Экспериментальные исследования влияния водорода на оптические характеристики растений

Одним из факторов, осложняющим экологическую обстановку, является дегазация земли – истечение смеси радона, гелия, углеводородов и молекулярного водорода вдоль активных разломов литосферы. При этом наблюдается активизация геологических процессов на ранее стабильных участках Восточно-Европейской платформы [1, 2]. Кроме того, повышенное содержание водорода вблизи несущих металлических конструкций может снижать их прочность в результате охрупчивания [3].

В настоящее время не исследовано влияние действия водорода на живые организмы, и долговременное пребывание растений в атмосфере с повышенной его концентрацией может приводить к самым различным изменениям в их физиологии. Растительные объекты в свою очередь служат маркерами чувствительными к изменению в окружающей среде [4].

Одним из привлекательных методов контроля растительной ткани является оптический мониторинг. К таким методам относятся метод обратного рассеяния [5], комбинационного рассеяния [6] и абсорбционный метод [7]. Более детальная информация об исследуемом объекте может быть получена с помощью флуоресцентного анализа [8], однако данный метод анализа применим только в лабораторных условиях.

Возможным решением изучения воздействия водорода на растения является использование совокупности методов комбинационного рассеяния (КР) и флуоресцентной микроскопии [9], которые позволяют исследовать структурные изменения, происходящие в биотканях на микроскопическом уровне под действием антропогенного стресса.

Поэтому, целью работы являлось исследование влияния водорода на растения с помощью оптических методов контроля.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалы и методы исследования

В качестве основных методов исследований были использованы методы спектроскопии комбинационного рассеяния и флуоресцентной конфокальной микроскопии, реализованные с помощью экспериментальных стендов, описанных в работах [9, 10]

В качестве объектов исследований были использованы петрушка обыкновенная ( Petroselínum ) и горох посевной ( Pisum sativum ). Растения были разделены на 3 группы. Две группы растений выращивались в условиях повышенного содержания различной концентрации водорода (1% и 2%). Третья группа растений являлась контрольной. Обеспечивались единые климатические условия для всех групп растений, а также регулярность и постоянство светового потока, воздействующего на среду.

Для обеспечения полноценного доступа воздуха, в нижней части парника в корпусе проделаны вентиляционные отверстия. В корпусе парника на уровне грунта закреплены трубки, через которые подается водород, полученный электролизом воды. Вследствие этого водород поднимается и не выходит в вентиляционные отверстия. На уровне высоты растений, в парник открывается выводящий патрубок (4), основное назначение которого заключается в контроле концентрации газа на одной высоте и выводе избытка водорода. Состав воздуха, выходящего из патрубка (4) кон- тролировался с помощью анализатора водорода (5).

Рис. 1. Схема эксперимента, где: 1 – патрубок подачи водорода; 2 – вводящее вентиляционное отверстие; 3 – восходящий поток; 4 – выводящий патрубок; 5 – газовый анализатор.

При этом, в верхних слоях парника накапливается фактически чистый водород, вытесняя более плотные газы (азот, кислород и др.) вниз. Избыток этих газов выходит через патрубок (4), а не концентрируется в нижней части парника, как могло бы быть при отсутствии вентиляции. В нижней же части через вентиляционные отверстия (2) поступает свежий воздух и водород через отверстия 1. В результате, в средней части, концентрацию водорода можно контролировать, управляя подачей водорода, тем самым поддерживая близкую к заданной концентрацию водорода в области, ограниченной высотами расположения отверстий 1,2 и патрубка 4, что соответст- вует высоте растений.

Подача водорода в «парник» осуществлялась 3 часа в сутки на протяжении 15 дней (расход водорода подбирался для установления заданных концентраций), после появления отростков высотой 5 см. В дальнейшем время воздействия водорода на образцы было увеличено до 20 часов в сутки: для сравнения реакций при прерывистом воздействии и реакции на воздействие близкое к непрерывно- анализа газового состава использовался газовый анализатор водорода фирмы: ″Информаналитика″ ″Хоббит-Т-H2″, имеющий диапазон измерений от 0.02% до 2% от общего объема; и относительную погрешность измерения ±25%.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В каждой группе растений отбиралось по 30 листов. Исследования проводились на более 30 листьев растений.

Как видно из рис. 2, амплитуда интенсивности КР на волновых числах 1130 см-1, 1160 см-1, 1495 см-1 для растений, выращенных в условиях воздействия 2% концентрации водорода значительно выше, чем для растений, выращенных в условиях меньшей концентрации водорода.

Далее приведена таблица с расшифровкой основных линий КР. Из таблицы видно, что изменение амплитуды пиков на волновых числах 1130 см-1, 1160 см-1, 1495 см-1 связаны с измене- нием концентрационного состава глюкозы, крахмала и каротиноидов.

Таблица 1. Расшифровка спектра КР

λ, см-1	Вещество
730	Хлорофилл а и b, фруктоза [11], [12]
945	CH и CH2 [13]
1130	Глюкоза, крахмал [14]
1160	Каротиноиды [11],[12]
1286	СО 2 [7]
1330	СО 2 [11]
1495	Каротиноиды [11],[13]
1556	О 2 [7]
1595	Н 2 О[11],[13]

Изменения амплитуды КР при действии водорода могут быть связаны с выделением СО 2 из почвы в результате ее взаимодействия с водородом и выделения почвенных бактерий. Для исключения данного факта были проведены эксперименты на растении (горох), выращенном гидропонным методом. Результаты данных исследований представлены на рисунке 2.

му, наблюдающееся в естественной среде.

Для

Рис. 2. Спектры комбинационного рассеяния контрольного образца петрушки и образца, находящегося в условиях воздействия водорода, где: а) при действии 1% водорода и контрольного образца; б) при действии 2% водорода и контрольного образца.

Рис. 3. Зависимость интенсивности КР от волновых чисел для гороха при действии 2% водорода и контрольного образца

Как видно из рис. 3, аналогичные изменения амплитуды КР наблюдаются на волновых числах 1130 см-1 и 1495см-1 при действии водорода, что и на образцах, выращенных в почве.

Следовательно, данные изменения оптических характеристик растений при действии водорода свидетельствуют об усилении процесса фотосинтеза, что может быть объяснено увеличением концентрации водорода [15].

Среднеквадратическое отклонение данных внутри каждой группы растений в лабораторных экспериментах составило 6%.

ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Методика и материалы

Рис.4. Карта комплексной интерпретации геохимических данных ,где: 1 - области выхода газов; 2 -области с наиболее активным газовым режимом; 3 -места сбора образцов

С использованием карты комплексной интерпретации геохимических данных, составленной в Волжском отделении института геологии и разведки горючих ископаемых, представленной на рис.4, были выбраны два участка на территории парка Самарская Лука, один из которых характе ризуется дегазацией глубинных газов (А), второй - нет (Б).

В качестве исследуемого растения, была выбрана земляника ( Fragaria ). Исследования проводились на 10 листьях, отобранных с каждой зоны (рис. 4). Выбор был обусловлен тем, что данный вид растений является достаточно изученным и распространенным на открытых территориях растений, а высота листьев растения находится достаточно близко к земле. Поэтому, объект максимально контактировал с газами в диапазоне высот с наибольшей их концентрацией. Освещенность и тип почвы на исследуемых участках (А и Б) были идентичными.

Результаты полевых исследований

Рис. 5. Результаты полевых исследований изменения спектра КР в результате воздействия водорода

Как видно из рис. 5, на тех же самых волновых числах: 1130 см-1, 1160 см-1, 1495 см-1 наблюдается тенденция возрастания интенсивности. Это подтверждает связь наличия выхода глубинного водорода и увеличения концентрации глюкозы, крахмала и каротиноидов в зоне дегазации земли.

Погрешность измерений для полевых исследований составила 10%.

Для подтверждения полученных результатов Полученные снимки были обработаны с по-исследований был проведен микроскопический мощью программы ImageJ.

анализ структуры листьев, исследуемых образцов с помощью метода конфокальной микроскопии.

Рис. 6. Микроизображения растения размером 400мкм*400мкм, где: а) при действии водорода; б) контрольного растения; в) гистограмма процентного соотношения хлоропластов

Как видно из рис. 6 количество хлоропластов в контрольном образце меньше, чем в образцах исследований, подверженных действию водорода.

В приведенной выше гистограмме за 100% было принято количество хлоропластов в контрольном образце.

Микроскопически наблюдается увеличение числа хлоропластов в условиях дегазации земли. Таким образом, за счет химических реакций происходит увеличение глюкозы и крахмала в растениях, что в свою очередь отражается на морфогенетических изменениях - увеличении хлоропластов в условиях дегазации земли и приводит к изменениям оптических характеристик растений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных экспериментов:

• 1)    Получены особенности спектра комбинационного рассеяния растений при воздействии водорода. Показано, что при концентрации водорода 2% повышается амплитуда интенсивности комбинационного рассеяния на волновых числах 1130 см^-1, 1495 см^-1 и 1160 см^-1, что связано с увеличением глюкозы, крахмала и каротиноидов в результате ускорения химической реакции в цикле Кальвина;

• 2)    С помощью метода конфокальной микроскопии показано увеличение хлоропластов в листьях растений при действии водорода.