8). Питание растений микро- и макроэлементами.

Классификация химических элементов по содержанию в растениях:

1) Макроэлементы (10-10-2 % на сухое вещество)

2) Микроэлементы (10-3-10-5 %)

3) Ультрамикроэлементы (10-6-10-8 %)

Перечень макроэлементов:

Углерод (С), кислород (О), водород (Н), азот (N), фосфор (Р), калий (К), кальций (Са), магний (Mg), сера (S), железо (Fe), натрий (Na), хлор (Cl).

Перечень микроэлементов:

Марганец (Mn), цинк (Zn), молибден (Мо), медь (Cu), бор (В), ванадий (V), кобальт (Со), йод (I).

При их недостатке растения не могут нормально развиваться. Чаще содержание этих элементов выражается в мг/кг сухого вещества.

В отношении элементов проявляющих металлические свойства при содержании их в растениях и окружающей среде в значительных количествах используют термин – тяжелые металлы. Поэтому неправильное применение микроэлементов может привести к загрязнению окружающей среды.

Физиологическая функция ультрамикроэлементов до сих пор не выяснена из-за слабой изученности вопроса. К ним относятся Ag, Au, Ra, Ac и т.д.

При сжигании растений можно выделить зольные элементы, на долю которых приходится около 5% сухого вещества: P, K, Ca, Mg и т.д. Таким образом азот и зольные элементы применяемые в качестве удобрений составляют всего 6,5% сухого вещества. Всего в растениях найдено около 80 элементов, вполне вероятно, что найдется и больше. Не все 80 нужны растению.

Условия, при которых химический элемент считается необходимым для растений:

1) Его отсутствие не позволяет растению завершить свой жизненный цикл

2) Недостаток элемента вызывает специфические нарушения жизнедеятельности растения

3) Элемент непосредственно участвует в процессах превращения веществ и энергии

Выделяются условно необходимые в отношении которых имеются данные о положительном действии, но их роль окончательно не доказана.

Перечень необходимых растениям химических элементов:

Углерод (С), кислород (О), водород (Н), азот (N), калий (К), кальций (Са), фосфор (Р), магний (Mg), сера (S), железо (Fe), натрий (Na), хлор (Cl), марганец (Mn), цинк (Zn), молибден (Мо), медь (Cu), бор (В), ванадий (V), кобальт (Со), йод (I).

Перечень условно необходимых растениям химических элементов:

Кремний (Si), алюминий (Al), хром (Cr), стронций (Sr), титан (Ti), никель (Ni), свинец (Pb), литий (Li), фтор (F), кадмий (Cd), селен (Se), серебро (Ag).

Содержание зольных элементов в растениях, также как количество органических веществ определяет качество продукции. Сбалансированность минерального питания имеет большое значение для животных.

Пример: один из показателей качества кормов является отношение К/Са+Мg которое должно быть около 2,2. Нарушение этого соотношения вызывает болезнь скота. Качество продуктов питания и кормов зависит также и от содержания микроэлементов. Если содержание необходимых минеральных веществ в продукции низкое, то добиться его повышения можно применением удобрений либо в ведение в кормовые рационы минеральных солей.

Пример: почвы Пермского края бедны йодом, соответственно с/х продукция содержит недостаточно йода. Использование йодных удобрений не распространено, поэтому нужно обогащать йодом продукты питания (хлеб, соль) или применять медицинские препараты, содержащие данный элемент. Причиной снижения качества продукции может служить и избыток минеральных веществ (нитраты, тяжелые металлы) который может быть следствием неправильного применения удобрений.

На данном этапе развития научных знаний 20 элемен-тов ( щелочные и щелочно-земельные, металлы группы железа, халькогены, галогены, азот, фосфор, основные относят к необходимым элементам питания и 12 считают условно необходи-мыми ( Ag AI Ti Se Cr Ni Si) Необходимые элементы незаменимы и без них нельзя закончить полноценный цикл развития. Элементы, содержащиеся в организме в значительных количествах ( 0,01n-1n) – макроэлементами, а содержание которых выражается в 0,0001n% - микроэлементами. Выделяют и ультрамикроэлементы, но такое деление условно. Например, железо по количественному содержанию относят к макро-, а по функциям – к микроэлементам. Содержание микроэлементов в различных органах имеет опр.закономерности: Mn и Mo содержатся в листьях, Zn B Co Cu накапливаются как в вегетативных (для зерновых), так и в генеративных органах (для бобовых). Различные биологические группы существенно различаются по своим требованиям к opt концентрациям элементов. Например, кукуруза и табак нуждаются в больших количествах Zn, зерновые отзывчивы на дополнительное обеспечение Mn Mo. Особенности содержания и распределения в растениях элементов определяют различия в требованиях отд.с\х культур к элементам питания. Многие растения обладают способностью концентрировать элементы, что следует учитывать при выращивании, т.к. оно во многом определяет их питательную ценность. Элементы, накапливаемые в растениях, принимают участие в ряде физиологических и биохимических процессов. Например, Mo концентрируют бобовые (роль в симбиотической фиксации азота), B – в свекле (для предупреждения такого заболевания, как гниль сердечка), а также Na (оказывает положительное действие на урожай), S – капустные и бобовые ( имеются многочисленные данные об участии ее в белковом обмене). Т.о., наблюдается взаимосвязь между метаболизмом растений-накопителей и их способностью концентрировать минеральные элементы.

Питание растений углеродом

Анализ органического вещества показывает, что оно состоит на 45% из углерода. Именно поэтому вопрос об источнике питания организмов углеродом чрезвы­чайно важен. Все организмы можно разделить на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы характеризуются способностью синтезировать органическое вещество из неорганических соединений. Гетеротрофные организмы строят органическое вещество своего тела из уже имеющихся готовых органиче­ских соединений, только перестраивая их. Иначе говоря, гетеротрофные организ­мы живут за счет автотрофных. Для того чтобы осуществить синтез органического вещества, необходима энергия. В зависимости от используемого соединения, а также от источников энергии, различают следующие основные типы питания углеродом и построения органических веществ.

Фотосинтез (от фото... и синтез), образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих растений, так и всех др. организмов, из простых соединений (например, углекислого газа и воды) за счёт энергии света, поглощаемой хлорофиллом и др. фотосинтетическими пигментами. Один из важнейших биологических процессов, постоянно и в огромных масштабах совершающийся на нашей планете. В результате Ф. растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд. т органического веществ (около половины этого количества приходится на долю Ф. растений морей и океанов), усваивая при этом около 200 млрд. т CO₂ и выделяя во внешнюю среду около 145 млрд. т свободного кислорода. Полагают, что благодаря Ф. образуется весь кислород атмосферы. Ф. – единственный биологический процесс, который идёт с увеличением свободной энергии системы; все остальные (за исключением хемосинтеза) осуществляются за счёт потенциальной энергии, запасаемой в продуктах Ф. Количество энергии, ежегодно связываемой фотосинтезирующими организмами океана и суши (около 3×10²¹дж), во много раз больше той энергии, которая используется человечеством (около 3×10²⁰дж).

9). Механизмы подачи питательных веществ к поверхности корня растений.

Корневой перехват. Корни в процессе роста движутся в почве. Соприкасаясь с питательными веществами, они поглощают их. ^ Массовый поток. Корни растений поглощают из почвы воду, что вызывает движение почвенного раствора через толщу почвы к корням. Так как в почвенном растворе содержатся питательные вещества, то они и переносятся массовым потоком к поверхности корня, становясь доступными для поглощения. Диффузия. Поглощение корнем питательного вещества сопровождается уменьшением его концентрации у поверхности корня и возникновением градиента концентрации. А это делает возможной диффузию питательного вещества к корню. Скорость диффузии ионов через почву изменяется в зависимости от типа почвы и природы поглощения ионов почвой.   Избирательное поглощение и понятие физиологической кислотности и щелочности солей Растение поглощает больше тех элементов, в которых нуждается.  (NH₄⁺, Cl^-), (NH₄⁺, NO₃^-)– физиологически кислая соль (Na⁺, NO₃^-) – физиологически щелочная соль ^ Антагонизм ионов Катионы антагонисты: H⁺, K⁺, NH⁴⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ Анионы антагонисты: Cl^-, NO₃^-, HCO₃^-, SO₄^2-, H₂PO₄^- ^ Антагонизм, синергизм и физиологически уравновешенный раствор  Ионы, имеющие одинаковый заряд, взаимно тормозят друг друга, и чем ближе зарядность, тем сильнее их взаимное торможение.  Ионы с противоположными зарядами взаимно ускоряют поступление их в растение. Это явление получило название синергизма.  Вредный избыток какого-либо катиона или аниона всегда можно ослабить соответствующим ионом. При необходимости прибавлением противоположного по заряду иона ускоряют поступление полезного иона. Например, поступление иона NО₃^– можно ускорить прибавлением катиона Ca²⁺, вредный избыток Ca²⁺ в известной степени ослабляет Mg²⁺, а вредное действие ионов Н+ и Аl³⁺, которые вызывают кислотность почвы, устраняют прибавлением в раствор Са²⁺ и Mg²⁺.  Физиологически уравновешенным следует считать такой почвенный раствор, в котором катионы и анионы находятся в оптимальном соотношении, что обеспечивает наиболее эффективное использование растением питательных веществ.  ^ На питание растений оказывает влияние и общая концентрация почвенного раствора. При избыточной концентрации растения завядают и погибают. Верхний предел обычно находится в интервале 2–3 г всех питательных солей на 1 л раствора. Особенно вредна повышенная концентрация микроэлементов. Чувствительность к концентрации у разных растений неодинакова. Наибольшей чувствительностью к повышенной концентрации отличаются лен, люпин, огурцы. Чувствительность одного и того же растения меняется с возрастом. Более чувствительны к повышенной концентрации молодые растения.  Растения, чувствительные к высоким концентрациям почвенного раствора – актинидия, багульник. Периоды в питании растений Первый период – критический. Он совпадает с начальными фазами роста растений. В этот период растения особо чувствительны как к недостатку, так и к избытку питательных веществ.  Второй период - периода максимального потребления питательных веществ. Он характерен для более поздних фаз развития и определяется биологическими особенностями растений.

Поступление питательных веществ в растения. Строение корневой системы. Поступление иона в свободное пространство корня.

Растения поглощают питательные вещества почвы с помощью корневой системы. Корни растений сильно разветвлены, проникают в почву на глубину 1,5-2 м, у некоторых растений 5-10 м. В ширину распространяется на 30-65см.

Каждый корень можно разделить на 3 основные зоны:

Роста и растяжения 1,5 мм

Всасывания 1-2 см

Боковых корней

Зона роста и растяжения. При делении клеток апикальной меристемы расположенной в этой зоне происходит рост корня.

Зона всасывания (корневых волосков) – зона активного поглощения, наружные клетки которой образуют выросты – корневые волоски. Диаметром 5-72 мкм, длиной 80-1500 мкм.

Зона боковых корней (проводящая) – покрыта пробковой тканью.

Наличие большого количества корневых волосков 200-500 шт/мм2 в соответствующей зоне определяет исключительно тесный контакт корневой системы с почвой.

Корневой волосок существует не долго, от 1 до нескольких суток, после их отмирания интенсивность поглощения питательных веществ на данном участке корня резко снижается. По мере нарастания корня происходит перемещение зоны активного поглощения в почве, и растение получает возможность получать новое количество элементов питания. Наблюдается хемотропизм, т.е. корень растет в сторону большей концентрации питательных веществ.

В поступлении питательных веществ можно выделить этапы:

1) поступление иона в кажущееся свободное пространство корня

2) преодоление мембранного барьера

3) транспорт иона по тканям растения

Поступление иона в кажущееся свободное пространство корня

Питательные вещества могут вступать в контакт с поверхностью корня по 3-м механизмам:

1. корневой перехват (к соприкосновению с питательным веществом приводит рост корней)

2. массовый поток (растения поглощают воду, вызывая движение к корню почвенного раствора содержащего питательные вещества)

3. диффузия (потребляя элементы питания растения, уменьшают их концентрацию у поверхности корней, это дает возможность перемещения питательных веществ по градиенту концентрации)

Вклад каждого из этих механизмов зависит от интенсивности поглощения веществ корнем и от обеспеченности элементом почвы. Катионы и анионы элементов питания поступая к поверхности корня обменно адсорбируются в «кажущемся свободном» пространстве – апопласте, образованном клеточными стенками и межклетником и составляющее 5-10% растительных тканей. Благодаря апопласту корни растения также как и почвенные коллоиды облают емкостью поглощения.

В процессе дыхания корневой системы выделяется СО2, который взаимодействуя с Н2О образует Н2СО3 частично диссациирующего на Н+ и НСО3- . Эти ионы адсорбируются в апопласте и составляют постоянно возобновляемый обменный фонд клеток корня. При контакте корня с почвенным раствором и коллоидными частицами происходит обмен Н+ на катион NH4+,K+ и др., НСО3- меняется на NO3-,Cl- и др.

Поглощение элементов питания свободным пространством корня может осуществляться не только обменно на Н+ и НСО3- но и на ионы органических и минеральных соединений выделяемых корнем.

Ионы элементов питания, адсорбированные в апопласте удерживаются силами электростатического притяжения и могут вытесняться другими ионами в окружающий раствор.

Таким образом, поглощение питательных веществ свободным пространством – это предварительный этап поступления их в клетку.