IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Всемирно известный космодром Байконур, гордость Казахстана, в настоящее время находится под реальной экологической угрозой, так как упавшие и падающие на землю ступени ракет, продукты сгорания и разливы высокотоксичного топлива и другие факторы оказывают негативное воздействие на окружающую среду и проживающее в непосредственной близости население. Среди загрязнителей самыми опасными являются гидразин и его производные, которые в настоящее время определены как потенциальные канцерогены. Экологическая обстановка усложнена отсутствием эффективных методов обезвреживания одного из самых токсичных видов ракетного топлива – несимметричного диметилгидразина (НДМГ). Таким образом, проблема несимметричного диметилгидразина является одной из основных при обеспечении экологической безопасности территорий, связанных с космической деятельностью. Было установлено, что некоторые виды растений способны очищать почвы от гидразина и его производных, более того, они могут использовать их в качестве регуляторов роста и развития.

Работа посвящена поиску и выявлению видов высших растений, способных очищать почву и воду от гидразина и его производных в регионе космодрома. Иучена способность высших растений, распространенных в районе космодрома Байконур, поглощать несимметричный диметилгидразин и выявлены виды, пригодные для использования с этой целью, определены некоторые условия, влияющие на способность эндемичных видов очищать почву и воду от гидразина и его производных.

В ходе проведения исследования были использованы следующие методы: выращивание семян и проростков в лабораторных условиях в почвах, содержащих гептил, а также нитраты и соли аммония; предпосевной прайминг семян водой и раствором гептила; определение содержания токсиканта в супернатанте целого растения, почве и семенах экстракционно-хроматографическим и спектрофотометрическим методами [1]. Для исследований были использованы семена 35 видов пустынных и полупустынных растений, широко распространенных в Казахстане. Из них семена 21 вида хорошо проросли в лабораторных условиях, и только три вида растений были способны поглощать и аккумулировать НДМГ. Это – эстрагон, солянка холмовая и конопля.

Растительный покров на загрязненных гептилом почвах является вторым элементом природной среды, активно, как и почва, накапливающим компоненты ракетного топлива. Поступление гептила в растения происходит как из почвы через корневую систему, так и непосредственно из атмосферы аэрогенным путем.

В экспериментах гептил смешивали с водой, доводя его содержание до 0,25 мг/кг почвы. Семена выращивали на фильтровальной бумаге в чашках Петри. 10-дневные проростки переносили в пластиковые горшки с почвой, содержащей гептил. Растения выращивали в больших горшках в течение 30 дней. Затем растения убирали из почвы и промывали водой. Целое растение гомогенизировали в ультразвуковом дезинтеграторе. Супернатант целого растения получали по известной методике.

Как видно из таблицы 1, активными поглотителями НДМГ из почвы оказались солянка холмовая (Salsolacollina) и полынь эстрагоновая (Artemisiadracunculus), и несколько меньше поглощает ячмень короткоостый (Hordeumbrevisubulatum). Остальные 17 видов пустынных растений также поглощали гептил, но значительно меньше. Почти не поглощали пырей тарбагатайский (Agropyrontarbagataensis) и лебеда бородавчатая (Atriplexverrucifera). А в 30-дневной конопле посевной (Cannabissativa) и в ее субстрате (т.е. в почве, в которой она выращивалась) обнаружилось очень низкое количество НДМГ. Эксперименты по выращиванию семян конопли повторялись более чем 5 раз, и все опыты показали одинаковые результаты, т.е. в целом растении конопле и в почве, где она выращивалась, обнаруживается низкое содержание гептила. Эти результаты убедительно показывают, что корни (может быть и листья) конопли активно ассимилируют гептил в качестве источника азота.

Одним из многообещающих подходов повышения устойчивости прорастания к неблагоприятным условиям окружающей среды является предпосевной прайминг семян.

Таблица 1. Содержание НДМГ в корнях и листьях пустынных растений после выращивания их в почве с НДМГ

Вид растений	Содержание НДМГ, мг/кг
	В целом растении	В почве после уборки растений
Вейник наземный (Calamagrostisepigeios)	0.07	0.15
Солонечник точечный (Glatellapunctata)	0.05	0.18
Солодка (Glycyrhizauralensis)	0.07	0.15
Морковник (Silaumsilaus)	0.05	0.17
Полынь рассеченная (Artemisiatenuisecta)	0.08	0.14
Полынь эстрагоновая (Artemisiadraсunculus)	0.21	0.02
Ячмень короткоостый (Hordeumbrevisubulatum)	0.17	0.06
Кермек (Limoniumgmelini)	0.04	0.19
Прутняк (Kochiaprostrata)	0.06	0.18
Солерос (Salicorniaeuropaea)	0.04	0.19
Солянка холмовая (Salsolacollina)	0.22	0.02
Лебеда бородавчатая (Atriplexverrucifera)	0.03	0.20
Ковыль киргизский (Stipakirghisorum)	0.05	0.19
Ферула джунгарская (Ferulasongorica)	0.07	0.16
Шалфей степной (Salviastepposa)	0.04	0.20
Клевер люпиновый (Medicagolupina)	0.05	0.18
Биюргун (Anabasissalsa)	0.06	0.18
Пырей тарбагатайский (Agropyrontarbagataensis)	0.03	0.21
Смолевка каркаралинская(Silenekarkaralensis)	0.06	0.17
Астрагал казахстанский (Astragaluskasakhorum)	0.08	0.16
Конопля посевная (Cannabissativa).	0.03	0.02

Прайминг представляет собой замачивание семян в контролируемых условиях до полного обводнения и последующее высушивание. Установлено, что прайминг семян приводит к синхронному, однородному и быстрому росту проростков и высокому урожаю. После прайминга семена раньше проклевываются, резко повышается процент прорастания семян, улучшается рост растений во время вегетативного периода и созревания семян. Растение, выращенное из семян после прайминга, становится более морозоустойчивым. Установлено также, что после прайминга в 1 М растворе хлорида натрия семена помидора хорошо прорастали в соленой почве. Предпосевной прайминг семян дыни раствором хлорида натрияулучшал солеустойчивость ее проростков. Семена после прайминга начали прорастать раньше, чем необработанные. Прайминг приводит к повышенным синтезам белков, РНК и ДНК в семенах, повышаeтся активность антиоксидантных ферментов, каталазы и супероксидисмутазы, глутатионредуктазы. Таким образом, предпосевной прайминг семян все чаще используется для улучшения роста и развития растений, и их способности к различным физиологическим процессам.

Семена всех 21 вида растений выдерживали при различных температурах в толще воды до полного насыщения водой. Затем высушивали их также при различных температурах до полной потери воды. Полученные результаты показали, что в течение 24-28 часов все виды семян полностью насыщались водой. Для полного высушивания требовалось 30 ч при комнатной температуре и 38 ч при низкой температуре (5-6^оС).Насыщение водой и высушивание семян в диапазоне температуры 5-15^оС резко повышает темп роста проростков, который оценивался по конечным массам выращенных растений. Такая процедура при температуре выше 25^оС несколько замедляет темп роста растений. А при температурах выше 30^оС прорастание семян сильно подавляется. Такие результаты получены при предпосевном прайминге всех видов растений.

Таблица 2 показывает, что предпосевное насыщение семян водой и последующее высушивание приводят к повышению способности солянки и эстрагона поглощать НДМГ из почвы. На 12-ый день роста проростков эстрагона из почвы НДМГ полностью исчез. Такая способность солянки была несколько ниже чем эстрагона, хотя она также показывала такую способность. Предпосевной прайминг семян эстрагона в воде резко повышал скорость поглощения гептила его проростками.

Таблица 2. Эффект предпосевного прайминга семян эстрагона (Artemisiadracunculus) и солянки (Salsolacollina) на поглощение НДМГ (0.25 мг/кг) из почвы этими растениями

Вид растений	Предпосевная обработка семян	Содержание НДМГ в почве, мг/кг почвы
		Дни после пересадки растений в почвы с НДМГ
		2	4	6	8	12
Эстрагон (Artemisia dracunculus)	Без прайминга	0.25*	0.25	0.20	0.12	0.06
	После прайминга	0.25	0.22	0.15	0.02	0.0
Солянка (Salsolacollina)	Без прайминга	0.25	0.25	0.22	0.18	0.1
	После прайминга	0.25	0.23	0.18	0.12	0.04

Как было сказано выше, при обработке с НДМГ повышалась устойчивость к засухе растений озимой пшеницы в фазе формирования колосков (стадии жизни растений более всего чувствительной к потерям влаги); индуцировались на поверхности листьев защитные реакции, которые привели к уменьшению потерь урожая и количества белка в зерне озимой пшеницы в условиях засухи. Заметный эффект наблюдался уже при однократной обработке растений с помощью водного раствора производных гидразина. В связи с этим был изучен эффект предпосевного прайминга семян солянки на рост и развитие этого растения. Семена солянки инкубировали (насыщали) растворами возрастающих концентраций НДМГ в течение 30 часов при температуре 7^оС в темноте. Затем семена тщательно промывали дистиллированной водой и оставляли сушиться еще на 30 часов. После такой обработки семена проращивали в почве поселка Тюретам (региона космодрома Байконур). После одного месяца выращивания темп роста растений оценивали по массе 50 растений. Результаты этих экспериментов представлены в таблице 3.

Как было сказано выше, простой прайминг семян в воде значительно улучшает всхожесть семян большинства видов растений. Таблицы 3 показывает, что прайминг семян солянки и эстрагона в возрастающих концентрациях НДМГ не улучшал рост и развитие проростков этих растений, т.е. урожай этих растений был такой же как после прайминга их семян в воде. Как известно, в корнях бобовых растений образуются клубеньки, в которых находятся азотфиксирующие бактерии (симбиотические бактероиды). В клетках этих симбиотических бактерий содержится особый фермент – нитрогеназа. Этот фермент превращает атмосферный азот (N₂) в аммоний (NH₄⁺), при этом промежуточным продуктом является диимид (HN=NH) и гидразин (H₂N-NH₂):

N₂  HN=NH  H₂N-NH₂  NH₄⁺

Нетрудно обнаружить сходство между гидразином H₂N-NH₂ и несимметрическим диметилгидразином H₂N-N(СH₃₎₂.Любое растение может усваивать аммоний и гидразин в качестве источника азота. Поэтому было изучено влияние других природных источников азота, таких как нитрат и аммоний, на поглощение гептила корнями солянки и эстрагона. Для этого в почву одновременно в комбинациях давали возрастающие концентрации нитрата и гептила.

Полученные результаты показывают, что в присутствии нитрата поглощение НДМГ из почвы происходит интенсивно, т.е. нитрат способствует поглощению гептила корнями солянки и эстрагона. В то же время, сульфат аммония сильно ингибировал поглощение гептила корнями солянки и эстрагона. Вероятно, аммоний и НДМГ конкурируют между собой, т.е. гептил ассимилируется корнями солянки и эстрагона в качестве источника азота. Аммоний, а также гидразин и его производные в молекуле имеют N-H связи. По-видимому, эти связи претерпевают химическое изменение (окисление или восстановление) одним и тем же ферментом (пока неизвестным). В то же время, этот фермент не действует на вещества, имеющие в молекуле N-О связи (на нитрат - NО₃^-).

Таблица 3. Эффект прайминга семян солянки (Salsolacollina) и эстрагона (Artemisiadracunculus) в растворах НДМГ на темп роста его проростков

Концентрация водного раствора НДМГ при прайминге семян	Масса (в %) 50 целых растений (корни+стебли+листья)
	солянка	эстрагон
Без прайминга	127	100
Прайминг в воде	134	127
Прайминг в 0.1 М НДМГ	134	134
Прайминг в 0.05 М НДМГ	139	134
Прайминг в 0.01 М НДМГ	138	139
Прайминг в 0.005 М НДМГ	138	138
Прайминг в 0.001 М НДМГ	129	138

Аналогичные эксперименты были проведены с семенами конопли. В листьях и корнях проростков конопли количество НДМГ не определялось, так как гептил без остатка трансформируется (таблица 1). Таким образом, результаты позволяют предположить, что в пустынных растениях – солянке и эстрагоне - содержится некий фермент, трансфор-мирующий НДМГ. Установлено, что в бактерии Brocadiaanammoxidans синтезируется особый фермент гидразиноксидоредуктаза, который катализирует реакцию окисления субстрата (гидразина) [2,3]:

Гидразин + Акцептор электронов  N₂ + Восстановленный акцептор

Если такой фермент существует, то его содержание в корнях конопли высокое. Каким образом нитрат стимулирует окисление гидразина – остается неясным.

В результате проведенного исследования была собрана информация о загрязнителях и степени загрязнения почвы и водоемов в районе космодрома Байконур. Из испытанных 21 вида пустынных растений, эндемиков Казахстана, активными поглотителями НДМГ из почвы оказались солянка холмовая (Salsolacollina) и эстрагон (Artemisiadracunculus), и несколько меньше поглощает ячмень короткоостый (Hordeumbrevisubulatum).

Таким образом, эндемичные для Казахстана пустынные растения - солянка холмовая (Salsolacollina), эстрагон (Artemisiadracunculus), и конопля посевная (Cannabissativa) могут быть использованы для очистки почв, загрязненных токсичным НДМГ. Кроме того, эти растения могут быть рекомендованы для распространения в промышленных центрах и городах Казахстана для поддержания чистоты почвы.

Список использованной литературы

1. Методика выполнения измерений массовой доли подвижных форм 1,1-диметилгидразина в образцах почв методом ионной хроматографии с амперометрическим детектированием. М: МВИ МГУ № 41-01 (свидетельство ВНИИМС), 2006. С.14.

2. Иоффе Б.В., Кузнецов М.А., Потехин А.А. Химия органических производных гидразина. Л.: Химия, 1979. 224 с.

3. Колла В.Э., Бердинский И.С. Фармакология и химия производных гидразина. Йошкар-Ола: Мар. кн. изд-во, 1976. 264 с.

Код для цитирования: Скопировать