Rapídne klimatické zmeny spôsobujú, že mnohé regióny vo svete v súčasnosti čelia nedostatku poľnohospodárskej úrody kvôli zvyšujúcej sa globálnej teplote, predlžujúcim sa obdobiam sucha, rôznym škodcom a chorobám. V oblasti poľnohospodárskych vied už dlhšie badať snahu hľadať možnosti ako sa adaptovať na tieto nové nepriaznivé podmienky s cieľom pozitívne ovplyvňovať úrodotvorný potenciál plodín. Takto uvádza svoj výskumný projekt PhD. študentka Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave (FMFI UK), Katarína Kučerová.
Bežne používané sú podľa nej najmä chemické (hnojivá, anorganické látky obsahujúce N, P, K), ale aj biologické (genetické modifikácie, regulátory rastu) a fyzikálne metódy (ionizujúce žiarenie, elektromagnetické polia), ktoré nie vždy prinášajú so sebou len pozitívne účinky. „Ako príklad možno spomenúť nadmerné používanie priemyselných hnojív, ktoré spôsobuje okysľovanie pôdy, eutrofizáciu povrchových vôd a najmä vysoké hladiny dusičnanov NO3‾ v podzemných vodách. Toto môže mať následne negatívny vplyv na ľudské zdravie, spôsobovať methemoglobinémiu, hypertenziu, prípadne viesť k vzniku rakoviny. Preto existuje snaha hľadať nové, alternatívne neškodné metódy na podporu klíčenia a rastu rastlín, z ktorých jednu takú predstavuje aj využitie nízkoteplotnej plazmy,“ hovorí študentka.
Výskumná skupina na FMFI UK v Bratislave, do ktorej patrí aj Katarína Kučerová, sa dlhodobo zaoberá skúmaním nízkoteplotnej plazmy generovanej elektrickými výbojmi a jej využitím na rôzne aplikácie. „Pod pojmom plazma máme na mysli fyzikálnu, resp. elektrickú plazmu, ionizovaný plyn, často tiež označovanú aj ako štvrté skupenstvo hmoty. V bežnom živote sa s ňou stretávame napríklad pri zváraní, v žiarivkách, plazmových displejoch, v prírode zase vo forme blesku, hviezd, či polárnej žiary.“ Tento výskumný projekt finančne podporila Univerzita Komenského v Bratislave.
Katarína Kučerová vysvetľuje, že termín plazma prvýkrát použil v roku 1928 americký chemik a fyzik Irving Langmuir, kvôli jej podobnosti s krvnou plazmou. „Podobne ako je ľudská krv zmesou rôznych krvných elementov, tak je elektrická plazma zmesou elektrónov, iónov a rôznych excitovaných častíc. Podľa teploty rozoznávame plazmu vysokoteplotnú (termickú) alebo nízkoteplotnú (studenú). Vysokoteplotná plazma je plazma nachádzajúca sa v stave termodynamickej rovnováhy, kde teplota všetkých častíc v nej je približne rovnaká a veľmi vysoká. Nízkoteplotná plazma (NTP) je typom nerovnovážnej plazmy, ktorá môže byť generovaná a udržiavaná pri izbovej teplote a v ktorej majú vysokú energiu iba elektróny, ostatné častice majú teplotu okolitého plynu, avšak napriek tomu vykazuje vysokú chemickú aktivitu.“
Takúto plazmu je podľa Kataríny Kučerovej možné v laboratórnych podmienkach vytvoriť rôznymi elektrickými výbojmi. Hovorí, že NTP sa využíva v mnohých environmentálnych aplikáciách na čistenie ovzdušia alebo vody, reformovanie palív a generáciu vodíka, či povrchovú aktiváciu a modifikáciu materiálov. „V súčasnosti zažíva svoj rozkvet aj v mnohých biomedicínskych aplikáciách, kde sa skúma jej použitie na sterilizáciu kvapalín, povrchov termocitlivých materiálov a zubných kanálikov, hemokoaguláciu, hojenie rán či dokonca terapiu niektorých druhov rakoviny. V potravinárstve sa skúmajú možnosti jej použitia na dezinfekciu mäsa, ovocia, zeleniny, nápojov či obalových materiálov, ako aj na predĺženie trvanlivosti niektorých potravín. Plazma našla svoje aplikácie aj poľnohospodárstve. Najčastejšie sa používa na priame opracovanie semien, vplyvom ktorého dochádza k zmenám povrchových vlastností semien, menia sa fyzikálne vlastnosti ich povrchu, čo urýchľuje príjem vody, napučiavanie semien, vďaka čomu dochádza k zrýchleniu klíčenia.“
PhD. študentka pokračuje, že plazma okrem toho vyvoláva v semenách istý oxidačný stres, ktorý sa prejavuje zvýšenou aktivitou niektorých antioxidantov a pozitívne na raste rastlín. „Plazma tiež dokáže sterilizovať povrch semien kontaminovaných rôznymi druhmi mikroorganizmov a nahradiť tak v pestovateľskej praxi používanie rôznych fungicídnych moridiel. Napriek mnohým sľubným výsledkom priameho opracovania semien plazmou, podstatne menej preskúmané je využitie jej nepriameho pôsobenia, konkrétne vplyv plazmou opracovaného/aktivovaného plynu, resp. plazmou aktivovanej vody (PAV) na semená a rastliny, čo je téma, ktorou sa zaoberá aj náš projekt.“
Katarína Kučerová opisuje, že PAV najčastejšie vzniká generáciou plazmy vo vzduchu v kontakte s vodou. Vo vzduchu pôsobením plazmy dochádza k produkcii reaktívnych častíc odvodených od kyslíka a dusíka RONS (NO, NO2, O, O3, OH, H2O2). „Tieto častice pri kontakte s vodou tvoria sekundárne častice vo vode, najmä nitrity (dusitany) NO2‾, nitráty (dusičnany) NO3‾ a peroxid vodíka H2O2. Dusičnany prítomné v pôdnom roztoku sú najdôležitejšou formou dusíka pre rastliny a súčasne zdrojom ich výživy. Dusík je jedným z esenciálnych makroelementov, keďže je zložkou aminokyselín, proteínov, nukleových kyselín, chlorofylu a mnohých ďalších komponentov rastlinnej bunky a je teda hlavným a limitujúcim prvkom pre rast a vývoj rastlín.“
Podobne ako anorganické zlúčeniny dusíka, rastu rastlín môže napomáhať aj peroxid vodíka, tvrdí Katarína Kučerová. „Ten funguje ako signálna molekula a môže aktivovať proteíny alebo gény zodpovedné za rast a vývoj rastliny. Jeho akumulácia môže tiež posilniť proces lignifikácie (drevnatenia) bunkovej steny. Z uvedených dôvodov je teda celkom zrejmé, že RONS vznikajúce v PAV môžu mať významný vplyv na klíčenie semien, rast rastlín a ich odolnosť voči patogénnom. To nakoniec naznačujú aj výsledky viacerých publikácií. Bolo napr. zistené, že aplikovaním PAV na semená sa významne zvýšila ich hmotnosť, dĺžka výhonkov a relatívny obsah chlorofylu. Podobne kvety polievané PAV potrebovali pre svoj rast o polovicu menej vody, vyrástli väčšie a mali viac kvetov. Účinky PAV však nemožno zovšeobecniť, pretože závisia na vlastnostiach použitej plazmy, ktorá určuje zloženie RONS a tiež aj na druhu semien a rastlín, čo je dané ich rôznou odozvou na obsah RONS vo vode a ich rastovými nárokmi. Pre pochopenie účinkov PAV na semená a rastliny je preto potrebné ďalej a detailnejšie skúmať mechanizmy priameho a nepriameho pôsobenia NTP a PAV na semená a rastliny a zistiť, či môže táto metóda potenciálne konkurovať existujúcim metódam a technológiám a priniesť zlepšenie rastlinnej výnosnosti, ekonomickej efektívnosti a tiež zdravotnej neškodnosti.“
Cieľom projektu je skúmať účinky PAV na napučiavanie rôznych semien, dynamiku klíčenia a rastové parametre vybraných druhov rastlín. Ako zdroj plazmy na prípravu PAV výskumný tím používa iskrový výboj, ktorý generujeme v geometrii hrot – rovina medzi vysokonapäťovou ihlou a uzemnenou rovinnou elektródou, po ktorej
opakovane steká voda. „Parametre elektrického obvodu zabezpečujú, že pulzný iskrový výboj, ktorý vzniká aplikovaním jednosmerného vysokého napätia kladnej polarity nespôsobuje výraznejšie zahriatie opracovávanej vody. Jeho pôsobením vznikajú v plyne a následne aj vo vode rôzne reaktívne častice, predovšetkým H2O2 a OH, NO2‾ a NO3‾, ktoré vieme prostredníctvom kolorimetrických metód, UV absorpčnej spektroskopie a fluorescenčnej spektroskopie monitorovať a určiť tak chemické zloženie PAV, ktorou následne zalievame semená a rastliny. Variáciou zloženia plynu nad vodnou hladinou, prietoku vody, ako aj dĺžkou opracovania vody plazmou dokážeme ovplyvniť koncentráciu RONS vo vode, teda regulovať úroveň aktivity PAV. Cieľom projektu je testovať účinky rôznych PAV na klíčenie a rast jednak in-vitro v Petriho miskách na filtračnom papieri alebo aj in-vivo v pôdnom substráte v presne definovaných teplotných a svetelných podmienkach. Účinky PAV na semená a rastliny porovnáme s výsledkami zálievky neopracovanou vodou.“
Z celkového pohľadu tento projekt podľa Kataríny Kučerovej úzko súvisí a tematicky nadväzuje na doterajšie vedecké výsledky v oblasti biomedicínskych aplikácií plazmy, zameraných na sledovanie účinkov výbojov na vodu, baktérie, eukaryotické bunky a biomolekuly. „Nadväzuje na predchádzajúci projekt, v ktorom sme skúmali účinky PAV na rôzne semená (najmä pšenicu,) pri ktorom sme zaznamenali zlepšenie viacerých rastových parametrov a klíčivosti. Rôzne semená majú rôzne nároky na prísun živín, a preto chceme skúmať efekt PAV aj na ďalších semenách a rastlinách, najmä takých, ktoré sú náročnejšie na prísun dusíka a tiež sledovať vplyv PAV aj počas dlhšieho obdobia.“
Výskum o pomenovaní rodinných príslušníkov bol jedným z projektov, ktorému Univerzita Komenského v Bratislave udelila kocom apríla 2017 grant. Granty, ktoré sú určené na podporu vedeckých, pedagogických i umeleckých projektov vedeckých pracovníkov, mladých pedagógov a interných doktorandov – vo veku do 30 rokov, udeľovala univerzita už po dvadsiaty prvý. Medzi 232 projektov sa tak rozdelila suma 225 250,00 eur.
Prvenstvo v počte podaných i podporených projektov patrí tradične Prírodovedeckej fakulte Univerzity Komenského v Bratislave, ktorá predložila 143 žiadostí o grant, z nich uspelo 84. Na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky bolo podporených 37 projektov z 57 podaných. Jesseniova lekárska fakulta predložila 51 projektov, z ktorých finančnú podporu získalo 28.
Bližšie informácie o Grantoch UK v Bratislave
Informácie a foto poskytla: Katarína Kučerová
Spracovala: Slávka Habrmanová, NCP VaT pri CVTI SR
Uverejnila: VČ