ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ НА ВРАЩАТЕЛЬНУЮ ПОДВИЖНОСТЬ НАСТОЯ ЛИСТЬЕВ ПОДОРОЖНИКА ЛАНЦЕТНОГО (PLANTAGO LANCEOLATA L.) В СПИРТОВОМ РАСТВОРЕ
ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ НА ВРАЩАТЕЛЬНУЮ ПОДВИЖНОСТЬ НАСТОЯ ЛИСТЬЕВ ПОДОРОЖНИКА ЛАНЦЕТНОГО (PLANTAGO LANCEOLATA L.) В СПИРТОВОМ РАСТВОРЕ
Аннотация
Методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) с применением спиновых меток исследован настой листьев подорожника ланцетного (Plantago lanceolata L.) в 95%-ном спиртовом растворе. В зависимости от времени температура на поверхности Земли и в двух метрах от неё повышается, однако влажность воздуха и почвы монотонно уменьшается. Установлено, что при изменении температуры, влажности и внешних факторов уменьшается подвижность нитроксильного радикала, присоединённого к органическим соединениям биоматериалов. Определено, что температура и влажность окружающей среды влияют на концентрацию радикалов, о чём свидетельствуют уменьшения интенсивности компонентов ЭПР-спектра примерно на 40%. Выявлены уменьшения частоты вращения для образцов, отобранных из мест близи автомобильной дороги, что, очевидно, связано с изменением физико-химических свойств природных растительных соединений.
1. Введение
Известно, что атмосфера и верхняя часть литосферы, которые непосредственно выступают как минеральные основы биосферы, в настоящее время подвергаются всё более возрастающему антропогенному и техногенному воздействию , . Это непременно влияет на рост и развитие растительного покрова, в частности, на биосинтез органических природных соединений.
Для формирования структуры составных частей природных соединений и его физико-химических свойств важнейшую роль играют их листья, так как в них под воздействием внешних факторов формируется органические вещества, обеспечивающие синтез жизненно важных органических соединений из неорганических , .
Авторы работ установили влияние погодных условий на биохимический состав дикорастущей сои. Они обнаружили, что при повышении температуры воздуха и уменьшения влажности воздуха и почвы происходит низкая активность некоторых биологически активных веществ. Это, очевидно, приводит к изменению свойств растений. Продуктивность мягкой пшеницы, ячменя и кормовой продукции зависит от погодных условий как температура и влажность почвы и др., что подчёркивают авторы работ .
В работе , определили, что при нагревании белков увеличивается тепловое движение атомов в молекуле, кумулятивно в этом случае белок теряет свою активность из-за оказавшихся радикалов аминокислот. Авторы показывают, что температура влияет как на спектральные параметры, и так на свойства белка.
Согласно работе , изменения температуры приводят к изменению подвижности нитроксильного радикала в гексановых растворах, которые аналогичны биологической молекуле. Обнаружена концентрационно-температурная зависимость нитроксильного радикала. Методом ЭПР-спектроскопии исследовано влияние температуры на молекулярную подвижность в аморфные и кристаллические фазы полилактида. Установлено, что температурный фактор влияет на подвижность аморфной фазы и приводит к росту времени корреляции радикала .
В работах , показано, что условия произрастания растений могут влиять на молекулярное и надмолекулярное состояние, формирование системы меж- и внутримолекулярных взаимодействий молекул, возникающих в результате воздействия окружающей среды. Однако влияния температуры, влажности воздуха и почв и других факторов на вращательную подвижность молекул листьев подорожника ланцетного в спиртовом растворе изучены недостаточно.
Поэтому исследование влияния экологических условий места произрастания, таких как температура, влажность воздуха, почвы и техногенные воздействия, на молекулярную подвижность присоединившихся спиновых меток к молекулам дикорастущих растений подорожника ланцетного является актуальным и своевременным. Так как спиновые метки дают информацию о том, что происходит внутри молекулы, то оно предоставляет информацию о мельчайших изменениях в свойствах растений.
В связи с этим в работе исследуются влияние температуры, влажность и другие факторы экологической условий места произрастания на молекулярную подвижность спин-меченого настоя листьев подорожника ланцетного в спиртовом растворе.
2. Экспериментальная часть
Определения влияний температуры и влажности на структуру и свойства природных растительных соединений возможны с применением методов радиоспектроскопии.
Образцы для исследования собраны во время цветения из Бободжан гафуровского района (1 — координаты; 40,2692 с.ш.; 69,7004 в.д.) и города Худжанда вблизи автомобильной дороги (2 — координаты; 40, 282 с.ш., 69, 6401 в.д.).
Некоторые метеорологические параметры обработаны за период с 1-го марта до 31-го июля 2021 г., то есть во время произрастания и цветения растений.
В период произрастания и созревания подорожника были определены среднедневные значения влажности воздуха, его температуры на поверхности Земли и в пространстве около 2 метров от Земли, значение осадков, вариация влажности на поверхности почвы, влажности на корневой системе, фотосинтетически активной радиации. Очевидно, перечисленные факторы влияют на свойства и молекулярную структуру растений, которые отражаются на спектральных параметрах.
3. Результаты и обсуждения
На рисунке 1 приведена средне недельная относительная и удельная влажность воздуха. Из рисунка (1 а) видно, что в период эксперимента относительная влажность воздуха уменьшается от 85% до 18%, когда удельная влажность изменяется в интервале от 2 до 12 г/кг.
Влажность воздуха в период эксперимента:
а - относительная влажность; б - удельная влажность
01.03 – 31.07.2021 г
Среднесуточная температура воздуха на поверхности Земли
Вариации температуры воздуха на уровне 2 м от поверхности Земли (а), корреляции температуры между точками произрастания подорожника ланцетного (б)
Вариация влажности на поверхности почвы (а), влажности на корневой системе (б) и профиль влажности почвы (в) в период 01.03.2021–31.07.2021гг
Накопление фотосинтетически активной радиации в период изучения
Методом ЭПР можно определить концентрацию парамагнитных центров и идентифицировать радикалы в любом агрегатном состоянии органических соединений, что незаменимо для исследования кинетики и механизма процессов, происходящих с их участием. Спектроскопию ЭПР применяли для определения радиационного фона местности, в изучении процессов строения и реакционной способности организации свободных радикалов и ион-радикалов, полимерных систем с сопряжёнными связями. Применяя ЭПР-спектроскопию можно решить широкий круг структурно-динамических задач. Динамические эффекты в ЭПР-спектрах проявляются в специфических сужениях или расширениях отдельных компонентов сверхтонкой структуры биомолекул природных соединений. Они обусловлены модуляцией величины констант сверхтонкого взаимодействия за счёт внутри- и межмолекулярных взаимодействий, внутримолекулярных процессов перемещения групп атомов или радикалов.
Метод спиновых меток и зондов широко используется для исследования структуры и молекулярной динамики синтетических и природных соединений , , , .
Было определено время корреляции и частоты вращения радикала настоя ПЛ в спиртовом растворе. Спектры спин-меченного настоя ПЛ в 95%-ном спиртового раствора снимали согласно методике , , .
ЭПР-спектры нитроксильного радикала:
а - спин-меченого настоя в спиртовом растворе; б - Бободжангафуровский район; в - город Худжанд
где ΔHo — ширина центрального компонента; J0/J-1 — относительные параметры центрального и высокопольного компонентов спектра ЭПР и n = 1/t — величина, условно называемая «частотой вращения» радикала.
В таблице 1 приведены спектральные параметры ЭПР-спектров спин-меченого настоя листьев ПЛ в спиртовом растворе «частоты вращения» радикала и время корреляции (τс) при комнатной температуре, где значение этого параметра по отношению к свободному нитроксильному радикалу увеличивается, а частота подвижности радикала уменьшается.
Разности температур почвы и воздуха, относительной влажности воздуха и почвы являются факторами для изменений свойств в листьях ПЛ, что прямо отражается на ЭПР-спектрах, что следует из показателей таблицы 1. Очевидно, изменение температуры и влажности окружающей среды влияет на вращательную подвижность спин меченых образцов. Относительная погрешность частота микроволного излучения прибора составляет около 0,07%. Относительная погрешность для интенсивности сигнала и ширина линии около 7%, для времени корреляции и частота вращения радикала ±12%.
Параметры спектра ЭПР спин-меченого подорожника ланцетного в зависимости от температуры и влажности
№ |
Образцы | Спектральные параметры | ||||||||
J+1, Гс | J-1, Гс | J0 /J-1 | J0, Гс | ΔH+1, Гс | ΔH-1, Гс | ΔH0, Гс | τс 10-9, с | n 108, 1/с | ||
1 | А) Нитроксильный радикал | 224 | 120 | 1.76 | 211 | 5,2 | 5,2 | 5.4 | 1.12 | 8.33 |
2 | Б) Бободжон Гафуровский район | 177 | 94 | 1.69 | 159 | 6.0 | 6,1 | 6,1 | 1.15 | 8.69 |
3 | В) город Худжанд | 106 | 65 | 1.66 | 108 | 6.0 | 7.1 | 7.1 | 1.28 | 7.81 |
Из данных таблицы видно, что параметры J0 для образцов из Худжанда уменьшаются примерно на 30%; это, очевидно, связано с влиянием температуры, влажности и внешних факторов на функциональные группы настоя ПЛ. Параметр ΔH0 для этого образца увеличивается более чем на 18%; вероятнее, это связано с расширением линии спектра. По результатам таблицы видно, что внешние факторы влияют на спектральные параметры ЭПР.
Впервые определены влияние температура, влажность и др. экологические условия на молекулярную подвижность молекул листьев настоя ПЛ, произрастающих в техногенных условиях около автомагистрали города Худжанда и около благополучных условий около сада в Бободжонгафуровском района. Изменения времени корреляции, частота вращения и другие спектральные параметры говорят об изменениях свойств на молекулярном уровне, которые обеспечивают достоверность полученных экспериментальных результатов.
4. Заключение
1. Исследовано влияние температуры, влажности и других внешних факторов на спектральные параметры как центральной, так и низкопольной и высокопольной линий и интенсивности ЭПР-спектра, которая изменяется до 40%.
2. Впервые выявлено, что температура, влажность и другие внешние факторы влияют на количественное содержание нитроксильных радикалов в образцах ПЛ, о чём свидетельствуют уменьшения интенсивности компонентов спектра ЭПР от 30 до 40% в образцах из города Худжанда.
3. Определено, что при увеличении времени корреляции наблюдается уменьшение подвижности макромолекул настоя ПЛ, что, очевидно, связано с изменением физико-химических свойств природных растительных соединений.
4. Установлено, что температура, влажность воздуха и почв, а также техногенные факторы (комплексно) приводят к замедлению времени корреляции спиновых меток, присоединяющихся к функциональным группам листьев ПЛ до 10%.
5. Обнаружены повышения температуры и уменьшения влажности в зависимости от времени.