Экологичные нанотехнологии для повышения урожайности, содержания антоцианов и рыночной привлекательности репчатого лука

Человечество осознаёт, что чрезмерная зависимость от синтетических агрохимикатов привела к ухудшению здоровья почвы, водных ресурсов и живых видов в экосистеме. Ключевой задачей является то, как мы можем использовать возможности наноматериалов для избирательного улучшения метаболических показателей сельхозкультур, чтобы они получали конкурентное преимущество в полевых условиях и могли выдерживать давление со стороны других растений в борьбе за питательные вещества.

Введение: В сельском хозяйстве преимущественно используются три системы земледелия: натуральное (природное), органическое (использование органических удобрений для питания почвы) и интенсивное агрохимическое. Интенсивное агрохимическое земледелие предполагает применение синтетических удобрений, инсектицидов, пестицидов и гербицидов. Оно занимает наиболее значимое место в современном агробизнесе. Человечество осознаёт, что чрезмерная зависимость от синтетических агрохимикатов привела к ухудшению здоровья почвы, водных ресурсов и живых видов в экосистеме. Необходимо искать стратегии по снижению использования синтетических агрохимикатов без ущерба для сельскохозяйственного производства, чтобы восстановить экологический баланс. Наноформуляции позволяют снизить дозировки агрохимикатов, что приводит к появлению наносельского хозяйства. Однако ключевой задачей является то, как мы можем использовать возможности наноматериалов для избирательного улучшения метаболических показателей сельскохозяйственных культур, чтобы они получали конкурентное преимущество в полевых условиях и могли выдерживать давление со стороны других растений в борьбе за питательные вещества.

Методы: В данной работе мы добились этого путём обработки корней лука и последующего выращивания в присутствии органического козьего навоза.

Результаты: В ходе двухлетних полевых испытаний на луке мы сообщаем об увеличении урожайности при обработке корней нанопиритом (FeS₂) в сочетании с внесением в почву козьего навоза (опытный образец) по сравнению с использованием только козьего навоза (контрольный образец). В первом полевом сезоне (ноябрь 2018 г. – апрель 2019 г.) общая биомасса (луковицы + листья) опытного образца составила 4,75 кг (n = 86), тогда как контрольные образцы весили 3,5 кг (n = 83). Общий вес луковиц для контроля и опыта составил 2,6 и 3,6 кг соответственно. Во втором полевом сезоне (декабрь 2019 г. – апрель 2020 г.) общая биомасса опытного образца составила 2,65 кг (n = 64), тогда как контрольные образцы весили 2,30 кг (n = 64). Мы наблюдали эффект повышения урожайности при обработке корней нанопиритом в сочетании с внесением в почву козьего навоза на посевах лука. По данным спектрофотометрического анализа, отмечено значительное увеличение содержания антоцианов в опытных луковицах (0,069) по сравнению с контрольными луковицами (0,02). Аналогично, относительное содержание флавонолов в опытных листьях (0,253) было значительно выше по сравнению с контрольными образцами (0,086). Мы интегрировали наносельское хозяйство и органическое земледелие, получив гибридную форму; наноорганическое земледелие повышает метаболическую приспособленность лука репчатого (Allium cepa) для достижения устойчивого производства продуктов питания.

В ходе эволюции человечество разработало различные стратегии производства продуктов питания. Когда мы как вид перешли от собирательства к производству пищи, первой формой земледелия стало натуральное хозяйство, основанное на минимальном вмешательстве в экосистему (Gopal De., 1989; Loukas et al., 2009; Douglas et al., 2018). Даже сегодня во многих частях мира сохраняется натуральное сельское хозяйство. Движимое мудростью развитие человеческих навыков привело к наблюдению, что органическое вещество в почве способствует повышению продуктивности культур, что послужило толчком к возникновению органического земледелия. Одной из отличительных черт органического земледелия является то, что необходимые питательные вещества для растений заключены в углеродную массу, что способствует поддержанию здоровья и плодородия почвы (Rigby and Cáceres, 2001; Andreas et al., 2012; Yadav et al., 2013; Crowder and Reganold, 2015). Различные исследования, проведённые в начале XIX века учёными, такими как Ж. Б. Буссенго, Юстус фон Либих, Джон Беннет Лоус и Дж. Г. Гилберт, изучали почву, растения, а также влияние растений и органического вещества на плодородие почвы. Они открыли основные питательные элементы растений: азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу и железо (Gopal De., 1989).

Эти открытия ознаменовали начало интенсивного агрохимического земледелия. Одним из знаковых открытий стал синтез аммиака по процессу Габера-Боша в начале XX века (Delwiche, 1970). В период после «зелёной революции», примерно во второй половине XX века, наблюдался метеоритный рост применения агрохимикатов в системе сельскохозяйственного производства (Gignoux et al., 2011; Pingali, 2012; Kravchenko et al., 2017).

Интенсивное использование агрохимикатов в сельском хозяйстве за последние пять десятилетий привело к деградации почвенного плодородия и качества воды, что в конечном итоге сказалось на различных формах жизни в экосистеме. Сокращение применения химических удобрений является серьёзной проблемой, учитывая, что мировой спрос на питательные вещества удобрений (N + P₂O₅ + K₂O) в 2019 году составил 198 107 тысяч тонн, а к 2020 году прогнозировался на уровне 201 663 тысяч тонн (Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН, 2017). Существует необходимость в разработке устойчивых стратегий восстановления экологического баланса и поддержания сельскохозяйственного производства. В настоящее время основное внимание уделяется снижению потребления агрохимикатов и повышению их эффективности.

В настоящее время изучается несколько устойчивых решений, таких как использование биоудобрений (Rao, 1982), органических удобрений (Gaur et al., 1984), наноудобрений (Tripathi et al., 2011; Sonkar et al., 2012; Tripathi and Sarkar, 2015; Bhati et al., 2018; Raliya et al., 2018; Boutchuen et al., 2019) и наноинкапсуляций, для снижения использования химических удобрений и предотвращения заражения болезнями (Ahuja et al., 2019; Ahuja et al., 2020; Shukla et al., 2019; Gahukar and Das, 2020; El-Moneim et al., 2021). Все стратегии снижения удобрений нацелены на достижение здоровой динамики почвы. Область наносельского хозяйства обладает потенциалом для достижения устойчивого роста за счёт «умного» земледелия.

С оптимистической точки зрения, если все вышеперечисленные решения успешно улучшат здоровье почвы, то, по иронии судьбы, выгоду от этого получат все существующие растения, включая культурные. Таким образом, крайне важно, чтобы культурное растение обладало более высокой метаболической приспособленностью для конкуренции с окружающей средой, иначе оно в конечном счёте проиграет в этой борьбе. Следовательно, задача состоит в том, чтобы разработать наностратегию повышения метаболической приспособленности культурного растения, позволяющую ему лучше противостоять биотическим и абиотическим стрессам окружающей среды. В настоящей работе мы использовали роль нанопирита для обеспечения более высокой метаболической приспособленности корневой системы с целью повышения урожайности. Мы провели эксперимент на луке репчатом (Allium cepa) в качестве примера, поскольку это растение имеет поверхностную корневую систему и нуждается в питательных веществах вблизи поверхности почвы для здорового роста. Козий навоз обеспечивает поступление питательных веществ на поверхности почвы. Таким образом, мы применили наноматериал на основе железа и серы в качестве средства для обработки корней для стимуляции корневого метаболизма и использовали органическое удобрение для обеспечения питательными веществами, следуя подходу наноорганического земледелия.

Философски эта работа черпает вдохновение в экстремальной экосистеме гидротермальных источников, где анаэробные микроорганизмы получают энергию от нанопирита и других сульфидов металлов. Ранее Srivastava и др. обнаружили, что 12-часовая обработка семян нута водной суспензией нанопирита увеличивала биомассу (Srivastava et al., 2014a). В последующих полевых испытаниях на нуте (Jangir, 2020a; Jangir et al., 2020c), шпинате (Srivastava et al., 2014b), свёкле, моркови, пажитнике, люцерне, горчице и кунжуте (Das et al., 2016a) мы наблюдали более высокую продуктивность после обработки семян пиритом. На рисе, обработанном пиритом, была отмечена урожайность, эквивалентная внесению NPK (Das et al., 2018). Jangir и др. недавно показали улучшенные результаты на пшенице после обработки семян нанопиритом (Jangir, 2020a; Jangir et al., 2020b). Обработка семян нанопиритом нивелируется при совместной обработке антиоксидантным наноматериалом — оксидом церия (Das et al., 2016b). Недавно Jangir и др. обнаружили, что при обработке корней перца, бархатцев, капусты, цветной капусты и томатов водной суспензией нанопирита в течение 3 ч наблюдалось значительное увеличение урожайности (Jangir et al., 2019a; Jangir et al., 2019b; Jangir, 2020a; Jangir and Das, 2021). Кроме того, обработка корней и семян нанопиритом улучшает способность растений к поиску питательных веществ корнями (Jangir et al., 2019a; Jangir et al., 2019b; Jangir, 2020a; Jangir et al., 2020b; Jangir et al., 2020c; Jangir and Das, 2021).

Настоящее исследование посвящено синергетическому эффекту обработки корней нанопиритом и внесения органического удобрения (козий навоз) на продуктивность лука репчатого (Allium cepa). Это имеет огромное коммерческое значение. Лук является культурой умеренного климата, и Индия занимает первое место по его производству после Китая. В глобальном масштабе он имеет множество применений (как пряность, в салатах и как зелёный овощ). Аллилпропилдисульфид придаёт луку остроту. Для оптимального производства лука почва должна быть богата органическим веществом. Рекомендуемая доза удобрений составляет 125:60:100 кг/га азота (N), фосфора (P) и калия (K) (ICAR, 2018; Choudhury, 2020).

Схема полевого опыта: Общая схема полевого опыта представлена на Рисунке 1.

РИСУНОК 1  Протокол выращивания лука. (A) Общая схема. (B) Питомник рассады в институте. (C) Временная шкала выращивания, использованная в первый и второй сезоны. Из-за пандемии уборка урожая была проведена досрочно.

Синтез нанопирита: Синтез нанопирита представляет собой двухстадийную реакцию. На первом этапе мы синтезируем свежий полисульфид. Берём водный раствор гидроксида натрия (0,8 М, 100 мл), разделённый на две равные части. В одну часть пропускали газообразный сероводород до появления жёлто-зелёной окраски, затем добавляли оставшуюся половину гидроксида натрия (0,8 М, 100 мл) и 0,04 моль серы. Раствор перемешивали в присутствии сероводорода в течение следующих 2 ч при комнатной температуре для получения жёлто-оранжевой суспензии полисульфида.

Суспензию фильтровали и хранили при 4°C. На втором этапе готовили свежий водный раствор хлорида железа (0,04 М, 100 мл) в круглодонной колбе и поддерживали pH 5,6 с помощью буфера, состоящего из 91 мл ацетата натрия (0,2 М, 100 мл) и 9 мл уксусной кислоты (0,2 М, 100 мл). Колбу помещали в масляную баню при непрерывном пропускании аргона и перемешивали в течение 1 ч при комнатной температуре. К этому раствору медленно добавляли 15 мл полисульфида. Температуру масляной бани поддерживали на уровне 120°C в течение 2 ч, после чего появлялась тёмно-серая суспензия. Затем температуру масляной бани повышали до 180°C на 10 мин для получения суспензии серого цвета. Нанопирит оседал на дне колбы. Осадок промывали соляной кислотой, толуолом и ацетоном. Частицы нанопирита хранили в камере, защищённой от влаги (Srivastava et al., 2014a; Srivastava et al., 2014b; Das et al., 2016a; Das et al., 2016b; Das et al., 2018; Jangir et al., 2019a; Jangir et al., 2019b; Jangir, 2020a; Jangir et al., 2020b; Jangir et al., 2020c; Jangir and Das, 2021).

Характеризация нанопирита: Структурные особенности нанопирита изучали с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и растровой электронной микроскопии (SEM). Дифрактограмма была получена для изучения характерных плоскостей кристалла нанопирита, для чего порошковый образец анализировали на дифрактометре X'Pert3 Powder-PANalytical XRD (Malvern Panalytical). Образцы для SEM и EDS готовили методом капельного нанесения суспензии нанопирита в метаноле на медный столик. Образец напыляли золотом и исследовали на SEM FEI, Quanta 200 (FEI Company). Инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR) проводили для изучения характеристик связей в частицах нанопирита. Образец готовили в виде таблетки из порошка нанопирита с KBr. FTIR-спектр регистрировали на спектрометре Perkin-Elmer FTIR Spectrum BX. Рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS) порошковых образцов проводили на приборе PHI 5000 Versa Prob II, FEI (Physical Electronics). XPS использовали для изучения поверхностных характеристик частиц нанопирита (Srivastava et al., 2014a; Srivastava et al., 2014b; Das et al., 2016a; Das et al., 2016b; Das et al., 2018; Jangir et al., 2019a; Jangir et al., 2019b; Jangir, 2020a; Jangir et al., 2020b; Jangir et al., 2020c; Jangir and Das, 2021). На Рисунках 2–5 представлены результаты характеризации наночастиц.

РИСУНОК 2  XRD и SEM нанопирита. (A) Представительный XRD-спектр. (B) Представительное SEM-изображение.

РИСУНОК 3  (A) SEM-изображение нанопирита с EDS-наложением. (B) EDS-спектр нанопирита.

РИСУНОК 4  Представительный FTIR-спектр нанопирита.

РИСУНОК 5  Представительный XPS нанопирита. (A) Обзорный XPS-спектр железа. (B) Обзорный XPS-спектр серы.

Полевой опыт: Полевой опыт включал следующие этапы: подготовка почвы, профилирование питательных веществ почвы, посев, обработка корней, пересадка, внесение удобрений, уход за культурами и уборка урожая.

Подготовка почвы: Полевой опыт проводили в питомнике Индийского технологического института Канпур, Индия. Для опыта был выбран участок с дефицитом питательных веществ, прилегающий к теплице питомника. Сначала участок вспахали и подготовили три делянки. Из трёх делянок две имели одинаковые размеры (3×4 фута²), а для третьей делянки размеры были удвоены (6×8 футов²). Третью делянку (6×8 футов²) использовали как питомник для выращивания рассады лука перед пересадкой. В обоих сезонах использовали одинаковый протокол. На Рисунке 1 представлена блок-схема протокола выращивания, использованного в течение двух лет полевых испытаний.

Питательный профиль почвы: В начале полевого опыта был выбран большой пустующий участок, на который в течение многих лет не вносились удобрения и органические вещества. Участок был разделён на две части для проведения двухлетних полевых испытаний. Одна часть использовалась для первого года исследований, а другая — для второго. Был проведён анализ питательных веществ почвы на содержание азота (N), фосфора (P) и калия (K) всего пустующего участка. В течение первого года испытаний другая делянка оставалась совершенно нетронутой. Азот определяли методом Кьельдаля, а фосфор и калий — методом ICPMS (Thermo, iCAP Q), как описано в нашей предыдущей работе (Jangir et al., 2019a; Jangir et al., 2019b). В настоящем исследовании в течение первого года исследований был выбран участок с дефицитом питательных веществ (общий азот — 158,78 кг/га, P₂O₅ — 0,366 кг/га и K₂O — 0,380 кг/га) в питомнике Индийского технологического института Канпур, Индия.

Посев, обработка корней, пересадка и внесение удобрений: Полевой опыт был начат 10 ноября 2018 года для первого сезона. 50 мг семян лука сорта «Nasik Red» были высеяны в питомнике (6×8 футов²). Через 33 дня (13 декабря 2018 года) проросшую рассаду извлекли и случайным образом разделили на две группы по 100 сеянцев в каждой. Затем перед пересадкой проводили обработку корней в течение 3 ч. В контрольной группе корни сеянцев замачивали в воде, а в опытной — замачивали в водной суспензии нанопирита концентрацией 100 мкг/мл. После 3-часовой обработки корней рассаду контрольной и опытной групп пересаживали на соответствующие делянки размером 3×4 фута². Корни, обработанные пиритом, тщательно промывали под проточной водой для удаления следов частиц пирита. Аналогичный протокол использовали как для семян, так и для корней для удаления следовых количеств пирита с поверхности семян и корней перед внесением их в почву (Srivastava et al., 2014a; Srivastava et al., 2014b; Das et al., 2016a; Das et al., 2016b; Das et al., 2018; Jangir et al., 2019a; Jangir et al., 2019b; Jangir, 2020a; Jangir et al., 2020b; Jangir et al., 2020c; Jangir and Das, 2021). Для удобрения обеих делянок (по 1 кг/делянку) использовали козий навоз, который вносили 19 января 2019 года. Козий навоз собирали у местных мелких фермеров, разводящих коз для получения дополнительного дохода. Согласно доступной литературе, типичный козий навоз содержит около 22,15 г/кг общего азота, 4,27 г/кг общего фосфора и 41,15 г/кг общего калия (Azeez and Van Averbeke, 2010). Учитывая химическую вариабельность козьего навоза, мы объединили весь навоз, тщательно перемешали и вносили в контрольные и опытные делянки из одной партии. Второй сезон выращивания проводили по аналогичному календарю, как показано на Рисунке 1.

Уход за культурами: Проводили рекомендуемые поливы, все остальные параметры для обеих групп поддерживали одинаковыми. Все остальные агротехнические мероприятия выполняли в соответствии с рекомендациями (ICAR, 2018; Choudhury, 2020).

Уборка урожая: Уборку проводили вручную, почву удаляли, образцы очищали перед взвешиванием.

Анализ урожая и параметров роста (2018–2019): Урожай был собран и проанализирован по различным параметрам роста растений, таким как свежая масса, сухая масса, площадь листьев, удельная площадь листьев, индекс листовой поверхности, размер/площадь луковицы, масса луковицы и т.д. (Рисунки 6–9). Относительное содержание антоцианов и флавонолов также было измерено для контрольных и опытных образцов. Содержание антоцианов в луковице является показателем окраски луковицы и, следовательно, её товарных качеств (Metrani et al., 2020; Samota et al., 2022).

РИСУНОК 6  Репрезентативное изображение контрольных и опытных образцов урожая лука в сезон 2018–2019 годов. (A) Репрезентативное изображение целого растения лука в контрольной и опытной группах. (B) Общее количество луковиц, полученных в контроле и опыте.

РИСУНОК 7  На рисунке показана средняя урожайность по листовой массе и продукции луковиц. Измерены свежая и сухая масса для контрольных (n = 83) и опытных (n = 86) растений. (A) Средняя общая свежая масса в граммах. (B) Средняя свежая масса луковицы. (C) Средняя свежая масса листьев. (D) Средняя общая сухая масса в граммах. (E) Средняя сухая масса луковицы. (F) Средняя сухая масса листьев. Вертикальные линии обозначают 5%-ную погрешность.

РИСУНОК 8  На рисунке показаны площадь листьев и ориентировочный размер луковицы лука. Также представлены удельная площадь листьев и индекс листовой поверхности, которые являются важными параметрами, характеризующими листовую поверхность, площадь фотосинтетической активности и площадь транспирации. Вертикальные линии обозначают 5%-ную погрешность. Контроль (n = 12) и опыт (n = 13). (A) Средняя площадь луковицы в см². (B) Средняя площадь листьев в см². (C) Удельная площадь листьев. (D) Индекс листовой поверхности. (E) Листовой индекс.

РИСУНОК 9  На рисунке показано относительное содержание антоцианов в листьях и луковицах. Вертикальные линии обозначают 5%-ную погрешность, n = 3. (A) Относительное содержание антоцианов в листьях. (B) Относительное содержание антоцианов в луковицах лука. (C) Относительное содержание флавонолов в листьях. (D) Относительное содержание флавонолов в луковицах лука.

Урожай лука, полученный при уборке, был взвешен как для контрольной, так и для опытной групп. Измеряли свежую массу целого растения (листья и луковица) и отдельно луковицы. Средняя урожайность представлена в граммах для луковиц и листьев. Массу листьев вычисляли вычитанием массы луковиц из массы целого растения. Было подсчитано общее количество луковиц, полученных в контрольной и опытной группах. Для контрольной и опытной групп было выбрано двенадцать и тринадцать типичных растений соответственно. Эти растения были помещены рядом с линейкой, и был сделан снимок. Изображение показано на Рисунке 6. Оно было использовано для расчёта площади листьев и луковиц с помощью программы ImageJ. Площадь листьев является прямым показателем фотосинтетической активности и транспирации. Для анализа изображений приведены стандартные ошибки. Для оценки достоверности результатов использовали t-критерий Стьюдента. Листья и луковицы помещали при 70°C на 6 ч для измерения сухой массы образцов. После получения первичных данных другие параметры роста растений рассчитывали по стандартной методике, используя следующие формулы:

Листовой индекс (Leaf Area Ratio): Показывает относительный размер ассимиляционного аппарата. Проще говоря, даёт представление о той части растения, которая участвует в фотосинтетической активности.

Листовой индекс = Общая площадь листьев / Общая сухая масса.

Удельная площадь листьев (Specific Leaf Area, SLA): SLA характеризует плотность листьев растения. Она показывает, какая площадь листьев используется для производства единицы биомассы.

Удельная площадь листьев = Общая площадь листьев / Сухая масса листьев.

Индекс листовой поверхности (Leaf Area Index, LAI): Индекс листовой поверхности растения определяется как площадь листьев на единицу площади земли. Индекс листовой поверхности является одним из наиболее важных параметров в экологии растений. Он показывает, сколько листвы (листьев) присутствует на растении. Он измеряет активную фотосинтетическую площадь и площадь, доступную для транспирации. Большая фотосинтетическая площадь означает более высокую скорость фотосинтеза, производства и накопления органических веществ. В то же время более высокая интенсивность транспирации обеспечивает более высокое поглощение воды и минеральных веществ. Эти два фактора обеспечивают лучшее накопление питательных веществ в съедобных частях растения.

Индекс листовой поверхности = Общая площадь листьев / Общая площадь земли.

Собранный растительный материал был дополнительно протестирован на содержание антоцианов и флавонолов в листьях и луковицах. Флавонолы — это класс флавоноидов, участвующих в стрессовых реакциях. Это наиболее примитивные и широко распространённые флавоноиды, выполняющие различные физиологические функции в растениях. Антоцианы — это особый класс растительных пигментов, относящихся к флавоноидам. Эти пигменты придают луковице лука яркую окраску и, таким образом, повышают товарный вид и визуальную приемлемость выращенной продукции. Более высокое содержание антоцианов в луковицах также свидетельствует о более раннем созревании, что помогает фермерам получить более высокую цену за раннюю продукцию. Антоцианы также являются известными антиоксидантами, поэтому более высокое содержание антоцианов обеспечивает лучшее здоровье (Slimestad et al., 2007; Lin et al., 2016; Martín et al., 2017; Metrani et al., 2020; Samota et al., 2022).

Приготовление растительных образцов: Растительные образцы мелко нарезали и гомогенизировали с помощью пестика и ступки. 2 г этого образца смешивали с 7 мл 80%-ного этанола (0,1% HCl) и дополнительно гомогенизировали. Экстракт фильтровали для получения спиртового экстракта (Lin et al., 2016). Эксперименты проводили в трёх повторностях.

Измерение флавонолов: Относительное содержание флавонолов измеряли для контрольных и опытных образцов (листья и луковицы) по поглощению при 510 нм (Lin et al., 2016).

Измерение антоцианов: Относительное содержание антоцианов измеряли с использованием этанольного экстракта, смешивая его в равном количестве с буфером (pH 4,5) и измеряя поглощение при 525 нм (Lin et al., 2016).

Синтез нанопирита: Наночастицы пирита железа были синтезированы, как описано в нашей предыдущей работе, с помощью низкотемпературной нуклеофильной реакции (Srivastava et al., 2014a; Srivastava et al., 2014b; Das et al., 2016a; Das et al., 2016b; Das et al., 2018; Jangir et al., 2019a; Jangir et al., 2019b; Jangir, 2020a; Jangir et al., 2020b; Jangir et al., 2020c). Реакция включает хлорид железа (III) и полисульфид натрия, основными промежуточными продуктами являются FeS и FeSH+. Эти промежуточные продукты далее атакуются нуклеофильными частицами полисульфида, что приводит к образованию FeS₂. Реакцию проводили в инертной атмосфере для предотвращения взаимодействия с кислородом.

Характеризация нанопирита: На Рисунке 2 представлена характеризация нано-FeS₂. Пики XRD при 2θ = 28,8, 33,1, 37,2, 40,7, 47,5, 56,3, 61,5, 64,2, 79,0 соответствуют характерным кристаллографическим плоскостям пирита железа с индексами (111), (200), (210), (211), (220), (311), (302), (321) и (420) соответственно (Рисунок 2A). На SEM-изображении видны наноразмерные чешуйки пирита железа. Эти чешуйки собираются в крупные структуры, напоминающие кувшины, размером от 70 нм до более 500 нм (Рисунок 2B).

EDS-анализ также проводился совместно с SEM-анализом. На Рисунках 3A, B представлены результаты EDS-анализа. Рисунок 3A показывает наложение EDS на SEM-изображение, а Рисунок 3B показывает EDS-спектр для нанопирита.

FTIR-пики при 400–800 см⁻¹ указывают на характеристики связей в пирите, пик при 1076,5 см⁻¹ показывает характеристики связи S–O, что указывает на поверхностное окисление, а присутствие влаги отмечается пиками при 1623,8 см⁻¹ и 3407,6 см⁻¹ (Рисунок 4). Специфический пик при 3407,6 см⁻¹ соответствует колебаниям O–H (Khataee et al., 2016).

Узкий XPS-спектр Fe2p показал наличие спин-орбитальной связи Fe2p3/2 и Fe2p1/2 при 704,8 и 717,8 эВ соответственно, а также признаки стехиометрических дефектов и FeSO₄ при 705,8 и 708,2 эВ соответственно (Рисунок 5A). В узком XPS-спектре S2p пики при 160,2 и 161,4 эВ соответствуют спин-орбитальной связи S2p3/2 и S2p1/2 соответственно. Пики XPS при 162,0 и 166,7 эВ указывают на наличие поверхностных дефектов и окисления, приводящего к образованию FeSO₄ соответственно (Рисунок 5B). В наших предыдущих работах были получены аналогичные результаты (Srivastava et al., 2014a; Srivastava et al., 2014b; Das et al., 2016a; Das et al., 2016b; Das et al., 2018; Jangir et al., 2019a; Jangir et al., 2019b; Jangir, 2020a; Jangir et al., 2020b; Jangir et al., 2020c; Jangir and Das, 2021).

Полевой опыт: Питательный профиль почвы: В настоящем исследовании для опыта был выбран участок с дефицитом питательных веществ в питомнике Индийского технологического института Канпур, Индия. Анализ NPK представлен в разделе «Методы». В предыдущих работах было показано, что указанные выше уровни азота, фосфора и калия считаются дефицитными по питательным веществам (Jangir et al., 2020b). Как упоминалось ранее в разделе «Методы», выбранный участок был разделён на две равные части, и случайным образом одна делянка была назначена для опыта, а другая — для контрольного эксперимента. Подробные размеры делянок приведены в разделе «Методы».

Анализ урожая (2018–2019). На Рисунке 6A представлены репрезентативные изображения контрольных (n = 12) и опытных (n = 13) луковиц, полученных при уборке урожая (сезон 2018–2019 годов). Визуальные наблюдения показывают, что у опытных растений листва была более густой по сравнению с контрольными. На Рисунке 6B показано общее количество луковиц, собранных с контрольных (n = 83) и опытных (n = 86) растений. Изначально было высажено по 100 сеянцев как для контрольной, так и для опытной групп.

В первом полевом сезоне (ноябрь 2018 г. – апрель 2019 г.) общая биомасса (луковицы + листья) опытного образца составила 4,75 кг (n = 86), тогда как контрольные образцы весили 3,5 кг (n = 83). Общий вес луковиц для контроля и опыта составил 2,6 и 3,6 кг соответственно. Во втором полевом сезоне (декабрь 2019 г. – апрель 2020 г.) общая биомасса опытного образца составила 2,65 кг (n = 64), тогда как контрольные образцы весили 2,30 кг (n = 64).

Детальный анализ урожая (2018–2019) показан на Рисунках 7A–F, Рисунках 8A–E, Рисунках 9A–D. Опытные образцы показали более высокую продуктивность по свежей массе по сравнению с необработанными растениями. Средняя свежая масса целого растения (листья и луковица) для контрольных образцов составила 42,16 г, в то время как опытная группа имела среднюю свежую массу 55,23 г (Рисунок 7A). Листья и луковицы взвешивали отдельно для изучения распределения массы между листовой массой и товарным урожаем. Средняя масса луковицы для опытных образцов была значительно выше (41,86 г) по сравнению с контролем (31,32 г) (Рисунок 7B). Аналогично, средняя свежая масса листьев в опыте (13,37 г) была выше по сравнению с контрольными листьями (10,84 г) (Рисунок 7C).

Среднее накопление воды в контрольных и опытных растениях было примерно равным. Поскольку свежая масса опытных образцов была высокой, средняя сухая масса опытных растений (8,13 г) также была больше по сравнению с контрольными необработанными растениями (6,158 г) (Рисунок 7D). Примерно одинаковое содержание влаги было обнаружено в луковицах и листьях как опытных, так и контрольных образцов. Средняя сухая масса луковиц в опыте (7,04 г) была выше по сравнению с контрольными образцами лука (5,26 г) (Рисунок 7E). Средняя сухая масса контрольных листьев составила 0,889 г, в то время как опытные листья имели среднюю сухую массу 1,096 г (Рисунок 7F). Как и в случае с листьями, луковицы также накапливали примерно одинаковое количество воды для контрольных и опытных образцов.

Средняя площадь луковицы для опытных образцов (2,33 см²) была значительно выше по сравнению с контрольными образцами (1,59 см²) (Рисунок 8A). Примечательно, что у опытных образцов наблюдалась более густая листва со средней площадью листьев (11,53 см²) по сравнению с контролем (6,99 см²) (Рисунок 8B). Увеличение площади листьев привело к значительно более высокой удельной площади листьев (10,51) (Рисунок 8C), индексу листовой поверхности (0,08) (Рисунок 8D) и листовому индексу (1,4) (Рисунок 8E) у опытных образцов по сравнению с контролем (7,86, 0,05 и 1,1 соответственно).

Относительное содержание антоцианов в контрольных листьях (0,052) было значительно выше по сравнению с опытными листьями (0,03) (Рисунок 9A). Однако наблюдается очень значительное увеличение содержания антоцианов в опытных луковицах (0,069) по сравнению с контрольными луковицами (0,02) (Рисунок 9B). Результаты указывают на избирательное распределение пигмента в листьях и луковицах. Опытные растения, как правило, накапливают значительно большее количество пигмента в запасающих/съедобных частях. Относительное содержание флавонолов в опытных листьях (0,253) (Рисунок 9C) было значительно выше по сравнению с контрольными образцами (0,086). С другой стороны, содержание флавонолов в луковице (Рисунок 9D) было примерно одинаковым в контрольных и опытных образцах.

Как упоминалось ранее, философски эта работа черпает вдохновение в экстремальной экосистеме — гидротермальных источниках в глубоководных разломах Тихого океана, где микроорганизмы, такие как архебактерии и тиобациллы, получают энергию от нанопирита и других сульфидов металлов. Основная гипотеза использования нанопирита основана на экзотермическом процессе, в ходе которого сульфиды металлов превращаются в сульфаты с высвобождением 200 ккал/моль энергии (Tributsch, 1984). Эта кинетика дополнительно ускоряется, когда сульфиды металлов покрыты тонкой плёнкой воды (примерно 4% от их веса) в присутствии кислорода (Tributsch, 1984). Последующее восстановление кислорода приводит к высвобождению следовых количеств H₂O₂, которые далее атакуют дополнительные молекулы сульфида, что приводит к образованию Fe²⁺, Fe³⁺, SO₄²⁻ и S⁰. Таким образом, при обработке корней растений водной суспензией пирита они кратковременно подвергаются воздействию железа, серы, пирита, пероксида и богатой протонами среды. Эти агенты вызывают метаболические изменения, усиливающие метаболизм растений. Другими словами, такая обработка приводит к получению метаболически более компетентных растений (Jangir et al., 2019a; Jangir et al., 2019b; Jangir, 2020a; Jangir and Das, 2021). Здесь мы проверили применимость этой обработки корней на растениях с поверхностной корневой системой для эффективного извлечения питательных веществ из органического вещества. Общая концепция работы обобщена на Рисунке 10.

РИСУНОК 10  На рисунке представлена общая схема работы и основная концепция обработки корней нанопиритом перед пересадкой. Растения, обработанные нанопиритом, метаболически более активны.

Эксперимент был намеренно проведён на участке с дефицитом питательных веществ для изучения двойного эффекта обработки корней и органического удобрения, что позволяет приблизиться к условиям устойчивого органического хозяйства с наноинтервенцией. Мы выбрали козий навоз в качестве органической добавки, поскольку он содержит много органического вещества, азота и фосфора, а также косвенно влияет на мобилизацию удобрений и биологический круговорот. Кроме того, общая минерализация азота за один-двадцать дней максимальна для козьего навоза по сравнению с птичьим помётом и навозом крупного рогатого скота (Gichangi et al., 2009; Gichangi et al., 2010; Azeez and Van Averbeke, 2010; Rizk et al., 2012). Кроме того, козий навоз обычно используется в качестве источника жидких удобрений (Sunaryo et al., 2018).

Было отмечено, что только органического удобрения было недостаточно для достижения максимальной продуктивности лука. Это может быть связано с поверхностной корневой системой лука с меньшей проникающей способностью корней. Лук требует внесения питательных веществ вблизи корневой системы, поэтому мы вносили козий навоз на поверхность почвы (Gichangi et al., 2009; Azeez and Van Averbeke, 2010; Gichangi et al., 2010; Rizk et al., 2012). В данном исследовании, предварительно обработав рассаду лука нанопиритом перед внесением удобрений, мы продемонстрировали, что стимуляция метаболизма рассады лука в опытной группе приводит к лучшему усвоению питательных веществ и более высокой урожайности по сравнению с контрольной группой. Более высокая площадь листьев, удельная площадь листьев, листовой индекс и индекс листовой поверхности указывают на более высокую скорость фотосинтеза и более высокую транспирацию. Все эти факторы могли способствовать увеличению размера луковиц лука у опытных растений. Более крупные луковицы обеспечивают лучший рынок сбыта и более высокую цену для фермера.

Увеличение содержания антоцианов в луковицах указывает на то, что товарная продукция имеет более яркую окраску и созрела раньше. Это также показывает, что опытный урожай будет иметь лучший товарный вид и может быть продан по более высокой цене. Более высокое содержание флавонолов в опытных листьях обеспечивает лучшую стрессовую реакцию, особенно на УФ-В излучение. Флавонолы играют важную роль в прорастании пыльцы и, следовательно, в фертильности растений (Falcone Ferreyra et al., 2012). Результаты показывают, что опытные растения имеют значительно более высокое содержание флавонолов и поэтому менее подвержены УФ-стрессу; растения могут иметь более высокую фертильность и, следовательно, более высокую способность к производству семян (Slimestad et al., 2007; Lin et al., 2016; Martín et al., 2017; Metrani et al., 2020; Samota et al., 2022).

Таким образом, при обработке водной суспензией нанопирита корень кратковременно находится в богатой энергией микросреде, которая формирует его последующий метаболизм и рост. Эти метаболически активированные растения эффективно усваивают питательные вещества из обогащённой органикой почвы и, следовательно, обладают более высокой конкурентной приспособленностью. Этот подход открывает возможности для устойчивого наноорганического земледелия и дальнейшего развития экономики козоводческих хозяйств на Азиатском и Африканском континентах.

В то время как устойчивое земледелие направлено на снижение применения химических удобрений за счёт использования органических удобрений, биоудобрений и наноудобрений, повышение метаболической приспособленности конкретных культур может положительно сказаться на урожайности. Здесь мы показываем, что обработка корней нанопиритом во время пересадки может повысить метаболическую приспособленность растения, позволяя ему максимально эффективно использовать преимущества органического земледелия, что приводит к созданию новой стратегии наноорганического земледелия.

Jangir H, Kaler B, Srivastava G and Das M (2023) Sustainable nano-interventions to enhance crop yield, anthocyanin content, and marketability of onion (Allium cepa). Front. Nanotechnol. 5:1256439. doi: 10.3389/fnano.2023.1256439

Перевод статьи «Sustainable nano-interventions to enhance crop yield, anthocyanin content, and marketability of onion (Allium cepa» авторов Jangir H, Kaler B, Srivastava G and Das M., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: wikipedia