Тема 3. Минеральное питание

Питание растительных организмов представляет собой процесс поглощения и усвоения из окружающей среды химических элементов, необходимых для их жизнедеятельности. Минеральное питание включает процессы поглощения минеральных ионов из наружной среды, их связывания (преобразования, ассимиляции) и транспорта по клеткам и тканям к местам возможного потребления.

Наземные растительные организмы в естественных условиях получают необходимые минеральные вещества из почвы. В этом случае корни оказываются в сложной системе биологических и физико-химических взаимоотношений между почвенными частицами, почвенным раствором, почвенными микроорганизмами и грибами. Ионы минеральных солей могут поступать в клетки корневой системы растений, как из почвенного раствора, так и в результате контактного обмена с почвенными частицами. Оба эти процесса обычно связаны с обменом ионов Н+ на катионы и анионов НСО₃^—, ОН^— и органических кислот на минеральные анионы.

Из почвы минеральные элементы поглощаются в виде катионов и анионов. Попадая в клетку, одни элементы участвуют в метаболизме в форме свободных ионов, другие связываются с органическими соединениями, не претерпевая при этом никаких изменений, третьи же включаются в состав органических молекул только после ряда окислительно-восстановительных превращений.

В растениях обычно обнаруживаются следы почти всех химических элементов, находящихся в окружающей среде. Однако для жизни растений необходимо не более двенадцати элементов, которые получили название биогенных.

Элемент считается необходимым, если его отсутствие исключает нормальный жизненный цикл растения; его нельзя заменить каким-либо другим элементом; для данного элемента четко определены его физиологические функции. Элементы, входящие в состав растения делятся на две основные группы: органогены и зольные, а последние в свою очередь подразделяются на три группы:

2. Макроэлементы первой группы (содержание в % на единицу сухой массы): N (0,5-6,0), К (0,1-1,0), Р (0,04-0,6);

3. Макроэлементы второй группы: Са (0,03-1,7), Мg (0,03-0,3), S (0,01-0,6), Fе (0,002-0,009);

4. Микроэлементы (содержание <0,001% на сухую массу): Мо, Мn, Zn, Сu, В, Со и др.

Считается, что для упорядоченного обмена веществ, развития и высокой продуктивности необходимо, чтобы растения получали питательные элементы не только в достаточных количествах, но и в требуемых соотношениях.

Работа 1. Микрохимический анализ золы

Цель: ознакомиться с методами обнаружения важнейших элементов в золе растений.

Объекты, реактивы, оборудование: зола, полученная при сжигании листьев, семян, древесины; 10% растворы НCl и NН₃, 1% растворы следующих солей в капельнице: Na₂НРО₄, NaHC₄H₄O₆, K₄[F(CN)₆], (NH₄)₂MоO₄ в 1% HNO₃, 1% раствор H₂SO₄; пробирки, предметные стекла, стеклянные палочки, кусочки фильтровальной бумаги, стаканчики с дистиллированной водой.

Краткие сведения

При сжигании ткани органогенные элементы (С, Н, О, N) улетучиваются в виде газообразных соединений и остается несгораемая часть ^___ зола. Содержание ее в разных органах различно: в листе до 10-15%, в семенах ^___ около 3%, в древесине ^___ около 1%. Больше всего золы в живых активно функционирующих тканях, например в мезофилле листа. В его клетках имеется хлорофилл и множество ферментов, в состав которых входят такие элементы, как магний, железо, медь и др. В связи с высокой метаболической активностью живых тканей в них обнаруживается также значительное количество калия, фосфора и других элементов. Содержание золы зависит и от состава почвы, на которой произрастает растение, и от его возраста и от генетических особенностей растений, обуславливающих потребность в элементах минерального питания, вследствие чего растения разных видов, растущие на одинаковой почве, накапливают различное количество зольных элементов.

Органы растений отличаются не только по количественному, но и по качественному составу золы. На количество золы, образующейся при сжигании разных частей растения, влияет также соотношение между живыми и мертвыми клетками: мертвые клетки состоят только из клеточных стенок, в которых находится небольшое количество кальция или кремния, тогда как в цитоплазме и органоидах живых клеток содержится много зольных элементов как в составе органических веществ (сера — в белках, фосфор — в нуклеиновых кислотах и фосфолипидах, магний — в хлорофилле и т.п.), так и в форме минеральных ионов.

Зола, получаемая при сжигании растений, содержит большое количество элементов, среди которых различают макроэлементы (фосфор, сера, калий, кальций, магний) и микроэлементы (железы, медь, цинк, марганец, молибден, бор и ряд других).

Для изучения химического состава золы можно использовать микрохимический метод, для которого требуется небольшое количество материала. Микрохимический метод позволяет обнаружить в золе растений целый ряд элементов. В основе метода лежит способность некоторых реактивов при взаимодействии с зольными элементами давать соединения, отличающиеся специфической окраской или формой кристаллов.