X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Применение электрофореза для ускорения проводимости питательных веществ через клеточные мембраны и устьиц листа
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Актуальность работы. В настоящее время хорошо известно, что микроэлементозы широко распространены в патологии растений. Экономический эффект профилактики и терапии микроэлементозов в растеневодстве весьма велик, так как в этом случае дело может идти об искоренении определенных болезней и о сохранении большого числа ценных сельскохозяйственных объектов.
В связи с бурным развитием промышленности глобальная проблема техногенного загрязнения внешней среды теснит чисто природные формы патологии всех живых существ и неизбежно накладывает на них свой искажающий отпечаток. Мировая литература о микроэлементах по существу необозрима и в последние годы лавинообразно увеличивается. Медицинские аспекты учения о микроэлементозах еще недостаточно разработаны. Относящиеся к нему факты и высказывания разбросаны в публикациях по различным дисциплинам. Это создает большие трудности при попытках их систематизации. Некоторые важные разделы патологии микроэлементозов до сих пор остаются белыми пятнами. Для того чтобы их заполнить, нужна длительная и многосторонняя исследовательская работа.
Поэтому, целью работы является выяснить возможность применения электрофореза для оперативного лечения микроэлементоза комнатных растений.
Основная часть
Литературный обзор
Краткая история изучения микроэлементозов.
Микроэлементы — это группа химических элементов, которые содержатся в организме человека и животных в очень малых количествах.
В нашей стране учение о микроэлементах имеет давние и славные традиции, что в первую очередь связано с именем В. И. Вернадского, который пророчески предсказал большое будущее этой области знания и заложил научные основы ее последующего развития. Именно он в 1926 г. открыл «Отдел живого вещества» при Комиссии по изучению естественных производительных сил. В 1928 г. по его же инициативе организована «Биогеохимическая лаборатория», на долгие годы ставшая основным центром координации исследований этого профиля. В течение последних 25 лет ее возглавлял замечательный последователь В. И. Вернадского лауреат Ленинской премии и премии им. В. И. Вернадского, чл.-корр. ВАСХНИЛ, проф. В. В. Ковальский. В этот период развернулись широкие исследования самого Виктора Владиславовича и его многочисленных учеников, результаты работ которых были опубликованы в последних 10 томах «Трудов Биогеохимической лаборатории». Научная и организационная деятельность В. В. Ковальского способствовала тому, что в нашей стране стали проводиться многочисленные исследования по единому плану, выработанному Научным советом АН «По проблемам микроэлементов в биологии». В результате этой работы возникли многочисленные центры, в которых велась самостоятельная исследовательская работа по изучению микроэлементов. Следует подчеркнуть, что в некоторых городах исследования микроэлементов не ограничивались определением их количества в пищевых продуктах, растительных и животных тканях, а сопровождались также клинической и биогеохимической характеристикой эндемических болезней, являвшихся реакцией на аномальный химический состав природной или измененной техногенными влияниями среды. В течение длительного времени в указанном Научном совете превалировал интерес к биогеохимическим эндемиям природного происхождения. Однако в последующие годы наибольшее внимание стали привлекать микроэлементные аномалии индустриального происхождения. Одной из важных сторон этого, еще в недостаточной степени контролируемого, процесса являются загрязнения микроэлементной природы. Необходимо указать, что в других учреждениях параллельно с активностью врачей, биогеохимиков, биологов и биогеографов развивалась не меньшая по своему объему и значению исследовательская и организаторская деятельность гигиенистов. Они внесли в изучение этой проблемы самостоятельные подходы, в значительной степени продиктованные потребностями коммунальной гигиены и особенно гигиены труда. Профпатологам принадлежат крупные труды о повреждающем действии некоторых токсичных элементов и о рациональных путях профилактики. Особое внимание уделялось определению предельно-допустимых концентраций (ПДК), а также установлению различных индикаторов, характеризующих ту или иную степень контаминации внешней среды. Гигиенисты интересовались, кроме того, характеристикой различных синдромов, возникающих в результате контакта организма с токсичными микроэлементов, главным образом металлами в процессе их производства. Это способствовало возникновению оригинального аспекта проблемы, который получил название «учения о ксенобиотиках». Отечественная медицинская наука рано оценила роль микроэлементов в патологии. Количество клинических и экспериментальных работ, посвященных тем или иным аспектам изучения микроэлементов, огромно. Есть основания говорить о взрыве информации, посвященной отклонениям от нормы, обусловленным дефицитом или избытком микроэлементов в организме человека и животных.
В коллективной работе ряда авторов была дана раздельная характеристика патологических процессов, развивающихся при недостаточности и избытке ряда микроэлементов в организме. В течение многих лет основным руководством по проблеме микроэлементов в питании была прекрасная книга Е. Underwood «Тгасе Elements in Human and Animal Nutrition)), выдержавшая 4 издания. В 1987 г. она вышла 5-м изданием под редакцией W. Mertz. Работая в области изучения патологии, связанной с действием микроэлементов, более 20 лет, А.П. Авцын с сотрудниками только в 1983 г. решились сделать первое обобщение по всей проблеме, опубликовав работу, где впервые был предложен термин «микроэлементозы» и дана рациональная классификация этих многообразных заболеваний [1]
Таблица дефицита микроэлементов
Электрофорез – определение и физическая суть процесса
Термин "электрофорез" состоит из двух частей – "электро" и "форез", где "электро" означает электрический ток, а "форез" переводится с греческого как перенос. Электрофорез представляет собой движение заряженных частиц (ионов) в электрическом поле, создаваемом внешним источником. Физический процесс электрофореза сегодня имеет широкое применение в различных отраслях. Чаще всего его применяют в качестве процедуры физиотерапии, и в исследовательских методах для разделения биологических веществ.
Медицинская процедура – лекарственный электрофорез
Электрофорез, как медицинская процедура, также называется ионофорез, ионотерапия, ионогальванизация или гальваноионотерапия, причем все данные термины означают один и тот же процесс. Применительно к медицинской практике, электрофорез представляет собой метод электротерапии, который основан на эффектах постоянного тока и действии лекарственных препаратов, доставляемых при помощи того же тока. Доставка различных медицинских препаратов при помощи данного метода называется лекарственным электрофорезом.
Принцип действия лекарственного электрофореза
В основе электрофореза лежит процесс электролитической диссоциации. Химическое вещество, являющееся лекарством, распадается на ионы в водном растворе. При пропускании электрического тока через раствор с медицинским препаратом ионы лекарства начинают перемещаться, проникают через клеточную мембрану, цитоплазму, и попадают в организм растения. Ионы лекарственного вещества проникают в ткани по большей части через поры растений, но небольшой объем способен проходить и через устьицы. Лекарственное вещество после проникновения в ткани через клеточную мембрану равномерно распределяется в клетках и цитоплазме. Электрофорез позволяет доставить лекарственный препарат в неглубокие слои эндодермиса – мезофилл и колленхиму, откуда он способен распределяются через разветвлённую сеть проводящих пучков по клеткам. Попав в разветвлённую сеть проводящих пучков, медицинский препарат доставляется ко всем органам и тканям, но максимальная концентрация сохраняется в области введения лекарства. Количество лекарственного вещества, которое может всосаться в ткани из раствора при проведении процедуры электрофореза, зависит от множества факторов.
Основные факторы, влияющие на степень всасывания лекарства при доставке его электрофорезом:
степень диссоциации;
размер и заряд иона;
свойства растворителя;
концентрация вещества в растворе;
плотность электрического тока;
длительность процедуры;
состояние эпидермиса;
общее состояние растения .
Механизмы переноса минеральных веществ по растению
Клетки обмениваются различными веществами с окружающей их средой в результате диффузии. Однако перенос веществ обычной диффузией на большие расстояния неэффективен; возникает необходимость в специализированных системах транспорта. Такой перенос из одного места в другое осуществляется за счёт разности давлений в этих местах. Все переносимые вещества движутся с одинаковой скоростью в отличие от диффузии, где каждое вещество движется со своей скоростью в зависимости от градиента концентрации.
У сосудистых растений передвижение веществ осуществляется по двум системам: ксилеме (вода и минеральные соли) и флоэме (органические вещества). Передвижение веществ по ксилеме направлено от корней к надземным частям растения; по флоэме питательные вещества движутся от листьев.
Одним из важнейших механизмов транспорта веществ в растении является осмос. Осмос – это переход молекул растворителя (например, воды) из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией через полупроницаемую мембрану. Этот процесс похож на обычную диффузию, но протекает быстрее. Численно осмос характеризуется осмотическим давлением – давлением, которое нужно приложить, чтобы предотвратить осмотическое поступление воды в раствор.
В растениях роль таких полупроницаемых мембран играют плазматическая мембрана и тонопласт (мембрана, окружающая вакуоль). Если клетка контактирует с гипертоническим раствором (то есть раствором, в котором концентрация воды меньше, чем в самой клетке), то вода начинает выходить из клетки наружу. Этот процесс называется плазмолизом. Клетка при этом сморщивается. Плазмолиз обратим: если такую клетку поместить в гипотонический раствор (с более высоким содержанием воды), то вода начнёт поступать внутрь, и клетка снова набухнет. При этом внутренние части клетки (протопласт) оказывают давление на клеточную стенку. У растительной клетки набухание останавливается жесткой клеточной стенкой. У животных клеток жёстких стенок нет, а плазматические мембраны слишком нежны; необходим особый механизм, регулирующий осмос.
Еще раз подчеркнём, что осмотическое давление – величина скорее потенциальная, чем реальная. Она становится реальной только в отдельных случаях – например, при её измерении. Также необходимо помнить, что вода движется в направлении от более низкого осмотического давления к более высокому.
Корневое давление
Основная масса воды поглощается молодыми зонами корней растений в области корневых волосков – трубчатых выростов эпидермиса. Благодаря им значительно увеличивается всасывающая воду поверхность. Вода поступает в корень за счёт осмоса и движется вверх к ксилеме по апопласту (по клеточным стенкам), симпласту (по цитоплазме и плазмодесмам), а также через вакуоли. Надо заметить, что в клеточных стенках имеются полоски, называемые поясками Каспари. Они состоят из водонепроницаемого суберина и препятствуют продвижению воды и растворённых в ней веществ. В этих местах вода вынуждена проходить через плазматические мембраны клеток; полагают, что таким образом растения защищаются от проникновения токсичных веществ, патогенных грибов и т. п.
Подъём воды по ксилеме происходит, по-видимому, за счёт испарения воды в листьях. В процеcсе испарения в кроне образуется недостаток воды. Поверхностное натяжение в сосудах ксилемы способно тянуть вверх весь столб воды, создавая массовый поток. Скорость подъёма воды составляет около 1 м/ч (до 8 м/ч в высоких деревьях); чтобы поднять воду к вершине высокого дерева, требуется давление порядка 40 атм. Следует иметь в виду, что одни только капиллярные эффекты способны поднять воду на высоту не более 3 м.
Вторая важная сила, участвующая в подъёме воды, – это корневое давление. Оно составляет 1–2 атм (в исключительных случаях – до 8 атм). Этой величины, конечно, недостаточно, чтобы в одиночку обеспечить движение жидкости, но её вклад у многих растений несомненен.
Попадая по ксилеме в листья, вода и минеральные вещества распределяются через разветвлённую сеть проводящих пучков по клеткам. Движение по клеткам листа осуществляется, как и в корне, тремя способами: по апопласту, симпласту и вакуолям. На свои нужды растение использует менее 1 % поглощаемой им воды, остальное в конце концов испаряется через восковый слой на поверхности листьев и стеблей – кутикулу (около 10 % воды) – и особые поры – устьица (90 % воды). Травянистые растения теряют в день около литра воды, а у больших деревьев эта цифра может доходить до сотен литров. Испарение воды (транспирация) осуществляется за счёт энергии солнца. Проще всего транспирацию наблюдать, если накрыть растение в горшке колпаком; на внутренней поверхности колпака будут собираться капельки жидкости.
Устьичная и кутикулярная транспирация
На скорость испарения влияют многие факторы; как внешние условия (свет, температура, влажность, наличие ветра, доступность воды в почве), так и особенности строения листьев (площадь поверхности листа, толщина кутикулы, количество устьиц). Ряд внешних факторов приводит к уменьшению диффузии воды из листьев, другие (например, отсутствие света или сильный ветер) вызывают замыкание устьиц (благодаря работе особых замыкающих клеток). Растения засушливых регионов имеют специальные приспособления для уменьшения транспирации: погруженные глубоко в листья устьица, густое опушение из волосков или чешуек, толстый восковой налёт, превращение листьев в колючки или иглы и другие. Осенний листопад в умеренных широтах также призван уменьшить испарение воды, когда наступят холода.
Из почвы растение получает не только воду, но и минеральные соли. Эти вещества движутся в корнях под действием диффузии. За счёт энергии дыхания возможен также их активный транспорт против градиента концентрации. Попадая в ксилему, минеральные вещества разносятся по всему организму с массовым током воды. Основным потребителем этих веществ являются растущие части растения.
Механизмы переноса органических веществ по растению
У многоклеточных растений есть ещё одна транспортная система, предназначенная для распределения продуктов фотосинтеза, – флоэма. В отличие от ксилемы, органические вещества могут транспортироваться по флоэме и вверх, и вниз. 90 % переносимых веществ составляет сахароза, которая практически не участвует в метаболизме растения непосредственно и поэтому является идеальным углеводом для транспорта. Скорость движения сахара обычно составляет 20–100 см/ч; за день по стволу большого дерева может пройти несколько килограммов сахара (в сухой массе).
Каким образом столь большие потоки питательных веществ могут протекать в тонких ситовидных трубках флоэмы (их диаметр не превышает 30 мкм), не совсем понятно. По-видимому, вещества по флоэме распространяются массовым током, а не диффузией. Возможными механизмами транспорта являются обычное давление или электроосмос.
При повреждении флоэмы ситовидные трубки закупориваются в результате отложения каллозы на ситовидных пластинках. Безвозвратная течка питательных веществ обычно прекращается уже через несколько минут после повреждения.
Практическая часть
Подготовка раствора лекарственного препарата
0,5 г нитрата калия растворили в 100 г дистиллированной воде.
0,07 г нитрата магния растворили в 100 г дистиллированной воде.
Методики выполнения электрофореза
Для проведения электрофореза собрали прибор, состоящий из батарейки, вольтметра, амперметра, проводов и двух электродов с оловянным покрытиям.
Лекарственным препаратом смочили ециальные прокладки. Они изготавливаются по размеру электродов из марли, сложенной в два-четыре слоя, или из фильтровальной бумаги. Раствор лекарства наносится на прокладку, затем на нее помещают вторую прокладку – защитную, на нее устанавливают электрод. Второй электрод помещают на противоположной стороне листа для создания линии, вдоль которой будет двигаться лекарство.
Лекарственное вещество диссоциирует на анионы и катионы.
Анионы лекарственного препарат будет вводиться с положительного электрода, а катионы - с отрицательного.
Лекарственный препарат диссоциирует с образованием катионов и анионов, то лекарственную прокладку допускается ставить под оба электрода одновременно.
Время процедуры 2 мин.
Заключение
Обсуждение результатов
Изучив литературные источники и проконцультировались у кандидата биологических наук, доцента биологического факультета Перевозниковой Т.В – было выявлено, что комнатное растение фиалка (Saintpaulia), которое еще именуют узамбарской фиалкой, является представителем семейства Геснериевые, имеет заболевание – хлороз. Хлорозу подвергаютя растения, если не хватает макроэлемента азот, который способствует питанию корней, способствут фотосинтезу и регулирует обмен веществ в клетках. Вторым элементом является магний, если растения испытывают дефицит магния, их листья желтеют, так как молекулы хлорофилла разрушаются. Если недостаток магния своевременно не восполнить, растение начнет отмирать. Однако, если доза внесенных препаратов магния слишком большая, замедляется всасываемость калия.
Поэтому были выбранны нитраты калия и магния. Эксперемент показал, что введение электрофорезом 0,5% раствора нитрата калия в течение пяти дней и через 10 дней 0,07% раствора нитрата магния в течение двух дней желтизна с листье исчезла. Зеленая окраска листьев стала интенсивнее. Концентрация растворов была выбрана на основании процентного содержания макроэлементов в организме растений из литературных источников.
Для электрофореза была взята батарейка напряженностью 4 В, так как не наблюдали повреждение листье, в отличие от источника электрического тока напряженостью 12 В, который привел к ожогам тканей листьев узамбарской фиалки.
Вывод.
В растительном организме все процессы тесно взаимосвязаны. Исключение из питательной среды какого-либо необходимого элемента быстро вызывает изменение во многих, если не во всех, процессах метаболизма.
В связи с этим выделить первичный эффект бывает чрезвычайно трудно. Сказанное относится в первую очередь к тем питательным элементам, которые не входят в состав определенных органических веществ, а играют скорее регуляторную или какую-то иную роль. В общем виде можно сказать, что питательные элементы имеют следующее значение:
1) входят в состав биологически важных органических веществ;
2) участвуют в создании определенной ионной концентрации, стабилизации макромолекул и коллоидных частиц (электрохимическая роль);
3) участвуют в каталитических реакциях, входя в состав или активируя отдельные ферменты.
Во многих случаях один и тот же элемент может играть разную роль. Некоторые элементы выполняют все три функции.
Надо учитывать также, что, чем быстрее поступающие ионы включаются в метаболизм, тем интенсивнее идет их поглощение. Для многоклеточного высшего растения не меньшее значение имеет и передвижение питательных веществ из клетки в клетку. Чем быстрее проходит этот процесс, тем быстрее соли будут при прочих равных условиях поступать в клетку.
Список литературы.
Авцын А.П. Принципы классификации заболеваний биогеохимической природы / А.П. Авцын, А.А. Жаворонков, Л.С. Строчкова // Архив патологии, 1983. – №9. – С.3–10
Скальный А. В., Рудаков И.А. Биоэлементы в медицине. — Оникс 21 век, Мир, 2004. — С. 18—19. — 272 с.
http://wikibotanika.ru/uhod/bolezni/chego-ne-hvataet-rasteniyu.html
https://www.gidroponika.su/gidroponika-teorija.html/44-bolezni-vrediteli-i-prochie-problemy/91-nedostatok-izbytok-pitatelnyh-elementov.html
https://studfile.net/preview/4170926/page:2/
https://studopedia.su/6_32545_lektsiya-.html
15