СПОСОБ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН

Изобретение относится к сельскохозяйственному производству и может быть использовано для активации произрастания семян в системе выращивания кормовых культур методами аэропоники и гидропоники. Способ осуществляют обработкой семян стабилизированной электрохимически активированной водной суспензией наночастиц железа. Лабораторные испытания показали высокую эффективность таких суспензий при концентрации наночастиц железа 0,035-0,0087%.

Наукой и практикой накоплен значительный опыт по влиянию высокодисперсных частиц металлов на рост и развитие растений. Взаимодействие наночастиц металлов с растениями сопровождается их встраиванием в мембраны, проникновением в клетки и клеточные органеллы, взаимодействием с нуклеиновыми кислотами и белками, что может существенно изменять функции различных биологических структур [1, 4, 5, 6, 8, 11]. При этом на фоне многочисленных токсических эффектов наночастиц [9, 12, 13], некоторые из них находят практическое применение для предпосевной обработки семян, а также в качестве микроудобрений [1, 14, 15].

Одним из перспективных методов активации проращивания семян является обработка зерна электроактивированной (ЭХА) водой-католитом, образующимся в катодной зоне диафрагменного электролизера, который обладает биостимулирующим действием [18, 19, 20].

Известен способ обработки семенного материала активированной водой-католитом, при этом энергия прорастания семян на 3-й день увеличивается в 2,3-3,4 раза, наблюдается увеличение длин проростков и длин корней на 7-й день по сравнению с контролем в среднем на 8,0-14,3%. Масса семян при обработке в католите после суточной выдержки за счет активной проницаемости покровов семян увеличилась на 64,4%, что превышает контроль на 28%. Повреждаемость болезнями при обработке водопроводной водой была 72,1%, а активированной - нулевая [3].

Целью настоящего исследования является сравнительный анализ биологической активности концентрации наночастиц железа в стабилизированной электрохимически активированной водной суспензии в тесте прорастания семян пшеницы Triticum aestivum, рекомендуемом действующим национальным нормативом [16] для медико-биологической оценки безопасности наночастиц.

В качестве стабилизатора использовали пептид, представленный желатином (ТУ 9219-011-99205730-08) в концентрации не менее 0,01 мас.% [2], что гарантирует длительную сохранность свойств водного раствора католита pH 8-9 и Eh=-350…-400 мВ при проведении эксперимента в течение 7 суток, кроме того, раствор демонстрирует противомикробную и противогрибковую активность.

При проведении исследования использованы наночастицы железа, полученные методом высокотемпературной конденсации на установке «МиГен» [7, 17]. Предварительное изучение морфологии данных частиц на сканирующем электронном микроскопе JSM 7401F («JEOL», Япония) характеризовало их как сферические образования размером 80±15 нм. В свою очередь, использование методов рентгеновской дифрактометрии и мессбауровской спектроскопии идентифицировало на поверхности наночастиц оксидную пленку из Fe₃O₄; α-Fe₂O₃ и γ-Fe₂O₃, составляющую 15% от их массы.

Для создания суспензий наночастиц железа их навески согласно концентрации (5 вариантов табл.1) помещали в стеклянные емкости, куда вносили по 10 мл электрохимически активированной катодной воды с pH 8-9 и редокспотенциалом Еh=-350…-400 мВ [3, 10], стабилизированной желатином в концентрации не менее 0,01 мас.% [2]. Контролем служили семена, обработанные чистой дистиллированной водой - 1 контроль, и электрохимически активированной стабилизированной водой - 2 контроль, без включения наночастиц железа, после чего все образцы диспергировали ультразвуком частотой 35 кГц в источнике ванного типа «Сапфир ТТЦ» (ЗАО ПКФ «Сапфир», Россия) в течение 30 минут. Объектом воздействия стабилизированной электрохимически активированной водной суспензии наночастиц железа явились семена яровой мягкой пшеницы Triticum aestivum сорт «Учитель», соответствующие 1 классу, не обработанные протравителями и удостоверенные соответствующими документами. В качестве субстрата для биотестирования использовали кварцевый песок, который просеивали для получения фракции 0,5-2,0 мм. С целью удаления примесных элементов песок замачивали в 10% растворе НСl в течение 24 ч, после чего 20-кратно промывали дистиллированной водой до достижения нейтрального значения pH, контролируемого с использованием анализатора «Эксперт-001» (ООО «Эконикс-зксперт», Россия). Подготовленный подобным образом субстрат прокаливали в сушильном шкафу при температуре 130°C в течение 1 часа.

При проведении работы, для одной пробы, песок (60 г) увлажняли стабилизированной электрохимически активированной водной суспензией наночастиц железа в концентрациях от 0,56 до 0,0022% и контрольные образцы - соответственно дистиллированной водой и стабилизированной электрохимически активированной водой до полной влагоемкости, определяемой по ГОСТ 12038-84.

На поверхность песка в трех повторностях помещали по 30 семян на каждый анализируемый образец и заглубляли их так, чтобы поверхность семян была на одном уровне с поверхностью субстрата. Подготовленные опытные и контрольные пробы помещали в термостат 20±2°C в отсутствии освещенности при относительной влажности воздуха 80±5%. Через 7 суток (168 часов) инкубации семена извлекали и оценивали их всхожесть, а также длину сформировавшихся корней и побегов, рассчитывая средние значения для каждой пробы.

При анализе поступления и распределения железа в тканях Triticum aestivum навески концевых отрезков корней и проростков высушивали до постоянной массы, после чего проводили пробоподготовку с использованием концентрированной азотной, серной и соляной кислот. Количественное определение содержания железа выполняли с использованием атомно-абсорбционного спектрометра с электротермической атомизацией «Люмекс» МГА-915 (Россия) на длине волны 248,3 нм при температуре 2400°C и времени атомизации 1,7 с. Полученные значения пересчитывали на сухую массу исследуемых образцов.

Все эксперименты выполнены в трех повторностях и обработаны методами вариационной статистики с использованием пакета компьютерных программ «Statistica» V8 («StatSoft Inc.», США).

Инкубация семян Triticum aestivum в контакте с наночастицами железа не изменила частоту прорастания и оказывало на их развитие стимулирующее воздействие, которое, однако, нелинейно зависело от концентрации в среде культивирования (табл. 1). Так, значимое увеличение скорости роста побегов на 0,11-0,15 мм/ч выше контрольных значений (Р<0,05) было зафиксировано в диапазоне воздействующих концентраций наночастиц железа от 0,56 до 0,0022%. Для данного диапазона концентраций было характерно и увеличение скорости роста корневой системы до 1,59-1,98 мм/ч против 1,32-1,40 мм/ч в контроле (Р<0,01). При этом отдельным аспектом подученного результата являлось наиболее выраженная стимуляция роста боковых корней, по своей длине становящихся сопоставимыми с длиной первичного корня (табл. 1).

Присутствие наночастиц железа в среде культивирования сопровождалось интенсивным поступлением и существенным накоплением данного металла в тканях Triticum aestivum, по своим абсолютным значениям превышающим аналогичные значения в тканях контрольных растений, выращенных на деминерализованном песочном субстрате (табл. 2). При этом значимым результатом являлось преимущественное накопление железа в корневой системе модельных растений, в идентичных образцах в 3,47; 1,44 и 1,88 раз превышающее аналогичные значения в тканях побегов соответственно образцов при концентрации Fe 0,56; 0,14 и 0,035%, тем самым подтверждая представления о корневой системе растений как основной «мишени» для воздействия металлических наночастиц. Второй важный аспект полученного результата определялся дозозависимым характером накопления использованного металла, вновь нелинейно зависящим от концентрации наночастиц железа в среде культивирования. Так, эффективность извлечения железа из среды культивирования оказывалась максимальной в присутствии минимальной использованной концентрации наночастиц, после чего прогрессивно снижалась с 79,59% до 4,6% при увеличении их концентрации с ограничений поступления и распространения наночастиц железа в тканях модельных растений, предположительно вовлеченных в систему их адаптивных реакций при проращивании в условиях интенсивного контакта с наночастицами.

При содержании в сухой биомассе исследуемых частях Triticum aestivum наночастиц железа в количестве 126,5 мкг/г (концентрация 0,035%) и эффективности их извлечения из среды культивирования - 36,23% достигаются максимальные скорости роста побегов и корней. Результаты проведенного исследования свидетельствуют о выраженных различиях в концентрациях железа на рост и развитие растений, продемонстрированных в тесте проращивания семян Triticum aestivum. В свою очередь, наночастицы железа не проявляют выраженного токсического действия, но, напротив, в исследуемых диапазонах концентраций стимулируют рост и развитие проростков Triticum aestivum, что сопровождается накоплением в тканях модельных растений значительных количеств воздействующего металла.

Подобный результат определяет перспективу использования наночастиц железа при предпосевной обработке семян, а также в системе выращивания кормовых и сельскохозяйственных растений методами аэропоники или гидропоники, ожидаемым следствием чего явится не только повышение выхода биомассы, но и ее обогащение биологически доступным железом, востребованным при коррекции микронутриентной обеспеченности животных.

Таким образом, способ предпосевной обработки семян пшеницы Triticum aestivum, стабилизированной электрохимически активированной водной суспензией дисперсных наночастиц железа в концентрации 0,035-0,0087%, повышает скорость роста корней и побегов на 30-40%, при этом эффективность извлечения растением железа из среды культивирования варьирует от 36,23 до 79,59%.

Список использованной литературы

1. Виноградова Д.Л., Малышев Р.А., Фолманис Г.Э. Экономические аспекты применения нанотехнологий в земледелии / под общ. Редакцией Г.В. Павлова. - М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 2005. С. 8-34.

2. Патент на изобретение РФ №2234945. Стабилизатор водного раствора и водосодержащего сырья с самопроизвольно изменяющимися окислительно-восстановительными свойствами / В.М. Дворников: опубликовано 27.08.2004.

3. Патент на изобретение РФ №2429592. Способ выращивания гидропонных кормов / С.А. Мирошников, Т.Д. Дерябина и др.: опубликовано 27.09.2010.

4. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Активация прорастания семян ультрадисперсными порошками железа // Достижения науки и техники АПК. 2001. №9. - С. 7-8.

5. Патент на изобретение РФ №2056084. Способ предпосевной обработки семян / Г.Э. Фолманис: бюллетень №8, 1996.

6. Селиванов В.Н., Зорин Е.В., Сидорова Е.Н., Дзидзигури Э.Л., Фолманис Г.Э. Пролонгированное воздействие ультрадисперсных порошков металлов на семена злаковых культур // Перспективные материалы. 2001. №4. С. 66-69.

7. Авторское свидетельство СССР №814432. Способ получения аэрозолей металлов / М.Я. Ген, А.В. Миллф: бюллетень №11, 1981.

8. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. - М.: Наука, 2006. 124 с.

9. Дерябина Т.Д. Оценка безопасности ионов, нано- и микрочастиц железа и меди в тесте прорастания семян Triticum aestivum // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011, №12 (131). - С. 386-389.

10. Патент на изобретение РФ №2477942. Способ предпосевной обработки семян нута / С.А. Мирошников, А.В. Малышева, Т.Д. Дерябина и др.: бюллетень №9.

11. Nel А.Е., Madler L., Velegol D., Xia T., Hoek E.M., Somasundaran P., Klaessig F., Castranova V., Thompson M. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface // Nat. Mater. 2009. Vol. 8. P.543-557.

12. Soenen S.J., Himmelreich U., Nuytten N., De Cuyper M. Cytotoxic effects of iron oxide nanoparticles and implications for safety in cell labeling // Biomaterials. 2011. Vol. 32(1). P. 195-205.

13. Mahmoudi M., Hofmann H., Rothen-Rutishauser В., Petri-Fink A. Assessing the in vitro and in vivo toxicity of superparamagnetic iron oxide nanoparticles // Chem. Rev. 2012. Vol. 112(4). P. 2323-2338.

14. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. - М.: Наука, 2006, 124 с.

15. Райкова А.П., Паничкин Л.А., Райкова Н.Н. Исследования влияния ультрадисперсных порошков металлов, полученные различными способами, на рост и развитие растений // Материалы Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии и информационные технологии - технологии 21 века». - М., 2006. С. 118-123.

16. Методические указания 1.2.2635-10 // Медико-биологическая оценка безопасности наноматериалов. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора. 2010, 123 с.

17. Жигач А.Н., Кусков М.Л., Лейпунский И.О., Стоенко Н.И., Сторожев В.Б. Получение ультрадисперсных порошков металлов, сплавов, соединений металлов методом Гена-Миллера: история, современное состояние, перспективы // Российские нанотехнологии. 2012. Т.7 (№3-4). С. 28-37.

18. Бутко М.П., Фролов B.C., Тиганов B.C. Применение электрохимически активированных растворов хлорида натрия для санации объектов АПК. - Веткорм, №1, 2007 г. - С. 25-27.

19. Джурабов М. Применение электроактивированной воды в сельском хозяйстве. - Механизация и электрификация сельского хозяйства, №11, 1986 г. - С. 51-53.

20. Калунянц К.А., Кочеткова А.А., Сушенкова О.А., Садова А.И., Филатова Т.В. Интенсификация технологических процессов обработки зерна электрохимическим воздействием // Совещание по электрохимической активации сред. Тезисы докладов. - Всесоюзное химическое общество им. Д.И. Менделеева, 1987. - С. 83.