Биоэффекты металлов и их форм. Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Статья научная
Обсуждение возможности применения наноматериалов в агротехнологиях ограничивается тем, что число работ по комплексной оценке биологических рисков при использовании наногербецидов и наноудобрений и изучению воздействия наноматериалов, в частности наночастиц (НЧ) металлов, на почвобионтов невелико. Мы сравнили влияние наночастиц Al2O3 на микрофлору почвы и кишечника красного калифорнийского червя ( Eisenia fоetida ), адаптационные способности этого почвобионта и особенности вермикомпостирования. Предварительный анализ биологической активности НЧ Al2O3 in vitro проводили в тесте ингибирования бактериальной биолюминесценции. Из особей используемого биоиндикаторного вида, имеющих одинаковую массу, сформировали пять групп (в каждой n = 10). При культивировании в I, II, III и IV группах в субстрат добавляли НЧ Al2O3 в дозах соответственно 50, 100, 300, 3000 мг/кг; V группа служила контролем (НЧ в почву не вносили). На 14-е сут определяли антиоксидантную активность каталазы (КТ), супероксиддисмутазы (СОД) и оценивали численность микрофлоры кишечника червей, а также численность микробов в почве. Для определения общей численности микроорганизмов проводили посев на мясо-пептонный агар. Микроорганизмы, использующие минеральные формы азота, выделяли на крахмал-аммиачном агаре (КАА), микроскопические грибы - на среде Чапека, азотфиксаторы - на среде Эшби, целлюлозолитические микроорганизмы - на среде Гетчинсона. При максимальной дозировке вносимых в почву наночастиц оксида алюминия отмечалось увеличение смертности червей (до 20 %). В результате воздействия исследуемых наночастиц происходил рост активности СОД и КТ. При повышении содержания НЧ Al2O3 с 50 до 3000 мг/кг наблюдалось снижение общего числа микроорганизмов в почве: без вермикомпостирования - на 61,7-67,6 %, с вермикомпостированием - на 55,6-61,3 %. Количество грибов в почве в I, II, III и IV группах снизилось соответственно на 42,8; 52,4; 61,9 и 76,2 % относительно контроля; численность азотфиксирующих бактерий - на 64,3; 77,9; 78,6 и 85,7 %, число бактерий, культивируемых на КАА, - на 22,7; 38,6; 84,1 и 86,4 %. В I группе число целлюлозолитических бактерий в почве увеличилось на 6,9 %. Во II, III и IV группах, напротив, отмечали снижение их количества (на 16,7; 12,5 и 25,0 %). В кишечнике E. foetida с ростом содержания НЧ Al2O3 в грунте с 50 до 3000 г/кг также происходило снижение общего числа микроорганизмов - на 9,7-43,2 %. Численность грибов уменьшилась в I, II, III и IV группах соответственно на 18,0; 20,0; 39,0 и 40,0 % относительно контроля, количество азотфиксирующих бактерий - на 16,0; 60,0; 78,8 и 80,0 %. Число целлюлозолитических бактерий в кишечнике E. foetida увеличивалось под действием минимальных дозировок наночастиц (на 16,0 %), тогда как во II, III и IV группах оно снижалось (на 8,0; 32,0 и 40,0 %). Численность бактерий, культивируемых на КАА, уменьшалась в кишечнике особей из I, II, III и IV групп - соответственно на 13,3; 46,7; 60,0 и 73,3 %. Таким образом, имело место дозозависимое действие наночастиц и постепенное развитие бактерицидного эффекта в отношении почвенной и кишечной микрофлоры при возрастании количества НЧ Al2O3 в почве. Обнаруженное негативное влияние НЧ Al2O3 на почвенный биоценоз проявилось в его обеднении, что ведет к деградации почв и снижению их плодородия. Полученные данные подтверждают необходимость комплексной оценки биотоксичности НЧ в разных средах обитания. По показателям антиоксидантной системы установлены адаптационные способности E. fоetida на фоне внесения в почву НЧ Al2O3.
Бесплатно
Статья научная
В последние десятилетия развитие нанотехнологий привело к необходимости тщательно исследовать безопасность ультрадисперсных металлов. Известно, что многие из них обладают прооксидантными и токсическими эффектами в отношении различных организмов. В то же время данные по сравнению биологической активности наночастиц металлов и их оксидов на растения отсутствуют. Нами впервые комплексно изучено воздействие сферических наночастиц (НЧ) железа Fe0, магнетита Fe3O4, меди Cu0 и оксида меди CuO, никеля Ni0 и оксида никеля NiO в различных концентрациях на рост, содержание пигментов и перекисное окисление липидов у проростков пшеницы обыкновенной ( Triticumvulgarе L.). Семена пшеницы дезинфицировали, промывали и помещали на подложку из фильтровальной бумаги в пластиковые чашки Петри по 20 шт. на расстоянии не менее 0,5-1,5 см друг от друга. На 3-и сут в чашки вносили по 5 мл наночастиц металлов и их оксидов (концентрации по металлу от 0,0125 до 1,0 М). На 5-е сут после прорыва колеоптиля оценивали физиолого-биохимические показатели. У 10 проростков измеряли длину 1-го листа (от основания до апекса главного листа) и главного корня (от корневой шейки до кончика главного корня). По 3 растения из каждого варианта отбирали для определения содержания фотосинтетических пигментов (ФП) и оценки окислительного стресса. Анализ метрических характеристик показал, что чувствительность проростков пшеницы к наночастицам чистых металлов Cu0 и Ni0 была гораздо выше, чем к наночастицам их оксидов (CuO, NiO). В изучаемом диапазоне концентраций наночастицы CuO и NiO не вызывали летального эффекта, несмотря на существенное (более чем в 2 раза) снижение большинства ростовых показателей. В низких концентрациях (менее 0,05 М) наночастицы Fe0 и Fe3O4 достоверно стимулировали рост проростков по сравнению с контролем. Напротив, в присутствии наночастиц Cu0 и CuO, Ni0 и NiO развивался токсический эффект, который усиливался с возрастанием концентрации металла. У корневой системы как первой мишени обнаружена высокая чувствительность к НЧ металлов. Добавление наночастиц Cu0, CuO, Ni0 и NiO подавляло рост корня соответственно в 19,0; 7,4; 4,8 и 2,2 раза. По возрастанию способности ингибировать рост главного корня и 1-го листа наночастицы расположили в следующем порядке: Fe3O4→Fe0→NiO→CuO→Ni0→Cu0. Положительное воздействие НЧ Fe0 и НЧ Fe3O4 на содержание пигментов было в целом сильнее и стабильнее, чем у наноматериалов на основе Сu и Ni. После инкубации с металлами в концентрации менее 0,05 М зеленая окраска проростков не только сохранялась, но даже отмечался стимулирующий эффект. На содержание хлорофилла a наиболее сильное отрицательное влияние оказывали НЧ Cu0 (снижение относительно контроля на 22,0-33,0 %), хлорофилла b - НЧ Ni0 (на 16,0-68,0 %). Эффект от воздействия НЧ CuO на состояние пигментного комплекса был дозозависимым: статистически значимое снижение содержания хлорофилла а отмечали в вариантах 0,054; 0,1 и 0,5 М (на 9,0-21,5 %), хлорофилла b - в вариантах 0,0125 и 0,025 М (на 4,0-15,0 %). НЧ NiО не оказывали существенного угнетающего действия на хлорофиллы (снижение содержания всего на 8,7 %). Каротиноиды в листьях проростков T. vulgare оказались менее чувствительными к наночастицам металлов по сравнению с хлорофиллами. В присутствии наночастиц содержание МДА изменялось в корнях в большей степени, чем в листьях. Влияние некоторых наночастиц, особенно Ni0, Сu0 и CuO, способствовало достоверному повышению количества МДА в корневой части растений - соответственно на 17,0, 25,0 и 18,7 %. Действие наночастиц Fe0, Fe3O4 и NiО практически не приводило к изменению этого показателя, а НЧ Fe3O4 снижали его на 30,0 %. Таким образом, наночастицы металлов и их оксидов избирательно влияют на метаболические реакции и проявляют различную биологическую активность в зависимости от состава металлов и используемой концентрации.
Бесплатно
Цитогенетические эффекты у Allium cepa L. при раздельном и сочетанном действии Cu, Zn и Ni
Статья научная
В связи с загрязнением почв сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами (ТМ) необходимо изучать фито- и генотоксические эффекты у растений разных видов. Особенно важны наблюдения за действием повышенных концентраций биологически значимых металлов, таких как Сu и Zn, а также металлов, обладающих выраженным токсическим эффектом даже при низких концентрациях. Как правило, экспериментальные исследования проводят на модельных объектах и изучают воздействие одного из металлов. При этом выбирают высокие концентрации металлов, многократно (в 100 раз и более) превышающие уровни реального загрязнения и величины предельно допустимого содержания в различных средах. Данные о сочетанном действии металлов в концентрациях, реально существующих в окружающей среде, практически отсутствуют, что препятствует разработке нормативов для ограничения воздействия ТМ на объекты экосистем и компоненты агробиоценозов. Целью представленной работы было изучение особенностей формирования цитогенетических эффектов в корневой меристеме лука репчатого ( Allium cepa L.) под воздействием разных концентраций Сu, Zn и Ni (раздельно и совместно). Эксперименты проводили в 4-кратной повторности. Корни лука (по 10 шт. на каждую повторность) проращивали в дистиллированной воде (контроль), растворах Cu(NO3)2∕3H2O; Zn(NO3)2∕6H2O и Ni(NO3)2∕6H2O. Концентрации солей металлов соответствовали предельно допустимым значениям в воде рыбохозяйственного (Сu - 0,001 мг/л, Ni и Zn - 0,01 мг/л) и культурно-бытового (Сu и Zn - 1,0 мг/л, Ni - 0,02 мг/л) назначения. Анализ хромосомных аберраций проводили в корневой меристеме лука. Исследовали временные давленые препараты, окрашенные ацетоорсеином. Учитывали митотический индекс - долю клеток, находившихся в стадии митоза, от общего числа клеток в корневой меристеме, а также частоту аберрантных клеток и типы хромосомных аберраций. В каждом варианте просматривали 180-790 ана-телофазных клеток. Оценивали влияние каждого элемента и их разных сочетаний на цитогенетические показатели тест-объекта, определяли коэффициент антагонизма. Установлено, что ионы Сu, Zn и Ni в неодинаковой степени подавляли деление клеток корневой меристемы лука, что определялось свойствами элемента. При относительно невысоких концентрациях металлов, равных ПДК в воде рыбохозяйственного назначения, частота аберрантных клеток по сравнению с контролем увеличивалась примерно в 3-7 раз. Повышение концентрации металлов в 1000, 100 и 2 раза (соответственно для Cu, Zn и Ni) не приводило к пропорциональному возрастанию частоты аберрантных клеток. Было отмечено 2-кратное увеличение показателя. Изменения митотического индекса также оказались непропорциональны изменению концентрации металла в растворе для проращивания лука. Совместное присутствие ионов металлов в растворе для проращивания снижало величину генотоксического эффекта. Различия в реакции на раздельное и совместное присутствие металлов в растворе для проращивания свидетельствовали о конкурентном действии ионов металлов. Рассчитанные при полифакторном воздействии металлов значения коэффициентов антагонизма при разных концентрациях металлов и их сочетаний колебались от 0,20 до 0,40.
Бесплатно
