PL237038B1

PL237038B1 - Zastosowanie długołańcuchowej pochodnej arylopiperazyn JJ-AR-13 jako inhibitora nitryfikacji

Info

Publication number: PL237038B1
Application number: PL431468A
Authority: PL
Inventors: Sylwester Smoleń; Iwona Kowalska; Paweł Kaszycki; Paulina Supel; Jolanta JAŚKOWSKA; Jolanta Jaśkowska
Original assignee: Politechnika Krakowska Im Tadeusza Kosciuszki; Univ Rolniczy Im Hugona Kollataja W Krakowie
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2021-03-08
Also published as: PL431468A1

Abstract

Wynalazek dotyczy nowego zastosowania długołańcuchowej pochodnej arylopiperazyn JJ-AR-13 czyli 5-[4-(2-metoksyfenylo)piperazin-1-ylo]pentylo-1 -aminy jako inhibitora nitryfikacji do bezpośredniej aplikacji do gleby lub jako składnika nawozu. Zastosowanie charakteryzuje się tym, że związek JJ-AR-13 aplikuje się bezpośrednio do gleby w stanie płynnym w ilości od 0,001 do 1000 mmoli na 1 kilogram gleby.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zastosowanie pochodnej arylopiperazyn/piperydyn JJ-AR-13, czyli 5-[4-(2-metoksyfenylo)piperazyn-1-ylo]pentylo-1-aminy jako inhibitora nitryfikacji.

Azot jest podstawowym makroskładnikiem pokarmowym roślin. W glebie występuje w formie organicznej, mineralnej i gazowej, a jego mikrobiologiczne i chemiczne przemiany w glebie są częścią obiegu azotu w środowisku naturalnym.

Podstawową formą azotu w glebach jest forma organiczna, czyli azot zawarty w glebowej materii organicznej. Źródłem azotu w glebie jest symbiotyczne i niesymbiotyczne wiązanie azotu atmosferycznego, tlenki azotu rozpuszczające się w wodzie opadowej, resztki pożniwne / szczątki roślin, martwe mikroorganizmy oraz makro- i mezofauna glebowa, a także stosowane przez człowieka nawożenie organiczne, naturalne i mineralne.

W glebie gazowy azot cząsteczkowy (N2) jest wiązany przez dwie grupy mikroorganizmów. Jedną z nich są mikroorganizmy wolno żyjące (niesymbiotyczne), spośród których można podać przykłady bakterii należących do rodzajów Azotobacter oraz Clostridium. Drugą grupą mikroorganizmów prowadzących proces wiązania azotu są bakterie żyjące w symbiozie z korzeniami gatunków roślin należących do rodziny Fabaceae (L^greid i inni 1999, Gorlach i Mazur 2002). Bakterie te wykazują zdolność wiązania N2 atmosferycznego, a zatem rośliny mogą pośrednio korzystać z tej formy azotu. Dla innych gatunków roślin gazowy N2 jest niedostępną formą azotu.

W naturalny sposób azot mineralny pojawia się w glebie w wyniku rozpuszczenia w wodzie opadowej tlenków azotu. Po szeregu reakcji chemicznych tlenki azotu przekształcane zostają w jony azotanowe (NO3^-) oraz azotynowe (NO2^-) i w tej formie występują w glebie. W środowisku glebowym obecne są również jony amonowe (NH4+). Źródłem tych jonów jest między innymi nawożenie wykonane przez człowieka. Jony NH4+ pojawiają się w glebie w naturalny sposób w wyniku mineralizacji glebowej substancji organicznej (L^greid i inni 1999). To właśnie proces mineralizacji glebowej materii organicznej jest głównym przychodem jonów amonowych w glebie.

Mineralizacja określana jest jako mikrobiologiczny proces utleniania azotu. Zachodzi ona etapowo. Rozpoczyna się od hydrolizy białek, prowadząc do powstania wolnych aminokwasów. Związki te pod wpływem procesu amonifikacji są przekształcane do amoniaku (NH3), a ten w dalszej kolejności do kationów amonowych (NH4+). Kationy te mogą również powstawać w glebie w wyniku hydrolizy mocznika.

Jony amonowe mogą być pobierane przez rośliny lub mikrobiotę glebową, co jest przejawem zjawiska sorpcji biologicznej. Jon amonowy może być także sorbowany przez glebowy kompleks sorpcyjny, jednak siła jego wiązania jest bardzo słaba. Zdecydowanie większa część jonów amonowych jest w środowisku glebowym transformowana w procesie nitryfikacji do anionu NO3^-, przebiegającej w dwóch etapach. W I etapie nitryfikacji zachodzi proces utlenienia jonu amonowego do azotanowego /azotanu(lll)/ według schematycznej reakcji [NH4+ ^ NO2^-] i prowadzony jest przez pospolicie występujące w glebach różnych stref klimatycznych bakterie Nitrosomonas sp. Utlenienie jonów amonowych katalizują dwa enzymy: AMO - (ang.) ammonia monooxygenase (monooksygenaza amonowa) oraz HAO - (ang.) hydroxylamine oxidoreductase (oksydoreduktaza hydroksyloaminy), które są syntetyzowane przez te bakterie. Natomiast w II etapie nitryfikacji dokonywany jest proces utlenienia azotynów / azotanów(lll) do azotanów / azotanów(V) w myśl reakcji /NO2^- ^ NO3^-/. Proces ten prowadzą bakterie Nitrobacter sp.

Dalsze losy jonu NO3^- w środowisku glebowym - straty azotu z gleby - obciążanie środowiska naturalnego. Jon azotanowy może być pobrany przez korzenie roślin oraz mikroorganizmy glebowe. Anion NO3^- nie podlega w glebie procesowi wiązania przez kompleks sorpcyjny. Dlatego bardzo łatwo ulega on wymyciu z gleby pod wpływem wód opadowych. Azotany są wymywane do wód gruntowych, a w dalszej kolejności do powierzchniowych cieków wodnych, tj. strumieni oraz rzek. Ostatecznie, jony NO3^- trafiają do powierzchniowych lądowych zbiorników wodnych (stawów i jezior) oraz mórz i oceanów powodując zjawisko eutrofizacji (L^greid i inni 1999, Gorlach i Mazur 2002).

Część jonów azotanowych, które nie zostały pobrane przez korzenie roślin, jak również nie uległy wymyciu może podlegać procesowi denitryfikacji całkowitej lub częściowej, przy czym denitryfikacja całkowita zachodzi z większą intensywnością niż denitryfikacja częściowa. Proces denitryfikacji całkowitej (właściwej) zachodzi w warunkach beztlenowych. Prowadzą go powszechnie występujące w glebie bakterie z rodzaju Achromobacter i Pseudomonas (Focht 1978). Denitryfikacja całkowita polega na przekształcaniu jonu NO3^- do azotu cząsteczkowego N2, który ulatnia się do atmosfery - jest to zatem proces

PL 237 038 B1 prowadzący do strat azotu z gleby. Z kolei, w procesie denitryfikacji częściowej jon NO3^- redukowany jest do NO2^-, a następnie do NH4⁺ (Gorlach i Mazur 2002). Jednakże, udział denitryfikacji częściowej w denitryfikacji całkowitej jest mało znaczący.

Należy podkreślić, że nitryfikacja oraz denitryfikacja są złożonymi procesami mikrobiologicznymi, które prowadzą również do powstawania tlenków azotu na różnym stopniu utlenienia /np. NO, N2O/. Powodują one zanieczyszczenia atmosfery i przyczyniają się do efektu cieplarnianego (Firestone i Davidson 1989, Sapek 2008, Marcinkowski 2010, Heil i in. 2016).

Procesy obiegu azotu w glebie, zaczynające się od procesu nitryfikacji, prowadzą do strat azotu z gleby. Są one dużym negatywnym obciążeniem dla środowiska glebowego, jak również powodują straty ekonomiczne dla rolników ze względu na słabe wykorzystanie nawozów azotowych, zawierających zredukowane formy azotu (N-NH2 i N-NH4). Dlatego od wielu lat poszukiwane są sposoby spowolnienia - ograniczenia tempa przebiegu procesu nitryfikacji. Efekt taki możliwy jest do uzyskania przez stosowanie w produkcji nawozów zawierających inhibitory nitryfikacji lub opryskiwanie gleb za pomocą naturalnych i syntetycznych inhibitorów nitryfikacji.

Znane dotychczas inhibitory nitryfikacji wpływają na zaburzenie działania enzymów AMO i HAO, a tym samym osłabiają przebieg tego procesu.

Znane są syntetyczne i naturalne inhibitory nitryfikacji, z czego liczba związków syntetycznych jest zacznie większa niż naturalnych.

Stosowanymi dotychczas syntetycznymi inhibitorami nitryfikacji, objętymi także ochroną patentową, są: DCD (dicyjanodiamid; CNNH2), DMPP (dimetylopyrazolofosfat syn. Fosforandimetylopyrazolu), Nitrapina [N-Serve czyli 2-chloro-6(trichlorometylo)pirydyna], AM (2-mino-4-chloro-6-metylopirydyna), ECC (encapsulated calcium carbide - obudowany węglik wapnia) oraz DMPSA - „najnowszy” z tej grupy związków: (ang.) 2-(3,4-dimethyl-pyrazol-1-yl)-succinic acid, synonim 2-(3,4-dimethyl-pyrazole-1-yl)-succinic acid, synonim dimethylpyrazole-succinic acid.

W literaturze wymienia się kolejne związki wykazujące działanie jako inhibitory nitryfikacji: (ang.) 1H-1,2,4-triazole, 1,2,4-triazolo[1,5-a]-pyrimidine-2-sulfonamides i jego substytuty (objęty zgłoszeniem patentowym US4740233A), 1-hydroxypyrazole i jego pochodne, 2,3-dihydro-2,2-dimethyl-7-benzofuranol methyl carbamate - nazwa zwyczajowa Furadan lub Carbofuran, 2,4,6-trichloroaniline, 2,4-diamino6-trichloromethyl-5-triazine, 2-amino-4-chloro-6-methyl-pyrimidine (AM), 2-mercapto-benzothiazole (MBT), 2-methyl pyrazole-1-carboxamide, 2-sulfanilamidothiazole (ST), 3,4-dimethylpyrazole (DMP), 3mercapto-1,2,4-triazole, 3-methylpyrazole (3-MP), 4-amino-1,2,4-triazole, 5-ethoxy-3-trichloromethyl1,2,4-thiadiazol (Dwell, Terrazole), ammonium thiosulfate (ATS), carbon bisulfide, N-(2,6-dimethylphenyl)-N-(methoxyacetyl)- alanine methyl ester, N-2,5-dichlorophenyl succinamic acid, pentachlorophenol, potassium azide, sodium azide, sodium trithiocarbonate, thiourea (TU), zinc ethylene-bis-dithiocarbamate.

Do naturalnych inhibitorów nitryfikacji należy zakwalifikować, np. olejek z Mentha spicata, ekstrakt alkoholowy z Azadirachta indica Juss., ekstrakt wodny z Chenopodium album L. ,czy też wielonienasycone kwasy tłuszczowe (kwas linolowy i kwas linolenowy) występujące w olejach roślinnych, a także wiele innych związków.

Wykorzystanie między innymi olejku z mięty jako inhibitora nitryfikacji zostało opisane w dwóch udzielonych patentach: „Slow release urea fertilizer composition and a process for the preparation of the said composition” US 6336949 B1 oraz „Formulation useful as a nitrification and urease inhibitor and a method of producing the same” US 6315807 B1.

Istnieją również rozwiązania hybrydowe polegające na wykorzystaniu równoczesnym inhibitorów nitryfikacji wraz z substancjami aktywnymi różnych agrochemikaliów, co równocześnie wykazuje działanie w zakresie inhibitorów nitryfikacji, jak i inhibitorów emisji do atmosfery tlenków azotu z gleby (Gewehr i in. 2015, U.S. Patent No. 8,956,996; Clark i in. 2018. U.S. Patent No. 9,878,960).

Istota wynalazku polega na zastosowaniu długołańcuchowej pochodnej arynilopiperazyn JJ-AR13, czyli 5-[4-(2-metoksyfenylo)piperazyn-1-ylo]pentylo-1-aminy jako inhibitora nitryfikacji do bezpośredniej aplikacji do gleby lub jako składnika nawozu.

Korzystnie związek JJ-AR-13 aplikuje się bezpośrednio do gleby w stanie płynnym w ilości od 0,001 do 1000 mmoli na 1 kilogram gleby.

Korzystnie związek JJ-AR-13 aplikuje się bezpośrednio do gleby w ilości od 0,1 do 0,2 mmola na 1 kilogram gleby.

Korzystnie związek JJ-AR-13 miesza się z nawozem zawierającym wyłącznie zredukowane formy azotu, to jest formę amidowo-mocznikową (N-NH3) lub formę amonową (N-NH4), bądź przewagę

PL 237 038 Β1 jednej lub obu tych form azotu, bądź też równoważną ich zawartość w stosunku do formy utlenionej azotu.

Korzystnie związek JJ-AR-13 miesza się z nawozem w ilości od 0,01 do 1000 mmoli na 1 kilogram masy nawozu.

Korzystnie przed aplikacją do gleby lub zmieszaniem z nawozem związek JJ-AR-13 rozpuszcza się w roztworach kwasów mineralnych, zasad lub rozpuszczalnikach organicznych.

Korzystnie przed aplikacją do gleby lub zmieszaniem z nawozem związek JJ-AR-13 rozpuszcza się w DMSO.

Korzystnie przed aplikacją do gleby lub zmieszaniem z nawozem związek JJ- AR-13 rozpuszcza się w DMF.

Główną zaletą rozwiązania według wynalazku jest skuteczne hamowanie procesu nitryfikacji, które może być wzmocnione poprzez rozpuszczenie związku JJ-AR-13 w takich rozpuszczalnikach jak DMSO lub DMF. Należy podkreślić, iż związek JJ-AR-13 nie jest szkodliwy dla mikrobioty glebowej i nie ma negatywnego wpływu na rozwój mikroorganizmów glebowych, w tym bakterii Nitrosomonas europeaea. Związek JJ-AR-13 może być łączony z innymi pochodnymi arylopiperazyn, takimi jak JJ-AR-2 [2-[6-[4-(2,3-dichlorofenylo)piperazyn-1 -ylo]heksoksy]benzamid], JJ-AR-12 [4-[4-(1,2-benzoksazol-3ylo)piperydyn-1 -ylo]butylo-1 -amina] lub PK-AM-25 [1 -(4-{[4-(pirymidyn-2-ylo)piperazyn-1 -ylo]metylo}fenylo)metyloamina].

Związek JJ-AR-13, czyli 5-[4-(2-metoksyfenylo)piperazyn-1-ylo]pentylo-1-amina o wzorze strukturalnym:

zaaplikowana bezpośrednio do gleby skutecznie hamuje proces nitryfikacji nawet po upływie czterech tygodni od aplikacji, co wykazały badania porównawcze w odniesieniu do prób z glebą, do której zaaplikowano sam mocznik oraz do której zaaplikowano znany i powszechnie stosowany syntetyczny inhibitor nitryfikacji, jakim jest DCD(dicyjanodiamid).

W ocenie oddziaływania pochodnej arylopiperazyn/piperydyn obserwowano:

- hodowle monokultur pożytecznych bakterii glebowych: Rhizobium radiobacter oraz Bacillus subtilis,

- populację bakterii glebowych, pozyskanych z optymalnych podłoży uprawowych,

- wyspecjalizowany biopreparat ZB-01 zawierający drobnoustroje glebowe, w tym należące do gatunków Pseudomonas, Alcaligenes.

Związek w stężeniu 0,2 mmol dawkowano w ilości 100 μΙ na studzienkę. Próby wykonano w serii czterech niezależnych powtórzeń. Nie zaobserwowano kontaktowego zahamowania wzrostu drobnoustrojów w obecności testowanego inhibitora nitryfikacji, co świadczy o braku toksyczności badanego stężenia pochodnej arylopiperazyn/piperydyn na mikroorganizmy glebowe.

Przykład

Związek JJ-AR-13 podano bezpośrednio do ciężkiej gleby wiosennej w dawce 0,1 mmol na 1 kg gleby. Porównawczo do takiej samej gleby wprowadzono roztwór mocznika w dawce 2,5 mmola na 1 kg gleby oraz mocznika z dodatkiem DCD. W 7, 14, 21 i 28 dobie dokonano pomiarów zawartości mineralnych form azotu w formie amonowej (N-NH4) i azotanowej (N-NO3) w glebie.

Po 7 dniach od aplikacji pochodna JJ-AR-13 miała podobną skuteczność jak DCD w zakresie inhibowania nitryfikacji, o czym świadczy wyższa zawartość jonów amonowych w glebie z dodatkiem związku w porównaniu do próbki kontrolnej. W kolejnych terminach analiz, to jest po 14, 21 i 28 dniach od aplikacji związek DCD nie wykazywał już działania jako inhibitor nitryfikacji. W porównaniu do próbki kontrolnej zawartość N-NH4 w glebie z dodatkiem DCD była w tych terminach taka sama, jak w próbce kontrolnej, a zawartość N-NO3 istotnie niższa niż w próbce kontrolnej, czyli, że w glebie z dodatkiem DCD, po tym jak przestał on działać jako inhibitor nitryfikacji, z większą intensywnością niż w próbce kontrolnej zachodziły procesy denitryfikacji lub biologicznej sorpcji N-NO3, co prowadziło do zubożenia gleby w azotanową formę azotu. Takiego zjawiska nie obserwowano w glebie z dodatkiem związku JJ-AR-13, który w dalszym ciągu hamował proces nitryfikacji oraz dodatkowo denitryfikacji/lub biologicznej sorpcji azotu.

PL 237 038 Β1

Obiekt (mocznik + inhibitor nitryfikacji)	Dawka Inhibitora nitryfikacji wmmol/1 kg gleby	Zawartość azotu mineralnego w glebie
Po 7 dniach	Po 14 dniach	Po 21 dniach	Po 28 dniach
mg NNHłkg¹ gleby	mg NNOakg -¹ gleby	mg NNH+kg ’¹ gleby	mg NNOakg·¹gleby	mg NNH4-kg·¹gleby	mg NNOakg¹gleby	mgNNH₄kg ¹ gleby	mg NNO₃kg-i gleby
Kontrola - sam mocznik	0	28,8 a	30,7 C	i,3a	87,0 c	1,0 a	112,0c	1,6 a	111,1 c
DCD	0,1	43,2 bc	10,0b	1,2a	25,2 a	1,0 a	46,6 a	1,5 a	8.6 a
JJ-AR-13	0,1	34,7 b	30,7 C	9,0 b	72,6 c	0,9 a	178,0 e	0,8 a	177,0 c

Zastrzeżenia patentowe

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Zastosowanie długołańcuchowej pochodnej arylopiperazyn JJ-AR-13, czyli 5-[4-(2-metoksyfenylo)piperazyn-1-ylo]pentylo-1-aminy jako inhibitora nitryfikacji do bezpośredniej aplikacji do gleby lub jako składnika nawozu.
2. Zastosowanie według zastrz. 1, znamienne tym, że związek JJ-AR-13 aplikuje się bezpośrednio do gleby w stanie płynnym w ilości od 0,001 do 1000 mmoli na 1 kilogram gleby.
3. Zastosowanie według zastrz. 2, znamienne tym, że związek JJ-AR-13 aplikuje się bezpośrednio do gleby w ilości od 0,1 do 0,2 mmola na 1 kilogram gleby.
4. Zastosowanie według zastrz. 1, znamienne tym, że związek JJ-AR-13 miesza się z nawozem zawierającym wyłącznie zredukowane formy azotu, to jest formę amidowo-mocznikową (N-NH3) lub formę amonową (N-NH4), bądź przewagę jednej lub obu tych form azotu, bądź też równoważną ich zawartość w stosunku do formy utlenionej azotu.
5. Zastosowanie według zastrz. 4, znamienne tym, że związek JJ-AR-13 miesza się z nawozem w ilości od 0,01 do 1000 mmoli na 1 kilogram masy nawozu.
6. Zastosowanie według zastrz. 1, znamienne tym, że przed aplikacją do gleby lub zmieszaniem z nawozem związek JJ-AR-13 rozpuszcza się w roztworach kwasów mineralnych, zasad lub rozpuszczalnikach organicznych.
7. Zastosowanie według zastrz. 6, znamienne tym, że przed aplikacją do gleby lub zmieszaniem z nawozem związek JJ-AR-13 rozpuszcza się w DMSO.
8. Zastosowanie według zastrz. 6, znamienne tym, że przed aplikacją do gleby lub zmieszaniem z nawozem związek JJ-AR-13 rozpuszcza się w DMF.