Все живые существа, населяющие планету Земля, в своей жизнедеятельности активно используют всевозможные минеральные и органические вещества, находящиеся в воде, воздухе и почве. Многие из необходимых для организма растений, грибов, животных и человека химических соединений находятся в ископаемых породах, которые сформировались за миллионы лет существования нашей планеты и составляют её кору. Среди наиболее необычных ископаемых минералов можно назвать шунгит, история научного исследования которого составляет менее 100 лет [1].
Эта ископаемая порода представляет собой углеродистую структуру с включениями минеральных компонентов. Входящая в состав шунгита особая форма углерода — фуллерен, представлена сферической кристаллической решёткой из атомов углерода, и она впервые была получена в научных лабораториях при моделировании процессов, происходящий в космосе. Позднее было доказано, что процессы, аналогичные космическим, характерны и для земной коры, и шунгитовые породы являются результатом этих необычных геологических метаморфоз. Доступность изучения этого ископаемого вещества, а также возможность относительно лёгкого получения разнообразных углеродных аллотропов, в настоящее время сделала шунгит перспективным материалом для развития нанотехнологий и интересным является объектом для изучения в научно-исследовательских лабораториях и институтах [2, 5].
В настоящее время у учёных нет единых представлений о происхождении этого минерала. Сейчас принято считать, что шунгит является докембрийской горной породой из органического вещества, которая сформировалась путём концентрации, осаждения и метаморфоза и превратилась из органических донных отложений (сапропелей) в разновидность кремнистых сланцев. Но исследователей смущает тот факт, что распределение входящих в шунгит минеральных веществ имеет исключительную однородность, вне зависимости от его месторождения. В последнее пятилетие высказывается мнение о схожести шунгитовых глобул с частицами сажи, которая может образоваться в процессе неполного сгорания гигантских скоплений первичного углеводородного сырья, преимущественно природного газа — метана. Формирование глобул в данном случае обусловлено активной вулканической деятельностью, в процессе которой углеводороды и минералы смешивались друг с другом, а затем с течением времени окаменела, превратившись в существующие сейчас шунгитовые породы [1, 8].
Исследования, проведённые в первой половине ХХ века, и научный интерес к шунгиту в последние десятилетия показали, что его структура, и дополнительные минеральные химические составляющие определяют имеющуюся активность шунгита в окислительно-восстановительных реакциях, обуславливают способность породы осаждать на своей поверхности другие вещества и становиться катализатором в различных химических реакциях или поглощать волновую энергию различного происхождения [2, 4].
Наряду с промышленным использованием минерала в строительстве, металлургии и водоочистке, остаются открытыми научно-исследовательские вопросы о его воздействии на живые организмы. По мнению ряда исследователей, входящий в состав фуллерен определяет его антимикробную активность [3, 6]. В ряде случаев шунгит используют при изготовлении косметических средств и приписывают ему омолаживающий эффект, описан экранирующий эффект шунгита при электромагнитном излучении системы сотовой связи, а также встречаются данные о применении шунгита в составе водолечебных процедур при реабилитации после различных заболеваний и травм. Но наряду с этим ряд учёных считают недостаточно изученными эффекты воздействия шунгита на живые организмы и говорят о его возможном отрицательном действии. Так, при настаивании шунгита в воде, последняя приобретает свойства слабого водного раствора кислоты, и такая «шунгитовая вода» способна оказать повреждающее действие на ткани и может неблагоприятно повлиять на биохимические процессы в живых клетках [7].
Разнообразие и неоднозначность описанных в литературе свойств шунгита поддерживают научный интерес к дальнейшему изучению его эффектов воздействия на живые организмы и поиску возможностей его практического использования.
Цель исследования — изучить наличие и особенности эффекта воздействия шунгита на некоторые живые микроорганизмы и растения.
Задачи исследования:
- Изучить эффект воздействия шунгита на жизнедеятельность хлебопекарных дрожжевых грибов вида Saccharomyces cerevisiae.
- Определить наличие эффекта воздействия шунгита на скорость укоренения и развитие листовых побегов черенков сциндапсуса золотистого (Scindapsus aureus).
Материалы и методы исследования. В ходе работы было проведено исследование эффектов воздействия природного минерала шунгита, производства ООО НПК «Карбон — Шунгит» (г. Петрозаводск) на жизнедеятельность микроорганизма и черенков комнатного растения. Для оценки биологических эффектов воздействия были взяты 4 фрагмента шунгита, весом 2,8–4,6 граммов. В качестве доступного микроорганизма были взяты сухие хлебопекарные дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae, производства ООО «ВИТЭКС» (г. Челябинск). Для изучения возможных эффектов воздействия на растения исследовали изменение скорости укоренения и развития листовых побегов 4 черенков комнатного лиановидного растения сциндапсуса золотистого (Scindapsus aureus) (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид сухих хлебопекарных дрожжей и черенков сциндапсуса золотистого, используемых для изучения эффектов воздействия шунгита
Для оценки эффекта воздействия шунгита на жизнедеятельность хлебопекарных дрожжей по 1 грамму сухих дрожжей помещали в три ёмкости, содержащих по 30 мл 5 % раствора сахара в кипячёной воде. Эффект воздействия шунгита на жизнедеятельность дрожжей оценивали по внешним признакам активности процессов брожения с видимым выделением пузырьков углекислого газа. В две ёмкости до начала опыта помещали фрагменты шунгита и добавляли подслащённую воду с дрожжами. В третьей ёмкости оставляли только дрожжи и водный раствор сахара. Активность брожения оценивали при температуре водного раствора, равной 24С (комнатная температура), в течение 2 часов.
Во второй серии опытов были изучены эффекты воздействия шунгита на образование и рост корней и листовых побегов двух 5 см черенков сциндапсуса золотистого, каждый из которых имел по 2 листовые пластинки. Черенки помещали в прозрачные стеклянные ёмкости с 50 мл водопроводной воды. В одну из ёмкостей помещали фрагменты шунгита. Оценивали сроки появления новых корней на черенке и скорость их роста, а также изучали особенности развития листовых побегов в зависимости от присутствия или отсутствия шунгита в водной среде с черенком. В ходе ряда нескольких серий опытов производили удаление или перемещение шунгита из одной ёмкости в другую или помещали в ёмкость с черенком два фрагмента шунгита для оценки воздействия минерала на рост корней или листьев. Результаты исследований фиксировали с помощью цифрового фотоаппарата. При статистическом анализе полученных данных использовали методы описательной статистики и критерий Стъюдента с уровнем значимости менее 5 %.
Результаты исследований
- Сравнительное исследование активности дрожжей в зависимости от присутствия шунгита. При изучении эффектов воздействия шунгита на водную смесь хлебопекарных дрожжей производили контроль газообразования каждые 30 минут. В течение первого часа в ёмкостях с шунгитом и без него отмечали минимальные признаки газообразования (рис. 2).
Рис. 2. Внешний вид растворов и активность дрожжей через 1 час постановки опыта
Через 1,5–2 часа была отмечена отчётливая более высокая активность дрожжей при добавлении шунгита с образованием пены на поверхности раствора и видимым бурным выделением газа из слоя дрожжей на дне ёмкостей. В этот же период времени в ёмкости без шунгита газовые пузырьки были мелкими, выделялись в малом количестве и формировали тонкую цепочку пузырьков на поверхности по окружности стенок стеклянной ёмкости (рис. 3).
Рис. 3. Активность дрожжей через 2 часа постановки опыта без шунгита и в его присутствии
Для того, чтобы исключить возможные ошибки интерпретации результатов опыта через 2 часа один из фрагментов шунгита был помещён в контрольную ёмкость № 1. При этом уже через 30 минут в ней было отмечено значительное повышение активности газообразования, которое сохранялось в течение 1,5 часов нахождения минерала в водной смеси дрожжей (рис. 4).
Рис. 4. Повышение активности дрожжей контрольной смеси через 30 минут после добавления шунгита
Полученные результаты опытов подчёркивают наличие зависимости между более высокой активностью дрожжей и присутствием фрагментов шунгита в их водной смеси.
- Исследование воздействия шунгита на скорость образования корней и развитие листовых побегов черенков сциндапсуса золотистого. Вторая серия опытов с черенками сциндапсуса выявила наличие прямой зависимости между сроками появления корней растения и наличием шунгита в ёмкости с водой для него. Так, в присутствии фрагментов шунгита в ёмкости с водой, куда были помещены черенки растения на 5 сутки отмечали появление корня, который к 10 суткам достиг в длину 23 мм. При этом у черенков без шунгита в ёмкости с водой к 10 суткам было отмечено появление листовых побегов, длиной 1,5 и 3 мм, а появления корней не отмечалось (рис. 5).
Рис. 5. Внешний вид черенков и сроки появления и развития корней и листовых побегов на черенках сциндапсуса в зависимости от наличия шунгита в ёмкости с водной средой
После получения первичных результатов на 11 сутки нахождения черенков растения в водной среде фрагмент шунгита был помещён в ёмкость № 2, где корневая система отсутствовала. При этом уже через 2 суток и в первой, и во второй ёмкости было отмечено появление молодых корней на обеих черенках, а размер листовых побегов остался без изменений. К 10 суткам этой части опыта у всех черенков сформировались достаточно длинные корни, от 3 до 7 см (рис. 6).
Рис. 6. Динамика роста корней в зависимости от времени экспозиции с шунгитом
Как показал данный опыт наличие шунгита в водной среде с черенком сциндапсуса сопровождается появлением молодых корней через 2–5 суток.
Для повторной проверки стимулирующего влияния шунгита на появление и рост корней сциндапсуса были несколько изменены условия опыта. У обеих пар черенков была произведена подрезка образованный корней до 1,5 см и после замены водной среды в ёмкость № 1 были помещены 2 фрагмента шунгита, а ёмкость № 2 оставили без данного минерала. При наблюдении рост корней был отмечен в пробе с шунгитом на 7 сутки опыта. При этом отмечали появление роста новых корней из зелёной части черенка и появление мелких точек ветвления по длине обрезанных первичных корней. В отличие от этого в ёмкости № 2 без шунгита черенки и укороченные отрезки корней оставались без видимых изменений (рис. 7).
Рис. 7. Особенности роста новых корней после обрезки первичной корневой системы
черенков сциндапсуса в присутствии шунгита
Для закрепления результатов полученного эффекта воздействия шунгита на образование корней на 7 сутки опыта после обрезки корневой системы и появления новых корней два фрагмента шунгита были изъяты из ёмкости № 1 и помещены в ёмкость № 2. После изменения условий водной среды на 2 сутки в ёмкости № 2 было отмечено появление 5 новых толстых корней, которые росли как из стеблевой части черенка, так и из зоны обрезки корней. А у черенков робы № 1 через 2 суток без шунгита отмечали появление тонких боковых ответвлений на обрезанной части корней и удлинение корней образованных ранее на фоне стимуляции шунгитом (рис. 8).
Рис. 8. Внешний вид корневой системы при удалении шунгита из среды (№ 1) и на 2 сутки после погружения шунгита (№ 2) в водную среду с черенками сциндапсуса
Полученные результаты серии повторных опытов с меняющимися условиями водной среды неоднократно показали чётко выраженную зависимость появления и роста новых корней у черенков сциндапсуса. При этом сроки появления новых корней составили от 2 до 7 суток. Также было отмечено, что в присутствии шунгита вновь образующиеся корни берут своё начало из стволовой части черенка, достигают 1–1,5 мм в диаметре и обладают высокой скоростью роста, удлиняясь на 1–1,5 см в сутки. При отсутствии в водной среде фрагментов шунгита образование корней замедленно до 14–18 суток и более, а образующиеся корни тонкие, менее 1 мм толщиной с низкой скоростью роста. После механического сокращения длины корней в присутствии шунгита в первую очередь, уже на 2–3 сутки формируются новые корни, берущие начало из стеблевой части черенка, в то время как в отсутствие шунгита в водной среде образование новых корней идёт за счёт роста тонких ответвлений по ходу обрезанной части корня.
Заключение. Проведённые исследования эффектов воздействия шунгита на активность биохимических реакций дрожжей по разложению сахара в водной среде показало чёткую зависимость между присутствием шунгита и активности процессов брожения и газообразования. Учитывая ранее полученные нами результаты опытов по изменению уровня железа в воде в присутствии шунгита можно предположить, что данный минерал, являясь источником ионов железа входящего в его состав, стимулировал биохимические реакции разложения сахара (брожения) в митохондриях клеток дрожжей при комнатной температуре, являясь важным компонентом для обеспечения процессов клеточного дыхания. При этом отсутствие шунгита в водно-сахарной смеси дрожжей отчётливо снижало скорость реакций брожения при комнатной температуре.
Результаты серии опытов с черенками сциндапсуса также подтвердили наличие стимулирующего влияния шунгита на образование корневой системы черенка растения, что можно использовать при размножении и рассадке растений путём черенкования. Кроме того, результаты исследований говорят о необходимости изучения химического состава шунгита с целью поиска веществ, обладающих способностью к стимуляции регенерации клеток и тканей растений, схожих по своей силе с фитогормонами. Не исключается, что стимуляция регенерации тканей и образование новых клеток связана с наличием в шунгите соединений железа, которое является важным компонентом дя получения энергии в клетках, обеспечения процессов дыхания и ускоренного метаболизма. Учитывая общность многих биохимических процессов всех живых организмов, наличие в шунгите веществ, обладающих способностью стимулировать образование новых тканей и восстанавливать повреждённые ткани, может быть важным для использования не только в ботанике, но и в медицине. Однако, подтверждение данной гипотезы требует более серьёзных и точных биохимических и экспериментальных исследований.
Литература:
- Бакс К. Богатства земных недр. М.: Прогресс, 1986. — 467 с.
- Берёзкин В. И. Углерод: замкнутые наночастицы, макроструктуры, материалы. — СПб.: АРТЭГО, 2013. — 450 с.
- Дриаева М. Д., Сыпченко А. Я. Изучение влияния свойств шунгита на микроорганизмы // ВНМТ.– 2003.– № 4.– С. 60–61.
- Куротченко С. П., Субботина Т. И. Использование шунгита для снижения уровня облучения организма пользователя сотовой связи // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.– 2004.– Т. 7, № 2.– С. 80–88.
- Мосин О. В., Игнатов И. Состав и структурные свойства добываемого в России природного фуллеренсодержащего минерала шунгита//Наноинженерия. — 2012. — № 6. — С. 17–23.
- Панов П. Б., Калинин А. И. Использование шунгитов для очистки питьевой воды. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. — 103 с.
- Хадарцев А. А., Туктамышев И. И. Шунгиты в медицинских технологиях // ВНМТ.– 2002.– № 2.– С. 83.
- Шунгиты — новое углеродистое сырьё. / Под ред. В. А. Соколова, Ю. К. Калинина, Е. Ф. Дюккиева. — Петрозаводск, «Карелия» 1984. — 182 с.
