Научная статья на тему 'Изменение количества макроэлементов в пшенице под действием различных форм железа с гуминовыми кислотами'

Изменение количества макроэлементов в пшенице под действием различных форм железа с гуминовыми кислотами Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
173
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЖЕЛЕЗО / СВИНЕЦ / КАДМИЙ / МЫШЬЯК / НАНОЧАСТИЦЫ / ГУМИНОВЫЕ КИСЛОТЫ / ПШЕНИЦА / IRON / LEAD / CADMIUM / ARSENIC / NANOPARTICLES / HUMIC ACIDS / WHEAT

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Лебедев Святослав Валерьевич, Осипова Елена Александровна, Сальникова Елена Владимировна

Статья посвящена исследованию изменения элементного состава растения Triticum vulgare Vill под воздействием сферических наночастиц железа Fe0 (диаметром 80±5 нм) и наночастиц магнетита Fe3O4 (шириной 50-80 нм и высотой 4-10 нм), а также растворов сульфата железа (II) и сульфата железа (III) в присутствии гуминовых кислот. Выявлено, что содержание калия под действием наночастиц и ионных форм находится примерно на одном уровне с контролем. Однако, в условиях нехватки питательных элементов на 21 день количество калия увеличивается на 25 % (22393±4479 мкг/г) при воздействии магнетита в количестве 0,01 г/л по железу и на 20 % (21738±4348 мкг/г) под действием наночастиц железа в количестве 0,0001 г/л по сравнению с контролем (17752±3550 мкг/г). Наночастицы железа Fe0 на 21 день уменьшают количество магния при концентрациях 0,1 и 0,01 г/л на 27 % и 12 % соответственно, при концентрации 0,001 г/л содержание магния находится на одном уровне с контролем (2957±443 мкг/г), а при концентрации 0,0001 г/л увеличивают количество этого элемента на 10 % (3266±490 мкг/г). Под воздействием всех форм железа и концентраций количество фосфора изменяется аналогично контрольному опыту и составляет 4967±993мкг/г, 7154±1431 мкг/г, 9943±1989 мкг/г на 7, 14 и 21 день соответственно. Таким образом, наноформы железа можно использовать для повышения устойчивости пшеницы Triticum vulgare Vill на обедненных почвах в условиях недостатка питательных элементов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Лебедев Святослав Валерьевич, Осипова Елена Александровна, Сальникова Елена Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CHANGING THE QUANTITY OF ELEMENTS IN WHEAT TRITICUM VULGARE VILL. BY DIFFERENT FORMS OF IRON WITH HUMIC ACID

There is the prospect of using nanoiron as plant growth stimulants. Literature data on the effects of fine particles of iron on the elemental composition of plant species TriticumvulgareVill (soft wheat) inadequate, moreover, virtually no study the interaction of these particles with natural sorbents humic acids, which control the bioavailability and transport elements in natural objects. Therefore, this article examines the change of elemental composition plants TriticumvulgareVill under the influence of the spherical iron nanoparticles Fe0 (diameter of 80 ± 5 nm) and nanoparticles of magnetite Fe3O4 (50-80 nm in width and a height of 4-10 nm), as well as solutions of iron sulfate (II) sulfate and iron (III) in the presence of humic acids. It was revealed that the potassium content under the influence of nanoparticles and ionic forms is about on par with the control. However, the shortage of nutrients for 21 days the amount of potassium is increased by 25% (22393 ± 4479 mkg / g) under the action of magnetite in an amount of 0.01 g / l of iron and 20% (21738 ± 4348 mkg/g) under action of nanoparticles of iron in an amount of 0.0001 g / l as compared to controls (17752 ± 3550 mkg/g). Nanoparticles of Fe0 iron on day 21 reduces the amount of magnesium at concentrations of 0.1 and 0.01 g / l at 27% and 12%, respectively, at a concentration of 0.001 g / l magnesium content is on par with the control (2957 ± 443 mkg/g) and at a concentration of 0.0001 g / L of this element increases the amount of 10% (3266 ± 490 mkg/g). Under the influence of all forms of iron and phosphorus concentration varies similarly control experiments and is 4967 ± 993mkg / g, 7154 ± 1431 mkg/g, 9943 ± 1989 mkg/g at 7, 14 and 21 respectively. Thus, nano forms of iron can be used to enhance the stability of wheat TriticumvulgareVill on depleted soils in a lack of nutrients.

Текст научной работы на тему «Изменение количества макроэлементов в пшенице под действием различных форм железа с гуминовыми кислотами»

УдК 574.24

Лебедев С.В., Осипова Е.А., Сальникова Е.В.

Оренбургский государственный университет E-mail: kudryavceva.elen@mail.ru

ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА МАКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПШЕНИЦЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ЖЕЛЕЗА С ГУМИНОВЫМИ

КИСЛОТАМИ

Статья посвящена исследованию изменения элементного состава растения Triticum vulgare Vill под воздействием сферических наночастиц железа Fe0 (диаметром 80±5 нм) и наночастиц магнетита Fe304 (шириной 50-80 нм и высотой 4-10 нм), а также растворов сульфата железа (II) и сульфата железа (III) в присутствии гуминовых кислот.

Выявлено, что содержание калия под действием наночастиц и ионных форм находится примерно на одном уровне с контролем. Однако, в условиях нехватки питательных элементов на 21 день количество калия увеличивается на 25 % (22393±4479 мкг/г) при воздействии магнетита в количестве 0,01 г/л по железу и на 20 % (21738±4348 мкг/г) под действием наночастиц железа в количестве 0,0001 г/л по сравнению с контролем (17752±3550 мкг/г). Наночастицы железа Fe0 на 21 день уменьшают количество магния при концентрациях 0,1 и 0,01 г/л на 27 % и 12 % соответственно, при концентрации 0,001 г/л содержание магния находится на одном уровне с контролем (2957±443 мкг/г), а при концентрации 0,0001 г/л увеличивают количество этого элемента на 10 % (3266±490 мкг/г). Под воздействием всех форм железа и концентраций количество фосфора изменяется аналогично контрольному опыту и составляет 4967±993мкг/г, 7154±1431 мкг/г, 9943±1989 мкг/г на 7, 14 и 21 день соответственно.

Таким образом, наноформы железа можно использовать для повышения устойчивости пшеницы Triticum vulgare Vill на обедненных почвах в условиях недостатка питательных элементов.

Ключевые слова: железо, свинец, кадмий, мышьяк, наночастицы, гуминовые кислоты, пшеница.

Сельскохозяйственные земли, систематически обрабатываются, перепахиваются и используются под посевы сельскохозяйственных культур. Со временем количество питательных элементов в них снижается, а количество тяжелых металлов, поступающих в окружающую среду, постоянно возрастает вследствие развития промышленности.

Использование микроэлементов в качестве стимуляторов роста растений ограничивается существующими предельно-допустимыми концентрациями (ПДК), а также опасностью загрязнения окружающей среды [15].

В последние время в качестве микроудобрений активно используют такую форму соединений как нанокристаллические порошки металлов [1, 2].

Использование нанопорошков железа как биостимуляторов свидетельствует об их перспективности, так как железо является биогенным элементом и принимает участие в окислительных процессах, а так же входит в состав ферментов [5, 16].

Содержание железа в почвах варьируется в пределах 2-3 % от ее массы. Однако большая часть минеральных соединений железа находится в почвах в недоступной форме, так как

железо образует наиболее прочные комплексы с гуминовыми кислотами [3, 4].

В ионном виде внесение железа в почву не приводит к ожидаемому биологическому эффекту, что связано с быстрым его переходом в окисленную форму - недоступную для растений. В связи с выявленной биологической активностью соединений железа наиболее эффективными методами повышения урожайности культурных растений является фолиарная подкормка растворами органических (в основном хелатов) или неорганических соединений железа. В настоящее время актуальным вопросом является использование различных форм железа (наноформа и ионная) для улучшения посевных качеств семян и повышения урожайности [2, 7].

Существующих литературных данных о влиянии мелкодисперсных частиц железа в сравнении с ионными формами на элементный состав растения вида ТгШситуи^агеУШ (пшеница мягкая) недостаточно [11-14], кроме того, практически не изучено взаимодействие этих частиц с природными сорбентами - гуминовы-ми кислотами, которые контролируютбиодо-ступность и транспорт элементов в природных объектах.

Таким образом, целью исследования явилось сравнительное изучение биологической активности наночастиц и ионных форм железа в присутствии гуминовых кислот в тесте прорастания семян пшеницы ТгШситуи^агеУШс оценкой изменения количества макроэлементов в растительной массе.

Объекты и методы исследования

Объектом воздействия различных форм железа являлись семена озимой пшеницы ТгШситуи^агеУШ. не обработанные протравителями. Предназначенные для проращивания семена предварительно прогревали при температуре 34 °С в течение 7 суток в термостате [8].

При проведении исследования использовали водные растворы гуминовых кислот (ГК), выделенных из бурого угля Тюльганского месторождения [9], растворы сферических наночастиц железа Fe0 (диаметром 80±5 нм) (Институт энергетических проблем химической физики РАН, Россия), сульфата железа (II) и сульфата железа (III), а также водные растворы синтезированных наночастиц магнетита Fe3O4, которые имеют слегка сплющенную шарообразную форму шириной от 50 до 80 нм и высотой от 4 до 10 нм [6].

Суспензию растворов используемых веществ готовили, растворяя определенную навеску в дистиллированной воде и обрабатывая их ультразвуком в течение 15 минут. Более разбавленные растворы получали разбавлением дистиллированной водой.

Приготовленные растворы брали в соотношении ГК : С^е) от 1 : 0 до 1 : 0,1 с пошаговым увеличением концентрации железа в 10 раз.

Контрольные образцы растений выращивали в водной среде с ГК (1 г/л) без добавления железа. Подготовленные таким образом опытные и контрольные пробы оставляли при комнатной температуре на проращивание. По-вторность опыта трехкратная.

Определение элементного состава растений проводили на седьмые, четырнадцатые и двадцать первые сутки эксперимента.

Содержание калия, магния и фосфора определяли в лаборатории АНО «Центр биотической медицины», г. Москва, аккредитованной в Федеральном центре Госсанэпиднадзора при МЗ РФ

(аттестат аккредитации ГСЭН. RU^OA.311), методами атомной эмиссионной спектрометрии с индукционно связанной аргоновой плазмой (АЭС - ИСП) и масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой (МС -ИСП) на приборах Optima 2000 DV и Elan 9000 (PerkinElmer, США). Статистическая обработка результатов проводилась с использованием программы MicrosoftExcel, включая описательную статистику, оценку достоверности различий по Стьюденту.

Результаты исследования

и их обсуждение

Анализ данных по количеству поглощенных макроэлементов растениями вида TriticumvulgareVill показал, что в течение времени в зависимости от количества внесенного железа и его формы происходит изменение содержания калия, магния и кальция в надземной части растения.

Содержание калия под действием нано-частици ионных форм находится примерно на одном уровне с контролем. Однако в условиях нехватки питательных элементов на 21 день количество калия увеличивается на 25 % (22393±4479 мкг/г) при воздействии магнетита в количестве 0,01 г/л по железу и на 20 % (2173 8±4348) под действием наночастиц железа в количестве 0,0001 г/л по сравнению с контролем (17752±3550) (рис. 1).

Калий в растениях выполняет роль стабилизатора водного режима. Калий способствует поддержанию оводненности тканей, оптимизации сосущей силы корней, уравновешиванию темпов дыхания и фотосинтеза. В результате растения, обеспеченные калием, становятся более устойчивыми к избытку и недостатку влаги, повышенным и пониженным температурам [10]. Таким образом, растения, выращенные под действием наночастиц железа в количестве 0,0001 г/л и магнетита в количестве 0,01 г/л, будут более устойчивы к неблагоприятным погодным условиям. Количество магния с течением времени в растениях возрастает и находится примерно на одном уровне (рис. 2).

К 21 дню под действием ионных форм железа (0,001 г/л) происходит снижение количества магния на 28 % (2107±316 мкг/г) - 40 % (1721±258 мкг/г) по сравнению с контролем

(2957±443 мкг/г). Наночастицы железа Fe0 на 21 день уменьшают количества магния при концентрациях 0,1 и 0,01 г/л на 27 % и 12 % соответственно, при концентрации 0,001 г/л содержание магния находистя на одном уровне с контролем (2957±443 мкг/г), а при концентрации 0,0001 г/л увеличивают количество этого элемента на 10 % (3266±490 мкг/г).Наночасти-цы магнетита практически не влияют на изменение количества магния в растениях.

Недостаток магния тормозит синтез азотсодержащих соединений, особенно хлорофилла. Внешним признаком недостаточности этого элемента является хлороз листьев.

В процессе развития растения количество фосфора возрастает (рис. 3). Под воздействием всех форм железа и концентраций количество фосфора изменяется аналогично контрольному опыту и составляет 4967±993мкг/г, 7154±1431 мкг/г, 9943±1989 мкг/г на 7, 14 и 21 день соответственно.

Особенно чувствительны к недостатку фосфора растения в начальных фазах роста и развития, когда их корневая система обладает слабой усвояющей способностью. Замечено, что в начальные стадии развития сельскохозяйственные культуры интенсивнее поглощают фосфаты, чем в последующие периоды роста.

Оптимальное фосфорное питание в начальный период роста и развития растений способствует развитию корневой системы - она глубже проникает в почву и лучше ветвится, что улучшает снабжение растений влагой и питательными элементами. Фосфор способствует более экономному расходованию влаги. Это имеет особенно большое значение в засушливые периоды.Из внешних признаков при недостатке фосфора наблюдается скручивание краев листовой пластинки, грязно-зеленая, более темная окраска листьев. При недостатке фосфора кроме более темной окраски листьев вследствие образования антоциана нередко появляются еще красноватые и фиолетовые тона, в особенности у основания стеблей, на влагалищах листьев и черешках. От недостатка фосфора больше страдают более старые -нижние листья.

При нехватке фосфора в растениях больше накапливается нитратов, что связано с важным значением соединений типа НАД и НАДФ при восстановлении нитратов. Фосфор снижает токсичность алюминия, марганца и железа. Благодаря тому, что фосфор связывает подвижный алюминий почвы, фиксирует его в корневой системе, улучшается углеводный и азотный обмен в растениях [10].

Рисунок 1. Содержание калия (мкг/г) в надземной части сухого растения TriticumvulgareViИ на 7, 14 и 21 сутки в зависимости от различного количества внесенных форм железа

Рисунок 2. Содержание магния (мкг/г) в надземной части сухого растения TriticumvulgareViИ на 7, 14 и 21 сутки в зависимости от различного количества внесенных форм железа

Рисунок 3. Содержание фосфора (мкг/г) в надземной части сухого растения TriticumvulgareViИ на 7, 14 и 21 сутки в зависимости от различного количества внесенных форм железа

Выводы

Таким образом, проникновение железа зависит от его концентрации и формы, что и определяет доступ в корневую систему растения. Избыток элементов может возникнуть вследствие антагонистических взаимодействий с железом и в условиях нехватки питательных элементов. Наноформы железа в целом оказывают большее положительное воздействие на растения, чем ионные формы, увеличивая количество калия

и магния в условиях недостатка питательных элементов.Количество фосфора не изменяется под воздействием различных форм железа и остается на уровне контроля.

Растения, выращенные под действием наночастиц железа, будут более устойчивы к неблагоприятным условиям произрастания, накапливая такие необходимые макроэлементы как калий и магний.

19.05.2015

Работа выполнена в рамках Государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на проведение научно-исследовательских работ

(шифр заявки № 342).

Список литературы:

1. Чурилов Г.И., Сушилина М.М. Нанокристаллические металлы как экологически чистые микроудобрения // Экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты современных мелиоративных технологий: сб. науч. тр. вып. 3. Рязань, 2008, с. 84-86.

2. Виноградов, Д. Использование нанокристаллического металла железа для предпосевной обработки семян рапса / Д. Виноградов, П. Балабко // Главный агроном. - 2011. - № 2. -С. 31-33.

3. Манская, С.М. Геохимия органического вещества / С.М. Манская, Т.В. Дроздова. - М. : Наука, 1964. - 314 с.

4. Перминова, И.В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот: дисс. ... д-ра хим. наук. - М. 2000. - 359 с.

5. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас : пер. с англ. - М. : Мир, 1989. - 439 с.

6. Кудрявцева, Е.А. Влияние различных форм железа на прорастание семян Triticumaestivum L. / Е.А. Кудрявцева, Л.В. Анилова, С.Н. Кузьмин, М.В. Шарыгина // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013. - № 6 (155). - С. 46-48.

7. Влияние высокодисперсных частиц различной природы на ранние стадии онтогенеза растений рапса (Brassicanapus) / А.А. Гусев, [и др.] // Науковедение. - Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУ-ПИТ) - 2013. - №5. - С.1-17.

8. ГОСТ 12038-84 Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 56 с.

9. Орлов, Д.С. Практикум по химии гумуса / Д.С. Орлов, Л. А. Гришина. - М.: Изд-во МГУ, 1981. - 272 с.

10. Ермакова, И.П. Физиология растений / И.П. Ермакова. - М.: ACADEMA, 2005. - С. 408 - 410.

11. Лебедев, С. В. Оценка влияния наночастиц железа Fe0, наночастиц магнетита Fe3O4 и сульфата железа (II) FeSO4 на содержание фотосинтетических пигментов Triticumvulgare / С. В. Лебедев, А. М. Короткова, Е. А. Осипова // Физиология растений. - 2014. - № 4 (61). - С.600-606. ИФ РИНЦ = 0,657

12. Лебедев, С.В. Оценка влияния гуминовых железосодержащих комплексов на морфометрические показатели растений вида TriticumvulgareVill / Лебедев С.В., Е.А. Осипова, С.Н. Кузьмин, М.В. Шарыгина, И.Р. Кудакаев // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук : материалы XVI международной научно-практической конференции 9 октября 2013 г. / Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований», - М.: Спецкнига, 2013. - С. 14-17.

13. Осипова, Е.А. Изменение количества меди в пшенице под действием наноформ железа с гуминовыми кислотами / Е.А. Осипова, Р.Д. Сивожелезова, О.А. Копылова // Евразийский Союз Ученых. - 2014, - № 9, - С. 61-63.

14. Лебедев, С.В Изменение количества калия в пшенице Triticumvulgarevill под действием различных форм железа с гуминовыми кислотами / С.В. Лебедев, Е.А. Осипова, С.А. Женеев, Е.А. Аркушенко // Евразийский Союз Ученых - 2014, - Ч. 3, -С. 70-72.

15. Серегина И. И. Возможность применения регуляторов роста для снижения негативного действия кадмия на рост, развитие и продуктивность яровой пшеницы / И.И. Серегина // Агрохимия. - 2004. - №1. - С. 71-74.

16. Пахомова В.М., Бунтукова Е.К., Фомина Н.М., 2010. Фотосинтетическая деятельность и урожайность яровой пшеницы сорта Мис при некорневой обработке хелатным Fe-содержащим микроудобрением // Вестник Казанского гос. Аграрного университета. Том. 16. №2. С. 146-152.

Сведения об авторах:

Лебедев Святослав Валерьевич, заведующий лабораторией сельскохозяйственной биоэлементологии Института биоэлементологии Оренбургского государственного университета, доктор биологических наук,

e-mail: lsv74@list.ru

Осипова Елена Александровна, старший преподаватель кафедры химии Оренбургского государственного университета, e-mail: kudryavceva.elen@mail.ru

Сальникова Елена Владимировна, заведующий кафедрой химии Оренбургского государственного университета, кандидат химических наук, доцент, e-mail: salnikova_ev@mail.ru

460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.