Статья: Влияние наночастиц диоксида титана и оксида алюминия на морфофизиологические параметры растений

116 Т.П. Астафурова, Ю.Н. Моргалев, А.П. Зотикова и др.

Влияние наночастиц диоксида титана и оксида аллюминия 113

Обособленное структурное подразделение «Научно-исследовательский институт биологии и биофизики Томского государственного университета»

Центр «Биотест-Нано» Томского государственного университета

Биологический институт Томского государственного университета

Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН

ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА И ОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАСТЕНИЙ

Т.П. Астафурова, Ю.Н. Моргалёв, А.П. Зотикова,

Г.С. Верхотурова, С.И. Михайлова, А.А. Буренина,

Т.А. Зайцева, В.М. Постовалова,

Л.К. Цыцарева, Г.В. Боровикова

Аннотация

наночастица растение фасоль амарант

Изучено влияние водных суспензий наночастиц TiO₂ (размером 5 нм) и Al₂O₃ (размером 7 нм) в различных концентрациях на растения фасоли обыкновенной, пшеницы мягкой яровой, амаранта багрянец в различных концентрациях. Выявлено неоднозначное воздействие наночастиц на рост и развитие изученных растений, а также содержание хлорофиллов a, b и каротиноидов в листьях. Установлено, что наиболее устойчивой культурой к действию данных наночастиц является фасоль. Растения пшеницы характеризуются выраженной избирательной чувствительностью к исследованным наночастицам, что определяет специфику изменений физиологических показателей, в том числе повышение урожайности у растений после воздействия суспензией наночастиц TiO₂. Значительное повышение содержания амарантина, наблюдаемое при воздействии наночастиц TiO₂ и Al₂O₃, свидетельствует о высокой чувствительности амаранта и о специфической роли наночастиц в стимулировании биосинтеза амарантина.

Ключевые слова: наночастицы диоксида титана и оксида алюминия; Phaseolus vulgaris L.; Triticum aestivum L.; Amaranthus cruentus L.; морфометрические показатели; фотосинтетические пигменты; амарантин.

Annotation

EFFECT OF NANOPARTICLES OF TITANIUM DIOXIDE AND ALUMINUM OXIDE ON SOME MORPHOPHYSIOLOGICAL CHARACTERISTICS OF PLANTS

The article is devoted to studying the effect of nanoparticles of titanium dioxide TiO₂ and aluminum oxide Al₂O₃ on morphometric parameters of plant beans, wheat and amaranth, the content of chlorophylls a, b and carotenoids, as well as amaranthine in a laboratory-field experiment. Before sowing the seeds of control plants were soaked in distilled water: beans- for two days, wheat, and amaranth - within one day. Seeds of test plants were soaked in a similar way in aqueous suspensions of nanoparticles of TiO₂, the size of 5 nm, and Al₂O₃, the size of 7 nm, in concentrations, respectively, 8,9 mg/l and 5,5 mg/l. During the experiment, the developing plants were sprayed twice: in the 18-day-old suspension of nanoparticles with a concentration of 8,7 mg/l of TiO₂ and 7 mg/l of Al₂O₃ and in the 27-day one - with the concentration of nanoparticles of 9,5 mg/l and 3,5 mg/l, respectively. In the same period, control plants were sprayed with water.

In 21-day-old control and experimental plants the height of the stem was measured: in wheat tillering stage, the beans in a phase of the first true leaf and amaranth in the second phase of this sheet. At the age of 30 days in all plants the content of green and yellow pigments was determined, and in amaranth, additionally, the amaranthine content. In wheat, after maturation the length and the weight of the spike and the number and the weight of grains in the ear were measured, and the yield was estimated. The ambiguity of the impact of nanoparticles of TiO₂ and Al₂O₃ on the growth parameters, chlorophyll content a, b and carotenoids in these culture was revealed. It was found that a string bean is the most resistant to the action of these nanoparticles on morphological and physiological parameters. Seedlings of wheat plants under examination, not differing in growth rate from the control samples, demonstrated selective sensitivity to the effects of nanoparticles of titanium and aluminum. It identified specific changes in their morphophysiological parameters: the stability of the photosynthetic pigments, increasing productivity, improving the structure of crop plants in TiO₂-group, and, conversely, a significant increase in photosynthetic activity in plants in Al₂O₃-group, which was not accompanied by changes in crop yields.

Growth inhibition of amaranth plants and the subsequent significant increase in the content of amaranthine observed under the influence of nanoparticles show a high sensitivity of amaranth and their specific role in stimulating the biosynthesis amaranthine.

It was established that these nanoparticles, considering the importance of their impact on the studied cultures, are equally ineffective on plants beans. In wheat and amaranth nanoparticles of titanium dioxide cause more noticeable, although with different directions, changes than nanoparticles of aluminum oxide.

Key words: nanoparticles of titanium dioxide and aluminum oxide; plants scorn (Phaseolus vulgaris L.); bean (Triticum aestivum L.); amaranth (Amaranthus cruentus L.); morphometric parameters; photosynthetic pigments; amaranthinе.

Основная часть

В настоящее время в связи с развитием и внедрением нанотехнологий особую остроту приобретают проблемы, связанные с возможным воздействием техногенных наночастиц на жизнедеятельность живых организмов, в том числе растений. В первых экспериментальных исследованиях, связанных с биотестированием наночастиц, предпочтение растениям было отдано не случайно [1-3]. Растительные организмы являются разнообразными и доступными объектами, использование которых в скрининг-исследованиях дает возможность оценить как специфичность воздействия наночастиц, так и их дозозависимые эффекты, т.е. чувствительность растений можно рассматривать как индикатор экотоксичности наноматериалов. Кроме того, растения представляют интерес для исследователя и как высокоинформативные экспериментальные модели, позволяющие проанализировать большие объемы биологического материала в течение вегетационного опыта в полевых условиях.

Имеющиеся доступные немногочисленные литературные сведения по биотестированию опасности наночастиц не дают четких представлений об их воздействии на растительный организм. Они либо крайне противоречивы относительно влияния наноматериалов на скорость прорастания семян, рост корней и надземной части растений, либо трудно сопоставимы как по дозам и размерности наночастиц, так и по видам растений [1-5] и ограничены в основном попытками оценить чувствительность растений по изменению морфологических показателей. Экспериментальных данных, связанных с изучением влияния наночастиц на биохимические и физиологические процессы в листьях растений, практически нет. Однако необходимость и важность таких исследований определяются тем, что именно растения являются основанием «пищевой пирамиды» на нашей планете, и сохранение оптимальной экологии полноценной «пищевой цепочки», включая человека, является актуальной задачей современной науки и природопользования [1-3].

Цель данного исследования заключалась в изучении действия наночастиц диоксида титана и оксида алюминия на морфологические параметры растений, содержание в листьях фотосинтетических пигментов и амарантина в лабораторно-полевом опыте.

Материалы и методики исследования

Объектами исследования служили растения: фасоль обыкновенная, Phaseolus vulgaris L., сорт Бийчанка; пшеница мягкая яровая, Triticum aestivum L., сорт Новосибирская 29; амарант багрянец, Amaranthus cruentus L., сорт Чергинский. Семена растений высевали на опытные делянки в 3 повторностях. Перед посевом семена контрольных растений замачивали в дистиллированной воде: фасоли - в течение 2 сут, пшеницы и амаранта - в течение 1 сут. Семена опытных растений замачивали по аналогичной схеме в суспензиях наночастиц TiO₂, размером 5 нм, и Al₂O₃, размером 7 нм, в концентрациях 8,9 и 5,5 мг/л соответственно.

В течение вегетационного опыта растения дважды опрыскивали суспензиями этих частиц: в 18-дневном возрасте в концентрациях 8,7 мг/л (TiO₂) и 7 мг/л (Al₂O₃), в 27-дневном - 9,5 и 3,5 мг/л соответственно. В эти же сроки контрольные растения опрыскивали водой. Различия в концентрациях получаемых дисперсных систем (ДС) следуют из принципа применения ДС, характерных для естественных условий. При создании ДС методом ультразвукового диспергирования с последующей выдержкой до стабилизации турбидности получаются ДСс концентрациями 1-10 мг/л [6].

У 21-дневных контрольных и опытных растений измеряли высоту стебля: у пшеницы - в фазе кущения, у фасоли - в фазе первого настоящего листа и у амаранта - в фазе второго настоящего листа. В возрасте 30 дней у всех растений определяли содержание зеленых и желтых пигментов, а у амаранта, дополнительно, содержание амарантина. У пшеницы после созревания измеряли длину и массу колоса, количество и массу зерен в колосе и оценивали урожайность.

Для определения количества пигментов пробу свежего растительного материала фиксировали 96%-ным этиловым спиртом. Вытяжки разводили таким образом, чтобы величина оптической плотности конечного раствора не превышала 0,6 ед. Содержание пигментов определяли спектрофотометрически (Spectrophotometer UV-1601PC Shimadzu, Япония) по величине оптической плотности при 665, 649 и 440 нм с последующим расчетом концентрации по формулам Вернона [7]. Количество амарантина в листьях амаранта определяли по методике [8].

Характеристики наночастиц диоксида титана (метод электровзрыва) и оксида алюминия (плазмохимический метод) верифицировали с помощью электронной микроскопии в проходящем свете на микроскопе «JEM-100CX2», методом динамического светорассеяния (dynamic light scattering - DLS) с помощью анализатора размеров диспергированных частиц «Zetasizer Nano ZS», методом БЭТ (прибор TriStar 3000) для измерения удельной поверхности и методом рентгеноструктурного анализа фазового состава и структурных характеристик (рентгеновский дифрактометр Shimadzu XRD-6000) [9].

Данные, полученные в ходе экспериментов, обрабатывались с помощью пакета Statistica for Windows, версия 6.0.

Результаты исследования и обсуждение

Как показали результаты измерений высоты у 21-дневных растений, замачивание семян и последующая однократная обработка растений суспензиями наночастиц оксидов титана и алюминия не оказали влияния на скорость роста растений фасоли и пшеницы на начальной стадии их развития по сравнению с контрольными растениями (табл. 1). У растений амаранта при воздействии суспензией наночастиц оксида алюминия наблюдалось замедление роста по сравнению не только с контрольными (на 20%), но и опытными растениями, обработанными наночастицами TiO₂ (на 15%). Более высокая токсичность наночастиц алюминия, наблюдаемая у амаранта в данном эксперименте, подтверждается исследованиями, в которых установлен ряд токсичности наночастиц металлов, в том числе и алюминия [5, 10].

Физиологические возможности растений определяются как структурной, так и биохимической организацией пигментного аппарата. Известно, что хлорофиллы a, b и каротиноиды играют ключевую роль в фотосинтетических процессах, а изменение их концентрации и соотношения в пигментном комплексе является индикатором экологического неблагополучия [11]. Поэтому были проведены исследования, связанные с изучением влияния наночастиц диоксида титана и оксида алюминияна содержание пигментовв листьях растений.

Таблица 1

Высота 21-дневных растений после первого опрыскивания их суспензией наночастиц, см

Примечание. Здесь и далее р - статистически значимые различия контрольного и опытного вариантов; р₁ - статистически значимые различия между опытными группами растений

У растений фасоли отсутствие изменений в содержании хлорофиллов под воздействием наночастиц диоксида титана сопровождалось достоверным, хотя и незначительным (всего на 6%), увеличением количества желтых пигментов. Однако обработка семян и вегетирующих растений суспензией наночастиц оксида алюминия не вызывала у фасоли отклонений в содержании хлорофиллов и каротиноидов от контрольных значений (табл. 2).

Таблица 2

Содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений фасоли, пшеницы и амаранта после комплексной обработки суспензиями наночастиц диоксида титана и оксида алюминия