Влияние наночастиц на растения
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 19.09.2024
Наноразмерный мир – мир структур, размер которых лежит в пределах от 0,1 нм (единица длины порядка размера 1 атома) до 100 нм. Наноструктуры обладают свойствами, отличными от классических свойств элементов и их соединений. Одна из форм биологически активных наноматериалов – нанопорошки металлов. Их активные компоненты – металлы в ультрадисперсном состоянии. Эти биопрепараты обладают уникальными свойствами: они экологически безопасны, экономически выгодны и способствуют более эффективному повышению урожайности сельскохозяйственных растений и качества сельскохозяйственной продукции.
Отличительной особенностью ультрадисперсных порошковых материалов (УДПМ) является отсутствие токсичности по сравнению с солями металлов, и способность активизировать физиологические и биохимические процессы при использовании их в очень малых дозах.
Среди факторов, определяющих уровень развития сельскохозяйственных культур, большое значение имеют биологические стимуляторы. Исследования показывают, что в увеличении урожайности сельскохозяйственных растений и повышении качества продукции растениеводства большую роль играют биодобавки, способные активизировать биохимические и физиологические процессы.
Решить данную проблему могут биологически активные препараты в виде нанокристаллических металлов. Изучение влияния наночастиц меди и кобальта на рост и развитие растений кукурузы и подсолнечника позволяет получить подтверждение того, что они действительно создают благоприятную среду для их более интенсивного роста и развития, что выражается как в накоплении ими вегетативной и репродуктивной массы, так и в изменении их биохимического состава.
- нанопорошок меди в дозе 0,04 г/гектарную норму высева семян;
- нанопорошок кобальта в дозе 0,03 г/гектарную норму высева семян.
Так, обработка семян кукурузы нанопорошком кобальта способствовала повышению полевой всхожести на 6,8%, а нанопорошком меди – на 8% относительно контроля.
Однако, определение урожайности (таблица 1) показало невысокую эффективность наночастиц кобальта, так как урожайность зеленой массы с початками увеличилась лишь на 4,1%, а урожайность початков и зерна кукурузы снизилась до 11%. Такой эффект, видимо, связан с тем, что в условиях сильнейшей засухи произошло нарушение взаимодействия кобальта с растением, в отличие от предыдущих лет, что и не помогло достигнуть должного результата.
Наночастицы меди показали лучший результат, так, урожайность початков увеличилась на 11,1% по сравнению с контролем, что подтверждает способность данного препарата усиливать засухоустойчивость растений в экстремальных условиях.
Обработка нанопорошками металлов семян подсолнечника показала другой эффект. В опыте был использован гибрид Донской 22, который по своим характеристикам является масличным, поэтому учитывалась, прежде всего, урожайность семян.
| Показатели | Контроль | Нанопорошок кобальта | Нанопорошок меди | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Данные | Отношение к контролю, % | Данные | Отношение к контролю, % | ||
| Гибрид кукурузы Обский 140 | |||||
| Урожайность зеленой массы с початками, ц/га | 221,0 | 230,0 | +4,1 | 229,3 | +3,8 |
| Урожайность початков, т/га | 36,8 | 32,8 | -10,8 | 41,77 | +11,1 |
| Гибрид подсолнечника Донской 22 | |||||
| Урожайность семян, ц/га | 17,7 | 21,1 | +19,2 | 20,8 | +17,5 |
Так, наночастицы кобальта увеличили сбор семян подсолнечника на 19,2%, а меди – на 17,5% выше контроля, что подтверждает возможность их использования как стимуляторов роста. Также был проведен биохимический анализ семян опытных гидридов кукурузы и подсолнечника (таблица 2).
| Показатели | Контроль | Нанопорошок кобальта | Нанопорошок меди | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Данные | Отношение к контролю, % | Данные | Отношение к контролю, % | ||
| Гибрид кукурузы Обский 140 | |||||
| Жир, % | 4,49 | 5,12 | +0,63 | 4,85 | +0,36 |
| Зола, % | 1,30 | 1,50 | +0,2 | 1,20 | -0,1 |
| Влажность, % | 11,50 | 10,40 | -1,1 | 11,6 | +0,1 |
| Сухое вещество, % | 88,50 | 89,60 | +1,1 | 88,4 | -0,1 |
| Сырой протеин, % | 11,01 | 11,05 | +0,04 | 10,39 | -0,62 |
| Витамин С, мг/100 г | 0,80 | 4,90 | больше в 6,1 раз | 0,50 | -37,5 |
| Витамин А, мкг/100 г | 0,35 | 0,92 | больше в 2,6 раз | 1,03 | больше в 3 раза |
| Гибрид подсолнечника Донской 22 | |||||
| Зола, % | 3,62 | 3,67 | +0,05 | 3,74 | +0,12 |
| Кислотное число, мгКОН/г | 2,5 | 0,98 | -60,8 | 1,40 | -44 |
| Масличность, мг/кг | 37,0 | 38,4 | +3,8 | 39,4 | +6,5 |
| Протеин, % | 13,13 | 17,78 | +4,65 | 18,64 | +5,51 |
Биохимический состав семян, как кукурузы, так и подсолнечника, показал возможные последствия влияния наночастиц металлов на обмен веществ растений.
В семенах кукурузы нанопорошок кобальта изменил все показатели, но максимальный результат получен по витамину C – содержание которого в семенах увеличилось в 6,1 раза и по витамину A - увеличение в 2,6 раза. Нанопорошок меди увеличил содержание витамина A в 3 раза. Известно, что витамины являются регуляторами обмена веществ. Витамин C является природным антиоксидантом и необходим для участия в окислительно-восстановительных процессах (ОВР). Так как биохимический состав семени определяет саму возможность и интенсивность его развития в период прорастания, то высокое содержание витамина C усилит скорость ОВР на клеточном уровне и позволит в следующий вегетационный период обрести семени преимущество в развитии. Витамин A необходим для роста и развития организма, особенно в начальных стадиях развития.
Нанопорошок кобальта способствовал значительному снижению (на 60,8%) кислотного числа липидов, также как и нанопорошок меди (на 44%), входящих в состав семян, что положительно отразилось на качестве масличных семян. Кислотное число определяет содержание свободных жирных кислот в липидах, т.е. степень гидролиза жира, и уровень его содержания, свидетельствует о качестве масла входящего в состав семян подсолнечника. Увеличилась масличность опытных семян подсолнечника до 6,5%, что свидетельствует о стимуляции обменных процессов в растениях, направленных именно на генетически заложенные свойства организма. Также увеличилось содержание протеина в семенах на 5,5%.
В целом, наночастицы меди и кобальта показали свою высокую эффективность в экстремальных условиях продолжительной жары и засухи лета 2010 года и возможность их использования в растениеводстве как биокатализаторов, способных увеличивать как количество, так и качество сельскохозяйственной продукции.
Исследованы эффекты использования в процессе клонального микроразмножения березы пушистой наночастиц оксида меди (5–40 нм) и серебра (10–30 нм). Добавка наночастиц в состав среды WPM (Woody plant medium) на этапе введения эксплантов в культуру in vitro способствует снижению на 15–25% инфицированности эксплантов, а также повышению их морфогенного потенциала. Использование коллоидных растворов наночастиц CuO и Ag на стадии перевода микрорастений березы в закрытый грунт уменьшает количество инфицированных фитопатогенами растений, а также повышает их приживаемость на 25%. Снижение общей инфекционной нагрузки и повышение адаптационного потенциала за счет наночастиц способствует улучшению основных показателей роста и развития растений березы пушистой. При этом на стадиях мультипликации и укоренения микроклонов березы внесение в состав среды WPM наночастиц CuO и Ag способствовало снижению жизнеспособности, ухудшению внешнего вида, развитости побега и листьев, а также уменьшению коэффициента мультипликации микроклонов. Не было обнаружено положительного эффекта внесения наночастиц на количество укоренившихся микрорастений березы in vitro. Отметим, что под воздействием наночастиц CuO в отличие от наночастиц Ag корневая система березы становилась более разветвленной с большим количеством боковых корешков. Полученные результаты могут быть использованы при применении наночастиц CuO и Ag в биотехнологии клонального микроразмножения растений.
ВВЕДЕНИЕ
Сохранение и преумножение защитного и ресурсного потенциала лесов, предупреждение обезлесения и деградации – основная задача устойчивого управления лесами. Биотехнологические подходы, основанные на культивировании органов и тканей многолетних растений вне организма, на искусственных питательных средах, в регулируемых асептических условиях, позволяют в полной мере использовать селекционные достижения и проводить интенсивное выращивание качественного посадочного материала ценных генотипов древесных культур для плантационного лесовыращивания [1].
В современном сельском и лесном хозяйстве, а также биотехнологических процессах все большую популярность набирают препараты, содержащие наночастицы, обладающие огромным потенциалом [2]. Специфические свойства металлов в ультрадисперсном состоянии открывают широкие возможности для создания новых эффективных агентов с высокой биологической активностью для применения в различных областях [3]. Установлено, что наночастицы металлов при попадании в живые организмы вызывают биологический ответ, отличающийся от действия традиционной ионной формы элементов [4].
В исследованиях культуры тканей накоплен большой материал, демонстрирующий положительное влияние наночастиц на всех этапах культивирования in vitro. Показано положительное влияние внесения наночастиц Ag в питательную среду на снижение процента контаминированных эксплантов Valeriana officinalis L. [5 ] , Gerbera jamesonii [6], Arabidopsis thaliana [7], Bacopa monnieri [8], Nicotiana tabacum [9] и др. Кроме того, было отмечено, что при обработке эксплантов Rosa hibrida в течение 20 мин в растворе, содержащем 200 мг/л Ag, происходило значительное снижение бактериальной инфекции [10]. В [11] отмечено улучшение ростовых характеристик растений in vitro Brassica juncea под воздействием 50 мг/л наночастиц Ag за счет снижения количества пероксида водорода, малондиальдегида и пролина.
Наночастицы меди, как и наносеребро, проявляют ярко выраженное противомикробное действие. Они часто применяются вместо наночастиц благородных металлов [12]. Так, было показано увеличение числа побегов, количества и длины корней, массы растения Verbena bipinnatifida при добавлении в среду для культивирования 5–15 мг/л наночастиц меди [13]. Растения перца Capsicum annuum, культивированные на среде Мурасиге–Скуга (MS), содержащей наночастицы металлов, в том числе меди, имели улучшенные морфометрические и физиологические показатели: длину корня и его активность, увеличенное содержание хлорофилла в листьях [14]. Добавление 0.5 мг/л наночастиц меди и 0.8 мг/л наночастиц кобальта к модифицированной среде MS увеличивало количество побегов, длину побегов и укоренение Mentha longifolia [15]. Использование наночастиц CuO в концентрации 20 мг/л стимулировало ризогенез Stevia rebaudiana [16], количество укорененных эксплантов увеличивалось почти на 20%.
Однако наряду с описанием положительных эффектов имеются данные, указывающие на негативное действие наночастиц на растения [17, 18]. Основной механизм токсичности наночастиц связан с поглощением, их устойчивостью на клеточном уровне и способностью высвобождать свободные радикалы, вызывая окислительный стресс. Кроме того, в зависимости от их транспорта, свойств и реакционной способности наночастицы могут влиять на различную метаболическую активность и оказывать воздействие на растения [17].
В то же время информация об эффектах наночастиц CuO и Ag на древесные породы в условиях культуры тканей практически отсутствует. Поэтому данная работа посвящена оценке влияния наночастиц оксида меди и серебра в составе питательных сред на растения березы пушистой на разных этапах клонального микроразмножения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Получение и исследование наночастиц. Наночастицы оксида меди получали золь-гель-методом [19]. К 0.2 М водного раствора CuCl2 · 2H2O (≥99%, Sigma-Aldrich) добавляли 1 мл ледяной уксусной кислоты (≥99%, Sigma-Aldrich) и нагревали до 100°C при постоянном перемешивании. При помощи 8 М NaOH (≥98%, Sigma-Aldrich) раствор доводили до pH = 7 ± 0.2. Раствор изменял цвет с зеленого на черный, и наблюдалось выпадение осадка, который доосаждали центрифугированием и промывали 3–4 раза деионизированной водой. Полученный осадок сушили на воздухе в течение 24 ч. Коллоидный раствор готовили путем ультразвукового диспергирования 20 мг порошка в 100 мл дистиллированной воды (pH = 7 ± 0.2) в течение 5 мин. Таким образом получали суспензию с концентрацией наночастиц 200 мг/л.
Наночастицы серебра получали методом химического восстановления [20]. Для этого 50 мл водного раствора, содержащего 0.062 г (3.8 · 10 –4 моль) нитрата серебра (≥99%, Sigma-Aldrich), по каплям и при интенсивном перемешивании добавляли к 50 мл водного раствора, содержащего 0.2 г (5.2 · 10 –4 моль) натриевой соли сульфоэтоксилатадодеканола (SLES, 70%-ный водный раствор Hansa). Через 15 мин после смешения растворов к реакционной системе по каплям при интенсивном перемешивании добавляли 100 мл раствора, содержащего 0.028 г (7.4 · 10 –4 моль) боргидрида натрия (99%, AcrosOrganics). Концентрация серебра в полученной дисперсии составляла 200 мг/л.
Исследование наноматериалов проводили методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на микроскопе Leo 912 AB Omega (LeoLtd., Германия) и динамического рассеяния света на анализаторе ZetasizerNano ZS (MalvernInstrumentsltd., Великобритания).
Клональное микроразмножение. В качестве эксплантов при введении в культуру использовали апикальные и пазушные меристемы молодых побегов березы пушистой Betula pubescens. Побеги промывали проточной водой с поверхностно-активными веществами и разрезали на сегменты 3–5 см, после чего стерилизовали в течение 35 мин в растворе, состоящем из 200 мл дистиллированной воды и 200 мкл 5%-ного раствора гипохлорита натрия, с последующей однократной промывкой в дистиллированной воде. Основную стерилизацию побегов проводили в ламинар-боксе в растворе, состоящем из 15 мл 5%-ного раствора гипохлорита натрия и 85 мл стерильной дистиллированной воды, в течение 15 мин. Промывку проводили также стерильной водой. Стерильные побеги разрезали в асептических условиях на сегменты величиной 1.5–2 см с одной пазушной почкой – экспланты, которые впоследствии были высажены на агаризованную питательную среду WPM (Woody plant medium) [21] с добавлением растворов наночастиц. На этапе предварительных исследований на стадии введения в культуру in vitro было установлено, что наилучшие результаты получены при использовании наночастиц CuO и Ag в концентрации 5 мг/л. Данную концентрацию наночастиц использовали на всех этапах отработки технологии. В качестве контроля использовали среду без добавления наночастиц. Условия климатического режима: 16-часовой фотопериод при освещенности 2–3 клк и температуре 24–26°С. На протяжении трех недель фиксировали число стерильных эксплантов и эксплантов, сформировавших основной побег. Антифунгальную активность наночастиц CuO и Ag по отношению к фитопатогенам Fusarium oxysporum, Fusarium avenaceum, Alternaria alternata определяли в чашках Петри методом лунок (колодцев) [22]. Степень антагонистической активности оценивали по зонам подавления роста тест-культуры вокруг лунок с исследуемыми наночастицами.
Оценку влияния растворов наночастиц на регенерационные процессы и коэффициент размножения микроклонов березы проводили на среде WPM с добавлением наночастиц и регуляторов роста – 300 мкг/л 6-бензиламинопурина (6-БАП) и 200 мкг/л гибберелловой кислоты (ГК) (≥99%, Sigma-Aldrich). По истечении трех недель оценивали жизнеспособность, внешний вид, развитость побега и листьев, а также коэффициент мультипликации микроклонов. Состояние микроклонов оценивали по внешнему виду по пятибалльной шкале. Коэффициент мультипликации рассчитывали как среднее количество микропобегов, полученных с одного конгломерата [23].
Процесс укоренения микроклонов под влиянием растворов наночастиц проводили на 1/2 WPM без применения регуляторов роста (безгормональной среде) и на среде 1/2 WPM, дополненной 300 мкг/л индолил-3-масляной кислотой (ИМК). Учитывали число укоренившихся микрорастений через 21 день наблюдения, а также количество корней на одно растениe.
Влияние растворов наночастиц на приживаемость и наличие инфекции после перевода микроклонов березы пушистой в условия закрытого грунта изучали в условиях теплицы в субстрате, состоящем из торфа и перлита в соотношении 3:1, обработаннoм раствором наночастиц (5 мг/л). Почвосмесью заполняли пикировочные контейнеры объемом 150 см 3 , в которые высаживали растения. На протяжении 21 дня оценивали приживаемость, жизнеспособность и инфицированность исследуемых растений березы.
Статистическую обработку данных осуществляли с использованием программы MicrosoftExcel 2010 (пакет “Описательная статистика”) с применением однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) при 5%-ном уровне значимости.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование наночастиц. ПЭМ-анализ морфологии полученных наночастиц показал (рис. 1), что частицы оксида меди и серебра имеют близкую к сферической форму. Средний размер наночастиц CuO составлял 5–20 нм (рис. 1а), диаметр частиц Ag находился в диапазоне 10–30 нм (рис. 1б). Как видно из микрофотографий, серебро находилось в виде индивидуальных наночастиц, в то время как оксид меди – в скоагулированном состоянии. Исследование дисперсионного состава коллоидных систем наночастиц методом динамического светорассеяния также подтвердило, что коллоидный раствор наночастиц CuO характеризуется полимодальным распределением частиц, отмечен пик при 2–6 нм и второй в диапазоне 10–40 нм (рис. 2а), что говорит о некоторой склонности к агрегации частиц в растворе. Для наночастиц серебра наблюдалось более узкое распределение по размерам 10–25 нм (рис. 2б). Таким образом, диапазон распределений по размерам частиц и агрегатов CuO равнялся 5–40 нм, наночастиц Ag – 10–30 нм.
Известно, что прорастание семян является сложным процессом, определяющим последующие этапы развития растений и формирование урожая. Каждая культура в зависимости от строения оболочки семян требует совокупность определенных условий прорастания, важными факторами которых является достаточная влажность, определенная температура, длина светового дня и т.д. Прорастание семян — сложный биологический процесс, при котором зародыш, используя запасные питательные вещества, превращается в проросток. Существуют различные способы подготовки семян к посеву, одним из которых является предпосевная обработка семян микроэлементами, чаще всего, совместно с протравителями, что обеспечивает и защиту от болезней и вредителей, и повышению урожая. Известно, что микроэлементы улучшают проникновение влаги через оболочку семян, активизируют биологические процессы в семени, повышают их жизнеспособность, полевую всхожесть, рост надземной массы и корневой системы растений. Более интенсивное прорастание семени способствует меньшему расходу запасных питательных веществ семенем, его продуктивному дыханию, что позволяет прорастать и всходить семенам даже с малым запасом питательных веществ в эндосперме. В настоящее время обработку семян в практике проводят солями металлов и халатными соединениями, а в экспериментальных условиях апробирована обработка микроэлементами в виде наночастиц (Виноградова Д.Л., Малышев Р.А., Фолманис Г.Э.,2005; El-Kereti M.A., El-feky S.A., Khater M.S.Recent, et al., 2013). Полученные результаты по предпосевной обработке семян наноматериалами свидетельствуют о перспективности этого направления, поскольку использование нанотехнологий в растениеводстве может приводить к увеличению прибыльности и повышению конкурентоспособности, а также улучшению качества выпускаемой продукции (Виноградова Д.Л., Малышев Р.А., Фолманис Г.Э.,2005.).
В связи с этим, целью нашего исследования является разработка высокоэффективных, экологически безопасных препаратов для роста и развития растений на основе наночастиц (НЧ) различных металлов.
В лабораторных экспериментах изучали влияние водных суспензий нанопорошков металлов на такие показатели, как набухание семян, энергию их прорастания и всхожесть.
О степени набухания семян судили по количеству поглощенной семенами воды. Показано, что добавление НЧ цинка, меди и алюминия по-разному влияет на степень набухания семян. Установлено, что по степени набухания семян при экспозиции с НЧ разных металлов, наибольшей активностью обладают НЧ цинка по сравнению с НЧ меди и алюминия.
Установлено, что энергия прорастания семян кукурузы возрастает после обработки семян НЧ разных металлов по сравнению с контролем. Однако эффективность воздействия зависит от элемента. Так, наиболее эффективным влиянием на энергию прорастания обладают НЧ меди и алюминия. В тоже время предпосевная обработка НЧ цинком семян кукурузы приводит к недостоверному уменьшению энергии прорастания.
При исследовании всхожести семян показано, что НЧ разных металлов влияют на этот показатель. Установлено, что НЧ цинка ингибируют всхожесть семян по сравнению с контролем, а НЧ меди и алюминия стимулируют всхожести семян. При этом действие НЧ алюминия выше, чем НЧ меди.
Следовательно, предпосевная обработка семян НЧ цинка, меди и алюминия оказывает влияние на такие показатели как набухание семян, энергию прорастания и всхожесть.
Таким образом, использование наночастиц металлов позволяет ускорить процесс прорастания семян, улучшить их рост и развитие растений.
1. Виноградова Д.Л., Малышев Р.А., Фолманис Г.Э., Экономические аспекты применения нанотехнологий в земледелии. М.:2005. 53 с.
Автор: Цицуашвили Виктория Сергеевна, Минкина Татьяна Михайловна, Невидомская Дина Георгиевна, Раджпут Вишну Даял, Манджиева Саглара Сергеевна, Сушкова Светлана Николаевна, Бауэр Татьяна Владимировна, Бурачевская Марина Викторовна
Бесплатный доступ
Наночастицы металлов , оксид меди , почвенно-микробное сообщество , растения , токсичность
Читайте также: