Хитозан, как экологически чистая альтернатива в сельскохозяйственном использовании.

Сельское хозяйство во всём мире пытается найти решения проблем, вызванных традиционными химическими удобрениями. Решением могут стать удобрения следующего поколения, изготовленные из биоразлагаемых материалов и работающие на возобновляемых источниках энергии, что приведёт к более эффективному использованию питательных веществ и меньшему ущербу для окружающей среды. Растущий объем исследований за последнее десятилетие показал, что наночастицы хитозана могут повысить производительность сельского хозяйства, доставляя питательные вещества растениям.

Хитозан, полученный из панцирей крабов, оболочек насекомых, клеточных стенок грибов и некоторых водорослей, давно известен своими биологическими свойствами, особенно антимикробными свойствами: оказывает многочисленные положительные эффекты на растения при добавлении в почву в виде почвенной добавки, включая снижение атаки патогенов и инфицирования. Обсуждается основное применение наночастиц на основе хитозана в антибактериальных целях, введении лекарств, доставке вакцин и регенерации каллуса и тканей.

Наконец, хитозан — это активная молекула с потенциалом использования в самых разных областях, включая тканевую инженерию, терапию рака, лечение множества инфекционных болезней. Он может использоваться для вакцинирования, включая назальные формы, введение противовирусных вакцин, медицинские применения, в основном при лечении брюшного тифа и малярии. Не в медицинских областях его собираются применять в очистке воды, при производстве упаковке пищевых продуктов, а для сельского хозяйства он может оказаться весьма полезен для борьбы с болезнями растений.

Хитозан — известный полисахарид, используемый в различных отраслях промышленности, включая те, которые связаны с продуктами питания, косметикой, текстилем и даже очисткой воды. Физико-химическое взаимодействие между функциональными аминогруппами хитозана и наночастицами, лекарствами и полимерами приводит к образованию более стабильных комплексов. Благодаря появлению мощных серверов для быстродействующих вычислений, он был тщательно исследован для широкого спектра биологических применений.

Таким образом выяснилось, что он биосовместим, биоразлагаем, нетоксичен, обладает ранозаживляющими и антибактериальными свойствами с наименьшими аллергическими реакциями. В организме человека аминосахара полностью усваиваются, со временем распадаются на безвредные остатки и выводятся без затруднений или локализованных повреждений. Кроме того, хитозан является сильным адгезивом и коагулянтом. Хитозан очень полезен в биологических применениях, поскольку он имеет как первичные аминогруппы, так и первичные и вторичные гидроксильные группы.

Полисахариды (ПС) являются важным видом природного полимера в живых организмах. Гликозидные связи собирают моносахаридные мономеры в молекулу. Они являются основными строительными блоками внеклеточного матрикса и могут контролировать, как он функционирует. Хитозан представляет собой положительно заряженный линейный внеклеточный матрикс, состоящий из N-ацетил- d- глюкозамина и β-(1–4)-связанного d- глюкозамина в случайном порядке. Его получают из хитина с помощью процесса, называемого дезаминированием.

Поверхностные аминогруппы хитозана большие, что помогает ему генерировать положительные дзета-потенциалы. Благодаря тому, что аминогруппы на хитозане имеют pKa около 6,5, наночастицы стабилизируются, оставаясь протонированными при кислом и нейтральном pH. Однако нейтральность хитозана, молекулярная масса и степень деацетилирования вносят свой вклад в его уникальный набор физико-химических характеристик.

Плотность заряда хитозана, единственного поликатиона, встречающегося в природе, меняется в зависимости от степени ацетилирования и кислотности среды. Степень ацетилирования и молекулярная масса полимера определяют его растворимую природу. Уровень кислотности растворов, содержащих олигомеры хитозана, может варьироваться от кислого т. е. физиологического pH (7,4) до нейтрального. Кроме того, легкодоступные функциональные группы этого уникального вещества позволяют модифицировать его для получения замещённых, сшитых, карбоксилированных, ионных и связанных производных, все из которых могут быть адаптированы для конкретных отраслевых применений.

В сельском хозяйстве наночастицы на основе хитозана (CNP) использовались в качестве пестицидов, гербицидов и инсектицидов, для улучшения качества и повышения урожайности. Продукты на его основе, смешанные с другими наночастицами, используются для сохранения свежести свежих фруктов для длительного хранения и транспортировки. Катионная природа хитозана, его биоразлагаемость, нетоксичность и адсорбционные свойства делают его полезным в качестве инкапсулирующего агента, как самого по себе, так и в сочетании с другими материалами, при создании удобрений с медленным высвобождением и биомедицинской инкапсуляции.

Хитин является вторым по распространённости полисахаридом на Земле – он содержится в клеточных стенках многих организмов. Более распространённым является только целлюлоза. Он содержится в экзоскелете ракообразных, кутикуле насекомых и паукообразных и клеточных стенках грибов. Белок (20–40 %), хитин (15–40 %), карбонат кальция и магния (20–50 %) и другие второстепенные компоненты, такие как астаксантин, липиды и другие минералы, составляют большую часть компонентов панцирей ракообразных.

Его в основном получают из побочных продуктов крупномасштабной переработки ракообразных (таких как креветки, крабы и омары). Это природное вещество нерастворимо в воде, органических растворителях, разбавленных кислотах и ​​щелочах и может существовать в форме белого, кристаллического или аморфного порошка. Хитозан же был впервые идентифицирован Руже в 1859 году, когда он обнаружил, что нагревание хитина в щелочной среде даёт этот материал.

Хитозан является полезным адсорбирующим материалом для удаления загрязняющих веществ из сточных вод из-за наличия в его основной цепи реактивных аминогрупп и гидроксильных групп. Таким образом, его химическая структура позволяет вносить точные изменения для разработки полимеров в определённых применениях, что даёт ему преимущество перед другими полисахаридами (целлюлозой или крахмалом). Реактивные группы способны создавать композиты посредством объединения различных химических веществ.

Приведём лишь несколько примеров: хитозан превосходит бентонит, каолинит, золу масличной пальмы, монтмориллонит, полиуретан, цеолиты, магнетит и т. д. с точки зрения его способности поглощать загрязняющие вещества из сточных вод и его устойчивости к кислой среде. С другой стороны, он является мономерным катионным биополимером, который может эффективно нейтрализовать и флоккулировать анионные взвешенные коллоидные частицы, тем самым снижая химическую потребность в кислороде, концентрацию хлоридов и мутность в сточных водах. Благодаря своей способности к регенерации и минимальному воздействию на окружающую среду хитозан может использоваться в процессах адсорбции.

В сельском хозяйстве под «обработкой семян» понимается применение биологических, физических и химических агентов и методов для защиты и улучшения создания здоровых культур. Это первая линия защиты семян и молодых растений от инфекций, которые могут распространяться через почву или заражать семенную оболочку (патогены, передающиеся через семена). Она защищает уязвимые семена и молодые растения от вредных болезней в то время, когда они наиболее уязвимы, во время прорастания и раннего роста. Протравливание семян — это метод, при котором активный химикат, такой как пестицид, удобрение или стимулятор роста, наносится на поверхность семян, обычно в сочетании с дополнительными добавками.

Красители (очень эффективные пигменты), плёнкообразователи, поверхностно-активные вещества и загустители являются примерами этих дополнительных элементов. Порошкообразные или жидкие формы доступны для распыления, погружения, использования в качестве жидкого бурового геля или грунтовки твёрдой матрицы. Многочисленные особенности хитозана, большинство из которых связаны с его молекулярной массой, делают его перспективным кандидатом для использования в этой области, так как он является биополимером с высокой молекулярной массой, что делает его пригодным к использованию в качестве плёнки для создания физических барьеров, в целях предотвращения заражения патогенами.

В дополнение к использованию для обработки семян, он полезен для индукции системной устойчивости у растений при добавлении в качестве питательной среды или опрыскивании. Этот материал способен взаимодействовать с эмбриональными клетками и влиять на клеточный метаболизм растений после пересечения покровов семян, вероятно, посредством диффузии через мельчайшие разрывы, вызванные набуханием.

Сельское хозяйство сталкивается с рядом трудностей, поскольку оно стремится удовлетворить растущий спрос на надёжное снабжение продовольствием и потребности в питании быстро растущего населения. Использование регуляторов роста для контроля развития растений является одной из стратегий достижения этой цели. Регуляторы роста растений, представляют собой вещества, оказывающие благотворное влияние на рост и здоровье сельскохозяйственных и садовых культур, способствуя ветвлению, уменьшая развитие побегов, увеличивая повторное цветение, предотвращая избыточное плодоношение и усиливая развитие плодов. У сельскохозяйственных и плодовых растений есть пять основных регуляторов: ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота и этилен. Однако эти элементы, как синтетические, так и натуральные, могут использоваться на уровне гормонов и называются фитогормонами, поскольку они вырабатываются внутри растений.

Повышая эффективность питательной среды, хитозан снижает потребность в сложных и других добавках при выращивании многих культур. Кроме того, он может способствовать развитию корней, предотвращая их обесцвечивание. Поскольку это вещество может быстро разрушаться в почве из-за огромного количества и разнообразия бактерий в большинстве почв и ожидаемого присутствия хитиназ в значительной части бактериальных популяций, то такое удобрение почвы является экологически безопасным. Разложение хитина происходит в основном в бактериях.

Почва, обработанная этим видом удобрений, также эффективна против инфекций, вызванных грибковыми патогенами, например, ранним фитофторозом (Alternaria solani) или аспергиллом жёлтым (Aspergillus flavus). Усиление защитных реакций растений может объяснять часть зарегистрированного воздействия хитозана на снижение этих заболеваний. Было доказано, что он является ключевым фактором в активации индуцированной резистентности, действуя, как индуктор системного иммунитета у растений, заставляя их вырабатывать больше антимикробных химических веществ в качестве формы защиты.

Этот необычный природный элемент оказывает благоприятное воздействие, не только на почвенные бактерии, но и на само растение. Способность хитозана по-особенному воздействовать на минералы и другие питательные вещества недавно была использована в инновационной технологии биоремедиации. Это важно, поскольку недостаток необходимых минеральных элементов является распространённой причиной низкой урожайности.

Все растения, независимо от того, устойчивы они или восприимчивы, реагируют на атаку патогена, вызывая скоординированную сигнальную систему, что приводит к накоплению различных генных продуктов. На ранних стадиях атаки патогена растение развивает гиперчувствительную реакцию, которая приводит к некрозу в месте заражения (локальная реакция), убивая любые вторгшиеся патогены и предотвращая дальнейшее распространение. Таким образом, инициируется системное развитие растений с широким спектром и длительной устойчивостью к дополнительной инфекции патогена, даже в незаражённых местах.

Хитозан с низкой молекулярной массой функционирует, как мощный биотический элиситор, способный вызывать защитные реакции растений и активировать несколько путей, которые повышают устойчивость сельскохозяйственных культур к патогенам. Создание химических и механических барьеров, а также выработка новых молекул и ферментов, участвующих в защитном ответе, являются наиболее изученными реакциями растений на обработку хитозаном. Его присутствие на поверхности растения было связано с выработкой гиперчувствительного ответа и последующей запрограммированной гибелью клеток вокруг места заражения. После этой гиперчувствительной реакции защитные системы растения могут уже реагировать системно и развиваться дальше без всякого ущерба для роста.

Использование хитозана в удобрениях с контролируемым высвобождением все ещё находится на ранних стадиях. Но биоразлагаемость и экологичность этого материала делают его потенциальной золотой жилой в качестве удобрения. Кроме того, пористая природа поверхности способствует проникновению воды и питательных веществ. Азотные компоненты, содержащиеся в микросферах хитозана с механизмом контролируемого высвобождения, могут осторожно высвобождаться в почву для удовлетворения потребностей растений в питании на разных стадиях, повышения эффективности удобрения и сокращения отходов.

Кроме всего прочего полезного, о чём шла речь выше, недавние исследования сделали акцент на естественных способах борьбы с вредителями и сокращении использования пестицидов в сельскохозяйственных работах. Хитозан нашёл применение в различных сельскохозяйственных контекстах, включая модификацию инсектицидов. Поскольку он учитывает преимущества лигноцеллюлозной биомассы, его склонны считать экологически чистым инсектицидным продуктом.