Использование неразрушающей системы доставки питательных веществ очень важно при листовой подкормки. Сегодня, много адъювантов используется для опрыскивания. Однако, хотя большинство адъювантов  не вредно для листвы растения, их влияние на поглощение питательных веществ листвой в обычных садовых условиях сада очень мало. Чтобы устранять повреждение листа при увеличении поглощения питательных веществ, мы создали новый неразрушающий адъювант - Ферти-Вант. Состав этого препарата специально создавался, чтобы поставить питательные вещества через "кожу" растения, кутикулу мембраны в полевых условиях. Совмещение результатов рентгенно-графического исследования на изображении СЭМ позволило нам визуализировать и подтвердить аналитические результаты относительно полезного влияния Ферти-Ванта как неразрушающего препарата  длительного действиядля питательных веществ применяемых при листовой подкормке в естественных (полевых)  условиях.

ВВЕДЕНИЕ

За последние несколько десятилетий листовая подкормка стала общепринятой в садоводческой практике. Главное преимущество листовой подкормки - быстрая доставка питательных элементов в критические периоды развития растения такие, как цветение, развития плода или, когда, рост дерева замедляется в результате различных стрессов.

Эффективность листовой подкормки  низка. Только маленькая часть питательных элементов примененных по листу проникает в ткани. По этой причине растет потребность  производителей  в более эффективном листовом проникновении удобрений.

Эпикутикулярный восковой слой - главный барьер для листового проникновения химических элементов в ткани растения. Влажность, температура и химические качества удобрения - главные факторы, которые влияют на листовое проникновение питательных элементов в растение. Растворимость удобрения и добавленный адъювант к раствору удобрения влияет на временной промежуток, который имеется у удобрения для проникновения. До тех пор пока удобрение остается растворенным, оно может проникать в ткани растения.

Для достижения проникновения большей части внесенного удобрения, площадь соприкосновения удобрения и листа должна быть большой. Химические качества удобрения и более того качества адъюванта предопределят покрытие листа. Очень важно, что при листовой подкормке удобрение не остается на верхней поверхности листа, а проникнет внутрь листа, в метаболическую систему.

Адъюванты - химические соединения, которые добавляются к удобрениям из-за низкой эффективности листовой подкормки. Существует много видов адъювантов, и каждый имеет свои собственные химические качества, которые помогают проникновению по листу  по разному. Общеизвестные адъюванты могут быть разделены на несколько групп: масла, йонные и нейонные поверхностно-активные вещества, органосиликоны, полимеры и синтетические латексы, производные терпенов и неорганические соли. 

В группе масел используются минеральные масла, растительные масла и этерифицированные масла, все они способствуют увеличению проникновения химических веществ в листья. В группе йонных и нейонных поверхностно-активных веществ  используются этоксилированный спирт, полиоксиакилен этоксилированные  амины и алкилполигликосиды, которые  усиливают  удержание на листе и увеливают  проникновение в ткань листа.

Органосиликоновая группа включает Silwet L-77 и Sylgard 309, эти два препарата увеличивают площадь охвата на листе, наполняют поры и усливают дождестойкость. Полимерная и синтетическая латексная группа – полиакриламиды  и поливиниловый спирт; они снижают смещение капель и усиливают  удержание на листе химических элементов.

Производные терпенов, которые включают Nufilm and Heliosol, увеличивают сопротивление химических веществ к смыванию при различных погодных условиях.

Неорганические соли подобно сульфату  аммония увеличивают проникновение химических веществ.

Химические качества удобрения и  адъюванта также затрагивают скорость проникновения питательных веществ по листу (Luber, 2001, Schonherr, 2000). Различные сельскохозяйственные условия требуют различную скорость проникновения - адъювант определяет, проникнет ли удобрение быстрее или  медленнее основываясь на ускорении или торможении адъюванта (Nalewaja и Matysiak, 2001, Schonherr и Baur, 1994). Медленное, но постоянное поглощение удобрения необходимо, когда производители применяют высоко концентрированные удобрения по листу и желают, чтобы питательные вещества проникали медленнее, но более длительный период времени. Управление проникновением сложно и – является целью различных исследовательских групп. В любом случае, длительная и управляемая доставка питательных веществ может быть достигнута  с использованием соответствующего сбалансированного адъюванта.

Мы проверили новый подход и систему – Ферти-Вант, (удобрения - адъювант) специально разработанную для листовой подкормки. Принципы, на которых система основанна следующие: готовые к использованию твердые кристаллы удобрения, полимолекулярный слой покрытый безвредным эмульгированным маслом, поверхностно-активные вещества   и полисахариды пищевых кондиций растворимых в воде. Поведение Ферти-Ванта по взаимодействию на поверхности листьев, продолжительности поглощения питательных веществ, токсичности и способности к биохимическому разложению  сравнивалось с действием общих альтернативных систем.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Используемые материалы растений

Для лабораторных исследований использовались  зрелые листья цитрусовых. Листья были срезаны от трех летних растений, выращиваемых в оранжерее. Листья были отобраны в различные периоды в течение года, как раз перед началом каждого эксперимента. Для полевых экспериментов использовались несколько сортов цитрусовых, как описано в каждом эксперименте.

Радиоизотопные эксперименты

Химреагенты

Донорный раствор в нашей работе с изотопами было составлено из MKP (монокалий фосфат) - KH2PO4 - растворенного в дистилляте двойной перегонки (ДДП) вместе с MK32P (Amersham, Великобритания) с особой активностью 37.0 MBq. ДДП использовался как среда в которую произошел выброс. Концентрация MKP варьировалась от 0.1-2 г/л. Дополнительные компоненты, используемые в донорном растворе включают: t-Octylphenoxypolyethoxyethanol - Triton x-100 (Sigma), Polyoxyethylenesorbitan monolaurate - Tween 20 (Sigma), polyalkyleneoxide модифицированный heptametyltrisiloxane (84 %) и allyloxypolyethyleneglycol метиловый эфир - Silwet L-77 (Hagarin, Израиль) и Ферти-Вант (Удобрение и химическое вещество, Израиль), использовались вместе с удобрением.

Условия окружающей среды

Эксперименты по проникновению проводились при 25°C и 60% относительной влажности в камере при  постоянной влажности и температуре в течение двух или трех недель.

Испытания в лабораторных условиях

Адаксиальные (расположенные на верхней поверхности листа) кутикулярные мембраны (КM) были изолированы от листьев цитрусовых. 20 дисков диаметром двадцать миллиметров вырезаны из листьев после того, как их абаксиальная (расположенная на нижней поверхности листа) сторона была помечена. КМ были ферментативно изолированы в растворе, содержащем буфер, пектиназу (Sigma) и натриевую соль азотоводородной кислоты (Sigma), и находились под вакуумом в течение 10 минут. После получения в чистом виде  КМ были вымыты и высушены воздушным путем следуя методу Schonherr и Reiderer (1986).

КМ были размещены между крышкой и дном  камер десорбции с использованием кремниевого жира (Bayer, Германия). Каждая КМ была проверена на подтеки. ДДП добавлялся в камеры десорбции в течение 24 часов. После 24 часов ДДП был изъят, и пятимикролитровая капелька донорного раствора была помещена в центр КМ. После того, как вода испарилась из донорного раствора, камеры были заполнены снова  ДДП, который служил средой, в которую произошел выброс. Постоянная температура и влажность были достигнуты с помощью размещения камер в камеру постоянной температуры и влажности. Среда десорбции взята для сцинтилляционного измерения. После того, как был взят последний образец, каждая КM была отрезана и подсчитывалось количество MKP, оставшегося на поверхности (Schonherr Baur, 1994). Для каждого эксперимента использовались 20 КМ .

Испытания в естественных условиях

Зрелыелистья цитрусовых были срезаны с растений в оранжерее. Их верхние концы были покрыты парафином для уменьшения потери воды. Четыре 10-микролитровых капельки  донорного раствора были  помещенны на адаксиальную сторону каждого листа. После инкубационного периода диски диаметром 20 мм вырезаны из листьев. Диски  вымыты с 400 мл ДДП и 400 мл MKP. Это было сделано четыре раза с каждым листом с различным интервалом времени. Все диски были высушены при 70 C в течение 48 часов и взвешены. Чтобы предотвратить охлаждения, каждый диск был выставлен солнечному свету в течение двух дней в 80% растворе метанола (Frutarom, Хайфе, Израиль), который вызвал потерю диском зеленого цвета и снизил охлаждение. Радиоактивность измерялась в сцинтилляционном измерителе. В каждом эксперименте использовались по 20 листьев.

Вычисления

Примененное количество (Мо) был получено при подсчете количества проникнутого плюс количество оставленного на каждой КM индивидуально (Schonherr Baur, 1994). Данные были представлены  -ln (1-Мт/Mo) в зависимости от времени, где Мт - количество MKP, полученного  из среды десорбции в период  время т. Константа скорости реакции была получена для каждой КM отдельно.

Сканирование Электронным Микроскопом - СЭМ

Подготовка

СЭM использовался для определения влияния каждого адъюванта на поверхность листа и на удобрение, и для проверки относительного количества различных минералов на листе или плоде. Чтобы подготовить образец к экспертизе для СЭM, каждый лист или плод высушивались в течение 72 часов в 70°C. Каждый образец был покрыт золотой пылью в вакууме для того, чтобы зафиксировать образец и сделать деталь видимой для СЭM. Все образцы были сфотографированы для документации.

Рентгенографическое отображение / Сканирование линий

Образцы были подготовлены как описано выше для CЭM экспертизы. Они были сканированы внутри СЭM лучом рентгена, для  определения количества минералов на образце. Результаты были сфотографированы и распечатаны.

Минеральный анализ

Зрелые листья были взяты с  деревьев цитрусовых после опрыскивания  3 % MKP (W/W) покрытых Ферти-Вантом. Были также взяты образцы после второй обработки, состоящей из 3 % MKP (W/W) вместе с обычной баковой смесью поверхностно-активных веществ, Tivolin (0.5 % V/V). Листья были вымыты в ДДП после инкубационного периода и высушивались в течение 72 часов при 70°C. Образцы были перемолоты и взвешены. Органические вещества в перемолотых листьях были обработаны серной кислотой и азотной кислотой. Все образцы проанализированы Индуцируемой Плазмой, спектрографическим-ICP для  определения содержания минералов в каждом образце.

Способность к биохимическому разложению 

Десять цитрусовых растений в оранжерее были промыты водой, чтобы удалить с них пыль и другие кристаллики. Листва этих растений была обработана Ферти-Вантом (1 % V/V) до стекания для обеспечения хорошего покрытия. Легко было заметить белый слой, типичный при покрытии листьев Ферти-Вантом через день после применения. Визуальный подсчет процента охвата Ферти-Вантом на листьях каждого растения производился  каждую неделю в течение четырех недель после применения. Соотношение между первоначальным покрытием листа и визуальным подсчетом покрытия в интервалы по одной неделе использовалось для того, чтобы показать деградацию Ферти-Ванта (процент первоначального покрытия). Изменения в целостности слоя покрытия Ферти-Вантом были изучены более тщательно, несколько раз в течение исследованния с использованием СЭM.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Оценка и характеристика свойств доставки Ферти-Вантом  питательных веществ были основаны на следующих критериях:

a.      токсичность на растение и на окружающую среду,
b.       активность на поверхности листа,
c.        продолжительность проникновения через мембрану кутикулы растения,
d.       доставка питательных веществ в метаболическую систему растения,
e.        способность к биохимическому разложению  на поверхности растения.

Влияние токсичности на растения и на окружающую среду

При листовом применении питательных веществ зафиксировано много случаев ожога листьев (Mikkelsen, 1990, Hartmenn и Ал, 1966, Weinbaum 1988). В случае с мочевиной, высокий уровень биурета выдвигался как одна из главных причин ожогов. Однако, отдельные случаи ожога  листа после опрыскивания  мочевиной с низким числом биурета были также замечены, которые могут быть вызваны  высокой температурой и стрессовым состоянием растения (Weinbaum 1988). Бoр и железо также известные элементы вызывающие ожог листа, главным образом, когда применяются в больших дозах. Их повреждение варьируются от разновидности видов и различной чувствительности этих видов. Добавка традиционных поверхностно-активных веществ и адъювантов первоначально разработанных для гербицидов могут увеличить риск ожогов при листовой подкормке.

Особое внимание и предосторожность оказывалась  этому аспекту с самого начала разработки Ферти-Ванта. Влияние каждого химического элемента представленного в новой системе доставки питательных веществ на возможность ожога  листа, и в сочетании с различными потенциально фитотоксичными питательными веществами были проверены в различных концентрациях и использовались только безопасные, неразрушающие составы.

СЭМ четко показывает, что Fe2(SO4) опрыскиваемый по листу цитрусовых вместе с Silwet L-77 имел необратимый растворяющий эффект на эпикутикулярный воск листа и поверхности плода (Фотография 1). Листовая подкормка Fe2 (SO4) покрытое Ферти-Вантом в тех же самых плантациях цитрусовых и при тех же условиях окружающей среды не показало одинаковых симптомов растворения кутикулы. Этот разрушительный эффект составов на основе кремния на воске был, действительно, давно известен, кремниевые адъюванты высоко эффективны при использовании с  гербицидами (Policello и Але, 2001). Однако, в питании по листу и, по крайней мере, в случае применения железа Silwet L-77 сильно усиливает симптомы ожога листа из-за железа, в то время как среди листьев обработанных  Ферти-Вантом, эти признаки были уменьшены и почти не наблюдались. Эффективность системы  доставки питательных веществ прежде всего зависит от ее низкой токсичности к листовой массе и к окружающей среде (Montforts, 2001). Вследствие того, что никакие эффективные альтернативные системы доставки питательных веществ не доступны, обычная практика для с/х производителей в Израиле добавлять адъюванты на силиконовой  основе, главным образом при серьезной нехватке питательных веществ, таких как, дефицит железа (D. Ruber, Отдел Цитрусовых). 

Активность на поверхности листа

Главный механизм, который позволяет питательным веществам проникать через листву - рассасывание через кутикулярную мембрану (Schonherr Baur, 1994). По крайней мере на цитрусовых, поглощение порами  не может рассматриваться как важное направление поглощения  питательных веществ  вследствие того, что почти никаких пор не найдено на адаксиальной поверхности листа, а большинство капель сконцентрировано на этой стороне листа. Как последствие, распространение и способность прилипания питательных веществ опрыскиваемых на лист очень важно для эффективного поглощения  тканями растений.

 Однако, липофильная структура поверхности листа требует системы доставки  способной понизить поверхностное напряжение легко поглощающих в воде капель при  сильном прилипании к кутикулярной мембране (Policello, 2001). Фотография 2 показывает уникальное распространение и липкий эффект Ферти-Ванта покрывающего удобрения для листовой подкормки монокалий фосфата (МКР) на поверхности листьев цитрусовых. Распространяющаяся частица MKP в виде коралла покрытого Ферти-Вантом четко видна на Фотографии 2a.

Рентгенографическое отображение того же самого эффекта показывает распределение частиц калия и фосфора на поверхности листа (Фотография 2b.). Подобный клею, эффект Ферти-Ванта на кристаллах MKP  на листьях цитрусовых показан на Фотографии 2c, и рентгенографическое сканирование линий анализа MKP покрытого тонким слоем Ферти-Ванта на листе цитрусовых показано на Фотографии 2d. Наконец-то, способность к прилипанию Ферти-Ванта к кутикулярной мембране показана на листе цитрусовых в поперечном срезе (Фотография 2e). Эта фотография также показывает преграду кутикулярной мембраны в направлении рассасывания питательных веществ в мезофильные клетки.

Сравнение активности на поверхности листа Ферти-Ванта, описанного выше кас. распространения и липкого эффекта традиционных поверхностно-активных веществ (Фотография 3) ясно показывает различия. Применение MKP на лист цитрусовых без каких-либо поверхностно-активных веществ показывает плохое распространение кристаллов MKP по листу (Фотография 3a). Рентгенографическое сканирование линий этого кристалла определяет его как MKP (Фотография 3b). Фотографии 3c, 3d и 3e показывают результаты на поверхности листа  трех общеизвестных поверхностно-активных веществ  различных групп в сочетании с MKP. Данные показывают, что некоторое изменения в способности распространения, но все три поверхностно-активных вещества  имели абсолютно различный эффект на распределение MKP по поверхности листа в сравнении с Ферти-Вантом. 

Продолжительность проникновения через кутикулярную мембрану растения

При стремлении повлиять на физиологический процесс с помощью листовой подкормки питательными веществами, важно, поддерживать непрерывный и постоянный уровень потока элементов по возможности на более длительный период времени. Типичный практический подход на уровне производителя по решению  этого вопроса состоит в том, чтобы сделать повторные опрыскивания  в интервалах нескольких недель. Эта практика увеличивает затраты и может также увеличивать риски получения ожогов по листу. В течение нашего изучения влияния Ферти-Ванта на проникновение меченного радиоизотопа фосфата (32P) через изолированную кутикулу и листья Цитрусовых, мы наблюдали длительный эффект, который сохранялся в течение нескольких недель (рис. 1). Как ожидалось, Ферти-Вант значительно увеличил уровень фосфата, который проник через изолированные кутикулы по сравнению с необработанным контролем MK32P. Интересно, что эффект по увеличению проникновения фосфата продолжался в течение трех недель (рис. 1а). Самая эффективная концентрация Ферти-Ванта - 0.5 % V/V. Влияние Ферти-Ванта  сравнивалось с Silwet L-77 0.05 % V/V (никакого существенного эффекта не было найдено с различными Silwet L-77 концентрациями, данные не показанны) на листьях цитрусовых. Ферти-Вант имел значительно более длительный эффект на проникновение фосфата (рис.1b). Этот эффект был проверен также на открытых плантациях цитрусовых. Обнаружили, что Ферти-Вант способствовал сохранению и поддержанию калия и фосфора в листьях цитрусовых на более высоким уровне по сравнению с первоначальным уровнем до применения, в то время как в необработанных деревьях (контроль) уровень этих элементов был снижен, вероятно, из-за интенсивного роста в весеннее время. Деревья, опрыскиваемые тем же самым составом удобрения плюс баковая смесь поверхностно-активных веществ, Tivolin, показывали обогащение этими двумя элементами в течение первой недели, но позже наблюдалось резкое снижение этих элементах (Табл. 1).

Таблица 1:

Длительное влияние листовой подкормки MKP, покрытого  Ферти-Вантом на уровень калий и фосфора в листьях зрелых цитрусовых деревьев по сравнению с необработанными деревьями (контроль) и  MKP  с поверхностно-активным веществом Tivolin в баковой смеси. Образцы трех групп после каждой обработки были собраны и подготовлены для анализа с помощью системы ICP. Данные выражены в средних величинах  ± SE % сухого веса.

Доставка питательных веществ в систему метаболизма растения

Для того чтобы повлиять на физиологические процессы в растении, недостаточно для эффективной системы доставки питательных элементов поглощение этих элементов внешними слоями листьев. Существенно важно доставить элементы в клетки листьев для их  участия в метаболизме растения. На Фотографии 4 показано, что в листья цитрусовых, опрыскиваемых  MKP покрытых Ферти-Вантом в первоначальной стадии большинство примененного калия и фосфора сконцентрированы на поверхности листа (Фотография 4b). После семи дней высота пика элементов, как обнаружено рентгеновским излучением, во внешнем слое листьев снижена (Фотография 4c). Позже, после 14 дней, эти пики понижались далее, в то время как уровень элементов  в центральной области поперечного среза листа, который включает клетки, увеличен. Данные предполагают, что происходит длительное проникновение, которое способствует доставке питательных веществ к метаболической системе листа. 

Способность к биохимическому разложению  на поверхности растения 

Скорости материалов к биодеградации, используемых в сельском хозяйстве, особенно соединений примененных вместе с питательными веществами на растении, недавно  стали уделять большое внимание (Montforts, 2001). Для решения этой проблемы, было проведено изучение, исследующее скорость деградации Ферти-Вана после применения на листьях цитрусовых (Табл.2). Может видеть, что больше половины листа покрыто Ферти-Вантом (показано на Фотографии 3e). Покрытие листа Ферти-Вантом  сокращалось приблизительно на 47 % после 28 дней. Однородная пленка которая покрывала лист в первоначальной стадии лопнула и начала исчезать в течение периода изучения.

Таблица 2:

Частицы деградации Ферти-Ванта после опрыскивания на листьях цитрусовых.

Ферти-Вантом опрыскивали растения цитрусовых, выращиваемые в оранжерее. В течение 28 дней, процент покрытия Ферти-Вантом листьев был визуально. Отношение между покрытием листовой массы в день 1 и в 7, 14, 21 и 28 дни после применения показывает скорость  деградации Ферти-Ванта. 

ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Никакого необратимого эффекта  на растворение эпикутикулярного  воска на листьях цитрусовых, обработанных Fe2(SO4) покрытых Ферти-Вантом не обнаружено  ни с помощью СЭM, ни в естественных условиях (in  vivo).

Ферти-Вант произвел уникальный эффект по распространению и прилипанию питательных веществ на листьях цитрусовых. Большая область на листе покрыта удобрением и питательные вещества сохраняются на поверхности листьев в течение длительного времени.

Как  лабораторные эксперименты, так и  опыты в естественных условиях показывали, что MKP покрытый Ферти-Вантом имеет более длительный эффект по доставке питательного элемента в клетку метаболической системы листьев цитрусовых в сравнении с другим общеизвестными поверхностно-активными веществами.