Минеральное питание растений

Введение.

Живой организм содержит все химические элементы, но для питания растений необходимы только некоторые из них. Растения способны активно извлекать нужные им вещества из внешней среды. Гидрофиты больше зависят от окружающей среды, чем наземные растения, получающие основную часть питания из грунта, так как в отличие от них усваивают питательные вещества всей своей поверхностью.

Кроме углекислого газа и кислорода, обеспечивающих жизнедеятельность растений, они нуждаются в таком веществе, как азот, обеспечивающем синтез белков. В сравнительно большом количестве растениям необходимы: сера, фосфор, хлор, кремний, калий, натрий, кальций, магний - это макроэлементы. Для питания растений также необходимы: бор, цинк, медь, марганец, железо, молибден, кобальт и др. Эти вещества используются растениями в очень незначительном количестве, поэтому они получили название микроэлементов.

Концентрация питательных веществ в воде может колебаться в довольно широких пределах. Организм растения, извлекая эти вещества из внешней среды, создает в тканях их необходимую концентрацию. Если этих веществ в воде и грунте достаточно, растение развивается правильно, быстро растет, цветет и плодоносит. При недостатке одного или нескольких необходимых веществ отмечается отставание в росте, изменение формы растения, прекращается размножение. Иногда наблюдается избыток в воде тех или иных химических элементов, что также может вызвать нарушение развития растений.

Верхушки побега и корня, взаимодействуя между собой и с другими органами и тканями с помощью трофических, гормональных и электрофизиологических факторов, выполняют в растительном организме функцию центрального поста управления. На внутриклеточном уровне регулируется активность ферментов, генных и мембранных систем, на межклеточном – пищевая, гормональная и электрофизиологическая.

Без организации эффективного минерального питания выращивание сельскохозяйственных культур низкорентабельно, теряют смысл затраты на элитные семена, пестициды и комплексы  полевых и уборочных работ.

Важнейшую роль в эффективности питания растений играют макро-, мезо- и микроэлементы – азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера, бор, молибден, медь, цинк, железо, марганец.

Все растения не могут нормально развиваться без этих элементов, так как они входят в состав важнейших ферментов, витаминов, гормонов и других физиологически активных соединений, играющих большую роль в жизни растений. Макроэлементы регулируют рост вегетативной массы и определяют величину и качество урожая, активизируют рост корневой системы, усиливают образование сахаров и их передвижение их по тканям растений; мезо- и микроэлементы участвуют в процессах синтеза белков, углеводов, жиров, витаминов. Под их влиянием увеличивается содержание хлорофилла в листьях, усиливается ассимилирующая деятельность всего растения, улучшается процесс фотосинтеза. Исключительно важную роль играют микроэлементы в процессах оплодотворения. Они положительно влияют на развитие семян и их посевные качества. Под их воздействием растения становятся более устойчивыми к неблагоприятным условиям.               

Целью данной работы является изучение влияния минерального питания на физиологическое состояние растений.

Задачи:

1. Охарактеризовать способы питания  растений;

2. Изучить макроэлементы необходимые для жизнедеятельности растения.

3.Изучить физиологическое и  биологическое значение макроэлементов  для растения.

4.Изучить азотфиксаторы и их  влияние на организм.

5.Изучить Механизм поступления  ионов в клетку.

6.Охарактеризовать признаки минерального голодания растений. и нормы внесения питательных веществ.

Историческая справка.

Древнеримские писатели Катон, Вергилий, Варрон и Колумелла указывали на необходимость механической обработки почвы перед посевом семян растений и на желательность внесения в почву навоза и извести. В 1563 г. во Франции опубликовано сочинение Палисси, где он высказывает мысль о том, что почти во всех растениях и животных находятся соли, поэтому именно они необходимы для питания растений. Весомый вклад в учение о питании растений внес немецкий ученый-химик Юстас Либих (1803–1873).В 1840 г. Либих ввел в науку понятие «лимитирующих факторы». Он изучал влияние содержания различных химических элементов в почве на рост растений и сформулировал принцип: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина, и устойчивость последнего во времени». В плеяде имен русских исследователей минерального питания растений особое место занимает академик Дмитрий Николаевич Прянишников (1865–1948). Его исследования показали, что каждый вид растения предъявляет специфические требования к количествам и сочетаниям отдельных элементов. Кроме того, потребность растения в отдельных элементах изменяется на разных фазах его развития. Это положение имеет громадное практическое значение, являясь основой нового метода искусственного поднятия урожайности. Итак, после длительных исследований ученые выяснили, какие именно элементы требуются для полноценного роста и развития растений. Похоже, что был найден беспроигрышный способ повышения урожайности растений – надо лишь внести в почву минеральные удобрения. Но все ли так просто? Минеральные удобрения – это скорее лекарство, а передозировка лекарств не менее опасна, чем их отсутствие. Дальнейшие исследования доказали, что при оптимальном составе и концентрации всех элементов питания растение развивалось наилучшим образом. При избыточной концентрации солей в питательном растворе растение было сильно угнетено или погибало. Немецкий учёный Ю. Либих (1840 год) создал теорию минерального питания растений, которая сыграла большую роль в развитии представлений о питании растений и об удобрениях.

Минеральное питание растений.

Питание растений – это процесс поглощения и усвоения растениями из окружающей среды химических элементов, необходимых для их жизни; заключается в перемещении веществ из среды в цитоплазму растительных клеток и их химическом превращении в соединения, свойственные данному виду растений. Поглощение и усвоение питательных веществ (анаболизм) вместе с их распадом и выделением (катаболизм) составляют обмен веществ (метаболизм) — основу жизнедеятельности организма.

Минеральное питание растений – это усвоение ими из внешней среды ионов минеральных солей, необходимых для нормальной жизнедеятельности растительного организма. К элементам «минеральное питание» растений относятся N, Р, S, К, Ca, Mg, а также микроэлементы (Fe, В, Cu, Zn, Mn и др.). Минеральное питание растений складывается из поглощения минеральных веществ в виде ионов, их передвижения по растению и включения в обмен веществ. Одноклеточные организмы и водные растения поглощают ионы всей поверхностью, высшие наземные растения - поверхностными клетками корня, в основном корневыми волосками. Ионы сначала адсорбируются на клеточных оболочках, затем проникают в цитоплазму через окружающую её липопротеидную мембрану - плазмалемму. Катионы (за исключением К+) проникают через мембрану пассивно, путём диффузии, анионы, а также К+ (при низких концентрациях) - активно, с помощью молекулярных «ионных насосов», транспортирующих ионы с затратой энергии. Скорость активного транспорта ионов зависит от обеспеченности клетки углеводами и интенсивности дыхания, скорость пассивного поглощения - от проницаемости биологических мембран, разности концентраций и электрических потенциалов между средой и клеткой. Проницаемость мембраны для разных ионов неодинакова. Так, для катиона К+ она в 100 раз выше, чем для Na+, и в 500 раз выше, чем для анионов. Поглощённые ионы передвигаются от клетки к клетке через соединяющие их цитоплазматические перемычки - плазмодесмы. У высших растений в корне и стебле имеется специальная сосудистая система для транспорта минеральных веществ и их органических соединений (синтез которых частично происходит и в корне) в листья. По мере старения нижних листьев некоторые минеральные вещества оттекают из них в растущие органы растения, где могут использоваться повторно.

Физиологическое значение макроэлементов

В растительном организме все процессы тесно взаимосвязаны. Исключение из питательной среды какого-либо необходимого элемента быстро вызывает изменение во многих, если не во всех, процессах метаболизма. В связи с этим выделить первичный эффект бывает чрезвычайно трудно. Это относится в первую очередь к тем питательным элементам, которые не входят в состав определенных органических веществ, а играют скорее регуляторную или какую-то иную роль. В общем виде можно сказать, что питательные элементы имеют следующее значение:

1) входят в состав биологически  важных органических веществ;

2)участвуют в создании определенной ионной концентрации,     стабилизации макромолекул и коллоидных частиц (электрохимическая роль);

3) участвуют в каталитических реакциях, входя в состав или активируя отдельные ферменты. Во многих случаях один и тот же элемент может играть разную роль. Некоторые элементы выполняют все три функции.

Биологическая роль элементов минерального питания.

Классификация элементов минерального питания, основанная на их функциональной роли.

Азот.

Начнем с такого чрезвычайно важного для жизни растений вещества, как азот. Этот элемент является основой для создания белков растений, необходимых для их роста и размножения. При разложении органических веществ, которые в исходном состоянии растения усвоить не могут, образуются аминокислоты, но их усвоение растениями также очень затруднено. Тогда в дело вступают бактерии, обитающие в грунте. Они перерабатывают органические вещества в амины, нитриты и нитраты. Эти соединения растения легко извлекают из воды и грунта и усваивают. Азот входит в состав аминокислот, из которых состоят молекулы белка. Также он входит в состав хлорофилла, участвующего в фотосинтезе растений, и ферментов. Азотное питание сказывается на росте и развитии растений, при его недостатке растения слабо развивают зеленую массу, плохо ветвятся, их листья мельчают и быстро желтеют, цветки не раскрываются, засыхают и опадают. Источником азота для питания растений могут служить соли азотной и азотистой кислоты, аммоний, карбамид (мочевина).

Сера. Сера усваивается растениями только в окисленной форме—в виде аниона SCV. В растении основная масса аниона сульфата восстанавливается до —SH и —S—S— групп. В виде таких группировок сера входит в состав некоторых аминокислот и белков. Сера входит также в состав ряда ферментов, в том числе ферментов, участвующих в процессе дыхания. Таким образом, соединения серы играют важную роль в процессах обмена веществ и энергии.

Часть серы находится, а клеточном соке в виде сульфат-иона. При распаде серосодержащих соединений в присутствии кислорода происходит окисление восстановленной серы до сульфата. При отмирании корня в условиях, когда ему не хватает кислорода, серосодержащие соединения распадаются с образованием сероводорода, который ядовит для корня. Это одна из причин быстрой гибели корневой системы при затоплении ее и недостатке кислорода. Недостаток серы в питательном растворе наблюдается редко. При недостатке серы, так же как и при недостатке азота, начинается разрушение хлорофилла, но первыми испытывают недостаток серы верхние листья.

Фосфор. Фосфор усваивается растениями в окисленной форме в виде солей фосфорной кислоты. Фосфор входит в состав сложных белков — нуклеопротеидов, важнейших веществ ядра и цитоплазмы. Фосфор входит также в состав фосфатидов и жироподобных веществ, играющих большую роль в образовании поверхностных мембран клетки, в состав ряда ферментов, многих физиологически активных соединений. Он играет огромную роль в процессах гликолиза и аэробного дыхания.   Освобождающаяся в этих процессах энергия накапливается в виде богатых энергией фосфатных связей; эта энергия используется для синтеза самых различных веществ.

Фосфор принимает участие и в таком важном процессе жизнедеятельности растений, как фотосинтез. Фосфорная кислота в растении не восстанавливается, а связывается с органическими веществами, образуя фосфорные эфиры. Если фосфор в окружающей среде содержится в изобилии, то он накапливается в клеточном соке в виде минеральных солей, которые являются запасным фондом фосфора. Благодаря буферным свойствам соли фосфорной кислоты регулируют также кислотность содержимого клетки, поддерживая ее на благоприятном уровне. Фосфор особенно необходим в ранние периоды жизни растений. При отсутствии фосфора в начале жизни и при последующей подкормке растения фосфорными солями, листья растений некоторое время страдают из-за усиленного поступления фосфора и нарушенного в связи с этим азотного обмена. Вот почему особенно необходимо с первых дней жизни обеспечить растению хорошее условие фосфорного питания.

Катионы К+, Са2+ и Мg2+ усваиваются из любых растворимый солей, анионы которых не обладают токсическим действием. Доступными они являются и находясь в поглощенном состоянии, т. е. связанные с каким-нибудь нерастворимым веществом, обладающим ясно отраженными кислотными свойствами. Попав в растения, калий и кальций в своей массе не претерпевают никаких химических превращений, но они необходимы для питания. Их нельзя заменить другими элементами, как нельзя ничем заменить азот, фосфор и серу.

Основная физиологическая роль ионов калия, кальция и магния, состоит в том, что, адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц протоплазмы, они создают вокруг них определенные электростатические силы. Эти силы играют немаловажную роль в создании структуры живого вещества, без которой не могут происходить ни согласованная деятельность ферментов, ни синтез клеточных веществ. Ионы удерживают вокруг себя различное количество молекул воды, в результате чего объем иона является неодинаковым. Неодинаковы и силы, удерживающие ион на поверхности коллоидной частицы. Ион кальция имеет наименьший объем — он с большей силой удерживается на поверхности коллоидов. Ион калия имеет наибольший объем, в силу чего образует менее стойкие адсорбционные связи и может быть вытеснен ионом кальция. Ион магния занимает промежуточное положение.

Поскольку, адсорбируясь, ионы стремятся удержать свою водяную оболочку, то они определяют оводненность и водоудерживающую силу коллоидов. При наличии калия водоудерживающая способность ткани увеличивается, при наличии кальция — понижается. Таким образом, решающим в создании определенных внутренних структур является соотношение катионов, а не только их абсолютное содержание.

Калий. Калий в растениях содержится в больших количествах, чем любой другой катион, особенно в их вегетативных частях. Основная масса калия сосредоточена в клеточном соке. В молодых клетках, богатых протоплазмой, значительная часть калия находится в адсорбированном состоянии. Калий оказывает большое влияние на коллоиды плазмы, он повышает их гидро-фильность (разжижает плазму). Калий является также катализатором ряда синтетических процессов: как правило, он катализирует синтез высокомолекулярных веществ из более простых, способствует синтезу сахарозы, крахмала, жиров, белков, При недостатке калия процессы синтеза нарушаются, и в растении скапливаются глюкоза, аминокислоты и продукты распада других высокомолекулярных соединений. При недостатке калия на нижних листьях появляется краевой запал — края листовой пластинки отмирают, листья приобретают характерную куполообразную форму, на листьях появляются коричневые пятна. Образование коричневых пятен (некрозов) связано с нарушением азотного обмена и образованием в тканях трупного яда — путресцина.