ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ПИТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПШЕНИЦЕ TRITICUM VULGARE VILL ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ЖЕЛЕЗА С ГУМИНОВЫМИ КИСЛОТАМИ

Работа выполнена за счёт средств гранта Российского Научного Фонда (проект 14-16-00060).

Введение.

Истощение содержащихся в почве питательных веществ является серьезной проблемой, приводящей к снижению урожайности.

Для роста растений необходим ряд основных питательных веществ. К ним относятся: азот, фосфор, сера, калий, кальций, магний, железо и др.

Железо — биогенный элемент, так как принимает участие в окислительных процессах и входит в состав ферментов, а также является питательным веществом растений [3]. 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 [1; 2]. Этот процесс может сопровождаться высвобождением других тяжелых металлов.

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 [4]. Сегодня возлагаются большие надежды на инновационные препараты для растениеводства, основанные на использовании высокодисперсных частиц [5].

Таким образом, целью исследования явилось сравнительное изучение биологической активности наночастиц и ионных форм железа в присутствии гуминовых кислот в тесте прорастания семян пшеницы Triticum vulgare Vill c оценкой изменения количества калия, магния и фосфора в растительной массе.

Материалы и методы исследования.

Объектом воздействия различных форм железа являлись семена озимой пшеницы Triticum vulgare Vill не обработанные протравителями. Предназначенные для проращивания семена предварительно прогревали при температуре 34°С в течение 7 суток в термостате [6].

При проведении исследования использовали водные растворы гуминовых кислот (ГК), выделенных из бурого угля Тюльганского месторождения [7], 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 [4].

Суспензию наночастиц железа и магнетита, а также растворы сульфата железа (II) и сульфата железа (III) с концентрациями по железу 0,1 г/л готовили, растворяя определенную навеску в дистиллированной воде и обрабатывая их ультразвуком в течение 15 минут. Менее концентрированные растворы 0,01 г/л, 0,001 г/л и 0,0001 г/л получали разбавлением дистиллированной водой. Приготовленными растворами поливали семена озимой пшеницы Triticum vulgare Vill, добавляя к каждой пробе водный раствор ГК с концентрацией 1 г/л. 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. Повторность опыта трехкратная.

Определение элементного состава растений проводили на седьмые, четырнадцатые и двадцать первые сутки эксперимента. Содержание трех элементов: калия, магия и фосфора определяли в лаборатории АНО «Центр биотической медицины», г. Москва, аккредитованной в Федеральном центре Госсанэпиднадзора при МЗ РФ (аттестат аккредитации ГСЭН. RU.ЦОА.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 (Perkin Elmer, США).

Все эксперименты выполняли в трех биологических и трех аналитических повторностях. Результаты обрабатывали с помощью компьютерных программ Microsoft Excel и представляли в виде средних арифметических со стандартным отклонением. Статистическую значимость различий между контролем и опытом оценивали по критерию Стьюдента. Различия считали статистически значимыми при p < 0,1.

Для интерпретации результатов по количеству поглощенных токсичных элементов был рассчитан коэффициент биологического поглощения (КБП), который находили как отношение количества металлов в побегах к их количеству в гуминовой кислоте. Выделенные гуминовые кислоты изначально содержат железо (719±108 мкг/г) и небольшие количества калия (474±41 мкг/г), магния (310±31 мкг/г) и фосфора (<0,021 мкг/г).

Результаты исследования и их обсуждение.

Анализ данных по количеству поглощенных питательных элементов растениями вида Triticum vulgare Vill показал, что в течение времени в зависимости от количества внесенного железа и его формы происходит изменение содержания калия, магния и фосфора в надземной части растения.

По сравнению с контролем содержание калия к 7 дню с добавлением наночастиц магнетита не изменяется при концентрациях 0,1 и 0,01 г/л, и снижается на 15 % при концентрациях 1 ·10^-3 и 1 ·10^-4 г/л. Введение ионных форм железа снижает содержание калия от 21 % (при 1 ·10^-3 г/л Fe²⁺) до 30 % (при 1 ·10^-4 г/л Fe³⁺).

Наибольшее содержание калия к 14 дню наблюдается при концентрации наночастиц магнетита 0,01 г/л, КБП возрастает в 2 раза, к 21 дню увеличение составляет 16 % по сравнению с контролем (рис. 1). Это обусловлено тем, что у наноформ железа, по сравнению с ионными формами, большая проникающая способность.

Рисунок 1. Содержание калия (мкг/г) в надземной части сухого растения Triticum vulgare Vill на 7, 14 и 21 сутки при концентрациях: 0,1; 0,01; 0,001; 0,001 (г/л)

Магний способен оказывать положительное действие на растения, животных и человека, являясь питательным веществом. Анализ данных показывает, что на 21 день количество магния в побегах максимально. Добавление железа практически не приводит к изменению содержания магния в растениях (рис. 2).

Рисунок 2. Содержание магния (мкг/г) в надземной части сухого растения Triticum vulgare Vill на 7, 14 и 21 сутки при концентрациях: 0,1; 0,01; 0,001; 0,001 (г/л)

Количество фосфора при добавлении различных форм железа изменяется хаотично. По полученным данным нельзя однозначно установить влияние различных форм железа и их концентраций на КБП фосфора. При добавлении железа КБП фосфора к 7 дню находится либо на уровне с контролем (0,1 и 0,01 г/л Fe⁰), либо выше от 9 % (при концентрации 0,1 и 0,01 г/л Fe₃O₄) до 24 % (при концентрации Fe²⁺ 0,001 г/л), так как поступление ионов фосфора в растения осуществляется с помощью ионтранспортных систем (транспортных белков, ионных каналов), также обеспечивающих поглощение растению других питательных элементов, таких как железо, цинк, кальций и др. [1] (рис. 3).

Рисунок 3. Содержание фосфора (мкг/г) в надземной части сухого растения Triticum vulgare Vill на 7, 14 и 21 сутки при концентрациях: 0,1; 0,01; 0,001; 0,001 (г/л)

Таким образом, растение Triticum vulgare Vill чувствительно к изменению содержания в среде железа и реагирует на это изменением состава питательных элементов. Проникновение железа зависит от его концентрации и формы, что и определяет доступ в корневую систему растения. Недостаток питательных элементов может возникнуть вследствие антагонистических взаимодействий с железом и в условиях избыткатоксичных элементов. При добавлении различных концентраций железа и его форм происходит увеличение содержания калия, фосфора, количество магния не меняется.

Список литературы:
1    Батова Ю.В. Накопление кадмия и его распределение по органам у растений ячменя разного возраста / Ю.В. Батова, А.Ф. Титов, Н.М. Казнина, Г.Ф. Лайдинен // Труды Карельского научного центра РАН. — 2012. — № 2. — С. 32—37.
2    ГОСТ 12038-84 Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. — 56 с.
3    Гусев А.А. Влияние высокодисперсных частиц различной природы на ранние стадии онтогенеза растений рапса (Brassica napus) / А.А. Гусев, [и др.] // Науковедение. — Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) — 2013. — № 5. — С. 1—17.
4    Кабата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас: пер. с англ. — М.: Мир, 1989. — 439 с.
5    Кудрявцева Е.А. Влияние различных форм железа на прорастание семян Triticum aestivum L. / Е.А. Кудрявцева, Л.В. Анилова, С.Н. Кузьмин, М.В. Шарыгина // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2013. — № 6 (155). — С. 46—48.
6    Манская С.М. Геохимия органического вещества / С.М. Манская, Т.В. Дроздова. — М.: Наука, 1964. — 314 с.
7    Орлов Д.С. Практикум по химии гумуса / Д.С. Орлов, Л.А. Гришина. — М.: Изд-во МГУ, 1981. — 272 с.
8    Перминова И.В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот: дисс. … д-ра хим. наук. — М. 2000. — 359 с.