК по уже известным и новым медицинским направлениям.

Заключение

  1. Физико-химические характеристики гидротермальных нанокремнеземов позволили достичь успешного применения золей, гелей и нанопорошков в качестве стимуляторов роста и кормовой добавки для сельскохозяйственных растений и животных. Показана нетоксичность гидротермального нанокремнезема.
  2. В качестве кормовой добавки для повышения продуктивности гидротермальный нанокремнезем проявляет при по подкорме крупного рогатого скота, свиней, кур-несушек, пчел.
  3. Применение НДК как стимулятора роста повышает урожайность картофеля, пшеницы, капусты, горчицы, лука, амаранта, топинамбура, сахарной свеклы других культур (урожайность семян и зеленой массы при обработке семян и внекорневая обработка в вегетационный период).
  4. Перспективным является использование гидротермального нанокремнезема как основы медицинских препаратов.

Список литературы:

  1. Потапов В.В., Горев Д.С., Шалаев К.С., Кашутин А.Н. Характеристики нанопорошков диоксида кремния, полученных криохимической вакуумной сублимацией золей // Химическая технология. 2015. № 10. С. 596-600.
  2. Потапов В.В., Сивашенко В.А., Зеленков В.Н. Нанодисперсный диоксид кремния: Растениеводство и ветеринария // Наноиндустрия. № 4. 2013. С. 18-25.
  3. Потапов В.В., Мурадов С.В., Сивашенко В.А., Рогатых С.В. Нанодисперсный диоксид кремния: применение в медицине и ветеринарии // Наноиндустрия. 2012. № 3. С. 32-36.
  4. Потапов В.В., Сивашенко В.А., Горев Д.С. Испытание нанокремнезема на основе гидротермального раствора на токсичность // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию со дня рождения академика АН СССР В.С. Авдуевского “Фундаментально-прикладные проблемы безопасности, живучести, надежности, устойчивости и эффективности систем” 2-4 февраля 2017 г., Елец. Елец: Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина. 2017. С. 431-443.
  5. Потапов В.В., Мурадов С.В., Сивашенко В.А., Рогатых С.В. Применение нанодисперсного кремнезема в сельском хозяйстве в качестве кормовой добавки // Материалы V-той Российской научно-практической конференции “Актуальные проблемы нанобиотехнологии и инноваций с нетрадиционными природными ресурсами и создания функциональных продуктов”, 5 октября 2009. М.: изд-во РАЕН. 2009. С. 40-43.
  6. Сивашенко В.А., Потапов В.В., Зеленков В.Н. Влияние нанокремнезема на репродуктивную функцию ремонтного молодняка молочного скота. Сборник научных трудов РАЕН “Нетрадиционные природные ресурсы, инновационные технологии и продукты”, 22 выпуск. 2015. С. 92-102.
  7. Потапов В.В., Мурадов С.В., Сивашенко В.А. Результаты экспериментов по испытания нанодисперсного кремнезема в качестве кормовой добавки в сельском хозяйстве // Сборник трудов РАЕН “Нетрадиционные природные ресурсы, инновационные технологии и продукты”. М.: РАЕН. 2010. С. 82-89.
  8. Сивашенко В.А., Потапов В.В., Зеленков В.Н. Результаты экспериментов по повышению урожайности картофеля с применением нанокремнезема // Сборник научных трудов РАЕН “Нетрадиционные природные ресурсы, инновационные технологии и продукты”. Выпуск 20. 2012. С. 134-141.
  9. Потапов В.В., Сивашенко В.А., Зеленков В.Н. Применение нанодисперсного диоксида кремния в сельском хозяйстве. Бутлеровские сообщения. 2015. Т.43. №9. С.40-48.
  10. Сивашенко В.А., Потапов В.В., Зеленков В.Н. Использование нанокремнезема в рационах кур // Сборник научных трудов РАЕН “Нетрадиционные природные ресурсы, инновационные технологии и продукты”. Выпуск 23. 2016. С. 46-54.
  11. Пичужкин И.С., Сивашенко В.А., Потапов В.В. Влияние подкормки гидротермальным нанокремнеземом на продуктивность пчелосемей Сборник научных трудов РАЕН “Нетрадиционные природные ресурсы, инновационные технологии и продукты”. Выпуск 24. 2016. С. 10-17.
  12. Зеленков В.Н., Петриченко В.Н., Потапов В.В., Карпачев В.В., Воропаева Н. Л., Лапин А.А. Испытание гидротермального нанокремнезема привнекорневой обработке вегетирующих растений амаранта // В сборнике тезисов докладов Шестой Международной конференции “От наноструктур, наноматериалов, нанотехнологий к наноиндустрии”, Россия, Ижевск, 4-6 апреля 2017. Ижевск: издательство ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. 2017. C. 186-189.
  13. Зеленков В.Н., Петриченко В.Н., Потапов В.В., Логинов С.В. Пищевая безопасность и биологическая ценность плодов кабачка при внекорневой обработке растений наночастицами гидротермального кремнезема и комплексным препаратом силатрановой и протатрановой структуры // В сб. материалов V-той Международной научной конференции “Качество и экологическая безопасность пищевых продуктов и производств” 15-18 марта 2017 г., Тверь. Тверь: Тверской государственный университет. 2017. С. 129-132.
  14. Зеленков В.Н., Иванова М.И., Петриченко В.Н., Потапов В.В. Фотосинтетическая и биологическая продуктивность брокколи и качество кабачков при внекорневой обработке растений наночастицами кремнезема гидротермального происхождения // В сборнике материалов XII Международного симпозиума “Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования”, 19-23 июня 2017, Пущино. М.: Издательство российского университета дружбы народов. 2017. С. 125-127.
  15. Зеленков В.Н., Петриченко В.Н., Потапов В.В., Логинов С.В. Использование наноразмерныз структур кремнезема гидротермального происхождения и кремнийорганических препаратов нового поколения для получения продукции на основе топинамбура и амаранта новго качества // В сборнике материалов XII Международного симпозиума “Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования”, 19-23 июня 2017, Пущино. М.: Издательство российского университета дружбы народов. 2017. С. 216-218.
  16. Меджидова Х.М., Кашутин А.Н., Потапов В.В., Перервенко Р.В., Дворецкая Е.А., Кулешова А.В., Малышев В.В. Экпресс-метод определения антибиотико-резистентности Klebsiellae Phneumoniae // Материалы Всероссийской научно-практической конференции ”Инновации в медицинской, фармацевтической, ветеринарной и экологической микробиологии”, Санкт-Петербург, 30-31 марта 2017 г. Санкт-Петербург: “Человек и его здоровье”. 2017. С. 62-67.
  17. Медицинская химия и клиническое применение диоксида кремния. Под редакцией академика НАН Украины А.А. Чуйко. Киев: Наукова думка. 2003. 417 С.