CC BY
143
УДК 633.63: 631.816 + 635
ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ И МЕЛАФЕНА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КАЧЕСТВА КОРНЕПЛОДОВ
САХАРНОЙ СВЁКЛЫ
Костин Владимир Ильич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой «Биология, химия, ТХППР»
Исайчев Виталий Александрович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры «Биология, химия, ТХППР»
Ошкин Владимир Александрович, аспирант кафедры «Биология, химия, ТХППР» ФГБОУ ВПО « Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина» 432017, Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1 тел.: +79084787387, e-mail: [email protected]
Ключевые слова: антагонизм, синергизм, аддитивность, сахаристость, калий, кальций, доброкачественность сока, взаимодействие ионов, микроэлементы, сахарная свёкла, ионное равновесие, анионное взаимодействие.
Изучено взаимодействие (антагонизм, синергизм, аддитивность) бора смелафеном, а также регулятора роста мелафена с микроэлементами при применении внекорневой подкормки в технологии возделывания сахарной свёклы на основе выведенных авторами эмпирических формул и строения атомов с их электронной конфигурацией. Установлено физиологическое усиление бора мелафеном, а также синергизм между микроэлементами d-электронного семейства и совместно с мелафеном на основные показатели качества корнеплодов (сахаристость и доброкачественность сока).
Введение
Кроме воды, поглощаемой из почвы, и органических соединений, образующихся в процессе фотосинтеза, зелёному растению необходимы элементы минерального питания. В растительном организме микроэлементы выполняют различные функции, особенно структурные, а также вовлекаются в действие специфических ферментов, регулирующих важные аспекты метаболических процессов клетки [1]. Минеральные вещества обычно накапливаются в тех клетках, где в них возникает потребность, такая избирательность регулируется клеточными мембранами с различной проницаемостью, учитывая и взаимодействие ионов, так как некоторые ионы могут влиять на поглощение и транспорт других ионов. Установлено, что повышение концентрации Rb+ во внешнем растворе снижает поглощение К+, и наоборот, С1- и Вг- также действуют как взаимные антагонисты. Наличие натрия, напротив, оказывает незначительное влияние на поглощение Rb+, но снижает поглощение Zn2+ [2]. По-видимому, определённые груп-
пы ионов «конкурируют» за специфические участки локализованного в мембране переносчика. Иногда поглощение избирательного иона может предотвратить вредные влияния, обусловленные избыточным поглощением другого иона. Доказано, что К+ и другие одновалентные катионы имеют тенденцию уменьшать вязкость цитоплазмы и увеличивать текучесть и проницаемость мембран, тогда как двухвалентные катионы, например, Са2+, оказывают противоположное влияние [3].
Поэтому из-за таких взаимодействий для корректировки применения удобрений, особенно микроэлементов, следует учитывать явление антагонизма, синергизма и аддитивности ионов в солевых растворах.
Антагонисты ионы могут поступать в почву, повышая ионное равновесие или снижая его, учитывая соотношение ионов-антагонистов. Сбалансированность почвенного раствора связана и с синергизмом ионов (явление противоположное антагонизму ионов) - ион какого-то минерального элемента мало активен, если нет какого-то
другого, улучшающего его активность. Ио-ны-синергисты усиливают в паре каждый -положительное действие связанного иона, в связи с тем, что в растениях могут происходить различные физиолого-биохимические процессы, которые связаны с явлениями положительного и отрицательного антагонизма, синергизма, аддитивности и различных факторов химической и физической природы. Отрицательный синергизм проявляется тогда, когда отравляющее действие одной соли усиливается отрицательным действием другой. Уравновешенность связана с аддитивностью ионов, т.е. с их суммарным коагулирующим действием, которое связано с их заполнением. По-видимому, это происходит чаще в случае близкой валентности и соседнего положения в лиотропных рядах ионов-коагулянтов, т.е. в элементах побочных подгрупп с близким, почти одинаковым ионным радиусом.
Объекты и методы исследований Для изучения антагонизма, синергизма и аддитивности более 20 лет проводятся лабораторные, вегетационные и полевые опыты на различных сельскохозяйственных культурах с применением регуляторов роста, минеральных удобрений и других факторов на физиологические показатели растений. Микроэлементы определяли на атомно-абсорбционном спектрометре «Спектр-5-4», сахарозу - на современном проточном поляриметрическом сахариметре АП-05, доброкачественность нормального сока - в заводской лаборатории Ульяновского сахарного завода.
Для оценки взаимодействия ионов и других факторов предлагаем эмпирические формулы:
Эф (ДФгхДФ2) > Эф (ДФг + ДФ2), (1) где Эф - эффект от суммы факторов, Д - доза (концентрация), Ф - фактор.
Возможна ситуация, когда эффект при действии от доз (концентраций) изучаемых факторов сочетается следующим образом Эф (ДФ1 + ДФ2) = Эф (ДФ1 + ДФ2), (2) Эф (ДФ1 х ДФ2) = Ф1 (ДФ1) + Ф2 (ДФ2) - Ф1 (ДФ1) • ф2 (ДФ2). (3)
Как следует из 2-й формулы, в первом случае (2) факторы действуют аддитивно на
уровне доз (концентраций), а во втором (3) независимо на уровне механизмов. На основании трёх вышеуказанных формул представлена универсальная формула для определения коэффициента взаимодействия.
где Квз - коэффициент взаимодействия,
2 - эффект от суммы факторов, Д - доза или концентрация используемого вещества,
Ф1Ф2Ф3 - действие изолируемых факторов.
Результаты исследований
В настоящее время в отечественной и
зарубежной литературе лишь частично раскрыты термины и теоретические положения о взаимодействии ионов, механизме их действия. Только [4, 5, 6] рассматривается
антагонизм ионов для одно- и двухвалентных элементов первой группы главной подгруппы и показано, что для нормального роста растений необходимо определённое сочетание солей одно- и двухвалентных катионов. Автором [7] указывается, что в явлении антагонизма действие ионов зависит от их валентности, представлены определения синергизма и аддитивности, схема данных взаимодействий, но не описаны их причины. Установлено, что чем выше валентность данного иона, тем в меньшей степени концентрации проявляется его антагонистическое действие, а при переменной валентности следует учитывать не валентность, а степень окисления, так, Мп2+ - можно применить понятие марганец двухвалентен, а если Мп7+, то в данном случае марганец со степенью окисления плюс семь, т.к. в природе такого иона нет, а есть Мп04-. Определено, что синергетическое действие солей заключается в том, что одна из них усиливает действие другой, а аддитивность наблюдается при осмосе: если соли не влияют на электрическую диссоциацию, следует правильно рассматривать электролитическую диссоциацию компонентов, то есть осмотическое давление равно сумме парциальных осмотических давлений солей, входящих в смесь, поэтому данные физиологические процессы нельзя отождествлять с понятием
Таблица 1
Влияние бора и мелафена на урожайность и качество корнеплодов сахарной свёклы
(2011-2013 гг.]
Вариант Урожайность, т/га Сахаристость, % Доброкачественность сока, у.е. Вероятный выход сахара, т/га
Контроль 48,2 16,46 84,4 7,86
Мелафен 50,6 17,03 85,1 8,56
Бор 52,6 16,97 85,0 8,93
Мелафен + Бор 55,1 17,66 86,0 9,76
НСР05 для урожайных данных:
НСР05 Фактор А - Мелафен 2011 - 2,37; 2012 -1,74; 2013 - 2,64. НСР05 Фактор Б - Бор 2011 - 2,37; 2012 -1,74; 2013 - 2,64.
Таблица 2
Коэффициенты синергизма мелафена с бором на показатели урожайности и качества корнеплодов сахарной свёклы (2011-2013 гг.)
Показатель 2011 г. 2012 г. 2013 г. Средний показатель
Урожайность, т/га 0 0 0,14 0,02
Сахаристость, % 0 0,8 0,20 0,10
Доброкачественность сока, у.е. 0,21 0,44 0 0,18
Выход сахара, т/га 0 0 0,15 0,6
сложения эффектов, т.е. аддитивности [8, 9].
В связи с этим утверждаем, что изучаемые явления связаны не только с валентностью, но и с электронным строением атомов и ионов, т.е. с электронной конфигурацией, а также с распределением электронов по энергетическим уровням и подуровням, с этим связаны и химические свойства элементов и их соединений.
Учитывая, что калий и кальций относятся к s-семейству, валентные электроны находятся на s-подуровне К ^^22р^23р^; Са ^^22р^23р^2, т.е. у элементов данного семейства валентность совпадает с электронами внешнего энергетического уровня, поэтому эти элементы являются антагонистами.
Для элемен-
тов d-семейства характерно заполнение 3d-энергетического подуровня от скандия до цинка четвёртого периода и от иттрия до кадмия 4d-энергетического подуровня, у них происходит d-сжатие, при этом радиус атома у них почти не меняется, они чаще всего все двухвалентные, ионы как бы заполняют друг друга, например, Мп, Тс, Re радиусы атомов 1,30 А, 1,36 А и 1,37 А. Аналогичная картина у всех остальных элементов d-семейства. В связи с этим химические свойства элементов и их соединений очень сходны, для них характерно не только взаимное усиление, но и взаимозаменяемость, поэтому они проявляют аддитивный или си-нергетический характер [10].
Дать оценку взаимодействия между микроэлементами в растениях очень сложно, особенно в почве, так как корневые системы растений выделяют не только органические кислоты, но и минеральные вещества, и проследить данные физиологические процессы практически не представля-
О
рГрГОН
н
Рис. 1. Анион фосфиновой кислоты
ется возможным [11, 12].
Многими авторами не наблюдается синергетического взаимодействия между микроэлементами [13], следует отметить, что в результате наших многолетних исследований на различных сельскохозяйственных культурах установлено противоположное, в связи с тем, что практически все микроэлементы являются d-элементами со сходной электронной конфигурацией. Данные элементы являются ключевыми в физиологии и биохимии растений, они являются кофакторами всех шести групп ферментов.
Для изучения взаимодействия элементов побочных подгрупп применяли внекорневые подкормки, особенно для элементов, которые в растениях не реутилизуются, т.е. повторно не используются.
Для элементов р-семейства, где происходит заполнение р-энергетического подуровня, их соединения с высшей степенью окисления проявляют кислотный характер, предлагаем анионное взаимодействие. Об этом свидетельствуют наши трёхлетние исследования по применению мелафена и борной кислоты в качестве внекорневых подкормок [14, 15, 16].
При указанном способе внесения элементы быстро включаются в метаболические процессы в растениях сахарной свёклы. Результаты исследований приведены в табл. 1 и 2.
Данные показывают, что взаимодействие по всем показателям происходит на уровне аддитивности в шести случаях, коэффициент синергизма равен нулю, это указывает на то, что физиологическое усиление происходит на уровне аддитивности, т.е. сложение эффектов. В десяти случаях физиологические процессы протекали на уровне усиления одного фактора другим, т.е. синергизма и наблюдается взаимодействие аниона фосфиновой кислоты (рис. 1) и борной кислоты (Н3В03), т.е. за счёт фосфора и бора, которые входят в состав данных соединений (анионов). Имея сходные электронные конфигурации, они относятся в периодической системе к р-электронному семейству Бор - (рис. 2), Фосфор ^^22р^23р3
(рис. 3) [17].
2р| 0 И п п
¡Л Рис. 2. Электронно - графическая формула бора
3с1
Зр
Зз
2р 1Ш'
Í Рис. 3. Электронно - гра-
фическая формула фосфора
Исследования показывают, что для элементов с переменной степенью окисления, проявляющих в соединениях высшую степень окисления, характерно анионное взаимодействие.
Основными показателями качества корнеплодов при переработке на сахарном заводе является сахаристость и доброкачественность нормального и очищенного сока. Исследования доказывают, что внекорневая подкормка агроценоза сахарной свёклы микроэлементами-синергистами в сочетании с регулятором роста нового поколения мелафеном способствует улучшению биохимических показателей за счёт повышения содержания сахарозы и улучшению доброкачественности сока, в среднем сахаристость повышается на 0,1-1,7%, а доброкачественность сока под действием используемых факторов увеличивается с 85,4 до 88,4 у.е. (табл. 3). Данный показатель связан с содержанием сахарозы: чем больше сахарозы, тем лучше и доброкачественность сока. За счёт этих показателей сахар меньше будет переходить в мелассу, т.к. технологические качества определяются количеством сахара, переходящим в растворимую часть несахаров, в результате увеличится и валовой сбор сахара с единицы площади.
Нами изучен вопрос о взаимном влиянии используемых факторов на сахаристость и доброкачественность сока (табл. 3). При взаимодействии микроэлементов и регулятора роста мелафена на содержание сахара
Таблица 3
Значения коэффициентов взаимодействия на основные показатели качества корнеплодов сахарной свёклы (2012-2014 гг.)
№ Вариант Сахаристость, % Коэффициент взаимодействия Доброкачественность сока, у.е. Коэффициенты взаимодействия (0, +, -)
1 Контроль 16,4 - 85,4 -
2 Мелафен 16,8 - 86,5 -
3 Бор 16,8 - 86,3 -
4 Цинк 16,5 - 85,7 -
5 Марганец 16,5 - 85,8 -
6 Бор + Мелафен 17,4 0,2 86,7 -0,5
7 Цинк + Мелафен 17,0 0,16 86,7 -0,07
8 Марганец + Мелафен 17,0 0,16 86,7 -0,07
9 Цинк + Марганец 16,8 0,5 86,2 -0,36
10 Цинк + Бор 17,1 0,28 86,5 -0,09
11 Марганец + Бор 17,1 0,28 86,7 0
12 Цинк + Марганец + Бор 17,3 0,39 87,2 +0,11
13 Цинк + Марганец + Мелафен 17,3 0,39 87,3 +0,05
14 Цинк + Бор + Мелафен 17,7 0,30 87,5 -0,09
15 Марганец + Бор + Мелафен 17,8 0,35 87,7 0
16 Цинк + Марганец + Бор + Мелафен 18,1 0,38 88,4 +0,1
проявляется синергетический эффект, при этом коэффициент синергизма колеблется от 0,16 до 0,38.
По доброкачественности нормального сока абсолютный синергизм проявляется между микроэлементами и регулятором роста мелафеном.
Из полученных данных (табл. 3) видно, что в двух случаях наблюдается аддитивность, в шести - отрицательный синергизм, хотя во всех них все показатели выше контроля и отдельно взятого фактора, т.е. речь идёт об относительном синергизме.
Таким образом, взаимодействие ионов является весьма сложным явлением, включающим не только конкуренцию их при поступлении в растения, но и более глубокие биохимические и физиологические изменения в процессе метаболизма, поэтому изучение явлений антагонизма и синергизма необходимо для рационального при-
менения минеральных удобрений и создания равновесного соотношения элементов в растительном организме.
Выводы
Результаты исследований показывают возможность применения двукратной внекорневой подкормки, так как происходит усиление синергетического эффекта по показателям сахаристости и доброкачественности нормального сока, при этом установлено взаимодействие между анионами борной и фосфиновой кислот.
Библиографический список
1. Филипцова, Г.Г. Основы биохимии растений: курс лекций / Г.Г. Филипцова, И.И. Смолич. - Мн.: БГУ, 2004. - 136 с.
2. Epstein, Emanuel. Mineral Nutrition of Plants: Principles and Perspectives / Emanuel Epstein, Arnold J. Bloom. 2 edition. - Sinauer Associates, 2004. - 400 p.
3. Власюк, П.А. Научные разработки по микроэлементам и перспективы их дальнейшего развития в УСССР и МССР / Сб.: Микроэлементы в окружающей среде. - Киев: Наукова Думка, 1980. - С. 5-13.
4. Якушкина, Н.И. Антагонизм ионов. Физиология растений: учебник для студентов вузов / Н.И. Якушкина, Е.Ю. Бахтенко. -М.: ВЛАДОС, 2004. - Гл. IV.4. - С. 218-220.
5. Гуральчук, Ж.С. Взаимодействие магния и цинка в питании и обмене веществ растений. В кн.: Физиологические основы повышения эффективности минерального питания растений / Ж.С. Гуральчук, И.Н. Гудков. - Киев: Наукова Думка, 1987. - С. 84-89.
6. Охрименко, М.Ф. К вопросу о влиянии на растение сочетаний микроэлементов / М.Ф. Охрименко, Л.М. Кузьменко, А.А. Сивак. - Сб.: Микроэлементы в обмене веществ и продуктивности растений. - Киев: Наукова думка, 1984. - С. 16-20.
7. Лебедев, С.И. Антагонизм ионов и уравновешенные растворы. Синергизм и аддитивность / С.И. Лебедев / Физиология растений. - М.: Агропромиздат, 1988. - Гл. 5. - С. 313-315.
8. Костин, О.В. Взаимодействие ионов в сельскохозяйственных растениях / О.В. Костин, В.А. Исайчев, В.И. Костин // Вестник РАСХН. - 2013. - №3. - С. 21-23.
9. Костин, В.И. Элементы минерального питания и росторегуляторы в онтогенезе сельскохозяйственных культур / В.И. Костин, В.А. Исайчев, О.В. Костин. - М.: Колос, 2006. - 290 с.
10. Каюмов, М.К. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений: учебное пособие / М.К. Каюмов. - М.: ФГОУ ВПО Росс. гос. аграр. заоч. университет, 2004. -190 с.
11. Сабинин, Д.А. Физиологические основы питания растений Д.А. Сабинин. - М.: АН СССР, 1955. - 512 с.
12. Ягодин Б.А., Максимова Е.Н., Саби-нова С.М. Проблема микроэлементов в биологии / Б.А. Ягодин, Е.Н. Максимова, С.М. Сабинова // Агрохимия. - 1988. - №7. - С. 126-134.
13. Кобота-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кобота-Пенди-ас, Х. Пендиас. - М.: Мир, 1989. - 439 с.
14. Kostin, V.I. Prospects of use of growth regulators of new generation and microele-ments-synergists in technology of cultivation of a sugar beet / Kostin V.I., Dozorov A.V., Isay-chev V.A., Oshkin V.A. // Proceedings of International scientific and technical Conference named after Leonardo da Vinci. №2. - Berlin: Wissenschaftliche Welt e. V., 2014. - P. 41-50.
15. Костин, В.И. Эффективность нере-утилизующихся микроэлементов в свеклосахарном производстве / В.И. Костин, В.А. Ошкин // Сахарная свёкла. - 2014. - №2. - С. 40-41.
16. Костин, В.И. Синергетическое действие микроэлементов при внекорневой подкормке сахарной свёклы / В.И. Костин, В.А. Ошкин // Актуальные вопросы образования и науки: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 декабря 2013 г.: в 14 частях. - Тамбов: Издательство ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2014. - Часть 4. - С. 81-82.
17. Биохимия растений: учебное пособие / Л.А. Красильникова, О.А. Авксентьева, В.В. Жмурко, Ю.А. Садовниченко, под ред. Л.А. Красильникова. - Ростов-на-Дону: Феникс; Харьков: Торсинг, 2004. - 224 с.
