CC BY
41
Лебедев С.В.1, Осипова Е.А.2, Аркушенко Е.А.3, Женеев С.А.3 ©
1Доктор биологических наук, ГНУ ВНИИМС РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИЯ старший преподаватель, студент химико-биологического факультета, «Оренбургский
государственный университет»
ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА МЕДИ, ЦИНКА И МАРГАНЦА В ПШЕНИЦЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ЖЕЛЕЗА С ГУМИНОВЫМИ КИСЛОТАМИ
Аннотация
Статья посвящена исследованию изменения элементного состава растения Triticum vulgare Vill под воздействием сферических наночастиц железа Fe0 (диаметром 80±5 нм) и наночастиц магнетита Fe3O4 (шириной 50-80 нм и высотой 4-10 нм), а также растворов сульфата железа (II) и сульфата железа (III) в присутствии гуминовых кислот. В настоящее время актуальным вопросом является использование различных форм железа (наноформа и ионная) с целью улучшения посевных качеств семян, повышения урожайности и производства экологически-чистой продукции.
Ключевые слова: железо, цинк, медь, марганец, наночастицы, гуминовые кислоты, пшеница. Keywords: iron, zinc, copper, manganese, nanoparticles, humic acids, wheat.
Введение.
Уменьшение содержащихся в почве питательных веществ и микроэлементов является серьезной проблемой, которая может привести к снижению урожайности.
Большое значение для специфической адсорбции микроэлементов имеет органическое вещество почв - гуминовые кислоты. Из всех ионов металлов наибольшее удержание гуминовой кислотой наблюдается у железа, меди и цинка [4, 5].
Под влиянием цинка происходит увеличение содержания витамина С, каротина, углеводов и белков в ряде видов растений, цинк усиливает рост корневой системы и положительно сказывается на морозоустойчивости, а также жаро-, засухо- и солеустойчивости растений. Соединения цинка имеют большое значение для процессов плодоношения [1].
При избыточных содержаниях цинка нарушаются процессы усвоения железа, а при высоких содержаниях форм железа в растениях снижаются процессы всасывания меди и марганца.
Под влиянием меди в растении увеличивается содержание хлорофилла, усиливается процесс фотосинтеза, повышается устойчивость растений к грибным и бактериальным болезням.
Недостаточная обеспеченность растений медью отрицательно сказывается на водоудерживающей и водопоглощающей способности растений.
В то же время слишком высокое содержание в почве доступной для растений меди, как и других микроэлементов, отрицательно влияет на урожай, поскольку нарушается развитие корней и уменьшается поступление в растение железа и марганца [1].
Железо также является биогенным элементом, принимающим участие в окислительных процессах [6]. Содержание железа в почвах варьируется в пределах 2-3 % от ее массы. Однако большая часть минеральных соединений железа находится в почвах в недоступной форме, так как железо образует наиболее прочные комплексы с гуминовыми кислотами [4, 5].
Внесение железа в почву не приводит к ожидаемому биологическому эффекту, что объясняется его быстрым 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 хелатных соединений) или неорганических соединений железа. В настоящее время актуальным вопросом является использование различных форм
© Лебедев С.В., Осипова Е.А., Аркушенко Е.А., Женеев С.А., 2014 г.
железа (наноформа и ионная) для улучшения посевных качеств семян и повышения урожайности [7, 13], а также снижения количества других не биогенных элементов. Влияние высокодисперсных частиц на живые организмы до настоящего времени изучено не достаточно, что подтверждается большим объемом часто противоречивых данных об их влиянии на природные компоненты [2, 3].
Таким образом, целью исследования явился сравнительный анализ биологической активности наночастиц и ионных форм железа в присутствии гуминовых кислот в тесте прорастания семян пшеницы Triticum vulgare Vill с оценкой изменения количества цинка, меди и марганца 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 [9, 28].
При проведении исследования использовали водные растворы гуминовых кислот (ГК), выделенных из бурого угля Тюльганского месторождения [11], 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 [7].
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. 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.
Содержание меди, марганца и цинка определяли на седьмые, четырнадцатые и двадцать первые сутки эксперимента в лаборатории АНО «Центр биотической медицины», (г. Москва аттестат аккредитации ГСЭН. RU.ЦОА.311), методами атомной эмиссионной спектрометрии с индукционно связанной аргоновой плазмой (АЭС - ИСП) и масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой (МС - ИСП) на приборах Optima 2000 DV и Elan 9000 (Perkin Elmer, 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 критерию Стьюдента. Различия считали статистически значимыми при p < 0,05.
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 содержат железо (719±108 мкг/г) и небольшие количества меди (6,28±0,63 мкг/г), марганца (6,09±0,61 мкг/г) и цинка (81,72±8,17 мкг/г).
Результаты исследования и их обсуждение.
Анализ данных по количеству поглощенных элементов растениями вида Triticum vulgare Vill показал, что в течение времени в зависимости от количества внесенного железа и его формы происходит изменение содержания марганца, цинка и меди в надземной части растения.
Содержание цинка в течение первой недели эксперимента под действием всех форм железа находится ниже на 5 - 20 % по сравнению с контролем (рис.1). В течение второй недели под действием наноформ железа количество цинка продолжает уменьшаться на 21 % (Fe0) - 24 % (Fe3O4), под действием ионов двухвалентного железа снижается на 32 %. Возможно это связано c конкуренцией железа и цинка в растении. Вследствие малых размеров наноформы железа легче проникают в растения, тем самым немного уменьшая количество цинка.
Уменьшение цинка под действием двухвалентного железа можно объяснить тем фактом, что железо усваивается растениями именно в двухвалентном виде.
Рис. 1. Содержание цинка в надземной части сухих растений Triticum vulgare Vill на 7, 14 и 21 сутки, выращенных под действием различных форм железа с концентрацией 1-10"3 (г/л) с добавлением гуминовых кислот в количестве 1 г/л
К 3 недели эксперимента значительно снижается количество питательных элементов в растворе, поэтому, 21 день имитирует неблагоприятные природные условия с недостатком питательных элементов. В этих условиях содержание цинка в растениях, выращенных под действием наноформы железа Fe0 на уровне с контролем, под действием наноформ магнетита ниже на 3 %, под действием двухвалентного железа выше на 3 %, а трехвалентное приводит к снижению цинка на 8%. Недостаток цинка ведет к значительному уменьшению в растениях хлорофилла и ростового гормона - ауксина.
На седьмой день добавление наноформ железа приводит к уменьшению содержания меди в растениях на 9 % (Fe0) - 29 % (Fe3O4) и к 14 дню снижается на 28 % (Fe0) - 41 % (Fe3O4). В условиях нехватки питательных элементов содержание меди возрастает под действием наножелеза на 19 %, наноформа магнетита продолжает снижать количество меди на 17 % (рисунок 2).
С течением времени содержание меди под действием двухвалентного железа практически не меняется, под действием трехвалентного увеличивается. Скорее всего, это связано с антагонистическими взаимодействиями меди и железа, а также с тем, что различные формы железа по-разному воспринимаются растениями.
Рис. 2. Содержание меди в надземной части сухих растений Triticum vulgare Vill на 7, 14 и 21 сутки, выращенных под действием различных форм железа с концентрацией 1-10"3 (г/л) с добавлением гуминовых кислот в количестве 1 г/л
Содержание марганца практически не меняется в первые две недели эксперимента. К 21 дню количество марганца возрастает в контрольном образце и под действием наноформ железа. Количество марганца в остальных образцах ниже на 33 - 44 % по сравнению с контролем (рис.3). Это обусловлено тем, что различные формы железа по разному воспринимаются растениями, таким образом, наноформы железа демонстрируют наибольшую проникающую способность, по сравнению с ионными формами.
Рис. 3. Содержание марганца в надземной части сухих растений Triticum vulgare Vill на 7, 14 и 21 сутки, выращенных под действием различных форм железа с концентрацией 1-10"3 (г/л) с добавлением гуминовых кислот в количестве 1 г/л
Таким образом, растение Triticum vulgare Vill чувствительно к изменению содержания в среде железа и реагирует на это изменением усвоения микроэлементов. Проникновение железа
зависит от его формы, что и определяет доступ в корневую систему растения. Избыток микроэлементов может возникнуть вследствие антагонистических взаимодействий с соединениями железа в условиях нехватки питательных веществ. При добавлении различных форм происходит уменьшение содержания меди, цинка, количество марганца практически не изменяется по сравнению с контролем.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект №
14-16-00060).
Литература
1. Третьякова, Н. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений / Н. Третьякова. - М.: Колос С, 2005. - 656 с.
2. Виноградов, Д. Использование нанокристаллического металла железа для предпосевной обработки семян рапса / Д. Виноградов, П. Балабко // Г лавный агроном. - 2011. - № 2. -С. 31-33.
3. Кондакова, К.С. Влияние ионов, нано- и микрочастиц железа на люминесценцию и рост рекомбинантного штамма Escherichia coli с клонированным lux-опероном Photobacterium leiognathi в тесте острой и хронической токсичности / К.С. Кондакова, Т.Д. Дерябина // Нанотехника. - 2012.-№ 4. - С. 47-52.
4. Манская, С.М. Геохимия органического вещества / С.М. Манская, Т.В. Дроздова. - М. : Наука, 1964. - 314 с.
5. Перминова, И.В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот: дисс. ... д-ра хим. наук. - М. 2000. - 359 с.
6. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас : пер. с англ. - М. : Мир, 1989. - 439 с.
7. Кудрявцева, Е.А. Влияние различных форм железа на прорастание семян Triticum aestivum L. / Е.А. Кудрявцева, Л.В. Анилова, С.Н. Кузьмин, М.В. Шарыгина // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013. - № 6 (155). - С. 46-48.
8. Влияние высокодисперсных частиц различной природы на ранние стадии онтогенеза растений рапса (Brassica napus) / А.А. Гусев, [и др.] // Науковедение. - Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) - 2013. - №5. - С. 1-17.
9. ГОСТ 12038-84 Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 56 с.
10. Ермакова, И.П. Физиология растений / И.П. Ермакова. - М.: ACADEMA, 2005. - С. 408 - 410.
11. Орлов, Д.С. Практикум по химии гумуса / Д.С. Орлов, Л. А. Гришина. - М.: Изд-во МГУ, 1981. -272 с.
