CC BY
42
Использование морфометрических и биохимических показателей тест-культур для оценки токсичности наночастиц меди*
Л.В. Галактионова, к.б.н, ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ; И.З. Губайдуллина, магистрант, ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ
Проблемы влияния техногенных наночастиц (НЧ) на жизнедеятельность живых организмов, в том числе растений, приобретают особую остроту в связи с современным развитием и внедрением нано-технологий. Именно растительным объектам было отдано предпочтение в опытах по биотестированию наночастиц, поскольку они обладают чрезвычайно высокой чувствительностью к внешним слабоин-
тенсивным факторам, иногда на порядок превышающей чувствительность объектов животного происхождения [10]. Кроме того, они характеризуются малогабаритностью (например, семена), огромным генетическим и морфологическим разнообразием. Таким образом, растения можно рассматривать в качестве тест-организма экотоксичности на-ночастиц и объекта, на который они действуют положительно, повышая его жизнеспособность. К сожалению, имеющиеся литературные сведения по этому вопросу либо крайне противоречивы,
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект №14-36-00023)
либо трудно сопоставимы как по дозам и размерности наночастиц, так и по видам растений [1].
Целью исследования работы является оценка токсичности наночастиц меди по отношению к морфометрическим показателям и составу пигментного аппарата растений Lepidium sativum L., Avena sativa и Raphanus sativus.
Материал и методы исследования. Подготовка почв, представленных чернозёмом южным, к модельному эксперименту осуществлялась согласно общепринятой методике [2]. Для исследования были выбраны концентрации НЧ в почвах: 50; 100; 200 и 400 мг/кг.
Были поставлены эксперименты для НЧ меди в разных концентрациях, все варианты опыта проводили в трёхкратной повторности. Осуществляли посев семян по схеме:
I — к (контрольный) — почва с внесением семян Lepidium sativum, Avena sativa и Raphanus sativus без НЧ;
II — вариант опыта Cu50 — почва с внесением семян Lepidium sativum, Avena sativa и Raphanus sativus, загрязнённая НЧ в концентрации 50 мг/кг;
III — вариант опыта Cu100 — почва с внесением семян Lepidium sativum, Avena sativa и Raphanus sativus, загрязнённая НЧ в концентрации 100 мг/кг;
IV — вариант опыта Cu200 — почва с внесением семян Lepidium sativum, Avena sativa и Raphanus sativus, загрязнённая НЧ в концентрации 200 мг/кг;
V — вариант опыта Cu400 — почва с внесением семян Lepidium sativum, Avena sativa и Raphanus sativus, загрязнённая НЧ в концентрации 400 мг/кг.
Всхожесть и энергию прорастания определяли в соответствии с ГОСТом 12038-84 [3]. Выделение пигментов и расчёт их содержания проводили по методике Н.Д. Смашевского (2011 г.) [4]. Содержание хлорофилла a, b и каротиноидов определяли на вес сырой зелёной массы.
Результаты исследования. Медь (Cu) в растениях входит в состав пластоцианина, участвующего в фотосинтезе, и некоторых других медьсодержащих белков и окислительных ферментов. Токсическое действие меди в повышенных концентрациях проявляется в снижении накопления фитомассы, уменьшении оводнённости тканей и содержания
хлорофилла. Высокие концентрации в форме солей приводят к развитию металлотоксикозов (хлорозы, некрозы, ингибирование роста корней и побегов), вплоть до полной гибели растений [5].
Согласно международному стандарту ISO 11269-2 в качестве тест-растений необходимо выбирать минимум два вида растений, при этом одно должно быть однодольным, а другое двудольным [6]. Поэтому выбранные нами тест-культуры являются представителями классов однодольных и двудольных.
Всхожесть является распространённым показателем при оценке негативного воздействия поллютантов различной природы на почвенно-растительный покров. В ходе эксперимента отмечено наибольшее подавление прорастания семян Raphanus sativus (70%) и Avena sativa (20%) в дозе НЧ Cu 100 мг/кг, а для Lepidium sativum (35%) при дозах 50 и 100 мг/кг (рис. 1). Таким образом, высокая чувствительность к внесению НЧ меди наблюдалась для тест-объекта Raphanus sativus.
Исследованием установлена достоверная стимуляция роста корней в вариантах опыта Cu^ и Cu400, за исключением Cu50 и Cu100. Максимальная стимуляция роста корневой системы растений для Lepidium sativum, Avena sativa, Raphanus sativus наблюдалась в варианте опыта Cu400. Малые дозы НЧ по отношению к ростовым процессам растений оказывают инги-бирующий эффект, а большие — стимулирующий.
Компоненты фотосинтетического аппарата имеют ключевое значение в жизни растения: в стрессовых условиях роста, развития, размножения, перенесения неблагоприятных условий и обеспечения органическим веществом. Физиологические возможности растений определяются как структурной, так и биохимической организацией пигментного аппарата. Известно, что хлорофил-лы a, b и каротиноиды играют ключевую роль в фотосинтетических процессах, а изменение их концентрации и соотношения в пигментном комплексе является индикатором экологического неблагополучия [7].
На рисунке 2 представлены результаты изучения влияния НЧ Cu на содержание пигментов в листьях Lepidium sativum. Данные, полученные в
Lepidium sativum _| Avena sativa
I Raphanus sativus
Cu400 CII200 Cu 100
Cu50
10 20 30 -10 50 Фитотоюичностъ, %
60
so
■1С
30 « 0
|jo
u
Cnítl
Oil 00
-100
Lepidium sativum □ Avena sativa ■ Raphanus sativus
Рис. 1 - Фитотоксичность и фитоэффект НЧ меди по отношению к тест-объектам
ходе эксперимента, свидетельствуют о положительном влиянии дозы загрязнителя 100 мг/кг на содержание хлорофилла a и b в листьях Lepidium sativum, которое увеличилось более чем на 70% для хл. а и на 100% — для хл. b. При увеличении концентрации НЧ Cu до 200 и 400 мг/кг отмечается некоторое снижение содержания хлорофилла а и b.
Другой группой пигментов, входящих в состав пигмент-белковых комплексов, являются кароти-ноиды. Роль их заключается в том, что они являются дополнительными пигментами, использующими ту часть спектра, которую не поглощает хлорофилл. Кроме того, они выполняют защитную функцию — предотвращают распад хлорофилла, который может происходить под действием кислорода [8].
При анализе состава пигментного аппарата листьев Lepidium sativum обнаружено стимулирование образования каротиноидов при концентрации НЧ меди 50 мг/кг. Что, возможно, связано с компенсацией светособирающей ёмкости зелёных пигментов и необходимой активации защитной роли каротиноидов при обработке растений на-ночастицами [9]. Дальнейшее увеличение дозы НЧ Cu вызывает снижение содержания каротиноидов.
Изучение воздействия НЧ меди на состав пигментного комплекса Raphanus sativus показало увеличение содержания хлорофилла a и b в листьях тест-культуры по сравнению с контрольным вариантом (рис. 3). Максимальное количество хлорофилла a и b наблюдается в варианте опыта Cu100, оно составило 1,15 мг/г.
Исследование содержания каротиноидов в листьях Raphanus sativus выявило, что максимальное содержание этой группы пигментов наблюдалось в контрольном варианте опыта. Возрастание концентрации наночастиц Cu вызывает снижение содержания каротиноидов в более чем 3,7 раза.
Максимальное содержание хл. а в листьях Avena sativa наблюдалось при дозе НЧ Cu 50 мг/кг, а для хл. b — в контрольном варианте опыта (рис. 4). Увеличение концентрации НЧ Cu в почве до 400 мг/кг вызвало снижение доли хлорофилла а и b в составе пигментного комплекса более чем на 50%. Аналогичная динамика характерна и для каротиноидов, минимальная концентрация которых (0,07 мг/г) наблюдалась при максимальной величине загрязнения.
Вывод. Полученные в ходе эксперимента результаты свидетельствуют о том, что наиболее информативными показателями токсичного воздействия наночастиц меди на растения являются всхожесть семян Raphanus sativus L. и состав пигментного комплекса листьев Avena sativa L.
Литература
1. Райкова А.П., Паничкин Л.А., Райкова Н.Н. Исследование влияния ультрадисперсных порошков металлов, полученных различными способами, на рост и развитие растений // На-нотехнологии и информационные технологии — технологии XXI века: матер. Междунар. науч.-практич. конф. М., 2006. С. 108-111.
■к «Cilio О С и 100 ВСиМО bCu400
Ö,S
u 0.6 :
¡НИИ
хла хл b .. -1 kapoTiiHoiiabi
Рис. 2 - Содержание фотосинтетических пигментов в листьях Lepidium sativum
■ к »CllSO □ Cu LOO «01200 ИОИСЮ
1,-1
хл a \::i tj Л i ■ !■ ка|№тиноиды
Рис. 3 - Содержание фотосинтетических пигментов в листьях Raphanus sativus
■ClÜOO ИСЫОО
I let
хял+b К][,г; ¡ihviliu
Рис. 4 - Содержание фотосинтетических пигментов в листьях Avena sativa
2. ГОСТ РИСО 22030-2009. Качество почвы. Биологические методы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений. М.: Изд-во стандартов, 2009. 20 с.
3. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести [Текст]. М.: Изд-во Стандартов, 2004. С. 32-60.
4. Смашевский Н.Д. Практикум по физиологии растений: учебное пособие. Астрахань: Астраханский государственный университет, Издательский дом «Астраханский университет», 2011. 77 с.
5. Школьник М.Я. Микроэлементы в жизни растений. М.: Наука, 1974. 324 с.
6. ISO 11269-2: 2005 Качество почвы. Определение воздействия загрязняющих веществ на флору почвы. Часть 2. Воздействие химикатов на рост высших растений.
7. Зотикова А.П., Бендер О.Г., Рудник Т.И. Экофизиологи-ческие реакции листового аппарата кедра сибирского на изменение климата // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19. № 11. С. 969-972.
8. Карнаухов В.Н. Биологические функции каротиноидов. М.: Наука, 1988. 240 с.
9. Ладыгин В.Г., Ширшикова Г.Н. Современные представления о функциональной роли каротиноидов в хлоропластах эукариот // Общая биология. 2006. Т. 67. № 3. С. 163-189.
10. Ling Y., Yatts D. Particle Surface Characteristics May Play an Important Role in Phytotoxicity of Aluminia Nanoparticles. Toxicology Letters. 2005. P. 122-132.
■ к ЯСи50 aCulOO 1,4
et,
g 1.1 I I
i g o,s .
I ■
Iii Ii
хл a x л b
