Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали наночастицы, созданные на основе растительных вирусов, которые могут доставлять молекулы пестицидов в недоступные ранее слои почвы. Эта разработка может помочь фермерам эффективно бороться с паразитическими нематодами, поражающими корневую зону сельхозкультур, и при этом минимизировать затраты, использование пестицидов и токсичность для окружающей среды.
Борьба с нематодами, поражающими корневую систему, уже давно является сложной задачей в сельском хозяйстве. Одна из причин заключается в том, что пестициды, применяемые против нематод, обычно прилипают к верхним слоям почвы, не позволяя им достичь корневой системы, где нематоды наносят вред. В результате фермеры часто прибегают к внесению чрезмерного количества пестицидов, а также к использованию воды для доставки пестицидов до корневой зоны. Это может привести к загрязнению почвы и грунтовых вод.
Чтобы найти более устойчивое и эффективное решение, группа специалистов разработала наночастицы вирусов растений, которые могут переносить молекулы пестицидов глубоко в почву, именно туда, где они необходимы. Эта работа подробно описана в статье, опубликованной в журнале Nano Letters.
Команда черпала вдохновение в медицине, где наночастицы создаются для адресной доставки лекарств, и адаптировала эту концепцию к сельскому хозяйству. Идея повторного использования биологических материалов для различных целей также является одним из направлений работы Центра исследования материалов и инжиниринга (MRSEC) Калифорнийского университета в Сан-Диего.
«Мы разрабатываем подход к точному земледелию, в рамках которого создаем наночастицы для адресной доставки пестицидов, — сказала Николь Штейнметц (Nicole Steinmetz), профессор наноинженерии в Школе инженерии имени Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и директор-основатель Центра наноиммуноинженерии, являющаяся старшим автором исследования. — Эта технология обещает повысить эффективность обработки в полевых условиях без необходимости увеличения дозы пестицидов».
Основу этого подхода составляет вирус зеленой мозаики табака, способный легко перемещаться по почве. Исследователи модифицировали наночастицы этого вируса, сделав их неинфекционными для сельскохозяйственных культур путем удаления РНК. Затем они смешали эти наночастицы с растворами пестицидов в воде и нагрели их, получив сферические вирусоподобные наночастицы, наполненные пестицидами, в результате простого синтеза в одном месте.
Такой синтез имеет ряд преимуществ. Во-первых, он экономически эффективен, состоит всего из нескольких этапов и имеет простой процесс очистки. В результате получается более масштабируемый метод, что открывает путь к созданию более доступного продукта для фермеров, отметила Штейнметц. 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 молекулы пестицида связываются с наночастицами, мы бы, по сути, создали новое соединение, которое должно пройти совершенно новый процесс регистрации и утверждения регулирующими органами, — сказал первый автор исследования Адам Капарко из лаборатории Штейнметц. — Но поскольку мы просто инкапсулируем пестицид в наночастицы, мы не меняем действующее вещество, поэтому нам не придется получать новое разрешение на его применение. Это может помочь ускорить внедрение данной технологии на рынок».
Кроме того, вирус мягкой зеленой мозаики табака уже одобрен Агентством по охране окружающей среды (EPA) для использования в качестве гербицида для борьбы с инвазивным растением — тропическим содовым яблоком. Это разрешение может еще больше упростить путь от лаборатории до рынка.
Исследователи провели эксперименты в лаборатории, чтобы продемонстрировать эффективность наночастиц, содержащих пестициды. Наночастицы поливались через столбики почвы и успешно переносили пестициды на глубину не менее 10 см. Растворы, собранные со дна почвенных колонок, содержали наночастицы пестицидов. Когда исследователи обработали этими растворами нематод, они уничтожили не менее половины их популяции в чашке Петри.
Хотя исследователи еще не испытывали наночастицы на нематодах, скрывающихся под почвой, они отмечают, что данное исследование является значительным шагом вперед.
«Наша технология позволяет использовать в почве пестициды, предназначенные для борьбы с нематодами, — говорит Капарко. — Сами по себе эти пестициды не могут проникнуть в почву. Но с нашими наночастицами они теперь обладают подвижностью в почве, могут достигать уровня корней и потенциально убивать нематод».
Дальнейшие исследования будут включать в себя тестирование наночастиц на реальных зараженных растениях для оценки их эффективности в реальных сельскохозяйственных сценариях. Команда также разработала планы промышленного партнерства, направленного на превращение наночастиц в коммерческий продукт.
