FLUIDE FOLIARE NUTRITIVE EMULSIONATE. CONTROLUL HIDROLIZEI SI AL SUPERBAZICITATII

1. UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI FLUIDE FOLIARE NUTRITIVE EMULSIONATE. CONTROLUL HIDROLIZEI SI AL SUPERBAZICITATII SIMPOZION ŞTIINŢIFIC CU PARTICIPARE INTERNAŢIONALĂ „45 DE ANI DE LA ÎNFIINŢAREA FACULTĂŢII DE HORTICULTURĂ DIN CRAIOVA” CRAIOVA 26 OCTOMBRIE 2007 Marina CIRJALIU –MURGEA1, Aura Dana IONITA1, E. CHITU2, L. FILIPESCU1 1Universitatea Politehnica din Bucuresti, 2ICDP Maracineni Pitesti

2. FLUIDE FOLIARE Produsele de uz agricol aplicabile foliar sunt cunoscute pentru rapiditatea cu care anumite tratamente isi ating tinta: • cresterea aportului nutritiv in anumite perioade de vegetatie; • aplicarea biostimulatorilor; • eliminarea mai multor clase de daunatori. Formularea acestor produse se face empiric prin evaluarea dozelor din datele experientei anterioare si cuantificarea raspunsului plantei in conditii particulare de aplicare (specie, zona geografica, conditii meteo, etc.).

3. PROPRIETATILE FLUIDELOR FOLIARE • solubilitatea completa si stabilitatea chimica la concentratii mari in produsul comercial; • Compatibilitatea cu apele dure de diluare pentru formarea solutiilor spray-abile; • puterea de acoperire; • aderenta la suprafata foliara; • penetrarea prin cuticulul hidrofob, prin peretii epidermei si prin membranele celulare; • pH-ul moderat; • stress-ul salin si de contact minim; • biodegradabilitatea componentilor. Un scurt review asupra acestor proprietati arata ca partea cea mai mare dintre acestea nu pot fi asociate cu solutiile saline ale compusilor metalici cu rol de nutrienti si nici cu amestecurile de tipul nutrienti/substante organice pentru controlul cresterii si combaterea daunatorilor [Cirjaliu – Murgea M, Chitu V, Chitu E, Isopescu R Filipescu L 14th International Conference On Chemistry And Chemical Engineerig Proceedings Bucharest, Romania, 2005].

4. OBIECTIV MAJOR Desi au fost efectuate numeroase studii asupra ingrasamintelor foliare, problemele abordate s-au limitat doar la cateva subiecte legate de: a) concentratia si raportul NPK ajustabil; b) stabilitatea chimica si utilizarea chelatilor pentru a mentine in solutie toti micronutrientii; d) diversificarea sortimentelor; e) miscibilitatea cu alte produse foliare cum sunt biostimulatorii si fungicidele. Cu toate acestea, inca nu a fost elaborat un studiu aprofundat asupra corelatiei intre compozitia/proprietatile ingrasamintelor foliare si viteza/randamentul de absorbtie foliara a tuturor componentilor cu efect nutritiv [Epstein E., Bloom A. J., Mineral Nutrition of Plant: Principles and Perspectives, Second Edition, Elservier 2005]. Aceasta lucrare a abordat problema nutritiei foliare dintr-un alt unghi: cel al optimizarii compozitiei si a proprietatii fluidelor nutritive in functie de conditiile impuse de mecanismul si cinetica proceselor de penetrare a entitatilor active prin suprafata foliara.

5. CUTICULA SI CAILE DE PENETRARE ALE FLUIDELOR FOLIARE EMULSIONATE Pentru a-si exercita actiunea orice substanta chimica aplicata foliar trebuie sa penetreze minimum 3 bariere: • cuticula • epiderma • membranele celulare Penetrarea cuticulei nu implica transportul enzimatic al entitatilor active. Transportul acestor entitati are loc prin difuzie, proces in care cuticula se comporta ca o membrana de solubilitate/mobilitate[Schreiber, L. Annals of Botany 95, 2005, p.1069–1073]. Cuticula: - Cutanul - un polimer hidrocarbonat lipofilic, nesaponificabil si nedepolimerizabil, care asigura o structura tridimensionala stabila din punct de vedere mecanic. Cutanul are o structura microporoasa [Tegelaar, EW, Wattendorff, J, de Leeuw, JW. Review of Palaeobotany and Palynology 77, 1993, p. 149]. - Cutina - un biopolimer lipofilic depolimerizabil alcatuit din lanturi de hidroxiacizi reticulati prin legaturi esterice sau epoxidice; Cutina imbraca cutanul si ii reduce factia de goluri. Gruparile carboxilice libere, incorporarea impuritatilor glucozidice si defectiunile de polimerizare formeaza insule hidrofile in masa hidrofoba. Din punct de vedere chimic cutina poate fi depolimerizata partial si prin aceasta se creaza domenii polare in interiorul domeniilor lipofilice [Kolattukudy PE. Cutin from plants. in Y, Steinbsuchel A, eds. Biopolymers. Vol. 3a. Polyesters I - Biological systems and biotechnological production. Wiley-VCH, 1–40. Weinheim, 2001, Stark, R. E., Tian, S., invited chapter for Biology of the Plant Cuticle, (M. Riederer, Ed.), Blackwell Publishing Co., UK, 2006, p. 126]. - Substante ceroase: formate de lanturi lungi de hidrocarburi alifatice lineare (C16 – C36) [Jenks, MA, Ashworth, E.N., Horticultural Reviews 23,2003, p.1–68] cu diferite grupari functionale (alcooli, aldehide, acizi carboxilici, etc.), partial cristaline (aproximativ 20%) la temperatura mediului ambiant [Baker, E.A. Chemistry and morphology of plant epicuticular waxes. In Cutler, D.F., Alvin, K.L. and Price, C.E. The Plant Cuticle. Academic Press, 1982, p. 139–165, Reynhardt E.C., European Biophysics Journal 26, 1997, p. 195–201]. Acestea se gasesc distribuite inegal pe fata interioara a cutinei (ceruri intracuticulare) si neuniform distribuite la suprafata frunzei (ceruri epicuticulare). Substantele ceroase impregnata si hidrofobizeaza cu o masa elastica retelele reticulate celor doi polimeri reprezentand partea rigida a cuticulului.

6. A. Caile lipofilice de difuzie in cuticula. Cuticula plantei functioneaza ca o membrana care permite atat mobilitatea substantelor organice neionice prin membrana, cat si solubilizarea acestora in membrana [Schonherr, J, Riederer, M. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology 108, 1989, p. 1]. Experimentele asupra transportului diversilor compusi lipofilici prin cuticula au evidentiat o certa selectivitate a ratei de transport in functie de dimensiunea moleculelor[Baur, P., Buchholz, A., Schonherr, J., Plant, Cell and Environment 20, 1997, p.982, Buchholz, A., Baur, P., Schonherr, J., Planta 206, 1998, p. 322]. Mobilitatea in stratul limita poate creste semnificativ prin aditia acceleratorilor lipofilici. Acestia se dizolva in cutina si in zonele acoperite cu ceruri sau dizolva partial substantele ceroase si depolimerizeaza partial cutina, micsorand rezistenta barierei hidrofobe si marind astfel, vitezele de transport prin cuticula [Buchholz, A., Schonherr, J., Planta 212, 2000, p.103]. Tinand seama de selectivitatea deschiderii cailor lipofilice prin cuticula in functie de dimensiunea moleculelor si de experienta acumulata in modelarea proprietatilor produselor foliare, urmatoarele combinatii chimice au fost alese ca faza organica in fluidele foliare emulsionate: acizii naftenici si acizii oleici ca saruri superbazice de potasiu si amoniu, iar ca acceleratori lipofilici urea si etanolaminele. Toti acesti componenti nu sunt toxici si sunt biodegradabili.

7. B. Caile polare de difuzie in cuticula. Ionii anorganici si organici precum si asociatiile moleculare incarcate electric se gasesc in solutiile apoase sub forma hidratata si din acest motiv nu se pot solubiliza in domeniile lipofile ale cuticululei. O serie de experimente au adus suficiente dovezi pentru a putea fi postulata existenta cailor polare de difuzie prin cuticula [Schonherr, J., Luber, M., Plant and Soil 236, 2001, p.117]. Astfel, atat ionii anorganici si organici incarcati electric, cat si moleculele hidrofile sau hidrofilizate pot penetra membranele cuticulare in absenta acceleratorilor lipofilici si independent de temperatura la care are loc procesul. Parametrul cere realmente controleaza acest tip de difuzie este umiditatea relativa la suprafata cuticulara. Domeniile polare si caile polare de difuzie, precum si zonele lipofilice ale cuticulului sensibile la umiditate isi au originea in depolimerizarea cutinei, precum si in defecte de reticulare ale polimerului care lasa libere grupari neesterificate acide sau hidroxilice. Ca o altermnativa, caile polare de transport in interiorul cuticulei pot fi formate din lanturi de carbohidrati care se extind prin peretii celulelor epidermei in structura reticulata a cutinei. Pentru a facilita formarea domeniilor polare in masa cuticulara, adica pentru a mari umiditatea relativa la suprafata foliara, compozitia fluidelor si proprietatile lor (in special pH-ul) au fost ajustate pentru a permite hidroliza emulsiei imediat dupa aplicare. Hidrolizatele incorporeaza o fractie mare de apa in masa lor si asigura prin aceasta umiditatea relativala la suprafata cuticulara. Pe de alta parte, dimensiunea nano a particulelor organice si anorganice si starea amorfa a prticulelor anorganice face posibila penetrarea cu usurinta a cuticulei si prin caile lipofilice de difuzie.

8. C. Transpiratia cuticulara. Apa ca molecula polara de mici dimensiuni poate difuza si traversa cuticula prin caile lipofilice in conditii de solubilitate mica si mobilitate mare. Multa vreme s-a considerat ca apa este transportorul speciilor ionice prin cuticula. S-a demonstrat experimental ca transpiratia cuticulara poate fi corelata cu permeabilitatea cuticulei la moleculele lipofilice [Schreiber, L., Plant, Cell and Environment 25, 2002, p.1087] si este in mod cert influentata sensibil de umiditatea relativa la suprafata cuticulara [Schreiber, L., Journal of Experimental Botany 52, 2001, p.1893]. Astfel, odata cu cresterea umiditatii relative, moleculele de apa sunt absorbite de catre cuticula lipofilica, care mai intai se dilata si, apoi, promoveaza o rata mai mare a transpiratiei. Datorita heterogenitatii structurii si a functiilor cuticulei, pe langa zonele lipofilice acoperind cea mai mare parte din suprafata cuticulara, exista zone polare de transport prin stratul limita care sunt sensibile la absorbtia apei [Schreiber, L., Schonherr, J., Planta 182, 1990, p.186]. O data cu cresterea umiditatii relative, cantitati mai mari de apa sunt absorbite in aceste zone polare si astfel sorbtia substantelor polare poate avea loc datorita gradientului de concentratie creat intre cele doua fete ale cuticulei. Din nou se poate observa ca promovarea hidrolizei emulsiei imediat dupa aplicare este justificata si de rolul pe care il are umiditatea relativa la suprafata cuticulei in ceea ce priveste stimularea transpiratiei. Consecinta stimularii transpiratiei implica imediata dizolvare a speciilor anorganice din pelicula semisolida si acceleratia penetratiei acestor specii prin cuticula.

9. D. Absorbtia stomatala a apei si a substantelor chimice. Eichert et all. [Eichert, T., Goldbach, H.E., Burkhardt, J., Botanica Acta, 111, 1998), p. 461], au aratat ca absorbtia stomatala se poate produce si poate avea o importanta mai mare decat absorbtia cuticulara, in ciuda faptului ca pana de curand s-a admis ca aceasta absorbtie este imposibila [Schönherr, J., Bukovac, M..J., Physiologia Plantarum 42, 1978, p. 243]. Prin intelegerea factorilor cheie care influenteaza procesele implicate in absorbtia stomatala, este foarte important sa se ajusteze compozitia si proprietatile fluidelor nutritive la posibilitatile si conditiile de maxima absorbtie cuticulara si stomatala, cu un minimum de consum de material si energie. Exista trei factori care pot fi optimizati pentru controlul penetratiei stomatale si absorbtiei compusilor ionici din fluidele nutritive foliare: umiditatea relativa, aria stomatala, si numarul de cicluri de umectare [Eichert, T., Burkhardt, J., Journal of Experimental Botany, 52, 2001, p. 771]. Schonher si Bukovac[Schönherr, J., Bukovac, M..J., Plant Phisiol. 49, 1972, p.813; 26], au observat ca tensiunea superficiala, viscozitatea, unghiul de contact si diametrul aperturii stomatale sunt implicate in controlul randamentelor de penetrare si al vitezelor lichidelor in porii stomatali si in camera substomatala. Astfel, numai lichidele cu tensiune superficiala mai mica decat 25-30 mN/m penetreaza spontan prin stomate si camerele substomatale ale cuticulei. Si in acest caz corelatia umiditate – sorbtie stomatala justifica hidroliza emulsiei pe suprafata foliara. Mai mult, faptul ca prezenta ionilor potasiu in lichidul foliar au un rol determinant in deschiderea stomatelor justifica selectia ca faza organica a acizilor organici cu masa moleculara mica sub forma de saruri superbazice de potasiu.

10. CORELATIA MECANISM – FORMULARE FLUIDE Toate proprietatile cuticulei confera plantei capacitatea de conservare a apei si de reglare a vitezei de evaporare a apei, precum si a vitezei transferului bioxidului de carbon. In plus, cuticula apara planta prin formarea unei bariere fizice care impiedica penetrarea virusilor, bacteriilor monocelulare, a sporilor si a fungilor.Tinand seama de structura cuticulei, rezulta ca intregul mecanism de sorptie foliara este controlat de: - densitatea cailor lipofilice de acces a substantelor organice; - densitatea cailor polare de de acces a speciilor ionice sau incarcate electric; - cinetica transpiratiei; - extensia suprafetei active a cuticului prin stimularea deschiderii stomatelor.

11. UN NOU CONCEPT IN FORMULAREA FLUIDE FOLIARE • Formularea fluidelor nutritive foliare sub forma de emulsii concentrate multifunctionale (purtatoare de functii nutritive, biostimulatoare si fungicide) diluabile cu apa dura; • Faza organica prin natura sa lipofilica care este transportorul functii biostimulatoare sau fungicide sau ea insasi contine aceste functii in molecula; • Faza apoasa poate transporta formule variabile ale macronutrientilor NPK si concentratii uzuale ale micronutrientilor; • Ambele faze pot transporta aditivii pentru compatibilizare, pentru stabilizarea chimica a emulsiei concentrate si pentru controlul proprietatilor foliare dupa diluarea emulsiei in vederea aplicarii acesteia; • Dupa aplicarea pe suprafata foliara, componentii reactivi din emulsie se carbonateaza cu bioxidul de carbon atmosferic si/sau interactioneaza cu speciile ionice din apa dura de diluare (Ca2+ si Mg 2+) si formeaza o suspensie de hidrolizate ale fazei organice. In aceasta etapa se elibereaza adevaratele specii biologic active (hidrolizatele fazei organice ca biostimulatori si transportori ai micronutrientilor, carbonatii sau bicarbonatii alcalini ca fungicizi ecologici, urea si fosfatii alcalini ca macronutrienti sub forma de nano particule); • Dupa evaporarea partiala apei, la suprafata foliara o pelicula semisolida care incorporeaza intreaga masa salina si nesalina din solutia apoasa; • Toate entitatile biologic active generate spontan sunt eliberate ulterior de catre matricea organica ca micele sau ca micele incarcate cu material anorganic amorf sub forma de particule de dimensiuni nanometrice. Prin aceasta se atenueaza stress-ul salin, se diminueaza incompatibilitatile contactului substanta anorganica cristalina – tesut viu, iar dimensiunea agregatelor trasferabile prin membrane vii se reduce la ordinul nano; • Atata timp cat pelicula matrice aderenta la suprafata foliara subzista, componentii nutritivi/biostimulatori grefati in matricea organica, nutritia foliara avanseaza cu o viteza independenta de rapoartele de dozare, pH-ul lichidului sau concentratia salina si dependenta doar de rata consumului. Prin aceasta nu mai este posibila supradozarea , iar consumul foliar poate fi ridicat pana la doza si viteza maxima acceptata de planta; • Toti componentii fluidelor nutritive sunt biodegradabili si au un impact minim asupra mediului inconjurator.

12. Diagrame compozitie - proprietate Figura 1. Sistemul pseudoternar Apa – Naftenat de potasiu – Etanol la 30 ºC. Superbazicitatea 4/1. Tensiunea superficiala.

13. Figura 2. Sistemul pseudoternar Apa - Oleat de potasiu - Etanol la 30 ºC. Superbazicitatea 6/1. Viscozitatea.

14. Tabelul 1.Corelatia proprietate superbazicitate pentru fluidele nutritive hidrolizabile *solutie alcoolica saturata, **solutie non-alcoolica

15. Formarea peliculei semisolide pe suprafata foliara Figura 3. Variatia pH-ului fluidelor in timpul formarii matricei; dilutie 1/50

16. Efectul pH-ului asupra frunzei Figura 4. Variatia pH-ului din frunze in functie de timp; dilutie 1/50 Sebaneck J., Plant Physiology, Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo 1992

17. Dimensiunea hidrolizatelor in fluidul nutritiv Figura 5. Cinetica dimensiunii dominante a particulelor in matricea peliculara

18. Concluzii • S-a demonstrat ca este posibila formularea unei noi clase de fluide nutritive emulsionate aplicabile foliar luand in consideratie proprietatile impuse de mecanismul si cinetica sorbtiei foliare. • A fost evaluat pe baza experimentelor de laborator modul de actiune al acestor fluide la suprafata foliara. • Selectia componentilor fazei organice, promovarea hidrolizei la suprafata frunzei, controlul pH-ului si al dimensiunii particulelor purtatoare ale entitatilor active sunt elementele cheie in formularea fluidelor nutritive emulsionate; • Datele obtinute pot servi la individualizarea formulei produsului foliar pentru fiecare specie de planta si pentru orice conditii particulare implicate (zona geografica, conditii meteo, altele).

19. Acknowledgment The work was carried out with the financial support of CNCIS, Program Idei, project 1035/2007.