МОДУЛЬ 7. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

Цель – формирование представлений о границах применимости и эффективности биотехнологий для повышения продуктивности сельского хозяйства.

Задачи: на примере освоения техники конструирования безопасных форм пестицидов, включенных в резорбируемый полимерный матрикс, дать основы методологии и техники сельскохозяйственной биотехнологии.

Биотехнология вносит большой вклад в повышение эффективности сельскохозяйственного производства. Разработаны и успешно применяются биотехнологические методы защиты растений от вредителей и возбудителей болезней полезной биоты. Это различные подходы, влючающие: 1) выведение сортов растений, устойчивых к неблагоприятным факторам; 2) химические средства борьбы (пестициды) с сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды), нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, вирусами; 3) биологические средства борьбы с вредителями, использование их естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых живыми организмами. Биотехнология решает задачи повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормовой) ценности, задачу создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах.

Важное место в выведении новых сортов растений занимает метод культивирования растительных клеток in vitro. Регенерируемая из таких клеток «молодая поросль» состоит из идентичных по генофонду экземпляров, сохраняющих ценные качества избранного клеточного клона. Клонирование клеток с последующим их скринингом и регенерацией растений из отобранных клонов рассматривают как важный метод сохранения и улучшения древесных пород умеренных широт, в частности хвойных деревьев. Расте- ния-регенеранты, выращенные из клеток или тканей меристемы, используют ныне для разведения спаржи, земляники, брюссельской и цветной капусты, гвоздик, папоротников, персиков, ананасов, бананов. С клонированием клеток связывают надежды на устранение вирусных заболеваний растений. Разработаны методы, позволяющие получать регенеранты из тканей верхушечных почек растений. В дальнейшем среди регенерированных растений проводят отбор особей, выращенных из незараженных клеток, и выбраковку больных растений. Раннее выявление вирусного заболевания, необходимое для подобной выбраковки, может быть осуществлено методами иммунодиагностики, с использованием моноклональных антител или методом ДНК/РНК-проб. Предпосылкой для этого является получение очищенных препаратов соответствующих вирусов или их структурных компонентов.

Клонирование клеток – перспективный метод получения не только новых сортов, но и промышленно важных продуктов. При правильном под-

МОДУЛЬ 7. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

боре условий культивирования, в частности при оптимальном соотношении фитогормонов, изолированные клетки более продуктивны, чем целые растения. Иммобилизация растительных клеток или протопластов нередко ведет к повышению их синтетической активности.

Биологические удобрения применяют для обогащения почвы связанным азотом. Большое распространение получили препараты нитрагин и азотобактерин – клетки клубеньковых бактерий и азотобактера, к которым добавляют стабилизаторы (мелассу, тиомочевину) и наполнитель (бентонит, почву). Азотобактерин обогащает почву не только азотом, но и витаминами и фитогормонами, гиббереллинами и гетероауксинами. Препарат фосфобактерин из Bacillus megaterium превращает сложные органические соединения фосфора в простые, легко усвояемые растениями. Фосфобактерин также обогащает почву витаминами и улучшает азотное питание растений.

Большое значение биотехнология уделяет профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных с применением рекомбинантных живых вакцин и генно-инженерных вакцин-антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с помощью моноклональных антител и ДНК/РНК-проб.

Биологические методы и препараты занимают все более значимое место не только для повышения плодородия почв, но также и для борьбы с вредителями сельскохозяйственного производства и возбудителями болезней культурных растений и домашних животных.

Работа 7.1. Депонирование пестицидов в матрикс из разрушаемых биополимеров.

Исследование динамики разрушения матрикса в почве

Цель работы: конструирование экологически безопасных форм пестицидов с применением биоразрушаемых полимеров (полигидроксиалканоатов, ПГА); исследование разрушаемости полимерного матрикса в почве.

Бурное развитие химии и переход сельского хозяйства на интенсивные технологии привели к появлению и применению огромного разнообразия химических веществ для борьбы с вредителями, сорняками и возбудителями болезней культивируемых видов. В отличие от других загрязняющих веществ (радионуклиды, тяжелые металлы и др.) реальная опасность пестицидов не полностью осознана. Это объясняется тем, что пестициды – это сотни действующих веществ и десятки тысяч препаратов. Методы анализа их в окружающей среде сложны и не всегда надежны. Отсутствие информации об экотоксикологических свойствах пестицидов – главная причина их опасности, при этом долговременные экологические последствия применения пестицидов не изучены. Используемые в большинстве случаев в виде порошков, суспензий и эмульсий пестициды зачастую не обеспечивают адресную доставку препаратов, что ведет к их рассеиванию и последующей аккумуляции в

МОДУЛЬ 7. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

Работа 7.1. Депонирование пестицидов в матрикс из разрушаемых биополимеров.

биосфере. Широкое применение пестицидов, к сожалению, не обеспечило полную защиту сельскохозяйственных культур. Большое число насекомых и сорняков остаются неконтролируемыми. Они продолжают наносить огромный вред сельскому хозяйству. Одним из серьезных недостатков современных препаратов является аккумуляция в биосфере и приобретение нежелательными организмами резистентности к ним. Пестициды, обладающие мутагенным и канцерогенным действием, попадая в организм человека с продуктами питания, представляют угрозу для здоровья. Традиционное применение пестицидов вступило в противоречие с глобальной проблемой защиты окружающей среды. Это вызывает необходимость поиска более эффективных средств и методов защиты полезной биоты, не оказывающих отрицательного воздействия на человека и окружающую среду в целом. Новейшим направлением исследований, ориентированных на снижение риска неконтролируемого распространения ксенобиотиков в биосфере, является разработка экологически безопасных препаратов нового поколения с адресным и контролируемым выходом активного начала за счет использования специальных покрытий и/или матриксов из биоразрушаемых материалов. В последние годы стали появляться работы по получению препаратов из полимерных материалов, нагруженных пестицидами.

Ключевым звеном для создания препаратов такого типа является наличие адекватного материала, обладающего специальными свойствами, среди которых обязательные: экологическая совместимость с окружающей средой и глобальными биосферными круговоротными циклами, то есть разрушаемость, безопасность для живой и неживой природы, длительная (недели и месяцы) сохраняемость в природной среде и контролируемая деструкция с образованием нетоксичных продуктов; химическая совместимость с пестицидами, возможность переработки доступными способами, совместимыми с технологиями изготовления этих препаратов.

Материалыиоборудование:

1.Образец полимера;

2.Образец модельного пестицида (минеральная соль);

3.Шаровая мельница;

4.Весы;

5.Фарфоровая ступка;

6.Лабораторный пресс;

7.Микроскоп с фотоаппаратом;

8.Образцы почвы;

9.Пластиковые контейнеры;

10.Термостат.

Ходработы:

1.Навеску полимера (5 г) подвегнуть размалыванию в шаровой мельнице.

2.Измельченный порошкообразный полимер развешать на 10 образцов массой 20 мг.

МОДУЛЬ 7. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

Работа 7.1. Депонирование пестицидов в матрикс из разрушаемых биополимеров.

3.Приготовить 10 навесок модельного препарата (NH4Cl) по 20 мг.

4.В фарфоровой ступке тщательно перемешать оба компонента.

5.Из полученной смеси на лабораторном прессе с использованием пресс-формы спрессовать компакты в виде таблетки.

6.Произвести взвешивание образцов.

7.Определить рН и влажность почвы.

8.Приготовить навески почвы по 100 г и разместить в пластиковые контейнеры.

9.В почве разместить полученные формы препаратов в виде таблетки.

10.Разместить приготовленные образцы (контейнеры с почвой с образцами препаратов) в термостате при заданной температуре (25 0С).

11.Ежедневно измерять и корректировать влажность почвы.

12.Периодически (еженедельно) в ходе занятий изымать на 3 контейнера для анализа состояния образцов препаратов (внешний вид, остаточная масса), фиксировать фотографированием.

13.Результаты заносить в табл. 6.1.

14.По завершении эксперимента построить график изменения массы формы (рис. 6.1), определить скорость разрушения полимерного матрикса (рис. 6.2) и период полураспада полимера в данных условиях:

V = Mисх/М1… М2…М3 и т. д.,

где V – скорость разрушения полимера (мг/сутки), Мисх, М1 и т. д. – масса образцов.