Введение 3
1. Медь в почвах и растениях 5
1.1. Формы и содержание меди в почвах 5
1.2. Загрязнение почвы медью 6
1.3. Физиологические функции меди в растениях 9
1.4. Токсическое действие меди на растения 11
2. Характеристика фуллеренов и его производных (фуллеренола C60) 14
2.1. Действие фуллеренола на почву 14
2.2. Действие фуллеренола на растения 15
3. Материалы и методы 19
3.1. Материалы 19
3.2. Методы 19
3.2.1. Выращивание растений 19
3.2.2. Анализы растений 20
3.2.3. Анализы почвы 21
3.2.4. Статистический анализ 21
4. Результаты и обсуждения 22
4.1. Влияние фуллеренола на рост и развитие растений огурца при избытке
меди 22
4.2. Влияние наночастиц фуллеренола на поступление элементов минерального
питания в растениях огурца при избытке меди 24
4.3. Влияние наночастиц фуллеренола на концентрацию меди в питательных
растворах 31
4.4. Влияние наночастиц фуллеренола на токсическое действие меди в почве. 32
Заключение 35
Выводы 36
Список литературы 37
Медь является жизненно важным микроэлементом, необходимым для роста и развития растений, который выполняет множество функций и участвует в важнейших метаболических процессах (Marschner, 1995). Большинство функций, которые выполняет медь, связано с ее участием в ферментативных окислительно-восстановительных реакциях (Sandman, Boger, 1983). Медьсодержащие ферменты участвуют в процессах фотосинтеза, транспорта электронов, формировании клеточных стенок, защитных реакций и т.д. (Marschner, 1997).
Хотя медь и является необходимым химическим элементом для роста и развития растений, избыточные концентрации данного микроэлемента могут оказывать негативное воздействие на функционирования основных систем организма растения, вызывая хлороз, замедление роста и препятствие поглощению других микроэлементов (Иванова, 2011). Избыточные концентрации меди достигаются в основном за счет загрязнения, вызванного деятельностью человека (Яровенко, 2009). Медь входит в состав различных удобрений, пестицидов и фунгицидов, избыточное использование которых может привести к загрязнению почвы и негативному влиянию на плодородие и качество почвы, растения и сообщества почвенных микроорганизмов, что впоследствии снижает урожай (Зырин, 1985). Негативному воздействию также подвергаются почвы вблизи металлургических и металлодобывающих предприятий, а также в окрестностях энергетической инфраструктуры (Яровенко, 2009).
Для эффективного противодействия токсических эффектам, вызванных накоплением в среде поллютантов, необходимы исследования и разработка новых и экономически оправданных средств. Одним из наиболее перспективных направлений для исследований по разработке решений для этой проблемы являются нанотехнологии.
На данный момент проводятся исследования на предмет увеличения урожайности и защиты растений от негативных факторов с помощью применения различных наноматериалов (Wang et al., 2016; Zaytseva, Neumann, 2016). В их число входят и углеродные наночастицы, которые за счет своих малых размеров и уникальных физико-химических свойств имеют перспективы применения в сельском хозяйстве.
Среди углеродных наночастиц выделяется фуллеренол C60 - водорастворимая форма фуллерена, полученная с помощью гидроксилирования (Krotto et al., 1985; Ruoff et al., 1993). Было показано, что фуллеренол Сб0 увеличивает биомассу, количество плодов и содержания фитопрепаратов в горькой дыне (Momordica charantia) (Kole et al. 2013). Также зафиксирована способность наночастиц фуллеренола противостоять различным стрессовым факторам, таким как УФ-В излучение и солевой стресс (Panova, 2016). 3
Фуллеренол стимулировал удлинение гипокотиля у растения арабидопсиса (Arabidopsis thaliana) и корней у ржи (Hordeum vulgare) (Gao et al. 2011; Panova, 2016). Однако сведения, об использования фуллеренола для снижения негативных последствий тяжелых металлов на растения и почвы немногочисленны и противоречивы.
Данная работа проводилась для изучения влияния фуллеренола C60 на растения при избытке меди и оценки перспектив применения данной углеродной наночастицы в дальнейшем.
Цель работы - изучить влияние фуллеренола С60 на функциональную устойчивость почвы и растений к избытку меди.
Задачи работы:
1. Охарактеризовать токсические эффекты избытка меди на растения огурца.
2. Оценить влияние фуллеренола С60 на устойчивость растений огурца к избытку меди в среде.
3. Изучить действие фуллеренола С60 на нитрификационную способность и дегидрогеназную активность почвы при избытке меди.
1. Избыток меди в питательном растворе (15 мкМ/л) вызывал существенное снижение хлорофилла в листьях, дисбаланс элементов минерального питания в листьях и корнях и угнетение роста растений огурца.
2. Внесение фуллеренола С60 в питательный раствор с высоким содержанием меди подавляло транспорт меди в листья растений огурца и тем самым ослабляло фитотоксичность этого металла.
3. Фуллеренол в концентрации 20 и 40 мг/кг увеличивал дегидрогеназную активность и не изменял нитрификационную способность почвы, незагрязненной медью.
4. В почве, загрязненной медью, фуллеренол увеличивал концентрацию водорастворимых форм этого металла. В присутствии фуллеренола негативный эффект меди на дегидрогеназную активность почвы не ослаблялся, а на нитрификационную способность незначительно усиливался.
