CC BY
2И.Н. Юркова, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, e-mail: nanosilver@rambler.ru А.В. Омельченко, канд. биол. наук, мл. науч. сотрудник И.А. Бугара, канд. биол. наук, доц.
Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского, г. Симферополь
УДК 663.34
ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА НА РОСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПШЕНИЦЫ
Исследовано биологическое действие различных концентраций наносеребра на прорастание семян пшеницы и накопление в них серебра. Показано, что наночастицы серебра в концентрации 0,01-1,0 мг/дм3 оказывают стимулирующее действие на накопление биомассы корней и надземной части растений пшеницы.
Ключевые слова: наносеребро, пшеница, семена, набухание, накопление серебра.
I.N. Yurkova, Cand. Sc. Engineering A.V. Omelchenko, Cand. Sc. Biology I.A. Bugara, Cand. Sc. Biology, Assoc. Prof.
THE INFLUENCE OF SILVER NANOPARTICLES ON WHEAT GROWTH PROCESS
The article reveals the biological effect of different concentrations of nanosilver on wheat seeds germination and silver accumulation in them. It was shown that silver nanoparticles at a concentration of 0,01-1,0 mg/dm3 had a stimulating effect on root and herb biomass accumulation of wheat plants.
Key words: nanosilver, wheat, seeds, swelling, silver accumulation.
Одним из перспективных направлений исследований в настоящее время является применение нанотехнологий в растениеводстве. К числу основных факторов повышения урожайности и качества сельскохозяйственных культур относятся биологически активные вещества, стимулирующие рост и развитие растений. К таким биологически активным веществам относятся биогенные металлы в коллоидном состоянии (наночастицы), в том числе наночастицы серебра.
В отличие от ионного серебра наночастицы обладают пролонгированным действием и не требуют применения его в больших дозах для достижения необходимого биологического эффекта. Биологическое действие наночастиц зависит от их размера, формы и способа получения [1]. Однако до настоящего времени в научной литературе существуют лишь отдельные данные по влиянию наночастиц серебра на растения, и они в основном связаны с негативным действием высоких концентраций наносеребра [2].
Поэтому целью данной работы было исследование стимулирующего действия низких концентраций наночастиц серебра на ростовые процессы пшеницы на ранних этапах онтогенеза.
Материалы и методы исследований
Объектами исследования служили семена пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Одесская 267 и водорастворимая бактерицидная нанобиокомпозиция серебра. При синтезе наносеребра использовали нитрат серебра «ч.д.а.» ГОСТ 1277-75 и альгинат натрия (натриевая соль альгиновой кислоты, BioChemika). Все растворы готовили на бидистиллированной воде. Фотовосстановление катионов Ag+ проводили на воздухе при температуре 20 оС. В качестве источника света использовали ртутную лампу высокого давления ДРШ-250 [3].
Схема эксперимента включала исследование влияния различных концентраций наносеребра на набухание и прорастание семян, прирост биомассы корней и надземной части проростков, а также накопление серебра в семенах.
Степень набухания семян определяли при замачивании их в растворах наносеребра с
«-» 3
концентрацией 0,01; 0,1; 1,0 и 10,0 мг/дм через каждые 4 ч в течение суток. Для определения всхожести и прироста биомассы проростков семена замачивали в растворах наносеребра с той же концентрацией в течение 4 ч, а затем помещали на влажную фильтровальную бумагу в чашки Петри и проращивали в термостате при температуре 24 оС в течение 7 дней.
Энергию прорастания и всхожесть семян определяли по ГОСТ 12038-84 [4]. Биомассу проростков корней и надземной части измеряли общепринятым гравиметрическим методом, фиксируя растительный материал в течение 5 мин при 110 оС и досушивая его до постоянной массы при 60 оС.
Содержание серебра в семенах после замачивания в растворах наносеребра определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии (Сатурн-4 ЭПАВ) после озоления в муфельной печи при температуре 400-450 оС. Дальнейший анализ проводили с электротермической атомизацией.
Полученные данные обработаны стандартными методами математической статистики с использованием компьютерных программ Microsoft® Excel 2007 и Statistica v.6.0. Stat Soft Inc.
Результаты исследований
Учитывая особую значимость процесса набухания, первоначальная задача заключалась в исследовании влияния различных концентраций наносеребра на этот процесс. Набухание семян является важным этапом, необходимым для активации ферментов, так как сухие семена содержат только связанную воду [5].
Приведенные на рисунке 1 результаты показывают, что наносеребро в концентрации 0,01-10,0 мг/дм3 не оказывало негативного действия на процесс набухания семян, а его наибольшая скорость отмечалась до 16 ч во всех вариантах опыта, что соответствует максимальной ферментативной активности [6]. Однако после 4 ч замачивания семян в растворах наносеребра с концентрацией 1,0-10,0 мг/дм наблюдалось незначительное увеличение водопоглощения по сравнению с контролем на 2,5-2,8 %.
Влияние наночастиц серебра на ростовые процессы может проявляться как следствие их адгезии на поверхности семян. Поэтому прежде всего важно было определить накопление наносеребра в семенах пшеницы после их замачивания. Мы не исследовали, проникает ли серебро в форме наночастиц или ионов через оболочку семян в течение 4 ч замачивания, поэтому суммарное содержание серебра в семенах в дальнейшем указано как его накопление.
Данные, представленные на рисунке 2, показывают, что накопление наносеребра в семенах увеличивается в зависимости от его концентрации в растворе и составляет 0,0071,2 мг/кг сухого вещества. В связи с этим представляется необходимым при исследовании процессов влияния наночастиц на ростовые процессы учитывать величину их накопления в семенах.
M о о
s «
о
^
о H о
св H
m
60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 + 10 -5 -I-0
□ Контроль ■ Ag 0,01 мг/дм3 _ □ Ag 0,1 мг/дм3
- □ Ag 1,0 мг/дм3
- □ Ag 10,0 мг/дм3
4
8
20
24
12 16 Время набухания, ч
Рис. 1. Влияние концентрации наносеребра на набухание семян пшеницы
Рис. 2. Накопление наносеребра в семенах пшеницы после 4 ч замачивания
При исследовании влияния наносеребра на энергию прорастания и всхожесть семян пшеницы была установлена стимуляция этих процессов (табл. 1). Показатели энергии прорастания превышали контрольный вариант на 4,7-9,3 %, а всхожести - на 7,6-9,3 %. Максимальный эффект обработки семян отмечался в вариантах с концентрацией наносеребра 0,01-1,0 мг/дм .
Представленные в таблице 1 результаты хорошо коррелировали с данными накопления биомассы корней и надземной части проростков пшеницы. При этом более высокое стимулирующее действие наносеребро оказывало на прирост биомассы корней (табл. 2). Этот эффект может быть связан с перераспределением серебра в процессе прорастания семян и накоплением его корнями в количестве, проявляющем стимулирующий эффект [7].
Известно, что стимуляция ростовых процессов наночастицами серебра осуществляется при прорастании семян на ранних этапах онтогенеза, оказывая значительное влияние на окислительное фосфорилирование и фотосинтез. Предпосевная обработка семян пшеницы растворами наночастиц металлов мобилизует систему антиоксидантной защиты растений в течение онтогенеза [8, 9].
Таблица 1
Влияние концентрации наносеребра на прорастание семян пшеницы
Концентрация нанобиосеребра, мг/дм3 Энергия прорастания, % Всхожесть, %
0 80,3±2,2 83,0±2,5
0,01 89,6±3,4 92,3±3,7
0,1 87,0±1,8 91,0±3,2
1,0 88,3±2,5 92,0±2,6
10,0 85,0±2,8 90,6±3,0
Максимальное увеличение массы сухого вещества корней наблюдалось при концентрации наносеребра 0,01 мг/дм3 и составило 11,8 %, а надземной части - 5,7 %. При дальнейшем увеличении концентрации наносеребра наблюдается снижение стимулирующего эффекта по сравнению с контролем, а при концентрации 10,0 мг/дм3 - угнетение ростовых процессов. Можно предположить, что снижение положительного эффекта связано с увели-
чением количества наносеребра, накопленного семенами при замачивании. Это показывает, что накопление наносеребра в семенах свыше 0,26 мг/кг сухого вещества оказывает ингиби-рующее действие на ростовые процессы. Эти результаты необходимо учитывать при обосновании экологически безопасных агромероприятий с применением наноструктурированных препаратов.
Таблица 2
Влияние наносеребра на накопление биомассы 7-дневных проростков пшеницы
Накопление биомассы
Концентрация масса сухого масса сухого масса сухого масса сухого
наносеребра, мг/дм3 вещества корней, вещества вещества корней, вещества
мг надземной части, мг % надземной части, %
0 3,64±0,03 6,08±0,07 100,0 100,0
0,01 4,07±0,05 6,43±0,09 111,8 105,7
0,1 3,86±0,06 6,36±0,08 106,0 104,6
1,0 3,85±0,04 6,32±0,06 105,7 103,9
10,0 3,53±0,07 5,78±0,08 96,9 95,0
Нужно отметить, что биологическое действие наночастиц значительно зависит от метода их получения. При химическом восстановлении наночастиц важной является природа восстановителя и стабилизатора. В качестве восстановителя и одновременно стабилизатора нами использован альгинат натрия, который не только позволяет получать высокостабильную водорастворимую композицию наночастиц серебра с узким распределением по размерам, но и обладает широким спектром биологической активности. Поэтому такой метод получения наночастиц серебра по праву относится к «зеленой нанохимии».
Таким образом, водорастворимая нанокомпозиция серебра на основе альгината натрия в исследуемых концентрациях оказывала стимулирующее действие на энергию прорастания и всхожесть семян, а также накопление биомассы корней и надземной части проростков пшеницы.
Выводы
1. Показано, что наночастицы серебра оказывают стимулирующее действие на ростовые процессы пшеницы.
2. Установлено, что замачивание семян в течение 4 ч в растворах наносеребра в концентрации от 0,01 до 1,0 мг/дм стимулирует энергию прорастания и всхожесть семян, а также накопление биомассы корней и надземной части проростков пшеницы.
3. Влияние наносеребра на ростовые процессы связано с его накоплением в семенах после замачивания.
Библиография
1. Brunner T.I., Wick P., Manser P. et al. In vitro cytotoxity of oxide nanoparticles: comparison to asbestos, silica and effect of particle solubility // Envirom. Sei.and Tech. - 2006. - Vol. 40. - P. 4347-4381.
2. Sosan A., Subramaniam S., Lawson T. et al. Metallic Ag nanoparticles affect growth, photosynthesis, redox and calcium balance in Arabidopsis thaliana plants // International conference «Plant Cell Biology and Biotechnology». - Minsk, 2013. February 13-15. - P. 86.
3. Пат. иа полезную модель 10539 Украины МКИ А 61 К 33/38, А 61 К 31/715. Способ получения водорастворимой бактерицидной композиции, содержащей наночастицы серебра / И.Н. Юркова, В.Р. Эстрела-Льопис, В.И. Рябушко [и др.]. - Заяв. 13.05.05; опубл. 15.11.05. Бюл. № 11.
4. ГОСТ 12038 - 84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. [Действующий от 1986.07.01]. - М.: Госстандарт, 1991. - С. 44-92.
5. Обручева Н.В., Антипина О.В. Физиология инициации прорастания семян // Физиология растений. - 1997. - Т. 44, № 2. - С. 287-302.
6. Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Физиолого-биохимические механизмы прорастания зерновок пшеницы // Вестник Алтайского аграрного университета. - 2011. - № 8 (82). - С. 17-21.
7. Salama Н. Effects of silver nanoparticles in some crop plants, Common bean (Phaseolus vulgaris L.) and corn (Zea mays L.) // J. Biotechnology. - 2012. - Vol. 3 (10). - P. 190-197.
8. Labraba X., Araus J.L. Effect of foliar applications of silver nitrate and ear removal on dioxide assimilation in wheat flag leavesduring grainfilling // Field Crops Res. - 1991. - Vol. 28. - P. 149-162.
9. Seif Sahandi M., Sorooshzadeh A., Rezazadeh S. et al. Effect of nano silver and silver nitrate on seed yield of borage // J. of Med. Plants Res. - 2011. - Vol. 5. - P. 171-175.
10.Таран Н.Ю., Бацманоеа Л.М., Лопатъко КГ. и др. Технология еколопчно безпечного використання нанопрепарапв у адаптивному рослиннищта // Ф1зика живого. - 2011. - Т. 19, № 2. -С. 54-58.
Bibliography
1. Brunner T.I., Wick P., Manser P. et al. In vitro cytotoxity of oxide nanoparticles: comparison to asbestos, silica and effect of particle solubility // Envirom. Sci.and Tech. - 2006. - Vol. 40. - P. 4347-4381.
2. Sosan A., Subramaniam S., Lawson T. et al. Metallic Ag nanoparticles affect growth, photosynthesis, redox and calcium balance in Arabidopsis thaliana plants // International conference «Plant Cell Biology and Biotechnology». - Minsk, 2013. February 13-15. - P. 86.
3. Pat. of Ukraine for useful model 10539. Method for producing a water-soluble bactericidal composition comprising silver nanoparticles / I.N. Yurkova, V.R. Estrela-Llopis, V.I. Ryabushko [et al.] // Decl. 19.05.2008; Publ. 27.10.2008. - Bull. 20; Prior. 13.05.05.
4. GOST 12038-84. Crop seeds. Methods for determination of germination. [Valid from 1986.07.01]. - M.: Gosstandart, 1991. - P. 44-92.
5. Obrucheva N.V., Antipina O.V. Physiology initiation of seed germination // Plant Physiol. - 1997 -Vol. 44, N 2. - P. 287-302.
6. Rogozhin V., Rogozhina T.V. Physiological and biochemical mechanisms of seed germination of wheat // Altai Agricultural University Bulletin. - 2011. - N 8 (82). - P. 17-21.
7. Salama H. Effects of silver nanoparticles in some crop plants, Common bean (Phaseolus vulgaris L.) and corn {Zea mays L.) // J. Biotechnology. - 2012. - Vol. 3 (10). - P. 190-197.
8. Labraba X., Araus J.L. Effect of foliar applications of silver nitrate and ear removal on dioxide assimilation in wheat flag leavesduring grainfilling // Field Crops Res. - 1991. - Vol. 28. - P. 149-162.
9. Seif Sahandi M., Sorooshzadeh A., Rezazadeh S. et al. Effect of nanosilver and silver nitrate on seed yield of borage // J. of Med. Plants Res. - 2011. - Vol. 5. - P. 171-175.
10. Taran N.Y., Batsmanova L.M., Lopatko K.G. et al. Environmentally-friendly technology of nanopreparation use in adaptive crop science // Physics of the Alive. - 2011. - Vol. 19, N 2. - P. 54-58.
