Материаловедение

Можливість  модифікації будови комплексонів, а  отже, і властивостей утворюваних  ними комплексонатів, доступність цих з'єднань і здійснення їх отримання у виробничих масштабах відкривають широкі перспективи створення і використування комплексонів і комплексонатів металів для хімізації сільського господарства.

За  рубежем подібні дослідження  проводяться досить широким фронтом, причому число публікацій щорічно зростає, що свідчить про високу результативність робіт, що проводяться. В даний час ряд зарубіжних фірм («Graсе»; «Monsanto Co»; «Shering» і ін.) випускає різні види хелатних мікродобрив.

В Україні  перші спроби застосування комплексонів в сільському господарстві (для лікування хлорозу високоцінних культур) були зроблені в 1961 р. [1, 885].

Успіх перших дослідів з комплексонами  привернув увагу наукових установ і радгоспів, що дозволило провести комплексні  хімічні,  фізіологічні  і агрохімічні   дослідження, в результаті яких були отримані цінні теоретичні і практичні результати.

Створений, вивчений і випробуваний в різних біогеопровінціях країн колишнього СРСР ряд найперспективніших і синтетично доступних препаратів цього класу. Успішне застосування комплексонів і комплексонатів біометалів вимагає обліку грунтово-кліматичних умов зон і підзон, виділених на агрохімічній карті країни. Найважливішими властивостями комплексонатів-металів є їх росторегулююча активність, вплив на всхожесть насіння злакових культур, зростання і підвищення врожайності і якості зернових, зернобобових, деяких круп'яних і технічних культур. Значна роль комплексонатів як антіхлорозних препаратів для виноградників і плодових культур, а також мікродобрив для культур закритого ґрунту (томатів, огірків). Комплексонати кальцію перспективні як препарати для вапнування підзолистих ґрунтів.

Особливої уваги заслуговує застосування комплексонів для модифікації мінеральних добрив, тобто для перекладу мікроелементів, що містяться в добривах в неприступній для рослин формі, в засвоєні біологічно активні комплексонати.

Тварини для нормального розвитку, так  само як і рослини, потребують біометали. Створені і випробувані біологічно активні комплексонати для тваринництва.

Комплексони і комплексонати на їх основі можна  віднести до найперспективніших біологічно активних з'єднань.

3.1. Роль  біометалів в розвитку рослин  і тварин

Роль  біометалів в розвитку рослин і тварин дуже велика. Вони доповнюють дію основних елементів добрив (N, Р, К) [364, 413, 884, 886—890].

При недостатньому надходженні в  організм рослини біометалів сільськогосподарські культури дають низький і неповноцінний за якістю урожай. Такі хвороби, як хлороз, бактеріоз льону, серцевинна гнилизна і дуплиста буряка, пробкова плямистість яблук, «хвороба обробки», полегаємість і пустозерність злаків, сіра плямистість вівсу, розеткова хвороба плодових і багато інших захворювань рослин, є слідством різкого недоліку біометалів. Біометали містяться в ґрунті як у водорозчинних, так і нерозчинних формах. Вони входять в кристалічні грати первинних і вторинних мінералів, утворюють комплексні з'єднання з органічними речовинами ґрунту, сорбіруються на поверхні її колоїдних частинок.

Вміст біометалів в рослині залежить від біологічних особливостей самої рослини і від вмісту в грунті рухомих форм цього біометалу. Мідь, цинк, кобальт, марганець, молібден, кальцій, залізо беруть участь в окислювально-відновних процесах, що відбуваються в організмі рослини і тварини, є складовою частиною ряду найважливіших окислювальних ферментів, беруть участь у вуглеводному і білковому обміні рослин.

Не  менше значення «метали життя» мають  для розвитку  організму тварин   [884, 890—892].  Відомо,  що   всі процеси обміну речовин в організмі протікають у вигляді хімічних, біохімічних реакцій. При цьому синтезуються білки, жири, вуглеводи. З їх участю відбувається зростання і розвиток організму. Швидкість, узгодженість і взаємодія всіх цих процесів залежать від ферментів, в активності яких грають важливу роль гормони, вітаміни і мікроелементи, що поступають в організм тварин.

Мікроелементи, особливо такі біометали, як кобальт, мідь, цинк, марганець, беручи участь в створенні або активуючи дію ферментів, вітамінів, гормонів, регулюють обмін речовин і цим визначають всі процеси, що протікають в організмі, — зростання,  розвиток,  розмноження, продуктивність і якість продукції.

Всі рослинні і тваринні організми потребують постійному поповненні мікроелементами [892, 893]. Проте останні повинні вводитися в живий організм в біологічно реактивній формі, здатній легко транспортуватися і засвоюватися. Застосування в цьому випадку неорганічних солей металу малоефективне.  Значно  більш  високі результати очікуються  при  використовуванні  комплексних  з'єднань  металів, найперспективнішими з яких є з'єднання з біологічно активними комплексонами, такими, як етілендіамінтетраоцтна (ЕДТА), діетилентриамінпентаоцтна (ДТПА), дігідроксібутілендіамінтетраоцтова (ДБТА), етілендіаміндіянтарна (ЕДДЯ), гідроксіетилідендіфосфонов (ОЕДФ),  нітрілтриметіленфосфонова  (НТФ) кислоти [886, 890, 894—896].

Комплексони, що містять карбоксіліфосфор, утворюють з біометалами (Fe³⁺, Fe²⁺, Ca²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺)  комплекси високої стійкості [182]. Фізико-хімічне вивчення процесів комплексоутворення з біометалами і зіставлення з даними біологів і агрохіміків надало, що вплив комплексонів на поведінку біометалів в організмі рослини і тварини симбатно константам стійкості їх комплексів в розчинах, тобто в рослинах не порушуються загальні фізико-хімічні закономірності.

Специфічні  властивості різних ґрунтів і  складні фізіологічні процеси, що відбуваються в рослині, накладають певний відбиток на дію біологічно активних комплексонатів, тому необхідний їх широкий асортимент для диференційованого застосування залежно від природи рослин і характеру грантів.

3.2. Застосування комплексонів і  комплексонатів біметалів в рослинництві

Комплексонати металів є цінними мікродобривами, ефективність дії яких значно вище, ніж відповідних неорганічних солей. Цим і визначається перспективність їх застосування в рослинництві. Один з раціональних шляхів використування комплексонатів мікроелементів в рослинництві разом з позакорневою і підкореневою підгодівлею рослин полягає у введенні їх до складу мінеральних добрив, що скорочує витрати праці і підвищує агроекономічну ефективність. Особливий інтерес представляє введення до складу мінеральних добрив комплексонів, які взаємодіють з тими, що знаходяться в добриві, мікро- елементами, підвищуючи їх біологічну активність.

Використування  комплексонатів металів як мікродобрива. Комплексонати металів роблять позитивний вплив на всхожесть насіння, зростання і підвищення врожайності багатьох сільськогосподарських рослин.

Обробка комплексонатами мікроелементів насіння  приводить до зміни термінів вегетації, збільшенню урожаю. Дія їх на насіння гречки, вівсу, ячменю, житу прискорює проростання і всхожесть насіння цих культур [40, 204, 890, 897].

Комплексонати металів вельми перспективні при  передпосівній обробці насіння  із застосуванням плівкообразуючих препаратів. Останні забезпечують надійне закріплення на насінні протравлює, а також мікроелементів і стимуляторів зростання [888]. Не менше значення мають комплексони і комплексонати металів при дражируванні насіння овочевих і кормових коренеплодів. Введення в оболонку драже комплексонатів ОЕДФ і НТО позитивно позначається на врожайності і якості коренеплодів [888].

Збільшення  врожайності багатьох сільськогосподарських  культур досягається введенням комплексонатів мікроелементів шляхом підкореневої і некореневої підгодівлі. Найефективнішим є підкореневе внесення препаратів в ґрунт. Дози внесення комплексонатів металів (в перерахунку на зміст металу) залежать як від культури, так і від грунтово-кліматичних умов.

Показана  більш висока рухливість марганцю, мідь до кобальту в комплексонатах в порівнянні з їх сульфатами на дерново-підзолистих ґрунтах і на сероземе, проте відзначено зворотне явище для міді і кобальту у випадку червоноземам констатована дещо більш висока рухливість цинку на всіх ґрунтах у разі внесення хелатів в порівнянні з сульфатами.

     Таким чином, внесення комплексонатів металів в ґрунт слідує розглядати не тільки як джерело мікроелементів, але і як чинник, що впливає на рухливість мікроелементів ґрунту.

Внесення  в ґрунт і обприскування розчинами  комплексів мікроелементів з ЕДТА і особливо з ДТПА [890, 897-901]   робить  позитивний вплив на урожай багатьох культур. Останніми роками все більш широко використовують для внесення в ґрунт комплексів комплексонів — НТО і ОЕДФ [897].

Біологічні  властивості цих комплексонатів визначаються крім наявності в них мікроелемента також і вмістом в їх молекулі атомів фосфору — елемента, необхідного для нормального розвитку рослини.

Особливістю комплексонів, що містять фосфор, є також схильність до утворення як розчинних моноядерних комплексів, так і малорозчинних бі-, та поліядерних комплексів металів. Малорозчинні комплексонати представляють певний інтерес: при внесенні в ґрунт вони забезпечують рівноважну концентрацію комплексонату, що дозволяє пролонгувати його дію.

Ключовою  проблемою рослинництва є збільшення виробництва зерна. У ряді господарств Білорусі проведено вивчення впливу комплексонатів мікроелементів (Сu, Zn, Fe і ін.) на врожайність вівсу, гречки, озимої пшениці та іржі. Встановлено, що врожайність ярових і озимих культур зростає на 8...20%. Підгодівля комплексонатами цинку, міді, Залоза підвищує на 10% продуктивну кущистість вівса, сприяє збільшенню крупної зерна гречки. Підвищується той, що виживає рослин і стійкість їх до захворювань, наприклад сніжною цвіллю [897]. Некореневе обприскування озимої пшениці комплексонатами приводить до підвищення зміст клейковини [897]. При підгодівлі рослин бобів комплексами нікелю і заліза з ДТПА збільшується вміст в них мікроелементів [902].

При вирощуванні рису перспективні комплексонати  молібдену і інших мікроелементів з ДТПА, НТФ, ОЕДФ. Вони помітно активізують зростання рослин до фази кущення  [40, з. 202], підвищують врожайність [40, 903, 904]. Цікаві результати отримані з використання комплексонатів мікроелементів при вирощуванні ряду важливих кормових і технічних культур.

Комплекси мікроелементів з ДТПА і НТФ підвищують врожайність і якість бульб картоплі, стримують розповсюдження ряду захворювань цієї культури [890, 897, 905]. Це досягається обробкою бульб перед посадкою 0,001 %-ним розчином комплексонатів і внекорневою підгодівлею рослин 0,2 %-ним розчином.

Комплекси міді, марганцю, цинку, кобальту з ДТПА і НТФ підвищують урожай зеленої маси кукурудзи [40, 890, 897].

Обробка посівів люцерни розчинами комплексонату Fe з етілендіаміндіянтарною кислотою дає збільшення урожаю насіння на 30%, при цьому значно підвищується вміст цукру в нектарі люцерни [897].

Комплексонати марганцю і заліза з ДТПА як при  підкореневій підгодівлі, так і при  обприскуванні бавовника у фазі масового цвітіння збільшують його врожайність, сприятливо впливають на якість бавовняного волокна [40, 890, 897].

Великий інтерес представляють комплексонати  мікроелементів для використовування їх в закритому ґрунті. Розвиток культур закритого ґрунту має ряд специфічних особливостей: формування великої надземної маси, слабкий розвиток кореневої системи, тривалий період вегетації, що супроводиться значним споживанням елементів живлення.

Вирощування рослин в цих умовах обумовлює  необхідність одночасного внесення в розчиненому стані багатокомпонентних добрив. Застосування в цьому випадку замість неорганічних солей комплексонатів біометалів значно усилює їх біологічну активність, запобігає утворенню опадів фосфатів, що виходять при взаємодії солей металів з фосфорним компонентом добрива і утруднюють  нормальну роботу системи.

З'являється можливість широкого використовування торф'яних ґрунтів, для яких характерна мала рухливість біометалів, особливо Cu²⁺, Zn²⁺, Co²⁺, Mn²⁺.

Використовування  деяких пестицидів і росторегулюючих засобів інших класів з'єднань (наприклад, хлорхолінхлориду) в технології вирощування овочів в закритому ґрунті приводить як побічна дія до часткового хлорозу листових пластинок і відповідно до зниження раннього урожаю. Добавка комплексонатів до розчину хлорхолінхлориду виявилася достатньо ефективної, розсада була життєздатною і не мала ознак хлорозу. Вихід ранньої продукції збільшився на 19...26%. Введення комплексонатів не знижувало росторегулюючого ефекту препарату і сприяло кращому зав'язуванню плодів [906].

Заслуговує увагу і той факт, що рослини, оброблені росторегулюючим препаратом спільно з комплексонатами мікроелементів, володіють підвищеною стійкістю до перепадів температури і водного дефіциту грунтів. При температурних режимах вирощування 15...17 і 10...12°С забезпечується підвищення живильної цінності плодів за рахунок збільшення змісту аскорбінової кислоти і каротину, поліпшення товарних якостей плодів.

Дослідження показали можливість вирощування томатів із застосуванням названих складів в більш жорсткому температурному режимі — на 3...4 °С нижче за оптимальний, що дозволяє відповідно понизити витрати енергії на обігрів [890].

Використування  як мікродобрива нітрілтріметілфосфонатів і гліцінбісметілфосфонатів марганцю і цинку дало позитивні результати при вирощуванні гірчиці і огірків [897, 906]. Вельми перспективні комплексонати мікроелементів при вирощуванні рослин гідропонним методом. Останніми роками гідропонний метод вирощування рослин (овочевих, квіткових і ін.) придбає все більш широке розповсюдження.

Для забезпечення мінерального живлення рослин в умовах, гідропоніки застосовуються різні живильні речовини, включаючи мікроелементи із заліза. Як залізомісткі компоненти застосовують солі сірчаної, хлороводної і лимонної кислот. Неорганічні солі швидко осідають у вигляді фосфатів з живильних розчинів, тому останні доводяться коректувати. Цитрат залоза більш стійкий по відношенню до фосфатів, але і він недовговічний.