Инженеры создали наночастицы, которые борются с вредителями: это безопасно для людей, почвы и растений
Новый метод борьбы с вредителями, основанный на нанотехнологиях, позволяет доставлять пестициды глубоко в почву, предлагая эффективное решение для борьбы с заражением нематодами на корневом уровне и одновременно снижая вред окружающей среде. Так может укорениться новая форма борьбы с сельскохозяйственными вредителями, которая целенаправленно, с меньшим количеством пестицидов, лечит посевы, зараженные глубоко под землей.
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали наночастицы, созданные на основе вирусов растений, которые могут доставлять молекулы пестицидов на глубину почвы, которая ранее была недоступна. Это достижение потенциально может помочь фермерам эффективно бороться с паразитическими нематодами (или круглыми червями), поражающими корневые зоны сельскохозяйственных культур, при этом минимизируя затраты, использование пестицидов и токсичность для окружающей среды.
Заражение нематодами уже давно является проблемой в сельском хозяйстве. Пестициды, используемые против нематод, имеют тенденцию прилипать к верхним слоям почвы и не достигают уровня корней, где нематоды наносят ущерб. В результате фермеры часто прибегают к внесению чрезмерных количеств пестицидов, а также используют воду для смывания пестицидов в корневую зону. Это может привести к загрязнению почвы и грунтовых вод.
Чтобы найти более устойчивое и эффективное решение, команда под руководством Николь Стейнмец, профессора наноинженерии в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и директора-основателя Центра наноиммуноинженерии, разработала наночастицы вируса растений, которые могут транспортировать молекулы пестицидов вглубь в почву именно там, где они необходимы.
Команда Стейнмеца черпала вдохновение в наномедицине, где создаются наночастицы для адресной доставки лекарств, и адаптировала эту концепцию к сельскому хозяйству. Идея перепрофилирования и перепроектирования биологических материалов для различных применений также находится в центре внимания Центра исследований и разработок материалов Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC), соруководителем которого является Стейнмец.
«Мы разрабатываем подход точного земледелия, в рамках которого мы создаем наночастицы для адресной доставки пестицидов, — сказал Стейнмец, старший автор исследования. — Эта технология обещает повысить эффективность обработки в полевых условиях без необходимости увеличения дозировки пестицидов».
Лидером этого подхода является вирус легкой зеленой мозаики табака — растительный вирус, способный легко перемещаться через почву. Исследователи модифицировали эти вирусные наночастицы, сделав их неинфекционными для сельскохозяйственных культур, удалив их РНК. Затем они смешали эти наночастицы с растворами пестицидов в воде и нагрели их, создав сферические вирусоподобные наночастицы, наполненные пестицидами, посредством простого синтеза в одном сосуде.
Этот однореакторный синтез дает несколько преимуществ. Во-первых, он экономически эффективен, состоит всего из нескольких этапов и простого процесса очистки. В результате появился более масштабируемый метод, открывающий путь к легко доступному продукту для фермеров, отметил Штайнмец. Во-вторых, благодаря простой упаковке пестицида внутри наночастиц, а не химическому связыванию его с поверхностью, этот метод сохраняет исходную химическую структуру пестицида.
«Если бы мы использовали традиционный синтетический метод, при котором мы связываем молекулы пестицидов с наночастицами, мы бы, по сути, создали новое соединение, которому нужно будет пройти совершенно новый процесс регистрации и одобрения регулирующих органов, — сказал первый автор исследования Адам Капарко. — Но поскольку мы просто инкапсулируем пестицид в наночастицы, мы не меняем активный ингредиент, поэтому нам не нужно будет получать на него новое одобрение. Это может ускорить вывод этой технологии на рынок».
Более того, вирус легкой зеленой мозаики табака уже одобрен Агентством по охране окружающей среды (EPA) для использования в качестве гербицида для борьбы с инвазивным растением, называемым тропическим газированным яблоком. Это может еще больше упростить путь от лаборатории до рынка.
Исследователи провели эксперименты в лаборатории, чтобы продемонстрировать эффективность наночастиц, содержащих пестициды. Наночастицы поливали через столбы почвы и успешно транспортировали пестициды на глубину не менее 10 см. Растворы были собраны со дна почвенных столбов, и были обнаружены содержат наночастицы с пестицидами. Когда исследователи обработали нематоды этими растворами, они уничтожили по меньшей мере половину популяции в чашке Петри.
Хотя исследователи еще не тестировали наночастицы на нематодах, скрывающихся под почвой, они отмечают, что это исследование знаменует собой значительный шаг вперед. «Наша технология позволяет использовать в почве пестициды, предназначенные для борьбы с нематодами, — сказал Капарко. — Сами по себе эти пестициды не могут проникнуть в почву, но благодаря нашим наночастицам они теперь обладают подвижностью в почве и могут достигать уровня корней, потенциально убивать нематод».
Будущие исследования будут включать тестирование наночастиц на реальных зараженных растениях, чтобы оценить их эффективность в реальных сельскохозяйственных сценариях. Лаборатория Стейнмеца проведет эти последующие исследования в сотрудничестве с Лабораторией садоводческих исследований США. Ее команда также разработала планы отраслевого партнерства, направленного на превращение наночастиц в коммерческий продукт.
Ранее рабочая группа по охране окружающей среды обнаружила хлормекват — пестицид, связанный с риском для здоровья животных, — у 80% людей. По сути, он присутствует у четырех из пяти человек. Поскольку в исследованиях на животных это химическое вещество связано с репродуктивными проблемами и проблемами развития, полученные результаты предполагают потенциальный аналогичный вред для людей.
