CC BY
59
УДК 633.11: 633.16: 57.014: 581.1
DOI: 10.24411/1728-323X-2018-14031
ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ КОМПЛЕКСОВ НАНОЧАСТИЦ МАГНЕТИТА, ОКСИДА КРЕМНИЯ И МОЛИБДЕНА С ГУМИНОВЫМИ КИСЛОТАМИ В ТЕСТЕ TRITIUM AESTIVUM И HORDEUM VULGARE
A. М. Короткова, кандидат биологических наук, с. н. с. ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук», anastasiaporv@mail.ru, Оренбург, Россия,
Л. В. Галактионова, кандидат биологических наук, доцент, ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, anilova.osu@mail.ru, Оренбург, Россия, О. В. Кван, кандидат биологических наук, доцент кафедры химии ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, kwan111@yandex.ru, Оренбург, Россия, Н. А. Терехова, магистр кафедры биологии и почвоведения ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, terehova_n99@mail.ru Оренбург, Россия,
B. А. Орлова, магистр кафедры биологии и почвоведения ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, orlik97@mail.ru, Оренбург, Россия,
М. И. Петров, магистр кафедры биологии и почвоведения ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, mikh.molotov@yandex.ru, Оренбург, Россия
Типичные коллоидные дисперсии наночастиц металлов (НЧ) могут включать металлические частицы, их свободные и поверхностно-адсорбированные ионы, которые оказывают значительное влияние на биораспределение и количество биодоступного элемента (Liu, Hurt, 2010). Наночастицы металлов и/или высвобожденные ионы металлов также могут сильно связываться с гуминовыми веществами, такими как гуминовые кислоты (ГК), которые считаются доминирующими комплексообразователями в природной воде (Luoma, 2008). Поэтому ГК играют важную роль в транспорте, стабильности, растворении, биодоступности и осаждении ксенобиотиков в почвах (Gao et al., 2012).
Изучение совместного использования препарата гуминовых кислот и наночастиц магнетита, оксида кремния и молибдена для предпосевной обработки семян выявило наличие различных эффектов их воздействия на культуру пшеницы и ячменя. Проявление отрицательных и положительных реакций тест-культур зависело от вида нано-частиц и их концентрации. Тест-культуры Tritium aestivum и Hordeum vulgare демонстрируют увеличение чувствительности к наночастицам в ряду: SiO2 — Mo — БезО^.
Typical colloidal dispersions of metal nanoparticles (NP) may include metal particles, their free and surface-adsorbed ions, it has a significant effect on the bio-distribution and the amount of the bio-available element (Liu, Hurt, 2010). Metal nanoparticles and/or released metal ions can also strongly bind to humic substances, such as humic acids (HA), which are considered to be the dominant complexing agents in natural water (Luoma, 2008). Therefore, the HAs play an important role in the transport, stability, dissolution, bioavailability and precipitation of xenobiotics in soils (Gao et al., 2012).
The study of the joint use of the preparation of humic acids and nanoparticles of magnetite, silicon oxide and molybdenum for pre-sowing seed treatment revealed the presence of various effects of their impact on the cultures of wheat and barley. The manifestation of negative and positive reactions of the test cultures depended on the type of nanoparticles and their concentration. The test cultures Tritium aestivum and Hordeum vulgare demonstrate an increase in sensitivity to nanoparticles in the series: SiO2 — Mo — Fe3O4.
Ключевые слова: Tritium aestivum, Hordeum vulgare, биогумус, гуминовые кислоты, наночастицы металлов, магнетит, кремнезем, оксид кремния, молибден.
Keywords: Triticum aestivum, Hordeum vulgare, biohumus, humic acids, metal nano-particles, magnetite, silica, silicon oxide, molybdenum.
Введение. Типичные коллоидные дисперсии наночастиц металлов (НЧ) могут включать металлические частицы, свободные и поверхностно-адсорбированные ионы, которые оказывают значительное влияние на биораспределение и количество био доступного металла (Liu, Hurt, 2010). Наночастицы металлов и/или высвобожденные ионы металлов также могут сильно связываться с гуминовыми веществами, такими как гуминовые кислоты (ГК), которые считаются доминирующими комплексообразователями в природной среде. Поэтому ГК играют важную роль в транспортировке, стабилизации и осаждении ксенобиотиков в почвах (Gao et al., 2012).
Исследования Edgington et al. (2010), Seitz et al. (2016), Caceres-Paolin et al. (2018) выявили способность гуминовых кислот к снижению биологической доступности и токсичности НЧ.
Хотя некоторые авторы уже оцени -ли влияние ряда нанометаллов в присутствии ГК на микроорганизмы (Gun-solus et al., 2015) и водоросли (Akhil,
Khan, 2017), последствия взаимодействия между ГК и растительными организмами по-прежнему остаются не вполне ясными. Встречаются единичные работы по оценке степени снижения фи-тотоксичности НЧ в комплексе с ГК на примере Ag (Li et al., 2018). Стоит учесть, что физико-химические характеристики каждого типа этих на-ночастиц в условиях эксперимента могут вызывать различные биологические реакции у тест-объектов.
В этом контексте целью исследования послужило изучение влияния различных комбинаций коммерческих ГК с нанодисперсными частицами металлов (БезОф Mo и SÍO2) на витальные и мор-фометрические показатели Tríticum aestívum и Hordéum vulgáre.
Модели и методы. В исследованиях использовали НЧ SÍO2 (размером 25—30 нм), Mo (100— 120 нм), произведенные в компании «Плазмотерм» (Россия, г. Москва), а также БезО4 (80—100 нм) производства «Передовые порошковые технологии» (Россия, г. Томск). Для приготовления растворов НЧ брали точные навески препаратов, помещали в стеклянные колбы с отстоянной водопроводной водой и интенсивно диспергировали ультразвуком с ч астотой 35 кГц в течение 30 мин.
Растворы НЧ заданной концентрации служили растворителем концентрированного препарата биогумус «Биоэра-Пенза» (Россия, г. Пенза). Разведение раствора биогумуса осуществляли согласно инструкции препарата (далее по тексту рабочий раствор БГ). Далее приготовленными растворами (НЧ + БГ) проводили предпосевную обработку семян пшеницы (Tríticum aestívum) сорта «Учитель» и ячменя (Hordéum vulgáre) сорта «Оренбургский 4» путем предварительного зама-
чивания на 10—15 мин в растворах БГ с разной концентрацией наночастиц (для НЧ $Ю2 и Мо выбраны концентрации 2-10-3, 10-3 и 10-4 мг/л, а для НЧ Бе304 5-10-2, 10-2 и 10-3 мг/л). Контролем служили семена без предварительной обработки.
Проращивание проводилось следующим образом: на дно стерильной чашки Петри с увлажненным стерильным бинтом раскладывали равномерно семена, предварительно обрабатывали смесью НЧ + БГ, помещали в термостат с постоянной температурой (+26 °С). Ежедневно проверяли температуру и степень увлажнения. Подсчет нормально проросших семян проводили ежедневно, энергию прорастания семян подсчитывали через 3 суток, а всхожесть и морфометрические параметры на 7 сутки. Повторность 3—6-кратная, в каждую чашку Петри помещали по 10 зерновок.
Результаты и обсуждение. Результаты подсчета энергии прорастания семян Тг1Неит аеъйуит и Нвгйеит уи^аге показали различную чувствительность как к виду НЧ, так и к их концентрациям. Достоверное (по сравнению с контролем) увеличение прорастания семян обоих видов растений (ТгШеит аеъйуит и Нвгйеит уи^аге) отмечалось после обработки минимальной концентрацией 10-4 мг/л НЧ $Ю2 — на 14 и 20 % для каждого вида соответственно (рис. 1 и 2).
Напротив, снижение прорастания зафиксировано после воздействия 5-10-2 мг/л Бе304 — на 13 % (достоверно по сравнению с контролем; при р < 0,05) — в случае с Тг1Неит аеъйуит и на 32 % (к контролю) и на 50 % (относительно растений после обработки БГ) — для растений Нвгйеит уи^аге.
□ Tríticum aestívum □ Horde um vulga re
100,00 -¡=j-
^ 80,00 — -1-|-1-|-П-П- - - - —
П -i
н
§ 60,00 — - -|- - -|- - - - - -|- -|- —
^ -1
m 40,00 — - — — — -I- — "1--— — - -
20,00 — - — — — — — — — — - -
0,00 LLU—Ш—Ш—Ш—Ш—Ш—LLI—LLI—LLI—LLI—LLL
123456789 10 11
Варианты опыта
Рис. 1. Влияние смеси НЧМ и БГ на энергию прорастания семян Triticum aestivum и Hordeum vulgare. Примечание: 1 - Н2О; 2 - БГ; 3 - БГ + SiO2 2-10-3; 4 - БГ + SiO2 10-3 БГ + SiO2 10-4; 5 - БГ + Mo 2-10-3; 6 -БГ + Mo 10-3; 7 - БГ + SiO2 10-4; 8 - БГ + Fe3O4 5-10-2; 9 - БГ + Fe3O4 10-2; 10 - БГ + Fe3O4 10-3
100,00
^ 80,00
д н
§ 60,00 о
m 40,00 20,00 0,00
5 6 7 Варианты опыта
10
11
Рис. 2. Влияние смеси НЧМ и БГ на всхожесть семян Triticum aestivum и Hordeum vulgare. Примечание: см. рисунок 1
16
м с 14
,в о 12
ко
т с 10
о
р о 8
про 6
а
н и 4
л
tt 2
Triticum aestivum
□ корней
□ ростков
H2O
10
-3
БГ
10-3 10-4 БГ + SiO2
10
-3
10-3 10-4 БГ + Mo
Концентрация НЧМ, мг/л
10-2 10-2 10-3 БГ + Fe3O4
Я
о
W
т
О
о р
о р
п а н и л tt
16
14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 -0
Hordeum vulgare
□ корней
□ ростков
J5
10
-3
-3
H2O
БГ
10
БГ + SiO
10
-3
10
-3
10
-4
10
-2
10
-2
10
-3
2
БГ + Mo
Концентрация НЧМ, мг/л
БГ + Fe3O
3O4
Рис. 3. Влияние смеси НЧМ и БГ на ростовые параметры проростков Triticum aestivum и Hordeum vulgare: достоверные значения a (сравнение с водой) и b (сравнение с БГ)
0
10-4 2
Результаты морфометрического анализа позволили обнаружить общую тенденцию увеличения длины корней растений: после обработки Hordeum vulgare 10-3 мг/л нано-$Ю2 (10 % к контролю), Triticum aestivum — 2-10 и 10-4 мг/л нано-Мо (23 и 23,7 % по сравнению с группой после обработки БГ) (рис. 3).
Изучение динамики биомассы растений показало достоверное увеличение массы корней
Triticum aestivum по сравнению с растениями после обработки БГ при воздействии 10-4 мг/л SiO2 (%), 10-3 мг/л Мо (%) и 10-2 мг/л Fe3O4 (%) (рис. 4).
Аналогичная динамика повышения массы подземных органов растений отмечена и для Hordeum vulgare в варианте с 10-2 мг/л Fe3O4 — до 70 % (по сравнению с контрольными растениями и теми, что обработаны БГ).
§ 0,04 -
0,02 -
Triticum aestivum
□ m корней
□ m ростков
10
-3
10
-3
10
-4
10
-3
10
-3
10
-4
10
-2
10
-2
H2O
БГ
БГ + SiO2
БГ + Mo
10
-3
БГ + Fe3O
3O4
Концентрация НЧМ, мг/л
b
b
0
0,45 -|
0,4 -
0,35 -
h 0,3 -es 0,25
§ 0,2 -
^ 0,15 -
0,1 -0,05 0
Hordeum vulgare
□ m корней
□ m ростков
Sa b
10
-3
-3
H2O
БГ
10
БГ + SiO2
БГ + Mo
Концентрация НЧМ, мг/л
10
-3
БГ + Fe3O
3O4
Рис. 4. Влияние смеси НЧМ и БГ на массу проростков Tríticum aestívum и Hordéum vulgáre; достоверные значения a (сравнение с водой) и b (сравнение с БГ)
10-3 10-3
10-4 5
10-2 10-2
Вероятно, стимулирующий эффект нано-крем-незема SiO2 в разведении 10-4 мг/л обусловлен обогащением НЧ рядом разветвленных функциональных групп ГК и ФК, содержащихся в препарате биогумуса.
Эти особенности строения, вероятно, обусловливают высокую протекторную функцию ГК и аддитивный эффект при совместном применении с нанокремнием (Gunsolus et al., 2015). Более того, отдельно НЧ SiO2 не токсичны для растений (Slomberg and Schoenfisch, 2012).
Не исключена также седиментация наночас-тиц, имеющих низкую биодоступность на поверхности корней растений (Judy et al., 2012). В последней работе Asgari с коллегами (2018) отмечена активная адсорбция НЧ SiO2 на клеточных стенках корней и листьев растений.
Действие Fe3O4 и Mo, вероятно, обусловлено негативными эффектами выделяемых из металлов ионов, с высокой скоростью проникающих в растения.
Заключение. Исходя из полученных результатов можно сделать вывод о том, что тест-культу-
ры Tгítiеum aestívum и Ш^вит vulgагe по-разному реагируют на внесение в среду комплекса нано-металлов с БГ, демонстрируя увеличение чувствительности к наночастицам металлов в ряду: ЗЮ2 ^ Мо^ Бе304. Несмотря на неоднозначные результаты взаимного влияния нанодисперсных металлов с компонентами БГ на растения, остается много вопросов, требующих детализации метаболических реакций на молекулярном и клеточном уровнях организации.
Работа выполнена в рамках фундаментального научного исследования по программам РАН «Разработка теоретических основ и практических приемов повышения эффективности производства продукции растениеводства с использованием нано-технологическихрешений» № 0761-2018-0032 и исследований по проекту РФФИ № 18-316-00116 на предоставленной инструментальной базе Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий РАН (г. Оренбург).
Библиографический список/References
1. Akhil K., Khan S. S. Effect of humic acid on the toxicity of bare and capped ZnO nanoparticles on bacteria, algal and crustacean systems. Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biolog, 2017. No. 167, P. 136—149, available at: https://doi.org/ 10.1016/j.jphotobiol/, date of access 10.12.2016.
2. Asgari F., Majd A., Jonoubi P., Najafi F. Effects of silicon nanoparticles on molecular, chemical, structural and ultrastructural characteristics of oat (Avena sativa L.). Plant Physiology and Biochemistry, 2018. No. 127, P. 152—160.
3. Caceres-Paolin R. V., Fascineli M. L., Sousa M. H., Grisolia C. K., Yate L., Souza P. E., Estrela-Lopis I., Moya S., Azevedo R. B. Humic acid attenuation of silver nanoparticle toxicity by ion complexation and the formation of a Ag3+ coating. Journal of Hazardous Materials, 2018. No. 2, available at: https://doi.org/10.1016/jjhazmat, date of access 19.04.2018.
4. Edgington A. J., Roberts A. P., Taylor L. M., Alloy M. M., Reppert J., Rao A. M., Mao J. D., Klaine S. J. The influence of natural organic matter on the toxicity of multiwalled carbon nanotubes. Environmental Toxicology and Chemistry, 2010. No. 29, P. 2511—2518.
5. Gao J., Powers K., Wang Y., Zhou H., Roberts S. M., Moudgil B. M., Koopman B., Barber D. S. Influence of Suwannee River humic acid on particle properties and toxicity of silver nanoparticles. Chemosphere, 2012. No. 89, P. 96—101.
6. Gunsolus I. L., Mousavi M. P. S., Hussein K., Bühlmann P. and Haynes C. L. Effects of humic and fulvic acids on silver nanoparticle stability, dissolution and toxicity. Environmental Science and Technology, 2015. No. 49 (13). P. 8078—8086.
7. Judy J. D., Unrine J. M., Rao W., Wirick S., Bertsch P. M. Bioavailability of gold nanomaterials to plants: importance of particle size and surface coating. Environmental Science and Technology, 2012. No. 46, P. 8467—8474.
8. Li M., Fei D., Qing-Long F., Dong-Mei Z., Bin Y. Effects of molecular weight-fractionated natural organic matter on the phytoavailability of silver nanoparticles. Environmental Science: Nano, 2018. No. 4, available at: https://pubs.rsc.org/en/con-tent/articlelanding/2018/en/c7en01173c#!divAbstract, date of access 25.05.2018.
9. Liu J., Hurt R. Ion release kinetics and particle persistence in aqueous nano-silver colloids. Environmental Science and Technology, 2010. No. 44, P. 2169—2175.
10. Slomberg D. L., Schoenfisch M. H. Silica nanoparticle phytotoxicity to Arabidopsis thaliana. Environmental Science and Technology, 2012. No. 46, P. 10247—10254.
EVALUATION OF THE BIOLOGICAL ACTIVITY OF COMPLEXES OF MAGNETITE, SILICON OXIDE AND MOLYBDENUM NANOPARTICLES WITH HUMIC ACIDS IN THE TRITIUM AESTIVUM AND HORDEUM VULGARE TEST
A. M. Korotkova, Ph. D. (Biology), Senior Researcher Federal Research Center for Biological Systems and Agrotechnologies of the Russian Academy of Sciences", anastasiaporv@mail.ru, Orenburg, Russia;
L. V. Galaktionova, Ph. D. (Biology),Associate Professor of the Department of Biology and Soil Science, FGBU VO Orenburg State University. anilova.osu@mail.ru, Orenburg, Russia;
O. V. Kwan, Ph. D. (Biology), Associate Professor of the Department of Chemistry of the Federal State Educational Establishment of Higher Professional Education of Orenburg State University, kwan111@yandex.ru, Orenburg, Russia;
N. A. Terekhova, M. Sc. (Biology), State Educational Institution of Higher Professional Education VO Orenburg State University, terehova_n99@mail.ru, Orenburg, Russia;
V. A. Orlova, M. Sc. (Biology), State Educational Institution of Higher Professional Education V Orenburg State University, orlik97@mail.ru, Orenburg, Russia;
M. I. Petrov, M. Sc. (Biology), State Educational Institution of Higher Professional Education, Orenburg State University, mikh.molotov@yandex.ru, Orenburg, Russia
