Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы
Показано, що нанокремнезем А-300 здатен стимулювати проростання насіння пшениці так само, як захисно-стимулюючі суміші, створені на основі метильованого кремнезему та мінеральних добрив. Вивчено стан води в частково дегідратованих коренях пшениці на різних стадіях її проростання. Встановлено, що зал...
Saved in:
| Published in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/38702 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы / В.В. Туров, Е.В. Юхименко // Доп. НАН України. — 2011. — № 9. — С. 126-131. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859526832308617216 |
|---|---|
| author | Туров, В.В. Юхименко, Е.В. |
| author_facet | Туров, В.В. Юхименко, Е.В. |
| citation_txt | Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы / В.В. Туров, Е.В. Юхименко // Доп. НАН України. — 2011. — № 9. — С. 126-131. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Показано, що нанокремнезем А-300 здатен стимулювати проростання насіння пшениці так само, як захисно-стимулюючі суміші, створені на основі метильованого кремнезему та мінеральних добрив. Вивчено стан води в частково дегідратованих коренях пшениці на різних стадіях її проростання. Встановлено, що залишкова вода в біоматеріалі знаходиться в кластерному стані і в спектрах ¹Н ЯМР спостерігається у вигляді двох сигналів з різною величиною хімічного зсуву — 5 й 1 м.ч. для сильно- та слабоасоційованої води відповідно. Присутність нанокремнеземів в зоні пророщування суттєво змінює співвідношення концентрацій різних форм води.
It is shown that nanosilica A-300 can stimulate the germination of wheat seeds like protective and stimulating mixtures based on methylated silica and mineral fertilizers. The state of water in partially dehydrated wheat roots at different stages of germination is investigated. It is found that the residual water in biomaterials is in the cluster state and is revealed as two signals with different values of the chemical shift in ¹H NMR spectra — 5 and 1 ppm for strongly and weakly associated water, respectively. Nanosilica locating in the zone of germination significantly alter the concentrations of different forms of water.
|
| first_indexed | 2025-11-25T22:17:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 541.182:631.8:581.1
© 2011
В.В. Туров, Е.В. Юхименко
Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания
семян и состояние воды в частично дегидратированных
корнях пшеницы
(Представлено членом-корреспондентом НАН Украины Н. Т. Картелем)
Показано, що нанокремнезем А-300 здатен стимулювати проростання насiння пшеницi
так само, як захисно-стимулюючi сумiшi, створенi на основi метильованого кремнезему
та мiнеральних добрив. Вивчено стан води в частково дегiдратованих коренях пшени-
цi на рiзних стадiях її проростання. Встановлено, що залишкова вода в бiоматерiалi
знаходиться в кластерному станi i в спектрах 1Н ЯМР спостерiгається у виглядi двох
сигналiв з рiзною величиною хiмiчного зсуву — 5 й 1 м. ч. для сильно- та слабоасоцiйова-
ної води вiдповiдно. Присутнiсть нанокремнеземiв в зонi пророщування суттєво змiнює
спiввiдношення концентрацiй рiзних форм води.
Перспективным направлением использования нанотехнологий для предпосевной обработ-
ки семян может стать применение пылеобразных покрытий, созданных на основе нано-
частиц кремнеземов или их смесей, которые активно влияют на водный баланс развиваю-
щихся семян и обеспечивают локальное питание растений (защитно-стимулирующих сме-
сей — ЗСС). Такая защитная обработка может эффективно решать проблемы, возникающие
в случае озимого и ранневесеннего посева для многих типов сельскохозяйственных куль-
тур [1–3]. В настоящее время ведутся усиленные поиски наноструктурных форм микроэле-
ментов [4–6]. Поскольку кристаллические наноструктуры обладают значительно большей
поверхностной энергией, чем объемные, их растворение в почвенной влаге и переход в зону
прорастания может осуществляться со значительно меньшими затратами энергии.
В Институте химии поверхности НАН Украины были разработаны принципиально но-
вые защитно-стимулирующие составы. Они представляют собой нанокомпозиты в состав
которых при необходимости может быть включен полный набор необходимых макроэле-
ментов (азот, фосфор, калий), микроэлементы (В, Mg, Mn, Zn, Cu, Mo, Co и др.), средства
защиты растений, стимуляторы их роста и адгезив-носители [7].
Механизм воздействия наночастиц кремнеземов на семенной материал на ранних ста-
диях их прорастания в настоящее время досконально не изучен. В публикациях [8, 9]
высказано предположение о возможности влияния наночастиц на состояние воды в зоне
прорастания. Методом низкотемпературной 1Н ЯМР спектроскопии показана возможность
формирования на межфазных границах частиц нанокремнезема или ЗСС слоев слабоассо-
циированной воды, молекулы которой учавствуют в формировании менее двух водородных
связей, приходящихся на каждую молекулу.
В настоящем сообщении представлено изучение состояния воды в корнях пшеницы на
ранних стадиях ее прорастания и влияние на него присутствия в зоне контакта семян с вод-
ной средой частиц гидрофильного нанокремнезема или защитно-стимулирующей смеси,
приготовленной на основе метилированного (гидрофобного) кремнезема и минеральных
удобрений.
126 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №9
Экспериментальная часть. Использовался высокодисперсный кремнезем (ВДК) мар-
ки А-300, выпускаемый Калушским экспериментальным заводом (Украина), с удельной
поверхностью 300 м2/г. Метилкремнезем марки АМ-1–300 (Калуш, Украина), синтезиро-
ванный путем обработки аэросила А-300 метилхлорсиланом. ЗСС готовился путем механо-
химической активации в шаровой мельнице метилаэросила АМ-1–300 в присутствии смеси
(1 : 1 : 1) калийных, фосфорных и азотных удобрений.
Исследовались семена озимой пшеницы (сорт Киянка), которые проращивались в ча-
шках “Петри” при температуре 22–25 ◦С в обычной, питьевой воде (контроль, 1), в том же
объеме воды, содержащей 1% масс ВДК (2), и предварительно обработанных ЗСС (3).
После трех суток проращивания половина семян извлекалась и для нее производился
подсчет энергии прорастания, определялась всхожесть, длина и масса корней и проростков.
На восьмые сутки такие же измерения проводились для оставшейся части ростков и корней.
Спектры ЯМР получали на ЯМР-спектрометре высокого разрешения (Varian “Merkury”)
с рабочей частотой 400 МГц. Методика ЯМР-измерений и определения термодинамических
характеристик и радиуса кластеров межфазной воды подробно описана в монографии [8].
Результаты и их обсуждение. В табл. 1 приведены значения биометрических пока-
зателей проросших семян, выращиваемых в разных условиях. Как видно из данных табл. 1,
оба наноматериала способны оказывать значительное стимулирующее воздействие на био-
метрические параметры проросшей пшеницы. Существенно возрастает длина и масса про-
ростков, а также количество корней, приходящихся на одно растение. На всхожесть и сырую
массу корней ЗСС оказывает большее влияние, чем ВДК А-300. При этом, однако, следует
учитывать, что в состав ЗСС входит комплекс минеральных удобрений, локализация кото-
рых вблизи поверхности семян обеспечивается их капсулированием гидрофобной оболочкой,
состоящей из частиц метилкремнезема, в то время как стимулирующее воздействие А-300
может осуществляться лишь за счет взаимодействия наночастиц с биосистемами растения
в зоне проростания.
На рис. 1 приведены снятые при разной температуре спектры 1Н ЯМР воды в частично
дегидратированных корнях контрольного образца проросшей пшеницы, снятые на возду-
хе и в слабополярной среде органического растворителя — дейтерохлороформа (CDCl3).
Дейтерированный аналог использовался для предотвращения появления в спектрах интен-
сивного сигнала протонов растворителя. В воздушной среде остаточная вода наблюдается
в спектрах в виде двух уширенных сигналов, химические сдвиги которых составляют око-
ло 1 и 5 м. д. В соответствии с классификацией [8], их следует относить к слабо- и сильно-
ассоциированной воде (WAW и SAW соответственно). Слабополярная среда приводит к зна-
Таблица 1. Биометрические показатели прорастания пшеницы в присутствии нанокремнезема А-300 и ЗСС
по сравнению с контролем
Измеряемый параметр Контроль 1% SiO2 ЗCC
Энергия прорастания, % 67 75 (+8%) 88 (+21%)
Всхожесть, % 74 81 (+7%) 95 (+21%)
Длина проростков, см 7,50 10,70 (+42%) 11,30 (+50%)
Сырая масса проростков, г 1,05 1,65 (+57%) 1,66 (+58%)
Масса 100 ростков, г 1,54 2,21 (+43%) 1,90 (+23%)
Длина корней, см 4,50 3,40 (−24%) 8,40 (+86%)
Сырая масса корней, г 1,10 1,23 (+12%) 2,00 (+82%)
Кол-во корней на 1 растение, шт. 2,60 3,70 (+42%) 4,20 (+61%)
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №9 127
Рис. 1. Снятые при разной температуре спектры 1Н ЯМР воды в корнях пшеницы при их влажности 7%
по массе на воздухе (а, б ) и в среде CDCl3 (в, г) в случае их проращивания в течение 3 (а, в) и 7 (б, г) сут
чительному уменьшению ширины сигналов воды, причем SAW регистрируется в виде двух
сигналов — SAWa и SAWb, различающихся по ширине и химическому сдвигу. При этом
в спектрах также наблюдаются остаточный сигнал СН протонов непродейтерированной
составляющей хлороформа и СН3-групп тетраметилсилана (ТМС), добавляемого в хлоро-
форм в качестве стандарта. Значительное уменьшение ширины сигналов в спектрах следует
относить на счет уменьшения неоднородного уширения, связанного с большим различием
магнитных восприимчивостей воздуха и биоматриала [10]. Сигналы протонов биополимер-
ных цепей полисахаридов, составляющих основу дегидратированных корней, не наблюда-
ются в спектрах ввиду очень малого (до 10−6 с) времени поперечной релаксации протонов
в твердых телах [10]. Для остальных образцов корней (спектры которых не приведены) вид
спектров оставался сходным с приведенным на рис. 1 и изменялся только за счет некоторого
перераспределения интенсивностей сигналов сильно- и слабоассоциированной воды.
Из рис. 1, а, б следует, что с понижением температуры интенсивность сигнала SAW
уменьшается значительно сильнее, чем WAW, т. е. слабоассоциированная вода преимущест-
128 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №9
венно является сильносвязанной (SBW, способной замерзать при T < 250 K [8]). Слабо-
полярная среда хлороформа еще в большей степени уменьшает способность WAW к за-
мерзанию (см. рис. 1, в, г). Соотношение интенсивностей слабо- и сильноассоциированной
воды может существенно изменяться при увеличении времени прорастания, причем этот
эффект зависит от среды измерения. Так, на воздухе (см. рис. 1, а, б ) после 3 сут про-
ращивания фиксируется несколько большая интенсивность сигнала WAW, а после 7 сут
проращивания — сигнала SAW. Напротив, в среде CDCl3 (см. рис. 1 в, г) с ростом времени
проращивания резко увеличивается количество SAW. Отсюда следует, что даже гидрофоб-
ная органическая среда не является инертной по отношению к воде, локализованной во
внутренних полостях, заключенных в биополимерную (целлюлозную) матрицу материала
дегидратированных корней и способна оказывать влияние как на соотношение количества
разных форм воды, так и на энергетические параметры ее связывания с внутренними гра-
ницами раздела фаз.
Температурные зависимости интенсивности сигналов разных форм межфазной воды
для частично дегидратированных корней, проращенных в присутствии нанокремнезема
А-300 и ЗСС в сопоставлении с контролем, иллюстрирует рис. 2. Для спектров, снятых
в воздушной среде, рассчитывались лишь общие количества сильно- и слабоасоциированной
воды (CSAW+WAW), поскольку разделение широких, близко расположенных сигналов, при-
водило к значительной погрешности вычислений. В среде CDCl3, когда это было возможно,
рассчитвались концентрации двух типов сильноассоциированной воды (CSAWa
CSAWb
) и сла-
боассоциированной воды (CWAW). Вертикальная черта при T = 250 К позволяет для каждой
изученной системы оценить содержание сильно- и слабосвязанной воды (WBW, которая за-
мерзает при T > 250 K). Из приведенных на рис. 2 результатов следует, что в воздушной
среде (см. рис. 2, а, б ) в образцах присутствует значительное количество как слабо-, так
и сильносвязанной воды. Вклад от WAW уменьшается для образца, проращенного в при-
сутствии А-300. В присутствии ЗСС через 3 сут проращивания соотношение WВW/SВW
изменяется незначительно, а после 7 сут количество WВW несколько возрастает.
В среде CDCl3, большая часть сильноассоциированной воды, регистрируемой в спектрах
как сигнал (а), является слабосвязанной (см. рис. 2, в, г). В то же время практически вся
вода, наблюдающаяся как сигнал (б ), относится с сильносвязанной. Через 3 сут проращи-
вания в среде А-300 (в слое SAW) доля слабосвязанной воды уменьшается, а после 7 сут —
возрастает.
В слое слабоассоциированной воды (см. рис. 2, д, е) после 3 сут проращивания в присут-
ствии обоих наноматериалов наблюдается уменьшение общего количества WAW, причем
минимальные значения CWAW фиксируются в присутствии ВДК А-300, однако именно для
этого образца через 7 сут проращивания CWAW становится максимальной и составляет бо-
лее 60% от общего содержания воды в биоматериале. Более половины от общего количества
слабоассоциированной воды следует относить к сильносвязанной воде.
Таким образом, наноструктурированный высокодисперсный кремнезем А-300, как и ЗСС
на основе метилированного кремнезема, может оказывать существенное влияние на биомет-
рические параметры прорастания пшеницы, увеличивая объем и массу формирующихся
проростков и корней. Обнаружено, что вода в частично дегидратированных корнях пше-
ницы на разных стадиях ее прорастания находится в кластерном состоянии и присутству-
ет в виде сильно- и слабоассоциированных форм, которые регистрируются в спектрах 1Н
ЯМР в виде отдельных сигналов, различающихся по величине химического сдвига. Прора-
щивание семян в присутствии наноматериалов изменяет соотношение концентраций разных
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №9 129
Рис. 2. Температурные зависимости интенсивности сигналов разных форм межфазной воды, снятые на воз-
духе и в среде CDCl3 в частично дегидратированных корнях пшеницы при разных сроках ее проращивания
130 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №9
форм воды. Величина эффекта зависит от типа используемого материала и времени про-
ращивания. В присутствии ВДК А-300 через 7 сут после начала проращивания в образцах
корней фиксируется максимальное количество слабоассоциированной воды. Вероятно, это
служит одним из основных факторов, определяющих высокую биологическую активность
этого нанокремнезема, который оказался способен стимулировать развитие растений даже
при отсутствии вносимых извне питательных веществ.
1. Егоров М.А. Биорегуляторы с нанокомпонентами как перспективные биопрепараты // Нанотехни-
ка. – 2006. – № 4. – С. 74–76.
2. Шабанова И.В., Цокур М.Н., Долотова М.С. Наноматериалы в сельском хозяйстве: получение и
применение // Науч. журн. КубГАУ. – 2007. – № 27 (3). – С. 1–11.
3. Крылов С.В., Рогачова И.Н. Осенние посевы лука-чернушки с гидрофобизированными семенами. –
Москва: Тимирязев. сельхоз. академия, 1968. – Вып. 148. – С. 129–134.
4. Селиванов В.Н., Зорин Е. В., Сидорова Е.Н. и др. Пролонгированное воздействие ультрадисперсных
порошков металлов на семена злаковых культур // Перспектив. материалы. – 2001. – № 4. – С. 66–69.
5. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия кластеров, наноструктур и наноматериалов. – Моск-
ва: Ком-Книга, 2006. – 592 с.
6. Егоров Н.П., Шафронов О.Д., Егоров Д.Н., Сулейманов Е. В. Разработка и проведение эксперимен-
тальной оценки эффективности применения в растениеводстве новых видов удобрений, полученных с
использованием нанотехнологий // Вестн. Нижегород. ун-та им. Н.И. Лобачевского. – 2008. – № 6. –
С. 94–99.
7. Пат. 4705 Україна, МКВ А 01 С 1/00, А 01№ 59/00. Засiб для обробки насiння перед сiвбою /
О.О. Чуйко, В. I. Богомаз, О.В. Юхименко. – № 94240425. – Заявл. 06.05.93; Опубл. 28.12.94;
Бюл. № 7-1.
8. Гунько В.М., Туров В.В., Горбик П.П. Вода на межфазной границе. – Киев: Наук. думка, 2009. –
694 с.
9. Юхименко Е.В., Гунько В.М., Туров А. В. и др. Гидратные структуры в наноструктурированных
системах на основе высокодисперсного кремнезема и влияние их на биомолекулы растительного про-
исхождения // Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии. – 2008. – 6, № 1. – С. 303–313.
10. Abragam A. The Principles of Nuclear Magnetism. – Oxford, UK: Oxford Univ. Press, 1961. – 591 p.
Поступило в редакцию 09.02.2011Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко
НАН Украины, Киев
V.V. Turov, E. V. Yukhymenko
Influence of nanosilica on seeds germination parameters and state of
water in partially dehydrated roots of wheat
It is shown that nanosilica A-300 can stimulate the germination of wheat seeds like protective
and stimulating mixtures based on methylated silica and mineral fertilizers. The state of water
in partially dehydrated wheat roots at different stages of germination is investigated. It is found
that the residual water in biomaterials is in the cluster state and is revealed as two signals with
different values of the chemical shift in 1H NMR spectra — 5 and 1 ppm for strongly and weakly
associated water, respectively. Nanosilica locating in the zone of germination significantly alter the
concentrations of different forms of water.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №9 131
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-38702 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-25T22:17:50Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Туров, В.В. Юхименко, Е.В. 2012-11-19T16:26:00Z 2012-11-19T16:26:00Z 2011 Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы / В.В. Туров, Е.В. Юхименко // Доп. НАН України. — 2011. — № 9. — С. 126-131. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/38702 541.182:631.8:581.1 Показано, що нанокремнезем А-300 здатен стимулювати проростання насіння пшениці так само, як захисно-стимулюючі суміші, створені на основі метильованого кремнезему та мінеральних добрив. Вивчено стан води в частково дегідратованих коренях пшениці на різних стадіях її проростання. Встановлено, що залишкова вода в біоматеріалі знаходиться в кластерному стані і в спектрах ¹Н ЯМР спостерігається у вигляді двох сигналів з різною величиною хімічного зсуву — 5 й 1 м.ч. для сильно- та слабоасоційованої води відповідно. Присутність нанокремнеземів в зоні пророщування суттєво змінює співвідношення концентрацій різних форм води. It is shown that nanosilica A-300 can stimulate the germination of wheat seeds like protective and stimulating mixtures based on methylated silica and mineral fertilizers. The state of water in partially dehydrated wheat roots at different stages of germination is investigated. It is found that the residual water in biomaterials is in the cluster state and is revealed as two signals with different values of the chemical shift in ¹H NMR spectra — 5 and 1 ppm for strongly and weakly associated water, respectively. Nanosilica locating in the zone of germination significantly alter the concentrations of different forms of water. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Хімія Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы Influence of nanosilica on seeds germination parameters and state of water in partially dehydrated roots of wheat Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы Туров, В.В. Юхименко, Е.В. Хімія |
| title | Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы |
| title_alt | Influence of nanosilica on seeds germination parameters and state of water in partially dehydrated roots of wheat |
| title_full | Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы |
| title_fullStr | Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы |
| title_full_unstemmed | Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы |
| title_short | Влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы |
| title_sort | влияние нанокремнеземов на параметры прорастания семян и состояние воды в частично дегидратированных корнях пшеницы |
| topic | Хімія |
| topic_facet | Хімія |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/38702 |
| work_keys_str_mv | AT turovvv vliânienanokremnezemovnaparametryprorastaniâsemânisostoânievodyvčastičnodegidratirovannyhkornâhpšenicy AT ûhimenkoev vliânienanokremnezemovnaparametryprorastaniâsemânisostoânievodyvčastičnodegidratirovannyhkornâhpšenicy AT turovvv influenceofnanosilicaonseedsgerminationparametersandstateofwaterinpartiallydehydratedrootsofwheat AT ûhimenkoev influenceofnanosilicaonseedsgerminationparametersandstateofwaterinpartiallydehydratedrootsofwheat |