Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Определение экологической безопасности наноматериалов на основе морфофизиологических и биохимических показателей сельскохозяйственных культур

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Определение экологической безопасности наноматериалов на основе морфофизиологических и биохимических показателей сельскохозяйственных культур"

На правах рукописи

КУЦКИР МАКСИМ ВАЛЕРИЕВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ И БИОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

03.02.08-экология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

15 ЯНВ ¿015

005557889

Рязань-2014

005557889

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»

Научный руководитель: доктор биологических наук

Чурилов Геннадий Иванович

Официальные оппоненты: Емельянов Алексей Валерьевич, доктор биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО "Тамбовский государственный университет имени Г.Р.Державина", экологический научно-образовательный центр, директор Иванов Евгений Сергеевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Рязанский государственный университет имени С.А.Есенина", кафедра экологии и природопользования, заведующий кафедрой

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»

Защита диссертации состоится 17 февраля 2015 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская обл., г. Балашиха, ул. Юлиуса Фучика, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу http://www.rgazu.ru

Автореферат разослан » декабря 201^/г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Сойнова Ольга Леонидовна

. Общая характеристика работы Актуальность темы. С развитием современного общества темпы потребления сельскохозяйственной продукции возрастают год от года, поэтому аграрное производство нуждается в постоянной интеграции достижений науки в агротехнологический процесс с целью обеспечения продовольственной безопасности населения. К современным технологиям, которые без вреда для растений способствуют повышению урожайности и качеству готовой продукции можно отнести нанотехнологии, применение которых получило развитие во многих странах: Вьетнам, Китай, Канада Беларусь. В России создана нормативная база в области безопасности нанотехнологий: в 2007 г утверждена «Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов», разработанная Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека совместно с ведущими научными центрами и НИИ РАМН, Минобрнауки РФ и Роспотребнадзор, что свидетельствует об актуальности исследований по экологической безопасности применения наноматериалов.

Значительный интерес вызывают исследования взаимодействия наноматериалов (соединений в наносостоянии) с биологическими объектами, их влияние на метаболические процессы в растениях и разработка методов, позволяющих получать эту информацию, что может стать основным инструментом, оценки механизма и диагностики безопасности применения нанотехнологий, отсутствие которых всегда будет вызывать сомнение, и в какой-то степени, тормозить развитие нанотехнологий.

Над проблемой применения в сельском хозяйстве и биотехнологии препаратов на основе биологически активных наночастиц и оценке их влияния на живые организмы работают такие ученые, как Ананян М.А., Коваленко JI.B., Полищук С.Д., Фолманис Г.Э., Чурилов Г.И. Еськов Е.К.. Большой научный вклад в применение наночастиц в сельском хозяйстве внесли Назарова A.A., Амплеева JI.E.

Цель и задачи исследований. Цель работы - определение экологической безопасности наночастиц меди, кобальта и гуминовых кислот в ультрадисперсном состоянии при использовании их в качестве регуляторов роста сельскохозяйственных культур.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Изучить действие наночастиц биогенных металлов на рост и развитие сельскохозяйственных растений по витальным, морфофизиологическим и биохимическим показателям.

2. Провести сравнительный анализ экологической безопасности действия наночастиц меди и кобальта, их солей, и гуминовых кислот, находящихся в ультрадисперсном состоянии.

3. Показать действие изучаемых соединений в полевых условиях на разных сельскохозяйственных культурах (пшеница яровая, кукуруза, подсолнечник).

4. Определить активность окислительно-восстановительных ферментов яровой пшеницы, кукурузы и подсолнечника при предпосевной обработке семян наночастицами меди, кобальта и гуминовыми кислотами в ультрадисперсном состоянии.

5.Оценить экологическое состояние почвы и накопление в растениях тяжелых металлов при использовании нанопрепаратов.

6. Обосновать некоторые элементы механизма действия нанометаллов переменной валентности на семена растений.

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые определена сравнительная эффективность действия наночастиц металлов и минеральных солей соответствующих металлов, используемых в качестве микроудобрений, на рост и развитие растений. Установлены оптимальные концентрации гуминовых кислот в ультрадисперсном состоянии для стимуляции роста и развития яровой пшеницы, кукурузы и подсолнечника. Проведены биохимические исследования и прослежено влияние оптимальных доз исследуемых наноматериалов в процессе вегетации растений с целью обоснования элементов механизма действия наночастиц меди и кобальта.

4

Показана экологическая безопасность применения нанопорошков в препаратах, стимулирующих рост и развитие растений. Разработанные рекомендации по использованию наночастиц металлов и гуминовых кислот востребованы в сельскохозяйственном производстве многих хозяйств и НИИ.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены и обсуждены на всероссийских научно-практических конференциях: в г. Орел, 2010 г., на международном симпозиуме «Фундаментальные и прикладные проблемы науки», организованном Российской академией наук, «Аграрная наука — сельскому хозяйству», в г. Чебоксары, 2011 г., «Молодежная наука 2012: технологии, инновации», в г. Пермь, 2012 г., «Новые технологии в промышленности и сельском хозяйстве», в г. Бийск, 2012 г., на международных научно-практических конференциях: «Нанотехнологии — производству», в г. Фрязино, 2013 г., «Инновационные фундаментальные и прикладные исследования в области химии сельскохозяйственному производству», 2012 г, на XXIV конференции «Современная химическая физика»в г. Туапсе, 2012 г. В 2011 году работы по данной тематике стали победителями программы «У.М.Н.И.К.» и регионального конкурса «Молодой ученый года - 2012», в г. Рязань.

Объём работы. Диссертационная работа изложена на 136 страницах, содержит 59 таблиц, 20 рисунков и состоит из следующих разделов: введение, обзор литературы, материалы и методы исследований, результаты исследований и их обсуждение, выводы, предложения производству, список использованной литературы, состоящий из 190 источников, 134 из которых иностранные.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- действие наноматериалов и минеральных солей микроэлементов на семена и проростки сельскохозяйственных культур по витальным, морфофизиологическим и биохимическим показателям в лабораторных условиях;

- оптимальные концентрации наноматериалов для предпосевной обработки семян яровой пшеницы, кукурузы, подсолнечника;

- эколого-агрохимический подход к применению оптимальных концентраций наноматериалов для повышения продуктивности сельскохозяйственных растений;

- полевые испытания, в том числе комплексная оценка ферментной активности растений в процессе вегетации;

- влияние наноматериалов на накопление и распределение металлов в растениях и почве.

Материал и методика исследований

Экспериментальная работа проводилась с 2009 по 2013 годы. Объектами исследования являлись семена яровой пшеницы сорта «Лада» (Tríticum aestivum L), гибрид подсолнечника Донской 44 (Helianthus annuus L.) , гибрид кукурузы Обский 140 (Zea mays subsp. mays L.).

Все объекты, использованные в исследовании, соответствовали 1 классу. В лабораторных условиях семена проращивались в чашках Петри по 50 шт. в каждой в жидкой культивационной среде, представляющей собой дистиллированную воду, с добавлением суспензии наночастиц в заданной концентрации, в термостате при температуре 27 °С. Перед проведением исследований семена опытных растений обрабатывали суспензией наночастиц кобальта, меди и раствором гуминовых кислот в ультрадисперсном состоянии, а также раствором сульфата меди и хлорида кобальта. Наночастицы произведены в Московском институте стали и сплавов, размер наночастиц металлов находился в пределах 25-35 нм, чистота нанопорошков 99,5%, удельная площадь поверхности 40-60 м2/ г. Суспензию готовили согласно ТУ 931800-4270760-96 в ультразвуковой ванне (модель ПСБ-5735-5). В исследованиях были использованы концентрации наночастиц металлов в диапазоне от 0,1 до 5000 г на гектарную норму высева семян.

Лабораторные и полевые исследования по изучению биологически активных наноматериалов на яровой пшенице, кукурузе и подсолнечнике проводили на

6

базе Центра нанотехнологий и наноматериалов для АПК при Рязанском государственном агротехнологическом университете имени П.А. Костычева. Энергию прорастания и всхожесть определяли в соответствии с ГОСТ 1203884. Длину ростков и корней измеряли с помощью линейки, массу проростков взвешиванием на аналитических весах Ohaus Pioneer. Активность ферментов каталазы, пероксидазы и супероксиддисмутазы определяли спектрофотометрическим методом в лаборатории Рязанского государственного медицинского университета. Для определения чистой продуктивности фотосинтеза использовали массовой метод Ничипоровича (1961).

Исследования проводили согласно схеме:

Диапазон изучаемых концентраций наночастиц менялся в зависимости от этапа: на первом 0,01 - 5000 г/г.н.в., на втором - 0,1-10,0 г/г.н.в., на третьем 0,15,0 г/г.н.в.

Площадь листовой поверхности определяли методом промеров высоты и ширины основания листа с расчетом по формуле Б = 2/3 к • х, где к - ширина основания листа и х —высота листа, 8 — площадь листьев в см2 (Аникиев В.В., 1961).

Содержание металлов в зеленой массе, в семенах и почве опытных растений изучали вольт-амперометрическим методом с использованием анализатора тяжелых металлов АКВ - 07 МК в соответствии с аттестованными методиками.

Полевые исследования выполнены согласно методике Доспехова (1985) на опытной агротехнологической станции ФГБОУ ВПО РГАТУ. Расположение делянок - систематическое, посевная площадь составила 54 м2, уборочная - 48 м2. Опыт однофакторный, фактор - предпосевная обработка семян яровой пшеницы, кукурузы и подсолнечника наночастицами металлов, а так же гуминовыми кислотами в ультрадисперсном состоянии. Повторность опыта — трехкратная. Предшественник - пар. Технологию возделывания сельскохозяйственных культур проводили в соответствии с областными рекомендациями (ГНУ НИИСХ, 2005).

Статистическая обработка данных проведена при помощи электронного пакета программного обеспечения 81аЙБИса 6.

Результаты исследований Анализ действия наночастиц (НЧ) меди, кобальта, сульфата меди и хлорида кобальта на семена и проростки яровой пшеницы по витальным и морфофизиологическим показателям. Известно, что в качестве микроудобрений для сельскохозяйственных культур широко используют неорганические соли микроэлементов: хлориды, сульфаты, фосфаты, нитраты. На первом этапе исследований проведена сравнительная оценка биологической активности наночастиц микроэлементов (меди и кобальта) и традиционных микроудобрений в жидкой питательной среде. Действие наночастиц меди (НЧ) и сульфата меди при концентрациях 0,01, 0,10, 1,00 10,00 г на гектарную норму высева (г.н.в) стимулировали рост и развитие проростков. Начиная с

концентрации 20 г/г.н.в., энергия прорастания семян пшеницы в присутствии сульфата меди, уменьшалась, и при концентрации 500 г/г.н.в. и 1000 г/г.н.в. достигла значений 3% и 2%- прорастание практически отсутствовало (таблица 1).

Энергия прорастания в присутствии наночастиц меди уменьшалась только с концентрации 500 г/г.н.в. (76,5%), однако и при более высоких концентрациях жизнеспособность семян сохранялась.

Таблица 1 — Энергия прорастания и всхожесть семян пшеницы при взаимодействии с нанопорошками меди, кобальта и минеральными солями

сульфатом меди, хлоридом кобальта

Варианты Энергия прорастания, % Всхожесть, % Варианты Энергия прорастания, % Всхожесть, %

Контроль 89,0±3,4 96,6±2,9 Контроль 89,0±3,4 96,6±2,9

НЧ-Си 0,01 95,0±2,8 97,0±1,8 СиБ04 0,01 96,0±1,7 96,6±2,3

НЧ-Си 0,10 96,842,1 98,8±1,0 Си3040,10 97,0±2,9 98,4±1,1

НЧ-Си 1,00 98,0±1,1 98,0±1,2 СиБ04 1,00 96,0±3,2 97,0±1,7

НЧ-Си 10,00 96,0±1,3 97,3=Ы,1 Си504 10,00 92,8±3,7 96,0±1,9

НЧ-Си 20,00 94,0±1,2 94,5±1,1 СиБ04 20,00 82,3±3,5 93,2±1,7

НЧ-Си 100,00 88,2±1,4 96,8±2,5 Си50< 100,00 83,2±3,9 92,4±2,8

НЧ-Си 500,00 7б,5±1,1 96,4±1,2 СиЗО„ 500,00 3,2±0,2 32,4±0,7

НЧ-Си 1000 37,6±3,3 87,б±2,2 СиБ04 1000 2,0±0,2 16,0±3,9

НЧ-Си 2000 35,6±1,6 84,6±2,8 СиЭ04 2000 2,0±0,1 16,4±3,9

НЧ-Си 5000 39,6±2,3 78,8±2,6 СиБО, 5000 2,0±0,1 4,8±1,1

НЧ-Со 0,10 94,б±1,2 96,0±0,9 СоС12 0,10 92,5±1,6 97,0±1,1

НЧ-Со10,00 93,6±2,2 94,0±1,7 СоС1210,00 94,5±2,2 96,5±1,7

НЧ-Со 100,00 95,5*1,7 95,6±1,6 СоС12 100,00 93,0±1,5 94,0±1,9

НЧ-Со 200,00 86,0±1,7 96,0±2,1 СоС12 200,00 90,0±1,8 93,5±1,8

НЧ-Со 400,00 71,6±1,6 96,6±1,1 СоС12 400,00 74,6±2,3 93,0±1,9

НЧ-Со 600,00 93,0±1,1 95,0±1,5 СоС12 600,00 6,6±0,5 89,0±2,1

НЧ-Со 800,00 93,0±1,3 95,0±2,0 СоСЬ 800,00 4,6±0,4 67,8±1,1

различия между средними значениями достоверны для Р>0,95

Лабораторная всхожесть семян пшеницы при воздействии НЧ меди

практически во всех вариантах превышала контроль, исключая концентрацию 1000 г/г.н.в., где всхожесть была ниже контроля на 9,0%. Для сульфата меди всхожесть семян оставалась на уровне контроля, но при концентрации 500 г/г.н.в. уменьшилась на 64,2% и при 5000 г/г.н.в происходило полное угнетение прорастания семян.

Энергия прорастания семян пшеницы во всем интервале концентраций НЧ кобальта превышала контроль, а лабораторная всхожесть соответствовала значению контроля, что свидетельствует о нормальном прорастании семян.

При добавлении в жидкую культивационную среду хлорида кобальта (таблица 2) в концентрациях от ОД до 100 г/ г.н.в. энергия прорастания и лабораторная всхожесть семян пшеницы яровой были практически на уровне контроля. При высоких концентрациях (600-800 г/г.н.в.) - прорастание угнеталось: энергия прорастания была ниже контроля более чем в 10 раз, всхожесть на 84,4% по сравнению с контролем, следовательно, концентрации солей кобальта выше 100 г/ г.н.в. угнетают прорастание семян.

Длина надземной части и корней проростков до концентрации НЧ меди 100 г/ г.н.в. превышали контроль на 40% -51,0% и 23,7% соответственно. Угнетающее действие нанопорошка меди выявлено лишь при концентрации 5000 г/ г.н.в., длина надземной части проростков была меньше контроля на 20,08%. В присутствии сульфата меди при концентрациях 0,01 - 100 г/ г.н.в. наблюдалась стимуляция развития надземной части проростков на 2,6% -57,5%,но длина корней была ниже контроля. При концентрациях 500 и 1000 г/г.н.в. корни у проростков, обработанных сульфатом меди, практически отсутствовали. При использовании НЧ кобальта длина надземной части даже при концентрации 400 г/ г.н.в. превышала контрольное значение на 6,1%. При этом число корней во всех вариантах составляло 4 шт. и больше, а количество корневых волосков было оптимальным, согласно биологическим особенностям растения. Наночастицы в большей степени, чем соли активизируют корневую систему растений, и в дальнейшем стимулируют биохимические процессы, связанные с синтезом растительных гормонов, а также активацией ферментных систем, определяющих ростовые процессы.

Применение хлорида кобальта способствовало развитию корней и ростков яровой пшеницы на 6,6-4,9% относительно контроля только при низких концентрациях (0,1-10 г/ г.н.в.). При более высоких концентрациях хлорида

кобальта (200-800 г/ г.н.в.) наблюдалось стабильное угнетение роста: на 51% -длины ростков, и на 92% - корней.

Рисунок 1. Длина надземной части проростков яровой пшеницы, при обработке наночастицами меди и сульфатом меди, мм.

Лабораторные исследования позволили определить концентрации, при которых начинают замедляться рост и развитие проростков семян яровой пшеницы: для НЧ меди - 500 г/ г.н.в., сульфата меди - 100 г/ г.н.в., НЧ кобальта - 400 г/ г.н.в., хлорида кобальта - 100 г/ г.н.в.. В пределах концентраций 0,1 г-10 г/ г.н.в. нанопорошки меди и кобальта обладают ярко выраженным стимулирующим эффектом (рисунок 1).

Влияние оптимальных концентраций наночастиц кобальта, меди и гуминовых кислот в ультрадисперсном состоянии на рост и развитие семян яровой пшеницы, кукурузы и подсолнечника в полевых испытаниях. Для отработки оптимальных концентраций наночастиц в качестве стимуляторов роста были выбраны семена яровой пшеницы, кукурузы и подсолнечника растений разных ботанических классов и родов (яровая пшеница: класс однодольные, род - пшеница; кукуруза: класс однодольные род - кукуруза, подсолнечник: класс двудольные, род - подсолнечник). Характер стимуляции роста проростков был одинаков при применении наночастиц как меди, так и кобальта — техногенных компонентов, поэтому для сравнения их действия были выбраны природные биологически активные вещества -гуминовые кислоты (ГК), но в ультрадисперсном состоянии.

По результатам лабораторных исследований определены оптимальные концентрации наночастиц меди, кобальта и гуминовых кислот в ультрадисперсном состоянии и предложены для обработки семян перед посадкой. Для яровой пшеницы 0,5 , 1,0 , 5,0 г/г.н.в.; семян кукурузы и подсолнечника 0,1, 0,5, 1,0 г/г.н.в. , которые и были использованы в полевых испытаниях. В процессе вегетации растений определены следующие показатели: полевая всхожесть, высота и масса растений, площадь листовой поверхности, чистая продуктивность фотосинтеза, активность окислительно-восстановительных ферментов по фазам вегетации, показатели минерального обмена растений, урожайность и химический состав продукции растениеводства. Продуктивность растений напрямую зависит от интенсивности фотосинтеза, величина которой определяется площадью листовой поверхности (Битюцкий,1999). Площадь листовой поверхности растений кукурузы при обработке семян наночастицами кобальта была максимальной при концентрации 0,5 г/г.н.в. - на 11,2% выше контроля, чистая продуктивность фотосинтеза - на 14,1% . Обработка семян кукурузы наночастицами меди в концентрации 0,5 г/г.н.в. увеличила площадь листовой поверхности на 24,9%, чистую продуктивность фотосинтеза - на 15,4%, гуминовыми кислотами на 6% площадь листовой поверхности, чистая продуктивность фотосинтеза на 6,7% превышали контроль.

Максимальное увеличение поверхности опытных растений подсолнечника наблюдалось при применении наночастиц кобальта - на 12,2%(0,1 г/ г.н.в.), интенсивность фотосинтеза была выше контрольного значения на 20,4%. В остальных опытных группах наблюдалась тенденция повышения площади листовой поверхности в среднем на 10% по сравнению с контролем.

Таким образом, обработка семян перед посевом суспензией наночастиц кобальта меди и гуминовых кислот в ультрадисперсном состоянии способствовало активации процессов, связанных с ростом и развитием растений. Однако эффект от применения наночастиц металлов был выше на 8-

12% относительно гуминовых кислот при их одинаковых концентрациях в жидкой культивационной среде.

В процессе вегетации изучено действие наночастиц на активность окислительно-восстановительных ферментов (пероксидазы,

супероксидиссмутазы) в тканях яровой пшеницы в фазу колошения, кукурузы и подсолнечника, в фазу цветения. Изменение активности ферментов является ответной реакцией организма на внешние воздействия.

Активность пероксидазы в корнях яровой пшеницы во всех вариантах выше контроля ( таблица) и не превышала критической разницы с контролем ±30%, которая рассматривается как предельная для нормального развития растений (МУ 1.2.2635-10). Следовательно растительный организм в пределах концентраций наночастиц 0,1 - 5,0 г/ г.н.в. не испытывает стрессового состояния, которое нарушает процессы переноса электронов и нейтрализации свободных радикалов. Содержание пероксидазы в листьях во всех опытных вариантах ниже контрольного значения в среднем на 11% . Это может зависеть, от избирательного действия наночастиц, которые реализовали свой энергетический потенциал в корневой системе

Таблица 2 — Активность пероксидазы (в ед.опт.пл / г сырой ткани • сек) и супероксиддисмутазы (в усл.ед.акт. / г сырой ткани) в корнях и зеленой массе

яровой пшеницы под воздействием наночастиц различной природы

Вариант Пероксидаза Супероксиддисмутаза

Корни Листья Корни Листья

абс. знач. %к контр абс. знач. %к контр абс. знач. %к контр абс. знач. %к контр.

Контроль 14,21+0,46 - 19,4+0,38 - 115,5+2,48 - 260,1+3,4 -

НЧ-Со-0,5 14,80+0,76 +4,2 17.3+0,92 -10,9 116,0+3,15 +0,4 280.1+2,8 +7,7

НЧ-Со-1,0 15,8б±0,59 +11,6 16.2+0,86 -16,6 116,5+1,02 +0,9 294,4+3,7 +13,2

НЧ-Со- 5,0 16,16+0,94 + 13,7 14,6+1,03 -24,8 117,2+1,95 + 1,4 300,1+4,0 +15,4

ГК —0,5 14,75±0,53 +3,8 18,9+1,27 -2,5 115,9+1,91 +0,3 270,8+3,9 +4,1

ГК-1,0 15,49±0,46 +9,01 19,3+1,06 -0,3 116,4+1,71 +0,7 298,6+2,8 +14,8

ПС-5,0 17,93+0,74 +6,1 17,8+1,03 -8,2 118,6+3,52 +2,6 295,6+3,6 +13,6

НЧ-Си-0,5 1б,46±1,70 + 15,9 15,9+0,89 -18 114,5+1,65 -0,8 275,6+2,6 +5,9

НЧ-Си- 1,0 16,86±0,76 +17,8 16,0+1,14 -17,4 121,4+1,88 +5,1 286,7+2,9 +10,2

НЧ-Си-5,0 17,15±0,73 +20,7 19,62+0,69 + 1,0 126,7+1,21 +9,7 301,7+3,9 +15,9

различия достоверны для Р>0,95

При действии неблагоприятных факторов увеличивается образование активных форм кислорода, в том числе и радикалов и при этом активность фермента супероксиддисмутаза может изменяется, причем разнонаправлено и увеличиваться, и снижаться. Это зависит от напряженности действия стрессового фактора, восприимчивости организма, стадии развития растений. Активность суперкосиддисмутазы в корнях яровой пшеницы (таблица 2) практически не отличалась от контроля, однако содержание в листьях превышало контроль, максимально на 15,4 % при концентрации НЧ кобальта 5,0 г. При применении гуминовых кислот активность супероксиддисмутазы в корнях практически не отличалась от контроля, однако при концентрации 1,0 г/г.н.в. в листьях превышала контроль на 14,8%.

Для сравнения были определены активности ферментов в ростках опытных культур в лабораторных опытах на 7 день прорастания их семян в жидкой питательной среде при концентрациях вызывающих угнетение. Результаты согласуются с выводами, что критическими для растений являются концентрации солей (сульфата меди и хлорида кобальта) - 100 г/ г.н.в., изменения активности ферментов составили 60-80%, что подтверждает их опасность применения в высоких концентрациях.

Активность каталазы — фермента, который в процессе метаболизма разрушает образующуюся перекись водорода до воды и молекулярного кислорода, в растениях подсолнечника была в допустимых пределах. При применении наночастиц кобальта активность каталазы в корнях превышает контроль на 3,0-8,1%, меди 2,2-6,7%, гуминовых кислот на 2,9-6,4%. В зеленой массе лишь при концентрации 0,5 г/ г.н.в. происходит повышение активности каталазы, на 1,5% по сравнению с контролем. При концентрации гуминовых кислот 1,0 г/ г.н.в. активность каталазы в корнях подсолнечника превышала контроль на 6,4%.

При повышении концентрации активного вещества в растениях кукурузы активность каталазы корней повысилась до 10,7% (НЧ меди 1,0 г/ г.н.в.) по сравнению с контролем и снизилась в зеленой массе на 9,1%. Активность

14

каталазы в растениях яровой пшеницы с увеличением концентрации достоверно превышает контроль как в корнях, так и в зеленой массе, но не превышает значений 30%.

Оценка экологического действия наночастиц меди, кобальта и гуминовых кислот в ультрадисперсном состоянии на показатели продуктивности и химического состава сельскохозяйственных культур. В конце периода вегетации была определена урожайность всех опытных культур. Наночастицы меди стимулировали развитие растений подсолнечника вследствие чего, урожайность во всех опытных вариантах превышала контроль. Оптимальной является концентрация наночастиц меди и кобальта 1,0 г/ г.н.в.. Урожайность семян подсолнечника была на 24-26% выше по сравнению с контролем и только на 10% при применении гуминовых кислот; урожайность кукурузы при применении наночастиц кобальта превышала контроль в среднем на 23,3%, меди — на 26,3%, а гуминовых кислот только на 11,6%.

Следовательно, наночастицы металлов являются определяющим и более активным фактором в повышении урожайности кукурузы. Этот вывод согласуется и с влиянием наночастиц металлов на урожайность яровой пшеницы. Улучшается и структура урожая: продуктивная кустистость, число колосков в колосе, длина колоса и так же масса тысячи семян, причем все эти показатели превышают контроль в большей степени при обработке семян перед посадкой суспензией нанометаллов, в отличие от гуминовых кислот.

Таблица 3— Структура урожая яровой пшеницы «Агата».

Вариант Продук. стеблестой на 1 м2 Продуктивная кустистость Число колосков в колосе, шт Число зерен в колосе, шт Масса 1000 зерен,гр Урожайность ц/га

Контроль 480 ±2,32 2,4+0,10 14,4+0,9 32,6+1,13 30,6+1,32 40,50

ГК — 0,5 515+2,12 2,5+0,31 14,9±0.8 32,9+1,12 34,5+1,43 44,79 (+10,6%)

ГК- 1,0 510+2,31 2,5+0,43 14,6±0,2 33,1±1,14 33,5±1,3 43,6 (+7,65%)

ГК — 5,0 490±2,09 2,6±0,11 14,5±0,1 32,4±0,98 32,9+1,27 43,01 (+6,2%)

НЧ-Си - 0,5 510+2,51 2,4+0,25 15,2±0,7 33,2+1,15 33,4±1,54 46,41 (+14,6%)

НЧ-Си- 1,0 562+1,19 2,6+0,31 15,5+0,6 33,2+1,74 32,8±1,86 47,59 (+17,5%)

НЧ-Си - 5,0 528±2,76 2,7±0,12 15,6±0,4 34,7+1,86 30,8±1,32 46,31 (+14,3%)

НЧ-Со- 0,5 530±2,61 2,6+0,21 15,0+0,6 34,1±1,96 31,5+1,42 45,72 (+12,9%)

НЧ-Со- 1,0 546±2,76 2,6+0,02 15,2±0,3 33,5+1,54 31,8+0,98 46,33 (14,4%)

НЧ-Со- 5,0 538±1,89 2,5+0,40 15,1±0,2 33,1±1,43 30,9+1,13 46,01 (+13,06)

Примечание: '-Р<0,05, НСР=0,87

Под действием наночастиц и гуминовых кислот изменяется и биохимический состав семян подсолнечника. Максимальное увеличение массовой доли протеина по сравнению с контролем наблюдалось при применении наночастиц меди, положительная разница с контролем составила 7,2 % (1,0 г/ г.н.в.), для наночастиц кобальта 5,5%, гуминовых кислот 5,8%.

Кислотное число у опытных семян во всех вариантах было меньше контроля, что свидетельствует об активации липидного обмена опытных растений. Однако, кислотное число при применении гуминовых кислот было меньше контроля на 14 - 35%, тогда как наночастицы кобальта способствовали снижению кислотного числа в среднем на 53%, а наночастицы меди - на 49%. Масличность всех опытных семян превышала контроль, повышалось и количества жирных кислот в семенах при применении наночастиц кобальта, меди и гуминовых кислот в концентрации 1,0 г/ г.н.в. на 2,4%, 2,5%, 1,5% соответственно.

Таким образом, наночастицы являются катализаторами биохимических процессов и высокоэффективными стимуляторами роста, по сравнению с гуминовыми кислотами и механизм их действия отличается от действия микроэлементов и природных компонентов гуминовых кислот, поставляющих в растения биологически активные соединения.

Экологическое состояние почвы и растений при использовании нанопрепаратов. Для подтверждения экологической безопасности наночастиц металлов был произведен анализ продукции растениеводства на содержание металлов (таблица 4). При обработке семян подсолнечника наночастицами меди количество меди в семенах превышало контроль на 16%, и норматив (10 мг/кг) на 7%, установленный СанПиН- 4089-86, но разница находится в пределах ошибки опыта. Однако, в корнях количество меди существенно меньше контроля, разница составляет 83%. Это говорит о перераспределении микроэлемента в структуре растения. Применение наночастиц меди способствовало уменьшению содержания кобальта, как в семенах, так и в корнях растений подсолнечника на 23,7% и 13,5% соответственно. Количество

16

железа при использовании наночастиц меди в листьях было меньше контроля на 2%, в корнях было выше на 8,9%.

Таблица 4 — Содержание меди, кобальта и железа в подсолнечнике в фазу полной спелости.

Название объекта Части растений Си мг/кг Со мкг/кг Ре мг/кг

Подсолнечник контроль Семена 9,2491±0,9312 226,80±0,0174 40,148±1,7321

корень 14,144±0,5866 481,05±0,0244 342,192,7098

Подсолнечник, обработанный НЧ- Си Семена 10,728± 1,9674 173,22±0,0289 39,492±4,7679

корень 2,3921±0,1392 416,06±0,0118 372,68±2,7550

Подсолнечник, обработанный НЧ- Со Семена 6,3391±0,7420 113,44±0,0085 21,086±1,3378

корень 4,6192±0,4026 395,67±0,0254 686,59±5,9857

различия достоверны для Р>0,95

Содержание меди в растениях, обработанных наночастицами кобальта, было ниже контроля: в семенах разница составила 31,5%, в корнях содержание меди было ниже в 3 раза.

Таблица 5 - Макро- и микроэлементный состав почвы при обработке семян сельскохозяйственных культур наночастицами.__

Показатели Контроль Опыт

до высева семян

РН 5,5±0,050 5,6±0,050

Р (фосфор), мг/100 г почвы 12,2±0,040 12,0±0,040

К (калий), мг/100 г почвы 14,1±0,033 14,3±0,040

Гумус, % 3,2±1,00 3,1±0,800

Бе (железо), % 5,0±0,500 4,8±0,440

Си (медь), мг/кг почвы 17,0±0,040 16,7±0,040

Со (кобальт), мг/кг почвы 1,2±0,044 1,3±0,050

Ъа (цинк), мг/кг почвы 0,93±0.003 0,92±0,004

РЬ (свинец), мг/кг почвы 14,1±0,060 14,0±0,055

Сс1 (кадмий), мг/кг почвы 2,1±0,040 2,0±0,050

после уборки

рН 5,6±0,050 5,7±0,050

Р (фосфор), мг/100 г почвы 12,2±0,044 12,3±0,040

К (калий), мг/100 г почвы 14,0±0,038 14,4±0,038

Гумус, % 3,3±0,500 3,1±0,500

Ре (железо), % 4,8+0,080 4,7±0,055

Си (медь), мг/кг почвы 16,8±0,040 16,9±0,060

Со (кобальт), мг/кг почвы 1,3±0,045 1,4±0,040

2,п (цинк), мг/кг почвы 0,91±0.005 0,93±0.003

РЬ (свинец), мг/кг почвы 13,9±0,080 13,5±0,090

Сё (кадмий), мг/кг почвы 2,0±0,055 2,0±0,056

различия достоверны для Р>0,95

Стоит отметить, что содержание кобальта в растениях этой опытной группы

так же было ниже контроля. В процессе вегетации количество металлов в

зависимости от органа растения изменяется, но их количество не выходит за

17

рамки ПДК и в целом металлы не накапливаются, что подтверждалось, сделанными ранее наблюдениями на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-1400 (Иванычева Ю.Н., 2001).

Результаты исследования показали, что массовая доля в зольном остатке поллютантов (Pb, Cd) при обработке семян перед посевом наночастицами меди и кобальта, существенно ниже ПДК, и находится за пределами нижней границы нормального содержания металлов для растений и почвы в Рязанской области (для свинца - 0,1-5 мг/кг, для кадмия 0,05 - 0,2) (Туников, 2001). Все полученные данные свидетельствуют об экологической безопасности применения наночастиц биогенных металлов меди и кобальта для предпосевной обработки семян. Отсутствие накопления в почве (таблица 5) свидетельствует о высокой проникающей способности наночастиц в клетки растений. В отличие от ионов, наночастицы не обладают зарядом, поэтому они не образуют больших комплексов с белками переносчиками, а могут свободно проходить через поры плазмодесмы в билипидном слое клеточных мембран, размер которых (50 нм) соизмерим с размером наночастиц (25-35 нм) и попадать в цитоплазму. При проникновении внутрь клетки одной наночастицы кобальта с размером 30 нм рассматривать необходимо не концентрацию вещества, а количество атомов проявляющих биологическую активность. При атомном радиусе 0,125 нм нейтрального атома, количество атомов кобальта составит около 340. Количество протонов постепенно выделяющихся в цитоплазме в два раза больше. Для меди, имеющей атомный радиус 0,128 нм, количество составит 234 атома. Окислительно-восстановительные потенциалы наночастиц меди и кобальта в водной среде отрицательнее, чем у металлов в макросостоянии и составляют -0,5В и -1,6В соответственно, приближаясь к потенциалу железа -0,44В, для которого характерна реакция:

Fe + 2Н20 = Fe(OH)2 + + 2е Металлы в наносостоянии более сильные восстановители, что позволят им

реализовать образование протонов в водной среде по реакциям:

Си + 2 Н20 = Си (ОН) 2 + 2 Я + + 2е~

18

Со + 2 Н20 = Со(ОН)2 + 2 Н+ + 2е~

Действительно, водородный показатель после обработки наночастиц ультразвуком, имеет примерно одинаковые значения рН от 5,35 до 6,0 для 0,02%-х водных растворов наночастиц кобальта и меди, следовательно, среда кислая. Таким образом, попав внутрь клетки нанометаллы, являясь восстановителями и поставщиками протонов в центральной вакуоли клетки семян, увеличивают их количество. Подкисление увеличивает растяжимость клеток. В этом важную роль играет экстенсин, белок который катализирует зависимое от рН растяжение клеточных стенок. Центральная вакуоль транспортирует протоны и электроны в митохондрии используя для этого известные переносчики протонов — убихиноны (витамин КО, имеющие соответствующие потенциал перехода из окисленной в восстановленную форму 0,1 В: Гидрохинон Хинон

Хинон принимает 2 протона и два электрона от нанометапла и превращается в гидрохинон, который и транспортирует эти частицы в митохондрии, повышая их количество в мембранном пространстве. Увеличение количества протонов и электронов в митохондрии влечет за собой синтез АТФ, причем неорганический фосфат обычно присутствует в достаточном количестве и не является ограничивающим фактором. В клетке, находящейся в состоянии покоя, это отношение достаточно велико, так как почти весь АДФ фосфорилирован. При увеличении функциональной активности клеток АТФ расходуется на энергозависимые процессы, в результате чего возрастает концентрация АДФ, а это в свою очередь приводит к повышению скорости переноса электронов и интенсивности окислительного фосфорилирования (Berg Т.М., 2002)

Так как наночастицы состоят на 99,9% из металлических частиц, с большой площадью поверхности, они имеют высокую реакционную способность,

он

следовательно, в клетке они могут играть роль не микроэлементов, а именно поставщиков энергии. Мы считаем, что именно стартовые процессы транспорта ионов Н+ в матрикс и увеличения количества АТФ приводит к интенсивному росту корневой системы растения, благодаря чему увеличивается количество поступающих питательных веществ из почвы. За счет большего количества питательных веществ идет увеличения листовой поверхности и как следствия большее количество солнечной энергии аккумулируется растением, что и приводит к повышению урожайности сельскохозяйственных культур.

ВЫВОДЫ

1. Наночастицы меди, кобальта и гуминовых кислот обладают биологической активностью в диапазоне концентраций: 0,01-100,0 г/ г.н.в.. При использовании НЧ Со и НЧ Си энергия прорастания семян повышалась в среднем до 6%, всхожесть до 10%, масса проростков до 30% относительно контроля. По витальным и морфофизиологическим показателям определены оптимальные концентрации наночастиц меди, кобальта и гуминовых кислот для кукурузы 0,1-1,0 г/ г.н.в.; подсолнечника 0,1-1,0 г/ г.н.в.; яровой пшеницы -0,5-5,0 г на гектарную норму высева.

2. В лабораторных условиях определена предельно допустимая концентрация наночастиц кобальта - 400 г/ г.н.в., меди- 500 г/ г.н.в. Для неорганических солей Си304, СоС12, которые используются в качестве микроудобрений, ПДК в 4-5 раз ниже и составляет 100 г/ г.н.в.

3. Полевые испытания показали, что применение наноматериалов в оптимальных концентрациях для предпосевной обработки семян повышало полевую всхожесть подсолнечника - до 8,0%, кукурузы -12,6%, яровой пшеницы - 10,5%; высоту и массу растений (до 16% кукурузы, 17% подсолнечника, 15% яровой пшеницы), площадь листовой поверхности и чистую продуктивность фотосинтеза от 25% до 15%. При этом урожайность опытных культур возросла в среднем на 15-20% по сравнению с контролем. Для гуминовых кислот в ультрадисперсном состоянии данные показатели в среднем

ниже на 8%-12% относительно значений при аналогичных концентрациях наночастиц металлов.

4. Активность окислительно-восстановительных ферментов яровой пшеницы, кукурузы и подсолнечника при предпосевной обработке семян наночастицами меди, кобальта и гуминовыми кислотами в ультрадисперсном состоянии не превышала пороговых изменений значений активности ±30% по сравнению с контролем в диапазоне концентраций активного вещества 0,1-5,0 г на гектарную норму высева, подтверждая нормальный ход биохимических процессов.

5. Применение наночастиц меди и кобальта не привело к накоплению поллютантов (РЬ, Сс1), а также тяжелых металлов (Си, Со, Ре) в почве, в вегетативной части, в семенах опытных растений яровой пшеницы, кукурузы и подсолнечника, что свидетельствует об экологической безопасности их применения. Содержание тяжелых металлов было ниже ПДК.

6. Предполагается, что действие наночастиц металлов на растения отличное от солей данных металлов и гуминовых кислот. Наночастицы металлов в отличие от микроэлементов и природных поставщиков биологически активных соединений — гуминовых кислот, обладают энергетическим потенциалом и являются биологическими катализаторами.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Наночастицы кобальта, меди и гуминовые кислоты, находящиеся в ультрадисперсном состоянии обладают стимулирующим эффектом на растения и могут использоваться в качестве биологически активных и экологически безопасных стимуляторов роста и развития при предпосевной обработке семян сельскохозяйственных культур.

2. Оптимальными концентрациями наночастиц для яровой пшеницы, кукурузы и подсолнечника являются дозы 0,1-10 г на гектарную норму высева. 3 Производственные испытания рекомендуемых доз наночастиц металлов использованы при предпосевной обработке семян зерновых культур в ООО «Сельскохозяйственная компания», Рыбновского района, Рязанской области.

21

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Куцкир М.В., Назарова A.A., Полищук С.Д. Токсический эффект наночастиц меди и сульфата меди при обработке ими семян яровой пшеницы// Материалы VII Международного симпозиума «Фундаментальные и прикладные проблемы науки». Том 1. - Москва: РАН, 2012. - С. 126-135.

2. Полищук С.Д., Куцкир М.В., Назарова A.A. Витальные и морфофизиологические показатели проростков семян масличных культур при взаимодействии с углеродными нанотрубками // Вестник РГАТУ. — №3. — 2012. - С. 68-72.

3. Куцкир М.В., Назарова A.A., Полищук С.Д. Влияние различных форм микроудобрений на основе меди на физиологические, биохимические и продуктивные показатели яровой пшеницы// Экология и природопользование. Том 3. — Избранные труды Международного симпозиума по фундаментальным и прикладным проблемам науки.-М.: РАН, 2012.-С. 135-152.

4. Полищук С.Д., Назарова A.A., Куцкир М.В. Урожайность и биохимический состав подсолнечника при обработке семян наночастицами меди// Вестник РГАТУ. -№2 (18). - 2013. - С. 104-106.

5. Куцкир М.В., Чурилов Г.И., Кузнецов Д.В., и др. Биологические эффекты воздействия высокодисперсных промышленных частиц на злаки // Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». - №5. - 2013. http://naukovedenie.ru/index.php7pHssue-5-13

6. Чурилов Г.И., Иванычева Ю.Н., Полищук С.Д., Назарова A.A., Куцкир М.В., Чурилов Д.Г. Эколого-биологическое влияние нанопорошков меди и оксида меди на фитогормоны вики и пшеницы яровой// Нанотехника. - №4 (36). -2013.-С. 43-46.

7. Полищук С.Д., Назарова A.A., Степанова И.А., Куцкир М.В., Чурилов Д.Г. Биологически активные препараты на основе наноразмерных частиц металлов в сельскохозяйственном производстве // Нанотехника. - №1 (37). - 2014. - С. 7281.

Статьи, опубликованные в отечественных изданиях:

8. Куцкир М.В., Полищук С.Д., Назарова A.A. Влияние нанокристаллического кобальта на показатели роста и развития подсолнечника // Материалы IV Международной заочной научно-практической Интернет конференции «Инновационные фундаментальные и прикладные исследования в области химии сельскохозяйственному производству» - Орел, 2011. - С. 5-8.

9. Куцкир М.В., Назарова A.A. Изменение морфофизиологических показателей растений кукурузы при взаимодействии с биологически активными

22

наночастицами металлов // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству». - Чебоксары: ЧГСХА, 2011.-4.1.-С. 67-69.

10. Куцкир МБ. Разработка стимулятора роста для сельскохозяйственных растений на основе высокодисперсных гуминовых кислот // Тезисы докладов II регионального итогового конкурса «У .М.Н.И.К.». - Рязань, 2011.С.48-53.

11. Куцкир М.В., Назарова A.A. Физиологические и продуктивные показатели кукурузы при обработке семян наночастицами меди // Материалы Всероссийской науч.-пракгической конференции «Молодежная наука 2012: технологии, инновации». - Пермь: Изд-во ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2012. - С. 219-222.

12. Куцкир М.В., Назарова A.A., Полищук С.Д., Кистанова С.А. Стимулятор роста растений на основе нанопорошка кобальта // Материалы 1-ой всероссийской заочной научно-практической конференции «Новые технологии в промышленности и сельском хозяйстве». — Бийск, 2012. — С. 281-284.

13. Полищук С.Д., Назарова A.A., Куцкир М.В., Чурилов Д.Г. Биологически активные препараты для сельскохозяйственного производства на основе наночастиц биогенных металлов // Тезисы докладов IX научно-практической конференции «Нанотехнологии - производству». - Фрязино, 2013. — С. 56 - 57.

14. Назарова A.A., Куцкир М.В. Особенности действия наноразмерных частиц меди на физиологические процессы в растительном организме// Сборник тезисов XXIV конференции «Современная химическая физика». - Туапсе, 2012. -С. 93-94.

15. Куцкир М.В., Назарова A.A., Полищук С.Д. Физиологическое обоснование применения наночастиц различной природы в качестве стимуляторов роста растений подсолнечника. // Материалы Международной научно-практической конференции студентов и магистрантов «Химико-экологические аспекты научно-исследовательской работы», проведенной в рамках Международного форума студентов сельскохозяйственного, биологического и экологического профилей «ХИМИЯ В СОТРУЖЕСТВЕ НАУК», Горки, республика Беларусь, 15-17 мая 2013 г. - Горки, БГСХА, 2013.-С. 135-138.

Статьи в зарубежных изданиях:

16. Polishuk S.D., Nazarova A.A., Kutskir M.V., Churilov G.I. Nano-Materials and Composition on the Basis of Cobalt Nano-Particles and Fine Humic Acids as Stimulators of New Generation Growth// Journal of Materials, Science and Engineering. B. - №2. - 2014. - P. 46-54.

Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать лазерная Усл. печ. л.1 Тираж 100 экз. Заказ № 1200 подписано в печать 26.12.2014 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А.Костычева» 390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1 Отпечатано в издательстве учебной литературы и учебно-методических пособий ФГБОУ ВПО РГА ТУ 390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1