Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Аккумуляция селена и его влияние на эпифитную микрофлору и продуктивность фасоли

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Аккумуляция селена и его влияние на эпифитную микрофлору и продуктивность фасоли"

На правах рукописи

005016726

Усубова Екатерина Зиядхановна

АККУМУЛЯЦИЯ СЕЛЕНА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЭПИФИТНУЮ МИКРОФЛОРУ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ФАСОЛИ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

з МАЙ 2012

Красноярск — 2012

005016726

Работа выполнена на кафедре химической технологии древесины и биотехнологии, кафедре физики в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» и лаборатории управления биосинтезом фототрофов Института биофизики СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, старший

научный сотрудник Виноградова Ирина Семеновна

Официальные оппоненты: Меняйло Лидия Николаевна

доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры товароведения и экспертизы

продовольственных товаров Красноярского государственный торгово-экономического института

Иванова Елена Анатольевна

доктор биологических наук, доцент, профессор кафедры водных и наземных экосистем Института фундаментальной биологии и биотехнологии Сибирского федерального университета

Ведущая организация: Институт общей и экспериментальной биологии

Сибирского отделения Российской академии наук

Защита состоится «18» мая 2012 г. в 14- часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.04 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90, Телефон (факс) 8(391)227-36-09

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «10» апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук, профессор

Г. А. Демиденко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из актуальных вопросов факториальной экологии является исследование микроэлементов не только в живых организмах, но и в компонентах экосистем в делом, в первую очередь в регионах, подверженных интенсивному антропогенному воздействию. Исследования биологической роли селена и его соединений, которые синтезируются растениями, позволили определить их важное значение для человеческого организма. Так как основная биохимическая функция селена -участие в построении антиоксидантного фермента и защита организма от действия свободных радикалов, то селенодефицит может вызвать ряд разнообразных заболеваний у человека (Голубкина, 2006). С дефицитом этого элемента связывают возникновение таких хронических заболеваний человека, как злокачественные новообразования, атеросклероз, гипертоническая болезнь, артриты, пародонтоз, катаракта (Сучков, 1978). В настоящее время интенсивно исследуется недостаточность селена в питании человека. Установлено, что органические соединения селена усваиваются лучше неорганических и не вызывают аллергических реакций, поэтому проводится поиск, синтез и исследования по использованию его органических форм (Торшин, 1995). Селен поступает в организм человека с продуктами животноводства и растениеводства. Наиболее перспективное направление - получение обогащенной селеном продукции растениеводства. Наиболее перспективными методами внесения в растения является замачивание семян, а также опрыскивание растений (Ревенский, 2008). Накопление селена растениями зависит не только от способности самих растений, но и от природы селен содержащих соединений (Давидчук, 2004). Поэтому необходимо использовать растения наиболее эффективные по накоплению элемента, кроме того, у которых повышается продуктивность при внесении селена.

Значительная роль в цикле селена в биосфере принадлежит микроорганизмам. Отмирая, растения дают почве разнообразные формы селена. Под влиянием климатических факторов и деятельности микроорганизмов происходит дальнейшая трансформация соединений селена (Решетник, 2000). Микроэлемент селен может играть значительную роль в процессах взаимодействия в системе растение — микроорганизмы. Фасоль относится к группе важнейших зернобобовых культур, имеющих большое продовольственное значение, и является источником растительных белков для человека.

Цель исследований: оценка влияния селена на систему «микроорганизм-растение» и выявление способности семян фасоли аккумулировать селен из водных растворов неорганических соединений.

Задачи исследований:

1. Исследовать особенности аккумуляции селена фасолью разных сортов, видов из неорганических соединений;

2. Изучить влияние селена на микробиоту семян и растений фасоли в разные стадии развития;

3. Выяснить изменения, происходящие под влиянием селена в антиоксидантной системе фасоли по активности ферментов каталазы и пероксидазы, и влияние селена на содержание пролина и хлорофилла в листьях фасоли;

4. Выявить действие селена на ростовые процессы и продуктивность фасоли.

Научная новизна работы. Впервые исследована способность семян фасоли аккумулировать селен из водных растворов неорганических соединений. Изучены особенности аккумуляции селена семенами разных видов и сортов фасоли. Получены новые данные о распределении селена в семенах фасоли. Впервые установлено влияние селена на эпифитную микрофлору семян и растений фасоли в разные стадии развития. Исследовано действие селена на антиоксидантную систему фасоли, поддерживающую перекисный гомеостаз, содержание пролина и хлорофилла в листьях фасоли. Полученный экспериментальный материал развивает представления о механизмах действия селена на биологические объекты: растения и микроорганизмы, а также его роль во взаимосвязи между колонизацией разных групп микроорганизмов и продуктивностью фасоли.

Практическая ценность работы. Установленные способы повышения продуктивности фасоли при обработке семян и растений селеном позволяют использование в практике овощеводства. Данные по аккумуляции селена, его распределении в семенах фасоли применимы при производстве биодобавок для оптимизации селенового статуса населения. Полученные в работе данные могут быть использованы в преподавании экологии и физиологии и биохимии растений, спецкурсах: «Основы минерального питания растений». Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аккумуляция селена семенами фасоли зависит от вида и сорта фасоли и используемого неорганического соединения;

2. При замачивании семян в водном растворе селенита натрия проявляется бактериостатическое действие селена на микробиоту семян и прикорневой зоны фасоли и микробиоту филлосферы при опрыскивании растений;

3. Обработка семян и растений фасоли селеном оказывает стимулирующее действие на продуктивность фасоли и физиологические показатели (содержание хлорофилла и пролина в листьях, активность антиоксидантной системы).

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на межрегиональной научно-практической конференции студентов и учащихся: «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы» (Красноярск, 2007); Российско-монгольских научных конференциях молодых ученых и студентов: «Алтай: экология и природопользование» (Бийск, 2008; 2009; 2011); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Интеллект 2008» (Красноярск, 2008); Всероссийской студенческой научной конференции: «Студенческая наука - взгляд в будущее» (Красноярск, 2009); Региональной научной конференции студентов «Проблемы

естествознания в третьем тысячелетии» (Красноярск, 2010); Международных научно-практических конференциях «Интеллект и наука» (Железногорск, 2010; 2011); Межрегиональной с международным участием научной конференции аспирантов и докторантов «Актуальные проблемы современной науки и пути их решения» (Красноярск, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из которых 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы. Работа содержит 23 таблицы, 38 рисунков. Список литературы включает 162 источника отечественных и зарубежных авторов.

Личный вклад автора. В работе представлены материалы исследований, полученные непосредственно автором. Закладка опытов, проведение анализов, наблюдения, учет, обработка, статистический анализ и интерпретация экспериментальных данных проведены автором лично.

Благодарности. Автор благодарит за ценные советы и содействие в работе доктора физико-математических наук, профессора И.С. Виноградову, доктора химических наук, профессора П.В. Миронова, доктора биологических наук, профессора JI.C. Тирранен, доктора химических наук, зав. лабораторией рентгеновских и спектральных методов анализа Института химии и химической технологии A.M. Жижаева.

Глава 1. Селен в биологическом цикле, его аккумуляция и влияние на организмы (обзор литературы).

В данной главе приводится аналитический обзор литературы о роли селена в организме растений, животных, человека и микроорганизмах, цикл селена в биосфере, особенности аккумуляции растениями и его влияние на физиологические процессы живых организмов.

Глава 2. Объекты, условия и методика проведения исследований

Объектом исследования являлись семена фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.) «Сакса без волокна 615», «Московская белая зеленостручковая 556», фасоли лимской (Phaseolus Lunatus L.) и вигны (Vigna unguiculata L.) «Черный глаз», а также растения фасоли сорта «Сакса без волокна 615». Использовали семена, поставляемые компаниями «Мистраль Трейдинг» и «Семена для Сибири».

Методики исследований:

Экологический мониторинг.

Лабораторные методики.

Для исследований по аккумуляции селена семена отбирали примерно одинакового размера и массы, замачивали в течение 24 ч в чашках Петри без фильтровальной бумаги в водных растворах соединений селена разных концентраций. В качестве исходных соединений селена использовали соли селеновой и селенистой кислот: селенит натрия Na2Se03 (безводн.), селенат

5

натрия Na2Se04 (безводн.), селенит аммония (NH4)2Se03-H20, селенат аммония (NIit)2Se04 (безводн.), тригидроселенит натрия ЫаНз(8еОз)2 (безводн.), селенит лития Li2Se03-H20. После замачивания семена отмывали, разделяли на части (семенная кожура, зародышевая ось, семядоли), высушивали в сушильном шкафу до постоянной массы при температуре 105 °С. Аккумулированный селен определяли рентгенофлуоресцентным анализом на спектрометре "Спектроскан" и на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) Agilent 7500а.

Методики полевого эксперимента

Площадь учётной делянки полевого опыта - 15 м2. В работе использовали почву чернозем обыкновенный суглинистый. Агрохимические показатели почвы: содержание гумуса (по Тюрину) - 7,3 %, общего азота (ГОСТ 26107-84) - 0,276 %, общего фосфора (ГОСТ 26261-84) - 0,268 %, общего калия (ГОСТ 26261-84) - 0,850 %, рНка = 7,1. Обработку и уход за растениями фасоли проводили в соответствии с общепринятой агротехникой, без внесения удобрений. Семена замачивали на 24 ч в воде и водном растворе селенита натрия с концентрацией Se 0,001% и высевали в почву с глубиной заделки 5 см. Перед цветением опытные растения опрыскивали водным раствором селенита натрия. Микробиоту прикорневой зоны растений фасоли сорта «Сакса без волокна 615» исследовали в стадии проростков, цветения и плодоношения методом посева в чашки Петри на элективные питательные среды. Для подсчета микроорганизмов жидких сред использовали метод предельных разведений по таблице Мак-Креди. В стадии проростков и плодоношения определяли некоторые физиологические показатели растений: содержание пролина (Bates et al., 1973), хлорофилла в листьях фасоли (Туманов и др., 2007), активность ферментов каталазы (Королюк и др., 1988) и пероксидазы (Чупахина, 2000). На стадии плодоношения измеряли массу семян контрольных и опытных растений, корней, листьев, проводили измерения длины стеблей и корней растений. В таблицах и рисунках представлены средние данные из 3-10 биологических повторностей и их стандартные ошибки. Результаты исследований обработаны статистически по Лакину (1990), используя критерий Стьюдента. Обработку данных проводили с помощью программы Excel пакета Microsoft Office.

Глава 3. Особенности аккумуляции селена растениями фасоли и влияние на микробиоту и продуктивность фасоли

3.1. Аккумуляция селена фасолью

Для определения концентраций селена, которые допустимо использовать для обогащения семян фасоли, семена предварительно проращивали, замачивая на 24 ч в водных растворах селенита натрия с концентрацией селена 0,1 %, 0,01 %, 0,001 %. Семена, которые замачивали в течение 24 ч в растворах с концентрацией селена 0,1 % и 0,01 % теряли способность к прорастанию, при использовании концентрации селена 0,001 % семена прорастали. Содержание селена в семенах при замачивании в течение 24 ч в водных растворах

б

неорганических соединений селена определяли рентгенофлуоресцентным анализом (таблица 1).

Таблица 1 - Содержание селена в семенах фасоли (мкг/г сухой массы), обработанных в разных концентрациях селена в течение 24 ч

Концентрация соединений селена Лимская «Сакса без волокна 615» «Московская белая зеленостручковая 556» «Чёрный глаз»

0,001% Бе С^БеСЬ) 5,64 ± 0,37 4,03 ± 0,45 8,32 ±1,92 10,55 ±2,12

0,001% Бе (НаЩЗеОзЪ) 2,41 ± 0,03 1,43 ±0,19 7,66 ± 0,06 6,59 ± 0,65

0,01% Бе СЧа^еОз) 12,26 ±2,32 6,16 ±0,35 11,37 ± 1,23 24,52 ±3,31

0,01% Эе ДОаЩЭеОзЬ) 11,65 ±0,50 4,51 ± 0,41 10,43 ±0,67 13,88 ±2,12

0,1% Бе (КагБеОз) 86,97 ± 4,94 22,41 ±3,57 261,14 ±9,52 401,40 ± 13,73

0.1% Бе (ШЩБеОзЪ) 56,99 ± 5,52 15,56 ±3,72 109,68 ±7,13 373,10 ± 11,56

"Приведены средние значение при п =3 (М±а)

Из таблицы видно, что селен из раствора селенита натрия поступает в семена фасоли в большем количестве, чем тригидроселенит натрия. Вероятно, этот факт связан с тем, что тригидроселенит является кислой солью. В условиях высокой селеновой нагрузки, лучшей аккумулирующей способностью обладает фасоль «Черный глаз». У семян фасоли сорта «Сакса без волокна 615» незначительно изменяется способность аккумулировать селен: при высокой концентрации селена (0,1 %) в виде селенита натрия содержание селена увеличилось в 5,5 раз в сравнении с низкой концентрацией (0,001 %), тогда как в фасоли «Черный глаз» содержание селена увеличилось в 35 раз. Как и с использованием селенита натрия, так и тригидроселенита, лучшей аккумулирующей способностью обладает «Черный глаз». Меньше накапливает селен «Сакса без волокна 615». Лимская и «Московская белая зеленостручковая 556» занимают промежуточное положение по аккумуляции селена. Селен из водных растворов неорганических соединений поглощается неодинаково семенами в пределах одного вида растений. Перспективнее использовать для обогащения фасоль, относящуюся к виду вигна «Черный глаз». Однако, растения фасоли «Черный глаз» требовательны к теплу, что затрудняет выращивание в условиях Сибири. Возникает необходимость использования других сортов фасоли. Распределение селена в частях семени фасоли определяли на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой и установили, что селен концентрируется в определенных частях семени фасоли (таблица 2).

Таблица 2 - Содержание селена в разных частях семени фасоли при обогащении в течение 24 ч раствором селенита натрия с концентрацией селена 0,001 % (мкг/г сухой массы)

Часть семени «Сакса без волокна 615» Лимская «Московская белая зеленостручковая 556» «Чёрный глаз»

Семенная кожура 4,15± 0,37 8,72±0,53 9,60±0,06 24,59±2.12

Семядоли 1,00±0,06 5,81±0,77 5,51±0,08 9,62±0,73

Зародышевая ось 3,09±0,65 12,82±0,76 11,12±0,66 13,28±1,32

'Приведены средние значение при п =3 (М±а)

Из таблицы видно, что при обогащении семян фасоли селеном большая часть его аккумулируется в семенной кожуре и зародышевой оси семени. Наибольшей аккумулирующей способностью обладает «Черный глаз». «Черный глаз» относится к виду Vigna unguiculata, который впитывает воду при замачивании в большем количестве. Фасоль лимская и «Московская белая зеленостручковая 556» отличаются средними показателями по аккумуляции селена. Семена лимской фасоли (Phaseohis lunatus) отличаются сравнительно большой массой (до 2 г), в сравнении с другими сортами фасоли и требует большего времени для накопления селена. «Московская белая зеленостручковая 556» и «Сакса без волокна 615» относятся к одному виду фасоли (Phaseolus vulgaris). Способность аккумулировать селен различна как в разных родах семейства Бобовые, видах фасоли, является сортовой особенностью. Селен распределяется в семенах фасоли неравномерно, большая часть его сосредотачивается в семенной кожуре и зародыше.

В литературных данных в качестве источника селена чаще всего используют селенит натрия, однако, селенистая кислота образует несколько рядов солей с щелочными металлами. Нами были использованы в качестве источника селена основные и кислые соли селеновой и селенистой кислот с разными катионами. Установлено, что селен из водных растворов его неорганических соединений в семена поступает и распределяется в неодинаковом количестве.

В качестве источника селена наиболее эффективно использовать селенит натрия Na2Se03 (безводн.) и селенит лития ОгБеОз-НгО, хуже всего селен поступает в семена из водного раствора селената аммония (NH4)2Se04. Эти данные представлены на диаграмме (Рисунок 1). Селен, поступивший в семена фасоли сорта «Сакса без волокна 615», распределяется неравномерно. Большая его часть аккумулируется в семенной кожуре. Наибольшее количество селена поступает в семенную кожуру из водного раствора селенита натрия и лития, наименьшее — из раствора селената натрия. Значительно меньше селен аккумулируется в зародышевой оси. Для повышения содержания селена в этой части семени эффективнее использовать селенит натрия. В семядолях селен аккумулируется меньше в 4-10 раз, чем в семенной оболочке. Но и в этой части семени селен из селенита натрия поступает в наибольшем количестве по сравнению с остальными соединениями селена.

Семенная кожура Семядоли Зародышевая ось

Части семени

I Е^аМеОЗ ГО!ч'а2ве04 аЦ25еОЗ ■ ИаНЗ(.ЧеОЗ)2 П(Ш4)25е04В^Н4)25|0^

Рисунок 1 - Содержание селена в разных частях семян фасоли сорта «Сакса без волокна 615» из водных растворов его неорганических соединений

Эффективно поступает селенит аммония и лития. Значительно хуже селен накапливается в зародышевой оси и семядолях при использовании водного раствора селената аммония. Можно сделать вывод о том, что 8е4+ эффективнее использовать для обогащения семян селеном, чем Бе6". Соли, образованные катионами натрия, эффективнее использовать в качестве источников селена. Использование кислых солей затрудняет поступление селена в семена.

В семенах фасоли сорта «Сакса без волокна 615» белка содержится 20,6 %. Концентрация селена в белковых соединениях составляет 1,63 мкг/ г сухой массы семян.

Различия в аккумуляции селена разными частями семени также можно объяснить тем, что питательные вещества сосредоточены в основном в семядолях бобовых, а семенная оболочка содержит более 80 % некрахмальных полисахаридов (целлюлозы, гемицеллюлозы и пектиновых веществ) - пищевых волокон. Натичие у пищевых волокон гидроксильных и карбоксильных групп способствует, кроме гидратации, ионообменному набуханию, что способствует накоплению селена. Однако, селен в семенной оболочке неактивен и в период прорастания семени выводится из биологического цикла (Голубкина, Голубев и др., 2003).

Для обогащения семян фасоли сорта «Сакса без волокна 615» наиболее эффективнее использовать селенит натрия №28еОз, который в наибольшей степени поступает во все части семени фасоли. Однако, селен аккумулируется в большом количестве в семенной оболочке семян фасоли. Перспективным направлением является обогащение селеном зародышевой оси семян фасоли, так как поступивший в нее микроэлемент участвует в биологическом цикле.

3.2. Влияние селена на микробноту фасоли

Одним из вопросов современной науки является вопрос о взаимодействии микроорганизмов с высшими растениями, которое обеспечивает регуляцию физиологических процессов, упорядоченность развития организмов, способность их к адаптации в меняющихся условиях. В задачи исследования входило изучение влияние селена на микробиоту растений фасоли сорта «Сакса без волокна 615». Установлено, что на семенах, замоченных в течение 24 ч в водном растворе селенита натрия с концентрацией селена 0,001 %, происходит снижение численности микроорганизмов (рисунок 2). Количество микроорганизмов измеряли в колониеобразующих единицах (КОЕ) на 1 г сухой массы. Из диаграммы видно, что обработка семян водньм раствором селенита натрия с концентрацией селена 0,001 % оказывает бактериостатический эффект, что можно объяснить чувствительностью бактерий к используемой концентрации селена.

Общее количество Бактерии группы Аэробные аэробных бактерий кишечной палочки азотфиксаторы

Рисунок 2 - Соотношение бактерий группы кишечной палочки, аэробных бактерий, усваивающих органический азот, и аэробных азотфиксаторов на контрольных и обработанных селеном семенах фасоли сорта «Сакса без волокна 615».

Споровых бактерий в стадии спор не обнаружено. На рисунке 3 представлен численный состав микробиоты прикорневой зоны контрольных и обработанных селеном растений фасоли сорта «Сакса без волокна 615» в стадии проростков, цветения и плодоношения. Из графиков видно, что численность микроорганизмов прикорневой зоны как контрольных, так и опытных растений в разные стадии развития различается. Изменений в численности бактерий, использующих минеральные формы азота, прикорневой зоны фасоли контрольных и опытных растений не отмечено, что показывает устойчивость группы бактерий к используемой концентрации селена (0,001 % раствор) для обработки растений. Бактерии, усваивающие органический азот, более чувствительны к действию селена, что отражается в снижении численности в фазе проростков.

Общее количество аэробных бактерий, усваивающих органический азот

КОНТРОЛЬ

опыт

Я о

о К о

«V

2

о е >»4 - и

1-,

§ -"1 _ м -

О

и ^04

Бактерии, использующие минеральные формы азота

Споровые бактерии в стадш спор

—•— контроль — «--опыт

Аэробные азотфнксаторы

§ Р

н гг-

к

¡3 й

о

'Л ¿<5

Анаэробгше азотфнксаторы

3 Г

2.5 \

1.5 -

1

0.5 -

0

—•— контроль -* — опыт

0.8

Щ 0.6

2 2

а ы

ь

§ Ч

И Ьй

0.4 -

Дешприфнкатортл истинные

К г

- контроль! —— опыт I

к..

___

г с § °

е &

£ и й -

I щ

о О

30 25 20 15 10

Дешггрнфпкаторы косвенные

- контроль | |

-одет_1

Рисунок 3 - Численный состав микробиоты прикорневой зоны контрольных и обработанных селеном растений фасоли сорта «Сакса без волокна 615» в стадии: 1 - проростков, 2 - цветения, 3 - плодоношения

С развитием растений происходит снижение численности споровых бактерий в стадии спор, что можно объяснить тем, что они переходят в вегетативное состояние из спорового. Вместе с тем, отмечено бактериостатическое действие селена на споровые бактерии в стадии спор, которое в наибольшей степени проявилось в стадии проростков. Численность анаэробных азотфиксаторов на прикорневой зоне обработанных селеном растений во всех стадиях развития ниже, чем в прикорневой зоне контрольных растений. Численность аэробных азотфиксаторов прикорневой зоны фасоли на начальных этапах развития растений фасоли снижена, а в стадии плодоношения преобладает по количеству аэробных азотфиксаторов прикорневой зоны контрольных растений.

По отношению к селену анаэробные азотфиксаторы являются более чувствительными, чем аэробные. Аэробные азотфиксаторы адаптировались в условиях присутствия этого микроэлемента. Численность истинных денитрификаторов прикорневой зоны обработанных селеном растений фасоли ниже, чем контрольных растений, что говорит о том, что обработка семян фасоли селеном оказывает бактериостатический эффект на эту группу бактерий. Косвенные денитрификаторы более толерантны к присутствию селена, при этом, в стадии плодоношения в прикорневой зоне обработанных селеном растений численность косвенных денитрификаторов выше, чем в прикорневой зоне контрольных растений. Следовательно, селен способен оказывать стимулирующий эффект на численность бактерий.

При замачивании семян фасоли в водном растворе селенита натрия на 24 ч, происходит изменение численности микроорганизмов прикорневой зоны фасоли и их соотношения. Наибольшее влияние селена достигается в стадии проростков, где выражен его бактериостатический, ингибирующий эффект на микробиоту прикорневой зоны. С развитием растений проявление этого эффекта снижается. В стадии проростков используемая концентрация селена оказывает бактериостатическое действие на микрофлору прикорневой зоны фасоли сорта «Сакса без волокна 615», что отражается на численности большинства индикаторных групп микроорганизмов. Это может быть связано, с воздействием селена на физиолого-биохимические процессы растений фасоли, что, несомненно, отражается на численности микроорганизмов. Численный состав микробиоты филлосферы контрольных и опытных растений фасоли сорта «Сакса без волокна 615» представлен в таблице 3.

Из таблицы видно, что на филлосфере обработанных селеном проростков фасоли достоверно снижается численность аэробных бактерий, усваивающих органический азот и использующих минеральные формы азота (р < 0,01), бактерий группы кишечной палочки (р <0,01), споровых бактерий в стадии спор (р < 0,01) и микроскопических грибов (р <0,05). В стадии цветения в филлосфере обработанных селеном растений фасоли, в сравнении с контрольными растениями, численность бактерий, усваивающих органический азот, ниже на 34 %, численность бактерий группы кишечной палочки ниже на 63 %, бактерий, использующих минеральные формы азота, ниже на 18 %.

Таблица 3 - Численный состав микробиоты филлосферы контрольных и обработанных селеном растений фасоли сорта «Сакса без волокна 615» (число КОЕ/г сухой массы)

Варианты Бактерии, усваивающие органический азот, 1 • 10 6 Бактерии группы кишечной палочки, 1- 105 Споровые бактерии в стадии спор, 1- 104 Микроскопиче ские грибы, 1- 105

Проростки контроль 1,25 ±0,19 0,22 ± 0,29 3,40± 0,07 0,20 ±0,01

обработка 0,001 % раствором селена 1,15 ±0,15 0,22 ±0,04 4,02 ± 0,2 0,21 ± 0,04

^разности 0,42 1,29 2,07 1,27

Цветение контроль 2,12 ±0,03 2,95 ± 0,18 0,54 ± 0,01 1,11 ±0,06

обработка 0,001 % раствором селена 1,40 ±0,14 1,08 ± 0,13 0,32 ± 0,03 0,64±0,02

^разности 5,41 8,37 6,88 6,33

Плодоношение контроль 24,9 ± 1,49 23,9 ± 1,73 0,6 ± 0,05 8,42 ±0,13

обработка 0,001 % раствором селена 10,9 ±0,84 0,77 ±0,1 0,17 ±0,01 4,17 ±0,9

{разностн 8,23 13,35 8,43 26,8

* 1рщшхггадостоверно при ^„„«^>Iя дляр <0,05 15 = 2,78; дляр <0,0115 = 4,60; дляр <0,001 г5 = 8,61

Отмечено снижение численности на 41 % споровых бактерий в стадии спор в филлосфере обработанных селеном растений фасоли в стадии цветения, по сравнению с филлосферой контрольных растений. В фазе плодоношения численность бактерий, усваивающих органический азот, в филлосфере обработанных селеном растений снижается на 56 %, в сравнении с контрольными растениями, бактерий группы кишечной палочки ниже на 97 %, а микроскопических грибов на 50 %. Данные показывают, что эти группы микроорганизмов обладают высокой чувствительностью к микроэлементу селену. Эффект можно объяснить тем, что перед цветением фасоли растения опрыскивали водным раствором селенита натрия с концентрацией селена 0,001 %. Селен оказал бактериостатическое действие на микробиоту филлосферы фасоли,

3. 3. Влияние селена на физиологические процессы и продуктивность

фасоли

Важное место в устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды занимает антиоксидантная система, нейтрализующая активные формы кислорода и сохраняющая структурно-функциональное состояние клеточных мембран, так, ферменты каталаза и пероксидаза поддерживают перекисный гомеостаз. На рисунке 4 показаны данные по

влиянию селена на активность фермента каталазы (мкат/л) и пероксидазы (отн.ед./г сырой массы).

8000 -|

I

1 6000 1

й й 4000 -||

| 2000 :

0 4-

Контроль Обработка 5е

о «

§• а

£ ё < ^

160 ! 140 120 100 80 60 40 20

Контроль Обработка Бе

Рисунок 4 - Активность каталазы (мкат/л) и пероксидазы (отн.ед./г сырой массы) в листьях контрольных и обработанных селеном растений фасоли в стадии плодоношения

Из диаграмм следует увеличение активности каталазы в листьях опытных растений фасоли по сравнению с контрольными на 35,6 % и увеличение активности пероксидазы на 30,8 %. Эти показатели можно объяснить резкими изменениями температурных условий в период плодоношения растений. Повышение активности ферментов антиоксидантной системы связано с защитной функцией селена в растениях. Экспериментально полученные данные об активации ферментов антиоксидантной системы растений фасоли под действием селена позволяют предположить, что обработка растений фасоли селеном способна активировать работу ферментов световой стадии биосинтеза, следовательно, стимуляции образования хлорофилла в растениях. Установлено, что обработка семян и растений фасоли сорта «Сакса» водным раствором селенита натрия с концентрацией селена 0,001 % влияет на содержание хлорофилла в листьях. Данные по влиянию селена на содержание хлорофилла в листьях фасоли представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Влияние селена на содержание хлорофилла в листьях растений фасоли сорта «Сакса без волокна 615» (мг/ г сырой массы)

Варианты Проростки Плодоношение

хлорофилл а хлорофилл Ь хлорофилл а хлорофилл Ь

Контроль 0,60±0,06 0,82±0,08 0,51±0,02 0,76±0,03

Обработка 0,001 % раствором селена 0,56±0,01 0,82±0,02 0,79±0,01 1,36±0,06

Обработка семян раствором селенита натрия с концентрацией селена 0,001 % приводит к изменению содержания хлорофилла в листьях фасоли. На стадии плодоношения селен повышает содержание хлорофилла а в листьях фасоли на

54,9 % по сравнению с контрольными растениями, а хлорофилла Ь — на 80 % по сравнению с контрольными растениями. Известно, что селен участвует в реакциях образования хлорофилла. Регуляторная роль заключается во взаимодействии с сульфгидрильными группами, содержащимися в ключевых ферментах синтеза хлорофилла (Санькова, 2001). Пролин является участником антиоксидантной системы растений. Данные об изменении под действием селена содержания в листьях фасоли ферментов каталазы и пероксидазк, участвующих в поддержании перекисного гомеостаза, позволяют предположить изменения в содержании пролина в растительных организмах при обработке их селеном. Установлено, что действие селена распространяется на изменение в содержание аминокислоты пролина в листьях фасоли сорта «Сакса без волокна 615». Содержание пролина в листьях фасоли отражено в таблице 5.

Таблица 5 - Влияние селена на содержание пролина в листьях фасоли сорта «Сакса без волокна 615» (мкмоль/г сырой массы)

Варианты Проростки Плодоношение

Контроль 1,01±0,05 1,65±0.08

Обработка 0,001 % раствором селена 0,77±0,04 2,02±0,10

Из таблицы 5 видно, что в проростках опытных растений фасоли содержание пролина снижено на 31 % по сравнению с контрольными проростками, а в стадию плодоношения повышается на 22,4 % по сравнению с контрольными растениями. Пролин - универсальный осморегулятор, являющийся участником защитных процессов растений. На стадии плодоношения установлено, что селен влияет на продуктивность растений фасоли. Средние данные измерений 10-ти растений отражены в таблице 6.

Таблица 6 - Влияние селена на продуктивность фасоли сорта «Сакса без волокна 615»

Измеряемые параметры Контроль Обработка 0,001 % раствором селена

Длина корня, см 22,4±3,5 23,9±3,7

Масса корневой системы, г 2,7±0,3 3,6±0,3

Длина стебля, см 54,4±6,5 55,4±8,1

Масса листьев, г 30Д±4,3 47,7±4,2

Масса стебля, г 35,0±3,5 4б,7±5,1

Масса семян, г 36,9±2,4 47,3±3,6

Из таблицы 6 видно, что обработка семян селеном и опрыскивание в стадию бутонизации растений фасоли увеличивает биомассу семян на 28,2 %, биомассу листьев на 58,5 % (при доверительной вероятности 95 %). Воздействие селеном на растения фасоли привело к изменениям эпифитной

микрофлоры и физиологических процессов, что отражается на продуктивности растений.

Содержания селена в выращенных семенах фасоли составляло 560 мкг/кг. Так как суточная потребность человека составляет 50 мкг селена, то семена фасоли можно использовать при селенодефиците.

Полученные научные данные применимы при выращивании растений фасоли сорта «Сакса без волокна 615» для повышения ее продуктивности и использования в качестве источника микроэлемента в более доступной для человека форме.

Выводы

1. Семена фасоли разных видов и сортов обладают разной аккумулирующей способностью. В большей степени селен аккумулирует фасоль «Черный глаз». Фасоль лимская и «Московская белая» обладают средними показателями по аккумуляции селена, меньшей способностью накапливать селен обладает сорт фасоли «Сакса без волокна 615».

2. При обогащении семян фасоли сорта «Сакса без волокна 615» из водных растворов разных неорганических соединений селен накапливается в большем количестве при использовании селенитов, чем селенатов. Для обогащения семян фасоли сорта «Сакса без волокна 615» эффективнее использовать селенит натрия. В основном, селен накапливается в семенной кожуре и зародышевой оси семени, в значительно меньшем количестве в семядолях.

3. При замачивании семян фасоли сорта «Сакса без волокна 615» на 24 часа в водном растворе селенита натрия с концентрацией селена 0,001 %, проявляется бактериостатическое действие селена на микрофлору семян и прикорневой зоны проростков фасоли. Опрыскивание водным раствором селенита натрия с концентрацией селена 0,001 % перед цветением растений оказывает бактериостатический эффект на микрофлору филлосферы фасоли сорта «Сакса без волокна 615» в стадии цветения и плодоношения.

4. Обработка семян и растений фасоли сорта «Сакса без волокна 615» водным раствором селенита натрия с концентрацией селена 0,001% активизирует фотосинтетическую деятельность, содержание пролина в листьях и работу антиоксидантной системы растений фасоли.

5. Обогащение растений фасоли селеном повышает биомассу семян фасоли на 28,2 % и биомассу листьев на 58,5 %. Выращенные семена фасоли обогащены селеном (560 мкг/кг) и могут быть использованы для оптимизации селенового статуса населения.

Практические рекомендации:

1. ГНУ СибНИИП СО Россельхозакадемии рекомендуем использовать полученные данные при разработке функциональных продуктов питания, обогащенных селеном и обладающих антиоксидантными свойствами.

2. ГНУ СибНИИЗиХ Россельхозакадемии целесообразно использовать полученные результаты исследований при создании комплекса агротехнических приемов по выращиванию сельскохозяйственной продукции растениеводства.

3. Результаты исследования рекомендуем использовать в учебном процессе института агроэкологических технологий ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» при подготовке бакалаврских и магистерских работ.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Усубова, Е.З. Сортовые особенности действия селенита натрия на растения фасоли и яровой пшеницы / Е.З. Усубова, И.С. Виноградова, Т.К. Захарова // Вестник КрасГАУ. - Красноярск. - 2010. - Вып.9. - С. 40 -45.

2. Усубова, Е.З. Эффективность использования неорганических соединений селена при обогащении семян фасоли (Phaseoliis vulgaris L.) сорта «Сакса» / Е.З.Усубова, И.С. Виноградова, П.В. Миронов // Вестник КрасГАУ. - Красноярск. - 2011. - Вып.11. - С. 204 - 207.

3. Ушанов, C.B. Изучение динамики набухания семян фасоли сорта «Сакса» (Phaseolus vulgaris L.) методами математико-статистического анализа данных / C.B. Ушанов, Е.З. Усубова // Вестник КГПУ. - Красноярск. -2011. - Вып. 4 (18). - С. 292 - 294.

4. Усубова, Е.З. Влияние селена на физиологические показатели и продуктивность фасоли сорта «Сакса» (Phaseolus vulgaris L.) / Е.З. Усубова, A.M. Жижаев, П.В. Миронов // Фундаментальные исследования. - Москва. - 2012. - Вып. 3 (2). - С. 257 - 260.

5. Усубова, Е.З. Влияние селена на микробиоту прикорневой зоны фасоли сорта «Сакса без волокна 615» (Phaseolus vulgaris L.) I Е.З. Усубова, Л.С. Тирранен // Вестник КрасГАУ. - Красноярск. - 2012, - Вып. 3. - С. 140 -144.

Научные статьи и материалы:

1. Усубова, Е.З. Исследование биологической активности селена на

проростках пшеницы / Е.З. Усубова, Т.К. Захарова, И.С. Виноградова // Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы: мат-лы межрег. науч. - практ конф. студентов и учащихся / Сибир. гос. технол. ун-т. - Красноярск, 2007. - С. 271-274.

2. Усубова, Е.З. Изучение влияния селенита натрия на развитие фасоли /

Е.З. Усубова // Интеллект 2008: Сб. мат-лов Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. В 2-х частях. Часть II / Сост.: Сувейзда В.В.; КРО НС «Интеграция». - Красноярск, 2008. - С. 189 -192.

3. Усубова, Е.З. Изучение влияния селенита натрия на рост и развитие фасоли / Е.З. Усубова, Т.К. Захарова, И.С. Виноградова // Алтай: экология и природопользование: тр. VIII рос.-монг. науч. конф. молодых ученых и студентов / Бийский гос. пед. ун-т. - Бийск, 2009. - С. 164 — 169.

4. Усубова, Е.З. Сортовые особенности аккумуляции селена фасолью / Е.З. Усубова, И.С. Виноградова, П.В. Миронов // Проблемы естествознания в третьем тысячелетии: Сб. мат-лов Регион, науч. конф. студентов / Краснояр. гос. торг.-экон. ин-т. - Красноярск, 2010. - С. 279 - 283.

5. Усубова, Е.З. Влияние селена на состав эпифитной микрофлоры семян фасоли сорта «Сакса» / Е.З. Усубова, И.С. Виноградова // Актуальные проблемы современной науки и пути их решения: мат-лы межрег. с междун. участием науч. конф. аспирантов и докторантов / Краснояр. гос. торг.-экон. ин-т. - Красноярск, 2010. - С. 209 - 212.

6. Усубова, Е.З. Распределение селена в семенах фасоли при её обогащении селенитом натрия / И.С. Виноградова, П.В. Миронов, A.M. Жижаев // Интеллект и наука: тр. XI Междун. науч.-практ. конф. / Центр информации. - Красноярск, 2011. - С. 235 - 238.

7. Усубова, Е.З. Особенности аккумуляции и распределения селена в семенах фасоли / Е.З. Усубова /У Алтай: экология и природопользование: тр. X рос.-монг. науч. конф. молодых ученых и студентов / Бийский гос. пед. ун-т. - Бийск, 2011. - С. 153 - 158.

Подписано в печать 09.04.2012. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Изд. № 5/3. Заказ № 1449. Тираж 100 экз.

Редащионно-издателъский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82 факс (391) 211-97-25, тел. (391) 227-69-91

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Усубова, Екатерина Зиядхановна, Красноярск

61 12-3/1117

ФГБОУ ВПО «СИБИРСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

УСУБОВА ЕКАТЕРИНА ЗИЯДХАНОВНА

АККУМУЛЯЦИЯ СЕЛЕНА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЭПИФИТНУЮ МИКРОФЛОРУ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ФАСОЛИ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Виноградова И.С.

Красноярск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Значение селена для животных и человека.................................8

1.2. Аккумуляция селена растениями и способы их обогащения

1.2.1. Факторы, влияющие на аккумуляцию селена растениями...................................................................12

1.2.2. Способы обогащения растений селеном.......................17

1.2.3 .Метаболизм селена в растениях..................................22

1.2.4. Распределение селена в растениях................................25

1.2.5. Методы определения содержания селена

в растениях...................................................................27

1.3. Роль микроорганизмов в цикле селена в биосфере........................29

1.4. Влияние селена на физиологические процессы растений

1.4.1. Действие селена на фотосинтетическую

деятельность...................................................................31

1.4.2.Регуляция селеном работы антиоксидантной

и гормональной системы растений......................................33

1.4.3.Эффект селена на продуктивность и

ростовые процессы растений...............................................34

1.5. Биологические особенности фасоли..........................................37

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объекты исследования..................................................39

2.2. Условия проведения эксперимента...................................40

2.3. Методики исследования................................................43

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Аккумуляция селена семенами фасоли

3.1.1. Аккумуляция селена семенами фасоли разных

видов и сортов................................................................48

3.1.2. Эффективность использования неорганических соединений селена для обогащения семян фасоли....................55

3.2. Влияние селена на эпифитную микрофлору фасоли

3.2.1. Действие селена на микрофлору семян

фасоли..........................................................................64

3.2.2.Влияние селена на микробиоту прикорневой зоны растений фасоли.............................................................67

3.2.3.Действие селена на микробиоту филлосферы

растений фасоли.............................................................83

3.3. Влияние селена на физиологические процессы и продуктивность растений фасоли

3.3.1. Регуляция селеном системы поддержания перекисного гомеостаза фасоли.........................................94

3.3.2.Влияние селена на содержание хлорофилла

в листьях фасоли............................................................95

3.3.3. Эффект селена на содержание пролина

в листьях фасоли............................................................96

3.3.4. Действие селена на продуктивность фасоли...................97

ВЫВОДЫ...............................................................................100

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................102

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Одним из актуальных вопросов факториальной экологии является исследование микроэлементов не только в живых организмах, но и в компонентах экосистем в целом, в первую очередь в регионах, подверженных интенсивному антропогенному воздействию. Исследования биологической роли селена позволили определить первостепенное значение для человеческого организма его соединений, синтезируемых растениями (Голубкина, 2006). Так как основная биохимическая функция селена - участие в построении антиоксидантного фермента (глутатионпероксидазы) и защита организма от действия свободных радикалов, то селенодефицит может вызвать ряд разнообразных заболеваний у человека (Торшин, 2000). С дефицитом этого элемента связывают возникновение таких хронических заболеваний человека, как злокачественные новообразования, атеросклероз, гипертоническая болезнь, артриты, пародонтоз, катаракта, поэтому интенсивно исследуется недостаточность селена в питании человека (Сучков, 1978). Согласно данным Института питания, дефицит селена отмечен более чем у 90 % населения России (Голубкина, 1998). Установлено, что органические соединения селена усваиваются лучше неорганических и не вызывают аллергических реакций, поэтому проводится поиск, синтез и исследования по использованию органических соединений селена (Торшин, 1995). Селен поступает в организм человека с продуктами животноводства и растениеводства. Наиболее перспективное направление - получение обогащенной селеном продукции растениеводства. Одним из методов внесения селена является замачивание семян, а также опрыскивание растений (Ревенский, 2008). Накопление селена растениями зависит не только от способности самих растений, но и от природы селен содержащих соединений (Давидчук, 2004). Поэтому необходимо использовать соединения селена наиболее эффективные по накоплению

элемента, кроме того, у которых повышается продуктивность при внесении

4

селена. Цикл селена в биосфере осуществляется организмами, причём значительная роль принадлежит микроорганизмам (Решетник, 2000). Отмирая, растения дают почве разнообразные формы селена. Под влиянием климатических факторов и деятельности микроорганизмов происходит дальнейшая трансформация соединений селена. При изменениях окружающей среды микроорганизмы реагируют быстрее, чем другие организмы. Микроэлемент селен может играть значительную роль в процессах взаимодействия в системе растение - микроорганизмы. Фасоль относится к группе важнейших зернобобовых культур, имеющих большое продовольственное значение, и является источником растительных белков для человека.

Цель исследований: оценка влияния селена на систему «микроорганизм-растение» и выявление способности семян фасоли аккумулировать селен из водных растворов неорганических соединений. Задачи исследований:

1. Исследовать особенности аккумуляции селена фасолью разных сортов, видов из неорганических соединений;

2. Изучить влияние селена на микробиоту семян и растений фасоли в разные стадии развития;

3. Выяснить изменения, происходящие под влиянием селена в антиоксидантной системе фасоли по активности ферментов каталазы и пероксидазы, и влияние селена на содержание пролина и хлорофилла в листьях фасоли;

4. Выявить действие селена на ростовые процессы и продуктивность фасоли.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аккумуляция селена семенами фасоли зависит от вида и сорта фасоли и используемого неорганического соединения;

2. При замачивании семян в водном растворе селенита натрия проявляется бактериостатическое действие селена на микробиоту семян и прикорневой зоны фасоли и микробиоту филлосферы при опрыскивании растений;

3. Обработка семян и растений фасоли селеном оказывает стимулирующее действие на продуктивность фасоли и физиологические показатели (содержание хлорофилла и пролина в листьях, активность антиоксидантной системы).

Научная новизна работы. Впервые исследована способность семян фасоли аккумулировать селен из водных растворов неорганических соединений. Изучены сортовые особенности аккумуляции селена фасолью. Получены новые данные о распределении селена в семенах фасоли. Впервые установлено влияние селена на эпифитную микрофлору семян и растений фасоли в разные фазы развития. Исследовано действие селена на антиоксидантную систему фасоли, поддерживающую перекисный гомеостаз, содержание пролина и хлорофилла в листьях фасоли. Полученный экспериментальный материал развивает представления о механизмах действия селена на биологические объекты: растения и микроорганизмы, а также его роль во взаимосвязи между колонизацией разных групп микроорганизмов и продуктивностью фасоли.

Практическая ценность работы. Установленные закономерности о повышении продуктивности фасоли при обработке семян и растений селеном позволяют использование их в практике овощеводства. Данные по аккумуляции селена, его распределении в семенах фасоли применимы при производстве биодобавок для оптимизации селенового статуса населения. Полученные в работе данные могут быть использованы в преподавании экологии, физиологии и биохимии растений, спецкурсах: «Основы минерального питания растений».

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на межрегиональной научно-практической конференции студентов и учащихся:

«Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы» (Красноярск, 2007); Российско-монгольских научных конференциях молодых ученых и студентов: «Алтай: экология и природопользование» (Бийск, 2008; 2009; 2011); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Интеллект 2008» (Красноярск, 2008); Всероссийской студенческой научной конференции: «Студенческая наука - взгляд в будущее» (Красноярск, 2009); Региональной научной конференции студентов «Проблемы естествознания в третьем тысячелетии» (Красноярск, 2010); Международных научно-практических конференциях «Интеллект и наука» (Железногорск, 2010; 2011); Межрегиональной с международным участием научной конференции аспирантов и докторантов «Актуальные проблемы современной науки и пути их решения» (Красноярск, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из которых пять в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы. Работа содержит 23 таблицы, 38 рисунков. Список литературы включает 162 источника отечественных и зарубежных авторов.

Личный вклад автора. В работе представлены материалы исследований, полученные непосредственно автором; закладка опытов, проведение анализов, наблюдения, учет, обработка и статистический анализ экспериментальных данных. Автор благодарит за ценные советы и содействие в работе доктора физико-математических наук, профессора Виноградову И.С., доктора химических наук, профессора Миронова П.В., доктора биологических наук, профессора Тирранен JI.C, доктора химических наук, зав. лабораторией рентгеновских и спектральных методов анализа Института химии и химической технологии СО РАН Жижаева A.M.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Значение селена для животных и человека

Селен - необходимый биоэлемент. В организме взрослого человека в норме содержится 15-20 мг селена, суточная потребность в нём составляет 50 -200 мкг. Физиологическая концентрация селена в крови людей - 160-240, в плазме 70-150, в сыворотке 63-109, в моче 35-50 мкг/л (Yoshizawa, Willent, Morris et al., 1998). Селен поступает в организм человека с пищей в виде неорганических солей (селенитов, селенатов) и органических соединений: селено - L- метионина (растения), селеноцистеина и селеноглутатиона (животные). Селенометионин, благодаря высокой растворимости, усваивается лучше селеноцистеина. После всасывания он либо метаболизируется в реактивную форму, либо включается в состав тканевых белков (Снитинский и др., 1994). Предполагается наличие двух пулов селена в организме: для нормального метаболизма и депо селена. При насыщении обоих пулов избыток селена выделяется с мочой в виде триметилселена и с выдыхаемым воздухом в виде диметилселенида (Барабой, 2004). Он играет важную антиоксидантную роль в биосфере. Заключение об антиоксидантной роли селена, впервые представленное английским биохимиком А. Диплоком в 1970 г., до настоящего времени остается основополагающим в метаболических функциях соединений селена. В организмах существует целый класс Se-содержащих и Se-зависимых ферментов (глутатионпероксидаза, дейодиназа, синтетаза селенофосфата и др.), синтез которых у организмов регулируется генетически. Ферменты, содержащие селен, обладают огромными функциональными возможностями. Во всех известных Se-содержащих ферментах селен присутствует в форме селеноцистеина (Драчева, 2005). Особо важное значение имеет фермент глутатионпероксидаза (ГПО) - гликопротеид, состоит из 4-х субъединиц, каждая из которых включает в активный центр Se-цистеин, глутамин,

триптофан. Чтобы легче косубстрат (глутатион восстановленный) взаимодействовал с каталитическим центром, в электростатическую архитектуру последнего включены аргинин и лизин. Они помогают сульфигидрильной группе образовать связь с селеном и в конечном итоге восстановить гидропероксиды полиненасыщенных жирных кислот (LOOH) с помощью глутатиона (GSH) в стабильные соединения - оксикислоты (LOH):

LOOH+ 2GSH LOH + GS-SG + Н20.

Этот энзим может преобразовывать и пероксид водорода, тем самым обезвреживая его:

Н202 + 2GSH 2 Н20 + GS-SG.

Ключевую роль в катализе играет селен-цистеин, который вначале преобразуется из восстановленной селенольной формы EseH, точнее, из ее активного варианта - селенолатного иона ESe" в окисленную селениновую форму ESeOH, позднее - в смешанный селеносульфид (или селенодисульфид), взаимодействуя с восстановленным глутатионом - EseSG. Причем на I этапе ион селенола производит нуклеофильную атаку на электрофильный атом кислорода гидропероксида. Обедненный электронной плотностью атом Se в EseOH подвергается подобной атаке тиолатным анионом GS" - этим заканчивается II этап. Последняя реакция - регенерация исходного состояния фермента в результате взаимодействия ESeSH со второй молекулой GSH. Восстановление органических пероксидов, особенно липидов и ДНК, обрывает свободнорадикальное окисление, предупреждая появление его токсичных вторичных метаболитов, что очень важно при оксидативном стрессе (Гмошинский и др., 2000). Важным участником системы защиты от реактивных молекул является еще один селенсодержащий белок - Se-протеин Р, идентифицированный в 70-х годах, включающий у разных животных 7-10 остатков Se-цистеина. Особенности строения Se-протвина Р позволяют ему

связываться с гепаран-сульфатом протеогликанов эндотелиальных клеток, в этом случае он служит в качестве звена оксидантной обороны (Аникина, 2002).

Селен необходим для нормальной функции иммунной системы - как клеточного, так и гуморального иммунитета. При дефиците селена снижается иммунокомпетентность, нарушается клеточно-опосредованный иммунитет. Добавка селена в диете увеличивает пролиферацию активных Т-клеток. Селен обладает мощным антитоксическим, противовоспалительным, противовирусным действием (Кудрин, 1975). Подобно другим антиоксидантам, селен эффективен при любых физиологических состояниях, сопровождающихся повышенной продукцией свободных радикалов и иных активных форм кислорода: повышает переносимость предельных физических нагрузок, окислительных стрессов, нагрузок тяжелыми металлами, воспалительных процессов и заболеваний (Сучков и др., 1978). В опытах на утках показана защитная роль селена против вирусного гепатита В и рака печени. В результате четырехлетних наблюдений установлено, что, при обогащении животных селеном, заболеваемость вирусным гепатитом В уменьшилась на 77,2%, а предраковые поражения печени - на 75,8%. Наблюдения над людьми показали, что при обеспечении селеном предраковые поражения печени уменьшились на 35,1%. Установлено, что у больных вирусным гепатитом В, получавших 200 мг селена в сутки, не наблюдались предраковые изменения печени, а у таких же больных, получавших "плацебо", процент предраковых поражений печени составил 6,2 (Уи, 1л, 1997).

Селен обладает канцеропротекторным действием из-за избирательного накопления в опухолевых клетках, причем его концентрация в жизнеспособной опухоли в 5-10 раз выше, чем в некротизированной. Накапливаясь в опухолевых клетках, селен оказывает непосредственное токсическое действие на эти клетки, причем не только на пролиферирующие, но и на интерфазные. Считается, что дополнительная подача селена в селендефицитном регионе

способствует профилактике онкологических заболеваний, а при лечении

10

больных некоторыми противоопухолевыми препаратами уменьшает их нефротоксический эффект и угнетающее действие на костный мозг (Решетник, Парфёнова, 2000).

При поступлении в организм человека менее 15-20 мкг селена в сутки развиваются гипоселенозы (Авцын и др., 1991). При этом наблюдается снижение активности глутатионпероксидазы, активация свободно-радикального окисления (окислительный стресс), возрастает текучесть липидов плазматических и митохондриальных мембран, снижается активность ряда энзимов митохондрий. У животных, выращиваемых в регионах с низкими концентрациями доступного селена в почве, развиваются селендефицитные заболевания вследствие потребления растений с недостаточным содержанием доступного селена. К числу обусловленных дефицитом заболеваний относятся алиментарная мышечная дистрофия у овец и коров, экссудативный диатез и дегенерация поджелудочной железы у цыплят, некроз печени у свиней и крыс, а также плохой рост, репродуктивная недостаточность, сосудистые изменения и катаракта у крыс (Селен. Доклад