THE EFFECTS OF ATMOSPHERIC TEMPERATURE AND HUMIDITY ON THE ROTATIONAL MOBILITY OF PLANTAGO LANCEOLATA L. LEAVES EXTRACT IN AN ALCOHOL SOLUTION
THE EFFECTS OF ATMOSPHERIC TEMPERATURE AND HUMIDITY ON THE ROTATIONAL MOBILITY OF PLANTAGO LANCEOLATA L. LEAVES EXTRACT IN AN ALCOHOL SOLUTION
Abstract
An extract of Plantago lanceolata L. leaves in a 95% alcohol solution was studied using electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy with spin labels. Depending on the time of day, the temperature at the Earth’s surface and two metres above it increases, while the humidity of the air and soil decreases steadily. It has been established that changes in temperature, humidity and external factors reduce the mobility of the nitroxyl radical attached to the organic compounds of biomaterials. It has been determined that environmental temperature and humidity influence the concentration of radicals, as evidenced by a reduction in the intensity of the EPR spectrum components by approximately 40%. Reductions in rotational frequency were observed for samples collected from locations near a motorway, which is evidently linked to changes in the physicochemical properties of natural plant compounds.
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.