Физика и химия стекла, 2022, T. 48, № 1, стр. 98-102

ВВЕДЕНИЕ

Важным подходом к улучшению целевых показателей сельскохозяйственных культур (прорастания семян, роста, развития и урожайности растений) является предпосевная обработка семян биологически активными веществами, в частности нанокомпозициями на основе кремнезолей [1–3]. В серии ранее выполненных нами исследований [4, 5] была продемонстрирована перспективность использования в качестве модифицирующих добавок кремнезолей, получаемых методом золь-гель синтеза и содержащих дисперсные оксидные или углеродные наночастицы, для улучшения целевых характеристик ряда сельскохозяйственных культур, в частности ярового ячменя и листовой капусты. Вместе с тем одним из важнейших факторов, определяющих прорастание семян, является интенсивность их обмена веществами с окружающей средой, в свою очередь обусловленная состоянием защитных оболочек [6]. Выделение семенами различных веществ в водную среду можно количественно охарактеризовать с использованием как химических, так и физических методов анализа, на основе оценки ее прозрачности в ультрафиолетовой области. В этой области спектра наблюдается интенсивное поглощение как многих органических веществ, так и наноразмерных неорганических компонентов. В данной работе в продолжение серии исследований влияния кремнезолей с добавками различных биологически активных веществ на характеристики семян и рост растений, на примере ярового ячменя (сорт “Ленинградский”) в частности, изучено взаимодействие семян с водной средой методом УФ-спектроскопии.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Кремнезоли на основе гидролизованного в кислой среде тетраэтилового эфира ортокремневой кислоты Si(OEt)₄ – тетраэтоксисилана (ТЭОС) синтезировали в соответствии с методикой, подробно описанной в [4, 5], после чего в них вводили синтезированный в [7] нанопорошок маггемита (γ-Fe₂O₃) с размером частиц ~20–25 нм, в соотношении 10000, 5000, 100, 10, 1, 0.1, 0.01, 0.001 мг порошка на 1 л кремнезоля и осуществляли предпосевную обработку семян полученными суспензиями по методике, описанной в [5].

Характер взаимодействия семян с водной средой изучали спектрофотометрическим методом. Порции из 10 исследуемых семян погружали в дистиллированную воду объемом 4 мл на 20 мин, после чего воду декантировали и измеряли ее спектры пропускания в диапазоне длин волн 200–300 нм с использованием спектрофотометра СФ-56 (ЛОМО, Санкт-Петербург) относительно дистиллированной воды в канале сравнения. В отдельном эксперименте с целью оценки вклада присутствующих в воде микроорганизмов на прозрачность в УФ-области дистиллированную воду в стеклянных емкостях по 50 мл перед погружением семян предварительно стерилизовали в автоклаве ВК-75 в течение 30 мин при давлении 1 атм., после чего в указанные емкости с водой в стерильных условиях погружали семена и выдерживали в течение 25 мин, затем воду декантировали в стерилизованные чашки Петри и измеряли спектры пропускания. В качестве количественной характеристики был выбран коэффициент пропускания T (%) при длие волны 260 нм (автоматически определяемая спектрофотометром доля исходного светового потока, прошедшая сквозь кювету с исследуемой пробой), при которой наблюдались наиболее заметные различия между исследуемыми пробами.

Изучение целевых показателей исследуемых семян заключалось в определении их энергии прорастания и всхожести в соответствии с ГОСТ 12038–84 и с правилами Международной ассоциации тестирования семян (ISTА). Все эксперименты повторяли дважды. Повторность в вариантах каждого эксперимента – трехкратная.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Контакт воды с семенами во всех случаях не вызывал существенных изменений в видимой области спектра, но приводил к значительному снижению прозрачности в УФ-области в сравнении с исходным значением, составляющим при длине волны 260 нм свыше 95%. После контакта с нестерильной водой контрольных семян коэффициент пропускания составил 59%, а со стерильной – 39%. В случае семян, модифицированных обработкой кремнезолем без добавки маггемита, аналогичные показатели после контакта с нестерильной и стерильной водой составили соответственно 32 и 43.5%.

Введение оксидов железа в кремнезоль в зависимости от количества используемой добавки приводит к нелинейному изменению прозрачности водного раствора (рис. 1). Предварительная стерилизация воды приводит к резкому изменению зависимости коэффициента пропускания от концентрации добавки маггемита, выражающемуся как в уменьшении диапазона значений до 40–50% в сравнении с 25–75% в отсутствие стерилизации, так и в изменении характера чередования наблюдаемых максимумов и минимумов на противоположный. В серии экспериментов с использованием нестерильной воды прозрачность декантированных проб при использовании высоких концентраций добавки возрастает (рис. 1а), что указывает на то, что вводимый оксид железа не является непосредственной причиной изменения оптических характеристик. В случае стерилизованной воды наблюдается тенденция к снижению прозрачности с ростом концентрации добавки (рис. 1б).

Рис. 1.

Зависимость коэффициента пропускания декантированной после контакта с семенами воды в отсутствии (а) и при использовании (б) предварительной стерилизации от логарифма концентрации маггемита в кремнезоле.

Возможной причиной наблюдаемых различий является то, что стерилизация воды приводит к разрушению микробных клеток, и их содержимое в совокупности с выделениями семян является причиной снижения прозрачности водного раствора после контакта с семенами. Вероятно, увеличение концентрации добавки маггемита препятствует выделению органических веществ семенами в водную фазу, но, с другой стороны, затрудняет сорбцию продуктов разрушения микробных клеток кремнезолем, чем обусловлены рассмотренные выше противоположные тенденции изменения прозрачности.

В серии экспериментов с использованием нестерилизованной воды наиболее отчетливо выражена корреляция между указанным коэффициентом пропускания и энергией прорастания семян (рис. 2), которая является положительной (коэффициент корреляции R ≈ 0.99) при концентрациях добавки маггемита до 1 мг/л, а при более высоких его количествах меняется на отрицательную (R ≈ –0.94). По-видимому, при относительно низких концентрациях оксидной добавки она оказывает регулирующее воздействие на выделение веществ семенами, а в более высоких количествах в дополнение к этому начинает выполнять трофическую функцию, при большом избытке приводя к отравлению живых объектов и подавлению прорастания.

Рис. 2.

Зависимость энергии прорастания и всхожести семян от логарифма концентрации маггемита в кремнезоле.

Всхожесть семян также характеризуется нелинейной зависимостью от количества добавки маггемита с отчетливым максимумом при его концентрации 0.1 мг/л (lg C = –1) и резким снижением при введении в максимальном количестве 10 000 мг/л. В серии экспериментов без стерилизации воды в диапазоне концентрации маггемита до 1 мг/л всхожесть отрицательно коррелирует с коэффициентом пропускания декантированных проб воды (R ≈ –0.78), а в случае стерилизованной воды аналогичная зависимость носит отчетливо положительный характер (R ≈ 0.83). При более высоких концентрациях маггемита указанные корреляции становятся значительно менее выраженными, что согласуется с рассмотренным выше изменением характера действия вводимой добавки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты показывают перспективность применения УФ-спектроскопических измерений для оценки влияния обработок семян тестируемыми веществами на интенсивность взаимодействия (обмена веществ) семян с водной средой и возможного прогнозирования ряда показателей прорастания сельскохозяйственных культур.

Авторы выражают благодарность ведущему инженеру Агрофизического научно-исследовательского института Дмитрию Викторовичу Кудрявцеву за помощь в проведении спектроскопических исследований с предварительной стерилизацией водной среды.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-13-00442).