CC BY
435РАСЕ\Л№Г
Роль почвы в циркуляции макро- и микроэлементов между живыми организмами в изолированных замкнутых экосистемах
Юницкий А.Э.
Беларусь г Минск доктор философии транспорта,
ООО «Астроинженерные технологии» и ЗАО «Струнные технологии»
Налётов И.В.
Беларусь, г. Минск,
отдел прикладной биотехнологии ООО «Астроинженерные технологии»
Заяц В.С.
Беларусь, г. Минск,
отдел прикладной биотехнологии ООО «Астроинженерные технологии»
402
УДК 631.412
99
Почва является основным источником макро-и микроэлементов, циркулирующих в замкнутой экосистеме. Все элементы, находящиеся в почве, поступают в растения, откуда дальше без изменений или в результате метаболических превращений передаются на более высокие трофические уровни. В данной статье оценивается роль почвы (с участием растений как промежуточной стадии) в доставке жизненно важных элементов человеку и животным. Предлагается методика осуществления эксперимента на лабораторных животных по изучению передачи элементов на примере селена, йода, меди.
Ключевые слова:
гормоны щитовидной железы, здоровье человека, передача минеральных элементов, почва, содержание минеральных элементов, ферменты, ЭкоКосмоДом (ЭКД).
Введение
На протяжении многих десятилетий почва сельскохозяйственного назначения наряду с механическим воздействием подвергается обработке различными химическими веществами - удобрениями, пестицидами (гербицидами, инсектицидами, фунгицидами и др.) [1]. Подобное интенсивное земледелие приводит к эрозии почвы и разрушению её структуры, обеднению состава аэробных и анаэробных микроорганизмов, уничтожению животных (к примеру, дождевых червей), а также к накоплению различных токсических веществ [2, 3]. В отдельных случаях наблюдается переизбыток микроэлементов. Так, оптимальное содержание железа в почве - до 3,8 % [4]; повышение его процентного соотношения вызывает закисление почвы (понижение рН), в результате чего растения прекращают рост и развитие.
Согласно исследованиям продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединённых Наций (РАО) [5] и учениям В.И. Вернадского [6] почва как объект биосистемы является основным источником питательных элементов для растений, а также системой для снижения патогенной нагрузки. В почве имеется значительный объём различных минеральных веществ; среди них есть распространённые в большом количестве во всех организмах (макро- и микроэлементы) и в меньшем (наноэлементы). Кроме того, в почве присутствуют органические вещества, которые питают микроорганизмы.
Соединения химических элементов - органические и неорганические, содержащиеся в почве, - попадают в растения, после чего связываются в паренхимах с органическими веществами. В результате такого процесса накапливаются активные соединения, а также энергия внутри растений, а их переход по трофической цепи животным или человеку происходит в виде связей элементов с органическим веществом или самостоятельно [7]. В конечном итоге из поступивших элементов осуществляется синтез новых, более сложных компонентов структур тканей и органов человека и животных. Информация о циркулировании элементов позволит подобрать идеальный состав почвы для создания почвенного режима в замкнутой экосистеме ЭкоКосмоДома (ЭКД) - варианта космического поселения на орбите Земли [8].
Целью данного исследования является разработка методики определения передачи селена, йода и меди из почвы через растения животным. Для этого необходим теоретический анализ по установлению оптимального органоминерального состава почвы для производства растительной пищи; требуется изучение влияния растений
как промежуточного звена в передаче жизненно важных элементов человеку и животным.
Циркуляция веществ между трофическими уровнями
Основные свойства почвы, определяющие плодородие, зависят от её химического состава, который в свою очередь напрямую связан с минералогическим [4]. Элементы, входящие в состав почвы, служат питанием для растений. В целом выделяют два способа питания: автотрофное и гетеротрофное. Гетеротрофное питание возникает только раз в жизни -в момент прорастания семян (зародыш использует биополимеры из эндосперма при помощи ферментов) [9].
Автотрофный тип присущ всем этапам жизни растения и заключается в процессе фотосинтеза. Зелёным насаждениям наряду с фотосинтезом нужно получить через корни макро- и микроэлементы, входящие в состав почвы [10].
При формировании первичных и вторичных тканей у растений усиленно расходуются минеральные элементы из почвы, а при их функционировании потребление заметно уменьшается. Важную роль в объёме минерального питания также играют особенности приспособления организмов к внешним факторам [9].
Известны наиболее приемлемые составы минеральных сред для роста и развития клеток и тканей растения. Широкое применение для питания клетки и культивирования изолированных тканей получил метод in vitro на питательной среде Мурасиге и Скуга [11], являющейся базовой
для ряда растительных культур. Решение разрабатывалось исходя из особенностей корневого питания: именно таким образом задействуется значительное количество минеральных элементов, входящих в основу почвообразующих пород. Растворённые в воде минеральные соли поступают через ризосферу корней в толще корневой массы, двигаясь по направлению к центру корня, где располагается ксилема и проводящие пучки. По ксилеме вода с минеральными солями двигается к листовой пластине или другим вегетативным и генеративным органам [12].
Минеральные соли, попав в листья, расходятся по межклетникам к клеткам растений и через полупроницаемую мембрану поступают в клетку. В клетке растений реализуется очень много физиологических процессов под действием ферментов и белков [12]. Поступающие растворённые соли разрушаются внутри клетки и встраиваются в органическое соединение. Макро- и микроэлементы запасаются в пластидах клетки (лейкопластах) или участвуют в биохимическом процессе клетки. В связи с этими процессами потребление макро- и микроэлементов осуществляется постепенно и равномерно [11]. Многие макроэлементы в соединениях растений могут быть вредоносными для человека, например соединения нитритов (1\102) и нитратов (1\1О3). Для растительного мира они безвредны и зачастую используются как элемент азотного питания. Поступление этих элементов происходит как из минеральных удобрений, так и из органического вещества [12].
На данный момент известно большое количество оптимальных по составу почв для выращивания растений [13]. Из них следует выделить чернозём, обладающий богатым
составом макро- и микроэлементов в хелатной форме, а также значительным числом микроорганизмов [14]. Хелатная форма способствует наилучшему усвоению элементов растениями [15].
Жизнедеятельность почвенных организмов (червей, насекомых, бактерий и грибов) приводит к накоплению в почве органической массы - гумуса. Основными элементами гумуса являются гумины и гуматы. Эта группа веществ оказывает прямое воздействие на рост растений. Кроме того, гумус содержит различные биополимеры, которые попали в почву с растительными или животными остатками, а также в результате жизнедеятельности организмов. Почвенные редуценты разрушают биополимеры путём питания и тем самым создают питательную базу для растений [16] - высокоорганизованных организмов, имеющих тесные симбиотические связи с грибами, а в некоторых случаях и с бактериями [17].
Таким образом, состав почвы напрямую влияет на рост и развитие растений. Они в свою очередь воздействуют на организмы, для которых служат питательной базой. Можно проследить движение всех элементов от почвы до человека. В настоящей статье рассматриваются входящие в состав живых организмов селен, йод и медь. Их дефицит, встречающийся повсеместно, вызывает серьёзные заболевания у человека и животных [18-20]. Вместе с тем данные элементы нужны для роста и развития растений [21-24]. Ранее не изучалась передача селена, йода и меди через растения.
Человеческому организму селен необходим для нормального функционирования эндокринной, иммунной, репродуктивной, сердечно-сосудистой и нервной систем [18]. Более 40 заболеваний вызваны дефицитом этого элемента. Он играет значимую роль в работе щитовидной железы: входит в состав фермента (йодтирониндейодиназы), который способствует переходу тироксина в активную форму - трийодтиронин; функционально связан с витамином Е. Более того, составляет важную часть ферментов обезвреживания активных форм кислорода - глутатионпероксида-зы. Ежедневная потребность человека в селене: для мужчин - 75 мкг, для женщин - 60 мкг [18].
У растений селен входит в состав антиоксидантных ферментов (каталаз, пероксидаз). Основная функция анти-оксидантной системы - ингибирование процессов окисления, что защищает организм от избыточного действия свободных радикалов, которые активно образуются при стрессе [21]. Селен также оказывает влияние на общую протеазную активность, в том числе на биохимический статус растений в целом. Существенную роль данный элемент играет в процессе роста и развития семян [22].
Йод - составная часть тиреоидных гормонов (тироксина и трийодтиронина) и, следовательно, избирательно накапливается в щитовидной железе. Эти гормоны регулируют скорость обмена веществ в организме, координируют работу всех органов и систем [19]. Ежедневная потребность взрослого человека в йоде - 150 мкг, максимально допустимая доза - 300 мкг. В период беременности и лактации норма 175-200 мкг [19].
Для высших растений йод не самый первостепенный элемент, но при его достаточном количестве стимулируется рост корней, улучшается углеводный обмен, повышается синтез аскорбиновой кислоты, а у водных растений увеличивается образование свободных аминокислот [23].
Медь, как и селен, входит в комплекс активных и ал-лостерических центров многих ферментов. Одним из таких металлоферментов является цитохромоксидаза - заключительный фермент в дыхательной цепи митохондрий. Молекула включает два гема (внутри которых содержатся атомы железа), два атома меди, а также 20-30-процентный липидный компонент. Основная функция - восстановление 02 до Н20. Помимо этого, медь требуется для введения железа в состав гемоглобина (отвечает за газообмен в органах и тканях). Она участвует в переводе аминокислоты тирозин в доступную для использования форму, которая необходима как фактор пигментации волос и кожи. После усвоения кишечником медь транспортируется в печень. Данный элемент принимает участие в процессе роста и размножения, образовании коллагена и эластина, синтезе эндорфинов [20]. Ежедневная потребность человека в меди - 700 мкг [20].
У растений медь включается в состав окислительно-восстановительных ферментов. Входит в структуру энзимов,
участвующих в фотосинтезе, и ускоряет его; способствует образованию хлорофилла. При достаточном поступлении меди в растения повышается их устойчивость к бактериальным и грибковым заболеваниям [24].
При изучении литературы по настоящей проблематике обнаружено, что имеются данные об отдельной передаче или накоплении веществ из почвы в растениях [7], а также передаче энергии по трофической цепи [11, 12]. Однако отсутствуют материалы об экспериментах по улучшению здоровья животных и содержанию у них активных соединений при изменении состава почвы, на которой выращиваются продукты питания.
Описание эксперимента и методология исследования
Использование почвы как главного источника питательных элементов для растений является основой для здоровья человека и животных в условиях ЭкоКосмоДома [8]. Значит, в ЭКД следует в обязательном порядке применять почву, которая сможет обеспечить проживающих на орбите всеми необходимыми элементами.
Почва имеет определённый органоминеральный состав, полностью отвечающий за минеральное питание растений согласно таблице [1]. Дополнительно нужно предусмотреть поступление азотных элементов в комплексе органических веществ. Азот, фосфор, калий позволят протекать основному синтезу органических веществ, который увеличит биомассу растений и накопит внутри полезные минеральные вещества - селен, йод, медь.
Исследования будут проводиться на лабораторных животных - крысах.
Таблица - Оптимальный органоминеральный состав почвы для культивирования растений [1]
Показатель Количество
Подвижный фосфор Р205, млн-1 250-150
Обменный калий К20, млн-1 250-170
Нитратный азот 1\1О3-, млн-1 2 CD
Аммонийный азот 1\1Н3*, 1\1Н4*, млн-1 4 CD
Содержание гумуса (С орг*1,724), % от массы почвы 6-10
рН 6,5-7
Селен, мг/кг почвы [20] 160
Йод, мг/кг почвы [20] 5
Медь, мг/кг почвы [20] 10
В качестве объекта исследования выступит объединение почвы с определённым составом микрозелени: гороха посевного (Pisum sativum L.), фасоли овощной (Phaseolus vulgaris L.), льна долгунца (Linum usitatissimum L.), расто-ропши пятнистой (Silybum marianum L.), пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.), ржи посевной (Secale cereale L.), овса посевного (Avena sativa L.), гречихи посевной (Fagopyrum esculentum Moench), чечевицы пищевой (Lens culinaris Medikus), подсолнечника обыкновенного (Helianthus an-nuus L.), свёклы обыкновенной (Beta vulgaris L.), тыквы крупноплодной (Cucurbita maxima Duchesne).
Анализы содержания макро- и микроэлементов в почве планируется провести согласно предложенному методу Пейве и Ринькинса [25-27].
Растения должны быть пророщены до стадии трёх настоящих листов и изучены на содержание исследуемых элементов. По завершении процесса сбора и анализа проб партия микрозелени, которая не станет использоваться в данный момент, подвергнется шоковой заморозке (-50 °С) и будет храниться при температурах не выше -10 °С.
После того как станут известны результаты биохимического состава, растительную биомассу можно направить на корм подопытным грызунам.
У животных будет изучаться количество активных веществ и элементов, содержащих селен (глутатион-пероксидаза), йод (тироксин, трийодтиронин) и медь (цитохромоксидаза).
Экспериментально у крыс активность глутатионперок-сидазы фиксируется в лизатах эритроцитов согласно методу Моина [28]. Содержание селена в исследуемых образцах определяется флуориметрически с применением специфического реагента, чувствительного на селен, - 2,3-диамино-нафталина [29].
Объём тироксина и трийодтиронина вычисляется посредством иммуноферментного анализа (ИФА) [30].
Для определения цитохромоксидазы в скелетной мускулатуре лабораторных животных используется метод выявления реактивом НАДИ (соединение a-нафтола и диме-тилпарафенилендиамина) [31].
Выводы
и дальнейшие направления исследования
Основываясь на научно-теоретической базе, выявлен оптимальный (с точки зрения органоминеральных компонентов] состав почвы. Исходя из полученных показателей будут созданы почвосмеси и осуществлены дополнительные эксперименты.
В результате теоретической проработки определена возможность исследования меди, селена и йода на их способность передаваться от одного трофического уровня другому. Изученные материалы позволяют поставить эксперимент с целью детальной практической оценки данных о качественном воздействии почвы на передачу минеральных элементов растениям, а через них - животным.
В дальнейшем планируется проведение экспериментов на лабораторных животных (крысах) и проверка теоретической базы. В итоге будет установлено содержание селена, йода и меди в анализируемом образце почвы, обозначена их количественная передача растениям и далее животным. У животных предполагается качественное использование элементов путём их включения в молекулы ферментов и гормонов. Согласно полученной в ходе исследований информации удастся сделать выводы о передаче элементов из почвы через растения живым организмам, возможности регулирования гормонального фона щитовидной железы, а также о работе антиоксидантной ферментативной системы.
Литература
1. Малюкова, Л.С. Влияние длительного применения минеральных удобрений на биологическую активность почв чайных плантаций /Л.С. Малюкова [и др.]// Агрохимический вестник. - 2012. - № 2. - С. 75-84.
2. Авагян, А.С. Ущерб, причиняемый эрозией почв / А.С. Авагян // Теоретические и практические аспекты формирования и развития «новой науки»: материалы конф, Калуга, 14 февр. 2020 г. - Уфа: Омега сайнс, 2020. - С. 42-44.
3. Шапиро, В.А. Хомобионика как основа свободной и независимой жизни / В.А. Шапиро. - М.: ДеЛи плюс, 2013. - 43 с.
4. Виноградов, А.П. О происхождении вещества земной коры /АЛ. Виноградов // Геохимия. -1991. - № 1. - С. 3-29.
5. Besoin sénergétiques et besoins en protéines: rapport d'une consultation conjointe d'experts FAO/OMS/UNU. -Genève: Organisation mondiale de la Santé, 2011. - 226p.
6. Вернадский, В.И. Живое вещество / В.И. Вернадский. -М.: Наука, 1978. - 358 с.
7. Битюцкий, Н.П. Минеральное питание растений: учебник / Н.П. Битюцкий. - Litres, 2017. - 549 с.
8. Юницкий, АЭ. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание /А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.
9. Акиншина, Н.Г. Новые возможности в оценке состояния растений/Н.Г. Акиншина [и др.]//Сибирский экологический журнал. - 2010. - Т. 2. - С. 249-254.
10. Попов, А.И. Научное обоснование биологической коррекции продуктивности сельскохозяйственных культур / А.И. Попов, Н.М. Ковалёва // Научные труды/ по агрономии. - 2019. - № 2. - С. 37-45.
11. Trigiano, R.N. Plant Tissue Culture, Development and Biotechnology. - Boca Raton: CRC Press, 2010. - 186p.
12. Кузнецов, В.В. Физиология растений / В.В. Кузнецов, Г.А. Дмитриева. - М.: Абрис, 2012. - 783 с.
13. Shackley, S. Biochar in European Soils and Agriculture: Science and Practice / S. Shackley [et al.]. - Routledge, 2016. - 324 p.
14. Кравченко, Ю.С. Российский чернозём: генезис, распределение и управления/Ю.С. Кравченко //Научные труды,i SWorld. - 2015. - Т. 23, № 1. - С. 23-26.
15. Pakhomova, V.M. Chelated Micronutrient Fertilizers as Effective Antioxidants Applied for Foliar Plant Treatment / V.M. Pakhomova, Al. Daminova // BIO Web of Conferences. -EDP Sciences, 2020. - Vol. 17. - P1-4.
16. Мохов, Д.Р. Роль деструкторов в биотическом круговороте веществ / Д.Р. Мохов // В мире научных открытий: материалыы/ Ill междунар. студ. науч. конф., Ульяновск 22-23 мая 2019 г. - Ульяновск: УлГАУ, 2019. - Т. V. - C. 27-29.
17. Chandrasekaran, M. Mycorrhizal Symbiotic Efficiency on C3 and C4 Plants under Salinity Stress - A Meta-Analysis / M. Chandrasekaran [et al.]//Frontiers in Microbiology. -2016. - Vol. 7. - P. 1-13.
18. Решетник, Л.А. Биогеохимическое и клиническое значение селена для здоровья человека / Л.А. Решетник, Е.О. Парфенова // Микроэлементыi в медицине. - 2001. -Т. 2, № 2. - С. 2-8.
19. Хинталь, Т.В. Дефицит йода и йоддефицитные заболевания: актуальность проблемыi профилактики и лечения / ТВ. Хинталь // Terra Medica Nova. - 2010. - Т. 1. - С. 25-28.
20. Зорин, С.Н. Получение и физико-химическая характеристика комплексов эссенциальны/х микроэлементов [цинк, медь, марганец, хром] с ферментативными гидролизатами пищевых белков / С.Н. Зорин // Микроэлементы\ в медицине. - 2007. - Т. 8, № 1. - С. 53-55.
21. Gupta, M. An Overview of Selenium Uptake, Metabolism, and Toxicity in Plants / M. Gupta, S. Gupta // Frontiers in Plant Science. - 2017. - Vol. 7. - P. 1-14.
22. Вихрева, В.А. Селен в жизни растений / В.А. Вихрева [и др.]. - Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - 222 с.
23. Halka, M. Organic Iodine Supply Affects Tomato Plants Differently than Inorganic Iodine / M. Halka [et al.] // Physiologia Plantarum. - 2018. - Vol. 164, No. 3. - P. 290-306.
24. Churilova, VV. Influence of Biodrugs with Nanoparticles of Ferrum, Cobalt and Cuprum on Growth, Development, Yield and Phytohormone Status of Fodder and Red Beets / VV. Churilova // Nano Hybrids and Composites. - 2017. -Vol. 13. - P. 149-155.
25. Кидин, В.В. Агрохимия/В.В. Кидин. - М.: Проспект, 2015. -338 с.
26. Дышко, В.Н. Методики агрохимических исследований почв и растений: учеб.-практ. пособие / В.Н. Дышко [и др.]. - Смоленск: Смоленская ГСХА, 2014. - 197 с.
27. Корма растительные. Методыi определения меди: ГОСТ 27995-88. - Введ. 01.01.1990. - М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1990. - 16 с.
28. Моин, В.М. Простой специфический метод определения активности глутатионпероксидазы в эритроцитах / В.М. Моин //Лабораторное дело. - 1986. - № 12. -С. 724-727.
29. Назаренко, И.И. Флуориметрическое определение селена 2,3-диаминонафталином в биологических материалах / И.И. Назаренко [и др.]//Журнал аналитической химии. - 1975. - № 4. - С. 733-738.
30. Кресова, И.А. Иммуноферментный анализ свободного тироксина и тиреотропного гормона в сыворотке крови человека в норме и при разных патологиях/И.А. Кресова, В.В. Заякин//Учёные записки Брянского государственного университета. - 2018. - № 4. - С. 48-51.
31. Кривенцев, Ю.А. Биохимия: строение и роль белков гемо-глобинового профиля / Ю.А. Кривенцев, Д.М. Никулина. -2-е изд. перераб. и доп. - М.: Юрайт, 2019. - 75 с.
