CC BY
31-IJ
Literatura
1. Goncharov P.L. Kormovye kultury Sibiri (Biologo-botaniheskie osnovy vozdelyvania). Novosibirsk: Izd-vo Novosib. un-ta, 1992. 289 s. 4.
2. Goncharov P.L Nauchnye osnovy travoseania v Sibiri. М.: Agropromizdat, 1986. 288 s.
3. Dospehob B.A. Metodika polevogo opyta. М.: Kolos. 1985. 267 s.
4. Zonalnaa sistema zemledeliya Tuvinskoy ASSR. Novosibirsk: Sib. otd-nie VASHNIL. 1982. 182 s.
5. Kshnikatkina A.N., Ignatev A.S. Vlianie pokrovnyh kulturna produktivnostkleverapannonskogo (Trifollium pannonicum Jago) v lesostepi Srednego Povolgya / Niva Povolgya. 2012. №3 (24). S. 3-8.
6. Metodicheskie ukazania po provedeniu opytov s kormovymi kulturami. М.: VNII kormov im. V.R. Vilamsa. 1987. 82 s.
7. Sorokin O.D. Prikladnaa statistika na komputere. Krasnoobsk: RPO SO RASHN. 2004. 162 s.
8. Surin, N.A. Perspektivnye kultury i sorta bobovyh mnogoletnih trav dla sozdania senokosov v usloviah Respubliki Tyva // Sibirskii vestnik selskohozaistvennoy nauki. 2014. №3. S. 38-43.
9. Tuldikov V.A. Intensivnoe ispolzovanie mnogoletnih trav i travosmesey v Nechernozemnoy zone RSFSR. М.: Izd-vo MSHA, 1992. 96 s.
10. Yurcovskiy M.A. Sistema uplotnennogo ispolzovania pashni. M.: Kolos, 1967. 200 s.
УДК 62°.3:631.8 DOI 10.36508fRSATU.2019.32.87.008
ВЛИЯНИЕ СТРОЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ НА МЕХАНИЗМ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
С ЖИВЫМИ СИСТЕМАМИ
ПОЛИЩУК Светлана Дмитриевна, д-р техн. наук, профессор кафедры лесного дела, агрохимии и экологии, Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, [email protected]
ЧУРИЛОВ Геннадий Иванович, д-р биол. наук, профессор кафедры общей и фармацевтической химии, Рязанский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова,[email protected]
ЧУРИЛОВ Дмитрий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры технологии металлов и ремонта машин, [email protected]
ЧУРИЛОВА Вероника Вячеславовна, ассистент кафедры лесного дела, агрохимии и экологии, [email protected]
АРАПОВ Илья Сергеевич, аспирант кафедры технологии металлов и ремонта машин, arapow. [email protected]
ЛОМОВА Юлия Валерьевна, канд. вет. наук, доцент кафедры эпизоотологии, микробиологии и паразитологии, [email protected]
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-3300510.
Биологическая активность наночастиц зависит от физико-химических характеристик частиц. Химическое взаимодействие наночастиц с жидкой средой, по-нашему мнению, является одним из определяющих факторов их биологической активности. Изменение рН среды за счет высокой восстановительной способности наночастиц повышает проницаемость мембран, способствуя биоаккумуляции наночастиц или усилению их биосовместимости. Данная способность зависит от той информации (тех свойств), которой обладают частицы разных размеров, состава и физико-химических характеристик. Высокой биологической активностью обладают наночастицы металлов -железа, кобальта, меди размером 35-60 нм в количестве 0,01-10,0 г на тонну семян, полученные низкотемпературной металлизацией нанодисперсных порошков гидроксидов. Наночастицы оксидов металлов размером 20-80 нм снижают рост и развитие растений, и в отличие от наночастиц металлов, они аккумулируются в структурах растений, понижая активность фитогормонов и ферментов. При этом аномальная дозовая зависимость эффекта в области сверхнизких концентраций биологически активных веществ зарегистрирована на уровне ответа не только клетки или целостного организма (растения), но и отдельных биомакромолекул (ферментов). В наших исследованиях мы обнаружили, что всякий раз при введении сверхмалых доз биологически активного вещества в организм животного, клеточную культуру или в модельную систему, содержащую суспензию
© Полищук С. Д.. Чурилов Г И., Чурилов Д. Г., Чурилова В. В., Арапов И. С., Ломова Ю. В., 2019 г
С9-
мембран, отмечается изменение структурных характеристик мембран. В свою очередь изменения структуры мембран могут приводить к изменению функционального состояния клетки, а наличие полимодальности в ответе можно объяснить сменой механизма действия вещества в том или ином концентрационном интервале на структуру мембраны.
Ключевые слова: наночастицы, биологическая активность, биоакуммуляция,зависимость «доза-эффект»
Введение
Характер наблюдаемых нами уже в течение 10 лет биологических эффектов: изменение морфо-физиологических показателей роста и развития растений; активности ферментов и фитогормонов [1-4]; показателей окислительной модификации белков [5-8], вызываемых различными по площади удельной поверхности и физико-химическим свойствам наночастицами, указывает, что причинами этих явлений являются процессы, связанные с действием определенного регуляторного сигнала в биологических системах. Все живые организмы обладают единообразно устроенной системой, функция которой заключается в восприятии, считывании, распространении и уничтожении информации, постоянно поступающей извне. Биологический эффект должен быть связан с передачей информации, универсальной для любых биологических объектов, которая с высокой степенью надежности функционирует в системе: это агент (препарат) - клетка и ее структуры, и этим требованиям удовлетворяют мембрана и система надмолекулярных структур микроокружения клетки.
Малыми и сверхмалыми дозами считают дозы, эффективность которых нельзя объяснить с помощью традиционных представлений [9-11], следовательно, сами наночастицы микроэлементов и их оксидов, для которых характерны квантово-механические свойства, можно отнести к «малым или сверхмалым». Для наночастиц металлов наблюдается одно из характерных свойств эффекта - МД-колебательный характер дозовой зависимости величины наблюдаемых показателей, а также наличие "мертвой зоны" (интервала доз между двумя пиками биологических эффектов, в котором не проявляется биологическая активность. Это обусловлено, на наш взгляд, волновым характером распространения пространственных перестроек проницаемости мембран и надмолекулярных структур под влиянием энергетического воздействия наночастиц, повышающих концентрацию протонов.
При определении данного явления в случае сверхнизких концентраций биологически активных веществ интересной является идея о параметрическом резонансе [12], которая нашла подтверждение в наших работах. Речь идет как о возможном механизме действия наночастиц на клеточном и субклеточном уровнях. Параметрический резонанс возникает при совпадении временных параметров запускаемых биологически активными веществами внутриклеточных процессов и характерного времени подхода вещества к мишени. В результате связывания активного вещества с его мишенью фермент (рецептор) переходит в конформационно неравновесное состояние, ко-
торое на определенной стадии обеспечивает его максимальную активность.В рамках этих представлений находит свое объяснение и наблюдаемое нами уменьшение активности фермента при возрастании дозы действующего вещества.
В работе [13] рассматриваются представления об аллостерическом взаимодействии каталитических центров в молекуле фермента. Если фермент или рецептор содержит несколько центров с разным сродством к субстрату, то, когда вводятся низкие дозы препарата, его молекулы преимущественно связываются с высокоэффективным центром фермента. При увеличении дозы в действие вступает второй ферментный центр. Он взаимодействует аллостерически с первым центром, понижая его сродство к субстрату, и тогда все молекулы, которые были связаны с первым центром, сходят с него. Снова с ним связаться они могут только после того, как концентрация препарата приблизится к значению константы диссоциации комплекса лиганда с первым центром, достигнутой под воздействием второго центра. Следовательно, биологическая система, испытывающая влияние МД, может реагировать на первые, наиболее быстрые единичные молекулы, а не на их стационарные концентрации (момент первого достижения). Считаем, что в основе биологических эффектов, производимых наночастицами, лежит поэтапное изменение пространственной организации специализированных надмолекулярных структур микроокружения клетки и ее цитоплазмы (ВКМ, плазматическая мембрана, цитоскелет, ядерный матрикс), для каждой из которых выявлена и доказана значимость в протекании важнейших биологических процессов.
Биологическая активность наночастиц зависит от многих факторов, в том числе размера и способности накапливаться или биосовместимости. Было изучено влияние наночастиц металлов Си, Со, Fe, Zn, а также их оксидов.
При определении влияния наночастиц металлов Си, Со, Fe, Zn, полученных низкотемпературной металлизацией [14], на рост и развитие растений (вика, горчица, пшеница, огурец) было доказано, что они проявляют высокую биологическую активность в интервале концентраций 0,01-100 г/т (тонну семян), проявляя одинаковую закономерность. Величина активности зависит от площади удельной поверхности и размеров. Частицы размером до 20 нм показывают более высокую активность при низких концентрациях до 5 г/т (тонну семян). Для таких размеров наночастиц при 0,05 г/т относительно контроля возрастают энергия прорастания на 16-20%; всхожесть на 1416%; длина надземной части - до 60%, подземной -128%. Это намного выше, чем для частиц с более
высоким размером (35-60 нм) при той же концентрации: 10-12%, 8-14%, 37%-40%, 18-25% соответственно. Через трое суток масса ростка возрастает на 65%, на 7-й день - на 21%; корешка - на 65% (третьи сутки) и 70% (7-е сутки); для размеров 3560 нм -повышение массы ростков и корешков на 3-е сутки составило соответственно 15,4% и 39%.
Причем, если наночастицы металлов размером 20 нм активны в пределах концентраций 0,0110 г/т (рисунки 1,2), то у частиц размером 40-60 нм активность сохраняется до 100 г/т и даже при концентрациях 500 г/т угнетения растений не происходит (рис.3).
Теоретические и экспериментальные исследования малых частиц показывают, что размер частиц является активной переменной, определяю-
щей состояние системы. Наночастицы меньших размеров имеют высокую величину поверхности раздела. Как следствие, такие нанообъекты проявляют высокую физико-химическую активность. Объекты исследования - энергия прорастания семян и их морфо-физиологические показатели. Результаты показывают, что «малые» дозы более эффективны, поскольку у организмов, видимо, нет системы защиты от них и их сигнал в большей степени стимулирует процессы прорастания семян. В области «малых» доз на единицу массы семян эффект влияния значительно выше, чем при «больших» дозах, но усиление эффекта влияния наночастиц с повышением концентрации идет до определенного предела.
Рис. 1 - Энергия прорастания семян горчицы при воздействии наночастиц размером 20 нм
Рис. 2 - Длина 5-ти дневных проростков горчицы привоздействии наночастиц размером 20 нм
Рис. 3 - Масса проростков 5-ти дневных проростков горчицы при воздействии наночастиц
размером 35-60 нм
№
100 ао 60 + 40 20 О
II
(V» ** ъ сР> С?
Си О 17пО СоО
с.г г/т
Рис. 4 - Энергия прорастания семян горчицы при воздействии наночастиц оксидов
размером 20-60 нм
Оксиды меди, цинка, кобальта размером 20-60 нм угнетают рост и развитие растений (рис.4).
Для оксидов в отличие от металлов при проведении электронно-микроскопического анализа с помощью просвечивающего электронного микроскопа [15] было зафиксировано, что после обра-
ботки растений коллоидными растворами наночастиц разных размеров в небольшом количестве они концентрируются на поверхности растений (рис. 5) и накапливаются в структуре растений (рис. 6,7).
Рис. 5 - Электронно-микроскопическое изображение наночастиц на поверхности растений
непосредственно после обработки
На фотографиях видно, что наночастицы оксидов внутри биообъектов находятся в виде агрегатов, т.е. они склонны к образованию плотных агломератов сложной формы размером порядка 200-300 нм. Вероятно, это объясняется образованием «корон» из биологических макромолекул вокруг чужеродных частиц, при этом получаются сложные молекулярные комплексы, обладающие низкой агрегационной устойчивостью. Чем ниже размер наночастиц, тем выше степень агрегатиза-ции. Это предполагает соблюдение мер предосто-
рожности при их практическом использовании в составе нанопрепаратов. Оксиды, как было показано ранее, или в меньшей степени чем металлы стимулируют рост растений, или замедляют его (оксиды меди, цинка, железа и кобальта) и причиной может быть их аккумуляция, что не характерно для наночастиц металлов.
Все представленные фотографии сделаны с вершковой части горчицы, в корешках проращенных семян горчицы наночастиц не обнаружено (табл.1).
Рис. 6 - Фотографии вершков пророщенной горчицы с видимыми включениями наночастиц
оксида цинка
Рис. 7 - Фотография вершков пророщенной горчицы с видимыми включениями
наночастиц оксида меди
Таблица 1- Качественный анализ наличия наночастиц в высших растениях «+» - обнаружены, «-» - не обнаружены
Объект СиО СоО ZnO
Горчица вершки + + +
корешки - - -
Пшеница вершки + - +
корешки - + +
Огурец вершки + + +
корешки - - -
Вика вершки + + +
корешки - - -
Изменение рН среды за счет высокой восстановительной способности наночастиц, видимо, повышает проницаемость мембран, способствуя биоаккумуляции наночастиц или усилению их биосовместимости. Данная способность зависит от той информации (тех свойств), которой обладают частицы разных размеров, состава и физико-химических характеристик. Согласно результатам наших работ наночастицы металлов и оксидов различаются по характеру воздействия.
Как и в случае анализа морфофизиологических показателей, активность ферментов соответствует нормальному развитию растений в присутствии наночастиц металлов размером 20 нм до концентрации 10 г/т, а при размерах частиц 35-60 нм - до 100 г/т, далее происходит угнетение. Комплексное исследование влияния различных концентраций и размеров наночастиц на активность трех фер-ментов-антиоксидантов (СОД, каталазы и перок-сидазы) [16-19]позволило установить: активность пероксидазы при максимальных морфофизио-логических показателях высокая и снижается в «мертвых зонах» как при низких, так и высоких концентрациях наночастиц металлов. Активность сОд и каталазы в исследуемых культурах достоверно снижалась в условиях максимальных морфофизиологических показателей и резко возрастала при концентрациях больше 100 г/т для наночастиц размером 35-60 нм, и выше 10 г/т при
размере до 20 нм.
Для наночастиц размером 35-60 нм пределом устойчивости служит концентрация намного выше 100 г/т;для размеровдо 10нм-винтервале 10-100г/т.
Активность ферментов для наночастиц оксидов меди, кобальта и цинка размером 20-60 нм увеличивается, и отклонения от контроля имеют значения меньше 30%, то есть они безопасны для развития растений только в пределах концентраций 0,001-1,0 г/т. При более высоких концентрациях (больше 10,0 г/т) отклонения активности относительно контроля выше 30%, что свидетельствует о начале угнетения роста и развития растений. Следует контролировать содержание и накопление наночастиц оксидов в окружающей среде, так как высокие концентрации могут быть опасными, тем более, что они накапливаются и возможна их передача в пищевых цепях. При одинаковой концентрации наночастиц активность ферментов различается и по месту определения - корни, ростки.
Малый размер наночастиц (не более 100 нм) позволяет им проходить через биологические мембраны, накапливаться во внутренней среде, возможно, опосредованно влиять на геном митохондрий (мтДНК), что в свою очередь запускает или замедляет механизм биосинтеза митохон-дриальных белков-ферментов и, как следствие, активацию энергетических процессов. Большая удельная поверхность наночастиц маленьких размеров повышает химический потенциал на межфазных границах и приводит к увеличению проходимости и высокой реакционной способности. Химическое взаимодействие наночастиц с жидкой средой является, по-нашему мнению, одним из определяющих факторов их биологической активности; изменение рН среды за счет высокой восстановительной способности наночастиц, видимо, повышает проницаемость мембран, способствуя биоаккумуляции наночастиц (в случае оксид) или усилению их биосовместимости. Данная способность зависит от той информации (тех свойств), которой обладают частицы разных размеров, состава и физико-химических характеристик.
На разных этапах развития и роста растений соотношение фитогормонов меняется как в ростках, так и в корнях под влиянием различных
факторов внешней среды. Такие изменения корректируют направление и скорость роста растительных организмов. Гормоны моделируют весь процесс развития растения, могут изменять его направление, оказывая действие на ферменты, регулирующие активность других гормонов.Было изучено действие наночастиц металлов кобальта, железа, цинка, меди и оксидов меди, цинка и кобальта на активность фитогормонов цитокини-нов (ЦК), гибберелловой (ГК), абсцизовой (АБК), индолилуксусной (ИУК) кислот горчицы белой, выращенных в песочном субстрате в течение месяца. Наночастицы металлов обладают практически одинаковыми физическими характеристиками, но разными химическими, и их действие различается количественным содержанием, но характер эффективности действия одинаков.
В интервале концентраций 0,001-10,0 г/т под действием наночастиц металлов содержание ИУК возрастает. Так как с увеличением количества ИУК усиливается содержание в клетках АТФ [2024] и коэффициент, показывающий соотношение фосфорилирования и окисления, следовательно, при этих концентрациях наночастиц возрастает энергетическая эффективность дыхания растений, и это приводит к большим изменениям активности различных ферментативных реакций. Наночастицы должны усиливать передвижения питательных веществ и воды, что является одной из причин усиления роста растений, которое мы наблюдали в предыдущих опытах. Далее значения ИУК уменьшаются, приближаясь к контрольным показателям. Увеличение содержания гиббе-релловой, абсцизовой и индолилуксусной кислот сохраняется до концентрации 10 г/т, причем наиболее интенсивно при увеличении концентрации наночастиц размером 30-60 нм. Такие выводы достоверно характерны и для действия наночастиц кобальта, меди, цинка и железа.
Для наночастиц размером до 20 нм в целом наблюдается аналогичная зависимость: доза (концентрация)-эффект (активность фитогормо-нов) - как в случае частиц размером 35-60 нм; при этом более высокая активность ЦК, ГК и ИУК относительно контроля характерна при более низких концентрациях 0,01-1,0 г/т и эти изменения выше, чем для наночастиц размером 35-60 нм. Следует отметить, что количество абсцизовой кислоты практически не изменяется, зависимость доза-эффект для данного гормона отсутствует. Наиболее высокая активность ИУК наблюдается в пределах концентраций наночастиц кобальта размером 3560 нм 1-10 г/т; для размера до 10 нм активность смещается в сторону меньших концентраций -0,1-1,0 г/т, при этих концентрациях возрастает активность остальных фитогормонов при уменьшении содержания АБК.
При контакте семян с наночастицами оксида меди, цинка и кобальта количество АБК увеличивается относительно контроля. При концентрации 1,0 г/т - на 11,0%, а при 10,0 г/т - на 40,9%. Также и основные морфофизиологические показатели при 100 г/т изменяют свои значения от 32 до 53%, что
подтверждает ранее сделанный вывод об опасности применения оксидов в концентрациях выше 10,0 г/т.
Заключение
Если учесть, что наночастицы, как мы предполагаем, являются источником дополнительного количества протонов и информации, которую получают клетки от высокоэнергетических наночастиц через мембранные или цитоплазматические рецепторы, то эти факторы должны приводить к изменению гормонального статуса в клетках, стимулировать или подавлять активность тех или иных эндогенных фитогормонов. А информация зависит от размеров, состава и концентрации на-ночастиц. Биологически активные наночастицы, действуя на уровень фитогормонов, могут влиять на состояние биомембран и опосредованно выступать регулятором белоксинтезирующих клеток растений. Наночастицы оксидов аккумулируются в структуре растений, что доказано методами СЭМ и ПЭМ, причиной чего являются:
- высокая их адгезия к поверхностям живых систем;
- отрицательный заряд и размер наночастиц. Стенки растений полупроницаемы, диаметр пор в стенках клетки составляет 5-2о нм и это позволяет мигрировать маленьким молекулам. Но пропускная способность может меняться, так как могут образовываться новые каналы под действием наночастиц, проходящих через мембраны клеток;
- устойчивое образование агломератов, которые эффективнее задерживаются в клетках растений, понижая рост и развитие растений.
Список литературы
1. ChurilovG.I., PolischukS.D., KuznetsovDenis., BorychevS.N., ByshovN.V. Churilov D.G. Agro ecological grounding for the application of metalnanopowders in agriculture//Int. J. Nanotechnol. 2018.Vol. 15, Nos. 4/5. РР. 258-279
2. Полищук С.Д, Обидина И.В., Чурилов Д.Г., Чурилова В.В., Чурилов Г.И. Морфологические показатели ростков риса, обработанных ультрадисперсным порошком железа//Вестник РГАТУ. 2018. № 4 (40). С.36-41
З.Чурилов Д.Г., Горохова М.Н., Бударина Г.И., Полищук С.Д., Бакунин И.В.
Особенности роста и развития кукурузы и подсолнечника при обработке семян наночастицами кобальта.// Труды ГОСНИТИ. 2011. Т. 107. № 2. С. 46-48
4.GennadyChurilov, Quoc Buu Ngo, Hoai Chau Nguyen. Physiological and Biochemical Effects of Nanocrystalline Metals on maize plant // Proceeding of 4th International Workshop on Advanced Materials and NanoScience, 2013. Nov 12-14. РР. 282 - 285
5. Муравлева Л.Е. [и др.] Окислительная модификация белков: проблемы и перспективы исследования // Фундаментальные исследования -2010. - № 1. - С.74-78.
6. Губский Ю.И. [и др.]. Токсикологические последствия окислительной модификации белков при различных патологических состояниях// Со-
временные проблемы токсикологии, т.8, № 3. -2005. - с.20-27.
7. Толочко З.С., Спиридонов В.К. Окислительная модификация белков в крови крыс при повреждении капсаицин-чувствительных нервов и изменении уровня оксида азота. // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. - Т.96, № 1. - 2010. - с.77-84.
8.Абаленихина Ю.В., Фомина М.А., Чурилов Г.И., Иванычева Ю.Н. Активность катепсинов тимуса крыс под влиянием меди в ультрадисперсной форме. Научное обозрение. 2012, № 5, С 76-82
9.Бурлакова Е. Б., Конрадов А. А., Мальцева Е. Л. Действие сверхмалых доз биологически активных веществ и низкоинтенсивных физических факторов
//Химическая физика». 2003. Т. 22, № 2.
10. Зайцев, С.В., Ефанов, А.М., Сазанов, Л.А. Общие закономерности и возможные механизмы действия биологически активных веществ в сверхмалых дозах // Рос. хим. ж. -1999 - Т. XLIII, № 5 - С. 28-33.
11.Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Мальцева Е.Л. Действие сверхмалых доз биологически активных веществ и низкоинтенсивных физических факторов // Проблемы регуляции в биологических системах. Биофизические аспекты / под общей ред. А.Б. Рубина. - М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований,2007.- С. 390-423.
12.Блюменфельд Л .А. Параметрический резонанс как возможный механизм действия сверхнизких концентраций биологически активных веществ на клеточном и субклеточном уровнях // Биофизика. - 1993. -Вып. 1. - С. 129-132.
13.Блюменфельд, Л.А. Понятие конструкции в биологической физике. К вопросу о механизме действия сверхмалых доз // Рос. хим. ж. -1999 - Т. XLIII, № 5 - С. 15-20.
14. Арсентьева И.П., Дзидзигури Э.Л. и др.,Закономерности строения и биологическая активность нанопорошков железа// Перспективные
материалы. -2004.- 2004.-№4.- С.64-66
15.Векилова, Г.В. Дифракционные и микроскопические методы и приборы для анализа
наночастици наноматериалов/ Г.В. Векилова, А.Н. Иванов, Ю.Д. Ягодкин: Москва,
МИСиС. - 2009. - 145 с.
16. Бояркин А.Н. Быстрый метод определения активности пероксидазы // Биохимия. - 1951. - Т. 16, Вып. 4. -С. 352.
17.Ермаков, А.И. Методы биохимического исследования растений/ А.И.Ермаков, В.В. Арасимо-вич, Н.П Ярош.,Ю.В.Перуанский, Г.А.Луковникова, М.И. Иконникова. - Л.: Агропромиздат, 1987. - С. 43-44.
18..Аверьянов, А.А. Активные формы кислорода и иммунитет растений/ А.А. Аверьянов // Успехи современной биологии.- 1991. -Т. 111. - № 5. - С. 722-737.
19.Полищук С.Д, Обидина И.В., Чурилов Д.Г., Чурилова В.В., Чурилов Г.И. Морфологические показатели ростков риса, обработанных ультрадисперсным порошком железа//Вестник РГАТУ. 2018. № 4 (40). С.36-41
20.Кулаева, О.Н. Гормональная регуляция физиологических процессов у растений на уровне РНК и белка /О.Н Кулаева, - М: Наука, 1982.- 351 с.
21. Скулачев В.П. Законы биоэнергетики/ Ску-лачев В.П. // Соросовский Образовательный Жур-нал.-1997.-№ 1.-С. 9-14.
22. Романовский Ю.М., Тихонов А.Н. Молекулярные преобразователи живой клетки. Протонная АТФ-синтаза - вращающийся мотор./ Романовский Ю.М., Тихонов А.Н. //Успехи физических наук. - 2010. - Том 180. - №9. - С 932-956.
23. Курсанов, А.Л. Внутренняя организация физиологических процессов у растений / А.Л. Кур-санов // Ученый и аудитория. - М: Наука, 1982. - С. 145-161 с.
24.Макроносов, А.Т. Интеграция функций роста и фотосинтеза/ А.Т. Макроносов // Физиология растений. 1983.- Вып. 5.- Т.30- С. 868-880.
THE INFLUENCE OF THE STRUCTURE OF NANOPARTICLES ON THE MECHANISM OF THEIR INTERACTION WITH LIVING SYSTEMS
Polischuk Svetlana D., Doctor of Technical Science, Professor, Department of Forestry, Agrochemistry and Ecology, Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev, [email protected]
Churilov Gennadiy I., Doctor of Biological Science, Professor, Department of General Chemistry, Ryazan State Medical University Named after Academician I.P. Pavlov, [email protected]
Churilov Dmitriy G., Candidate of Technical Science, Associate Professor, Department of Metal Technology and Machine Repair, [email protected]
Churilova Veronika V., Assistant, Department of Forestry, Agrochemistry and Ecology, veronicka. [email protected]
Arapov Ilya S., Post Graduate Student, Department of Metal Technology and Machine Repair, arapow. [email protected].
Lomova Julia V., Candidate of Veterinary Science, Associate Professor of the Department of Epizootology, Microbiology and Parasitology, [email protected]
Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev
The biological activity of nanoparticles depends on the physical-chemical characteristics of the particles. The chemical interaction of nanoparticles with a liquid medium, in our opinion, is one of the determining factors in their biological activity. A change in the pH of the medium due to the high reducing axxxxxbility of nanoparticles increases the permeability of membranes, promoting bio-accumulation of nanoparticles or enhancing their
bio-compatibility. This ability depends on the information (those properties) of particles of different sizes, their composition and physical-chemical characteristics. Metal nanoparticles of iron, cobalt, copper of 35-60 nm in the amount of 0.01-10.0 g per ton of seeds, obtained by low-temperature metallization of nanodispersed hydroxide powders, possess high biological activity. Nanoparticles of metal oxides with a size of 20-80 nm reduce plant growth and development, and unlike metal nanoparticles, they accumulate in plant structures, reducing the activity of phytohormones and enzymes. In this case, an abnormal dose dependence of the effect of ultra-low concentrations of biologically active substances is recorded at the level of response not only of the cell or the whole organism (plant), but also of individual bio-macromolecules (enzymes). The studies showed that every time an ultra-low dose of a biologically active substance is introduced into an animal, a cell culture, or into a model system containing a suspension of membranes, a change in the structural characteristics of the membranes is noted. In turn, changes in the structure of membranes can lead to a change in the functional state of the cell, and the presence of polymodality in the response can be explained by a change in the mechanism of action of a substance in a particular concentration range on the membrane structure.
Key words: nanoparticles, biological activity, bioaccumulation, dose-effect relationship
Literatura
1. Churilov G.I., Polischuk S.D., Kuznetsov Denis., Borychev S.N., Byshov N.V. Churilov D.G. Agro ecological grounding for the application of metal nanopowders in agriculture//Int. J. Nanotechnol. 2018.Vol. 15, Nos. 4/5. RR. 258-279
2. Polishhuk S.D, Obidina I.V., CHurilov D.G., CHurilova V.V., CHurilov G.I. Morfologicheskie pokazateli rostkovrisa, obrabotannyh ul'tradispersnym poroshkom zheleza//Vestnik RGATU. 2018. № 4 (40). S.36-41
3.CHurilovD.G., Gorohova M.N., Budarina G.I., Polishhuk S.D., Bakunin I.V.
Osobennosti rosta i razvitija kukuruzy i podsolnechnika pri obrabotke semjan nanochasticami kobal'ta.// Trudy GOSNITI. 2011. T. 107. № 2. S. 46-48
4.Gennady Churilov, Quoc Buu Ngo, Hoai Chau Nguyen. Physiological and Biochemical Effects of Nanocrystalline Metals on maize plant //Proceeding of 4th International Workshop on Advanced Materials and NanoScience, 2013. Nov 12-14. RR. 282 - 285
5. Muravleva L.E. [i dr.] Okislitel'naja modifikacija belkov: problemy i perspektivy issledovanija // Fundamental'nye issledovanija - 2010. - № 1. - S.74-78.
6. Gubskij JU.I. [i dr.]. Toksikologicheskie posledstvija okislitel'noj modifikacii belkov pri razlichnyh patologicheskih sostojanijah// Sovremennye problemy toksikologii, t.8, № 3. - 2005. - s.20-27.
7. Tolochko Z.S., Spiridonov V.K. Okislitel'naja modifikacija belkov v krovi krys pri povrezhdenii kapsaicin-chuvstvitel'nyh nervov i izmenenii urovnja oksida azota. //Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I.M. Sechenova. - T.96, № 1. - 2010. - s.77-84.
8.Abalenihina JU.V., Fomina M.A., CHurilov G.I., Ivanycheva JU.N. Aktivnost' katepsinov timusa krys pod vlijaniem medi v ul'tradispersnoj forme. Nauchnoe obozrenie. 2012, № 5, S 76-82
9.Burlakova E. B., KonradovA. A., Mal'ceva E. L. Dejstvie sverhmalyh doz biologicheski aktivnyh veshhestv i nizkointensivnyh fizicheskih faktorov
//Himicheskaja fizika». 2003. T. 22, № 2.
10. Zajcev, S.V., Efanov, A.M., Sazanov, L.A. Obshhie zakonomernosti i vozmozhnye mehanizmy dejstvija biologicheski aktivnyh veshhestv v sverhmalyh dozah // Ros. him. zh. -1999 - T. XLIII, № 5 - S. 28-33.
11. Burlakova E.B., Konradov A.A., Mal'ceva E.L. Dejstvie sverhmalyh doz biologicheski aktivnyh veshhestv i nizkointensivnyh fizicheskih faktorov //Problemy reguljacii v biologicheskih sistemah. Biofizicheskie aspekty/ podobshhejred. A.B. Rubina. - M.-Izhevsk: NIC «Reguljarnaja ihaoticheskaja dinamika», Institutkompjuternyh issledovanij, 2007. - S. 390-423.
12.Bljumenfel'd L .A. Parametricheskij rezonans kak vozmozhnyj mehanizm dejstvija sverhnizkih koncentracij biologicheski aktivnyh veshhestv na kletochnom i subkletochnom urovnjah // Biofizika. - 1993. -Vyp. 1. - S. 129-132.
13.Bljumenfel'd, L.A. Ponjatie konstrukcii v biologicheskoj fizike. K voprosu o mehanizme dejstvija sverhmalyh doz // Ros. him. zh. -1999 - T. XLIII, № 5 - S. 15-20.
14. Arsent'eva I.P., Dzidziguri JE.L. idr.,Zakonomernostistroenija ibiologicheskaja aktivnost'nanoporoshkov zheleza//Perspektivnye materialy. -2004.- 2004.-№4.- S.64-66
15.Vekilova, G.V. Difrakcionnye i mikroskopicheskie metody ipribory dlja analiza
nanochasticinanomaterialov/G.V. Vekilova, A.N. Ivanov, JU.D. JAgodkin: Moskva,
MISiS. - 2009. - 145 s.
16. Bojarkin A.N. Bystryj metod opredelenija aktivnosti peroksidazy // Biohimija. - 1951. - T. 16, Vyp. 4. -S. 352.
17.Ermakov, A.I. Metody biohimicheskogo issledovanija rastenij/ A.I.Ermakov, V.V. Arasimovich, N.P JArosh., JU.V.Peruanskij, G.A.Lukovnikova, M.I. Ikonnikova. - L.: Agropromizdat, 1987. - S. 43-44.
18..Aver'janov, A.A. Aktivnye formy kisloroda i immunitet rastenij/A.A. Averjanov //Uspehi sovremennoj biologii.- 1991. -T. 111. - № 5. - S. 722-737.
19.Polishhuk S.D, Obidina I.V., CHurilov D.G., CHurilova V.V, CHurilov G.I. Morfologicheskie pokazateli rostkov risa, obrabotannyh ul'tradispersnym poroshkom zheleza//Vestnik RGATU. 2018. № 4 (40). S.36-41
-1J
20. Kulaeva, O.N. Gormonal'naja reguljacija fiziologicheskih processov u rastenij na urovne RNK i belka /O.N Kulaeva, - M: Nauka, 1982.- 351 s.
21. Skulachev V.P. Zakony biojenergetiki/Skulachev V.P. //Sorosovskij Obrazovatel'nyj ZHurnal.-1997.-№ 1.-S. 9-14.
22. Romanovskij JU.M., Tihonov A.N. Molekuljarnye preobrazovateli zhivoj kletki. Protonnaja ATF-sintaza - vrashhajushhijsja motor./ Romanovskij JU.M., Tihonov A.N. //Uspehi fizicheskih nauk. - 2010. - Tom 180. -№9. - S 932-956.
23. Kursanov, A.L. Vnutrennjaja organizacija fiziologicheskih processov u rastenij/ A.L. Kursanov//Uchenyj i auditorija. - M: Nauka, 1982. - S. 145-161 s.
24.Makronosov, A.T. Integracija funkcij rosta i fotosinteza/ A.T. Makronosov // Fiziologija rastenij. 1983.-Vyp. 5.- T.30- S. 868-880.
УДК 631.452:574.41 DOI 10.36508fRSATU.2019.68.67.009
ОРГАНИЧЕСКИЕ УДОБРЕНИЯ КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВЫ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСТЕНИЕВОДСТВА
САВИНА Ольга Васильевна, д-р с.-х. наук, профессор кафедры маркетинга и товароведения, [email protected]
МАКАРОВ Валентин Алексеевич, д-р техн. наук, профессор кафедры организации транспортных процессов и безопасноти жизнедеятельности, [email protected]
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, va_ [email protected]
МАКАРОВА Ольга Владимировна, д-р экон. наук, профессор кафедры экономики и менеджмента, Академия права и управления (Академия ФСИН России, г. Рязань, [email protected] ГАСПАРЯН Светлана Валентиновна, канд. экон. наук, доцент, Академия права и управления (Академия ФСИН России), г. Рязань, [email protected]
Целью работы явились теоретические и практические разработки по системному применению органических удобрений и мероприятий для поддержания бездефицитного баланса гумуса в севообороте, представляющие научно-прикладной интерес для повышения эффективности растениеводства. Органические удобрения являются одним из основных средств производства Российского земледелия, средством, получаемым из собственных источников, которые уже в течение нескольких столетий улучшают плодородие почвы и повышают её продуктивность. Они играют решающую роль в поступлении органических и питательных веществ в почву. В современном земледелии постоянно осуществляется воспроизводство всех показателей плодородия почв до приведения их в состояние, близкое к параметрам модели плодородия для данного типа и вида почв. Однако первостепенное значение принадлежит воспроизводству наиболее важных из них. Таким важным интегральным показателем является наличие в почве сельскохозяйственного назначения органического вещества - гумуса. Оно в этом случае рассматривается как вещественно-энергетическая и структурно-экологическая основа плодородия почвы. Эффективное развитие земледелия неразрывно связано с системным применением удобрений и постоянным совершенствованием технологий их внесения при возделывании сельскохозяйственных культур. Для решения этой задачи предлагается разработанная авторами методика применения органических удобрений в системе задач по производству продукции растениеводства и мероприятий для поддержания бездефицитного баланса гумуса в севообороте. При составлении баланса питательных веществ учитываются дозы внесения органических удобрений и вынос по основной удобряемой культуре. Приводятся схема по балансу питательных веществ с использованием удобрений в севообороте, а также классификационная характеристика качества навоза и химический состав соломы. В выводах показано, что основным показателем эффективности питательных веществ является количество валовой продукции, полученной от действия удобрений.
Ключевые слова: почва, гумус, органические удобрения, бездефицитный баланс.
Введение
Продовольственная и экономическая безопасность России зависит от состояния такого уникального природного ресурса как земля (почва). Состояние почвы определяет в конечном итоге уровень качества жизни человека. В сельском хозяйстве
почва и растения - огромная химико-биологическая машина, которая работает, используя бесплатную энергию солнца, а почва представляет собой бесплатную, данную природой, огромную производственную силу.
Важнейший показатель плодородия почв за-
© Савина О. В., Макаров В. А., Макарова О. В., Гаспорян С. В., 2019 г
