Эколого-биологические эффекты нанокристаллических металлов (стр. 2 )

3.1.2 Вегетативные органы растений. Предпосевная обработка семян ультрадисперсными порошками металлов железа, кобальта и меди в дозах 0,012-0,048 г на гектарную норму высева горца птичьего и лапчатки гусиной не оказала достоверного влияния на изменение в их стеблях и листьях микроэлементов. В частности, содержание железа варьировало в диапазоне 51,5 – 55,3 мг/кг сухого вещества против в 53,2 мг/кг в контроле. Содержание меди в опыте и контроле не выходило за пределы 7,4– 8,9 мг/кг, кобальта - 0,12 – 0,19 мг/кг сухого вещества.

Растения кукурузы после обработки семян перед посадкой УДП железа в дозе 0,08 г на гектарную норму высева различались по аккумуляции химических элементов в процессе онтогенеза. На разных фазах развития растений в их корнях, стеблях и листьях происходило уменьшение концентрации одних элементов при увеличении других (табл. 3). Независимо от предпосевной обработки семян, концентрация железа, свинца и кадмия уменьшалась. По содержанию меди надземная часть растений в фазе 8 - 9 листьев в опыте было больше, чем в контроле в 1,5 раза, а в корнях - примерно во столько же меньше. На этой фазе корни растений, семена которых подвергали предпосевной обработке, превосходили по содержанию марганца примерно вдвое. Преимущество по содержанию этого элемента сохранялось в стеблях и листьях растений, произрастающих на опытном участке, до начала цветения.

В течение развития растений разной направленностью отличались изменения концентраций поллютантов – кадмия и свинца. Содержание свинца к началу цветения в стеблях растений, семена которых подвергали предпосевной обработке, было выше, чем в контроле в 1,8 раз, а кадмия - в 4,3 раза меньше. В листьях контрольной группы свинца было меньше, чем в опытной в 1,5 раза, а кадмия – 1,2 раза больше. На этой фазе развития растения существенно отличались по содержанию железа: стебли растений опытной группы превосходили контрольную в 2,8 раза (табл. 3).

Таблица 3 - Динамика химических элементов в онтогенезе кукурузы, контрольной (А) и опытной (Б) групп.

Растения	Химические элементы
Органы	Фазы развития	Fe, мг/кг	Pb, мг/кг	Cd, мкг/кг	Cu, мг/кг	Mn, мг/кг
Проростки: А Б	8 – 9 лист.	189,9±2.22* 182,9±1.70	3,13±0,19 234±0,14	209,5±11,0 365,7±24,1	20,58±1,19* 30,79±1,18	1,241±0,027 1,181±0,044
Корни: А Б	110,8±0,99 199,5±1,19	3,54±0,05 5,61±0,15	219,2±2,90 175,2±8,81	9,88±0,23 6,29±0,09	1,010±0,015 2,073±0,035
Стебли: А Б	Начало цвете- ния	12,6±0,33 35,1±1,95	0,47±0,08 0,87±0,08	116,3±1,90 26,8±3,22	2,46±0,39 3,71±0,22	0,159±0,005 0,232±0,016
Листья: А Б	54,8±0,44 43,9±0,40	3,46±0,14 2,26±0,11	87,1±3,41 102,5±5,23	24,05±1,04 17,45±0,79	0,677±0,010 1,214±0,025
Семена: А Б	воск. спел.	35,41±0,66 13,64±0,31*	0,51±0,04 0,36±0,07	14,0±1,52 8,82±1,10	1,27±0,21 0,99±0,18	0,171±0,017 0,076±0,004

Примечание: *-Р ≤ 0,05

К завершению развития растений, по достижении кукурузой восковой спелости, концентрация всех анализируемых элементов значительно уменьшилась. Наиболее интенсивно уменьшалось содержание химических элементов от вегетативных органов к семенам у растений, семена которых подвергали обработке. Содержание железа в семенах этих растений было меньше, чем в контроле в 2,6 раза, марганца – в 2,3, меди – в 1,3, свинца – в 1,4 и кадмия – в 1,6 раза (табл. 3).

УДП железа влияет на динамику аккумуляции поллютантов и эссенциальных элементов в процессе роста и развития растений. Направленность и диапазон этих изменений существенно варьирует в онтогенезе кукурузы. Но к завершению развития растений под влиянием УДП железа происходит уменьшение железа, меди, марганца, кадмия и свинца в зерне созревающей кукурузы.

3.2 Влияние УДПМ на рост, развитие, урожайность и качество зеленой массы растений

3.2.1 Лапчатка гусиная. Обработка семян лапчатки гусиной УДП железа и УДП меди в дозах 0,012, 0,030 и 0,048 г на гектарную норму высева способствовала достоверному повышению всхожести до 10% по сравнению с контролем, изменению размеров первичных проростков и корешков и росту продуктивности фотосинтеза на 20,6–22,5%. Под действием УДПМ на экспериментальных участках были сформированы более высокие побеги с повышенным числом листьев и более крупными листовыми пластинками, чем на контрольном участке. На 7 дней раньше наступило цветение. Видимо, на ранних этапах прорастания семян УДПМ в силу высокой диффузионной способности проникают во внутриклеточные структуры корней и ростков, воздействуя на окислительно-восстановительные процессы, активируя металлсодержащие ферменты (пероксидазы, полифенолоксидазы, цитохромы).

Под действием УДПМ изменяется накопление биологически активных соединений. По результатам двухлетних исследований установлено, что под действием УДПМ в надземной части лапчатки гусиной содержание аскорбиновой кислоты превышало ее содержание в контроле на 8,8–31,4%. Максимальное накопление наблюдали при обработке семян УДП меди (0,03 г на гектарную норму высева). Увеличивалось также количество каротина. В фазу цветения в вариантах с УДП кобальта уровень каротина повышался по отношению к контролю на 41-50%, в вариантах с УДП меди - на 26-33% и с УДП железа – на 24-33%.

3.2.2 Кукуруза. В исследованиях на гибриде кукурузы Катерина СВ установлена высокая эффективность наночастиц железа, которыми в дозе 0,08 г на гектарную норму высева проводили предпосевную обработку семян этой культуры. Оказалось, что полевая всхожесть кукурузы, семена которой были обработаны перед посевом УДП железа, варьировала от 79 до 87%, а контрольной - от 75 до 86%, что в среднем составляло 83% и 78% соответственно.

В фазе образования 5 – 7 листьев высота растений на контрольном участке составляла в среднем 19,3±0,6 см, на опытном – 23,4±0,7 см. Цветение растений, семена которых были обработаны УДП, началось через 60,5 дня после посева, опережая контрольные на 2 – 3 дня. В начале фазы цветения площадь листовой поверхности у растений на опытном участке составляла 0,3181±0,004 м2, на контрольном - 0,2748±0,003 м2, что соответствовало ассимилирующим поверхностям площадью 25448 и 21984 м2/га. Превышение по площади листвой поверхности под влиянием УДП железа в среднем на 15,8% имело высокую статистическую достоверность (Р≤0,96).

Обработка семян УДПМ повлияла на урожайность кукурузы. У растений опытного участка доля початков в структуре урожая составляла 24,5%, что превышало этот показатель на контрольном поле в среднем на 3%. Масса зерна в початках, собранных с растений опытного участка, превосходила таковые в контроле в среднем на 15,4%, урожайность листостебельной массы на – 9,5%, початков – на 34,8% (табл. 4).

Таблица 4 - Влияние УДП железа на урожайность кукурузы

Показатели	Контроль	Опыт (УДП железа)
Урожайность зеленой массы с початками, ц/га	433±5*	528±3
Урожайность початков, ц/га	112±2	123±2
Урожайность зерна (при кондиц. влажности), ц/га	5,5±0,4	6,3±0,4*

Примечание: *-Р ≤ 0,05

Обнаружено изменение биохимических показателей зерна, собранного на опытном участке. В частности, по отношению к контролю содержание жира в зерне возросло на 10,9%, белка – на 4%, клетчатки – 0,5% и золы – 17,4%. Однако содержание сухого вещества уменьшилось на 0,2% (табл. 5).

Таблица 5 - Изменение биохимического состава зерна кукурузы под влиянием предпосевной обработки семян этой культуры УДПжелеза

Биохимические показатели, %	Контроль	Опыт
Сырой жир, %	3.02±0.04*	3.35±0.02
Сырой белок, %	7.4±0.04	7.7±0.04
Сырая клетчатка, %	2.06±0.03	2.05±0.01*
Сырая зола, %	1.34±0.01	1.47±0.02
Крахмал, %	64.65±0.30	64.91±0.22
Сухое вещество, %	91.36±0.21	91.15±0.29

Примечание: *-Р ≤ 0,05

3.2.3 Вика. Сходное влияние оказало УДПМ на семена вики (сорт Льговская-28). Энергия прорастания семян повысилась на 6-9%. Наибольшая всхожесть семян вики (на 20% больше по сравнению с контролем) обеспечивала УДП меди (0,03 г на гектарную норму высева семян).

Следовательно, микроэлементы в форме УДПМ стимулируют начальные процессы, активизируя метаболические процессы на этапе набухания семян и влияя на их гетеротрофное питание. С этим показателем тесно коррелирует масса и объем органов растения. Предпосевная обработка семян УДПМ, увеличивая нарастание листового аппарата у вики, оказывала положительное влияние и на продуктивность фотосинтеза, повышая его на 15-21% в зависимости от металла и его количества. Поэтому на 6-9 дней раньше наступило цветение и созревание. На протяжении всех лет исследования (2000–2002 гг.) урожайность зеленой массы вики превышала контроль на 50-60 ц/га при оптимальной дозе 0,03 г УДПМ на гектарную норму высева семян, что было рекомендовано для дальнейших исследований.

По результатам химического анализа зеленой массы вики (табл. 6) следует, что предпосевная обработка семян УДПМ повышает содержание белка до 40% в зависимости от металла. Максимальное содержание белка наблюдалось при обработке семян УДП кобальта (0,03-0,06 г на гектарную норму высева семян), который активно влияет на азотный и белковый обмен, способствуя синтезу протеинов. При этом повышению содержания протеина в растениях сопутствует тенденция к снижению в зеленой массе сырой клетчатки, так как в онтогенезе наиболее интенсивно протекают ростовые процессы. Вероятно, это связано с новообразованием тканей, в которых содержание клетчатки меньше, чем в более старых тканях. Наблюдается некоторое повышение зольности и количества фосфора и кальция.

Таблица 6 - Действие УДПМ на химический состав зеленой массы вики, %

Варианты	Средние значения по результатам исследований, выполненных в гг.
Сырой протеин	Сырая клетчатка	Зола	Кальций	Фосфор	БЭВ
Контроль	16,9 ±0,002*	34,0± 0,004	9,1± 0,001	1,48 ± 0,004	0,17 ± 0,003*	28,5 ± 0,400
УДП-Fe 0,03 г	23,9 ±0,001	31,9 ± 0,002*	9,9 ± 0,002	1,56 ±0,002*	0,20 ± 0,004	26,2 ± 0,200
УДП-Co 0,03 г	22,75±0,004	30,5 ± 0,004*	9,7 ± 0,001	1,63 ± 0,002*	0,22 ± 0,003	26,9 ± 0,300
УДП-Co 0,06 г	23,05±0,004	29,0 ± 0,004*	9,6 ± 0,001	1,60 ± 0,002*	0,22 ± 0,003	26,8 ± 0,300
УДП-Cu 0,03 г	26,4±0,003*	28,5 ± 0,001*	9,7 ± 0,004	1,55 ± 0,003	0,20 ± 0,001	28,0 ± 0,100

Примечание: *-Р ≤ 0,05

При обработке семян вики УДПМ содержание аскорбиновой кислоты по сравнению с контролем увеличилось в среднем в 3 раза (УДП меди). Самое высокое содержание каротина было после обработки УДП меди, что превышало контроль в 4 раза в зависимости от фаз развития растения.

Улучшению внешнего вида семян вики под влиянием добавки УДП меди сопутствовало увеличение содержания белка по отношению к его содержанию в контроле. При обработке УДП меди и УДП кобальта возросло содержание полисахаридов в семенах вики по сравнению с контролем на 29% и 32% соответственно, при этом количество лектина в общем белке уменьшилось для УДП меди на 17%, а для УДП кобальта на 24%, что повысило кормовую ценность семян вики. Повышение концентрации кобальта до 0,06 г не повлияло на данные показатели. Содержание полисахаридов повысилось это, вероятно, связано с уменьшением количества лектина, который связывает углеводы. Выделенные из семян вики водорастворимые полисахариды, имели величину удельного вращения +1200….+1290 и количество уроновых кислот до 40% , что позволяет отнести их к гликуроногликанам. В состав выделенных полисахаридов входят Д-галактуроновая кислота, галактоза, глюкоза, манноза, арабиноза и рамноза, ксилоза и их количество зависит от обработки УДПМ. Если при обработке вики УДП кобальта увеличилось содержания галактозы на 71%, а рамнозы и арабинозы уменьшилось соответственно на 43% и 28%, то для УДП меди содержание рамнозы снизилось на 8%, арабинозы – на 6%, ксилозы – на 4%, при повышении содержания маннозы, глюкозы и галактозы (рис. 2).

Таким образом, предпосевная обработка УДПМ повысила урожайность вики на 25-30%, увеличила накопление биологически активных соединений, что улучшило её кормовые качества. Возрастание количества полисахаридов не повлияла на качественный состав выделенных полисахаридов, но изменила их количественные соотношения.

Рис. 2. Процентное содержание моносахаридов в полисахаридах семян вики

4. Влияние нанокристаллических металлов на состав и свойства полисахаридов растений

4.1 Полисахаридный состав горца птичьего. Оптимальные условия выделения водорастворимых полисахаридов отрабатывались на растении горец птичий. Наибольший выход водорастворимых полисахаридов достигался при обработке сырья на кипящей водяной бане 90 минут при двукратной повторности.

Для исследования полисахаридного состава и выделения гомогенных фракций полисахариды, выделенные из надземных частей горца птичьего в период их максимального накопления, подвергали фракционированию по схеме:

Исходный полисахарид

КУ-2(Н+) АВ-17(ОН-)

Деминерализованный полисахарид

Раствор Фелинга;

гидроксид натрия (0,13%)

Соляная кислота Этанол

Фракция 1 Фракция 2

Хлористый Цетавлон Этанол Ацетат меди