Влияние углеродных нанотрубок на некоторые морфологические и физиологические показатели сельскохозяйственных растений

УДК 57.043, 57.044

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА НЕКОТОРЫЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ

© О.Н. Зайцева, А. А. Гусев, А.В. Емельянов

Ключевые слова: многостенные углеродные нанотрубки; ксенобиотики; экотоксикология.

В статье представлены экспериментальные работы по изучению воздействия многостенных углеродных нанотрубок на биологические объекты.

ВВЕДЕНИЕ

Применение нанотехнологий в медицине, электронике и производстве новых материалов сулит необыкновенные и заманчивые перспективы, особенно при массовом их внедрении. Однако растут опасения, что нанотехнологии могут представлять собой угрозу для окружающей среды [1, 2]. Производство, использование, утилизация и непреднамеренные утечки наноматериалов неизбежно приведут к их появлению в воздухе, почве, воде или организмах. Поэтому необходимы исследования их влияния на живую природу.

Помимо естественных источников поступления наночастиц, существует множество источников ненамеренного антропогенного загрязнения окружающей среды [3]. Самые опасные -одновременно мобильные и токсические наноматериалы [4]. Наночастицы, как правило, легче вступают в химические превращения, нежели более крупные объекты того же состава, и поэтому способны образовывать комплексные соединения с ранее неизвестными свойствами [5]. Это обстоятельство увеличивает технологическую перспективность нанообъектов и в то же время заставляет с особым вниманием относиться к связанным с ними рискам.

Оценка возможных экологических последствий искусственных наноматериалов до начала их массового производства имеет важнейшее значение для устранения опасений, связанных с их потенциальным влиянием на состояние окружающей среды и здоровье людей [6, 7].

До сих пор экотоксикологические исследования наночастиц ограничивались весьма узким кругом материалов и организмов, являющихся объектом воздействия. Не хватает данных о влиянии наночастиц на флору [6].

В Тамбовском государственном университете им. Г.Р. Державина на базе специализированной лаборатории проводится экологическая оценка углеродного наноматериала «Таунит» (УНМ «Таунит»), промышленно производимого ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов. Этот материал представляет собой наномасштабные квазиодномерные образования цилиндрической формы с внутренним каналом (многостенные углеродные нанотрубки (Multi Walled Carbon Nano Tubes, MWCNT)).

Основной целью наших исследований является изучение влияния наночастиц на окружающую среду и проживающие в ней организмы. В настоящее время проводится биотестирование углеродного наноматериала «Таунит» на высших растениях.

Задачи исследования:

- изучить влияние углеродных нанотрубок на морфометрические показатели растительного организма;

- измерить активность пероксидаз проростков растений;

1779

- с помощью методов световой и электронной микроскопии изучить способность многостенных углеродных нанотрубоук проникать и накапливаться в тканях растений.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В качестве модельных объектов были выбраны сельскохозяйственные культуры: яровая пшеница, горох, эспарцет песчаный и подсолнечник. На выбор объектов исследования повлиял тот факт, что нанотрубки являются перспективными носителями удобрений для сельскохозяйственных растений [8], способных повлиять на решение остро стоящей перед человечеством продовольственной проблемы [9].

Проводилось изучение влияния углеродных нанотрубок на ранние стадии онтогенеза растений, поскольку именно начальные этапы развития характеризуются наибольшей чувствительностью к внешним факторам. Для этого были заложены опыты по проращиванию семян в среде, представляющей собой 0,03 % (по массе) коллоидный водный раствор УНМ «Таунит». Условия проращивания соответствовали требованиям методики (ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести). Для приготовления контрольной среды бралась чистая вода. Оценивались: всхожесть семян (%), энергия прорастания (%), линейные размеры и масса надземных и подземных частей растений. Эксперименты продолжались по 18 дней. Измерение активности форм пероксидазы клеточной стенки проводили по методу А.Н. Бояркина (1951) [10]. Исследование путей проникновения и распределения нанотрубок в тканях растений были проведены с использованием методик световой и электронной микроскопии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

0,03 % (по массе) коллоидный водный раствор УНМ «Таунит» оказывает подавляющее действие на процессы раннего вегетативного онтогенеза пшеницы, гороха и подсолнечника, что выражается в снижении росто-весовых показателей и запаздывании развития по сравнению с контрольной группой. Вместе с тем отмечено позитивное влияние наноматериала на устойчивость семян к гниению и развитие корневой системы. Также зафиксирован положительный эффект УНМ «Таунит» на всхожесть семян и на защищённость их от гниения. Последнее может быть связано с подавляющим действием наноматериала на развитие микроорганизмов. Как показали предыдущие исследования, именно бактерии оказались наиболее чувствительными тест-объектами к воздействию нанотрубок. Примечательно, что тестируемый раствор имел концентрацию в пределах летальных значений содержания УНМ «Таунит», определенных для бактериальной флоры [11, 12].

В качестве маркера для тестирования физиологического состояния исследуемых растений был выбран фермент пероксидаза. Выявлено достоверное снижение активности данного фермента при выращивании растений гороха на среде, содержащей «Таунит» в концентрации 10-2 и 10-3 М. Наблюдаемое снижение активности пероксидазы в сочетании с усиленным развитием корневой системы опытных растений гороха по сравнению с контрольными, вероятно, можно объяснить тем, что применение исследуемых концентраций «Таунита» понижает способность пероксидазы конкурировать с ИУК за субстрат.

Выявлена способность частиц УНМ «Таунит» проникать через клетки корневой системы в ткани растения (эспарцет песчаный) и накапливаться вблизи устьичных клеток на нижней поверхности листовой пластинки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, нами проведено биотестирование промышленно производимого углеродного наноматериала на высших растениях, апробированы и адаптированы соответствующие методики, получены предварительные результаты. Практическая значимость подобных исследований обусловлена необходимостью всесторонней оценки биологической безопасности высокотехнологичной продукции наноиндустрии, как нового вида ксенобиотиков.

1780

ЛИТЕРАТУРА

1. Нанотехнологии спасут среду обитания. URL: www.w3.org

2. Наноматериалы могут угрожать здоровью. URL: http://cnews.ru

3. ElderA.C.P. The Toxicology of Nanomaterials. 2007. Univ. of Rochester, DEM. 37 p.

4. ДьячковП.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применение. М.: Изд-во Бииом, 2006. 293 с.

5. Kostarelos K. The long and short of carbon nanotube toxicity // Nature Biotechnology. 2008. № 7. July. V. 26. P. 774-776.

6. Ежегодник «Глобальная экологическая перспектива», 2007.

7. Olsen S.T. and Jorgensen M.S. Environmental assessment of micro/nano production in a life cycle perspective // Material Research Society Fall Meeting. Boston, MA, USA. 2005.

8. Арефьева О.А., Рогачева С.М., Кузнецов П.Е. Наносистемы для доставки химических веществ к корням растений // Материалы 1 Международного форума по нанотехнологиям. Москва, 3-5 дек. 2008 г. URL: http://www.rusnanoforum.ru

9. Экология человека / под ред. Б.Б. Прохорова. М., 2000. 438 с.

10. Бояркин А.Н. Быстрый метод определения активности пероксидазы // Биохимия. 1951. Т. 16. C. 4.

11. Гусев А.А., Ткачев А.Г., Емельянов А.В. Исследование экологического аспекта безопасности углеродного наноматериала «Таунит» // Материалы 1 Междунар. форума по нанотехнологиям. Москва, 3-5 дек. 2008 г. URL: http://www.rusnanoforum.ru

12. Емельянов А.В., Гусев А.А., Ткачев А.Г., Поздняков А.П., Веденеева Т.А., Стегачева Т.А., Кузьмин А. С. Экотоксикологическая оценка наноматериала «Таунит» с применением тест-системы «Эколюм» // Биология - наука XXI века: сб. тез. 12 Междунар. Пущинской школы-конф. молодых ученых. Пущи-но, 2008. С. 294-295.

БЛАГОДАРНОСТИ: Научно-исследовательская работа проведена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Поступила в редакцию 3 сентября 2010 г.

Zaytseva O.N., Gusev A.A., Yemelyanov A.V. Influence of carbon nanotubes on some morphological and physiological properties of agricultural plants

In this article experimental works concerning research of influence of multi walled carbon nanotubes on agricultural plants are presented.

Key words: multi walled carbon nano tubes; xenobiotics; ecotoxicology.

1781