КОМПОЗИЦИЯ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА, СНИЖАЮЩАЯ СОДЕРЖАНИЕ НИТРАТОВ В РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ Российский патент 2005 года по МПК A01N25/32 A01N25/10 C08L5/08 C12N9/06 

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 кДа15-25Органические кислоты15-25Активаторы нитрат- и нитритредуктаз25-30Усилители синтеза хлорофилла29-35Поверхностно-активное вещество1-3

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 листьяхВариантАктивность нитратредуктазы в листьях в мкг NO₂ ^-/г сырой ткани/часДо обработкиЧерез 1 суткиЧерез 3 сутокЧерез 7 сутокЧерез 10 сутокКонтроль-вода64±261±265±260±263±2Композиция (вариант I)93±379±369±165±1Композиция (вариант II)85±280±370±267±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 листьяхВариантСодержание хлорофилла (мг/100 г сырой массы)До обработкаЧерез 1 суткиЧерез 2 сутокЧерез 3 сутокКонтроль - вода98±499±497±499±3Композиция (вариант I)143±5138±5115±4Композиция (вариант II)140±6120±4110±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 урожаяВариант *Содержание нитратов в мг/кг сырой массыДополнительно восстановлено нитратов, %Контроль - вода3200±145-Композиция (вариант I)1620±7449Композиция (вариант III)1700±8047*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 композицииВариант обработкиВид растенияСодержание нитратов в листьях в мг/кг сырой массы тканиСодержание нитратов, % к контролю*Контроль - опрыскивание водойСалат4280±114100,0 Шпинат3840±97100,0Опрыскивание растений 0,5% раствором композиции (вариант I)Салат2115±9349,4 Шпинат1967±6951,2* товарная спелость растенийТаблица 5.
Содержание нитратов в листьях салата сорта «Одесский кучерявец» при обработке семян и опрыскивании растений в период вегетацииВариант обработкиСодержание 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±134Обработка 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 посева2300±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.

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.

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.%:

Хитозан15-25Органические кислоты15-25Активаторы нитрат- и нитритредуктаз25-30Усилители синтеза хлорофилла29-35Поверхностно-активное вещество1-3