CC BY
48
УдК 574.24
Лебедев С.В., Осипова Е.А., Сальникова Е.В.
Оренбургский государственный университет E-mail: [email protected]
ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА МАКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПШЕНИЦЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ЖЕЛЕЗА С ГУМИНОВЫМИ
КИСЛОТАМИ
Статья посвящена исследованию изменения элементного состава растения Triticum vulgare Vill под воздействием сферических наночастиц железа Fe0 (диаметром 80±5 нм) и наночастиц магнетита Fe304 (шириной 50-80 нм и высотой 4-10 нм), а также растворов сульфата железа (II) и сульфата железа (III) в присутствии гуминовых кислот.
Выявлено, что содержание калия под действием наночастиц и ионных форм находится примерно на одном уровне с контролем. Однако, в условиях нехватки питательных элементов на 21 день количество калия увеличивается на 25 % (22393±4479 мкг/г) при воздействии магнетита в количестве 0,01 г/л по железу и на 20 % (21738±4348 мкг/г) под действием наночастиц железа в количестве 0,0001 г/л по сравнению с контролем (17752±3550 мкг/г). Наночастицы железа Fe0 на 21 день уменьшают количество магния при концентрациях 0,1 и 0,01 г/л на 27 % и 12 % соответственно, при концентрации 0,001 г/л содержание магния находится на одном уровне с контролем (2957±443 мкг/г), а при концентрации 0,0001 г/л увеличивают количество этого элемента на 10 % (3266±490 мкг/г). Под воздействием всех форм железа и концентраций количество фосфора изменяется аналогично контрольному опыту и составляет 4967±993мкг/г, 7154±1431 мкг/г, 9943±1989 мкг/г на 7, 14 и 21 день соответственно.
Таким образом, наноформы железа можно использовать для повышения устойчивости пшеницы Triticum vulgare Vill на обедненных почвах в условиях недостатка питательных элементов.
Ключевые слова: железо, свинец, кадмий, мышьяк, наночастицы, гуминовые кислоты, пшеница.
Сельскохозяйственные земли, систематически обрабатываются, перепахиваются и используются под посевы сельскохозяйственных культур. Со временем количество питательных элементов в них снижается, а количество тяжелых металлов, поступающих в окружающую среду, постоянно возрастает вследствие развития промышленности.
Использование микроэлементов в качестве стимуляторов роста растений ограничивается существующими предельно-допустимыми концентрациями (ПДК), а также опасностью загрязнения окружающей среды [15].
В последние время в качестве микроудобрений активно используют такую форму соединений как нанокристаллические порошки металлов [1, 2].
Использование нанопорошков железа как биостимуляторов свидетельствует об их перспективности, так как железо является биогенным элементом и принимает участие в окислительных процессах, а так же входит в состав ферментов [5, 16].
Содержание железа в почвах варьируется в пределах 2-3 % от ее массы. Однако большая часть минеральных соединений железа находится в почвах в недоступной форме, так как
железо образует наиболее прочные комплексы с гуминовыми кислотами [3, 4].
В ионном виде внесение железа в почву не приводит к ожидаемому биологическому эффекту, что связано с быстрым его переходом в окисленную форму - недоступную для растений. В связи с выявленной биологической активностью соединений железа наиболее эффективными методами повышения урожайности культурных растений является фолиарная подкормка растворами органических (в основном хелатов) или неорганических соединений железа. В настоящее время актуальным вопросом является использование различных форм железа (наноформа и ионная) для улучшения посевных качеств семян и повышения урожайности [2, 7].
Существующих литературных данных о влиянии мелкодисперсных частиц железа в сравнении с ионными формами на элементный состав растения вида ТгШситуи^агеУШ (пшеница мягкая) недостаточно [11-14], кроме того, практически не изучено взаимодействие этих частиц с природными сорбентами - гуминовы-ми кислотами, которые контролируютбиодо-ступность и транспорт элементов в природных объектах.
Таким образом, целью исследования явилось сравнительное изучение биологической активности наночастиц и ионных форм железа в присутствии гуминовых кислот в тесте прорастания семян пшеницы ТгШситуи^агеУШс оценкой изменения количества макроэлементов в растительной массе.
Объекты и методы исследования
Объектом воздействия различных форм железа являлись семена озимой пшеницы ТгШситуи^агеУШ. не обработанные протравителями. Предназначенные для проращивания семена предварительно прогревали при температуре 34 °С в течение 7 суток в термостате [8].
При проведении исследования использовали водные растворы гуминовых кислот (ГК), выделенных из бурого угля Тюльганского месторождения [9], растворы сферических наночастиц железа Fe0 (диаметром 80±5 нм) (Институт энергетических проблем химической физики РАН, Россия), сульфата железа (II) и сульфата железа (III), а также водные растворы синтезированных наночастиц магнетита Fe3O4, которые имеют слегка сплющенную шарообразную форму шириной от 50 до 80 нм и высотой от 4 до 10 нм [6].
Суспензию растворов используемых веществ готовили, растворяя определенную навеску в дистиллированной воде и обрабатывая их ультразвуком в течение 15 минут. Более разбавленные растворы получали разбавлением дистиллированной водой.
Приготовленные растворы брали в соотношении ГК : С^е) от 1 : 0 до 1 : 0,1 с пошаговым увеличением концентрации железа в 10 раз.
Контрольные образцы растений выращивали в водной среде с ГК (1 г/л) без добавления железа. Подготовленные таким образом опытные и контрольные пробы оставляли при комнатной температуре на проращивание. По-вторность опыта трехкратная.
Определение элементного состава растений проводили на седьмые, четырнадцатые и двадцать первые сутки эксперимента.
Содержание калия, магния и фосфора определяли в лаборатории АНО «Центр биотической медицины», г. Москва, аккредитованной в Федеральном центре Госсанэпиднадзора при МЗ РФ
(аттестат аккредитации ГСЭН. RU^OA.311), методами атомной эмиссионной спектрометрии с индукционно связанной аргоновой плазмой (АЭС - ИСП) и масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой (МС -ИСП) на приборах Optima 2000 DV и Elan 9000 (PerkinElmer, США). Статистическая обработка результатов проводилась с использованием программы MicrosoftExcel, включая описательную статистику, оценку достоверности различий по Стьюденту.
Результаты исследования
и их обсуждение
Анализ данных по количеству поглощенных макроэлементов растениями вида TriticumvulgareVill показал, что в течение времени в зависимости от количества внесенного железа и его формы происходит изменение содержания калия, магния и кальция в надземной части растения.
Содержание калия под действием нано-частици ионных форм находится примерно на одном уровне с контролем. Однако в условиях нехватки питательных элементов на 21 день количество калия увеличивается на 25 % (22393±4479 мкг/г) при воздействии магнетита в количестве 0,01 г/л по железу и на 20 % (2173 8±4348) под действием наночастиц железа в количестве 0,0001 г/л по сравнению с контролем (17752±3550) (рис. 1).
Калий в растениях выполняет роль стабилизатора водного режима. Калий способствует поддержанию оводненности тканей, оптимизации сосущей силы корней, уравновешиванию темпов дыхания и фотосинтеза. В результате растения, обеспеченные калием, становятся более устойчивыми к избытку и недостатку влаги, повышенным и пониженным температурам [10]. Таким образом, растения, выращенные под действием наночастиц железа в количестве 0,0001 г/л и магнетита в количестве 0,01 г/л, будут более устойчивы к неблагоприятным погодным условиям. Количество магния с течением времени в растениях возрастает и находится примерно на одном уровне (рис. 2).
К 21 дню под действием ионных форм железа (0,001 г/л) происходит снижение количества магния на 28 % (2107±316 мкг/г) - 40 % (1721±258 мкг/г) по сравнению с контролем
(2957±443 мкг/г). Наночастицы железа Fe0 на 21 день уменьшают количества магния при концентрациях 0,1 и 0,01 г/л на 27 % и 12 % соответственно, при концентрации 0,001 г/л содержание магния находистя на одном уровне с контролем (2957±443 мкг/г), а при концентрации 0,0001 г/л увеличивают количество этого элемента на 10 % (3266±490 мкг/г).Наночасти-цы магнетита практически не влияют на изменение количества магния в растениях.
Недостаток магния тормозит синтез азотсодержащих соединений, особенно хлорофилла. Внешним признаком недостаточности этого элемента является хлороз листьев.
В процессе развития растения количество фосфора возрастает (рис. 3). Под воздействием всех форм железа и концентраций количество фосфора изменяется аналогично контрольному опыту и составляет 4967±993мкг/г, 7154±1431 мкг/г, 9943±1989 мкг/г на 7, 14 и 21 день соответственно.
Особенно чувствительны к недостатку фосфора растения в начальных фазах роста и развития, когда их корневая система обладает слабой усвояющей способностью. Замечено, что в начальные стадии развития сельскохозяйственные культуры интенсивнее поглощают фосфаты, чем в последующие периоды роста.
Оптимальное фосфорное питание в начальный период роста и развития растений способствует развитию корневой системы - она глубже проникает в почву и лучше ветвится, что улучшает снабжение растений влагой и питательными элементами. Фосфор способствует более экономному расходованию влаги. Это имеет особенно большое значение в засушливые периоды.Из внешних признаков при недостатке фосфора наблюдается скручивание краев листовой пластинки, грязно-зеленая, более темная окраска листьев. При недостатке фосфора кроме более темной окраски листьев вследствие образования антоциана нередко появляются еще красноватые и фиолетовые тона, в особенности у основания стеблей, на влагалищах листьев и черешках. От недостатка фосфора больше страдают более старые -нижние листья.
При нехватке фосфора в растениях больше накапливается нитратов, что связано с важным значением соединений типа НАД и НАДФ при восстановлении нитратов. Фосфор снижает токсичность алюминия, марганца и железа. Благодаря тому, что фосфор связывает подвижный алюминий почвы, фиксирует его в корневой системе, улучшается углеводный и азотный обмен в растениях [10].
Рисунок 1. Содержание калия (мкг/г) в надземной части сухого растения TriticumvulgareViИ на 7, 14 и 21 сутки в зависимости от различного количества внесенных форм железа
Рисунок 2. Содержание магния (мкг/г) в надземной части сухого растения TriticumvulgareViИ на 7, 14 и 21 сутки в зависимости от различного количества внесенных форм железа
Рисунок 3. Содержание фосфора (мкг/г) в надземной части сухого растения TriticumvulgareViИ на 7, 14 и 21 сутки в зависимости от различного количества внесенных форм железа
Выводы
Таким образом, проникновение железа зависит от его концентрации и формы, что и определяет доступ в корневую систему растения. Избыток элементов может возникнуть вследствие антагонистических взаимодействий с железом и в условиях нехватки питательных элементов. Наноформы железа в целом оказывают большее положительное воздействие на растения, чем ионные формы, увеличивая количество калия
и магния в условиях недостатка питательных элементов.Количество фосфора не изменяется под воздействием различных форм железа и остается на уровне контроля.
Растения, выращенные под действием наночастиц железа, будут более устойчивы к неблагоприятным условиям произрастания, накапливая такие необходимые макроэлементы как калий и магний.
19.05.2015
Работа выполнена в рамках Государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на проведение научно-исследовательских работ
(шифр заявки № 342).
Список литературы:
1. Чурилов Г.И., Сушилина М.М. Нанокристаллические металлы как экологически чистые микроудобрения // Экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты современных мелиоративных технологий: сб. науч. тр. вып. 3. Рязань, 2008, с. 84-86.
2. Виноградов, Д. Использование нанокристаллического металла железа для предпосевной обработки семян рапса / Д. Виноградов, П. Балабко // Главный агроном. - 2011. - № 2. -С. 31-33.
3. Манская, С.М. Геохимия органического вещества / С.М. Манская, Т.В. Дроздова. - М. : Наука, 1964. - 314 с.
4. Перминова, И.В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот: дисс. ... д-ра хим. наук. - М. 2000. - 359 с.
5. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас : пер. с англ. - М. : Мир, 1989. - 439 с.
6. Кудрявцева, Е.А. Влияние различных форм железа на прорастание семян Triticumaestivum L. / Е.А. Кудрявцева, Л.В. Анилова, С.Н. Кузьмин, М.В. Шарыгина // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013. - № 6 (155). - С. 46-48.
7. Влияние высокодисперсных частиц различной природы на ранние стадии онтогенеза растений рапса (Brassicanapus) / А.А. Гусев, [и др.] // Науковедение. - Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУ-ПИТ) - 2013. - №5. - С.1-17.
8. ГОСТ 12038-84 Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 56 с.
9. Орлов, Д.С. Практикум по химии гумуса / Д.С. Орлов, Л. А. Гришина. - М.: Изд-во МГУ, 1981. - 272 с.
10. Ермакова, И.П. Физиология растений / И.П. Ермакова. - М.: ACADEMA, 2005. - С. 408 - 410.
11. Лебедев, С. В. Оценка влияния наночастиц железа Fe0, наночастиц магнетита Fe3O4 и сульфата железа (II) FeSO4 на содержание фотосинтетических пигментов Triticumvulgare / С. В. Лебедев, А. М. Короткова, Е. А. Осипова // Физиология растений. - 2014. - № 4 (61). - С.600-606. ИФ РИНЦ = 0,657
12. Лебедев, С.В. Оценка влияния гуминовых железосодержащих комплексов на морфометрические показатели растений вида TriticumvulgareVill / Лебедев С.В., Е.А. Осипова, С.Н. Кузьмин, М.В. Шарыгина, И.Р. Кудакаев // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук : материалы XVI международной научно-практической конференции 9 октября 2013 г. / Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований», - М.: Спецкнига, 2013. - С. 14-17.
13. Осипова, Е.А. Изменение количества меди в пшенице под действием наноформ железа с гуминовыми кислотами / Е.А. Осипова, Р.Д. Сивожелезова, О.А. Копылова // Евразийский Союз Ученых. - 2014, - № 9, - С. 61-63.
14. Лебедев, С.В Изменение количества калия в пшенице Triticumvulgarevill под действием различных форм железа с гуминовыми кислотами / С.В. Лебедев, Е.А. Осипова, С.А. Женеев, Е.А. Аркушенко // Евразийский Союз Ученых - 2014, - Ч. 3, -С. 70-72.
15. Серегина И. И. Возможность применения регуляторов роста для снижения негативного действия кадмия на рост, развитие и продуктивность яровой пшеницы / И.И. Серегина // Агрохимия. - 2004. - №1. - С. 71-74.
16. Пахомова В.М., Бунтукова Е.К., Фомина Н.М., 2010. Фотосинтетическая деятельность и урожайность яровой пшеницы сорта Мис при некорневой обработке хелатным Fe-содержащим микроудобрением // Вестник Казанского гос. Аграрного университета. Том. 16. №2. С. 146-152.
Сведения об авторах:
Лебедев Святослав Валерьевич, заведующий лабораторией сельскохозяйственной биоэлементологии Института биоэлементологии Оренбургского государственного университета, доктор биологических наук,
e-mail: [email protected]
Осипова Елена Александровна, старший преподаватель кафедры химии Оренбургского государственного университета, e-mail: [email protected]
Сальникова Елена Владимировна, заведующий кафедрой химии Оренбургского государственного университета, кандидат химических наук, доцент, e-mail: [email protected]
460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13.
