Реакция тест-объектов (дафнии, хлорелла, кресс-салат) на действие биогенных наночастиц ферригидрита

Введение . Для организмов значимым элементом является железо. Железо распространено в средах обитания и в живых организмах. Например, в составе растений составляет до 0,08 %. Железо усваивается растениями в большом количестве. И по физиологическим функциям это типичный микроэлемент. В водной среде и почвенных субстратах железо находится в виде ряда соединений, включая фер-ригидрит [3]. Железо входит в состав ферментных систем растений. Его значение велико в образовании хлорофилла, окислительных процессах, энергетическом обмене [7].

Для стабильного получения растительных ресурсов постоянно идет поиск подходов к расширению спектра применяемых средств. Используются удобрения, вещества со свойствами защиты растений от вредителей, возбудителей заболеваний [4], стимуляторов ростовых функций [1]. Эти средства применяются в виде растворов, суспензий, порошков. В настоящее время возможно их использование на уровне наночастиц [10]. Наночастицы имеют большую адсорбционную способность и транспортную активность, что определяет реальность положительного эффекта при стимулировании растительных организмов с использованием минимальных доз элементов. Установлено, что в природной среде биогенным путем наночастицы продуцируются рядом бактерий, обитающих в донных отложениях водоемов [11]. Подбор необходимых средств ускорения роста растений, усиления устойчивости культур к патогенным организмам определяет применение таких веществ в виде наночастиц.

Актуальные исследования свойств предлагаемых препаратов проводятся на ряде тест-объектов [2]. Расширение спектров и объемов применения наночастиц определяет необходимость изучения реакции стандартных тест-объектов на наночастицы ферри-гидрита для выявления возможного эффекта токсичности.

Цель исследования : изучение реакции стандартных тест-организмов на биогенные наночастицы ферригидрита.

Методы исследования . Исследование свойств биогенных наночастиц ферригидрита в отношении ряда живых организмов проводили с применением стандартных тест-объектов (беспозвоночные, одноклеточная водоросль, двудольное растение) и стандартных методик. Как тест-реакции на действие биогенных наночастиц ферригидрита оценивали выживаемость дафний, рост культуры хлореллы, прорастание семян кресс-салата. Суспензия наночастиц предоставлена доктором физ.-мат. наук, Ю.Л. Гуревичем (Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»). Исходная концентрация суспензии биогенных наночастиц ферри-гидрита составляла 0,996 г/дм³. Диаметр наночастиц равен 2–10 нм [11]. Характеристика получения и структуры наночастиц, синтезируемых бактериями, описана в работе В.П. Ладыгиной [6].

Для проведения токсикологического анализа с использованием в качестве тест-объекта дафнии (Daphnia magna Straus) применяли методику [9]. В опытные емкости помещали по 10 одновозрастных особей, экспонирование вели в течение 48 часов. Контролем служила культивационная вода. В качестве показателя реакции учитывали выживаемость рачков. Изучение реакции водорослей в присутствии биогенных наночастиц вели на примере хлореллы (Chlorella vulgaris Beijer). Анализировали изменение численности клеток по оптической плотности культуры [8]. Экспозиция опыта составляла 22 часа. В качестве контроля использовали дистиллированную воду. У такого тест-объекта, как кресс-салат (Lepidi-um sativum L.), при выявлении токсичности среды учитывают всхожесть семян [5], сравнивая контрольные и опытные варианты. Проращивали семена кресс-салата сорта Забава с экспонированием во влажной камере в течение 5 суток. Во всех вариантах опыта применяли три повторности для каждого тест-организма.

Результат исследования и их обсуждение . Проведенное исследование на тест-организмах различного уровня организации – представителей ракообразных, одноклеточных водорослей, двудольных растений показало сходные результаты по реакции тест-объектов на биогенные наночастицы ферри-гидрита. Культивирование ракообразных проводили при температуре среды 22 °С. Значение pH в контрольном варианте составляло 7,2, в варианте с наночастицами - 6,2.

В ходе экспериментов по определению выживаемости дафний в присутствии биогенных наночастиц ферригидрита было установлено, что у всех особей не наблюдалось реакции токсического действия на выживаемость (табл. 1).

Таблица 1

Вариант эксперимента	Показатель пробы			Выживаемость дафний, %	Оценка тестируемой пробы
	t, °С	pH	Содержание наночастиц
Контроль (культивационная вода)	22 °С	7,2	–	100	Не оказывает токсического действия
Суспензия наночастиц 0,5 %		6,2	4,48 мг/дм3
Суспензия наночастиц 1,0 %		6,2	9,96 мг/дм3

Результаты токсикологического анализа биогенных наночастиц ферригидрита на тест-объекте Daphnia magna

Выживаемость рачков во всех вариантах эксперимента составляла 100 %. Это свидетельствует об отсутствии токсического действия биогенных наночастиц ферригидрита при разбавлении суспензии до 0,5 и 1,0 %.

При изучении свойств бактериального ферри-гидрита по отношению к одноклеточным водорослям учитывали рост культуры хлореллы по показателю оптической плотности. Водоросли культивировали при температуре 36 °С, в контрольной пробе значение pH составляло 7,0; в пробах с биогенными наночастицами – 6,2.

Результаты исследований показали, что биогенные наночастицы не оказывают токсического действия на прирост хлореллы (табл. 2).

Результат токсикологического анализа биогенных наночастиц ферригидрита на тест-объекте Chlorella vulgaris

Таблица 2

Вариант эксперимента	Показатели пробы			Критерий токсичности пробы по оптической плотности	Оценка тестируемой пробы
	t, °С	pH	Содержание наночастиц
Контроль (дистиллированная вода)	36 °С	7,0	–	–	Не оказывает токсического действия
Суспензия наночастиц 0,5 %		6,2	4,48 мг/дм3	-0,56	Не оказывает токсического действия; стимулирует рост
Суспензия наночастиц 1,0 %		6,2	9,96 мг/дм3	-0,08	Не оказывает токсического действия

Обработка полученных данных по приросту численности клеток водоросли показала, что критерий токсичности составил -0,56 для суспензии 0,5 % и 0,08 – для суспензии 1,0 % разведения. На культуру хлореллы при данных условиях токсического действия биогенные наночастицы не оказывали. Зарегистрировано проявление эффекта стимулирования по сравнению с контролем, прирост культуры составил более 50 %.

Реакцию кресс-салата на действие биогенных наночастиц ферригидрита регистрировали по прорастанию семян в лабораторных условиях при комнатной температуре (22–24 °С) и естественном освещении (табл. 3).

Таблица 3

Вариант эксперимента	Энергия прорастания, %		Всхожесть, %
	x±m	Отличие от контроля по критерию Фишера	x±m	Отличие от контроля по критерию Фишера
Контроль (водопроводная вода)	95,5±1,9	–	98,9±1,6	–
Суспензия наночастиц 0,5 % (4,48 мг/дм3)	95,6±1,3	Нет	96,7±1,7	Нет
Суспензия наночастиц 1,0 % (9,96 мг/дм3)	93,3±1,6	Нет	95,5±1,8	Нет

Энергия прорастания и всхожесть семян кресс-салата сорта Забава в присутствии биогенных наночастиц ферригидрита

Энергия прорастания семян кресс-салата в контрольном варианте составила 95,5 %, в присутствии наночастиц 0,5 % суспензии – 95,6; в варианте 1,0 % суспензии – 93,3 %. Применение критерия Фишера при сравнении контрольного и опытных вариантов не выявило достоверных различий. Всхожесть семян имела наиболее высокие значения в контрольном варианте – 98,8 %, при разведении суспензии наночастиц до 0,5 % составляла 96,7 % и разведении биогенных наночастиц до 1,0 % всхожесть была на уровне 95,5 %. По критерию Фишера не установлено достоверного отличия всхожести кресс-салата между контрольными и опытными вариантами.

Не наблюдалось эффекта изменения всхожести семян кресс-салата при наличии биогенных наночастиц ферригидрита.

Выводы . По результатам проведенных исследований установлено, что биогенные наночастицы ферригидрита в разбавлении суспензии до 0,5 и 1,0 % не оказывают токсического действия на стандартные тест-объекты.

Реакция дафний по уровню выживаемости не отличалась от контрольной и составляла 100 %. Рост культуры одноклеточной водоросли хлорелла имел незначительный стимулирующий эффект при разбавлении суспензии наночастиц 1,0 %, прирост кле- ток не превышал 30 % от контрольного. При разбавлении 0,5 % суспензии наночастиц проявился выраженный стимулирующий эффект с повышением более, чем на 50 % от контрольного прироста клеток. Прорастание семян кресс-салата в присутствии наночастиц не имело значимых отличий от контрольного варианта по энергии прорастания и всхожести. Полученные данные позволяют предположить, что наночастицы ферригидрита, синтезируемого бактериями, не имеют токсического действия на организмы и могут быть использованы в целях стимулирования развития растений и микроорганизмов.