Медь играет специфическую роль в жизни растений: регулирует фотосинтез и концентрацию образующихся в растении ингибиторов роста, водный обмен и перераспределение углеводов, входит в состав ферментов, повышает устойчивость к полеганию. Недостаток меди вызывает у растений задержку роста и цветения, хлороз листьев, потерю упругости клеток (тургора) и увядание растений. Избыток меди также чрезвычайно вреден: происходит торможение в развитии растения, на листьях появляются бурые пятна и листья отмирают.
Соотношения количеств меди и железа в тканях растений важно для активности некоторых окислительных ферментов, возможны также процессы частичной взаимозаменяемости медьсодержащих и железосодержащих ферментов при недостатке того или другого элемента [1, 2]. Предполагается, что медь играет важную роль в окислении железа в растениях.
Железо входит в состав ферментов, участвующих в создании хлорофилла, участвует в окислительно-восстановительных процессах, протекающих в растениях, так как оно способно переходить из двухвалентной формы в трехвалентную, и обратно. Без железа невозможен процесс дыхания растений, поскольку оно является составной частью дыхательных ферментов. Недостаток железа ведет к распаду ростовых веществ (ауксинов), синтезируемых растениями. Листья становятся светло — желтыми. Железное голодание чаще всего проявляется на карбонатных и сильно известкованных почвах. Поэтому в настоящее время, изучается возможность применения наночастиц железа в качестве удобрений.
Поступление в растения необходимых микроэлементов регулируется основными природными сорбентами — гуминовыми кислотами, которые имеют высокие физиологически активные свойства. В небольшом количестве они являются стимуляторами роста и развития растений. Под влиянием этих веществ повышается проницаемость микроэлементов в клеточных мембранах, обеспечивается улучшение усвоения их растением с последующим увеличением активности многих ферментов (катализаторов биохимических процессов), а это в свою очередь увеличивает синтез белков и углеводов [2]. Из всех ионов металлов наибольшее удержание гуминовой кислотой наблюдается у железа, меди и цинка.
Внесение железа в почву не приводит к ожидаемому биологическому эффекту, что связано с быстрым его переходом в окисленную форму – недоступную для растений. В связи с выявленной биологической активностью соединений железа наиболее эффективными методами повышения урожайности культурных растений является фолиарная подкормка растворами органических (в основном хелатов) или неорганических соединений железа. В настоящее время актуальным вопросом является использование различных форм железа (наноформа и ионная) для улучшения посевных качеств семян и повышения урожайности
Таким образом, целью исследования явилось сравнительное изучение биологической активности наночастиц и ионных форм железа в присутствии гуминовых кислот в тесте прорастания семян пшеницы Triticum vulgare Vill с оценкой изменения количества меди в растительной массе.
Материалы и методы исследования
Объектом воздействия различных форм железа являлись семена озимой пшеницы Triticum vulgare Vill. не обработанные протравителями. Предназначенные для проращивания семена предварительно прогревали при температуре 34 °С в течение 7 суток в термостате.
При проведении исследования использовали водные растворы гуминовых кислот (ГК), выделенных из бурого угля Тюльганского месторождения, растворы сферических наночастиц железа Fe0 (диаметром 80±5 нм) (Институт энергетических проблем химической физики РАН, Россия), сульфата железа (II) и сульфата железа (III), а также водные растворы синтезированных наночастиц магнетита Fe3O4, которые имеют слегка сплющенную шарообразную форму шириной от 50 до 80 нм и высотой от 4 до 10 нм [3].
Суспензию наночастиц железа и магнетита, а также растворы сульфата железа (II) и сульфата железа (III) с концентрациями по железу 0,001 г/л готовили, растворяя определенную навеску в дистиллированной воде и обрабатывая их ультразвуком в течение 15 минут. Менее концентрированные растворы 0,0001 г/л получали разбавлением дистиллированной водой. Приготовленными растворами поливали семена озимой пшеницы Triticum vulgare Vill, добавляя к каждой пробе водный раствор ГК с концентрацией 1 г/л. Контрольные образцы растений выращивали в водной среде с ГК (1 г/л) без добавления железа. Подготовленные таким образом опытные и контрольные пробы оставляли при комнатной температуре на проращивание. Повторность опыта трехкратная.
Определение содержания меди в растениях проводили на седьмые, четырнадцатые и двадцать первые сутки эксперимента в лаборатории АНО «Центр биотической медицины» (г. Москва, аттестат аккредитации ГСЭН.RU.ЦОА.311) методом атомной эмиссионной спектрометрии с индукционно связанной аргоновой плазмой на приборе Optima 2000 DV (США).
Все эксперименты выполняли в трех биологических и трех аналитических повторностях. Результаты обрабатывали с помощью компьютерных программ Microsoft Excel и представляли в виде средних арифметических со стандартным отклонением. Статистическую значимость различий между контролем и опытом оценивали по t — критерию Стьюдента [4].
Для интерпретации результатов по количеству поглощенных токсичных элементов был рассчитан коэффициент биологического поглощения (КБП), который находили как отношение количества металлов в побегах к их количеству в гуминовой кислоте. Выделенные гуминовые кислоты изначально содержат железо (719±108 мкг/г) и небольшое количество меди (6,28±0,63 мкг/г).
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ данных по количеству поглощенных ионов меди растениями вида Triticum vulgare Vill показал, что в течение времени в зависимости от количества внесенного железа и его формы происходит изменение содержания меди в надземной части растения (рис. 1).
Рисунок 1. Содержание меди (мкг/г) в надземной части сухого растения Triticum vulgare Vill на 7, 14 и 21 сутки в зависимости от различной концентрации внесенных форм железа: 0,001 г/л и 0,0001 г/л
К 7 дню добавление ионной формы железа Fe2+ при концентрации 1·10-3 г/л происходит увеличение содержания меди на 23% (p>0,59). Все остальные формы железа при этой концентрации уменьшают количество меди в растениях по сравнению с контролем. При более низкой концентрации железа 1·10-4 г/л двухвалентная форма не приводит к увеличению содержания меди на 7 день по сравнению с контролем. Скорее всего, это связано с конкуренцией ионов Fe2+ и ионов Cu2+. На 14 день при добавлении всех форм железа происходит снижению концентрации меди.
21 день эксперимента, характеризующийся недостатком питательных элементов, имитирует реальные неблагоприятные условия.
К 21 дню добавление ионных форм железа и наночастиц железа приводит к увеличению содержания меди: 10,33±1,55 мкг/г при С(Fe2+)=0,0001 г/л; 10,30±1,25 мкг/г при С(Fe3+)=0,001 г/л; 10,34±1,55 мкг/г при С(Fe0)=0,001 г/л по сравнению с содержанием меди в контрольных образцах 8,62±1,29 мкг/г. Скорее всего, уменьшение возникает, потому что при переизбытке железа ухудшается обмен меди. Зато содержание меди в растениях под действием наноформ железа в виде магнетита Fe3O4 снижается от 17 % (0,001 г/л) до 27 % (0,0001 г/л).
Таким образом, растение Triticum vulgare Vill чувствительно к изменению содержания в среде железа и реагирует на это изменением состава микроэлементов. Проникновение железа зависит от его концентрации и формы. Недостаток полезных элементов может возникнуть в следствии воздействия железа на них. Добавление наноформы железа в виде магнетита приводит к снижению концентрации меди в растениях даже в условиях нехватки питательных веществ, это возможно использовать при производстве экологически чистой растениеводческой продукции.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда № 14-16-00060.
Список литературы:
- Ермакова И.П. Физиология растений. М.: ACADEMA, 2005. – С. 408 – 410.
- Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях: пер. с англ. М. : Мир, 1989. – 439 с.
- Кудрявцева Е.А., Анилова Л.В., Кузьмин С.Н., Шарыгина М.В. Влияние различных форм железа на прорастание семян Triticum aestivum L. // Вестник Оренбургского государственного университета. № 6 (155). – С. 46 – 48.
- Рокицкий П.Ф. Биологическая статистика. Минск: Высш. школа, 1973. – 320 с.[schema type=»book» name=»ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА МЕДИ В ПШЕНИЦЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НАНОФОРМ ЖЕЛЕЗА С ГУМИНОВЫМИ КИСЛОТАМИ» author=»Осипова Елена Александровна, Сивожелезова Раиса Дмитриевна, Копылова Ольга Алексеевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-31″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]