Оптическая плотность (д) инкубационной среды при разных температурах

Температура, °С	75	70	65	60	55	50	45	40	30	20
Оптическая плотность (Д)

Работа 2. Определение проницаемости клеточных мембран по выходу электролитов

Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью. Измеряя выход различных метаболитов из клетки, можно определить влияние внешних воздействий на проницаемость биомембран. Скорость выхода веществ коррелирует с изменениями свойств мембран.

Метод определения изменения проницаемости мембран при действии различных стрессов по выходу электролитов из клетки в окружающий раствор основан на измерении удельной электропроводности раствора кондуктометром.

Объектами исследования могут быть растения, выращенные в разных условиях водоснабжения, перенесшие тепловой шок, воздействие тяжелых металлов, инфицирование патогенными организмами и т.д.

Цель работы: определить влияние стресс-факторов на выход электролитов из клеток. (Сформулировать конкретную цель опыта и составить схему опыта).

Объект исследования: листья растений различных вариантов опыта (конкретизировать).

Реактивы и оборудование: бюксы на 50 мл, стаканчики на 50-75 мл, пипетки, капрон, лезвия; дистиллированная вода; торсионные весы, термостат, электроплитка, кондуктометр.

Ход работы:

1. Листья растений промыть водопроводной водой в течение 15 минут, затем обсушить фильтровальной бумагой. Средняя проба составляется из нескольких листьев, отобранных от разных растений, например, при работе со злаками, из пяти.

2. Средние части листьев нарезать на кусочки 1,5х1,5 мм (размер кусочков может варьировать в зависимости от объекта), перемешать.

3. Навески по 0,5 - 1 г из средней пробы поместить в бюксы, которые закрыть капроном с резинкой. Промыть растительный материал под краном холодной водопроводной водой в течении 30 минут, затем ополоснуть 3 раза дистиллированной водой. Навеску слегка обсушить, переворачивая бюкс на фильтровальную бумагу. Для каждого варианта следует отобрать по шесть навесок.

4. В бюксы прилить по 30 мл дистиллированной воды. Содержимое трех бюксов как контрольного, так и опытного вариантов, прокипятить в течении 3-х минут. Поместить все бюксы в термостат с температурой 25 ⁰С на 2 часа.

5. После термостатирования раствор из бюксов профильтровать через капрон и измерить электропроводность фильтрата кондуктометром. Все растворы перед измерениями должны иметь одинаковую температуру.

4. Рассчитать коэффициент повреждения (КП) по формуле:

, где

С_оп - выход электролитов из листьев опытных растений,

% от полного выхода электролитов в этом варианте (после кипячения);

С_кт - выход электролитов из листьев контрольных растений,

% от полного выхода электролитов в этом варианте (после кипячения).

Оформление работы:

заполните таблицу, сравните проницаемость мембран для электролитов в вариантах опыта. Сделайте выводы.

Таблица 1

Вариант	Температура опыта, °С	Электропроводность, усл. ед.				КП
		1-я повторность	2-я повторность	3-я повторность
Контроль	25
	100
Опыт	25
	100

ЗАНЯТИЕ X. ЭЛЕМЕНТЫ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

Работа 1. Микрохимический анализ золы растений

Контрольные вопросы:

1. Каковы особенности минерального питания растений?

2. Укажите критерии необходимости минеральных элементов, перечислите необходимые макро- и микроэлементы. Приведите примеры полезных элементов.

3. Какую роль в изучении минерального питания растений играет метод водных культур?

4. Какие минеральные формы азота доступны для растений? Как поглощаются и восстанавливаются нитраты?

5. В чем заключается физиологическая роль Р, К, Са, Mg, S?

6. Приведите конкретные примеры участия микроэлементов (Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, B) в жизнедеятельности растительного организма.

При сжигании растений углерод, кислород, водород и азот окисляются и улетучиваются, остается зола. Азот и элементы, входящие в состав золы, поступают в растение через корневую систему из почвы в основном в форме ионов. В золе растений могут находиться все химические элементы, встречающиеся в литосфере. Жизненно необходимыми и незаменимыми являются основные элементы минерального питания, которые нужны в больших количествах: азот, сера, фосфор, калий, кальций, магний – это макроэлементы, а также микроэлементы: железо, марганец, цинк, медь, молибден, бор, хлор, необходимые в ничтожно малых количествах. В отсутствии или при острой недостаточности любого из перечисленных элементов минерального питания появляются типичные симптомы дефицита, которые можно устранить внесением солей, содержащих необходимый элемент.

Содержание золы в растениях колеблется в широких пределах, в зависимости от вида растения. У одного и того же вида растения наиболее богаты золой листья, а беднее всего одревесневшие органы. На содержании золы и ее составе сказывается запас питательных веществ в местообитании. Растения на очень бедных питательными веществами почвах, особенно кислых, бедны золой (1-3% сухого вещества), напротив, на засоленных почвах растения очень богаты золой (до 25% сухого вещества).

В основе микрохимического анализа лежит способность некоторых солей кристаллизоваться из растворов в виде кристаллов характерной формы.

Цель работы: обнаружить микрохимическим анализом в золе растений калий, кальций, магний, фосфор, серу, железо.

Реактивы и оборудование: зола из листьев кукурузы или табачный пепел, 10% HCl, 1M Na₂Pb[Cu(NO₂)₆], 1% H₂SO₄, 1% Na₂HPO₄, 1% K₄[Fe(CN)₆], 1% (NH₄)₆MoO₄ в 1% HNO₃, 1% Sr(NO₃)₂, NH₄OH, стеклянная палочка, стаканчик, пипетка, стеклянная палочка с узким оттянутым концом, воронка диаметром 3 см, фильтры, предметные стекла, спиртовка, спички, пробирка, микроскоп.

Ход работы:

1. Приготовить солянокислую зольную вытяжку: в пробирку к 1 см³ золы прилить 3-5 мл 10%-ного раствора соляной кислоты. Раствор отфильтровать в маленький стаканчик и определить в фильтрате присутствие калия, кальция, магния, фосфора, серы, железа.

2. Открытие калия.

На чистое сухое предметное стекло поместить каплю зольной вытяжки, подсушить на спиртовке и на высохшую каплю нанести реактив на калий. Идет реакция:

Na₂Pb[Cu(NO₂)₆] + K⁺ = К₂Pb[Cu(NO₂)₆] + Na⁺

В результате реакции образуется гексанитрокупроат калия-свинца, который постепенно кристаллизуется в виде свинцово-черных кристаллов кубической формы. Кристаллы рассмотреть под микроскопом без покровного стекла и зарисовать.

3. Открытие кальция.

Каплю фильтрата поместить на предметное стекло и на расстоянии 2 см от нее нанести каплю 1%-ного раствора серной кислоты. Затем тонкой стеклянной палочкой капли соединить дугообразным канальцем. В месте соединения произойдет реакция:

Ca²⁺ + H₂SO₄ = CaSO₄ + 2H⁺

По краям канальца будет наблюдаться быстрая кристаллизация гипса в виде игольчатых кристаллов. Рассмотреть кристаллы под микроскопом без покровного стекла и зарисовать.

4. Открытие магния.

К капле зольной вытяжки на предметном стекле добавить каплю раствора аммиака, а затем соединить ее канальцем с каплей 1%-ного раствора гидрофосфата натрия_. Фосфат магния-аммония выпадает по краям канальца в виде тонких прозрачных кристаллов разнообразной формы: квадратов, прямоугольников, крышек, звездочек, крыльев.

Mg²⁺+ NH₄OH + Na₂HPO₄ = NH₄MgPO₄ + 2Na⁺

Кристаллы рассмотреть под микроскопом без покровного стекла и зарисовать.

5. Открытие фосфора.

Каплю вытяжки на предметном стекле соединить канальцем с каплей 1%-ного раствора молибдата аммония в азотной кислоте, Выпадают зеленовато-желтые мелкие округлые кристаллы:

H₃PO₄ + 12 (NH₄)₂MoO₄ + 21HNO₃ = (NH₄)₃ H₄ [(Mo₂O₇)₆] + 21NH₄ NO₃ + 10H₂O

Кристаллы рассмотреть под микроскопом без покровного стекла и зарисовать.

6. Открытие серы.

Каплю вытяжки соединить канальцем с каплей 1%-ного раствора нитрата стронция. По краям канальца выпадают мелкие закругленные кристаллы сульфата стронция:

SO₄^2– + Sr(NO₃)₂ = Sr SO₄ + 2 NO₃^–

Кристаллы рассмотреть под микроскопом без покровного стекла и зарисовать.

7. Открытие железа.

Реакцию на железо провести в пробирке: к 1 мл зольной вытяжки добавить несколько капель 1%-ного раствора гексацианоферрата калия. Реакция идет с образованием берлинской лазури – содержимое пробирки окрашивается в голубой цвет. Идет реакция:

4Fe³⁺ + 3 K₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12K⁺

Оформление работы:

сделайте необходимые пояснения к рисункам. Какие еще элементы, кроме выявленных проведенным микрохимическим анализом, содержатся в золе; поясните свои предположения.

Результаты и обсуждение:

Обнаружение калия	Обнаружение фосфора
Обнаружение магния	Обнаружение кальция
Обнаружение серы	Обнаружение железа
Рис. Микрохимический анализ золы

ЗАНЯТИЕ XI. ФИЗИОЛОГИЯ КОРНЯ

Работа 1. Смещение рН питательного раствора под влиянием поглощающей деятельности корней

Контрольные вопросы:

1. Какова роль корней в жизнедеятельности растений?

2. Охарактеризуйте корневую систему растений как орган поглощения солей.

3. Как осуществляется контактный ионный обмен между клетками корня и частицами почвы? На чем основано деление солей на физиологически кислые и физиологически щелочные?

4. Что такое антагонизм, синергизм, аддитивизм ионов? Какие растворы называются уравновешенными, приведите примеры.

5. Какую кинетику имеет процесс поглощения ионов растением, как регулируется поступление ионов?

6. Как влияют внутренние и внешние факторы на поступление солей в корневую систему?

7. Сравните изменения рН почвы и водного раствора минеральных солей под влиянием поглощающей деятельности растений.

Одним из факторов, влияющих на поглотительную деятельность корней является кислотность среды (рН). Отношение к рН среды различно у различных видов растений. Для большинства культурных растений оптимум рН находится около 7,0, однако нормальное их развитие возможно в более широком диапазоне: от 4,5 до 7,0, При выращивании на средах, кислотность которых не удовлетворяет потребностям данного организма, нормальное развитие их нарушается, подавляется рост, снижается урожайность. Резкий сдвиг реакции почвенного раствора в кислую сторону оказывает вредное влияние на растение в силу прямого повреждающего действия на цитоплазму клеток, а также в результате торможения поступления в клетки корня питательных катионов, переводу фосфатов в неусвояемую форму, перевода в раствор солей алюминия и железа. Весьма существенно влияет рН на деятельность почвенных микроорганизмов. Менее опасен сдвиг рН почвы в щелочную сторону, т.к. клетки корня выделениями Н₂СО₃ и органических кислот нейтрализуют избыток гидроксо-анионов.

Следует отметить, что растение способно в известной степени воздействовать на величину рН, регулирование достигается различной скоростью поглощения из питательной среды катионов и анионов. Кроме того, сама почва обладает высокой буферностью, поэтому рН почвенного раствора меняется незначительно.

Корни растений способны активно смещать реакцию среды небуферных растворов в результате постоянного выделения Н⁺-ионов, амфолитоидных свойств цитоплазмы, выделения органических кислот, ионообменных свойств клеточных стенок.

Ионы из питательного раствора поглощаются с различной скоростью, что приводит к смещению рН раствора. Так, если в качестве источника азота используется хлорид аммония (NH₄Cl), то при выращивании растений рН раствора смещается в кислую сторону. Это происходит в силу более быстрого использования и поглощения катиона аммония NH₄⁺ в обмен на протоны, адсорбированные поверхностью корня. Данную соль относят к физиологически кислой. Нитрат натрия (NaNO₃) – соль физиологически щелочная, так как нитрат-анион будет поступать быстрее в обмен на анионы НСО₃^–. Образующаяся соль NaHCO₃, подвергаясь гидролизу образует сильную щелочь и слабую кислоту, рН раствора будет сдвигаться в щелочную сторону:

NaHCO₃ + НОН = NaOН + Н₂СО₃

В связи с этим все применяемые для длительного выращивания растений питательные смеси должны быть хорошо забуферены, т.е. составлены с учетом на сохранение оптимальных значений рН в течение длительного времени.

Цель работы: показать влияние поглощающей деятельности корней на изменение рН питательного раствора.

Реактивы и оборудование: 10-дневные проростки ячменя, выращенные на водопроводной воде; 0,1 н р-р NaOH, раствор Кнопа: Ca(NO₃)₂ – 1 г, KH₂PO₄ – 0,25 г, MgSO₄∙7Н₂О – 0,25 г, KCl – 0,125 г, 3 капли 1%-ного раствора FeCl₃, 1 л воды, прибор Алямовского для колориметрического определения рН, химический стакан на 100 мл, мерный цилиндр, пипетка Мора на 1 мл, пробирки, нитки, ножницы, миллиметровая бумага.

Ход работы:

1. В стакан на 100 мл налить 50 мл раствора Кнопа.

2. рН раствора довести до 7,8 – 8,0 0,1 н раствором NaOH: добавить 20 капель щелочи к раствору в стакане, хорошо перемешать, отобрать пипеткой 1 мл раствора в пробирку, добавить 2 капли комбинированного индикатора и определить рН, сравнивая окраску раствора с окраской индикаторной шкалы. Добавлять щелочь до установления нужного значения рН.

3. Взять 15 проростков ячменя с достаточно сформировавшейся корневой системой, удалить зерновки, связать растения в пучок и погрузить корни в раствор.

4. Вести наблюдения за изменением рН раствора с интервалами в 10 минут с помощью индикатора и колориметрической шкалы, каждый раз отливая из стаканчика 1 мл раствора.

Оформление работы:

результаты определений запишите в таблицу. Зависимость изменения рН от времени изобразите графически. Какие явления происходят в растворе? Объясните направленность изменения значения кислотности раствора Кнопа в проведенном опыте.

Результаты и обсуждение:

Таблица

Время наблюдения	Значения рН
0
10
20
30
40
50

Работа 2. Определение рН клеточного сока с помощью рН-метра

Контрольные вопросы:

1. Как поддерживается и регулируется рН-стат клетки?

2. Приведите примеры буферных систем, рассмотрите их работу.

Содержимое вакуолей значительно различается от растения к растению и от одного типа клеток к другому. Концентрация растворенных веществ в вакуоли достигает 0,4 – 0,6 М. Кислотность клеточного сока зависит от соотношения Н⁺ и ОН^– и может сильно варьировать у различных растений. Реакция клеточного сока хотя и изменяется в ходе онтогенеза, но довольно устойчива к внешним воздействиям благодаря наличию буферных систем.

В качестве примера буферной системы рассмотрим цитрат и ее соли. Так, однозамещенный цитрат СООН-СН₂СОН-(СООН)-СН₂-СООR в присутствии сильных оснований переходит в двух- или трехзамещенную соль, освобождая Н⁺ - ионы, образующие с гидроксо-анионами щелочи молекулы воды, рН при этом не изменяется. В присутствии же сильных кислот образуется слабая кислота (цитрат) и соль сильной кислоты, рН снова остается неизменным. При разбавлении увеличивается степень диссоциации цитрата (если до разбавления среда была кислой) или увеличивается гидролиз ее солей (если рН была > 7,0) и кислотность среды не изменяется.

Цель работы: сравнить рН клеточного сока у различных растительных объектов.

Реактивы и оборудование: листья, плоды, луковицы, клубни, корнеплоды различных растений, вода дистиллированная, ступка, терка, мерный цилиндр, кристаллизатор, марля, термостойкая колба на 100 мл, электроплитка, весы и разновесы, иономер универсальный.

Ход работы:

1. Навеску растительного материала (20 г) измельчить в ступке или натереть на терке.

2. Полученную массу перенести в колбу с помощью 50 мл дистиллированной воды и нагреть на плитке до начала кипения.

3. Содержимое колбы охладить до комнатной температуры, отжать сок через марлю и определить рН иономером, пользуясь инструкцией к прибору.

Оформление работы:

результаты измерений занесите в таблицу. Сравните кислотность различных объектов. Объясните. почему рН растительных тканей достаточно устойчив к влиянию внешних факторов.

Результаты и обсуждение:

Таблица

Растительный объект	Значения рН

ЗАНЯТИЕ XII. ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ МИНЕРАЛЬНОГО ПИАНИЯ РАСТЕНИЙ, ВЫРАЩИВАНИЕ РАСТЕНИЙ БЕЗ ПОЧВЫ

Работа 1. Визуальная диагностика нарушений минерального питания растений

Визуальная диагностика - определение нарушения питания по внешнему виду растений. Недостаток или токсический избыток элементов минерального питания проявляется на растениях в виде характерных симптомов. Выявленные признаки голодания растений могут помочь установить необходимость дополнительного внесения элемента.

Все элементы по их способности передвигаться по растению подразделяются на две группы: реутилизируемые и слабореутилизируемые. Реутилизируемые элементы (Р, N, К, Mg) при их недостатке могут оттекать из более старых к более молодым органам, поэтому симптомы голодания проявляются в первую очередь на закончивших рост листьях. Недостаток же слабореутилизируемых элементов (Са, В, Fe) сказывается на молодых, растущих частях растений. О токсическом избытке элемента судят по изменению внешнего вида сформированных органов, в которых элементы и накапливаются.

Перед началом работы с показателями диагностики следует убедиться, что растения не поражены болезнями и вредителями, выращивались в условиях нормального увлажнения, оптимальной кислотности и хорошей аэрации почвы, так как и, другие неблагоприятные факторы среды могут быть причиной угнетенного состояния растений и изменять их внешний вид.

Показатели визуального определения острого дефицита макро- и микроэлементов

у растений (модифицировано по В.В Церлинг, 1990)