Наноматериалы и растения

http://issp.ras.ru/Control/Inform/perst/9_19/perst.htm#I_9_19_10

Наноматериалы и растения

Ученые активно изучают воздействие наноматериалов на живые организмы, однако исследований, относящихся к растениям, не так уж много. Об одной из таких работ недавно сообщалось в ПерсТе [1]. Ее авторы впервые продемонстрировали, что одностенные углеродные нанотрубки (ОСНТ) могут не только проходить через прочные клеточные стенки растений, но и доставлять в клетки, как небольшие адсорбированные молекулы, так и макромолекулы (ДНК). Дополнительная проверка показала, что ОСНТ не токсичны для клеток (по крайней мере, для культуры табака, которую использовали исследователи), а значит, могут быть использованы для создания эффективных систем доставки. Но этих данных, конечно, недостаточно, чтобы ответить на важный вопрос – возможны ли поглощение из окружающей среды и аккумуляция наноматериалов в растениях, и если да, то как это повлияет на биологические и биохимические процессы? И что может произойти с продовольственными сельскохозяйственными культурами и получаемыми из них продуктами питания?

Ученые из Clemson University (США) представили первое свидетельство поглощения и накопления углеродных наночастиц в одном из самых важных сельскохозяйственных растений - в рисе, которым питается более половины населения земного шара [2].

Были приготовлены суспензии фуллеренов С₇₀ и многостенных углеродных нанотрубок (МСНТ) в растворе природных органических веществ NOM. (NOM (natural organic matter) – это присутствующая в окружающей среде гетерогенная смесь разложившихся растительных и животных остатков). Как ранее выяснили американские исследователи [3], присутствие NOM в воде способствует диспергированию нанотрубок в гораздо большей степени, чем специально применяемые для этой цели поверхностно-активные вещества (ПАВ). Приготовленная авторами [3] суспензия МСНТ в воде поверхностного слоя реки Суванни (с высоким содержанием NOM) сохранялась больше месяца; при этом концентрация диспергированных нанотрубок была намного выше, чем в воде с добавлением ПАВ, но без природных органических веществ. Механизм не совсем изучен и, конечно, зависит от характеристик как NOM, так и нанотрубок, но результаты говорят о необходимости учитывать реальную возможность переноса наноматериалов водной окружающей средой, в том числе и к растениям.

В природных водах концентрация NOM обычно находится в пределах 1-100 мг/л. Поэтому авторы работы [2] приготовили модельный раствор NOM 100 мг/л и добавили туда фуллерены С₇₀ и МСНТ (по отдельности). Свежесобранные зерна риса в течение двух недель проращивали в так называемом буфере для проращивания с добавлением суспензии С₇₀-NOM и МСНТ-NOM разной концентрации. Были подготовлены и контрольные экземпляры (без NOM и наночастиц). Затем ростки высадили в большие горшки с землей и отправили в оранжерею. Так получили растения первого поколения. Через 6 месяцев с растений “с добавками С₇₀” собрали урожай, и зерна опять проращивали в течение 2 недель, но уже без добавления наночастиц. Из них получили растения второго поколения.

Ткани растений были исследованы с помощью микроскопии на разных этапах развития. Через неделю после начала проращивания растений 1-го поколения черные агрегаты были обнаружены в зернах и корнях риса “с добавками С₇₀”, в меньшей степени – в стебле и листьях, причем в стебле, в основном, вблизи сосудистой системы. Очевидно, распространение наночастиц идет от зерен и корней с водой и питательными веществами. Черные агрегаты присутствовали даже в тканях листьев второго поколения, хотя и гораздо реже (рис.1)!

Рис.1. Лист “второго поколения”. Агрегаты фуллеренов показаны стрелками. Исследования с использованием рамановской и ИК-спектроскопии подтвердили, что черные агрегаты состояли из фуллеренов. Кроме того, данные этих исследований и микроскопии показали, что для двухнедельных растений 1-го поколения частицы С₇₀ находятся, в основном, в корнях, стеблях и листьях, независимо от исходной концентрации С₇₀ (20-800 мг/л). Для 6-месячных “взрослых” растений фуллерены сосредоточены внутри или вблизи сосудистой системы стебля. В корнях С₇₀ не осталось. Это подтверждает постепенный перенос наноматериалов от корней растений к листьям.

При большой концентрации агрегаты С₇₀ могут даже закупорить сосудистую систему или перейти в соседние клетки, мешая поступлению воды и питательных веществ (рис.2). Развитие растения может замедлиться. Действительно, рис, выращенный “с добавками С₇₀-NOM”, зацвел, по меньшей мере, на месяц позже, и скорость образования зерен снизилась на 4,6% по сравнению с контрольными растениями или экземплярами, которые проращивали с добавлением NOM, но без С₇₀.