Potential for new agricultural preparations in the Russian agro-industrial complex

Постановка проблемы. Мировой агропромышленный комплекс, формировавшийся на протяжении не одного тысячелетия обозримой человеческой истории, лишь относительно недавно получил импульс для перехода от экстенсивного и ресурсозатратного типа хозяйствования к интенсивному и ресурсоэффективному типу хозяйствования. Российский АПК в этом вопросе весьма существенно отстает от мировых тенденций.

Ключевые причины и проблемы, которые мешают переходу российского АПК от экстенсивного к интенсивному типу хозяйствования исследованы в различных научных работах, в том числе относимых и к гуманитарному, и к естественно-научному профилю. Но проблема не только в структурных, кадровых, технологических и агротехнических аспектах, не позволяющих российскому АПК перейти к новому типу хозяйствования, который позволяет, во-первых, получить больший объем сельскохозяйственной продукции при сопоставимом уровне затрат, а во-вторых, повысить уровень продовольственной безопасности государства.

Проблема заключается еще и в том, что современные достижения в области агрохимии не получили и не могут получить широкого практического применения, поскольку многие научные наработки пока еще не были трансформированы из фундаментальных в прикладные, не были популяризованы в профильной управленческой литературе, предназначенной для лиц, принимающих решения на макро- и микроуровне в российском АПК.

Вместе с тем потенциал российских научных разработок в области аграрной химии следует оценивать как весьма высокий, несмотря на то, что в профессиональной сельскохозяйственной среде сложилось мнение, что агрохимия – это преимущественно производство удобрений и в меньшей степени – это производство средств защиты от вредителей, которые в том числе могут представлять опасность для экосистемы, включая животных, человека, растения, водную и воздушную среду.

В действительности такое утилитарное понимание функционального назначения агрохимии (и как науки, и как вида экономической деятельности) следует отнести к середине – последней четверти XX века. Современная агрохимия – это, прежде всего, наука и производство, ориентированные на разработку и создание таких удобрений и агропрепаратов, которые одновременно повышают интенсивность ведения экономической деятельности в агропромышленном комплексе и не оказывают вредного влияния на экосистему, здоровье человека. Кроме этого, современная агрохимия стремится создавать такие агропрепараты, которые бы не только результативно боролись с патогенными микроорганизмами, но и не потенцировали развитие у таких микроорганизмов резистентности. Такой подход позволяет решать две взаимосвязанные задачи:

1) обеспечивать аграрную промышленность и в том числе сельское хозяйство эффективными и относительно безопасными для экологии агропрепаратами;

2) создавать условия для повышения интенсивности ведения агропромышленной и сельскохозяйственной деятельности за счет улучшенных химических свойств агропрепаратов, что делает их применение экономически выгодным и одновременно не снижающим качество получаемой продукции и сырья.

Одним из таких направлений современных научных исследований в области агрохимии является получение и последующее использование активных лидерных веществ для создания нового поколения фунгицидов, гербицидов, регуляторов роста, которые в том числе могут быть использованы в качестве агрохимикатов для обработки растений, формирующих кормовую базу молочных пород животных.

Результаты исследования. Проблема разработки новых агропрепаратов является актуальной в последние два десятилетия, поскольку вопросы сохранения здоровья, качества жизни современной человеческой цивилизации и экосистемы, в которой мы проживаем, стоят все более остро: снижается рождаемость, но одновременно увеличивается продолжительность жизни населения, а следовательно, растет потребность в безопасных и полезных продуктах питания [2] (Sychyov, Efremov, 2018). Это, в свою очередь, постоянно стимулирует рост требований к качеству, эффективности, интенсивности и точности сельскохозяйственного, а также агропромышленного производства.

Часть этой задачи может быть решена, например, посредством введения в агрохимию методов ретикулярной химии [5] (Sun et al., 2021), часть – за счет совершенствования методов фундаментальной органической химии. Здесь мы предлагаем обратить внимание на разработку и развитие методов сборки пероксидных циклов, подходов к окислительному сочетанию и селективному окислению органических соединений [3, 6] (Ananikov et al., 2014; Vil, Yaremenko, Ilovaisky, Terent’ev, 2017) с целью получения активных лидерных веществ для создания на их основе агропрепаратов (фунгицидов, гербицидов и регуляторов роста) и средств сохранения кормов для молочного скотоводства с пониженной вероятностью развития к ним резистентности у фитопатогенных микроорганизмов.

Для создания этой группы лидерных веществ и на их основе препаратов, которые будут использоваться в сельском хозяйстве, применяются разнообразные подходы:

- применение доступных окислительных систем на основе кислорода, пероксида водорода и гидропероксидов;

- привлечение методов электро- и фотохимии для генерации реакционноспособных частиц на основе кислорода-, серо- и азотсодержащих соединений как ионного, так и радикального характера.

После того как лидерные вещества получены, а на их основе созданы требуемые агропрепараты, используются современные физико-химические методы анализа и обнаружения остаточного количества использованных агропрепаратов, а также их метаболитов.

Учеными из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук были проведены исследования и открыты высокая фунгицидная активность, а также высокая рострегулирующая активность циклических пероксидов, органических тиоцианатов и нитропиразолинонов [3, 6, 7] (Ananikov et al., 2014; Vil, Yaremenko, Ilovaisky, Terent’ev, 2017; Yaremenko et al., 2016). На основе проведенных исследований были синтезированы соединения, которые не имеют структурных аналогов в номенклатуре существующих агропрепаратов. Это соединения, имеющие высокую фунгицидную и рострегулирующую активность, будут обладать совершенно иным механизмом действия, что и будет обеспечивать низкую резистентность патогенных микроорганизмов к действию агропрепарата.

Необходимость, актуальность и научно-практическая значимость фундаментальных и прикладных исследований в рассматриваемом направлении обусловлена следующими соображениями.

Во-первых, применяемые в настоящее время агропрепараты, которые используются для обработки растений, кормов и сельскохозяйственного сырья, импортируются из-за рубежа. В условиях высокой волатильности национальной валюты стоимость закупок импортных агропрепаратов увеличивается, это снижает экономический эффект от их использования.

Во-вторых, поставки высококачественных иностранных агропрепаратов в Россию могут быть ограничены на фоне санкционного противостояния, следовательно, необходимо импортозамещение зарубежных поставок внутренним производством новых агропрепаратов, это позволяет сократить риски зависимости от импорта [1] (Dudin, Lyasnikov, Sandu, Bogoviz, 2017).

В-третьих, фитопатогенные микроорганизмы могут вырабатывать устойчивость (резистентность) к применяемым агропрепаратам [4] (Fontana et al., 2021). В этом смысле патогенные грибы, которые паразитируют на растениях и, соответственно, кормовой базе животноводства, не исключение. Устойчивость фитопатогенов к агропрепаратам снижает и экономический, и агрохимический эффект от использования последних.

В-четвертых, получаемая продукция животноводства, в первую очередь молоко, по своим качественным характеристикам и характеристикам безопасности зависит от состояния используемой кормовой базы. И высокая загрязненность фитопатогенами, и высокое содержание в кормовой базе агропрепаратов фунгицидного действия снижают качество получаемой молочной продукции, это может негативно сказываться не только на доходах сельскохозяйственных предприятий, но и на качестве питания населения.

Общая концепция дальнейших разработок в этой области может быть представлена следующим образом (рис. 1).

Рисунок 1. Концепция научных исследований и практических разработок в области использования полезных свойств циклических пероксидов, органических тиоцианатов и нитропиразолинонов

Источник: составлено автором.

На сегодняшний день установлено (со значительным вкладом в этот процесс результатов научных исследований, проведенных в ИОХ РАН учеными из Лаборатории № 13), что органические пероксиды могут быть стабильными и обладают широким спектром биологической активности, а именно: противомалярийной, противогельминтной, противораковой, противотуберкулезной, рострегуляторной и фунгицидной (рис. 2).

Рисунок 2. Синтезированные в Лаборатории № 13 ИОХ РАН им. Н.Д. Зелинского лидерные соединения, обладающие биологической активностью

В рамках проведенных предварительных исследований в отношении соединений с высокой фунгицидной активностью было установлено, что эти соединения обладают либо аналогичной, либо превосходящей активностью по сравнению с наиболее распространенными и используемыми в настоящее время в агрохимии соединениями на основе азолов и аналогов стробилурина. Это позволяет говорить о том, что у синтезированных ИОХ РАН (Лаборатория № 13) совместно с ВНИИ Фитопатологии высокоактивных фунгицидов имеется значимый потенциал:

- в области импортозамещения, поскольку синтезированные соединения обладают не меньшей активностью, чем зарубежные агропрепараты;

- для решения задач, связанных с повышением интенсивности и экономической эффективности агропромышленного производства, поскольку синтезированные соединения во многих случаях обладают более высокой активностью, чем зарубежные агропрепараты;

- в области поддержания продовольственной безопасности государства за счет того, что синтезированные соединения обладают иным механизмом действия по сравнению с зарубежными агропрепаратами, а следовательно, снижают резистентность фитопатогентов и позволяют улучшать качество кормовой базы в молочном животноводстве и получать безопасный пищевой продукт.

Высокая фунгицидная активность синтезированных соединений продемонстрирована на следующих тест-объектах (рис. 3).

Рисунок 3. Перечень тест-объектов (выборка), в отношении которых была установлена высокая фунгицидная активность соединений, синтезированных ИОХ РАН (Лаборатория № 13) совместно с ВНИИ Фитопатологии

При проведении полевых испытаний фунгицидной активности синтезированных ИОХ РАН (Лаборатория № 13) совместно с ВНИИ Фитопатологии соединений было установлено, что всхожесть обработанных перед посадкой семян пшеницы увеличилась на 5–15% в зависимости от экспозиции агропрепарата и в зависимости от агрессивности фитопатогенов. Таким образом, при требуемой всхожести семян пшеницы на уровне 90% на практике считается допустимой всхожесть на уровне 80% и иногда ниже. Предлагаемый на основе синтезированного соединения агропрепарат высокоактивного фунгицидного действия позволяет существенно увеличить всхожесть пшеницы, а следовательно, увеличить и ее урожайность с гектара.

Полученные на данном этапе исследований результаты указывают на необходимость проведения дальнейших разработок, в том числе необходима разработка масштабируемого получения и наработка в граммовых количествах необычного класса органических пероксидов: β-пероксилактонов на основе реакции кетоэфиров с пероксидом водорода и без использования дорогостоящих кислот Льюиса и пожароопасного эфирного раствора пероксида водорода. Важно исследовать активность пероксилактонов в качестве средств защиты растений, составляющих основу кормовой базы молочного скота, и выявление соединений-лидеров. Но в этом направлении пока что имеются объективные ограничения.

Обсуждение. Несмотря на более чем вековую историю химии пероксидов, их селективный синтез и доступность как определенных классов пероксидов, так и отдельных структур остаются фундаментальной проблемой. В настоящее время существует ряд методов синтеза пероксидов простого строения как циклических, так и ациклических на основе монокарбонильных соединений и пероксида водорода. Карбонильные соединения являются доступными и привлекательными субстратами для синтеза циклических пероксидов. Наличие нескольких карбонильных групп в одной молекуле приводит к образованию сложной смеси продуктов как пероксидного, так и непероксидного строения, что значительно усложняет или делает практически невозможным их разделение и установление структуры. Селективный синтез пероксидов из ди- и трикарбонильных соединений является сложной задачей и остается малоизученной областью в химии.

Необходимы новые стратегии и подходы к синтезу органических пероксидов для создания на их основе средств химической и биологической защиты сельскохозяйственных растений и животных, хранения и эффективной переработки сельскохозяйственной продукции, создания безопасных и качественных, в том числе функциональных продуктов питания. В частности, задача может быть решена путем использования «нематериальных реагентов»: электрического тока и видимого света, что позволяет рассматривать их как экологичную альтернативу многим существующим химическим методам. Фундаментальная проблема заключается в разработке селективных окислительных систем, поскольку сами по себе перечисленные окислители не обладают достаточной активностью и селективностью.

Следуя далее, необходимо отметить, что разработка методов окислительного сочетания является важной областью современной органической химии. Окислительное сочетание является перспективным подходом для создания новых химических связей с высокой атомной эффективностью, поскольку не нуждается в проведении дополнительных синтетических стадий для введения функциональных групп в молекулы, необходимых в классических реакциях сочетания. Вместе с тем сочетание путем активации связей С-H в органических молекулах представляет крайне сложную научную задачу. Для расщепления C-H-связей характерны высокие активационные барьеры, при этом в молекуле могут присутствовать различные связи C-H и легкоокисляемые функциональные группы, что многократно осложняет обеспечение селективности синтеза.

Электрический ток широко используется в промышленных процессах неорганической природы. Однако использование электрического тока в органической химии, в реакциях более сложных структур с целью селективного образования химических связей зачастую затруднено по причине значительных различий в потенциалах окисления и восстановления исходных соединений различной природы. Предлагаемые подходы к окислению органических соединений с использованием электрического тока направлены на решение фундаментальной и практической задачи – создание методов селективного электрохимического окислительного сочетания C-Het.

Полученные с использованием метода селективного синтеза, окислительного сочетания лидерные соединения не будут иметь структурного родства с известными классами фунгицидов. Исследование нового химического класса фунгицидов представляет особый интерес, поскольку отсутствие типичных для известных фунгицидов структурных фрагментов в молекуле может свидетельствовать о новом механизме действия, а соответственно, о дополнительных возможностях для снижения риска развития резистентности у фитопатогенных микроорганизмов.

Заключение. Современное сельское хозяйство должно быть экологичным, точным, интенсивным, а современная органическая химия должна быть экологически безвредной и одновременно должна создавать новые классы соединений, которые в том числе обеспечат решение социально-экономических и агрокультурных проблем в сельскохозяйственной отрасли. На основе этой концепции паритетного объединения интересов могут быть созданы новые прогрессивные агропрепараты, которые будут обладать высоким уровнем биологической активности в отношении фитопатогенов, паразитов и вредителей.

К настоящему моменту сотрудниками Лаборатории № 13 ИОХ РАН были разработаны ключевые методические подходы к синтезу циклических пероксидов, органических тиоцианатов и нитропиразолинонов. На основе этих соединений были синтезированы лидерные соединения: трициклический монопероксид (обладает антигельминтной активностью); мостиковый 1,2,3,4,5-тетраоксан (обладает высокой фунгицидной активностью); мостиковый 1,2,4-триоксолан (обладает цитотоксической активностью).

Совместные полевые испытания соединений с высокой фунгицидной активностью, проведенные сотрудниками Лаборатории № 13 ИОХ РАН и ВНИИ Фитопатологии, дали следующие результаты:

1) полученные соединения активны в отношении широкой совокупности фитопатогенов, взывающих: паршу яблони, сухую и белую гниль корнеплодов и зерновых, а также ряда других культур, корневую гниль и снежную плесень зерновых, а также некоторых многолетних трав;

2) предпосевная обработка семян пшеницы синтезированным соединением обеспечила всхожесть на 5–15%, что является значимым результатом, поскольку на практике допустима всхожесть семян пшеницы на уровне 80%, а иногда и ниже. Предпосевная обработка семян обеспечивает и увеличение всхожести, и увеличение урожайности.

Вместе с тем существует и ряд объективных проблем в дальнейшей разработке методов синтеза соединений пероксилактонов (необычный класс органических пероксидов) в качестве средств защиты растений, составляющих основу кормовой базы молочного скота и выявлении соединений-лидеров. Эти проблемы связаны с тем, что необходимы дополнительные научные исследования в области селективного синтеза, окислительного сочетания указанных соединений в качестве средств защиты растений, составляющих основу кормовой базы молочного животноводства, в том числе с использованием «нематериальных реагентов»: электрического тока и видимого света, что делает процесс получения новых агропрепаратов экологически безвредным, менее ресурсоемким, а значит, и более эффективным.

Для проведения дальнейших научных исследований в этом направлении мы планируем использовать грантовую поддержку со стороны государства, что обеспечит решение поставленных задач: получение нового класса эффективных и безопасных отечественных агропрепаратов, обеспечение молочного животноводства действенными средствами защиты и улучшения кормовой базы животных, повышение качества молочной продукции, и в целом – стимулирование экономического роста и процессов перехода от экстенсивного типа хозяйствования к интенсивному в российском агропромышленном комплексе.