Оценка экологической опасности изомеров фенольных производных 1,2,4-триазола для природных экосистем
- Авторы: Селезнева Е.С.1, Белоусова З.П.1, Артюков Р.О.1
-
Учреждения:
- Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
- Выпуск: Том 10, № 1 (2021)
- Страницы: 151-156
- Раздел: Общая биология
- URL: https://snv63.ru/2309-4370/article/view/70432
- DOI: https://doi.org/10.17816/snv2021101123
- ID: 70432
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Для оценки влияния антропогенных ксенобиотиков, отличающихся строением, на экосистемы, соседствующие с аграрными комплексами, необходим синтез гомологов часто используемых в практике соединений и анализ их биологической активности в лабораторных экспериментах с использованием скрининг-тестов, дающих интегральную оценку биологических ответов. С помощью Allium-теста мы проанализировали спиртовые растворы 2-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенола (орто-изомера) и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенола (пара-изомера) в трех концентрациях: 0,0001; 0,001; 0,01 мг/мл. Растворителем служил 0,1% изопропиловый спирт, тест-объектом – Allium fistulosum. Длительность эксперимента – 5 суток. Растворы триазолидов достоверно ингибировали всхожесть семян во всех исследованных концентрациях. Однако достоверных различий как между изомерами, так и между исследованными концентрациями не обнаружили. Оба изомера ингибировали рост корней во всех исследованных концентрациях. Токсичность триазолида, содержащего ОН-группу в пара-положении, не менялась в избранном диапазоне концентраций. Для его орто-изомера токсичность увеличивалась с ростом концентрации, достигая в дозе 0,01 мг/мл токсичности его гомолога. Исследованные соединения достоверно ингибировали пролиферацию клеток меристемы по сравнению с контролем. При этом различий в действии гомологов с OH-группой в пара- и орто-положении на величину митотического индекса не наблюдалась. Однако мы обнаружили парадоксальную реакцию: в минимальной концентрации 0,0001 мг/мл оба гомолога демонстрировали максимальную цитотоксичность, и с ростом концентрации цитотоксичность уменьшалась по сравнению с контролем. Триазолид, содержащий ОН-группу в пара-положении, вызывал блок на стадии метафазы и анафазы в самой низкой концентрации. С увеличением концентрации специфичность его действия исчезала, что выразилось в общем профазном и метафазном блоке. Его орто-изомер ингибировал клеточное деление во всех концентрациях на стадии профазы. Оба соединения мутагенны. Число хромосомных аберраций зависело как от строения соединений, так и от их концентрации. Пара-гомолог менее мутагенен, чем орто-гомолог. У орто-гомолога мутагенность слабо падала с увеличением концентрации. Самая высокая мутагенность выявлена для орто-гомолога в самой низкой его концентрации. Обсуждается возможные механизмы действия изомеров и их негативное влияние на растительные организмы в экосистемах.
Ключевые слова
Полный текст
Введение
Производные триазола широко используются в сельском хозяйстве как фунгициды и регуляторы роста [1, с. 37–44; 2, с. 12–21; 3, p. 55–138]. Несмотря на то, что триазолиды в почве сохраняются долго и относятся ко 2 классу опасности, их с точки зрения экологии традиционно считают мало опасными, так как для них характерны очень низкие нормы расхода 250 г действующего вещества на гектар [4].
Существует большое количество исследований, доказывающих способность производных триазолов позитивно воздействовать на урожайность плодовых, зерновых, овощных, бобовых, крупяных и декоративных культур [1, с. 37–44; 2, с. 12–21; 3, p. 55; 5, p. 63–70; 6, p. 149–154].
Механизм действия триазольных регуляторов роста изучен. Показана их способность вмешиваться в гормональный баланс растений [7, с. 626–630; 8, p. 267–278]. Однако цитогенетическая активность многих используемых в настоящее время ретардантов не исследовалась. Практически не изучались и отдаленные последствия длительного использования многих производных триазола.
Особый интерес представляют исследования, в которых триазолиды используются в сверхмалых дозах, в которых они попадают в экосистемы. Между тем известно, что постоянное применение в неконтролируемых дозах биологически активных веществ создает условия для отбора редких генотипов сорных растений, устойчивых к их действию. Именно поэтому продолжаются поиски новых высокоэффективных соединений, механизм действия которых отличался бы от такого у ранее синтезированных препаратов. Затраты на синтез таких соединений и испытаний очень высоки. Поэтому необходимы модельные эксперименты с использованием ряда структурных аналогов химических соединений. Они позволят в дальнейшем осуществить направленный синтез новых биологически активных соединений.
Цель исследования: определение влияния фенольных производных, содержащих фрагмент 1,2,4-триазола, различающихся положением гидроксильной группы в бензольном кольце, на ростовые процессы семян Allium fistulosum L. и проведение сравнительного анализа их биологической активности с точки зрения экологической опасности.
Материалы и методы исследований
Токсичность и цитогенетическую активность спиртовых растворов 2-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенола (орто-изомера) и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенола (пара-изомера).
Растворителем служил 0,1% изопропиловый спирт. Соединения использовали в трех концентрациях: 0,0001; 0,001; 0,01 мг/мл. В качестве тест-объекта использовали Allium fistulosum L. сорта «Апрельский». Было проведено 4 серии экспериментов, по три повтора для каждой серии.
1 серия. Контроль. Семена проращивали в 0,1%-м растворе изопропилового спирта.
2 серия. Семена проращивали в растворах исследуемых триазолидов в концентрации 0,0001 мг/мл.
3 серия. Семена проращивали в растворах исследуемых триазолидов в концентрации 0,001 мг/мл.
4 серия. Семена проращивали в растворах исследуемых триазолидов в концентрации 0,01 мг/мл.
По стандартной методике готовили давленные и окрашенные ацетокармином препараты меристемы корней лука [9, с. 86–97].
Токсичность веществ оценивали по способности ингибировать всхожесть семян и рост корней Allium fistulosum. Цитотоксичность и генотоксичность оценивали с помощью ана-телофазного анализа [10, с. 23, 26; 11, с. 93–98].
Достоверность и различий между воздействием исследуемых веществ в разных концентрациях; опытом и контролем оценивали с помощью двухфакторного дисперсионного анализа и непараметрического критерия Вилкоксона-Манна-Уитни [12, с. 159–179].
Результаты исследований и их обсуждение
Изучалось влияние 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенолов на всхожесть семян. Результаты представлены на рис. 1.
Рисунок 1 – Влияние 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил-фенолов на всхожесть семян A. fistulosum
Растворы указанных соединений проявили слабый токсический эффект во всех исследованных концентрациях. Проведенный двухфакторный дисперсионный анализ выявил достоверные различия между воздействиями соединений для p < 0,003, по сравнению с контролем. Однако достоверных различий как между гомологами, так и исследованными концентрациями обнаружено не было.
Полученные нами результаты частично согласуются с работами других авторов, работающих на высокоэффективном фунгициде тебуконазоле, производном триазола. Они обнаружили способность этого фунгицида ингибировать всхожесть семян Allium cepa в концентрации 12,5 мкг/мл. С увеличением концентрации возрастала его токсичность, а в концентрации 200 мкг/мл, то есть 0,2 мг/мл, семена не прорастали [13, p. 207].
Мы использовали концентрации на два порядка ниже, чтобы изучить, как влияют следовые количества синтезированных нами соединений на природные экосистемы. Обнаружили, что в диапазоне концентраций от 0,0001 мг/мл до 0,01 мг/мл, то есть 10 мкг/мл, токсичность синтезированных нами производных не меняется.
Однако даже в этих столь незначительных концентрациях обнаружили, что оба вещества ингибируют рост корней (рис. 2).
Рисунок 2 – Влияние 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенолов на среднюю длину корней A. fistulosum на пятый день роста
Оба изомера ингибировали рост корней во всех исследованных концентрациях. Но их токсичность проявлялась по-разному. Токсичность триазолида, содержащего ОН-группу в пара-положении, не менялась в избранном диапазоне концентраций. Для его изомера, содержащего группу в орто-положении, токсичность возрастала с увеличением его концентрации, достигая в максимальной дозе (0,01 мг/мл) токсичности его пара-изомера (p < 0,05). Различия в токсичности изомеров подтверждается и проведенным анализом с использованием непараметрического критерия Вилкоксона-Манна-Уитни.
Ингибирование роста под действием 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенолов, наблюдаемое нами, сходно и с результатами других исследователей, работающих с известными триазольными пестицидами. Так, ингибирование роста корней Allium cepa под действием тебуконазола начиналось с концентрации 12,5 мкг/мл (0,0125 мг/мл), снижалась скорость роста корней и у водного макрофита Bidens laevis, подвергшегося воздействию в концентрации 10 мкг/л (0,01 мг/мл) [14, p. 353–357].
Ретардантное действие триазолов и их производных обусловлено подавлением биосинтеза гиббереллина в трех его звеньях уже на ранних стадиях развития растений [15, p. 2491–2500; 16, p. 1197–1210]. Кроме того, некоторые производные триазолов способны подавлять действие экзогенного гиббереллина [17, p. 5–11; 18, p. 63–72].
Однако определяющее значение в ростовых процессах принадлежит митотической активности корневой меристемы. Известно, что некоторые фенольные соединения могут стимулировать клеточную пролиферацию [19; 20, с. 62–66].
Следующим этапом наших исследований была оценка величины митотического индекса в клетках корневой меристемы тест-объекта. Результаты исследований по влиянию исследованных соединений на величину митотического индекса представлены на рис. 3.
Рисунок 3 – Влияние 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенолов на величину митотического индекса клеток корневой меристемы A. fistulosum
Анализ полученных результатов показал, что оба изомера достоверно (p < 0,05) ингибируют пролиферацию клеток меристемы по сравнению с контролем, но различий в действии изомеров с OH-группой в пара- и орто-положении на величину митотического индекса не наблюдается. Однако мы обнаружили парадоксальную реакцию: в минимальной концентрации 0,0001 мг/мл оба изомера демонстрируют максимальную цитотоксичность, и с увеличением их концентрации цитотоксичность падает по сравнению с контролем.
Необходимо отметить, что другие триазолиды также ингибируют клеточную пролиферацию. Снижение митотического индекса и увеличение числа хромосомных аберраций наблюдали и при действии тебуконазола (0,01 мг/мл) на Bidens laevis [14, p. 353–357]. Но, в отличие от полученных нами данных, в их экспериментах цитотоксичность росла с увеличением концентрации.
Впервые «парадоксальные» эффекты химических веществ (снижение токсического действия ксенобиотика при повышении дозы или увеличение эффекта на низких уровнях доз, би- или полимодальная зависимость «доза‑эффект») были выявлены еще в начале XX столетия [21]. Впоследствии было показано, что «парадоксальные» эффекты в большинстве случаев выявляются на низких и сверхнизких дозах [22], что наблюдается и в нашем случае.
Подобную реакцию можно объяснить с позиции «лиганд-рецепторного» взаимодействия. В низких концентрациях лиганд связывается с наиболее активным центром рецептора. При увеличении концентрации лиганд связывается и с другими менее активными центрами, при этом снижая его сродство к субстрату, и тогда лиганд, связанный с первым центром, освобождает его. Взаимодействие с ним может произойти только тогда, когда концентрация вещества приблизится к значению константы диссоциации комплекса лиганда с этим центром рецептора [22; 23]. Возможно, что и триазолиды подобным же образом связываются с рецепторами, тогда эффективность их воздействия зависит от концентрации, и в сверхнизких дозах триазолилы действуют более эффективно, чем в высоких.
Если эти предположения верны, то мы должны обнаружить различное влияние 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенолов и в концентрации, и в их действии на разные стадии митоза. Ранее нами было показано, что существует зависимость между структурой соединения и их физико-химическими параметрами, проявляющаяся в их митозомодифицирующем действии [24]. Результаты анализа способности 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенолов влиять на фазы митоза в клетках корневой меристемы представлены на рис. 4.
Рисунок 4 – Влияние 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенолов на относительную продолжительность фаз митоза клеток корневой меристемы A. fistulosum
4-(1Н-1,2,4-Триазолил-метил)фенол (пара-изомер) вызывает блок на стадии метафазы и анафазы в самой низкой концентрации (0,0001 мг/мл). С увеличением концентрации специфичность его действия исчезает, что выражается в общем профазном и метафазном блоке. Его орто-изомер демонстрирует высокую цитотоксичность, ингибируя клеточное деление на всех концентрациях на стадии профазы.
Известно, что остановка клеточного деления на стадии профазы является показателем способности веществ вмешиваться в синтез ДНК [25]. Остановка клеточного деления на стадии метафазы говорит о повреждении аппарата, обеспечивающего расхождение хромосом к полюсам: нитей веретена деления, кинетохоров и др. Блоки на стадии анафазы и телофазы говорят о нарушении цитотомии [26, с. 198–207].
Вещества, вмешивающиеся в синтез ДНК и ее предшественников, как правило, проявляют мутагенную активность. Мы обнаружили, что число хромосомных аберраций, индуцированных 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенолами, зависит как от их строения, так и от концентрации (p < 0,05) (рис. 5).
Рисунок 5 – Мутагенность исследуемых 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенолов для A. fistulosum
Пара-изомер менее мутагенен, чем орто-изомер. У орто-изомера мутагенность слабо падает с увеличением концентрации.
2- и 4-(1Н-1,2,4-Триазолил-метил)фенолы, попадая в организм растения, включаются в сложные метаболические процессы, в результате которых могут образовываться триазол и фенолы. Триазол, входящий в структуру известных ретардантов, способен вмешиваться в онтогенез растений, ингибируя синтез гибберелина в процессе превращения энткаурена в кауреновую кислоту [7, с. 626–630]. Второй активной группой является фенол. Природные фенолы известны как регуляторы роста [27]. Ранее было показано, что перемещение ОН-группы в орто- или мета-положение в феноле приводит к резкому снижению его активности [28, с. 303–322].
Парадоксальную цитологическую реакцию клеток корневой меристемы, когда с увеличением концентрации соединений снижается цитотоксичность, можно объяснить следующим образом. Возможно, 2- и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенолы способны связываться с белками, обеспечивающих клеточное деление, например с протеинкиназами циклинов [29, с. 121].
Различия в реакции клеточного метаболизма в ответ на воздействие пара и орто-гомологов связано с разной скоростью образования модифицированных белков-регуляторов. Пара-гомолог более цитотоксичен, а орто-гомолог более генотоксичен.
Возможно, в зависимости от концентрации исследованных веществ растения воспринимают их по-разному: в концентрации 0,00001 мг/мл как агонист известных фитогормонов, в концентрации 0,01 мг/мл – как ксенобиотик, нарушающий гомеостаз организма.
Оценивая возможный негативный эффект воздействия подобных соединений на экосистемы, можно утверждать, что применение орто-изомеров более опасно как для искусственных экосистем агропромышленных комплексов, так и для природных экосистем, контактирующих с ними.
Учитывая высокие затраты на поиск высокоэффективных пестицидов (в 2017 г. его объем затрат составил 68,5 млрд долларов США [30, с. 5–8]), усилия многих исследователей направлены на поиск закономерностей между структурой и функцией соединений. Поиски закономерностей осложняются как биологическим разнообразием живых организмов, так и различными подходами к решению этой проблемы – с позиции биохимии, медицинской химии, физической, органической химии и фармакологии [31, с. 119; 32, с. 3–19]. Именно поэтому все исследования, позволяющие понять механизмы возможного негативного воздействия химических соединений на экосистемы, необходимо продолжать.
Заключение
Механизмы ингибирования и мутагенности зависят от строения 2-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенола и 4-(1Н-1,2,4-триазолил-метил)фенола, следовательно, и степень опасности для экосистем, в которые попадают подобного рода соединения, также зависит от их строения.
Синтезированные нами соединения проявляют выраженную ретардантную активность в исследованных крайне низких дозах, ингибируя всхожесть семян и рост корней, а также митотическую активность в клетках корневой меристемы тест-объекта. Изомер, содержащий ОН-группу в пара-положении, вызывает блок на стадии метафазы и анафазы в самой низкой концентрации, с ростом концентрации специфичность действия его исчезает, что выражается в общем профазном и метафазном блоках. Его орто-изомер ингибирует клеточное деление на всех концентрациях на стадии профазы в клетках корневой меристемы. Таким образом, исследуемые вещества останавливают клеточное деление на разных стадиях митоза в зависимости от строения и концентрации.
Оба соединения проявляют генотоксичность. Число хромосомных аберраций зависит от строения соединений и от концентрации. Пара-изомер менее мутагенен, чем его орто-изомер. У орто-изомера мутагенность слабо падает с увеличением концентрации. Самая высокая мутагенность характерна для соединения в самой низкой концентрации.
Орто-изомеры более опасны для экосистем, чем пара-изомеры.
Об авторах
Екатерина Сергеевна Селезнева
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Автор, ответственный за переписку.
Email: catana7@yandex.ru
кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры биохимии, биотехнологии и биоинженерии
Россия, СамараЗоя Петровна Белоусова
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Email: zbelousova@mail.ru
доктор химических наук, доцент, профессор кафедры неорганической химии
Россия, СамараРоберт Олегович Артюков
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Email: artyukov_robert@outlook.com
магистрант кафедры биохимии, биотехнологии и биоинженерии
Россия, СамараСписок литературы
- Прусакова Л.Д., Чижова С.И. Применение производных триазола в растениеводстве // Агрохимия. 1998. № 10. С. 37–44.
- Прусакова Л.Д., Чижова С.И. Исследование в области физиологически-активных соединений // Агрохимия. 1999. № 9. С. 12–21.
- Fletcher R.A., Gill A., Davis T.D., Sankhla N. Triazoles as plant growth regulators and stress protectants // Horticultural Reviews. 2000. Vol. 24. P. 55–138.
- Попов С.Я., Дорожкина Л.А., Калинин В.А. Основы химической защиты растений. М.: АртЛион, 2003. 208 с.
- Byamukama E., Ali S., Kleinjan J., Yabwalo D.N., Graham Ch., Caffe-Treml M., Mueller N.D., Ricrertsen J., Berzonsky W.A. Winter wheat grain yield response to fungicide application is influenced by cultivar and rainfall // Plant Pathology Journal. 2019. Vol. 35, № 1. P. 63–70.
- Steinbach H.S., Benech-Arnold R.L., Sanchez R.A. Hormonal regulation of dormancy in developing sorghum seeds // Plant Physiology. 1997. Vol. 113, № 1. P. 149–154.
- Прусакова Л.Д., Чижова С.И., Павлова В.В. Оценка ретардантной активности триазолов в α-амилазном тесте на эндосперме ярового ячменя // Физиология растений. 2004. Т. 5, № 4. С. 626–630.
- Soumya P.R., Kumar P., Madan P.S. Paclobutrazol: a novel plant growth regulator and multi-stress ameliorant // Indian Journal of Plant Physiology. 2017. Vol. 22 (3). P. 267–278.
- Руководство по краткосрочным тестам для выявления мутагенных и канцерогенных химических веществ // Гигиенические критерии состояния окружающей среды. Всемирная организация здравоохранения. Женева, 1989. № 51. 212 с.
- Прохорова И.М., Фомичёва П.Н., Ковалёва М.И. Оценка митотоксического и мутагенного действия факторов окружающей среды: Методические указания. Ярославль: ЯрГУ, 2003. 140 с.
- Песня Д.С., Серов Д.А., Вакорин С.А., Прохорова И.М. Исследование токсического, митозмодифицирующего и мутагенного действия борщевика Сосновского // Ярославский педагогический вестник (Естественные науки). 2011. Т. III, № 4. С. 93–98.
- Лакин Г.Ф. Биометрия. М.: Высшая школа, 1990. 352 с.
- Bernardes P.M., Andrade-Vieira L.F., Aragão F.B., Ferreira A., da Silva Ferreira M.F. Toxicity of difenoconazole and tebuconazole in Allium cepa // Water Air and Soil Pollution. 2015. Vol. 226. P. 207.
- Moreyra L.D., Garanzini D.S., Medici S., Menone M.L. Evaluation of growth, photosynthetic pigments and genotoxicity in the wetland macrophyte Bidens laevis exposed to tebuconazole // Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 2019. Vol. 102, № 3. P. 353–357.
- Haughan P.A., Lenton J.R., Goad L.J. Sterol requirements and paclobutrazol inhibition of celery cell culture // Phytochemistry. 1988. Vol. 27, № 8. P. 2491–2500.
- Kende H., Zeevaart J. The five «classical» plant hormones // The Plant Cell. 1997. Vol. 9, № 7. P. 1197–1210.
- Hradilík J., Fišerová H. Interakce mezi giberelinem (GA3) a paclobutrazolem (PP 333) u salátu, hrachu a lnu // Acta Universitatis Agriculturae. (Brno). Facultas agronomica. 1986. Vol. 35. № 4. P. 5–11.
- Lucangeli C.D., Bottini R. Effects of Azospirillum spp. on endogenous gibberellin content and growth of maize (Zea mays L.) treated with uniconazole // Symbiosis. 1997. Vol. 23, № 1. P. 63–72.
- Запрометов М.Н. Фенольные соединения растений и их биосинтез. М.: ВИНИТИ, 1988. Т. 27. 188 с.
- Коношина С.М., Хилкова Н.Л., Прудникова Е.Г. Роль фенольных соединений древесных растений в формировании биоценоза // Вклад современных молодых ученых в науку будущего: междунар. молодеж. мультидисц. науч.-практ. конф. Ростов-на-Дону: Международный исследовательский центр «Научное сотрудничество», 2015. С. 62–66.
- Криштопенко С.В., Тихов М.С., Попова Е.Б. Парадоксальная токсичность. Нижний Новгород: Издательство Нижегородской государственной медицинской академии, 2001. 163 с.
- Точилкина Л.П. Феномен сверхмалых доз, гомеопатия и ФОВ // Химическая и биологическая безопасность. 2007. № 1 (31). С. 4–14.
- Генераленко Н.Ю., Крюкова Л.Ю., Пушкин И.А. Эффекты малых и сверхмалых доз биологически активных веществ // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2010. № 3. С. 6–7.
- Селезнева Е.С., Теньгаев Е.И. К вопросу об использовании в мониторинге ксенобиотков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12, № 1 (4). С. 1149–1152.
- Алов И.А. Цитофизиология и патология митоза. М.: Медицина, 1972. 264 с.
- Смирнова Е.А. Организация митотического веретена в клетках высших растений // Физиология растений. 1998. Т. 45, № 2. С. 198–207.
- Кефели В.И. Природные ингибиторы роста // Физиология растений. 1997. Т. 44. С. 471–480.
- Газарян И.Г., Хушпульян Д.М., Тишков В.И. Особенности структуры и механизма действия пероксидаз растений // Успехи биологической химии. 2006. Т. 46. С. 303–322.
- Кулуев Б.Р. Регуляторы деления и пролиферации клеток в растениях // Биохимия. 2017. Т. 9, № 2. С. 119–135.
- Захаренко В.А. Экономическая целесообразность системы защиты зерновых культур в России // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32, № 7. С. 5–8.
- Куценко С.А. Основы токсикологии. СПб.: Фолиант, 2004. 715 с.
- Захаренко В.А. Научное обеспечение производства, рынка и реализации пестицидов в аграрном секторе Российской Федерации // Агрохимия. 2014. № 4. С. 3–19.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)