ЭКОЛОГИЯ, 2011, № 6, с. 422-428
УДК 581.526.3:581.132
ДЕЙСТВИЕ ИОНОВ МЕДИ(П) И НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕДИ
НА Elodea densa Planch. © 2011 г. Г. Ф. Некрасова*, О. С. Ушакова*, А. Е. Ермаков**, М. А. Уймин**, И. В. Бызов**
*Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина 620000 Екатеринбург, просп. Ленина, 51
E-mail: galina-nekrasova@mail.ru **Институт физики металлов УрО РАН 620090 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 11.03.2011 г.
Исследовано влияние ионов меди и наночастиц оксидов меди на интенсивность перекисного окисления липидов и активность ферментов антиоксидантной системы (супероксиддисмутазу, каталазу, пероксидазу), а также на фотосинтетическую функцию Ehdea densa Planch. Показано, что наноча-стицы более активно поглощались растениями элодеи. Обе формы меди активировали процессы перекисного окисления липидов (наночастицы — на 180%, ионы — на 120%). Активность каталазы и супероксиддисмутазы была повышенной (в 1.5 — 2.0 раза) в вариантах с наночастицами. Ионы меди подавляли фотосинтез при концентрации 0.5 мг/л, тогда как наночастицы при 1.0 мг/л. Проведен сравнительный анализ действия разных форм меди на Ehdea densa.
Ключевые слова: Ehdea densa Planch., медь, наночастицы, перекисное окисление липидов, антиок-сидантная система, фотосинтез, пигментный комплекс.
Медь — один из наиболее распространенных неорганических поллютантов. Это активный переходный металл, вовлеченный во многие окислительно-восстановительные процессы в клетках растений и животных. У растений медь входит в состав регуля-торных белков, участвует в транспорте электронов в фотосинтетической и дыхательной цепях, является кофактором ферментов фенолоксидаз, аскорбаток-сидазы и супероксиддисмутазы (Чернавина, 1970; Угие1а, 2005).
Медь необходима растениям в следовых количествах, повышенные концентрации вызывают токсическое действие. Свободный ион меди может неспецифически связываться с тиоловыми группами ферментных белков, что приводит к утрате их вторичной структуры и активности (Золотухина, Гав-риленко, 1990; Некрасова, Малёва, 2007). Токсическое действие меди проявляется также через реакцию Фентона (генерацию гидроксильных радикалов), катализируемую металлом (Феник и др., 1995; Иа§ешеуег, 1999; Угие1а, 2005). В повышенных концентрациях медь повреждает мембраны тилако-идов, нарушая работу фотосистемы II и водоокис-ляющего комплекса хлоропластов (Райз1кка е! а1., 2002; Угие1а, 2005).
Особый интерес представляют наноразмерные частицы металлов, в частности меди. Существует ряд источников естественного происхождения и ненамеренного антропогенного загрязнения нано-
частицами окружающей среды (Гмошинский и др., 2010). Они присутствуют в лекарственных препаратах, красках, горючем и т.д. (Богатиков, 2003). На каждом этапе жизненного цикла наноматериалов, включая производство, транспортировку, переработку и их утилизацию, возможна утечка нанораз-мерных частиц (Холоденко и др., 2009) и их распространение в окружающей среде.
На животных клетках показано (Оагпей, 2007), что наночастицы ряда металлов обладают высокой активностью, проникая через мембраны клеток путем неспецифического пиноцитоза или диффузии. Наночастицы способны взаимодействовать с гли-копротеинами и интегральными белками. Имея повышенное сродство к липидам мембран, они могут вызывать появление в мембране отверстий диаметром 15—40 нм, через которые из клетки выходят протеины, а в клетку могут проникать чужеродные частицы (8иИ е! а1., 2009).
Действие наночастиц меди на растительные клетки изучено недостаточно, а полученные результаты неоднозначны. Известно, например, что нано-порошки успешно используют в качестве микроудобрений и пестицидов в сельском хозяйстве (Селиванов, Зорин, 2001; Райкова и др., 2006). Показано также, что наночастицы меди доступны проросткам фасоли и пшеницы (Ьее е! а1., 2008). При этом токсический эффект связан с проникновением наночастиц непосредственно в клетку.
Предполагается, что основной механизм их действия — оксидативное повреждение клеточных структур и молекул.
Рост производства наноразмерных материалов и их применение в разных сферах деятельности неизбежно ведут к экологическим воздействиям на окружающую среду, что усиливает актуальность изучения способности наночастиц проникать и накапливаться в растениях и животных (Богатиков, 2003).
Цель настоящей работы — исследовать особенности накопления листьями Elodea densa ионов меди и наночастиц оксидов меди, а также изучить их действие на процессы перекисного окисления ли-пидов, активность ферментов антиоксидантной системы и интенсивность фотосинтеза элодеи.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Исследования проведены в модельных экспериментах. Растения E. densa Planch. выдерживали в течение трех суток на водном растворе сульфата меди и суспензии наночастиц оксидов меди с концентрациями 0.025, 0.25, 0.5, 1.0 и 5.0 мг/л (в расчете на медь) при естественном освещении (максимально оно составляло 8—10 тыс. лк). Высокие концентрации меди (0.5, 1.0 и 5.0 мг/л) и длительность выдерживания растений были подобраны опытным путем для полного исключения токсического эффекта, вызывающего гибель растений. Контролем служили растения элодеи, выдержанные на де-ионизированной воде. После окончания инкубации растения отмывали 0.01%-ным раствором Na-ЭДТА, затем дистиллированной водой. В опытах использовали листья средних ярусов.
Порошки наночастиц в виде оксидов меди изготовлены в Институте физики металлов УрО РАН методом газофазного синтеза. Размер частиц составлял около 30 нм. Согласно данным рентгеновского анализа, частицы содержали около 70% CuO и 30% Cu2O. Содержание меди в листьях определяли с использованием атомно-абсорбционного спектрофотометра А-6800FG (Shimadzu, Япония) после мокрого озоления 70%-ной HNO3 (Чернави-на и др., 1978).
В качестве показателя окислительного действия разных форм меди на E. densa изучали интенсивность перекисного окисления липидов (ПОЛ). Продукты ПОЛ измеряли по содержанию веществ, реагирующих с тиобарбитуровой кислотой (Uchiya-ma, Mihara, 1978). Определяли активность суперок-сиддисмутазы — СОД (EC 1.15.1.1), пероксидазы (EC 1.11.1.7) и каталазы (ЕС 1.11.1.6), непосредственно участвующих в нейтрализации супероксид-радикалов и разложении перекиси водорода. Общую активность СОД определяли по способности фермента ингибировать фотохимическое восстановление нитросинего тетразолия (Paoletti, Macali,
1990). За единицу активности СОД принимали количество фермента, способного подавить реакцию восстановления нитросинего тетразолия на 50%. Активность пероксидазы оценивали спектрофото-метрически при окислении гваякола в присутствии перекиси при 470 нм. Активность каталазы определяли в том же супернатанте, что и пероксидазы, по скорости окисления перекиси водорода при 240 нм (Chance, Maehly, 1955).
Интенсивность потенциального фотосинтеза измеряли радиоизотопным методом (Мокроносов, Добров, 1973). Экспозиция в 14СО2 составляла 5 мин, удельная радиоактивность — 1000 МБк/л 14СО2 Количество пигментов определяли спектро-фотометрически в 80%-ном ацетоновом экстракте на спектрофотометре СФ-46 (Ломо, Россия). Содержание хлорофиллов рассчитывали по формуле Вернона для 80%-ного ацетона:
Ca = 11.63 х D665 - 2.39 х D649 , мг/л, Cb = 20.11 х D649 - 5.18 х D665, мг/л.
Содержание каротиноидов определяли по Ветт-штейну (Гавриленко и др., 1975):
CKAP = 4.695 х D440 5 - 0.26 8 х Ca + b, мг/л.
Для радиометрии использовали радиометр 20046 (\b Robotron-Messelektronik, Германия). Все определения выполнены в трех биологических и четырех аналитических повторностях. Значимость различий между вариантами определяли с помощью непараметрического критерия Манна-Уитни (U), корреляционный анализ проводили по Спирмену (RS). Статистический анализ проведен в программе Statistica 8.0 (StatSoft Inc., 2001). На рисунках приведены стандартные отклонения от средних значений.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сравнительная оценка накопления разных форм меди листьями элодеи показала, что при низких концентрациях металла в среде (0.025—0.5 мг/л) на-ночастицы оксидов меди поступали в клетки в 5 раз активнее, чем ионы меди (см. таблицу). При концентрации 1 мг/л коэффициенты биологического накопления (КБН) у обеих форм меди были схожи, тогда как при максимальной концентрации преобладало поглощение ионов (U = 0.049, p = 0.05). Возможно, это связано с их большей проникающей способностью, обусловленной малым радиусом ионов меди. На высоких концентрациях меди нано-частицы могли адсорбироваться на клеточных стенках, препятствуя собственному проникновению. В целом у обеих форм меди КБН изменялись сходным образом: при возрастании концентрации металла в среде его накопление листьями элодеи снижалось (см. таблицу).
Биологическая доступность наночастиц меди показана и для других видов растений, при этом
424 НЕКРАСОВА и др.
Коэффициенты биологического накопления (КБН) ионов меди и наночастиц оксидов меди при их разной концентрации в среде
Концентрация меди, мг/л КБН ионов меди (Cu2+) КБН наночастиц оксидов меди Критерий U и уровень значимости p Отношение КБН наночастицы : ионы
0.025 4110.5 20946.4 U = 0.025, p < 0.05 5.1
0.25 1600.0 3185.7 U = 0.049, р < 0.05 1.99
0.5 1553.2 1951.9 U = 0.049, p < 0.05 1.25
1.0 1038.8 1057.1 U = 0.51, р < 0.05 1.02
5.0 741.3 521.2 U = 0.049, р < 0.05 0.70
стабильность наночастиц в суспензии сохранялась (Lee et al., 2008). Механизмы поступления наночастиц в растительную клетку детально не изучены. Возможно, частицы могут проникать через пекто-целлюлозную мембрану по плазмодесмам. Дальнейшее их продвижение может происходить как в животной клетке (Garnett, 2007).
Поливалентные металлы как в ионной форме, так и в виде наночастиц могут вступать в реакцию Фен-
тона, ведущую к формированию активных форм кислорода ^иЫт е! а1., 2007). Это, как правило, сопровождается перекисным окислением липидов.
Показано, что обе формы меди изменяли процессы перекисного окисления липидов у элодеи, однако реакции на ионы меди и наночастицы оксидов меди существенно различались (рис. 1а, б). Так
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.