Оренбургский государственный университет

Изучение влияния нанодисперсных форм микроэлементов на эффекты антиоксидантов природного и синтетического происхождения в живых системах

Проект № 342

Руководитель — д-р биол. наук Лебедев В.И.

По результатам исследований:

1. Разработаны и апробированы методы прижизненной диагностики проявления токсических эффектов наночастиц на ранних этапах онтогенеза растений.
2. Установлены критерии оценки жизнеспособности растений в присутствии наночастиц.
3. Предложен способ повышения содержания фотосинтетических пигментов Triticum vulgare, включающий обработку растений наночастицами железа (патент № 2539861 от 24.10.2013).

В результате проведенных исследований доказано, что:

• апробированная модель дисэлементозов наглядно демонстрирует, что избыток или дефицит отдельных элементов в системе питания приводит к нарушению элементного гомеостаза в целом, это подтверждается наличием стойких корреляционных связей и возникновением новых;
• сульфаты железа (II) и (III) подавляют развитие организма растения, снижая всхожесть семян и их морфометрические показатели. Наночастицы магнетита Fe₃0₄ обладают бо́льшим стимулирующим воздействием по сравнению частицами наножелеза Fe⁰;
• токсичность наноформ железа неоднозначна для каждого изученного показателя и зависит от дня экспозиции и концентрации железа: 1) по показателю всхожести — НЧ Fe⁰; 2) по ингибированию длины листьев — НЧ Fe⁰ (на 12,1 % больше НЧ магнетита) и Fe₃0₄; 3) по содержанию общей суммы ФП — НЧ магнетита Fe₃O₄;
• стимулирующее влияние соединений железа на изученные параметры зафиксировано при низких концентрациях железа: 0,125 и 10"³ г/л Fe⁰; 0,5 и 10"⁶ г/л Fe₃O₄; 10"³ г/л FeSO₄;
• наноформы железа в целом оказывают бо́льшее положительное воздействие на растения, чем ионные формы, увеличивая количество калия и магния в условиях недостатка питательных элементов. Растения, выращенные под действием наночастиц железа, будут более устойчивы к неблагоприятным погодным условиям;
• растение Triticum vulgare Vill чувствительно к изменению содержания в среде железа и реагирует на это изменением состава токсичных элементов, в частности происходит снижение содержания свинца, кадмия, количество мышьяка практически не меняется;
• установлено, что НЧ меди как металл переменной валентности мультиплексно способствуют выработке АФК и развитию генетических повреждений пшеницы. Первичный эффект объясняется увеличением флуоресценции DCF и окислением молекул фенольной фракции пшеницы. Подтверждением этого является и индукция синтеза ферментов-антикосидантов — супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы (КАТ).
• совокупность полученных данных показала значительное снижение жизнеспособности после 24 часов инкубации с НЧ, особенно токсичными явились НЧ меди. В частности, НЧ Cu⁰ приводят к увеличению синтеза ТБК-активных продуктов и АФК, запускающих реакции перекисного окисления липидов и разрушающих мембрану клеток, и приводят к некрозу.
• показана согласованность мембранной, ферментативной и генетической систем регуляции растений в ответ на стрессовое воздействие металлов. Вероятно, адсорбированные на поверхности корней наночастицы вызывали «экранирование» корневой системы проростков и истощение энергетических ресурсов клетки, что, в свою очередь, приводило к апоптозу.

Результаты исследований могут быть использованы: при формировании методических указаний по оценке прямых и отдаленных эффектов воздействия наночастиц в системе «почва — растение»; диагностике раннего ответа растениями при токсических проявлениях наночастиц; в учебном процессе при формировании курса лекций и практических занятий профильных дисциплин (биохимия, микробиология).

На основании результатов исследований были опубликованы 4 статьи в сборниках профильных конференций, подготовлена и проходит рецензирование 1 статья в системе Scopus, подготовлен 1 патент на изобретение. Подготовлена монография и учебное пособие.