Proiect ADER 7.3.9

Cercetări privind activitatea biologică a unor produse pe bază de nanomateriale asupra unor agenți de dăunare majori din pomicultură și evaluarea impactului ecotoxicologic al acestora asupra entomofaunei utile

Coordonator proiect – Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Chimie și Petrochimie – ICECHIM București

Director de proiect: Dr. Biochim. OANCEA Florin

P1 – Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Pedologie, Agrochimie și Protecția Mediului – ICPA Bucuresti

Responsabil de proiect: Dr. Chim. CIOROIANU Traian Mihai

P2 – Staţiunea de Cercetare-Dezvoltare pentru Pomicultură Constanţa

Responsabil de proiect: Dr. MOALE Cristina

Fazele proiectului

Anul 2019: Faza 1 – Elaborarea modelelor experimentale de produse pe bază de nanomateriale și a tehnologiei de aplicare

Anul 2020: Faza 2 – Realizarea și testarea modelelor experimentale de produse pe bază de nanomateriale și a tehnologiei de aplicare

Anul 2021: Faza 3, Optimizarea modelelor experimentale de produse pe bază de nanomateriale și a tehnologiei de aplicare

Anul 2022: Faza 4, Demonstrarea funcționalității modelelor experimentale de produse pe bază de nanomateriale și a tehnologiei de aplicare

Proiectul are ca scop creșterea competitivității tehnico-economice în pomicultură prin realizarea unor produse multifuncționale, cu siguranță ridicată în utilizare, pe bază de nanomateriale naturale silicioase din România.

Faza 1

Elaborarea modelelor experimentale de produse pe bază de nanomateriale și a tehnologiei de aplicare

Perioada de implementare: 24.09.2019 – 30.10.2019

Activitate 1.1. Nanostructurarea și formularea inovativă a produselor pe bază de nanomateriale naturale silicioase

  • Produsele multifuncționale realizate în cadrul proiectului ADER 739 au următoarele acțiuni: (i) insecto-fungicidă; (ii) de biostimulant de creștere și (iii) de matrice suport pentru eliberarea controlată a oligo- și micro-elementelor din componența fertilizanților foliari.
  • Sunt cunoscute o serie întreagă de produse pe bază de nanomateriale naturale silicioase, ca de ex. diatomită sau zeolit, care sunt utilizate pentru protecția și nutriția plantelor cultivate. Diatomita (denumită și diatomit sau pămânțel de diatomee) este o rocă sedimentară formată din depunerea cochiliilor algelor microscopice monocelulare din clasa Bacillariophyceae (diatomee). Produsele pe bază de diatomită, care au un conținut între 85-96% bioxid de siliciu amorf, SiO2xnH2O, recunoscute pentru capacitatea lor de a limita dezvoltarea insectelor dăunătoare și a fungilor micotoxigeni în cerealele depozitate (Nkpay, 2006), au o acțiune insecto-fungicidă semnificativă și atunci când au fost aplicate foliar (Singh&Singh, 2016).
  • Zeoliții naturali, aluminosilicați hidratați cu structură deschisă formați la contactul cenușilor piroclastice cu apa, sunt utilizați în agricultură ca ameliorator de sol (Mumpton, 1999) și pentru protecția părților aeriene ale plantelor de cultură (De Smedt et al., 2015).
  • Pentru că sunt produse naturale, aceste materiale minerale nanosilicioase, diatomita și zeoliții, sunt permise pentru a fi utilizate pentru protecția și nutriția plantelor cultivate în sisteme de agricultură ecologică / organică (Korunic, 1998, Eroglu et al., 2017).

Dezavantajele produselor naturale nanosilicioase

  • Un prim dezavantaj al utilizării acestor produse pentru tratamentele foliare este determinat de dificultatea aplicării lor pe scară largă. Pulberile de prăfuit nu permit o acoperire corespunzătoare a foliajelor pomilor fructiferi și generează riscuri pentru sănătatea muncitorilor care aplică astfel de produse (Zhang et al., 2014). Suspensiile de diatomită sau zeolit în apă sunt instabile și dificil de pulverizat. Aceste materiale naturale nanosilicioase au numeroase grupări hidroxil, care interacționează puternic prin legături de hidrogen și produc aglomerări care înfundă duzele de stropit. Există deci necesitatea de a dezvolta formulări ale materialelor naturale nanosilicioase care să formeze suspensii (relativ) stabile în apă, cu caracteristici de curgere care să facă posibilă aplicarea prin pulverizare.
  • Este necesar din punct de vedere practic ca formulările acestor materiale naturale nanosilicioase să nu se limiteze la a fi aplicabile prin pulverizare, ci să determine și creșterea selectivității față de organismele ne-țintă. Acțiunea de protecție a foliajului plantelor față de agenții dăunători nu este determinată de compoziția chimică, ci caracteristicile fizice, respectiv de capacitatea ridicată de absorbție a acestor materiale naturale silicioase, cu un raport foarte mare suprafață – volum (Korunic, 1998, Nakhli et al., 2017). Acest raport mare suprafață – volum, rezultat ca urmare a existenței diferitelor tipuri de nanostructuri poroase în componența diatomitei și a zeoliților, favorizează absorbția lipidelor din cuticula insectelor, reducând eficacitatea acesteia ca barieră de permeabilitate pentru apă (Korunic, 1998, De Smedt et al., 2015). Efectul abraziv amplifică distrugerea cuticulei insectelor și accelerează deshidratarea acestora. Apa eliberată din insecte este reținută de grupările hidrofile din componența porilor nanomaterialelor silicoase. O acțiune desicantă similară este implicată și în efectul de limitare a dezvoltării fungilor (De Smedt et al., 2015).
  • Efectul de deshidratare se produce însă și asupra frunzelor și insectelor benefice – prădători din familia Coccinellidae de ex. (Ulrichs et al., 2001). Deci sunt necesare formulări prin care să crească selectivitatea acțiunii desicante a diatomitei și zeoliților naturali.

Contracararea dezavantajelor

Ilustrarea mecanismelor de compensare fiziologică a efectelor negative exercitate de produsele pe bază de materiale nanosilicioase utilizate în pomicultură

Aspectul materiei prime, diatomită și zeoliți naturali, și al produselor finite granulate (1 și 4), imagini de microscopie electronică de baleiaj (2 și 5) ale materiei prime (3 și 5 a, b) și ale produselor finite (3 și 5 c,d) și creșterea suprafeței specifice

Avantajele produselor realizate

  • Produsele finale sunt sub formă de granule și nu produc pulberi submicronice, potențial dăunătoare utilizatorilor, în timpul manipulării și al aplicării;
  • Granulele rezultate se dispersează rapid în apă;
  • Materialul silicios natural este menținut în suspensie datorită efectului emulgator al emulgatorilor;
  • Este facilitată eliberarea siliciului solubil din nanomaterialele silicioase naturale, diatomită și/sau zeoliți, datorită măririi suprafeței și a grupărilor Si-OH libere;
  • Produsele realizate sunt multifuncționale, având și o activitate de biostimulant de creștere, datorită eliberării treptate de siliciu solubil, și o acțiune de matrice de eliberare retard a nutrienților cationici, datorită grupărilor anionice de pe suprafață.

Activitate 1.2. Dezvoltarea tehnologiei de aplicare și integrarea acesteia în tehnologia de cultură a pomilor fructiferi

  • Câmpul experimental este situat în cadrul Stațiunii de Cercetare-Dezvoltare pentru Pomicultură Constanța, cu sediul în Valu lui Traian, Județul Constanța, Dobrogea. Coordonatel geografice sunt: 44°10’ latitudine nordică, 28°29’ longitudine estică, 70-72 m altitudine.
  • Pentru elaborarea tehnologiei de aplicare au fost studiate câte 2 soiuri din speciile cais, piersic și migdal după cum urmează: la specia cais, soiurile: AMIRAL și DE VALU; 2 soiuri la specia piersic: MIMI și CATHERINE sel 1 și 2 soiuri la specia migdal: SANDI și PREANÂI. Soiurile de cais și piersic, luate în studiu sunt soiuri, create la S.C.D.P. Constanţa. Cele trei specii sunt organizate într-un lot demonstrativ înfiinațat în anul 2011 cu distanța de plantare 4/4 m, (625 trees/ha) forma de coroană vas, portaltoiul folosit pentru specia cais este zarzăr iar pentru cele două specii piersic și migdal este folosit portaltoiul Tomis 1.
  • In cadrul proiectului ADER 739, la cais, piersic și migdal se vor aplica produsele pe bază de nanomateriale silicioase, dezvoltate în cadrul acestei faze, pentru limitarea populațiilor de Myzodes persicae; Anarsia lineatella; Cydia (Grapholita) molesta; Pseudomonas amygdali, Fusicoccum amygdali, Monilia spp., Sphaeroteca pannosa. Pentru acești agenți de dăunare există informații care sugerează o bună eficacitatea bună a nanomaterialelor naturale silicioase (Wakeil & Saleh, 2009).

Compatibilitatea nanomateriale silicioase – fertilizanți foliari

  • Se vor realiza 2 formule de fertilizanti cu aplicare foliara pentru care se vor studia stabilitatea si compatibilitatea cu doua produse pe baza de nanomateriale (zeolit si diatomee). Formularea fertilizantilor foliari va avea in vedere cerintele unor specii pomicole privind consumul de elemente nutritive, precum și salinitatea, conductivitatea si pH solutiei ce urmeaza a fi aplicate. Pentru fertilizarea suplimentara a speciilor pomicole, se va elabora o formula si se va obtine un prim fertilizant cu o matrice de tip NPK si microelemente necesare nutritiei (B, Cu, Fe, Mn, Zn, Mo).
  • Această formula va putea fi aplicata în mai multe faze de vegetatie ca si fertilizare suplimentară, precum și cu scopul prevenirii si combaterii carentelor nutritionale sau în cazul stresului datorat accidentelor climatice. O a doua formula fertilizanta are in vedere o matrice care sa contina calciu si magneziu, cele două elemente indispensabile nutritiei in pomicultura in faza de fructificare, alături de azot si microelemente (B, Cu, Fe, Mn, Zn).
  • Cele doua formule fertilizante cu aplicare foliara vor constitui matricea in care se vor îngloba cele doua produse pe baza de nanomateriale (zeolit si diatomee). Structurile rezultate vor fi de tipul suspensiilor in medii apoase pentru stabilizarea cărora se vor adăuga polioli si polizaharide. Acestea vor fi selectate avand in vederea atat rolul lor in nutritie cât și favorizarea preluării nutrienților prin sistemul foliar. In sistemele de tip oxizi in mediul de dispersie apă, sarcina electrica a acestora este determinata de forțele de hidratare a suprafetei particulei si de adsorbția ionica. Astfel se formeaza pe suprafata particulelor compusi care trec în mediul de dispersie influențând pH-ul suspensiei. Valoarea medie a pH depinde de natura chimică a nanoparticulei si intensitatea reacției cu mediul de dispersie.

Aplicarea produselor pe bază de nanomateriale silicioase

  • Aplicarea nanomaterialelo silicioase se va face în cadrul tratamentelor T7/T8 (19 aprilie – 5 mai) și T9/T10 (10 mai – 25 mai), concomitent cu aplicarea unor fertilizanți foliari,c are vor fi selectați din punct de vedere al compatibilității de Partenerul P1 ICPA. Concentrațiile în care aceste produse se vor aplica sunt de 1% și 2%, norma de stropire este echivalent a 1000 litri/ha, ceea ce corespunde unor doze de 10 și 20 kg/ha.
  • Se va studia deriva și uniformitatea acoperirii foliajului de către produsele pe bază de nanomateriale silicioase. Se vor monitoriza dăunătorii țintă și se va va face și monitorizarea entomofaunei utile (în primul rând a prădătorilor din familia coccinilidae) prin observații și eșantionări (Partenerul P1). Partenerul coordonator (CO, INCDCP-ICECHIM) și partenerul P2 (P2, ICPA) vor face determinări ale fizologiei plantelor (conductanță stoamtală, eficacitate fotosinteză), comparativ, variante tratate cu produsele nanosilicioase și martorul netratat. Prin cele doă tipuri de determinări se va monitoriza efectul produselor pe bază de nanomateriale silicioase asupra organismelor-nețintă.

Concluzii

Din punct de vedere ștințific și tehnic, obiectivele prevăzute în faza 1 au fost realizate în totalitate, fiind realizate produsele pe bază de materiale naturale nanosiliciose și fiind elaborată tehnologia de aplicare a nanomaterialelor silicioase, fapt pentru care cercetările vor continua în fazele următoare conform Planului de realizare al proiectului.

Faza 2

Realizarea și testarea modelelor experimentale de produse pe bază de nanomateriale și a tehnologiei de aplicare

Perioada de implementare: 01.11.2019 – 30.10.2020

Activitate 2.1. Nanostructurarea și formularea inovativă a produselor pe bază de nanomateriale naturale silicioase

  • Produsele multifuncționale realizate în cadrul proiectului ADER 739 au următoarele acțiuni: (i) insecto-fungicidă; (ii) de biostimulant de creștere și (iii) de matrice suport pentru eliberarea controlată a oligo- și micro-elementelor din componența fertilizanților foliari.
  • În cazul aplicării foliare s-a dovedit că, pentru a fi eficiente, aceste nanomateriale silicioase trebuie să formeze o peliculă care să acopere organele aeriene ale plantelor, frunze / foliaj și fructe, care se intenționează a fi protejate față de factorii de stres biotici și abiotici.

Formarea peliculei de particule de către nanomateriale naturale silicioase, cu rol multiplu – blocare hrănire insecte, blocare penetrare hife fungi patogeni, stimulare fotosinteză prin concentrarea locală a CO2, eliberarea controlată a fertilizanților foliari. Date din de Smedt et al. (2015). Potential and actual uses of zeolites in crop protection. Pest management science, 71(10), 1355-1367.

Diatomită cu NPSe obținute cu aditiv multifuncțional – obținere și caracterizare TEM

Obiective etapa A2.1

Obiectivele pentru această etapă ale acestei activități au fost atinse. S-a realizat nanostructurarea și formularea inovativă a produselor pe bază de nanomateriale naturale silicioase. Scopul a fost acela de a realiza produse cu capacitate ridicată de formare a peliculelor de particule cu funcționalitate multiplă: (i) insecto-fungicidă; (ii) de biostimulant de creștere și (iii) de matrice suport pentru eliberarea controlată a oligo- și micro-elementelor din componența fertilizanților foliari. Produsele rezultate pe bază de nanomateriale, respectiv zeolit și diatomită, nanostructurate, cu conținut de nanoseleniu (120 mg/kg) și nanochitosan grefat cu acid ferulic (8%), au fost utilizate pentru în celelalte activități ale proiectului, care vor fi prezentate în cele ce urmează.

Activitate A2.2. Obiective etapă

  • Obiectivul pentru această etapă a fost atins. Au fost selectate 2 compoziții de fertilizanți compatibili cu produsele pe bază de nanomateriale. Cele două produse pe bază de nanomateriale, respectiv zeolit și diatomită, nanostructurate, cu conținut de nanoseleniu (120 mg/kg) și nanochitosan grefat cu acid ferulic (8%), au o capacitate semnificativă de schimb ionic, fiind bune matrici-suport pentru eliberarea controlată a oligo- și micro-elementelor din componența fertilizanților foliari.
  • S-a realizat tehnologia de aplicare a produselor multifuncționale pe bază de nanomateriale silicioase, care a fost testată la cais, piersic și migdal.

Activitate 2.3. Evaluarea eficacității față de agenții de dăunare majori și studiul privind impactul asupra entomofaunei utile

  • Produsele multifuncționale realizate în cadrul proiectului ADER 7.3.9 au următoarele acțiuni: (i) insecto-fungicidă; (ii) de biostimulant de creștere și (iii) de matrice suport pentru eliberarea controlată a oligo- și micro-elementelor din componența fertilizanților foliari. Sunt cunoscute o serie întreagă de produse pe bază de nanomateriale naturale silicioase, ca de ex. diatomită sau zeolit, care sunt utilizate pentru protecția și nutriția plantelor cultivate.
  • Acțiunea de protecție a foliajului plantelor față de agenții dăunători nu este determinată de compoziția chimică, ci caracteristicile fizice, respectiv de capacitatea ridicată de absorbție a acestor materiale naturale silicioase, cu un raport foarte mare suprafață – volum. Acest raport mare suprafață – volum, rezultat ca urmare a existenței diferitelor tipuri de nanostructuri poroase în componența diatomitei și a zeoliților, favorizează absorbția lipidelor din cuticula insectelor, reducând eficacitatea acesteia ca barieră de permeabilitate pentru apă. Efectul abraziv amplifică distrugerea cuticulei insectelor și accelerează deshidratarea acestora. Apa eliberată din insecte este reținută de grupările hidrofile din componența porilor nanomaterialelor silicoase. O acțiune desicantă similară este implicată și în efectul de limitare a dezvoltării fungilor.

Partener 2, Evaluarea eficacității și a impactului asupra entomofaunei utile

Sensibilitatea relativă a soiurilor de piersic și migdal față de atacul unor agenți patogeni în anul 2020

Eficacitatea produselor testate față de păduche verde al piersicului (M. persicae)

Aspecte din timpul începerii monitorizării speciei Coccinela septempunctata, prădători ai afidelor, la piersic

Obiective etapă – Activitate A2.3

  • Obiectivele acestei etape, pentru această activitate au fost atinse. A fost evaluată eficacitatea produselor pe bază de nanomateriale silicioase asupra unor agenți de dăunare. Rezultatele indică o eficacitate specifică pentru produsele bio-raționale, care poate fi semnificativ ridicată prin utilizarea unor substanțe cu acțiune complementară S-a studiat influența asupra entomofaunei utile, respectiv C. septempunctata, prădător ai afidelor.

Activitatea 2.4. Determinarea influenței produselor cu nanomateriale asupra fiziologiei plantelor tratate

  • Fenomenul de concentrare locală a bioxidului de carbon a fost până în prezent numai speculat, nu și pus în evidență în mod direct. Deși determină o umbrire a frunzelor, pelicula de particule are inclusiv un efect benefic asupra radiației active fotosintetic, la nivelul coronamentului, datorită reflectării suplimentare a luminii de pe etajele inferioare ale coronamentului. [44]
  • În cadrul acestei activități s-a procedat la determinarea a mai multor parametri fiziologici: fotosinteza nete, transpirația, concentrația de CO2 substomatal, intensitatea radiației active fotosintetice și temperatura la nivelul frunzei (Determinările au fost efectuate cu un sistem portabil LCproT Advance ADC Bioscientific, Herts, UK), fluorescența clorofilei (cu un fluorimetru Walz, Effeltrich, Germania) și conductanța stomatală (Porometru AP4 – Delta-T Devices, Cambridge, Marea Britanie). Determinările s-au efectual la 14 și la 28 zile de la tratament.

Determinarea efectelor produselor cu nanomateriale asupra fiziologiei plantelor și a calității recoltei

Măsurători ale parametrilor fiziologici. a), b), c) Fluorescența clorofilei cu aparat portabil pentru măsurarea fluorescenței clorofilei, PAM-2500, Walz, la cais, piersic și migdal; d), e) măsurători ale parametrilor fotosintezei cu sistemul portabil pentru măsurarea fotosintezei, LCpro T, BioScientific, la cais și piersic și f) măsurători ale conductanței stomate la migdal cu porometru AP4, Delta-T Devices.

Efectul produselor Nanofert D și Nanofert Z, pe bază de nanomateriale silicoase naturale, asupra conductanței stomatale și a eficienței cuantice a fotosintezei la migdal

Partener 1, Studiu privind efectul utilizării nanomaterialelor asupra nutriției plantelor

Sporurile de producție (%) obținute prin aplicarea foliară a fertilizanților experimentali NANO FERT D și NANO FERT Z (martor nefertilizat foliar)

Obiective Activitatea A2.4

  • Obiectivele pentru această fază au fost realizate. S-au determinat efectele de stimulare ale fotosintezei, faza de asimilare, ca urmare a tratamentelor cu produse foliare pe bază de nanomateriale silicioase naturale. A fost determinată influența tratamentelor cu produse pe bază de nanomateriale asupra caracteristicilor de calitate ale recoltei.
  • S-a determinat efectul nanomaterialelor asupra nutriției plantelor. Rezultatele experimentale evidențiază o influenta pozitivă şi sporul de producție asigurat statistic semnificativ si respectiv distinct semnificativ (1392 kg/ha – 115,1% NANO FERT D si 1732 kg/ha – 118,*% NANO FERT Z) comparativ cu varianta martor nefertilizat, prin aplicarea celor trei tratamente foliare, în concentrație de 1,5% cu îngrășămintele experimentale la vița de vie cultivata în livadă intensivă, în condiții de neirigare.

Activitate 2.5. Stabilirea efectului ecotoxicologic al produselor pe bază de nanomateriale asupra râmelor – Conducător de proiect, Stabilirea efectului ecotoxicologic asupra râmelor

  • Substratul de testare utilizat pentru testarea râmelor conținea substratul de bază, produsul pe bază de nanomateriale silicioase, NanoFert D și Nanofert Z în proporții de până la 10% și apa deionizată. Substratul de control conținea numai substratul de bază și apa. Conținutul de apă a fost de aproximativ 25-42% din greutatea uscată a substratului de bază. Pentru test au fost folosite plăci Petri umplute cu circa 100 grame substrat. În timpul testului de ecotoxicologie, borcanele de testare au fost păstrate într-o incintă termostată, la o temperatură de 20 ± 2°C în condiții de iluminare cu o lumină difuză de circa 6 μE m−2 s−1.
  • În condițiile experimentale testate nu s-a evidențiat mortalitate diferită la variantele tratate cu NanoFert D și Nanofert Z în comparație cu martorul netratat. Substratul artificial de creștere include kaolin, care este de asemenea un nanomaterial natural nanosilicios -diferența față de diatomită și zeolite este dată de lipsa structurilor nanoporoase tridimensionale. Înlocuirea de până la 10% din nisip cu produsele realizate în cadrul proiectului ADER 7.3.9. nu a determinat mortalitate a râmelor.
  • Obiectivele acestei etape, pentru această activitate, au fost atinse. A fost stabilită lipsa efectului toxic acut asupra râmelor.

Activitate 2.6. Diseminarea și valorificarea rezultatelor

  • Activitatea de diseminare a fost realizată conform planificării. A fost trimis spre publicare la Agronomy (MDPI, cotată ISI, factor de impact 2,603) articolul Siliceous Natural Nanomaterials as Biorationals – Plant Protectants and Plant Health Strengtheners, autori Diana Constantinescu-Aruxandei, Carmen Lupu și Florin Oancea, articol care identifică necesitatea utilizării produselor pe bază de nanomateriale silicioase împreună cu alte produse cu activitate complementară. În cadrul etapei 2/2020 erau planificate 2 comunicări științifice. În pofida anului dificil sub aspectul organizării simpozionalelor și conferințelor, cercetătorii implicați în proiect au publicat și prezentat trei comunicări științifice.

Lucrări și comunicări științifice

1 Articol publicat

  • Constantinescu-Aruxandei, D., Lupu, C., & Oancea, F. (2020). Siliceous Natural Nanomaterials as Biorationals—Plant Protectants and Plant Health Strengtheners. Agronomy, 10(11), 1791. (Factor impact Agronomy 2,603, Q1, 19 din 89 domeniul Agronomie)

3 comunicări științifice

  • Cristina Moale, Leinar Septar, Ion Caplan, Mirela Titisina, Mariana Toma Singh, ”Determination of the sensory quality of apricots depending on the biological treatments in orchard, Agriculture for life, life for agriculture, București, 4÷6 iunie 2020
  • Ghiurea, M., Moale, C., & Oancea, F. (2020). Effect of Foliar Application of Siliceous Nanomaterial on Photosynthesis Performance in Sweet Almond (Prunus dulci). Priorities of chemistry for a sustainable development – Priochem – XVIth edition, Multidisciplinary Digital Publishing Institute Proceedings, 57(1), 74.
  • Dimitriu, L., Șomoghi, R., Preda, D., Constantinescu-Aruxandei, D., & Oancea, F. (2020). Biosynthesis of Selenium Nanoparticles Supported on and within Diatomite through a Continuous Flow Method. Priorities of chemistry for a sustainable development – Priochem – XVIth edition, Multidisciplinary Digital Publishing Institute Proceedings, 57(1), 10
ÎNAPOI LA WEBSITE