3. Ассимиляция аммиака

Аммиак, образовавшийся при восстановлении нитратов или молекулярного N, а также поступивший в растение при ам­монийном питании, далее усваивается в результате восстанови­тельного аминирования кетокислот, поставляемых дыханием.

При аминировании а-кетоглугарата, катализируемого глутамат­дегидрогеназой (ГДГ), образуется глутамат.

HOOC(СН₂)₂COCООН + NH₃ + НАДH+H  HOOC(СН₂)₂CHNH₂CООН

а-кетоглутарат глутамат

При аминирование щавелевоуксусной кислоты (ЩУК) под действием аспартатдегидрогеназы, ведет к синтезу аспартата.

В результате восстановительного аминирования пирувата при участии аланиндегидрогеназы образуется аланин.

Однако эти ферменты не столь активны, чтобы внести существенный вклад в общий про­цесс ассимиляции аммиака у растений. В начале 70-х годов был открыт основной путь первичной ассимиляции аммония, вклю­чающий две последовательные сопряженные реакции, катализи­руемые ферментами глутаминсинтетазой (ГС) и глутаматсинтетазой (ГГС).

Механизм реакции включает перенос амидной группы глутамина на а-кетоглутарат в присутствии восстановителя, в резуль­тате чего происходит образование двух молекул глугамата. Глута­минсинтетаза (ГС) катализирует реакцию, в которой глутамат функционирует как акцептор NH₃ для образования глутамина.

Для этой реакции требуется АТФ. ГС обладает гораздо большим сродством к NH₃, чем глутаматлегидрогеназа (ГДГ). В настоящее время ГС - ГТС-путь считается главным в ассимиляции аммиака, образующегося в хлоропласте в результате восста­новления нитратов. ГДГ имеет преимущества в темноте и в условиях аммонийного питания растений. Функционируют обе системы как в листьях, так и в корнях.

Более простым способом связывания аммиака является обра­зование аммонийных солей органических кислот. У растений с кислым клеточным соком (щавель, бегония, осоки, хвощи) содержание аммонийного N в десятки раз превосходит содержа­ние амидного N.

Образование мо­чевины - иной путь обезвреживаения аммиака в растениях. Исходным продуктом для синтеза мочевины служит аминокислота орнитин, которая, присоединяя аммиак и углекис­лоту, превращается в цитруллин. Цитруллин присоединяет еще одну молекулу аммиака и образует аргинин. Аргинин под дейст­вием фермента аргиназы с участием воды расщепляется на орни­тин и мочевину. Схематически синтез мочевины можно предста­вить так:

Мочевина неядовита для растений, хорошо усваивается, ис­пользование ее N для всевозможных синтетических процес­сов происходит очень легко, так как в растительных тканях имеется фермент уреаза, катализирующий расщепление мочеви­ны:

Орнитиновый цикл не всегда идет до образования мочевины. В ряде случаев в растениях может наблюдаться накопление большого количества аргинина. Аргинин (содержит 32 % N, т. е. больше любой другой аминокислоты) наряду с амидами является соединением, в виде которого связывается избыток аммиака, поступающего в растение и не используемого для биосинтеза белков.

4. Причины накопления избыточных количеств нитратов в растениях и пути их снижения в сельскохозяйственной продукции

Темпы поглощения нитратного N часто могут превышать скорость его метаболизации. Связано это с тем, что многовековоя эволюция растений шла в условиях недостатка N и вырабатывались системы не ограничения поступления, а накоплениям N.

Ключевым ферментом, определяющим ассимиляцию нитрата, является нитратредуктаза, активность которой в 5-20 раз ниже, чем нитритредуктазы. Поэтому нитриты, образующиеся на первом этапе редукции нитратов, не накапливаются, а быстро восстанавливаются до аммиака. Степень ассимиляции аммонийной формы зависит от многих внутренних и внешних факторов, благоприятного сочетания которых в естественных условиях, как правило, не бывает. Для растений реально существует опасность аммиачного отравления, приводящего к хлорозу листьев, подвя­данию, замедленному росту и последующей гибели.

При усиле­нии нитратного питания активность нитратредуктазы растет до определенного предела и часть нитратов остается невосстанов­ленной, что предохраняет растительные ткани от накопления токсичных промежуточных продуктов ассимиляции. Образование нитратов может быть связано также с окислением избыточного количества аммония в растении, что не только предотвращает нарушение обмена веществ, но и позволяет со­хранить N в минеральной форме для дальнейшего использова­ния в процессах ассимиляции.

Нитраты в клетке распределены в двух фондах: цитоплазмати­ческом (активном) и вакуолярном (запасном), которые участвуют в обменных процессах с неодинаковой скоростью. Соотношение фондов варьирует в широких пределах в зависимости от видовых особенностей растений, условий минерального питания и других факторов. Для листьев ячменя характерна достаточно высокая доля запасного фонда (19-28 % общего количества), которая может возрастать до 60 % при повышении уровня N-го пита­ния в листьях гречихи доля запасного фонда невелика- 3-9 %. Причем в растениях ассимиляции подвергаются прежде всего вновь поступившие нитраты, а имеющиеся в запасном фонде используются лишь ограниченно.

Высокое содержание нитратов в вакуолях абсолютно безвред­но для растительной ткани. Но, попадая с растительной пищей в организм животного или человека, нитраты восстанавливаются до нитритов, которые блокируют снабжение клеток кислородом и вызывают ряд серьезных заболеваний. Допустимой суточной дозой потребления нитратов считается 300-320 мг, или 4 мг/кг живой массы.

Интенсификация сельскохозяйственного производства и уве­личение доз N ных удобрений делают очень серьезной пробле­му избыточною накопления нитратной формы N в растение­водческой продукции.

С физиологической точки зрения накопление нитратов можно рассматривать как результирующую процессов их поглощения, транспорта, ассимиляции и распределения, интенсивность и на­правленность которых определяются совокупностью генетичес­ких, почвенно-экологических и агротехнических факторов. Накопление нитратов носит наслелственно закрепленный характер. Зерновые культуры практически не накапливают нитратов. Среди семейств овощных культур наи­большей способностью к накоплению нитратов отличаются Ка­пустные, Тыквенные, Сельдерейные.

Наибольшее количество нитратов накашивают редька, свекла столовая, капуста, салат. шпинат, редис, картофель. Пределы содержания нитратов в то­варной части урожая у этих растений составляют 600-3000 мг/кг сырой массы.

Томаты, перец сладкий, баклажан, чеснок, горох отличаются низким содержанием нитратов- 20-300 мг/кг.

У ряда овощных и бахчевых культур выявлена сортовая спе­цифика накопления нитратов. Низким содержанием нитратов характеризуются сорта моркови Шантанз, Консервная, высоким -Лосиноостровская, Нантская. Столовая свекла сорта Бордо имеет более низкое содержание нитратов, чем Египетская плоская. Сорта огурца Лель, Парад, Московский тепличный, томата - Утро, Факел отличаются низким накоплением нитратов.

Видовые и сортовые различия по накоплению нитратов обу­словлены генетически закрепленными возможностями редуци­рующей системы растений, в частности уровнем нитратредуктаз­ной активности, а также разной реакцией на условия окружаю­щей среды и режим минерального питания.

Имеет также значение, какие органы составляют товарную часть урожая. В генеративных органах нитраты отсутствуют или содержатся на значительно более низком уровне, чем в вегетативных, а количество нитратов в корне, стебле и черешках листьев выше, чем в листовой пластинке. Меньшее количество нитратов по сравнению с листьями и черешками содержится в корнеплодах н клубнях, среди запасающих органов меньше нитратов содержат луковицы. Даже внутри одного органа нитраты распределяются неравномерно (рис.). Большее количество нитратов содержит­ся у основания листа капусты и салата. Содержание нитратов в сочных плодах семейства Тыквенные уменьшается от плодоножки к верхушке. Семенные камеры отличаются более низким содержанием, чем мякоть и кора. Наименьшее количество нитратов содержится в средней части луковицы, тогда как в верхней и нижней частях их содержание примерно в 2 раза выше. Наибольшее их содержание в донце луковицы. У зеленого лука зона стебля над луковицей содержит наибольшее количество нитратов.

Одной из причин видовых и сортовых различий в накоплении нитратов является физиогическая спелость растения к моменту уборки. Количество нитратов особенно велико, когда период товарной зрелости наступает раньше физиологического созрева­ния, например у огурца и кабачка. С возрастом содержание нитратов в растении снижается из-за уменьшения их поступле­ния в растение, а также в связи с увеличением запасов ассими­лятов, вовлекающих N в метаболизм.

На накопление нитратов большое влияние оказывают условия минерального питания. Здесь огромная роль принадлежит пра­вильному выбору доз N ных удобрений с учетом исходных запасов минерального N и N минерализующей способности почвы, позволяющей учесть обеспеченность N в ходе вегетации.

Важной причиной накопления нитратов являются также несбалансированное основными элементами питания и недостаток микроэлементов, нарушающие нормальный ход N-го обмена. Особенно большое значение для успешного усвоения нитратов имеют правильное P-но-K- ное питание и достаточная обеспеченность молибденом. Содержание нитратов в растениях увеличивается при низком значении рН н преобладающей концентрации _ и _ в среде.

Среди факторов внешней среды наибольшее влияние на содержание нитратов в растении оказывают влажность, свет, тем­пература воздуха и почвы, которые, действуя в комплексе, усиливают или ослабляют друг друга.

Изменение влажности неодно­значно влияет на накопление нитратов. Переувлажнение почвы обычно приводит к избыточному накоплению нитратов. С другой стороны, высокий уровень нитратов в растении в засушливые периоды можно снизить поливами овощных культур, так как они повышают темпы роста и способствуют частич­ному вымыванию нитратов из верхние горизонтов почвы.

Влия­ние света на накопление нитратов обусловлено изменением ак­тивности нитратредуктазы. Увеличение интенсивности света, умеренные температура и N ное питание снижают содержание нитратов в растениях.

Для снижение содержания нитратов в сельскохозяйственной продукции применяют комплекс селекционно-генетических, аг­рохимических и технологических мероприятий.

Перспективными являются поиск и выведение сортов, отличающихся высокой эффективностью использования N почвы на формирование урожая с низким уровнем содержания нитра­тов, что позволит не только снизить дозы удобрений, но и предотвратить загрязнение окружающей среды. В то же время внедрение в практику сортов с высоким потенциалом ассимиляции нитратов обеспечивает, как правило, повышение содержа­ния белка в урожае. Поэтому актуальным остается изучение ме­ханизмов наследования признака низкого содержания нитратов или высокой скорости их ассимиляции. Этот путь наиболее це­лесообразен при выращивании овощей с коротким периодом вегетации (листовые овощи, редис), отличающихся повышенной способностью к накоплению нитратов.

В связи с тем, что ведущим фактором накопления нитратов в растении является избыточное N-ое питание, рекомендуют использовать дозы удобрений, которые обеспечивают урожай растений на 5-10 % ниже максимального. Уменьшить содержание нитратов можно путем применения медленнодействующих полимерных форм удобрений на основе мочевиноформальдегид­ных соединений (МФС) и конденсированных фосфатов (КФ), карбамидоформальдегидных удобрений, а также с помощью покрытия гранул защитными пленками. Это снижает скорость рас­творения удобрений и обеспечивает пролонгированное равно­мерное снабжение N растений в течение всей вегетации.

Эффективным средством также являются ингибиторы нитрифи­кации (дециандиамиддидин, сероуглерод), использование кото­рых обеспечивает временную консервацию в почве аммонийного N, что снижает потери N удобрений и уменьшает накоп­ление нитратов в урожае зеленных овощей и редиса.

Эффективным решением «нитратной» проблемы является дробное и локальное применение N ных удобрений под овощные и кормовые культуры. При локальном внесении на 25-30 % снижаются дозы применяемых удобрений и уменьшается аккуму­ляция нитратов у зеленных культур и редиса на 9-58 %, у кукурузы и кормовой свеклы - на 10-40 %. Для получения овощной продукции с высоким урожаем и низким содержанием нитратов необходимы умеренное N ное питание растений в молодом возрасте, усиленное снабжение N в период интенсивного роста листового аппарата и ограниченное обеспеченное N при созревании кочанов и корнеплодов. Такой азотный режим растений можно обеспечить только при проведении подкормок по данным диагностики условий питания.

В снижении содержания нитратов может помочь выбор оптнмальных сроков убарки урожая. В процессе вегетации картофеля количество нитратов в клубнях снижается. При поздних сроках уборки содержание нитратов в клубням на 50-6О % ниже, чем при ранних. Уборку листовых овощей следует проводить вечером, так как в это время в них содержится на 30-40 % меньше нитратов за счет их активного восстановления в светлый период суток.

В заключение следует отметить, что повышенное содержание нитратного N в растениях чаще всего бывает следствием низ­кой культуры производства и несоблюдения технологии.

Сущест­вуют предельно допустимые санитарно-гигиенические нормы содержания нитратов, которыми необходимо руководствоваться при производстве и потреблении продукции растениеводства. Для зе­леных кормов и силоса это 500 мг/кг, картофеля - 250, огурца и томата открытого грунта - 150-200, закрытого грунта - 300-400, зеленных культур-соответственно 2000 и ЗООО мг/кг.