Морфофизиологические изменения у пшеницы (Triticum vulgare L.) под влиянием наночастиц металлов (Fe, Cu, Ni) и их оксидов (Fe3O4, CuO, NiO)

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.