Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Физико-химические свойства воды, водных растворов, водно-органических смесей и органических жидкостей
1.2. Влияние экзогенных физических факторов на физико-химические свойства воды и водных растворов
1.3. Растение и окружающая среда. 23
1.4. Роль антиоксидантных систем при действии стресса
1.5. Перекиспое окисление липидов и стресс
1.6. Современные представления о роли воды в формировании активных форм кислорода
1.7. Метод газоразрядной визуализации
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 44
2.1. Описание канареечника тростниковидного
2.2. Объекты исследования
2.3. Методы исследования
2.3.1. Методика проведения анализа воды и водных растворов с использованием метода газоразрядной визуализации
2.3.2. Методика посева и наблюдения за прорастанием 46
2.3.3. Методика воздействия экзогенными физическими факторами
2.3.4 Методика определения активности пероксидазы
2.3.5 Методика определения активности супероксиддисмутазы
2.3.6. Определение суммарного содержания низкомолекулярных аптиоксидантов
2.3.7. Методика определения интенсивности перекисного окисления липидов с~>
2.3.8. Методика определения митотического индекса -.
2.3.9. Комплексный цитолого-биохимический метод дифференциальной оценки активности генома в процессах репликации, трансляции, репарации и его устойчивости
2.3.10. Методика определения хлоридов
2.3.11. Статистическая обработка результатов
ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ, ВОДНО-СОЛЕВЫХ РАСТВОРОВ, ВОДНО-СПИРТОВЫХ И ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ И ИХ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
3.1. Изменение физико-химических свойств воды при влиянии ультрафильтрации и геомагнитного поля
3.2. Изменение физико-химических свойств водных растворов в зависимости
от природы и концентрации солей г
3.3. Изменение физико-химических свойств водно-солевых.смесей и органических жидкостей
3.4. Изменение физико-химических свойств воды и растворов NaCl в зависимости от природы внешнего физического фактора 70
ГЛАВА 4. ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОРОСТКОВ ДВУКИСТОЧНИКА ТРОСТНИКОВИДНОГО ПРИ ДЕЙСТВИИ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА СИСТЕМУ «ВОДНО-СОЛЕВОЙ РАСТВОР-РАСТЕНИЕ» 74
4.1. Влияние акустических колебаний на энергию прорастания и всхожесть семян, среднюю массу проростков двукисточника тростнико видно го в зависимости от концентрации хлорид-ионов в среде 74
4.2. Влияние акустических колебаний на активность антиоксидантиых и ДНК-репарационных систем клеток проростков двукисточника трости и ко в ид ного в зависимости от концентрации хлорид-ионов в среде 77
5. ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОРОСТКОВ ДВУКИСТОЧНИКА ТРОСТНИКОВИДНОГО ПРИ ДЕЙСТВИИ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА СИСТЕМУ «ВОДА-ПОЧВА-РАСТЕНИЕ»
83
5.1. Влияние акустических колебаний на энергию прорастания и всхожесть семян, выживаемость и среднюю массу проростков двукисточника тростин ко види ого в почве
5.2. Влияние акустических колебаний на активность антиоксидантно- прооксидантной системы клеток проростков двукисточника тростниковидного в почве од
ВЫВОДЫ 87
ЛИТЕРАТУРА 89
- Физико-химические свойства воды, водных растворов, водно-органических смесей и органических жидкостей
- Описание канареечника тростниковидного
- Изменение физико-химических свойств воды при влиянии ультрафильтрации и геомагнитного поля
- Влияние акустических колебаний на энергию прорастания и всхожесть семян, среднюю массу проростков двукисточника тростнико видно го в зависимости от концентрации хлорид-ионов в среде
- Влияние акустических колебаний на энергию прорастания и всхожесть семян, выживаемость и среднюю массу проростков двукисточника тростин ко види ого в почве
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Известно, что изменения физико-химических свойств воды определяются главным образом іеми процессами, которые инициируются, управляются и поддерживаются в ней различного рода воздействиями: слабыми и сильными физическими полями и излучениями, изменением агрегатного состояния, при растворении/удалении химических соединений [Воейков, 1997, 2003, 2005; Зенин, 2000]. Они включают и изменения степени кластерированности воды, которая, в свою очередь, характеризует подвижность молекул воды в растворах и смесях, в том числе в почвенных растворах.
В экологии под солеустойчивостью растений понимают способность растений проходить полный цикл развития на засоленных почвах [Денисов, Стрельцова, 1991; Строганов, 1962]. В физиологии - способность растений поддерживать ионный гомеостаз в цитозоле при засолении за счет биохимических механизмов, осуществляющих обмен веществ в клетке при высоких концентрациях соли во внешней среде [Меерсон, 1986; Барабой и др., 1992; Gueta-Dahan et al, 1997]. С точки зрения физико-химических свойств воды солеустойчивость растений определяется долей диффузной, некластерировашюй воды, не включающейся в гидратные оболочки ионов в почвенных растворах, что приводит к повышению её доступности для корней растений даже в условиях засоления за счет увеличения подвижности молекул воды.
В этой связи большой интерес представляют исследования по воздействию физических факторов на воду как в семенах и тканях растений, так и в среде их произрастания (почвенные растворы, поливная вода) [Дорохов, 1984; Дубров, 1990; Лисенков, 1966; Шноль и др., 1968].
Изменения физико-химических свойств воды в почвенном растворе и внутренних средах организма при внешних физических или химических воздействиях влияют также на уровень экспрессии генома и неспецифическую устойчивость растительного организма, включая изменение активности антиоксидантных и ДНК-репарационных систем, скорости процессов репликации и трансляции [Фомичева и др., 1991], определяющие его физиологические свойства: энергию прорастания и всхожесть семян, выживаемость проростков, формирование биомассы.
Цель данной работы - изучить изменения физико-химических свойств воды при действии на нее слабых экофакторов - акустических и электромагнитных колебаний, влияние этих изменений на эколого-биохимические и эколого-физиологические свойства лугового растения -двукисточника тростниковидного, включая его солеустойчивость.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. С использованием метода газоразрядной визуализации вторичного свечения воды, водных растворов и смесей изучить изменения физико- химических свойств воды, включая степень кластерированности, при воздействии на неё физических (изменение геомагнитного поля, электромагнитные колебания в световом диапазоне, акустические колебания, ультрафильтрация) и химических (введение солей, органических жидкостей) экофакторов.
2. Исследовать в камеральных условиях ответные реакции двукисточника тростниковидного на уровне эколого-биохимических реакций - экспрессии генома и активности защитных антиоксидантных и ДНК- репарационных систем растительных клеток на изменения физико- химических свойств воды под влиянием слабых акустических колебаний.
3. Изучить изменение эколого-физиологических свойств двукисточника тростниковидного, включая его хлоридную солеустойчивость и продуктивность (на раннем этапе онтогенеза), при акустических воздействиях на систему "вода-почва-растение".
Рабочая гипотеза. Воздействие на водные кластеры химическими и физическими экофакторами способны вызывать изменения физико-химических свойств воды, включая степень её кластерированности. Повышение солеустойчивости может быть достигнуто за счет изменений физико-химических свойств воды в составе почвенных растворов, приводящих к увеличению доли свободной некластерированной воды, например, при действии акустических колебаний. Основные положения, выносимые на защиту:
Солеустойчивость растений определяется, в числе других причин, долей некластерированной воды в почвенных растворах.
Увеличение доли некластерированной воды в системе "вода-ионы солей-почва" можно достичь акустическими воздействиями на неё с определенными частотными характеристиками.
Изменение физико-химических свойств воды в системе "вода-почва-растение" при действии на нее слабых акустических колебаний определенных частот приводят к изменению эколого-физиологических и эколого-биохимических характеристик растительного организма, повышая его продуктивность (на стадии всхожести) и солеустойчивость.
Научная новизна. Экспериментально подтверждена гипотеза, согласно которой параметры вторичного свечения воды, её смесей и водных растворов, органических жидкостей характеризуют степень кластерировашюсти пространственных флуктуирующих диссипативных структур жидких сред. Акустические воздействия определенных частот способны стимулировать физико-химические перестройки надмолекулярных водных и водно-солевых кластеров, что приводит к изменениям эколого-физиологических и эколого-биохимических свойств растений в системе «вода-почва-растение», включая изменения экспрессии генома клеток и солеустойчивости растений на примере двукисточиика тростниковидного.
Практическая значимость. Представленные в работе результаты по воздействию акустическими колебаниями могут быть использованы как перспективный и экономичный метод повышения продуктивности (на раннем этапе онтогенеза) и солеустойчивости (возможно, и засухоустойчивости), а также улучшения физиолого-биохимических характеристик растений.
Физико-химические свойства воды, водных растворов, водно-органических смесей и органических жидкостей
Существует большое количество различных теорий и моделей, объясняющих структуру и свойства воды. Общим в них является представление о водородных связях как основном факторе, определяющем образование структурированных агломератов. Вода (пространственная модель молекулы представлена на рис. 1.1) - кооперативная система, в ней существуют цепные образования водородных связей. И всякое воздействие на воду распространяется эстафетным путем на тысячи межатомных расстояний [Классен, 1982].
Необычные и неповторимые свойства воды объясняются способностью ее молекул образовывать межмолекулярные ассоциаты не только за счет ориентационных, индукционных и дисперсионных взаимодействий (сил Ван-дер-Ваальса), но и за счет водородных связей. Энергия последних (10-40 кДж/моль) заметно превосходит силы Ван-дер-Ваальса (1-4 кДж/моль) [Зяблов, 1979; Маленков, 1980; Пеминтел, Мак-Клелан, 1964; Синюков, 1987].
Внедряться в электронную оболочку соседнего (ковалентно с ним не связанного) отрицательно поляризованного атома, например, кислорода соседней молекулы воды [Ахметов, 1998; Глебов, Буданов, 1996; Головин, 2000; Зяблов, 1979; Кнорре и др., 1990; Неберухин, 1996; Пиментел, Мак-Клелан, 1964; Угай, 2000; Краснов и др., 1995].
Анализ литературы позволяет модели структуры воды условно разделить на пять групп: 1) непрерывные модели; 2) двухструктурные модели; 3) модели с заполнением пустот; 4) кластерные модели; 5) модели ассоциатов [Синюков, 1976].
Одна из наиболее распространенных моделей воды, приводимая в большинстве учебников по физической химии, модель Фрэнка и Уэна [Frank, Wen, 1957], известная под названием «дрожащей грозди» (flickering cluster; рис. 1.2) [Калоус, Павличек, 1985]. В соответствии с ней водородные связи в жидкой воде непрерывно образуются и рвутся, причем эти процессы протекают кооперативно в пределах короткоживущих групп молекул воды (мерцающих кластеров, или дрожащих гроздей), время жизни которых колеблется в диапазоне от 10" до 10" с [Калоус, Павличек, 1985; Золотов и др., 1996, Синюков, 1976].
Описание канареечника тростниковидного
Двукисточник тростниковидныи (канареечник тростниковидныи, житовник, обережник, канарейник, блестец, шелковая трава) Phalaroides arundinacea (L.) Rauschert - многолетний корневищный верховой злак высотой до 180 - 200 см. Двукисточник тростниковидныи является одним из продуктивных и ценных кормовых растений, перспективных для внедрения в луговодство и кормопроизводство в Якутии [Денисов, Стрельцова, 1991, 1993; Денисов, Иванов, 1997].
Растет на плодородных, легких, хорощо и збиточно увлажненных почвах, а также окультуренных торфяниках, не переносит засоление, мирится с повышенной кислотностью. Продуктивное долголетие 5-6 лет. Двукисточник тростниковидныи устойчив к полеганию, что позволяет механизировать выращивание семян после решения вопросов улучшения завязываемое семян и увеличения их осыпаемости.
Двукисточник тростниковидныи обладает комплексом хозяйственно-полезных свойств, в первую очередь, высокой долголетней продуктивностью, а также питательностью, хорошей поедаемостью и низкой себестоимостью получаемого корма. Этот злак представляет особую ценность там, где избыток влаги ограничивает возможность выращивания других трав. Урожайность естественных сеяных двукисточниковых лугов при внесении невысоких доз минеральных удобрений составляет 6-9 т/га сена за один укос. Двукисточник характеризуется быстрыми темпами роста и развития с весны, опережающими другие виды, и способностью сохранять сочную зеленую массу до наступления заморозков, что очень важно для использования его в кормовом конвейере как ранневесеннего и позднеосеннего корма в животноводческих хозяйствах [Турубанова, 1988; Денисов, Стрельцова, 1989].
Изменение физико-химических свойств воды при влиянии ультрафильтрации и геомагнитного поля
В опытах без акустических воздействий отмечена выраженная тенденция снижения энергии прорастания по мере роста концентрации С1-иоиов в системе, а также лабораторной всхожести в 1,3 раза при проращивании на 0,14%-ном и в 1,7 раз - на 0,28%-ном растворе NaCI, связанная с угнетением ростовых процессов. Вместе с тем, средняя масса 14-дневных проростков снижается всего на 6% только на фоне 0,28%-ного раствора NaCI.
При действии звуковых частот 3200 и 5700 Гц на систему «водно-солевой раствор - растение» наблюдается статистически достоверное повышение энергии прорастания в 2,2-2,9 раза, лабораторной всхожести в 1,4-1,7 раза, средней массы 14-дневных проростков на 6-14% даже на фоне 0,28%-ного хлоридного засоления (модель №2). Это, по-видимому, свидетельствует о том, что фактическое присутствие ионов в растворе не ощущается корешками проростков вследствие высвобождения части воды из водно-солевых кластеров и перехода её в свободное состояние, в котором она хорошо всасывается корешками растений. Поэшму не формируется водного дефицита для растения даже в присутствии ионов солей. Частоты же 700 и 10200 Гц не вызывают достоверного повышения ни энергии прорастания, ни всхожести при проращивании растений на водном растворе NaCI, а средняя масса 14-дневных проростков даже снижается в 1,3-1,6 раза. Следовательно, звуковые частоты 3200 и 5700 Гц способны стимулировать на организменном уровне как ростовые процессы, так и солеустойчивость одного из представителей несолелюбивых видов луговых растений - двукисточника тростниковидного.
Влияние акустических колебаний на энергию прорастания и всхожесть семян, среднюю массу проростков двукисточника тростнико видно го в зависимости от концентрации хлорид-ионов в среде
В качестве модифицирующихся при акустических воздействиях исследовались два типа физиологических процессов: ростовые (модель №1 - проращивание на дистиллированной воде) и формирование солеустоичивости при сравнении моделей проращивания на водно-солевом (модель №2) и водном фонах (табл. 4Л).
Анализ данных, приведенных в табл. 2, указывает на стимулирующее действие частот акустических колебаний 3200 и 5700 Гц на ростовые процессы в отсутствие NaCl (модель №1) по показателям энергии прорастания (повышение на 63% при частоте 3200 Гц и на 89% при частоте 5700 Гц), лабораторной всхожести (повышение на 23% при действии частот 3200 и 5700 Гц) и средней массы 14-дневных проростков (на 8-13%). Воздействие же частотами 700 и 10200 Гц не привело к достоверным изменениям ни энергии прорастания, ни лабораторной всхожести, а средняя масса 14-дневных проростков снизилась на 33-49%.
Влияние акустических колебаний на энергию прорастания и всхожесть семян, выживаемость и среднюю массу проростков двукисточника тростин ко види ого в почве
В данной главе приведены результаты изучения влияния выбранных в главе 3 частот акустических колебаний на эколого-биохимические и эколого-физиологические свойства проростков двукисточника тростниковидного (включая активность антиоксидантных систем, энергию прорастания и всхожесть семян, среднюю массу проростков и их солеустойчивость), произрастающих в почвенных сосудах с супесчаной почвой на фоне 0,21%-ного хлоридного засоления. Общее содержание водорастворимых веществ в почве 0,42%. Результаты приведены в табл. 5.1 и 5.2..
Анализ результатов, приведенных в табл. 5.1. показывает, что акустические воздействия с частотами 3200 и 5700 Гц достоверно увеличивают всхожесть семян в 1,2-1,4 раза по сравнению с экспериментом без акустического воздействия. Вместе с тем повышение выживаемости проростков отмечено только при действии акустической частоты 3200 Гц. При действии других изученных акустических частот параметры всхожести и выживаемости не изменялись в пределах достоверности. Достоверное повышение на 32% средней массы 14-дневного проростка отмечено только при акустическом воздействии с частотой 3200 Гц, влияние остальных трёх изученных акустических частот на этот физиологический параметр приводило к его уменьшению на 30-45%.
