Научная статья на тему 'Влияние наночастиц железа на почвенную активность инвертазы в присутствии гуминовых кислот'

Влияние наночастиц железа на почвенную активность инвертазы в присутствии гуминовых кислот Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

CC BY
96
21
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Архивариус
Ключевые слова
НАНОЧАСТИЦА / NANOPARTICLE / ПОЧВА / SOIL

Аннотация научной статьи по биотехнологиям в медицине, автор научной работы — Устинова Вероника Ивановна, Осипова Елена Александровна, Кремнёва Наталия Евгеньевна, Осипов Александр Алексеевич

В результате исследований установленно, что высокие концентрации различных форм железа в почве снижают ее биологическую активность, а добавление гуминовых кислот к ионным формам приводят к снижению окислительно-восстановительных процессов железа и повышению инвертазной активности в почве по сравнению с контролем.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биотехнологиям в медицине , автор научной работы — Устинова Вероника Ивановна, Осипова Елена Александровна, Кремнёва Наталия Евгеньевна, Осипов Александр Алексеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EFFECTS OF NANOPARTICLES OF IRON ON SOIL INVERTASE ACTIVITY IN THE PRESENCE OF HUMIC ACIDS

The studies established that high concentrations of various forms of iron in the soil reduces its biological activity, and the addition of humic acids to ionic forms lead to a decrease in the redox processes of iron and increased invertase activity in the soil as compared with the control.

Текст научной работы на тему «Влияние наночастиц железа на почвенную активность инвертазы в присутствии гуминовых кислот»

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Устинова Вероника Ивановна

Студент, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»,

460018, Россия, г.Оренбург Е-mail: veronika-ustinamail. ru Осипова Елена Александровна Старший преподаватель кафедры химии, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», 460018, Россия, г.Оренбург

Кремнёва Наталия Евгеньевна Студент, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»,

460018, Россия, г.Оренбург Осипов Александр Алексеевич Магистр, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»,

460018, Россия, г.Оренбург

ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ЖЕЛЕЗА НА ПОЧВЕННУЮ АКТИВНОСТЬ ИНВЕРТАЗЫ В ПРИСУТСТВИИ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ

Железо — довольно распространённый в природе элемент. В земной коре его массовая доля составляет 5,1 %, и оно уступает лишь кислороду, кремнию и алюминию. Содержание железа в почвах варьирует в пределах 2-3 % от ее массы, однако большая часть минеральных соединений железа находится в почвах в недоступной форме. Внесение железа в почву не приводит к ожидаемому биологическому эффекту, что связано с быстрым его переходом в окисленную форму - недоступную для растений. [1].

Железо входит в состав растения в количестве 0,08%. Оно поступает в растения в виде Fe3+, а транспортируется в листья по ксилеме в виде цитрата железа (III). Роль железа в большинстве случаев связана с его способностью переходить из окисленной формы (Fe3+) в восстановленную (Fe2+) и обратно. Наножелезо обладает высокой степенью биодоступности, что свидетельствует о его альтернативном использовании на живых системах [2,3].

В настоящее время накоплен обширный материал о содержании и распределении химических элементов в почвах, растениях, породах и других объектах окружающей среды. Поведение химических элементов в почвах отличается сложным характером и зависит от многих факторов: свойств элементов и уровней их содержания, химических и физических свойств почв, а также от факторов окружающей среды и их воздействия на почвенно-геохимические процессы. Особенно важно изучение влияния факторов среды на трансформацию и миграцию микроэлементов в почвах в условиях повышенного их поступления с техногенными потоками вследствие современного загрязнения окружающей среды [4].

В результате жизнедеятельности и отмирания растений, животных и микроорганизмов в почву поступают разнообразные экзо- и эндоферменты. Подвергаясь иммобилизации, ферменты в почве стабилизируются и в течение длительного времени сохраняют свою активность. В почве ферменты участвуют в важнейших биохимических процессах: синтезе и распаде гумуса, гидролизе органических соединений, остатков высших растений и микроорганизмов, в окислительно-восстановительных процессах и т.д.[5].

Фермент инвертаза относится к группе глюкозидгидролаз (гидролазы). Глюкозидгидролазы - это большая группа ферментов, катализирующих гидролиз ди-, три- и полисахаридов по глюкозидным связям в их молекулах [6].

Углеводы и близкие к ним вещества в почвенном органическом веществе, микроорганизмах и растениях содержатся в значительном количестве. Из углеводов в почве обнаружены моно-, ди- и полисахариды (целлюлозы, гемицеллюлозы, крахмал и

5

др.), поступающие туда главным образом в виде растительных остатков (до 60% массы растительных остатков составляют углеводы). В биохимическом превращении каждого углевода участвует специфический фермент или группа ферментов. Инвертаза катализирует реакцию гидролиза сахарозы на глюкозу и фруктозу, которые оказывают влияние на окислительно-восстановительные процессы железа [6].

Железо входит в состав каталитических центров многих окислительно-восстановительных ферментов. Развитие окислительно-восстановительных (ОВ) процессов в почве может оказывать значительное влияние на подвижность микроэлементов, вызывая образование комплексных соединений различной прочности с оксидами железа. В наибольшей мере таким превращениям подвержены элементы с переменной валентностью, к которым и относятся элементы семейства железа [7].

Целью работы являлось изучение влияния различных форм железа на инвертазную активность в образцах воздушно-сухой почвы чернозема выщелочного. При проведении исследования использовали водные растворы наночастиц железа Fe0 (частицы сферической формы диаметром 80 ± 5 нм, полученные в Институте энергетических проблем химической физики РАН, Россия), cульфата железа (II) и сульфата железа (III) (ХЧ, «РЕАХИМ», Россия), также водные растворы синтезированных наночастиц магнетита Fe3Û4, которые имеют слегка сплющенную шарообразную форму шириной от 50 до 80 нм и высотой от 4 до 10 нм [8] .

Методика исследования

Инвертазу обнаруживают во всех почвах и она является одним из важных ферментов, характеризующих биологическую активность почвы. Уровень инвертазной активности отражает содержание в почве легкогидролизуемых углеводов, которые служат энергетическим материалом для всех почвенных гетеротрофов. Для определения ее активности используют метод, основанный на способности глюкозы и фруктозы, образующихся при гидролизе сахарозы, восстанавливать медь, содержащуюся в растворе Феллинга. По количеству образовавшейся закиси меди определяют их содержание в растворе. Поскольку катализатором образования данных сахаров является инвертаза, то по количеству гексоз судят об инвертазной активности почвы [6].

Суспензию наночастиц железа и магнетита, а также растворы сульфата железа (II) и сульфата железа (III) с концентрациями по железу 0,1 г/л готовили, растворяя определенную навеску в дистиллированной воде и обрабатывая их ультразвуком в течение 15 минут. Менее концентрированные растворы 0,01 и 0,001 г/л получали разбавлением дистиллированной водой. Приготовленными растворами поливали образцы почвы в количестве 60 % от её влагоемкости. Контролем служила почва, простерилизованная в автоклаве в течение 1 часа при 2 атм. без добавления железа. Гуминовые кислоты являются природными сорбентами тяжелых металлов в почве и, следовательно, могут оказывать влияние на инвертазную активность. Поэтому была поставлена серия аналогичных опытов, но с добавлением гуминовой кислоты в количестве 10 мл с концентрацией 1 г/л. Подготовленные таким образом опытные и контрольные пробы оставляли при комнатной температуре, поддерживая постоянную влажность, ежедневно взвешивая. Определение активности инвертазы выражается в миллиграммах глюкозы на 1 г почвы при экспозиции 24 часа. Анализ проводили по методу В. Ф. Купревича и Т. А. Щербаковой [6].

Все эксперименты выполняли в трех 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 [9]. Различия считали статистически значимыми при p > 0,90.

Результаты и обсуждение

По количеству образовавшейся закиси меди определили содержание Сахаров в растворе. Поскольку катализатором их образования является инвертаза, то по количеству гексоз определили инвертазную активность почвы (рис.1).

Наиболее низкое значение активности фермента было отмечено для почвы с концентрацией раствора трехвалентного железа 0,1 г/л (22,4 мг глюкозы г/сут). Снижение концентраций различных форм железа до 0,01 г/л приводит к повышению показателя инвертазной активности на 10 мг глюкозы г/сут и выше.

Сравнив активности фермента с добавлением различных форм железа, провели оценку биологической активности почвы (Гапонюк, Малахов, 1985) [6] и установили следующее:

- высокой биологической активностью (выше 50,1 мг глюкозы г/сут) обладают образцы почв с ионами двухвалентного железа во всем рассматриваемом интервале концентраций;

- почвы с концентрациями магнетита 0,1 и 0,01 г/л, наночастиц железа и ионов Бе3+ 0,1 г/л показали среднюю оценку биологической активности (от 15 до 50 мг глюкозы г/сут);

- все образцы почв с концентрацией различных форм железа 0,001 г/л и обладают высокой оценкой биологической активности.

Рисунок 1 - Результаты инвертазной активности почв под действием различных форм

железа

Таким образом, с уменьшением концентраций различных форм железа инвертазная активность почв возрастает. Большое количество ионов железа приводит к увеличению количества железобактерий, которые снижают активность фермента в почве. Это связано с тем, что глюкоза является легкодоступным органическим веществом, которое потребляют железобактерии, повышая тем самым интенсивность микробиологических процессов в почве [10,11].

При изучении влияния различных форм и концентраций железа на инвертазную активность с добавлением гуминовой кислоты установлено, что максимальное подавление активности фермента (до 10,6 мг глюкозы г/сут ) было в вариантах с концентрацией растворов всех форм железа равной 0,001 г/л, а воздействие раствора Бе2+ с концентрацией железа 0,1 г/л обеспечило наибольшую инвертазную активность (96,8 мг глюкозы г/сут), что практически в три раза выше по сравнению с контролем (33 мг глюкозы г/сут) (рис.2).

л и F О С л н

К со н о и и

й 2

100

80

60

5

к

S3

н л <и и К

к

40

20

0,1 0,01 0,001 концентрация железа, г/л

0

Рисунок 1 - Результаты инвертазной активности почв под действием различных форм

железа с добавлением гуминовых кислот

В контрольном образце почвы биологическая активность средняя. В почве с гуминовой кислотой и с концентрацией Fe2+ 0,1 г/л активность высокая, намного выше, чем в контрольной. Образцы почв с концентрацией раствора железа 0,01 г/л показали среднюю оценку активности фермента независимо от формы железа, содержащейся в ней. Растворы наножелеза, магнетита и железа трехвалентного с одинаковой концентрацией равной 0,001 г/л повлияли на активность почвы, в них она слабая. Таким образом, можно сказать, что гуминовые кислоты способны препятствовать размножению железобактерий, повышая тем самым уровень глюкозы в почве и ее биологическую активность.

Таким образом, полученные результаты исследования позволили выявить следующее: высокие концентрации различных форм железа в почве снижают ее биологическую активность, а добавление гуминовых кислот к ионным формам приводят к снижению окислительно-восстановительных процессов железа и повышению инвертазной активности в почве по сравнению с контролем.

Список литературы:

1. James, T. Driessen Characterization and Properties of Metallic Iron Nanoparticles: Spectroscopy, Electrochemistry, and Kinetics / James T. Nurmi, Paul G. Tratnyek, Vaishnavi Sarathy, Donald R. Baer, James E. Amonette, Klaus Pecher, Chongmin Wang, John C. Linehan, Dean W. Matson, R. Lee Penn, and Michelle D. - Department of Environmental and Biomolecular Systems, Oregon Health & Science University. - 2004.

2. Сипайлова О. Ю. Влияние высокодисперсного порошка железа на морфофункциональное состояние селезенки (экспериментальное исследование) / О. Ю. Сипайлова, С. В. Лебедев, Е. А. Сизова // Вопросы биологической медицинской и фармацевтической химии. - 2011. - № 8. - С. 43-46.

3. Сипайлова О.Ю. Морфофункциональная характеристика печени крыс при интраперитонеальном введении наночастиц железа / О.Ю. Сипайлова, Г.И. Корнеев, Е.А. Сизова // Международное научное издание «Современные фундаментальные и прикладные исследования». - 2012. - №2. - 17-21.

4. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с

5. Готтишлк Г. Метаболизм бактерий. М.: Мир, 1982.310 с.

6. Титова, В.И. Агро- и биохимические методы исследования состояния экосистем / В.И. Титова, Е.В. Дабахова, М.В. Дабахов. - Н. Новгород. - Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 2011. - 170 с.

7. Коваленко, Л.В. Биологически активные нанопорошки железа / Л.В. Коваленко, Г.Э. Фолманис. - М.: Наука. - 2006. - 124 с.

8. Гервальд, А.Ю. Синтез суперпарамагнитных наночастиц магнетита / А.Ю. Гервальд, Н.И. Прокопов, Ю.М. Ширякина // Вестник МИТХТ, 2010. - Т. 5, - №3, - С. 45- 49.

9. Рокицкий П.Ф. Биологическая статистика. - Минск: Вышэйш. Школа, 1973. -

320 с.

10. Паников Н.С., Звягинцев Д.Г.. Абу-Эль-Нага С. Кинетика разложения глюкозы в почве // Почвоведение. 1982. № 8. С. 70-77.

11. Стейнер Р., Эдельберг Э., ИнгремДж. Мир микробов. М., 1979. Т. 3. 430 с.

Водка Марина Валерьевна

аспирантка

Институт ботаники им. Холодного Н. Г. НАН Украины

ул. Терещенковская, 2, Кигв, 01601 marinavodka@yandex.ru

ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ХЛОРОПЛАСТЫ ЛИСТЬЕВ

ШПИНАТА

Возрастающее антропогенное загрязнение окружающей среды повышает интерес к изучению токсического действия тяжелых металлов (ТМ). В соответствии с классификацией Н. Реймерса, тяжелыми считаются металлы с плотностью более 8 г/см3, в частности, РЬ, Си, Zn, №, Cd, Со, Sb, Sn, Bi и ^ (1). Большинство металлов участвуют в биологических процессах и в микроколичествах необходимы для жизнедеятельности растений. Однако при возрастании их содержания в воде и почве многие биохимические процессы нарушаются, ингибируется синтез ряда биологически активных соединений: ферментов, витаминов, пигментов и др. Известно, что некоторые металлы, в частности Zn2+ и Си2+ (2), блокируют функцию важного фермента - карбоангидразы, которая катализирует реакцию образования бикарбоната и обратную реакцию его дегидратации. Можно предположить, что снижение активности карбоангидразы может быть непосредственной или косвенной причиной нарушений фотосинтеза. Целью нашего исследования была оценка влияния тяжелых металлов на фотосинтетический аппарат шпината.

Хлоропласты класа "С" выделяли из листьев 40-дневных проростков шпината (Spinacea oleracea L.) методом дифференциального центрифугирования (3) в среде, содержащей 300 мМ сорбитола, 10 мМ №С1, 15 мМ аскорбата натрия, 10 мМ трис-НС1 (рН 7,8). Время инкубации образцов с металлами и без них составлял 1,5 ч в темновых условиях.

Структурные характеристики строения гранальных тилакоидных мембран изучали методом трансмиссионной электронной микроскопии.

На рис. 1 представлены электронные микрофотографии срезов фрагментов хлоропластов шпината.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.