Влияние наночастиц серебра на ростовые процессы пшеницы

Одним из перспективных направлений исследований в настоящее время является применение нанотехнологий в растениеводстве. К числу основных факторов повышения урожайности и качества сельскохозяйственных культур относятся биологически активные вещества, стимулирующие рост и развитие растений. К таким биологически активным веществам относятся биогенные металлы в коллоидном состоянии (наночастицы), в том числе наночастицы серебра.

В отличие от ионного серебра наночастицы обладают пролонгированным действием и не требуют применения его в больших дозах для достижения необходимого биологического эффекта. Биологическое действие наночастиц зависит от их размера, формы и способа получения [1]. Однако до настоящего времени в научной литературе существуют лишь отдельные данные по влиянию наночастиц серебра на растения, и они в основном связаны с негативным действием высоких концентраций наносеребра [2].

Поэтому целью данной работы было исследование стимулирующего действия низких концентраций наночастиц серебра на ростовые процессы пшеницы на ранних этапах онтогенеза.

Материалы и методы исследований

Объектами исследования служили семена пшеницы ( Triticum aestivum L.) сорта Одесская 267 и водорастворимая бактерицидная нанобиокомпозиция серебра. При синтезе наносеребра использовали нитрат серебра «ч.д.а.» ГОСТ 1277-75 и альгинат натрия (натриевая соль альгиновой кислоты, BioChemika). Все растворы готовили на бидистиллированной воде. Фотовосстановление катионов Ag⁺ проводили на воздухе при температуре 20 ^оС. В качестве источника света использовали ртутную лампу высокого давления ДРШ-250 [3].

Схема эксперимента включала исследование влияния различных концентраций наносеребра на набухание и прорастание семян, прирост биомассы корней и надземной части проростков, а также накопление серебра в семенах.

Степень набухания семян определяли при замачивании их в растворах наносеребра с концентрацией 0,01; 0,1; 1,0 и 10,0 мг/дм³ через каждые 4 ч в течение суток. Для определения всхожести и прироста биомассы проростков семена замачивали в растворах наносеребра с той же концентрацией в течение 4 ч, а затем помещали на влажную фильтровальную бумагу в чашки Петри и проращивали в термостате при температуре 24 ^оС в течение 7 дней .

Энергию прорастания и всхожесть семян определяли по ГОСТ 12038-84 [4]. Биомассу проростков корней и надземной части измеряли общепринятым гравиметрическим методом, фиксируя растительный материал в течение 5 мин при 110 оС и досушивая его до постоянной массы при 60 оС.

Содержание серебра в семенах после замачивания в растворах наносеребра определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии (Сатурн-4 ЭПАВ) после озоления в муфельной печи при температуре 400-450 оС. Дальнейший анализ проводили с электротермической атомизацией.

Полученные данные обработаны стандартными методами математической статистики с использованием компьютерных программ Microsoft® Excel 2007 и Statistica v.6.0. Stat Soft Inc.

Результаты исследований

Учитывая особую значимость процесса набухания, первоначальная задача заключалась в исследовании влияния различных концентраций наносеребра на этот процесс. Набухание семян является важным этапом, необходимым для активации ферментов, так как сухие семена содержат только связанную воду [5].

Приведенные на рисунке 1 результаты показывают, что наносеребро в концентрации 0,01-10,0 мг/дм3 не оказывало негативного действия на процесс набухания семян, а его наибольшая скорость отмечалась до 16 ч во всех вариантах опыта, что соответствует максимальной ферментативной активности [6]. Однако после 4 ч замачивания семян в растворах наносеребра с концентрацией 1,0-10,0 мг/дм3 наблюдалось незначительное увеличение водопоглощения по сравнению с контролем на 2,5-2,8 %.

Влияние наночастиц серебра на ростовые процессы может проявляться как следствие их адгезии на поверхности семян. Поэтому прежде всего важно было определить накопление наносеребра в семенах пшеницы после их замачивания. Мы не исследовали, проникает ли серебро в форме наночастиц или ионов через оболочку семян в течение 4 ч замачивания, поэтому суммарное содержание серебра в семенах в дальнейшем указано как его накопление.

Данные, представленные на рисунке 2, показывают, что накопление наносеребра в семенах увеличивается в зависимости от его концентрации в растворе и составляет 0,0071,2 мг/кг сухого вещества. В связи с этим представляется необходимым при исследовании процессов влияния наночастиц на ростовые процессы учитывать величину их накопления в семенах.

Время набухания, ч

Рис. 1. Влияние концентрации наносеребра на набухание семян пшеницы

Рис. 2. Накопление наносеребра в семенах пшеницы после 4 ч замачивания

При исследовании влияния наносеребра на энергию прорастания и всхожесть семян пшеницы была установлена стимуляция этих процессов (табл. 1). Показатели энергии прорастания превышали контрольный вариант на 4,7-9,3 %, а всхожести – на 7,6-9,3 %. Максимальный эффект обработки семян отмечался в вариантах с концентрацией наносеребра 0,01-1,0 мг/дм3 .

Представленные в таблице 1 результаты хорошо коррелировали с данными накопления биомассы корней и надземной части проростков пшеницы. При этом более высокое стимулирующее действие наносеребро оказывало на прирост биомассы корней (табл. 2). Этот эффект может быть связан с перераспределением серебра в процессе прорастания семян и накоплением его корнями в количестве, проявляющем стимулирующий эффект [7].

Известно, что стимуляция ростовых процессов наночастицами серебра осуществляется при прорастании семян на ранних этапах онтогенеза, оказывая значительное влияние на окислительное фосфорилирование и фотосинтез. Предпосевная обработка семян пшеницы растворами наночастиц металлов мобилизует систему антиоксидантной защиты растений в течение онтогенеза [8, 9].

Таблица 1

Влияние концентрации наносеребра на прорастание семян пшеницы

Концентрация нанобиосеребра, мг/дм3	Энергия прорастания, %	Всхожесть, %
0	80,3±2,2	83,0±2,5
0,01	89,6±3,4	92,3±3,7
0,1	87,0±1,8	91,0±3,2
1,0	88,3±2,5	92,0±2,6
10,0	85,0±2,8	90,6±3,0

Максимальное увеличение массы сухого вещества корней наблюдалось при концентрации наносеребра 0,01 мг/дм3 и составило 11,8 %, а надземной части – 5,7 %. При дальнейшем увеличении концентрации наносеребра наблюдается снижение стимулирующего эффекта по сравнению с контролем, а при концентрации 10,0 мг/дм3 – угнетение ростовых процессов. Можно предположить, что снижение положительного эффекта связано с увели- чением количества наносеребра, накопленного семенами при замачивании. Это показывает, что накопление наносеребра в семенах свыше 0,26 мг/кг сухого вещества оказывает ингибирующее действие на ростовые процессы. Эти результаты необходимо учитывать при обосновании экологически безопасных агромероприятий с применением наноструктурированных препаратов.

Таблица 2

Влияние наносеребра на накопление биомассы 7-дневных проростков пшеницы

Концентрация наносеребра, мг/дм3	Накопление биомассы
	масса сухого вещества корней, мг	масса сухого вещества надземной части, мг	масса сухого вещества корней, %	масса сухого вещества надземной части, %
0	3,64±0,03	6,08±0,07	100,0	100,0
0,01	4,07±0,05	6,43±0,09	111,8	105,7
0,1	3,86±0,06	6,36±0,08	106,0	104,6
1,0	3,85±0,04	6,32±0,06	105,7	103,9
10,0	3,53±0,07	5,78±0,08	96,9	95,0

Нужно отметить, что биологическое действие наночастиц значительно зависит от метода их получения. При химическом восстановлении наночастиц важной является природа восстановителя и стабилизатора. В качестве восстановителя и одновременно стабилизатора нами использован альгинат натрия, который не только позволяет получать высокостабильную водорастворимую композицию наночастиц серебра с узким распределением по размерам, но и обладает широким спектром биологической активности. Поэтому такой метод получения наночастиц серебра по праву относится к «зеленой нанохимии».

Таким образом, водорастворимая нанокомпозиция серебра на основе альгината натрия в исследуемых концентрациях оказывала стимулирующее действие на энергию прорастания и всхожесть семян, а также накопление биомассы корней и надземной части проростков пшеницы.

Выводы

• 1.    Показано, что наночастицы серебра оказывают стимулирующее действие на ростовые процессы пшеницы.

• 2.    Установлено, что замачивание семян в течение 4 ч в растворах наносеребра в концентрации от 0,01 до 1,0 мг/дм³ стимулирует энергию прорастания и всхожесть семян, а также накопление биомассы корней и надземной части проростков пшеницы.

• 3.    Влияние наносеребра на ростовые процессы связано с его накоплением в семенах после замачивания.

• 7.    Salama H. Effects of silver nanoparticles in some crop plants, Common bean ( Phaseolus vulgaris L.) and corn ( Zea mays L.) // J. Biotechnology. 2012. Vol. 3 (10). Р. 190–197.

• 8.    Labraba X., Araus J.L. Effect of foliar applications of silver nitrate and ear removal on dioxide assimilation in wheat flag leavesduring grainfilling // Field Crops Res. 1991. Vol. 28. P. 149–162.

• 9.    Seif Sahandi M., Sorooshzadeh A., Rezazadeh S. et al. Effect of nano silver and silver nitrate on seed yield of borage // J. of Med. Plants Res. 2011. Vol. 5. P. 171–175.

• 10.    Таран Н.Ю., Бацманова Л.М., Лопатько К.Г. и др. Технологія екологічно безпечного використання нанопрепаратів у адаптивному рослинництві // Фізика живого.  2011. Т. 19, № 2.