Графическая аннотация. Источник: ChemSusChem (2024). DOI: 10.1002/cssc.202400824
Благодаря изобретательности исследовательской группы из Университета Делавэра появилась новая надежда на создание экологически безопасных ингредиентов пестицидов.
Инсектициды часто считаются основополагающей частью сельскохозяйственного производства, разработанной для защиты культур, используемых для питания растущего населения мира — 8,2 миллиарда человек, и это число будет расти по состоянию на 2024 год.
Но пестициды часто представляют собой головоломку. Вы хотите, чтобы ингредиенты работали для определенной проблемы, но вы не хотите, чтобы они были настолько общими, что они непреднамеренно наносили вред нецелевым видам или окружающей среде.
Теперь исследовательская группа под руководством профессоров UD Диона Влахоса, инженера-химика и биомолекулярного инженера, и Майкла Кроссли, энтомолога и эколога дикой природы, синтезировала новые активные инсектицидные ингредиенты, которые являются целевыми и экологически более безопасными, чем обычные пестициды.
Химия и молекулы получены из материалов биомассы, таких как древесная масса, солома и кукурузные початки — ресурсов, которые в противном случае считались бы отходами, что привнесло в работу устойчивость и цикличность. Исследователи опубликовали свои выводы в ChemSusChem.
Синтез новых молекул
Проще говоря, исследовательская группа нашла способ взять коммерчески доступные атомы растительного происхождения из биомассы и точно привить к ним определенные функциональные молекулы, чтобы создать новый тип химиката с потенциалом придания желаемой активности по уничтожению насекомых.
Сунита Садула, руководитель лаборатории и старший научный сотрудник Энергетического института Делавэра, описала молекулы на биологической основе как «связующие молекулы» между едкими растворами, которые используются в настоящее время, и более устойчивыми, экологически безопасными методами.
«Главной мотивацией было решение проблемы минимизации или, в идеале, устранения токсичных химикатов в нашей пище, в наших водных ресурсах и в нашей окружающей среде», — сказал Садула.
Исследовательская группа протестировала свою формулу на синтетической молекуле, известной как ванилин, которая обычно производится из лигнина, компонента растений и деревьев, обеспечивающего структуру и стабильность. Они также протестировали молекулу, известную как фурфурол, которая получена из молекул сахара, присутствующих в лигноцеллюлозной биомассе, наиболее распространенном отходе, остающемся от целлюлозно-бумажной промышленности.
Получив материал, который выглядел многообещающе, исследователи обратились за помощью к Майклу Кроссли, доценту кафедры энтомологии и экологии дикой природы в Колледже сельского хозяйства и природных ресурсов UD, чтобы определить, является ли созданная их командой молекула пестицидом.
В ходе своих испытаний Кроссли обнаружил, что разработанные в UD молекулы и процесс действительно работали как эффективный инсектицид против вредителя, известного как малый мучной хрущак, вызывая уровень смертности, аналогичный уровню обычных инсектицидов.
«Что удивительно в процессе, разработанном лабораторией Влахоса, так это то, что вы можете удалить группу и добавить группу. И вдруг это другой тип химиката с совершенно другими свойствами», — сказал Кроссли. «Прямо сейчас они производят некоторые химикаты, которые имеют структурное сходство с гораздо более безопасными инсектицидами с более целенаправленным воздействием».
Необходимы дополнительные испытания, чтобы убедиться, что разработанная UD молекула пестицида не наносит вреда экологически полезным насекомым, таким как медоносные пчелы, сказал Кроссли.
Исследовательская группа под руководством профессоров Делавэрского университета Дион Влахос, инженера-химика и биомолекулярного инженера, и Майкла Кроссли, энтомолога и эколога дикой природы, синтезировала новые активные инсектицидные ингредиенты, которые являются целевыми и экологически более безопасными, чем обычные пестициды. Автор: Джеффри К. Чейз
Настройка и воссоздание химии с установкой на устойчивость
Теджас Гокулдас, аспирант пятого года обучения в лаборатории Влахоса, сказал, что другие пробовали разные стратегии для создания этих типов пестицидов на биологической основе, даже из лигноцеллюлозной биомассы, но не смогли создать активные ингредиенты, которые бы достигали той же токсичной активности, что и коммерческие пестициды. Однако метод, разработанный UD, позволил получить пестицид на биологической основе с почти такой же эффективностью (почти 1:1) по сравнению с традиционными ингредиентами пестицидов на основе карбамата, доступными на рынке.
И хотя современные коммерческие пестициды обычно получают из ископаемого топлива и других токсичных реагентов и химикатов с известными вредными эффектами, метод, разработанный UD, использует полностью возобновляемые химикаты для создания этих активных ингредиентов из биомассы. С не менее чем 991 миллионом тонн доступной сухой лигноцеллюлозной биомассы в Соединенных Штатах каждый год, это также является устойчивым вариантом.
Кроссли указал на способность команды создавать полезные химикаты из отходов как на главное преимущество в удовлетворении потребности в цикличности при разработке решений проблем.
«Мне просто нравится идея этой переработки», — сказал Кроссли.
Кроме того, ингредиенты менее токсичны для окружающей среды и более доступны по цене, чем другие коммерчески доступные варианты. Команда использовала минимальные шаги для производства продуктов и исключила высокотоксичные реагенты, обычно используемые во время коммерческого синтеза, что также обеспечивает устойчивость этой части процесса разработки продукта.
Основываясь на активных ингредиентах, технико-экономический анализ показал, что молекулярные соединения на основе фурфурола команды в два-четыре раза дешевле других коммерчески доступных соединений, широко используемых для производства пестицидных продуктов.
Важно то, что это масштабируемо.
«При разработке химии мы сосредоточились на молекулах, которые имеются в продаже, чтобы не столкнуться с проблемами в цепочке поставок, когда захотим масштабировать производство», — продолжил Садула.
Исследовательская группа UD подала международную патентную заявку на свой метод и процесс через Управление экономических инноваций и партнерств (OEIP) UD.
Одним из удивительных результатов исследования стало то, насколько безопасным является соединение на основе фурфурола для водных организмов. Это связано с тем, что химия молекул, разработанных UD, предпочитает водную среду, поэтому молекулы предпочитают оставаться в воде, а не в органическом организме, таком как растения, почва или рыба.
«Это означает, что легче удалить эти химикаты с различных фруктов или овощей, потому что вы можете просто смыть их», — сказал Гокулдас.
Интересным элементом метода и процесса, разработанного UD, является то, что он позволяет вынимать одну молекулу и вставлять другую, открывая дверь — или разум — для рассмотрения других экологически или экологически едких материалов, которые в настоящее время используются для выращивания продуктов питания, и того, есть ли способы сделать эти решения более экологичными или более устойчивыми.
«Мы демонстрируем процесс взятия мусора и превращения его в полезный инсектицид. И это действительно открыло совершенно новый путь для производства различных экологически безопасных химикатов с использованием того же подхода», — сказал Кроссли.
Дополнительная информация: Теджас Гокулдас и др., Полученные из биомассы, целенаправленные и экологически безопасные активные ингредиенты инсектицидов, ChemSusChem (2024). DOI: 10.1002/cssc.202400824
Предоставлено Университетом Делавэра
