Биологи СПбГУ нашли наночастицы, вдвое снижающие загрязнение растений огурца тяжелыми металлами

Для сельскохозяйственных растений всех видов без исключения характерно наличие меди в составе, поскольку это один из необходимых микроэлементов, который участвует в большинстве жизненно важных физиологических процессов, например, фотосинтезе и дыхании. Однако по своей атомной массе медь относится к группе тяжелых металлов, характеризующихся высокой токсичностью по отношению к живым организмам. Поэтому необходимо строго контролировать содержание этого элемента в растениях, при этом допустимые концентрации зависят от видов растений и типов почв.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Plant Physiology and Biochemistry.

Как отмечают ученые, превышение этих концентраций может снижать уровень хлорофилла, что ведет к пожелтению листьев (хлорозу), а также значительному отставанию растений в росте. Кроме того, токсичное воздействие меди может нарушать и другие механизмы функционирования растения, например, снабжение железом, которое играет важную роль в образовании хлорофилла. В частности, в клетках растений накапливаются активные формы кислорода (АФК), из-за чего происходит так называемый «окислительный взрыв», оставляющий после себя нарушенные «взрывной волной» мембраны и другие клеточные структуры. У сельскохозяйственных растений избыток меди ставит под сомнение возможность получения высоких урожаев и продукции растениеводства высокого качества. Важно также отметить, что в высоких концентрациях медь способна накапливаться в растениях, так как у них нет достаточных ресурсов, чтобы значительно ограничить поглощение меди в корень.

Но опасна медь в избытке не только для самих растений, но и для людей, вызывая врожденные аномалии и другие патологии. В почвах высокие концентрации меди возникают из-за выбросов в атмосферу и отходов металлургических предприятий, использования сточных вод для полива, некоторых органических и минеральных удобрений, а также пестицидов.

Ученые Санкт-Петербургского университета предложили решить эту проблему с помощью наночастиц молекулярной формы углерода — фуллерена C60. В настоящее время многие ученые рассматривают фуллерены как перспективные элементы для использования в биомедицине и фармакологии. В качестве регуляторов устойчивости растений к избытку меди их ранее не использовали, но биологи СПбГУ считают, что они могут быть востребованы в этом качестве, поскольку могут связывать некоторые тяжелые металлы, переводя их в менее токсичную форму. Кроме того, фуллерены являются антиоксидантами, то есть могут нивелировать действие активных форм кислорода.

В работе мы изучали два химических производных фуллерена С60, различающихся по составу функциональных групп периферической части этой молекулы: полигидроксилированный фуллерен (фуллеренол) и аргининовый аддукт C60. Эксперименты доказали, что производные фуллерена C60 способны снижать токсичность меди у растений огурца. Наиболее сильное защитное действие от избытка меди оказывал аддукт фуллерена C60, синтезированный путем присоединения аминокислоты аргинин. Под его влиянием токсичность меди снижалась более чем в два раза.

Заведующий кафедрой агрохимии СПбГУ, профессор СПбГУ Николай Битюцкий

Исследования проводили в контролируемых условиях гидропоники, то есть в искусственных условиях без почвы. Сначала ученым надо было убедиться, что выбранные аддукты могут снижать фитотоксичность меди при непосредственном контакте с корнями растений, исключая побочные эффекты, вызываемые компонентами почвы. Состояние и реакцию растений отслеживали по изменению содержания хлорофилла в листьях, приросту сухой биомассы, изменениям в элементном составе и метаболитном отклике растений.

Исследование выполнялось в ресурсных центрах «Развитие молекулярных и клеточных технологий» и «Методы анализа состава вещества» Научного парка СПбГУ.

Также биологи Университета заметили, что фуллерен, связанный с аргинином, снизил в два раза концентрацию меди в ксилемном соке, который поступает из корней в надземные части растения. Как отмечают ученые, результаты проведенной работы будут полезны для синтеза новых наноматериалов, предназначенных для повышения устойчивости растений к избытку меди.