CC BY
5УДК 661.152.3
ВЛИЯНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛОВ НА НАКОПЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В РАСТЕНИЯХ
Амплеева Л.Е., к.б.н., доцент, Рязанский ГАТУ Степанова И.А., студентка 2 курса, Рязанский ГАТУ Назарова А.А., аспирант Рязанский ГАТУ
Микроэлементы в виде ультрадисперсных порошков металлов (УДПМ) - это биопрепараты нового поколения, обладающие уникальными свойствами, которые изучаются рядом научно-исследовательских учреждений биологического, медицинского и сельскохозяйственного профиля. Особый интерес представляют порошки, активными компонентами которых являются железо, кобальт, медь и другие вещества в ультрадисперсном состоянии. Ультрадисперсные порошки резко отличаются от массивных материалов: они гомогенны, имеют произвольную форму частиц, средний размер которых от 15 до 30 нм. Они высокоэффективны, экологически безопасны и экономически выгодны. Их применение удачно вписывается в известные сельскохозяйственные технологии, не требуя специального оборудования.
Широко известно действие металлов на биологические объекты. Макро- и микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов, участвуют в регуляции физиологических и биохимических процессов. Особая роль в развитии растений принадлежит железу, кобальту и меди. Железо участвует в синтезе хлорофилла, входит в состав де-гидрогеназ и цитохромов, медь является составной частью ряда важнейших окислительных ферментов - полифенолксидазы, аскорбинатокси-дазы, лактазы, дегидрогеназы и др. Под влиянием меди повышается как активность пароксидазы, так и синтез белков, углеводов и жиров. Кобальт входит в состав витамина В12.
В современных экономических условиях наблюдается дефицит микроудобрений, содержащих микроэлементы, что ведет к поиску новых, современных их форм и доз.
В данной работе отражены исследования последних лет по изучению действия нанокристал-лических железа, кобальта и меди на накопление биологически активных веществ в растениях (по-
лисахариды, белки, витамины).
В учхозе «Стенькино» РГСХА были проведены опыты по изучению влияния микроэлементов в ультрадисперсном состоянии на бобовые растения, в частности, на вику. Семена вики перед посадкой обрабатывались ультрадисперсными порошками (УДП), содержащими Fe и Со, и высеивались на опытных участках.
Так, обработка семян вики перед посевом на-нопорошками железа способствовала повышению урожайности зеленой массы растений на 25,5%, кобальта - на 32,1% выше контроля.
Механизм биологического воздействия до конца не изучен, однако предполагается, что он связан с проникновением микрочастиц порошка в поры семенных оболочек, где происходит энергетическое взаимодействие частиц металла с жидкой средой, включение частиц в метаболические процессы на этапе набухания семян и их гетеротрофного питания, что, в свою очередь, усиливает начальные ростовые процессы.
Питательная ценность зеленой массы растений определяется не только уровнем содержания протеинов, углеводов, но и количеством физиологически активных веществ, и, в частности, аскорбиновой кислоты (витамина С), которая повышает устойчивость организма животных к заболеваниям и участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Результаты показали, что предпосевная обработка семян вики нанопорошком железа увеличила содержание аскорбиновой кислоты в зеленой массе в фазу цветения на 45%, а УДП-Со - в 4,5 раза по сравнению с контрольным вариантом.
Также большое значение имеет содержание в зеленой массе каротина, то есть провитамина А, который участвует в разнообразных физиологических процессах, протекающих в животном организме - росте, устойчивости к болезням. Предпосевная обработка семян вики УДП-железа увеличила содержание каротина в фазу образова-
№2, 2009
ния бобов на 41%, а УДП-Со - в 4 раза.
Подобные закономерности наблюдались и в исследованиях по обработке семян рапса нанопо-рошками железа и кобальта.
Также на протяжении опыта определялись содержание в растениях и семенах белка, лектино-вой фракции и водорастворимых полисахаридов (Таблица 1).
По данным таблицы 1, нанопорошок железа
Соотношение белка, лектинов и
Примечание: * - Р < 0,05
увеличил в семенах вики содержание белка на 32%, а содержание полисахаридов - на 10 % выше контроля. При этом наблюдалось снижение содер-
Примечание: * - Р < 0,05
жания белка лектина в семенах вики на 50%, что повысило кормовые качества семян, так как лек-тины неблагоприятно действуют на рост и усвояемость питательных веществ рациона животных, вызывая иногда токсическое действие. Нанопоро-шок кобальта также повысил содержание общего белка в семенах на 45%, водорастворимых полисахаридов - на 71,8% и снизил содержание лектина на 23% по сравнению с контролем.
Растения, семена которых были обработаны УДП кобальта, отличались более мощной структурой, высотой и шириной листовых пластинок. Действительно, по литературным данным кобальт
активно влияет на белковый обмен, так как входит в состав многих белковых комплексов в митохондриях клетки.
Нанопорошки металлов не только изменяли динамику нарастания зеленой массы, но и способствовали изменению химического состава растений, что показал химический анализ зеленой массы растений вики и викового сена. (таблицы 2 и 3).
Таблица 1
полисахаридов в семенах вики.
Из таблицы 2 следует, что предпосевная обработка семян УДП железа способствовала увеличению протеина в зеленой массе растений на 41,4 %, а УДП кобальта - на 62,7% выше контроля. Макси-
мальное содержание протеина в варианте с УДП кобальта указывает на то, что кобальт участвует в азотном и белковом обмене, способствуя синтезу протеинов.
Следует отметить, что в вариантах с повышенным содержанием протеина в растениях наблюдается тенденция к снижению содержания в зеленой массе сырой клетчатки. Это объясняется тем, что в данных вариантах протекают наиболее интенсивно ростовые процессы, а, следовательно, происходит новообразование тканей, в которых содержание клетчатки всегда будет меньше, чем в более старых.
Существенных различий по вариантам в со-
УДП с содержанием металла 10г на 1кг семян Количество белка, мг/л Содержание лектина, мг/л Количество полисахарида, мг/100 г
Контроль 2,7±0,10 0,17±0,0003 5,5±0,15
УДП^е 3,5±0,20 0,09±0,0004 6,0±0,22
УДП-Со 3,9±0,10 0,13±0,0005 9,45±0,10
Таблица 2
Действие УДПМ на химический состав зеленой массы вики, %
Варианты Среднее значение за 3 года
Сырой протеин Сырая клетчатка Зола Кальций Фосфор БЭВ
Контроль 16,9±0,002* 34,0±0,004 9,1 ±0,001 1,48±0,004 0,17±0,003* 28,5±0,4
УДП^е 23,9±0,001 31,9 ±0,002* 8,9±0,002 1,46±0,002* 0,17±0,004 26,2±0,2
УДП-Со 27,5±0,003 29,0±0,001* 8,9±0,003* 1,4±0,001 0,18±0,002 27,5±0,1
рольные значения (17,30 мг/кг для железа и 1,23 мг/кг для кобальта).
Анализ исследований по изучению действия нанокристаллических металлов на лекарственные растения показал, что обработка семян лапчатки
Таблица 3
Действие предпосевной обработки семян УДПМ на химический состав сена викового (2001-2002 г. г.)
держании фосфора и кальция не выявлено. В среднем, за три года, качественные параметры зеленой массы вики под влиянием УДПМ существенно не изменялись. Биохимический анализ сена викового представлен в таблице 3.
Вариант Сырой протеин % Зола % Кальций % Фосфор %
Норма 18,6 ±0,003* 7,6 ± 0,004* - -
Контроль 16,9 ±0,002 9,1 ±0,005* 1,48 ±0,002 0,17 ±0,006*
УДП^е 23,9 ± 0,004* 8,9 ± 0,003* 1,46 ±0,004 0,17 ± 0,006
УДП-Со 22,7 ± 0,002 8,7 ± 0,002 1,23 ±0,003* 0,19 ±0,005*
Примечание: * - Р < 0,05
Обработка семян УДП железа и кобальта вызы- гусиной нанопорошками железа, кобальта и меди вала увеличение содержания сырого протеина на способствовала увеличению содержания водорас-41% и 34% соответственно по сравнению с конт- творимых полисахаридов в зеленой массе расте-ролем. Это указывало об активации белкового и ний. По данным таблицы 4, нанокристаллическое
Таблица 4
Влияние УДПМ на содержание водорастворимых полисахаридов в зеленой массе лапчатки гусиной (г/100 г массы) (по данным Г.И. Чурилова)
Даты отбора проб Варианты
контроль УДП^е в дозе 0,03 г УДП-Со в дозе 0,03 г УДП-Си в дозе 0,03 г
15.05 2,67 2,74 2,67 2,72
2.06 2,72 2,80 2,72 2,80
23.06 2,75 2,83 2,74 2,82
4.07 3,50 3,63 3,44 3,55
15.07 5,91 6,75 6,26 5,97
12.08 6,06 6,28 6,33 6,21
21.08 5,62 5,66 5,97 5,74
Примечание: * - Р < 0,05 углеводного обменов в растениях вики под влиянием использования микроэлементов, а также об улучшении их кормовых качеств.
При этом содержание в растениях тех микроэлементов, которые использовались для обработки семян, практически не изменилось. Так абсолютное содержание железа в растениях вики колебалось в диапазоне 51,0 - 55,5 мг/кг сухого вещества в опытных вариантах, а в контроле - 53,4 мг/кг сухого вещества. Еще меньшим диапазон колебаний был в содержании кобальта опытных растений 0,12 - 0,17 мг/кг сухого вещества, в контроле 0,11 мг/кг сухого вещества. Содержание железа и кобальта в почве до уборки урожая составило 17,3 мг/кг и 1,33 мг/кг соответственно, а после уборки -17,36 мг/кг и 1,35 мг/кг, что не превышало конт-
железо увеличило содержание полисахаридов максимально на 14,2% выше контроля в период середины июля, нанокристаллический кобальт повысил содержание полисахаридов на 5,9% в тот же период, нанопорошок меди - на 2,5% выше контроля. (Чурилов Г.И.)
На основании этих исследований и приведенных ранее, можно сказать, что будущее за этими препаратами. Нанопорошки металлов показали себя в многих исследованиях активными биокатализаторами, способными активизировать биохимические и физиологические процессы в растениях, усиливая их рост и развитие, и способствуя накоплению в растениях и семенах культур биологически активных соединений. Данные препараты можно представлять в качестве альтернативы дорогостоящим солям микроэлементов.
