Розділ 2 характеристика хімічного складу рослинної продукції

2.1 Загальні відомості про стан проблеми, що досліджується

Формування хімічного складу рослин протікає під дією цілого ряду факторів, сутність, яких у значні мірі зводиться до залежності хімічного складу рослин від типу ґрунту, на якому вони розвиваються. Кожному типу ґрунту притаманний певний хімічний склад, форми знаходження елементів, кислотність, окислювально-відновний потенціал, склад мікроорганізмів та їх діяльність. У свою чергу, формування того чи іншого типу ґрунту тісно пов’язано з географічною зональністю.

Рослини приймають участь у геохімічних процесах. Вони поглинають речовини, які потрібні їм для живлення. Хімічний склад рослин залежить від хімічного складу ґрунту але не повторює його. Завдяки типу обміну речовин, який склався, рослини вибірково поглинають необхідні для них елементи у кількостях, які потрібні для фізіологічних та біохімічних процесів. Можливе випадкове надходження шкідливих для життєдіяльності рослин елементів або необхідних їм елементів але у кількостях токсичних для розвитку, наслідком чого є виникнення патологічних форм, зміна циклу розвитку рослин, або загибель рослини.

У склад рослин входять майже всі елементи періодичної системи Менделєєва (99,76 % ваги живої речовини займає кисень, вуглець, азот, кальцій, фосфор, калій, сірка, магній і тільки 0,24 % припадає на долю інших елементів) [1]. Кисень, водень та вуглець до рослин надходять із ґрунту та повітря. Значна частка азоту надходить із повітря завдяки діяльності азотфіксуючих бактерій. Решта елементів поглинається із ґрунту.

Пельман А. І. поділив усі елементи за ступінню накопичення їх рослинами на 5 рядів [2]. Критерієм виділення цих рядів є коефіцієнт біологічного поглинання (відношення вмісту одного чи іншого елемента у золі рослин до вмісту цього елемента у ґрунті або породі):

- елементи, які енергійно накопичують Р, S, CI, I.

- сильного накопичення K, Ca, Mg, Na, Sr, B, Zn, Ag.

- група слабкого накопичення та середнього захвату Mn, Ba, Ca, Ni, Co, Mo, As, Cd, Be, Hg, Se, Ra.

- слабкого захвату Fe, Si, F, Rb, V, Li, Y, Cs.

- слабкого та дуже слабкого захвату Ti, Cr, Pb, Fl, U, Zr [2].

В залежності від цілого ряду причин у рослин відмічається значне відхилення у вмісті тих чи інших елементів. Величина коефіцієнту біологічного поглинання також може мінятися у широких границях. Розглянемо накопичення хімічних елементів більш детально.

Одним з основних забруднювачів рослинної продукції є важкі метали. Метали, густина (питома вага) яких більша 5 г/см³, називаються важкими металами. Важкі метали, являючись мікроелементами містяться в різних ґрунтах. Різні ґрунти характеризуються різним складом і різним вмістом важких металів. В високих дозах ці елементи, в основному знаходяться в наслідок діяльності людини, тобто антропогенного навантаження. Природно ж у ґрунтах є лише невеликі кількості того чи іншого металу, а то й взагалі може не бути його слідів. Тому рослини і взагалі і взагалі живі організми пристосувались накопичувати ці речовини в тканинах. Але при великих дозах цих металів виведення їх з тканин не відбувається і відбувається отруєння ними живих організмів.

Важкі метали є не тільки в ґрунтах, але й в повітрі і в воді. В воду вони потрапляють з ґрунтів. В повітря, в основному при спалюванні різних складних речовин, до складу яких вони входять, наприклад при викидах газів автомобілями, тепловими електростанціями, заводами [1].

Також ці речовини потрапляють в навколишнє середовище при викидах підприємствами гірничої промисловості залишків руд і т.д. важкі метали можуть міститися і в смітті, яке знаходиться на звалищах, наприклад в пластмасах. Адже для досягнення кращих якостей при виробництві пластмас, до їх складу добавляють різні хімічні доповнення. Це так звані стабілізатори, які захищають пластмаси проти високих температур і сонячного випромінювання. Вони є отруйними. Це фарбуючи речовини, інгібітори згорання (антипірен) і т.д. До них відносяться і важкі метали (свинець, ртуть, кадмій, бром, олово). В 1980 році вироблялося 4000 тон, а в 2003 вироблялось 8000 т таких речовин. Через деякий час пластмаси потрапляють в навколишнє середовище, як сміття і ці речовини з них вивільняються [2].

Для більшої частини живих організмів необхідні майже 80 елементів, частина яких являється важкими металами. Кожен з них відіграє важливу роль і в рослинному організмі. Вони з білками можуть утворювати ферменти, являються комплексоутворювачами і т. д. Наприклад, марганець має здатність змінювати валентність і тому бере участь в реакціях окислення-відновлення в процесах фотосистеми 2; сприяє проходженню темнової фази фотосинтезу і т.д. Мідь входить до складу ферментів, що забезпечують процеси дихання (аскорбіноксидази, поліфенолоксидази), до пластоціаніну, який входить до фото системи 1, утворює комплекси з ДНК. Молібден входить до складу ферментів нітрогеназного комплексу, нітратредуктази, яка перетворює нітрати в нітрити, ксантиноксидази. Молібден стимулює синтез вітаміну С. Кобальт входить до складу вітаміну В₁₂, який є коф актором ферментів метилування. Він відповідає за утворення тироксину. Цинку накопичується в нормі до 60 мг/кг сухої речовини. Входить до складу багатьох ферментів: пептидаз, карбоангідрази, алкогольдегідрогенази, лактатдегідрогенази, глутаматдегідрогенази. Залізо комплекси з вітамінами, білками, вуглеводами, підвищує каталітичну функцію ферментів у тисячі разів [3].

Особливістю важких металів є те що багато з них може утворювати хімічні комплекси. Наприклад,

Sn + 2NaOH + 2H₂O =Na₂[Sn(OH)₄] +H₂

Pb + 2 NaOH + 2H₂O = Na₂[Pb OH)₄] +H₂

Вивченням таких комплексів займається робоча група доктора Ф. Готчальха [4].

Кобальт і нікель. Кобальт являє собою сріблясто-сірий метал. Температура плавлення рівна 1492 С°. Густина - 8,84 г/см³.

Нікель має сріблясто-білий колір. Його температура плавлення – 1455С°. Густина – 8,91 г/см³. В хімічних реакціях кобальт і нікель менш активні, ніж залізо, вони розчиняються в розбавлених кислотах з виділенням водню і утворенням солей кобальту і нікелю. Для кобальту в сполуках характерні ступені окислення +2 і +3. Він утворює оксиди СоО і Со₂О₃. Для нікеля характерна ступінь окислення + 2, рідше + 3,. Він утворює один оксид NiO. Масові частки кобальту і нікелю в земній корі складають відповідно 3·10^-3 і 8·10^-3 %. Важливішими мінералами кобальту і нікелю являються кобальтин СоАsS, ліннеїт Со₃S₄, петландіт (Fe, Ni)S, нікелін NiAs. Кобальт і нікель часто є супутниками в природі [5-11].

Олово і Свинець. Масові частки їх в земній корі рівні відповідно 4·10^-3 і 1,6·10^-3%. Олово – сріблясто-білий м’який метал, легко плавиться (температура плавлення - 213,9 Сє). Це звичайна модифікація , так зване біле олово. При температурі нижче 14 Сє стійке сіре олово. При охолодженні металічне олово переходить в сіре і в результаті розсипається. Це явище відомо під назвою „олов’яна чума”. Деякі cполуки олова: SnCl₂, Na₂[Sn(OH)₄], H₂SnO₃, SnSO₄.

Свинець – м’який пластичний синювато сірий метал з температурою плавлення 237,4 С°. Олово і свинець розчиняються в водних розчинах лугів при нагріванні утворюючи комплексні сполуки.

Цинк, кадмій, ртуть. Проявляють в сполуках ступінь окислення +2 (ртуть 1+1).

Масова частка цинку в земній корі складає 5 · 10^-3 %. Він зустрічається лише в складі сполук, наприклад ZnS, ZnCO₃. Це сріблясто-білий метал. Плавиться при температурі 419,5 С°. Володіє хорошою тепло- і електропровідністю. Цинк хімічно активний метал який при нагріванні взаємодіє з різними неметалами. Сульфат цинку використовують як мікродобриво.

Масова частка кадмію в земній корі складає 5·10^-5 %. Його найважливіші мінерали – CdS i CdCO₃. Здебільшого вони э супутниками мінералів цинку. Температура плавлення кадмію 321 С°. Кадмій і ртуть сріблясто-білі метали. В звичайних умовах ртуть – рідина, її температура плавлення рівна –38,9С°. Це метал, що само легше плавиться. Масова частка ртуті в земній корі складає 7·10^-6%. В хімічному відношенні кадмій хімічно активний метал а ртуть малоактивний. Також важкими металами є залізо, ванадій та інші.

Для більшої частини живих організмів необхідні майже 80 елементів, частина яких являється важкими металами. Кожен з них відіграє важливу роль і в рослинному організмі. Вони з білками можуть утворювати ферменти, являються комплексоутворювачами і т. д. Наприклад, марганець має здатність змінювати валентність і тому бере участь в реакціях окислення-відновлення в процесах фотосистеми; сприяє проходженню темнової фази фотосинтезу і т.д.

Молібден входить до складу ферментів нітрогеназного комплексу, нітратредуктази, яка перетворює нітрати в нітрити, ксантиноксидази. Молібден стимулює синтез вітаміну С.

Цинку накопичується в нормі до 60 мг/кг сухої речовини. Він входить до складу багатьох ферментів: пептидаз, карбоангідрази, алкогольдегідрогенази, лактатдегідрогенази, глутаматдегідрогенази.

Залізо в комплексі з вітамінами, білками, вуглеводами, підвищує каталітичну функцію ферментів у тисячі разів [12].

Кобальт входить до складу вітаміну В₁₂, який є фактором ферментів метилування. Він відповідає за утворення тироксину. У біосфері кобальт переважно розсіюється, однак на ділянках, де є рослини - концентратори кобальту, утворюються кобальтові родовища.

Вміст кобальту в ґрунтах визначає кількість цього елементу в складі рослин даної місцевості, а від цього залежить надходження кобальту в організм травоїдних тварин.

Постійно будучи присутнім у тканинах рослин, кобальт бере участь в обмінних процесах. Здібність до накопичення цього елемента у бобових вища, ніж у злакових і овочевих рослин. Кобальт бере участь в ферментних процесах клубневих бактерій, відтворює атмосферний азот; стимулює ріст, розвиток активності бобових і рослинних рядів інших сімейств. В мікродозах кобальт являється необхідним елементом для нормальної життєдіяльності багатьох рослин і тварин, але вже великі концентрації кобальту є токсичними [13].

Кобальт застосовують у сільському господарстві як мікродобрива - добрива, що містять мікроелементи (В, Cu, Mn, Zn, й ін.), тобто речовини, що споживають рослини в невеликих кількостях [14].

Вапнування ґрунтів знижує засвоюваність рослинами кобальту. Так само впливає надлишок марганцю й заліза в ґрунтах; навпаки, фосфор підсилює надходження кобальту в рослини.

Застосування кобальтових солей (сірчанокислого кобальту) як добрива, виявляється, сприяє прискоренню дозрівання ячменю, підвищує врожай насіння червоної конюшини, збільшує вміст жиру в насіннях льону. Під впливом кобальту підвищується врожайність цукрового буряка.

Внесення 300 мг сірчанокислого кобальту на 1 га значно підвищує врожай винограду: вага ягід збільшується на 35%, цукристість - на 14%, кислотність знижується на 10% .

Вміст нікелю в ґрунтах становить 0,004%, у природних поверхневих водах - 0,000 000 34%. У рослинах у середньому втримується 0,00005% на живу вагу (залежно від виду рослини, місцевості, ґрунту, клімату й ін.).

Критичне значення концентрації нікелю в поживному розчині - 1,5 мг/кг й у сухій масі ячменю, вирощеного в такому середовищі - 26 мг/кг . Токсичний рівень цього елементу в листях рослин починається з перевищення 1,0 мг/кг сухої маси.

При засвоєнні нікелю рослинами відбувається взаємодія з елементами, що утримувалися в ґрунті залізом, кобальтом, хромом, магнієм, міддю, цинком, марганцем; при цьому іони марганцю й магнію не інгібують, а іони кобальту, міді, заліза й цинку - інгібують абсорбцію нікелю на 25-42%. Існують вказівки на те, що рослини, які ростуть на серпентинових ґрунтах, не проявляють ознак токсичного впливу нікелю. Серед рослин існує різниця в чутливості стосовно впливу нікелю. Токсичні рівні нікелю в листі рослин (млн. - 1 сухої маси): рис 20 - 25, ячмінь 26, види твердої деревини - 100 - 150, цитрусові - 55 - 140, бур'яни - 154 [15].

Марганець перебуває в ґрунтах у середньому в кількості 0,085 %. Однак в окремих випадках при високому загальному вмісті марганцю в ґрунтах кількість засвоюваних його форм, що переходять у солянокислу або сольову форму, може бути явно недостатньою.

Середній вміст марганцю в рослинах дорівнює 0,001 %. Марганець служить каталізатором процесів дихання рослин, бере участь у процесі фотосинтезу [16]. Виходячи з високого окисло - відновного потенціалу марганцю можна сказати, що марганець відіграє таку ж важливу роль для рослинних кліток, як залізо - для тварин.

Сприятливий вплив марганцю на ріст і розвиток рослин очевидний: наприклад, у гібридних сіянців мигдалю під впливом марганцю строк першого плодоносіння прискорюється на 6 років [17].

Збагачення рослин марганцем сприяє до поліпшенню росту, плодоносіння дерев і врожайності багатьох культур, що знайшло практичне використання. Як добрива застосовують відходи марганцеворудної промисловості, відходи виробництва сірчаної кислоти й ін.

Внесення марганцевих відходів у ґрунт як добрива позитивно позна -чається на врожайності цукрового буряка, озимої пшениці, кукурудзи, картоплі, овочевих культур й інших культур, зменшує вилягальність рослин. Крім звичайного внесення марганцевих добрив у ґрунт, застосовують й інші методи використання марганцю, що слугують засвоюваності марганцю рослинами із ґрунтів.

Надлишок марганцю, так само як і його нестача, несприятливо позначається на рослинах.

Загальний вміст міді в ґрунтах становить близько 0,002 %, причому на долю розчинної частини доводиться близько 1 % цієї кількості.

У ґрунтах зустрічаються кілька форм міді , що по різному засвоювоються рослинами: а) водорозчинна мідь, б) обмінна мідь, поглинена органічними й мінеральними колоїдами, в) важкорозчинні мідні солі, г) мінерали, які містять мідь, д) комплексні металоорганічні сполуки міді.

Рухливість міді й надходження її в рослини зменшуються при вапну - ванні ґрунтів, зв'язуванні міді у вигляді органічних сполук і закріпленні ґрунтовим гумусом. Частина міді ґрунтів міцно пов'язана із ґрунтовими перегнійними кислотами - гуміновою, кремнєвою, апокреновою; у цих формах вона стає нерухомою й незасвоюваною рослинами.

Мідь необхідна для життєдіяльності рослинних організмів. Майже вся мідь, яка знаходиться у листі, зосереджена в хлоропластах і тісно пов'язана із процесами фото -синтезу; вона бере участь у синтезі таких складних органічних сполук, як антоціан, залізопрофірин й хлорофіл; мідь стабілізує хлорофіл, охороняє його від руйнування.

Мідь входить як структурний компонент до складу сполуки з білком (мідьпротоїда, що містить 0,3% міді), утворюючи окисний фермент поліфенолоксидазу. Цей фермент вперше був виявлений у бульбах картоплі, печерицях, а надалі в складі більшості розповсюджених рослин.

Очевидно, внаслідок цього мідь вносять як добриво для захисту рослин від засух - і морозів, а також, стійкості до бактерійних захворювань.

Застосування мідних добрив не тільки позначається на підвищенні врожайності, але й на якості сільськогосподарських продуктів: зростає кількість білка в зерні, збільшується цукристість цукрового буряка вміст вітаміну С і каротину в плодах й овочах, поліпшуються технологічні якості волокна коноплі. Під впливом мідних добрив підвищується стійкість озимої пшениці до полягання [18].

Середній вміст цинку в ґрунтах становить 0,005%; із цієї кількості на частку розчинного цинку припадає не більше 1 %.

У середньому в рослинах виявляється 0,0003% цинку. Залежно від виду, місцевості вирощування, клімату й т.п. вміст цинку в рослинах досить варіює [19].

Цинк є компонентом ряду ферментних систем. Він необхідний для утворення дихальних ферментів - цитохромів А і Б, цитохромоксідази (активність якої різко падає при нестачі цинку). Цинк пов'язаний з перетворенням утримуючої сульфгідрильної групи сполук, функція яких полягає в регулюванні рівня окислювально - відновного потенціалу в кліти -нах. При нестачі цинку в вакуолях клітин накопичуються поліфеноли, фітостерин, лецитин як продукти неповного окиснення вуглеводів і білків; у листі виявляється більше цукрів, і фосфору й менше сахарози й крохмалю. При відсутності цинку порушується процес фосфорілірування глюкози. Нестача цинку веде до значного зменшення в рослинах ростового гормону - ауксину [1].

Цинк є складним компонентом ферменту карбоангідрази. Входячи до складу карбоангідрази, цинк впливає на найважливішу фотохімічну реакцію "темнової" утилізації вуглекислого газу рослинами й на процес виділення СО₂, тобто на процес дихання рослин. Рослини, що розвиваються в умовах нестачі цинку, бідні на хлорофіл, і навпаки, листя багате на хлорофіл, містить максимальні кількості цинку. У зеленому листі цинк, можливо, пов'язаний з порфіринами [20].

Під впливом цинку відбувається збільшення вмісту вітаміну В, каротину, вуглеводів і білків у ряді видів рослин. Він підсилює ріст кореневої системи й позитивно позначається на морозовитривалості, а також жаро-, засухо- і солестійкості рослин. Сполуки цинку мають велике значення для процесів плодоносіння.

Горох, сорго й боби у водних культурах не дають насіння при концентрації цинку в середовищі 0,005 мг на 1 л і нижче. З підвищенням концентрації цинку в поживній суміші відповідно число насіння збіль -шується.

Молібден особливо важливий для бобових рослин. Він концентрується в клубнях бобових рослин, сприяє їхньому утворенню й росту, стимулює фіксацію клубневими бактеріями атмосферного азоту. Входячи до складу ферменту нітраторедуктази (що є за своєю будовою молібдофлавопротеїном), молібден відновлює нітрати у вищих і нижчих рослин і стимулює синтез білка в них. Тому в умовах нестачі молібдену в рослинах накопичуються нітрати, одночасно зменшуються азотиста розчинна фракція й рівень азотистої білкової фракції. Молібден і марганець, очевидно, каталізують окремі реакції, кожна з яких впливає на концентрацію амінокислот - проміжних продуктів білкового обміну. Молібден активує реакцію, що веде від нітратів до утворення амінокислот, тоді як марганець, очевидно, активує подальші фази перетворення амінокислот у білки [21].

Молібден впливає не тільки на бобові рослини, але й на капусту, томати, цукровий буряк, льон й ін. Рослинами - індикаторами нестачі молібдену можуть бути томати, качанна капуста, шпинат, салат, лимони.

Молібден необхідний не тільки для процесу синтезу білків у рослинах, але й для синтезу вітаміну С і каротину, синтезу й пересуванню вуглеводів, використання фосфору [22].

Отже, можна зробити висновок, що важкі метали виконують не тільки негативну, але й позитивну дію на ріст і розвиток рослин, адже при внесені їх в рослини в невеликій кількості, вони позитивно впливають на врожайність рослин, дозрівання насіння та плоду, поліпшують ріст рослин.

Важкі метали в невеликих концентраціях потрібні всім живим організмам, оскільки входять в склад ферментів і беруть участь у багатьох фізіологічних реакціях і процесах, які в них проходять. Наприклад цинк входить до каталази, яка являється одним з самих ефективних ферментів, які є відомими. Міліграм каталази каталізує процес утворення не менше, ніж 2740 л кисню з пероксиду водню за годину.

Важкі метали можуть змінювати валентність і тому беруть участь в окисно-відновних реакціях організмів. Як і мікроелементи, важкі метали можуть утворювати сполуки з протеїдами. Наприклад, молібден може сполучатись з ферментом флавопротеїном і утворювати нітратредуктазу, яка має важливе призначення. Флавін і молібден розуміються як тимчасові носії електронів. Одні з найважливіших мікроелементів, або елементів „сліду” – це Cu, B, Zn и Мо [23]. Проміжне становище між мікро і макроелементами займає марганець.

Отже під впливом важких металів фізіологічні процеси в залежності від їх концентрації або пригнічуються, якщо вона недостатня або надмірна, або, коли концентрація оптимальна, тоді вони проходять нормально. Це все відображається в кінці-кінців на морфометричних ознаках рослин, в тому числі на рості і розвитку.

Ріст – це кількісна характеристика, процес збільшення розмірів і маси рослини. Розвиток – це якісна характеристика, процес, при якому спостерігаються новоутворення в онтогенезі: проростання насіння, поява справжніх листків, квіток, насіння і ін. В процесі розвитку ріст виконує роль збільшення в розмірах і масі новоутворених органів.

Починаються ці процеси з проростання насіння [24]. Саме проростання насіння починається з процесу набухання, коли насіння швидко вбирає велику кількість води. В цей період великі концентрації солей важких металів у ґрунті та й солей інших елементів призводить до утворення високого осмотичного тиску в ґрунті, в такому разі вода важко поступає в насіння і процеси набухання порушуються.

Якщо насіння все ж таки проростає, то високі концентрації металів можуть або дуже прискорювати метаболізм, або навпаки сповільнювати його. При прискоренні метаболізму переважають процеси дисиміляції, тобто розпаду органічних речовин і рослина не встигає виробити достатню кількість структурних речовин. При високих концентраціях важких металів можуть руйнуватися нуклеїнові кислоти, різні білки, вітаміни і інші речовини і при цьому порушуються фізіологічні процеси в рослинах. Зовнішніми ознаками порушення біохімічних і фізіологічних процесів є сповільнення процесів росту і розвитку, втрата стійкості до хвороб, до посухи, втрата зимостійкості, пожовтіння і в’янення асимілюючої поверхні (листків) та інші. Також є відомості, що при високих концентраціях цих металів виникають аберації хромосом. Аберації відносяться до різновидів мутацій хромосом. До них відносяться делеції, подвоєння або дуплікації [25].

При недостатності якогось хімічного елементу з 80 необхідних також порушується багато біохімічних і фізіологічних процесів. В наслідок цього проявляються різні зовнішні прояви недостачі того чи іншого елементу. Не хватка марганцю викликає точковий хлороз. Недостача молібдену викликає хлороз і порушення азотного живлення. При недостачі цинку в рослин не формується нормально вегетативна маса, утворюється розеточність [26].

На проростання насіння, ріст і розвиток рослин впливають дуже багато факторів навколишнього середовища, наприклад освітлення, вологість, температура і т.д. Крім цього існують такі речовини, як фітогормони, які в дуже малих кількостях можуть сильно стимулювати ріст рослин, наприклад гібереліни. Тому потрібно при дослідженні впливів важких металів на ріст і розвиток рослин враховувати ці фактори [27].