Выращивание растений в водной культуре на полной питательной смеси и с исключением элементов питания (вариант без азота)

Для нормального роста и развития растений необходимы различные элементы питания. По современным данным, таких элементов порядка 20, без которых растения не могут полностью завершить цикл развития и которые не могут быть заменены другими.

Элемент считается необходимым, если:

1. Его отсутствие исключает нормальный жизненный цикл растения.

2. Недостаток элемента вызывает специфические нарушения жизнедеятельности растения.

3. Элемент непосредственно используется в процессах преобразования веществ и энергии.

Всё это можно установить только при выращивании растений на искусственных питательных средах – в водных и песчаных культурах. Исключение какого-либо из макро- или микроэлементов приводит к нарушению структуры и обмена веществ растений, торможению роста и в будущем – к их гибели.

Целью данной работы является проведение вегетационного опыта с выращиванием растений в условиях водной культуры на полной питательной смеси и с исключением элементов питания (вариант без азота) для определения значения макро- и микроэлементов в жизни растений. В конце опыта будет получен наглядный пример того, как отсутствие одного из элементов сказывается на развитии растений.

Знание о значении минеральных элементов в жизни растений очень полезно и нужно в сельском хозяйстве и растениеводстве. Чтобы повысить урожайность агрономы используют различные удобрения и подкормки. Будь то садовод любитель, будь то коллекционер фиалок и бегоний, каждый из них должен знать, что корневое питание заключается не только в поглощении воды, а еще и в макро- и микроэлементах.

1. Минеральное питание. Классификация минеральных элементов

Представления о почвенном питании растений начали складываться в связи с развитием растениеводства. Уже в VI – V тысячелетии до нашей эры возделывались пшеница, рожь, ячмень, кукуруза, лен, конопля, многие огородные культуры и плодовые деревья, а зола, ил и навоз использовались как средства, повышающие плодородие почвы.

Первый физиологический эксперимент с целью изучения питания растений был проведен голландским естествоиспытателем Я.Б. ван Гельмонтом в 1629 г. Он посадил в глиняный сосуд, содержащий 91 кг сухой почвы, ивовую ветвь массой 2,25 кг и регулярно поливал почву дождевой водой. Через пять лет растение, и почва были взвешены отдельно. Оказалось, что ива весила 77 кг, а масса сухой почвы уменьшилась всего на 56,6 г. Таким образом, масса растения увеличилась в 33 раза, не считая ежегодно опадавших листьев. Ван Гельмонт сделал вывод, что вся растительная масса была создана за счет воды, вносившейся в сосуд при поливе. Этот опыт послужил основой для «водной теории» питания растений, которая довольно долго держалась в ботанике.

После Ван Гельмонта появилась «гумусовая теория», предложенная или вернее сказать развитая немецким агрономом А. Тэером (до него еще в 384-322 гг. до н. э. эту теорию выдвинул Аристотель). Согласно этой теории растения питаются водой и гумусом.

Однако постепенно накапливались данные о роли минеральных элементов в жизни растений. Один из основоположников российской агрономии А. Т. Болотов наметил основные принципы минерального питания растений. В одной из его книг по агрохимии (1770 г.) он писал, что пища растений в почве «состоит в воде и некоторых особенных земляных или паче минеральных частичках…». Болотов разработал приемы внесения удобрений в почву.

В последующие года учение о минеральном питании растений развивалось стремительно. Важную роль в этой области сыграли: Н. Т. Соссюр (почва снабжает растение азотом и минеральными элементами), Ж. Б. Буссенго (растения можно выращивать в песке с добавлением в него минеральных солей), Ю. Либих («закон минимума», «закон возврата»). Все они постепенно опровергали «гумусовую теорию», а окончательно это сделали И. Кноп и Ю. Сакс. В своих опытах они показали, что вполне возможно вырастить нормальное растение на воде до полного созревания при его обеспечении лишь смесью элементов: азотом, фосфором, серой, калием, кальцием, магнием и железом. Эти опыты окончательно утвердили теорию минерального питания и создали основу для вегетационного метода, в том числе водных и песчаных культур. Питательный раствор, разработанный Кнопом, будет использоваться и в нашем опыте.

1.1 Выращивание растений на водной культуре в ППС и с исключением элементов питания

Растения способны поглощать из окружающей среды в больших или меньших количествах все элементы периодической системы. Между тем для нормального жизненного цикла растительного организма необходима лишь определенная группа основных питательных элементов, функции которых в растении не могут быть заменены другими химическими элементами. В эту группу входят следующие 19 элементов:

Среди этих основных питательных элементов лишь 16 являются собственно минеральными, так как С, Н и О поступают в растения преимущественно СО2, О2 и Н2О. Натрий, кремний и кобальт приведены в скобках, поскольку их необходимость для всех высших растений пока не установлена. Натрий поглощается в относительно высоких количествах некоторыми видами семейства Chenopodiaceae (маревых), в частности свеклой, а также видами, адаптированными к условиям засоления и в этом случае является необходимым. То же справедливо и для кремния, который часто встречается в соломине злаковых, для риса он является необходимым элементом.

Первые четыре элемента – С, Н, О, N – называют органогенами. Углерод в среднем составляет 45% сухой массы тканей, кислород – 42, водород – 6,5 и азот – 1,5, а все вместе 95%. Оставшиеся 5% приходятся на зольные вещества: P, S, K, Ca, Mg, Fe, Al, Si, Na и др. О минеральном составе растений обычно судят по анализу золы, остающейся после сжигания органического вещества растений. Содержание минеральных элементов (или их окислов) в растении выражают, как правило, в процентах по отношению к массе сухого вещества или в процентах к массе золы. Перечисленные выше вещества золы, относят к макроэлементам.

Элементы, которые присутствуют в тканях в концентрациях 0,001% и ниже от сухой массы тканей, называют микроэлементами. Некоторые из них играют важную роль в обмене веществ (Mn, Cu, Zn, Co, Mo, B, Cl).

Содержание того или другого элемента в тканях растений не постоянно и может сильно изменяться под влиянием факторов внешней среды. Например, Al, Ni, F и другие могут накапливаться в растениях до токсического уровня. Среди высших растений встречаются виды, резко различающиеся по содержанию в тканях этих элементов, как Na, о чем уже говорилось, и Ca, в связи с чем выделяют группы растений натриефилов, и кальциефилов (большинство бобовых, в том числе фасоль, бобы и клевер), кальциефобов (люпин, белоус, щавелек и др.). Эти видовые особенности обусловлены характером почв в местах происхождения и обитания видов, определенно генетически закрепленной ролью, которую указанные элементы играют в обмене веществ растений.

Наиболее богаты минеральными элементами листья, у которых зола может составлять от 2 до 15% от массы сухого вещества. Минимальное содержание золы (0,4 – 1%) обнаружено в стволах древесных.

1.2 Выращивание растений на водной культуре в ППС и с исключением элементов питания

Как уже упоминалось выше, вполне возможно вырастить нормальное растение на воде до полного созревания при его обеспечении лишь смесью элементов: азотом, фосфором, серой, калием, кальцием, магнием и железом. И это очевидно, ведь все эти незаменимые элементы нужны для построения организма растения. Данные элементы являются основными и в будущем играют определяющую роль в жизненном цикле растения. Если хоть один из этих элементов исключить из питания, то растение будет неполноценным, будут появляться видимые дефекты и отклонения от нормы.

Каждый из этих элементов участвует в том или ином процессе, каждый из них входит в состав молекул и структур растения. Например, азот входит в состав белков, нуклеиновых кислот, ферментов, порфиринов, коэнзимов. Если его не будет в питании растения, то оно будет плохо расти, так как азот является строительным материалом в составе белков.

Рассмотрим фосфор. Он тоже очень важный элемент, так как входит в состав белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов, фосфорных эфиров сахаров, нуклеотидов, принимающих участие в энергетическом обмене, витаминов и многих других соединений. При его недостатке у растения снижается скорость поглощения кислорода, изменяется активность ферментов, участвующих в дыхательном метаболизме, тормозится синтез белков и свободных нуклеотидов.

Сера является основным источником питания у растений. Этот элемент входит в состав серосодержащих белков, в такие важнейшие аминокислоты как цистеин и метионин. Одна из основных функций серы в белках и полипептидах – участие SH-групп в образовании ковалентных, водородных, меркаптидных связей, поддерживающих трехмерную структуру белка. Другая важнейшая функция серы в растительном организме – это поддержание определенного уровня окислительно-восстановительного потенциала клетки. Недостаток этого элемента снижает скорость фотосинтеза и роста растения, тормозит синтез серосодержащих аминокислот и белков, в острых случаях нарушается формирование хлоропластов и возможен их распад.

Содержание в тканях растений калия составляет 0,5 – 1,2% в расчете на сухую массу. Сосредоточен в основном в молодых, растущих тканях, характеризующихся высоким уровнем обмена веществ: меристемах, камбии, молодых листьях, побегах, почках. В клетках присутствует в основном в ионной форме и не входит в состав органических соединений. Калий служит основным противоионом для нейтрализации отрицательных зарядов неорганических и органических анионов. Именно присутствие калия в значительной степени определяет коллоидно-химичекие свойства цитоплазмы, что существенно влияет на все процессы в клетке. Калий способствует поддержанию состояния гидратации коллоидов цитоплазмы, регулируя ее водоудерживающую способность. Увеличение гидратации белков и водоудерживающая способности цитоплазмы повышает устойчивость растений к засухе и морозам. Недостаток калия снижает продуктивность фотосинтеза, прежде всего за счет уменьшения скорости оттока ассимилятов из листьев.

Большое значение в жизни растений имеет двухвалентный ион кальция. Он присутствует во всех клеточных структурах и стабилизирует их функции. Особенно важное значение имеет кальций для нормального развития и деятельности корневой системы. При недостатке этого элемента задерживается формирование и рост корней, в том числе корневых волосков. Нехватка кальция, прежде всего, отражается на развитии молодых органов, так как не происходит транспорта кальция из старых частей в более молодые. Характерным признаком этого является обесцвечивание конуса нарастания и молодых листочков, а также их скручивание. Наблюдаются и некротические явления — коричневые пятна на молодых листьях. Избыток кальция отрицательно сказывается на поглощении железа, цинка, марганца.

Магний входит в состав хлорофилла. Он активирует многие ферменты. Недостаток магния сопровождается хлорозом листьев — они начинают бледнеть (или розоветь) между жилками от середины к краям, становятся пестрыми, а края листьев скручиваются. Плохо развивается корневая система, растения истощаются.

Железо играет важную роль, участвуя в процессе дыхания растений, а также в синтезе хлорофилла. При недостатке железа у растений развивается хлороз, причем не частичный (как при недостатке кальция или магния), а полный, когда вся поверхность листа постепенно становится бледно-зеленой, почти белой окраски. Сначала хлоротичными становятся молодые листья,

1.3 Метаболизм и физиологические значения азота как одного из самых важных элементов питания

Для растений азот – дефицитный элемент. Если некоторые микроорганизмы способны усваивать атмосферный азот, то растения могут использовать лишь азот минеральный. Растения никогда не выделяют азотистые соединения как продукты отброса и там, где это возможно, азотистые соединения заменены на безазотистые вещества. В почве азот находится в трех формах: NH₄⁺, NO₃^- и органический азот. Для растений наиболее доступной формой является NO₃^- , менее доступна форма NH₄⁺.

Для того чтобы сделать доступными для питания растений основные запасы азота в гумусе, необходимо разложить органическое вещество почвы. Этот процесс невозможен без участия различных микроорганизмов.

Процесс превращения органического азота почвы в NН₄⁺ носит название аммонификации. Он осуществляется гетеротрофными микроорганизмами (питаются готовыми органическими веществами) и схематически может быть представлен следующим образом:

органический азот почв --> RNН2 + СО₂ + побочные продукты,RNН₂ + Н₂О = NH₃ + RОН, NН₃ + Н₂О = NH₄⁺ + ОH^–.

Биологическое окисление NН₃ или NH₄⁺ до NO₃^– называется нитрификацией.

Еще в 1870 г. Шлезинг и Мюнц доказали опытным путем биологическую природу нитрификации. Для этого они добавляли к сточным водам хлороформ, в результате чего прекращалось окисление аммиака. Основная заслуга в раскрытии механизма нитрификации и выделении осуществляющих этот процесс микроорганизмов принадлежит выдающемуся российскому микробиологу С.Н.Виноградскому. В 1889 г. он открыл бактерии нитрификации и определил две фазы этого процесса.

Бактерии первой фазы окисляют аммиак до азотистой кислоты:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O.

К ним относят бактерии следующих родов: Nitrosomonas, Nitrosocystis,Nitrosolobus, Nitrosospira. Из них наиболее изучен вид Nitrosomonas europaea.

2HNO₂ + О₂ = 2НNO₃.

Среди бактерий, осуществляющих это превращение, различают три рода: Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus.

Азотистая кислота в почве не накапливается, т. к. обе группы бактерий обычно функционируют последовательно. Ежегодно минерализуется 0,4–4 т/га органического вещества почвы, в основном гумуса. В результате образуется от 20 до 200 кг/га минерального азота. Таким образом, в почве накапливаются ионы NH₄⁺ и NO₃^–, азот которых доступен для усваивания растениями.

Ионы NH₄⁺ не слишком подвижны, хорошо адсорбируются анионами, трудно вымываются осадками, и поэтому в почвенном растворе их концентрация значительно выше, чем NO₃^–. В почвах, богатых глинистыми минералами, содержание азота в форме NH₄⁺ может достигать 2–3 т/га. В верхних слоях почвы фиксированный азот NH₄⁺ составляет 5–6% общего содержания азота в почве, в более глубоких слоях, где выше содержание глинистых частиц, – до 20% и более.

Анионы NO₃^–, напротив, подвижны, плохо фиксируются в почве, легко вымываются почвенными водами в более глубокие слои и водоемы. Содержание нитратов в почве особенно возрастает весной, когда создаются условия, благоприятствующие деятельности нитрифицирующих бактерий. Количество азота NO₃^– в почвенном растворе сильно варьируется в зависимости от скорости поглощения нитратов растениями, интенсивности микробиологических процессов и процессов вымывания.

При недостатке азота в среде обитания тормозится рост растений, ослабляется образование боковых побегов и кущение у злаков, наблюдается мелколистность. Одновременно уменьшается ветвление корней, по соотношению массы корней и надземной части может увеличиваться. Одно из ранних проявлений дефицита – бледно-зеленая окраска листьев, вызванная ослаблением синтеза хлорофилла. Длительное азотное голодание ведет к гидролизу белков и разрушению хлорофилла прежде всего в нижних, более старых листьях и оттоку растворимых соединений азота к более молодым листьям и точкам роста. Вследствие разрушения хлорофилла окраска нижних листьев в зависимости от вида растения приобретает желтые, оранжевые или красные тона, а при сильно выраженном азотном дефиците возможно появление некрозов, высыхание и отмирание тканей. Азотное голодание приводит к сокращению периода вегетационного роста и более раннему созреванию семян.

1.4 Значение микроэлементов

Изучение значения микроэлементов в обмене веществ растений необходимо для выявления новых возможностей управления их продуктивностью, поскольку микроэлементы могут выступать и как специфические и как неспецифические регуляторы обмена веществ.

Во многих жизненных процессах, происходящих в растениях на молекулярном уровне, микроэлементы принимают самое активное участие. Действуя через ферментную систему или непосредственно связываясь с биополимерами растений, микроэлементы могут стимулировать или ингибировать процессы роста, развития и репродуктивную функцию растений.

Составной частью общебиологической проблемы выяснение значения микроэлементов в отдельных звеньях обмена веществ является вопрос о взаимодействии микроэлементов с ДНК. Актуальность этого аспекта определяется действием ионов металлов во многих биологических процессах, происходящих с участием нуклеиновых кислот. Ионы металлов можно рассматривать как фактор, участвующий в создании необходимой для выполнения биологической функции конформации макромолекулы.

В связывании цинка молекулой ДНК участвует атом N1 гуанина и N7 аденина. При возрастании концентрации ионов металлов в полинуклеотидных тяжах возникают одиночные разрывы, которые являются централями деспирализации биополимера. Взаимодействие марганца с фосфатными группами и с гуанином, структурирование гидратной оболочки обусловливает сложную зависимость параметров конформационных переходов от количества ионов металла.

Удаление молибдена из питательной среды вызывает понижение активности нитратредуктазы, совершенно отличное от понижения активности, вызванного удалением молибдена из интактного фермента, например диализом против цианида. В последнем случае активность инактивированного фермента может почти полностью восстанавливаться, добавляя металл к белку, тогда как в случае недостаточности молибдена добавление металла к бесклеточному экстракту не оказывает никакого действия.

Проведенные исследования дают основание заключить, что молибден оказывает ингибирующее действие на ДНК-азы и РНК-азы за счет образования комплексов молибдат-ионов с функциональными группами ДНК-азы и РНК-азы. Образование комплексов молибдат-ионов с ДНК и РНК, по-видимому, защищает фосфодиэфирные связи полинуклеотидов от атакуемости их гидролизирующими ферментами. Молибден также влияет на фосфорный обмен у растений, являясь ингибитором кислых фосфатид.

Под влиянием бора в растениях увеличивается сумма флавинов за счет флавинадениндинуклеотида (ФАД), что свидетельствует о частичном превращении рибофлавина в флавиновые нуклеотиды, а также об усилении активности флавиновых ферментов, содержащих ФАД в качестве кофермента. Количество общего рибофлавина в листьях салата под влиянием бора увеличилось в 4 раза, прочно связанной с белком формы – в 3,8 раза, ФАДа – в 4 раза.

Была обнаружена положительная корреляция между активностью ферментной системы синтеза индолилуксусной кислоты и наличием в инкубационной среде цинка и индолилпировиноградной кислоты.

Показано, что содержание углеводов в тканях растений тесно связано с поступлением бора с питательными веществами. Листья растений с недостаточностью бора содержат обычно много сахаров и других углеводов, по-видимому, эти вещества по какой-то причине не переместились из листьев.

Гош и Даггер высказали предположение, что основная функция бора заключается в перемещении сахаров, которое осуществляется благодаря образованию углеводно-боратного комплекса, облегчающего прохождение сахара через мембрану. Авторы допускают, что-либо углеводно-боратный комплекс может перемещаться из клетки в клетку, либо бор представляет собой компонент мембран, вступающий во временную связь с углеводом и осуществляющий таким образом его прохождение через мембрану. Авторы считают последний механизм действия бора более вероятным.

Марганец активирует обратное карбоксилирование ди- и трикарбоновых кислот, способствует восстановительному карбоксилированию пировиноградной кислоты в яблочную или щавелевую кислоту. Повышает активность фермента аргиназы, катализирующей превращение аргинина в орнитин, из которого синтезируется пирролидоновое кольцо тропановых алкалоидов. Он активирует фосфатглюкомутазу, энолазу, лецитиназу, аминопептидазу. Под влиянием марганца отмечено понижение содержания РНК в ядрах и увеличение в рибосомах. Отмечается также тенденция к повышению содержания ДНК под влиянием марганца. По-видимому, ДНК в данном случае слабее утилизируется.

2 Материалы и методы

Задание: Провести вегетационный опыт по выращиванию растений в условиях водной культуры в полной питательной смеси и с исключением азота.

Объект исследования: Опытные растения кукурузы и гороха.

Ход работы: Опыт по определению физиологической значимости макроэлементов для роста растений проводится коллективно, всей студенческой группой. Каждый студент ведет свой определенный вариант опыта, в данном случае вариант питательной смеси без азота.

Опыт продолжается в течение 30 дней. Необходимо его проводить весной (апрель, май). Проведение этой работы происходит в такой последовательности:

А. Подготовительная работа:

1.Монтирование посуды.

2. Определение качества посевного материала.

3. Выращивание рассады для водных культур.

4. Расчеты и приготовление растворов для питательных смесей.

Б. Закладка опыта:

1. Приготовление питательных смесей для разных вариантов опыта.

2. Первые измерения растений.

3. Высадка растений в посуду.

4. Составление таблиц для ведения записей в тетрадях.

В. Наблюдения и уход за культурами:

1. Определение биометрических параметров растений (длины надземной части и корней, количество листьев, РН и объем питательной смеси).

2. Приготовление свежего питательного раствора.

3. Проведение замены питательного раствора на свежий.

4. Подвязывание и уход за растениями.

Г. Ликвидация опыта:

1. Оценка морфологических признаков недостаточности элементов минерального питания у растений всех вариантов питательных смесей, которые выполнялись в группе.

2. Последнее определение биометрических показателей растений.

3. Статистическая обработка и оформление результатов работы.

Д. Обсуждение результатов работы и выводы.

1.Монтирование посуды.

Оборудование и материалы. Две банки емкостью 1 л; картон и марля для крышек, белая и черная бумага для чехлов; нитки или шпагат; бумага для этикеток; ножницы; клейстер; парафин; водяная баня; пинцеты.

а) Приготовить крышки для банок таким образом: парафин до начала работы расплавить на водяной бане; из картона вырезать круг диаметром шейки банки, положить его между двумя слоями марли; погрузить в расплавленный парафин с помощью пинцета, вытащить и дать парафину стечь. Положить крышку на шейку банки и закрепить таким образом, чтобы марля, которая пропиталась парафином, охватила шейку банки. Сделать на крышке три симметрично расположенных отверстия для растений и одну в середине для палочки.

б) Приготовить чехлы для банок: отрезать две одинаковые полоски из черной и белой бумаги шириной, которая равна высоте банки; обе полоски склеить таким образом, чтобы с внутренней стороны к банке прилегала черная бумага, а с внешней стороны белая.

Верхний край чехла собрать и туго обвязать нитками вокруг шейки банки, нижний край надрезать сложить ко дну банки и заклеить бумажным поддонником из темной бумаги.

Наклеить на банки этикетки с информацией о варианте опыта, дату, фамилию студента и № группы.

2 – 3. Определение качества посевного материала и выращивание рассады для водных культур студентами не проводилось. Выращенные культуры предоставили уже готовыми.

4. Расчеты и приготовление растворов для питательных смесей.

Оборудование и материалы.

Соли: Ca(NO₃)₂ (безводный); KH₂PO₄; NaH₂PO₄*H₂O; KCl; CaSO₄*2H₂O; NaCl; MgSO₄*7H₂O; KNO₃; FeCl₃; весы, гири; шпатели; мерные стаканы и цилиндры на 0,5 л; 1 л; посуда для концентрированных растворов на 0,5 и 0,25 л с пробками; этикетки; клейстер; стеклянные палочки, лакмусовая бумага.

Каждая питательная смесь должна содержать не только все необходимые для растения элементы в нужных количествах и соотношениях, но и быть оптимальной по концентрации водных ионов. Для большинства растений оптимальное значение рН раствора находится между 5,5 и 7,8.

Приготовление концентрированных растворов солей.

Таблица 1. Состав концентрированных растворов солей, г/100 мл.