Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
РОЛЬ КОМПЛЕКСОНОВ В РЕГУЛЯЦИИ ПИТАНИЯ РАСТЕНИИ МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ
ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия
Автореферат диссертации по теме "РОЛЬ КОМПЛЕКСОНОВ В РЕГУЛЯЦИИ ПИТАНИЯ РАСТЕНИИ МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ"
МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА
На правах рукописи БИТЮЦКИИ Николай Петрович
УДК 581.13:577.17.049
РОЛЬ КОМПЛЕКСОНОВ В РЕГУЛЯЦИИ ПИТАНИЯ РАСТЕНИИ МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ
Специальность 06.01.04 — агрохимия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
МОСКВА— 1993
Диссертационная работа выполнена на кафедре агрохимии и в лаборатории почвенного питания растений Биологического научно-исследовательского института Санкт Петербургского государственного университета
Официальные оппоненты академик РАСНХ, доктор биологических наук, профессор Б. А. Ягодин; доктор сельскохозяйственных наук Ю. А. Потатуева; доктор сельскохозяйственных наук, профессор Г. Н. Попов.
Ведущее предприятие—Всероссийский научно-исследовательский институт удобрений и агропочвоведения им Д Н Прянишникова ^ ^ОО
Защита диссертации состоится «-7 г
на заседании специализированного совета Д Щ0 35 02 в «Мое -ковской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Зн^ мени сельскохозяйственной академии им К А Тимиря г
С диссертацией можно оникомиться в ЦНБ ТСХА
Адрес 127550, Москва И 550 Тимирязевская ул , 49 л> ный совет ТСХА ц ! /? [
Автореферат разослан «-» _19й) I
Ученый секретарь специализированного совета —
кандидат сельскохозяйственных Л. М. Наумоь
■ и.»/
. . • ' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРЛСТКА РАБОТЫ • •
' Актуальность проблемы. Микроэлементы - необходимое условие нормальной жизнедеятельности растений. Поэтому разработка способов оптимизации микроэлементного питания сельскохозяйствен- \ ных культур является приоритетной задачей растениеводства.. Ее ' решение осложняют процессы, ограничивающие подвижный пул мик-' роэлементов в почвах агроэкосистем. Усилению сорбции почвенно-.поглощающим комплексом микроэлементов, препятствующей их вклю-. чешшв фитометаболизм, способствуют различные антропогенные. ; воздействия, в частности,- применение химических мелиорантов и • . некоторых видов удобрений. Перечисленные факторыдетершнируют ,, снижение биологической активности • традиционных форм микроудоб-■ рений - минеральных солей микроэлементовИх дефицит, вызывая серьезше нарушения в продукционном процессе растений, уменьшает эффективность многих агротехнических методов повышения пло- ' дородия почв. Необходимость в коррекции микроэлементного питания растений наиболее актуальна для регионов распространения карбонатных и требующих известкования: почв, а также защищенного грунта. . •'. . •
Для оптимизации питания -растений микроэлементами применяют . синтетические комплексоны. Эти соединения способны образовывать : водорастворимые циклические структуры с металлами-микроэлементами и повышать-их биологическую активнооть. Однако характер действия комплексонов на минеральное питание, продуктивность, : химический состав растений в зависимости от ооотава координационных: соединений, условий, способов питания и генотипической специфики культур исследован далеко не достаточно. Относительно слабая изученность этой■проблемы, а также сложность поведения хелатируицюс агентов в системе почва - растение обусловили противоречивость мнений о значимости биорегуляторной функции синтетических лигандов. Необходимость разработки теоретических основ применения комплекоонов и комплексонатов микроэлементов в. ' технологиях по возделыванию культурных раотений и в оитеме ме-, роприятий по обеспечению устойчивого плодородия почв определяет акзуальнооть настоящей работы.
Цель и задачи работы.' Основная цель работы - изучение ролг . комплексонов, в регуляции питания растений микроэлементами ж разработка:теоретических основ и практических аопектов пряменв-
| . ЦЕНТРАЛЬНАЯ I" :
: МАУЧНЛЯ Г1 '*~ЛИОТЕКЛ;
Моск. с9*. . . .„«.эдмми ИМ. К. ,
НщиьА^оШ
ния хелатирутщих агентов в растениеводстве.
Основные задачи:
1) изучить на примере зерновых, корповых, овощных и ягодных культур биологическую эффективность технологически перспективных комплексонов и комплексонатов микроэлементов CFe,Mri,7i\,Cu,Co) при различных гочвенных условиях и способах применения;
2) выявить факторы, обусловливающие биологичеокую эффективность когшлексонов, и ее критерии;
3) определить на уровне целого организма вероятные механизмы регуляции комплексонамл млнесального питания раотенгй;
4) разработать научные основы рациональных технологий применения комплексонов и ко шлексонатов микроэлементов для повышения продуктивности культурных растений и получения экологически чистой продукции растенгеводства.
Научная новизна. Впервые обосновывается концепция динаре! -цированностп биологической функциональности а фитопродукцион-ном процессе характеристик оинтетическкх ко.талексонатов микроэлементов в зависимости от опособа, условий питания и геноти-пичоской специфики высших растения.
На уровне целого органиача определены вероятные механизмы регуляции комплексонами минерального питания и продуктивности растений. Разработаны теоретические основы параметризации биологически значимых свойств хелатов микроэлементов с учетом природы металла и органического лцгакда, их концентрации и соотношения, способа питания и видсвлх особенностей растений. На основании обобщения литературных и собственных экспериментальных данных разработана концептуальная схепа основных факторов, определяющих антихлорезную эф$ектлзност1 соединений хелоза при некорневом питании расаений.
Теоретически обоснована целесообразность применения в качестве регуляторов продуктивности и xi! viecKoro состава растений продуктов окисления гидролизного л:*: ш'на азотной кислотой -новых хелааирукщпх агентов, использование которых позволяет существенно снизить себестоимость и рас-пълть сырьевую базу по производству перспективных для пазтен ■-.•■одства кочплексонов.
Развиваемые теоретические пшнц ты поло сени в основу новых способов коррекции дефицита микроэ."е"*н-?в у растений. Способ
"Излечивания карбонатного хлороза раотений защищен авторским свидетельством, способ регулирования роста раотений,признан '
• патентным изобретением.. ■ / V. •' . .
. Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы в качестве теоретической основы для проектирова-. ния элементов;технологий по?интенсивному; возделыванию сельскохозяйственных культур,- в почве и; в условиях защищенного грунта, а также для разработки новых способов коррекции дефицита мтс- ' роэлементов. у растений; Учет установленных закономерностей , . создает "предпосылки дяя^биологически и!экономически эффекта»-.-• ного применения комшіексонов: и комплексонатов микроэлементов : в растениеводстве. Практическое1внедрение.фотохимической диаг-:ностики ^соединений железа,',основаннойна "выявленной взаимосвязи их "^тохимической: и бисшогичеокЬй і.активнбстейі позволит ,: , оперативно вдентифщдаровать' наиболее' оптимальные составы ком-' позиций микроэлементов ,* применяемых в качестве антихлорозпых: средстВ;при нёкорнешх подкормках:растений.' Полученные резуль-
• таты исследований расширяют представления в*-области минераль-'
, ного питания растений и могут быть* попользованы і в лекционных •. ■ курсах. V; "Г 'V.--V." д; -V;'.; •, - . ■ ^ '•■/.:,
- Реализация 'результатов исследования.,С :тчаоти"ем автора подготовлены рекомендации по, применению микроэлементов; на извест-коваЕЁных^ почвах (утверядены. ВЙНО.'"Союзоельхозхимия" в 1990 г.) .Разработанные в процессе исследований способы коррекции дефицита микроэлементов у растений апробированы о получением позитивні«>результатов в производственных условиях при возделыва-нта винограда ^іЬіапский: район Краснодарского края) и зеленых • культурзащищенного грунта (ПО "Лето"," г.Санкт-Петербург). Материалы работы используются при чтении учебных курсов;"Агрохи-ІКорневое питание раотений",'на-хафедре агрохимии Сайхт-
Петеіч$л^кого: унгаеройт^^ Г- V; і-/ • У \ ' '
'." АпробапияіМатериалы диосерташш доложены: на всеооюЗной ;, конференции' "Почвенно-агрохттаческие иэкологические проблемы Формирования ^шсокопродуктивных: агроценозов" • (Дущино ; 1988) всвооюзных семинарах "Разработка и рациональное применение удобрений" (Ленинград;/1989) и "Использование лигнина и ■ его арояаводвых (в рёльоком хозяйстве"/ЧЛениетрад-Цутикин;. 1989) і\ конференции "Физиолого-генетические механизмы регуляций азот-
кого питания упстеге'Я" (Киев, 1991).
Г1уб.гчкации. tío мат^р^атам диссертация* огуоггкозано Ib работ.
Ст-у/ч^па и оЛт,еч д'ссрр",ацит. Д/ссертадит состоит из введения, пяти ггав, заключении EJEOP'р; излс^рьр на 310 страницах, содер*.'т 141 табл".цу, 36 / с";'сок .т'терчгург, включащдЯ 449 работ,
сод::га:пе работы
ГЛАВА I. ХАГУЛТДУЗТ.ГНА ЧЧПГ 1ЛЛЛ м ГОГ.! J '.'СЗС^ЭЗАПЯ
Голь го^плекс^нов з рсгуляцкл п.ти'п* i р ¡стею-Р да чрсэлем >н-Taíci из/чадт в пслъвюс, rere?; .von з.х у .гаСэрлторчых опытах в IC65-ISS2 гг. ÍiCli^u опыni n¡са-гклл.' в раочрсстранэ-
кня дернозо-по--юл.тстнх г.очв urt и: обл.) ,t .шрбонат-
I1K 4eprfOje«*OD {АналсмЯ ра;*сч hj iu'o* ijcto^o .срая). 3 Ленин-градскс? обл. -".IíT^ i прс..зв^„с"3'-кных посевах л
иа оштных пол-гх иаучнчх ¿чр^деп.'.'. з лра^нэдд^-.ом крае - в пролзводствень.х услолиа na ь^ноградиилах. Вигетадлснше опыты осуществляли на базе Елолотсо- ого >3 J .Тлииградского-Санкт-Петерб/ргсксго государственного ¿члли^люта. с почвенш-!Bi и водным: культурами. Почвенные культуры выращивали на раз-•личных по гранулометрическому составу дерново-подзолистах поч-зах, водные - на (.'одифпцированных и*есях Áittna.
Исследовали наиболее типичные усмнлеусснц ш-инскарбонового и фосфорсодержащего рядов: пкинсдауксуснув (КДА), нитрилтриук-оусную (HTA), этилендиа/шн-м , í/'-дпуксуснув (ЭДДА), этиленди-амин- Н , N , N ,ы -тетрауксусную (ЭДГА), диэтилентриамин- Ы, N , n'. ы'.М'-пентауксусную (ДТПА), нитрил?ри: етиленфосфоновуга (h?i), этилендиамин- N, Ы , Н',Н -тетрк-етиленпосфоновую (ЗД,Т£), I-гидроксиэтилидендифосфоновую (ОЗД'Ю кислоты. Действие синтетических комплексонов сравнивали с влиянием на растения природных органических соединений: яблочной, винной, лимонной, аскорбиновой кислот.
С целью оценки возможности p&c1e реотя сирьевоЕ базы для получения физиологически активных ко ялексснов я конплексонатов с низкой себестоимостью изучали прсду^тг окисления гидролизного лигнина азотной кислотой (ПСГЛ). Пс чазнко-химкчесхим свойствам, элег ентноцу я функционально- / состазш/ ПСГЛ близки природным фульвокислотам а опособии сбразовивать коордпнацюн-ше соединения с металлами (Раст',ш г. л ., iSeC, 1У81).
ч
, Индикаторные культуры: райграс однолетний многоукосный
■ Изорский; овес Боррус, Микку; отмень Белогорский, Зазерский, . ■Пряничный, Московокий-121, Надя, Новосибирский, Пиркка.Потра; кукуруза Буковинский-З; горох Рамонский, Спрут;, фасоль* Ока;
'. подсолнечник Передовик, Харьков, ВНИИМК;"горчица белая; рало '; яровой Ahí ; огурец Бетта-Альфа, Дальневосточный, Либелла; са-; . лат Московский: тепличный, Covattone ;'картофель Гатчинский;-, . • брюква кормовая; вико-овсяная смесь; луговые травы; виноград ' •Рислинг и Еардоне на Кобер 5 ББ.\ . . . V.-"; ' -' ' ■ '} ' ;■ . Физиологическое действие кошлексонов'на прорастание семян . * , .изучали с использованием агаризированных- сред и в почвенных ; • , условиях ¿ Семена намачивали в -течение' 22-24 ч при-рекомендуе-. мом соотношении, массы -семян к объему раствора (Минеев .и др. , -■ 1991). ..'-''.'.. . \ ' '■']'
Фотохимические исследования проводили о газоразрядными -.V. ~ ртутными лампами: Низкого давления типа" БУВ - ДБ-15 (освети. тель УФО-254)сверхвысокого.давления — ДРК-120_ (осветитель; ... .КФ~Ш)",; ДШ~1000.',Для исключения определенного диапазона длин " ■ , волн.из спектра" пзлучешя .источника.пршеняли стеклянные све-' тофильтры...Интенсивность.поглощенного.света измеряла быстродействующим ферриоксалатным актинометром,--.квантовые выходы фо-•' , .тохимических' реакций..-, спектрофотоме'трическим методом по изме-Г нению;оптической.плотности.растворов. Скорость фотохимического восстановления Ре (П1) до Fe (II) оценивали по изменению опти-леокой плотности комплекса Pe(II) с о-фенантролином, который • ' ; 1 .* вносили, в. раствор по окончании облучения. Контрастные уровни \/ освещения растений создавали применением полога из марли и • - темной ткани.:;. .. о"' ■ -.
• ч v Растительные'и почвенные образцу, как правило,"анализирова-. /ли общепринятыми методами.'''Элементный. химичеокий состав расте-' ,'ний;оценивали рентгенофлуоресцентным методом о помощью анали-, . затора-, "TESA" (США); после сухого озоления.в оолянокислбй-вы-
■ тяжке о использованием атомно-абсорбционного спектрофотометра
' "AÁS ^Iií" Г псюле'мокрого-сжигания о крепкой ^(^ общепринятыми методами.. Повторность опытов и определений - 3-15-кратная.-•'•: Проведены! дисперсионный,: корреляционный,: регреосионный и фак-.' • торный анализы полученных данных.; Достоверность результатов ■ *, оценивали о, вероятностью 95 Расчеты проводили на микро-ЭВМ
"Электроника", и Amstrad " о использованием прикладных программ, разработанных в лабораториях биометрии и геоботаники БиНИИ СПбГУ.
ГЛАВА 2. КОМПЛЕКСОШ В РЕГУЛЯЦИИ КОКШВОГО ПИТАНИЯ РАСТЕНИИ МИКНШШЕИТАШ
3 глава анализируются основные факторы, определяющие подвижность микроэлементов в почве, пути адаптации растений к де- < фициту микроэлементов и физиологические причины его возникновения. Обосновывается необходимость применения комплекоонов для регуляции чикроэлементного питания растений в разнообразных почвенно-экологаческих условиях. Наиболее актуально - но-, пользование компдексонов при оптимизадли питания оельскохозяй-ственных культур железам (Сстровская и др., 1973; Чурбанов, 1978; Mortved-fc, 1986; Ягодин и др., 1987; Зайцева, 1989). Аномально низкая растворимость в вода генеральных соединений этого металла, особенно трехвалентной Формы, при повышенных значениях окислительно-восстановительного потенциала и реакции среда, характерных для многих типов карбонатных почв, а такко гидропонных условий, существенно лимитирует питание и продукционный процесо растений ( Anctsay «t al r 1982).
Выполненные исследования расширяют представления о механизмах усвоения корнями растений комплекоонатов железа. Установлено, что при корневом питании характер и степень проявления антихлоровного действия Ре-хелатов определяются как их составом, так и напряженностью условий Ре-отресса и генотипическими особенностями культур. При нормальной оОеспеченности железом ,
обусловленная природой ксмплексона специфичность в усвоении i
растением этого металла не обнаруживается или незначительна. G обострением Ре-дефицита наблюдается дифференциация биологической активности комплекоонатов келеза (рио.1). В олабокислых растворах о пониженной концентрацией ?е-хелатов максимальная антихлорозная эффективность при их эквимолярном составе характерна для комплексов, образованных ореднедентатныни фосфорсодержащими лкгандами. Эта закономерность распространяется на вида растений о различными механизмами адаптации к условиям Ре-дефицита (стратегия I и П). Наруиекия в минеральном питании, обусловленные избытком лнганда над железом, наблюдаются только у растений стратегии II.
б
. ЯЧМЕНЬ (стратегия II);
Sto¡£-1:1 ,ÂïL-Is2' ,
РисД; Антихлорозная эффективность комодаксонатов железа ; б аависимооти от их оостава, условий Ре-стреооа ж гевотишгаеской специфики раотвни» при. корневом питании (Ср.04,5'10"6 М):
' І- Рв-ДША, 2- Ре-ЕГГА, 3- Ре-«Ю. 4- Рв-0ЭД6.
* .
В щелочных питательных средах (Ечриглтч с бикарбонатом) видовые особенности растений з корчеЕг-! усэср*г»к различных соединений железа проявляются особенно Ч!.-; <.с. На.'б»ч"ее полная мо-таболизапия хелеза растениями стрч"ог. »• П ( гспгь) с с 'тсси-дерофорным мохяя.:з'*ом адап^-Л.ш к /с~~овл.гз Ге-стресса (Така-о1«о{, 19М; А^Й е!оЬ, 1988) про."*-* о ./т грг ¿кВдЗ*олярном сооткопв!г/и ? /лиганд из кошлр"Сэч, срд мви&шс среднеден-татнь'от компчеьсокани (ЬТА, НТО, Г?Л.), -тр.* лз'<.'ткв лаганда над ¡тело зон - ичтс трбоглг-1»*г хе- ит<..",1 (ИТА, ДГЛА). Ответнах реакция на С."шгбско,т растеч*5" страт : .и- I (огурец), идлт.ту-паихсч к Ре-де^ициту путе" интенс; '«^г- р^-р дум:/-' на поверхности корня, заключается :> рсо -•< ; иг; t 'ровч.пш ¡.йстових процвссов, особенно прг ИГПСЛЬЗСГаЧ П* * •ТЛ'Ч'ЬОЭ ср^днед н-татных лкгандоз ОиА, Н'Г£, оЗд*).
Применение ИС03~ способствует зка^.'т* лы'с г/ реакции среды (рН^8) и рчарусен -ю хгтатоз, сопровокдашемуся понижением концентрации вадорастаор.Рйгх ори жечеэа в пктате таком растворе. '/лтекснвносгь дпссоц 'гаи г г.; пе при эквлголярноч составе комплексов, образованных ллгант&ми с более низкой ден-татноотью. Для огурца установлена сглъная положительная взаимосвязь ( г* = 0,798) между содеряанлеч хгоро^нлла в лиотьях и концентрацией в питательном растворе водорастворимых форм железа. У ячменя тесной корреляции между этитиг показателями не обнаружено. Видовые различия определяются спецификой фунютго-нировашш механизмов адаптации растений к Ре-стрессу. В отличие 6т видов стратегии IX для растешГ' стратегии I характерно сильное подавление эффективности усвоения железа при повьшен-них значениях рН и отсутствии подвкхных ]орм металла в корневой зоне ( , 1987). Эта спец тфичность объясняет больший в сравнении с ячменем контраст гисду вариантами с НС0з~ и без него при выращивании огурца. Однако интерпретация о помощью критерия водорастворнмости соедсшени^ железа различий в эффективности его усвоения из низкочонценарчрованнкх растворов хелатов, в частности, в слабокислых орадах затруднена. Следовательно, устойчивость к диссоциации не язллется универсальным показателем кокплексонатов челеза, безусловно определяющим их биологическую эффективность при коргево • питании растений.
Первичный этап усвоения растение'- }-\*----з.г,"гов предполагает
их взаимодейотвие о клетками поверхности корня (ЛаШсс ,
1984). Для выяснения биологической значимости сорбционных свойств Ре-хёлатов и уменьшения вероятного.влияния побочных эффектов; обусловленных длительным пребыванием, комплекоонатов . в растворе, разработана оригинальная схема экспериментов, предусматривавшая изучение физиологических последствий краткосроч ного (5-Ю дн.) контакта растений о различными соединениями железа. Прерывание контакта осуществлялось путем*перенесения раотений на растворы без Ре-комплексонатов. Установлено,что наиболее сильное поражение^раотений хлорозом наблюдается после исключения из состава питательной среда Ре-хблатов высокоден- ' татных (ДША, Йаз-ЭДТА, ЭД1Ф), наименее - ореднедентатных фосфорсодержащих (ОЭДФ, Н1Ф) комплексонов. По степени антихлороз-ного последействия среднедентатный аминокарбоновый хелат - РеНТА . как правило, занимает промежуточное положение. Вариации в содержании хлорофилла в листьях сопоставимы с накоплением железа-в корнях (рис¿2),-что свидетельствует о различной сорб-ционной способности изученных хелатов и ее'биологической значимости в процессах питания растений.железом. -
Предполагается, что выявленные различия в сорбционной, способности Ре-комплексонатов могут быть;обусловлены.разницей в .. величинах их зарядов, зависящих'как основности кйслоты-комплек сообразователя, значений ее констант протонирования; (рК), так ' и степени•окисления катиона; Относительно низкими величинами рК характеризуются, карбокоильные группы,'способные д"оооцшро-вать с образованием отрицательно заряженных ионов уже в кислых растворах (Дятлова и др.,* 1970);. С увеличением числа карбок- • сильных групп , в молекуле комплёксона повышение прочности и отрицательного ааряда Ре-хелата сопровождается снижением его сорбционной способности в отношении одноименно заряженных по-верхноотей. По этой причине при усвоении растениями низкоконцентрированных растворов Ре-комцлекоов: образованных■: высокоден татными аминокарбоновыми лигандами, происходит не значительное накоплениев корнях функционально активного железа и оильное поражение листьев хлорозом. С уменьшением чиола карбокоильных групп потенциальнаяосновность органической кислоты онижается, аоорбция корнями и метаболизация растением Ре-хелатов усаливается (варианты с Ре-НТА). Ч- -■*-' *
1 2 3 4 5 6
Рио.2. Антихлорозная эффективность комплексонатов железа через 31 день после их исклетения из состава питательной среда. Водная культура ячменя. Продолжительность взаимодействия корней с Ре-хелатами - 5 дней: а- содержание хлорофилла (а+Ь) в листьях, иг/т сырой массы;
б- накопление Ре в корнях, мкг/сосуд; I- Ре-ДТПА, 2- На2-ЭДТА, 3- Ре-НТА, 4- Ре-ЭДТФ, 5- Ре-НТО, 6- Ре-оэда.
% к Ре-ДЩА
Рио.З. Влияние комплексонатов железа на содержание хлорофилла (а+Ь) в листьях при некорневом питании раотений: I- контроль(Н20), 2- Ре-НТА, 3- Ре-ЭДДА, 4- Ре-Ма2-ЭДТА, 5- Ре-ДТПА, 6- Ре-ОЭДВ, 7- Ре-НТФ, 8- Ре-5ДТФ.
-/ В ооотав фосфоновой груташ входит два протона водорода, поэтому фосфорсодержащие комплексов«;имеют большую в,сравнении : -о /карбоновыми аналогами потенциальную основнооть.'Однако в ".•: оравнении о карбоксильными фосфоновые группы характеризуются: более выоокими величинами констант-протонирования,- что свиде-, ' тельствует о повышенном даже при щелочной реакции среда срсд-; • стае фосфорсодержащих лигандов кпротону' водорода(Дятлова и др;," 1988)В "связи, с -этим в физиологическом, интервале эначе- . • ний рН питательных растворов среднедентатные- фосфорсодержащие : лиганда склонны формировать протонированные комплексы железа" о повышенной способностью оорбироваться корневыми системами. - С ; увеличением ."отепени протонировазшости.Ре-комплексоната его прочность уменьшается. Однако дня менее агреосивных сред (гид-••• ропонные питательные смеси); значения- (| К ?е-хелатов, образо-■ • ванных ореднедентатными фосфорсодержащими лигандвми, являются, достаточными, чтобы не лимитировать корневое* питание ''растений. - V. С позицш оценки степени , взаимодействия комплексонатов о Корнями интерпретируются и результаты экспериментов о различ-!ным соотношением Ре/лиганд, Следовательно,. устойчивость к дио-социации и способность оорбироваться корневыми • системами — основные характеристики Ре-кошлексонатов, оптимизирующие усвоение растениями железа из •: его кизкоконцентрированных' растворов*. Сочетание таких свойств' трудно достижимо' в ряду, алифатических карбоновых лигандов. Депротонизация - необходимое , условие учао тия карбоксильных групп. в образовании координационныг связей о металлами^, Поэтому увеличение числа карбоксильных' групп в мо лекуле компл^йЬона.-ведет не только к повышению дентатности,- но и усилению его.кислотных,свойств. Альтернативой является ИО- " пользование среднедентатных фосфорсодержащих лигандов,. харак-• . тёризукщихся повышенным ?сродством_ к. протону; водорода.' С усилением действия-агрессивных' в отношении хелатов экологических факторов .требования к дентатности й селективности комплекоонов значительно - возрастают. щелочном интервале 'значеаийрК Р^о-' творов аВ'п^к. псшшенньос концентрациях металлов ¿' конкурирующих'; ; за места связывания.в- хелатнои комплекое;: претлущёством обла-дают.выоокодентатчыв и селективные я железу лиганда. Наиболее чётко' эта' закономерность проявляется в отношении растений стра
твгиих. ,*•.'■."'.■■ с ■■■ • " : ~ ■ '" : ' " -''
И
Теоретически и экспериментально обосновывается возможность применения в качестве регуляторов корневого питания растений железом продуктов окисления гидролгзного лигккка азотной кислотой. В условиях гидропоники установлено, что использование железа в виде комплексов с ИОГЛ благотворно созывается на продукционном процессе различных вддов сельскохозяйственных культур. В сравнении с тшеральной солью гелеза органо-адтае-ральные комплексы ПОГЛ усиливают поступление в фотссинтеэиру-ющие органы растений биологически активной ^«рмы Ре(П) и увеличивают в них соотношение Fe(n)/Fe(III). При атом повышается содержание хлорофилла в листьях и ускоряемся формирование биомассы растения. Биологический эффект от произзодных гидролизного лигнина сравним с действием стандартных синтетических аминокарбоновых комплекоонов.
В главе развиваются представления U.M. Дятловой, H.A. Зайцевой, А.И. Карпухина, И.С. Кауричева, Ю.Д. I,'азеля, Л.К. Островской, D.A. Потатуевой, В.И. Савича, В.Я. Темкиной, Б.А. Ягодина и других о комплексонах и ко-шлексонатах различных микровлемектов как регуляторах минерального питания растений. В результате выполненных исследований показано, что биологическое действие синтетических копплексонов наиболее полно проявляется в условиях почвенной среды, снижающих метайолизацию минеральных оолеЛ металлов-микроэлементов. Нарушения в микроэлементном питании растений обнаруживаются при известковании почв, применении сорбентов (цеолитов), возделывании культур на почвах о утяжеленным гранулометрическим соотавом. По эффективности устранения дефицита микроэлементов комплексоны и коютлек-сонаты превосходят традиционные формы микроудобрений - минеральные ооли металлов.
В различных агроэкологических условиях выявлено, что при внесении в почвы • хелатируицие агента оказывают отимулируицее воздействие на формирование биомасса, нитратредуцирупцие процессы, азотный обмен в целом, микроэле"ентное питание растений. Применение комплекоонов увеличивает как концентрацию, так в валовой обор хозяйственно ценных веществ (белковый азот, крахмал, биофильные металлы, сухое вещество и т.д.). При адекватном подборе форм и концентраций м-гкроудобрения на основе комплекоонов способствуют наиболее чохнсу выражению структу-
dZ
ры признаков качества и продуктивности различных видов зерно-вше ¿кормовых н овощных культур. При этом высокая эффективность биологического действия характерна как для применения комплэксонов совместно е простыми минеральными удобрениями, -так и в составе ■ сложных модифицированньа туков. •
. Установлено, что. в условиях известкуемых почв биорегулятор-ная функциякомплексонов заключается в коррекции усвоения растениями металлов в.направлении,.благоприятствующем накоплению марганца, а также,цинка в вегетативных органах. Подвижность этих макроэлементов в'почве-в наибольшей степени подвержена -негативному воздействию химических мелиорантов и агротехнических мероприятий. Ийдуцированное комплексонами превалирование . транслокации марганца и цинка в ряде случаев сопровождается подавлением накопления в биомассе меди. По-видимому, при доо-. таточшх количествах аномально высокая координационная способность этого металла (Спицын, 1984) и свойства элемента-антагониста препятствуют нормальному ;усвоению других макроэлементов •растениями и вызывшуг отклонения в их продукционном, процессе. !
.. Экспериментально' показано, что оптимизация минерального питания-растений при внесении.комплексонов в почву-достигается, как в результате стабилизации подвижнооти привносимых микроэлементов, так.и мобилизации.металлов почвенногофонда. При этом дентатнооть в основном не обусловливает специфичность биологического действия комплексонов,в почве. .Результативны как ; эдеокодейтатдаё, .'так.'»' форшдгпвие менее- уотойчиаде гсикличео- -кие - структуры'с металлами лш?ащр!^,Стадовательно,. в условиях V ;слабокислых-, Й^взаткованныхпочв средне- ели '-даже относительно гаэкодентатане комоавкооны уо<йЬаечйвавтдоотаточнут) для растений устойчивость и доотугоюоть хелатных комплексов микроэлемен тов.Сравнительно слабые комплехсообрааугщие свойства марган- ■ ца (цинка) как основных лимитирущих при известковании чгродук-тивновжь рштанив микдоэлетуюнтоэ^^
действию этих меткя®ф;Ь; ППК и обусловливают мшгаахкаацзв тре бованийк яеборбзафушей споооднооТ*свободных форм кошиекоо-нов.:- Вследствие меньшей завиоимости от лочвенных уоловий и доа позитивны® характер биологичеокого дейотвил аыинокарбоновнх комплекоонов отличается большей в сравнении о фоофороодеркащк-
ми стабильностью. Преимущества фоофороодерващихлигандов про' - .
являются в регуляции нитратредуцирующих процессов, белкового обмена растений и пролонгированное"]".", физиологического действия.
Представленные в главе материалы обосновывают целесообразность и определяют методологию применения координационных соединений микроэлементов в качестве регуляторов корневого питания растений при их возделывании в условиях известкованных почв и гидропоники.
ГЛАВА 3. КОМШЙЖСОНЫ В РЕГУЛЗДЗ! НЕКОРНЕВОГО ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ ШЕЗОМ
Некорневые подкормки микроэлементами - один из эффективных, экономически оправданных и оперативных способов коррекции дефицита этих соединений у растений. Незначительный раоход дорогостоящих химических средств, возможность непосредственной, минуя слолсдае взаимодействия в почвенной среде, доставки необходимого элемента питания к органам растений обусловили яи-рокое распространение некорневых подкормок в растениеводотве (Анспок, 1990). Целесообразность применения комплекоонов для оптимизации некорневого питания растений железом, так же как и корневого, определяется низкой водорастворимоотью минераль-' ных солей металла.Сильная сорбция этих соединений зпикутику-лярным слоем листа вызывает нарушения в усвоении растением железа и предполагает необходимость использования его водорастворимых форм ( , Скаш«1 , 1989). Однако теоретические основы применения хелатов при некорневом питании растений практически не разработаны.
3 главе излагаются результаты исследований по изучению влияния соотава координационных соединений, реакции среда, металлов-микроэлементов, оптического излучения на процесо усвоения железа растениями при некорневом питании. В экспериментах о различными видами Ре-дефицитных растений установлено, что природа комплексона - один из наиболее гощных факторов, определяющих антихлорозные свойства хелатов железа при некорневых подкормках. Несмотря на изначальную водорасгворимооть всех изученных Ре-комплекоонатов, лучшая результативность достигается при использовании высокодеятатных комплекоонов аминокарбоново-го ряда и продуктов окисления гидролизного лигнина азотной кислотой (рпо.З). Аномально низкая эффективность излечивания
т
Хлороза растений характерна для некорневых подкормок фосфорсодержащими комплексонатами, а также некоторыми комплексами железа с природными органическими кислотами. Предполагают, что степень биологического' действия Ре-хелатов находится в обратной зависимости от их констант устойчивости (Чурбанов, 1978). 'При некорневых подкормках растений допускается применение из-нее устойчивых комплексов (Островская и др., 1973; Дятлова и, др. , 1988).' Из анализа полученных экспериментальшх данных следует, что в ряду карбоновых лигандов лучшими антихлорозны-; ми свойствами характеризуются комплекоонаты хелеза с наиболее высокими значениями Ц К. Вместе о тем при относительно близких комплексообразующих свойствах аминокарбоновых комплексонов и их фосфорсодержащих аналогов последние практически полностью ' ингибируют включение железа в синтез хлорофилла. Аналогичная закономерность прослеживается для ОЭДО, устойчивость Ре-комп-лексонатов которой сравнима с НТА и ЭДЦА. Варьирование проч-' ности комплексонатов путем использования окионых и закисных форм железа, а также введения в состав рабочих растворов сильного. восстановителе (аскорбиновой кислоты) достоверно не изменяет антихлорозных свойств препаратов.. Следовательно, при некорневом питании растений водораотворимость и устойчивость к диссоциации не являются самодостаточными, признаками биологической эффективности коглплексонатов железа. • - >;• '-■'■ ; ,. Этот вывод , подтверждают результаты экспериментов по "изучав нию влияния реакции среда рабочих растворов на усвое^тяе листьями различных соединений железа. Биологически, оптимальный ' интервал значений. рН растворов Ре-комплексонатов, как правило, ограничивается более узкой (кислой) областью в сравнении о допустимой ' для; существования водорастворимых хелатных комплексов (рис.4)1 При этом антихлорозная эффективность фосфорсодержащих комплексонатов железа сохраняется на низком уровне при воех изученных эначениях рН растворов. * \ >;< *• .• ' -V Г •• ';.'.:' Обсуждаются практически на изученные вероятные механизмы -влияния различных композиций микроэлементов на процесс некорневого питания растений железом. Некорнешё подкормки; смеоямя : Микроэлементов осуществляют: с целью снижение затрет и комплексной оптимизации минерального питания сельскохозяйственных . культур. Показано, что степень излечивания хлороза растений ;
Ре
1ШР05 о l
Ре-ДТПА
р-2,0
|
И.2 Ъ
S
0,4
рН 4 р«Н 5,5 рН 7 рН 4 рН 5,5 рН 7
Рис. 4. Анткхлорозная эффективность некорневых подкормок
огурца соединениями желвоа при различных значениях реакции среда: I- содержание хлорофилла (а+&) в листьях, 2- сухая масса надземных органов. % к Фону
ШЩ ti
Рис.5. Влияние микроэлементов на фотохимическую активность я антихлорозную эффективность соединений железа при некорневом питании растений (Ре:М=Т:1): а- содержание хлорофилла (а+6) в листьях; tí- скорость фотохимического восстановления Ре(III) до Ре(11);
I- контроль (Н20), 2- PeSO^-фон, 3- фон+üv, 4- фон+2л, 5- фон+Cu., в- фон+Се, 2- Ре-ДГОА(фон), 3Ре.Мп-ДТПА, 4- Ре,?а-ЛЕГОА, 5Í- Ре.Са-ДТПА, 6-- Ре.Со-ДТПА.
определяется составом композиции микроэлементов (pro.5). При отсутствии комплексонов в составе рабочего раствора антихло-рочное действие минеральной соли железа резко эл..-глнируется добавлением меди. Значительное ингиблровалие синтеза хлорофилла в листьях обнаруживается к лрк использовании неорганического железа в сочетании о кобальтом. Напротив, опрыскивание растений FeS04 совместно о солями гаргища и цинка отрицательного воздействия на эффективность подкоржл не оказывает.
При обработке растений хелатгрованнн*' железом* характер влияния микроэлементов на результативность подкормки существенно изменяется и определяотоя как природой металла и органического лиганда, так и соотношением ингредиентов композиции. В условиях, достаточных для полной координации всех меааллов композиции, нарушения в метаболизации железа наблюдаются при совместном применении Fe-халатов высокодентатных амянокарбоновых гандов с марганцем и медью. В присутствии среднедентатшх •с1 -плекоонов подавление усвоения листьями железа может происходить при введении в растворы эквшоляршх с Ре количеств меди, кобальта, реже цинга, но не марганца. На фоне слабого антихло-розного действия Fe-цитрата физиологические эффекты от микроэлементов не обнаруживаются. В отличие от меди марганец не ин-гибирует излечивание хлороза растений при использовании смесей этого микроэлемента с зквиполярными Ре-комплексами высокоден-татных аминокарбочовых комплексонов.
Сопоставимость антихлорозной эффективности с водораотвори-мостью выявлена для смесей неорганических солей металлов (кроме Со). При этом в отличие от других элементов присутствие меди в растворах сульфата железа (рН 5,5) усиливает осадкообразование и резко снижает концентрацию биологически активной форды Fe(XI). Специфика кобальта может интерпретироваться его конкурентными отнотанидаи о магнием, входящем в структуру молекулы хлорофилла (Ягодин и др., 1974). Уменьшением растворимости в воде железа вследствие его вытеснения из органического комплекса координационно сильным металлом также объясняется низкая эффективность некорневых подкормок смесями меда с хе-латами железа эквимолярного состава. Однако при избытке комп-лексона показатель водорастворимости биологически* значимым не является. Устойчивости- хелатов способствует наличие 2-кратного
превышения концентрации органического лиганда над железом, что препятствуем диссоциации кошлексов и потери их водораствори-мости даже при эквимодярном соотношении Ре с дополнительно вводимым микроэлементом. Кроме того прибавление, соли марганца к. растворам комплексонатов железа'эквимолярного соотава, вызывая в некоторых случаях ех незначительное разрушение, тем не менее не сникает результативности некорневых подкормок.
Анализ вероятных нричшт ухудшения :антихлорозных свойств кол-позиций сточки зрения оценки доступности растениям микроэлементов из хелатов,,а также учета явления РеДк-антагонизма * представляется малолерспективным. Как установлено,, координация микроэлементов аминокарбоновыми лигандами, как.правило, не препятствует доступности металлов растениям при некорневом питании. Аргументами против значимости Ре/Мк-антагонизма являются факты отсутствия негативных последствий от некорневых подкормок марганцем в'смеси с неорганическим железом й эквимолярными Ре-хелатными комплексами^ . , .,*.■''"/'"'* • : •♦•.*. ,г
Неудовлетворительные результаты интерпретации полученных данных с точки зрения традиционных представлений о биологической значимости устойчивости и,водорастворимости комплексонатов железа позволили предаоложить существенность при некорневом ■ питании растений фотохимической^активности координационных соединений этого металла и определяющих её'факторов. Метаболические.процессы растений нуждаются в двухвалентной форме железа / ( На«воп^ 1980). При типичном способе питания расте-
ний железом через корень последний является основным органом • локализации Ре (1Х1)-редуцируыцих процессов ( Вго^п »
1980; З^тои« , , 1984; г \ 1988). При не-
типичном способе минерального питания через лист появляются предпосылки для возрастания роли/фотохимического восстановле- -ния железа (III). " 'V' ^ \ : '.V /л Л\
Проведенные с целью выяснения этого вопроса исследования . показали, что наиболее высокие квантовые выхода фотохимических реакций характерны для комплексов железа о аминокарбоновыми, •.. а наименее - с фосфорсодержащими лигандами.(табл.).*.;.: , .,'.-В ряду аминокарбоновьгх номплексояов величины , квантовых выходов фотолиза изменяются обратнопропорционально дентатности" лиганда. Скорость' фотохимического восстановления Ре(Ш) также
варьирует в зависимости от природа комплексона и ш'нимальна у фосфорсодержащих хелантов. При этом различия чечду аминскарбо-
Таблица
Квантовые выходы фотолиза синаетических комплексонатов железа ( С= 1-10-4 моль/л% ре:г= 1:1, рН 6, 3 0(3л.=254 нм)
Форма Ре HTA ЭДНА Ка2-ЭДТА ДГПА ОЭДФ нте эда
Ре(Ш) 0,088 Ре(П) 0,П1 0,150 0,057 0,061 0,024 0,030 0,008 0,008 С,005 0,005 0,006 0,0С6
новыми комплексонами проявляются наиболее рельефно с повышением величины pH растворов на более поздних этапах облучения. Ингибирование фотовосстановления Ре(III), сопровождающееся разрушением комплексонатов и образованием гидроокнолов железа, наблюдается у среднедентатшх HTA и ЭДДА. В растворах о шоо-кодентатными лигандами повышенная скорость фотородукции железа сохраняется в течение более длительного периода. Высокой скоростью фотохимического восстановления железа характеризуются комплексы природных органических кислот. Наибольшая фотохимическая активность, особенно при коротких экспозициях, наблюдается у комплексов винной кислоты, наименьшая - яблочной. Производные гидролизного лигнина, как и карбоновыр лигапды, стимулируют фотохимическую редукцию Ре(III). По своей фотохимической активности эти соединения значительно превосходят фосфорсодержащие комплекооны. С повышением концентрации комплексонатов окорость фотохимического восотановления железа, как правило, возрастает. Bjявленные закономерности прослеживаются при использовании ламп с широким спектром излучения. По мере исключения коротковолновой области из спектра источника облучения фотохимическая активность комплексонатов железа заметно снижается. В ряду карбоновых кислот элиминирование фоторедукции Ре(III) в наибольшей степени происходит в растворах о еы-сокодентатными лигандами, в наименьшей - о природными органическими кислотами. Однако в отличие от фосфорсодержащих комп-лекоонов фотовосстановление окисного железа в растворах о кар-боновыми лигандами происходит даже при практическл полном исключении УФ-излучения из спектра лампы. При этом сохраняется
описанная выше взаимосвязь фотохимической активности комплек-сона с его дентатностью. Дле> комплексов двух- и трехвалентного железа характер зависимости скорости их фотохимической деструк-, дай от вида органического дшганда аналогичен. *
Показано,, что скорость фотохимического восстановления Ре(П1) в водных растворах комплексонатов зависит от реакции среда; • Как правило, величины квантовых выходов процесса фотовосотанов-. ления железа максимальны в кислом интервале значений рН растворов при использовании карбоксилсодеряащих лигандов: Фотохимическая активность фосфорсодержащих комплексонатов сохраняется> на низком уровне во воем изученном диапазоне рН. • Установлено; что характер воздействия на фотовосстановление ' Ре (III) микроэлементов дифференцируется в зависшости от их природы и концентрации, вида органического лиганда и соотношения-,,, ингредиентов композиции. Наиболее сильное ингибирование фотохимического восстановления Ре(III) при всех экспозициях прослеживается в вариантах о хелатированной медью.(рис.5)., Аналогичная закономерность - на начальных стадиях облучения в .присутствии марганца. При эквимолярном соотношении,этих металлов с Реско-рооть его фотовосстановления уменьшается по сравнению о контролем на 47-77 достигая минимальных,значений. Цинк я кобальт характеризуются значительно меньшм участием в фотохимических реакциях ¿ особенно на первичных этапах облучения. Приэквимо-лярном соотношении Ре/лиганд марганец'и медь па ингибируют фотовосстановление железа (III). . ' , ■
,.' При сопоставлении результатов обнаруживается четкая завися- ; мость антихлорозной эффективности Ре-комплексокатов■от их фотохимических свойств. Очевидно, фотохимическая инертность.фосфорсодержащих комплексонов* типичная для многих производных фос-' : фоновой кислоты, препятствует образованию биологически активного железа (П). ■ Различия в характере антихлорозного действия между фотохимически -активными группами высоко- и .низкодентатных комплексопов обусловливался неодинаковым периодом их фэторас-,пада. При атом лучшим антихлорозным'действием обладают комплек-соны, способные к интенсивной, но пролонгированной фотохимической деструкции. Механизм фотолиза карббксилсодержйарэс комплек- • сонатов заключается в элиминировании молекулы СОд и последова- . тельном сокращении хелатного цикла ( ПозшГк к др., 1972;,Аркан-
ков, 1976). В процессе фотолиза образуются про"ехут<у-шые продукты со связью металл-углерод, которые вследствие термической нестабильности распадаются с гочолитически'! разрывом связи
и образованием конов "еталлэ к радикалов лиганда (С гель-машок, 1982). Следовательно, негативное при некорневых подкор-• мках влияние быстрой ¡ютодеструкции Ре-хелатов детеринировано ускоренной иммобилизацией железа из-за потери водорастворчыоо-пг его соединений. Этот процесс усугуЗтяется относительно высокими значениями рН рабочих растворов и ограниченном в объеме капли количеством хелатирушего агента.
Под воздействием реакции среет антихлорозная и ¡ютохнгячве-кая активности комплексонатов железа изменяются сходный образом. Пониженная скорость фотообразованкя Ре(II) лимитирует ме-таболизацию железа растением при нейтральной и щелочной реакции среды.
Сопоставимость физиологических и фотохимических эффектов, вызываемых марганцем, цинком, медью и кобальтом, прослеживазт-ся для комплексов высоко-, но не сгоднедентатных лигандов. Разноречивость объясняется различиями в фотохимической активности лигандов. В отличие от хелатов с повышенной устойчивостью комплексы железа со среднедентатныгт комплексонами характеризуются более высокими квантовымй выходапи первичных реакций фотолиза и относительно быстрой фотодеструкцией. Поэтому у таких Ре-комплексонатов лира диапазон в изменении под влиянием металлов скорости фотохимической деградации до критических для рао-тений значений. Ингибирование металлами фотохимического восстановления Ре(1П) обусловлено известным в фотохимии Эффектом тушения электронно-возбужденных состояний молекул. Предполагают, что механизм тушения, связанный о участием постороннего тяжелого атома существенной роли для координационных соединений на играет из-за эффективного влияния на спин-орбитальное взаимодействие центрального иона комплекса (Кршов, Кучмий, 1990). По этой причине марганец в композиции о эквимолярныни комплексами железа не оказывает значимого воздействия на его фотовосстановление и антпхлорозные свойства.
Экспериментально доказывается необходимость оптимизации ус-ловлй оезещетш при некорневых подкормках растений- хелата-л! железа, .'х ускоренная фотодеструкгтя, равно как и замедленная,
г1
сопровождается пнгиблрованием метаболизации железачто негативно сказывается на излечивании карбонатного хлороза и продукционном процессе растений.
•готовоостановление железа при не1 орневкх подкормках, очевидно, происходит как на поверхностг листа в капле питательного раствора, так и непосредственно в тканях растений. После прохождения через эпидерму интенсивность оптического излучения а, следовательно, и степень его участия в фотохимических реакциях многократно усиливается вследствие "окусируыцего действия эпидермалышх клеток ( Рои1зо«. > Ус^^^ччи., 1989; Уо^Кт^и^. «ла1 , 1989).
Талям образом, полученные результаты позволяют заключить, что фотохимические реакции играют определяющую роль в процессах усвоения листьями хелатных комплексов железа. Поэтому в отличие от корневого при некорневом питания растений приорат ными признаками биологически активных соединений челеза являются их водорастворимооть и фотохимическая активность. С уютом этих параметров разработана концептуальная схема основных факторов, обусловливающих антихлорозную эффективность некорневых подкормок препаратами железа (рис.6). Развиваемые теоретические подхода предполагают принципиально новую стратегию регулирования с помощью комплекоонов некорневого питания растений железом, направленную на оптимизацию процесса фотохимического образования биологически активных двухвалентных соединений этого металла.
ГЛАВА 4. КОШШКСОНЫ В РЕГУЛЯЦИИ НЕКОРНЕВОГО ПИТАНИЯ
РАСТЕНИЯ МАРГАНЦЕМ, ЦИНКОМ, МЕДЬЮ И КОБАЛЬТОМ
Мнения о необходимости хелатирования 1/арганца, цинка, меди а кобальта при проведении некорневых подкормок растений противоречивы. Детально этот вопрос изучался в комплексных исследованиях о почвенными и водными культурами в условиях вегетационных и полевых опытов. Установлено, что положительный оффект от некорневых подкормок растенчй растворами микроэлементов достигается лишь при адекватном подборе состава микроудобрений. Использование марганца, цинка, меди и кобальта в виде водорастворимых комплексонатов, как правило, не обеспечивает систематического получения дополнительного в сравнении о минеральными солями хозяйственно ценного результата. В ряде случаев паблю-
дается элиминирование синтетическим лкгандом эффекта, вызываемого неорганической формой металла,'что свидетельствует о снижении интенсивности его включения в метаболизм растений из органических комплексов. Наиболее четко выраженное ингибирование биологической активности микроэлементов обнаружено у ОЭда - типичного представителя группы фосфорсодержащих комплексонов. Для отдельных систем такое подавление метаболизма микроэлементов может быть обусловлено изначально слабой водорастворш,гостью хе-латов. Потеря растворимости вероятна и при фотолизе фосфорсодержащих органо-минеральных комплексов, сопровождающегося образо- . ванием неорганических фосфатов. Стимулируя транслокацию отдель- -ных элементов, комплексоны способны усиливать антагонизм металлов и корректировать микроэлементный состав органов растений. : Однако эти эффекты физиологически малозначимы и в основном не-, сопровождаются идентифицируемыми изменениями в продукционном процессе культур. ' .
В сравнении о железом соли традиционно используемых в растениеводстве Зс*. -элементов водорастворимы; в более широком диапазоне значений'рН растворов, что существенно снижает эффективность действия комплексонов как на стадии сорбции кутикулой металлов (УЕгтаирЬп. , Ска , 1989), так и на последующих этапах их метаболизма. Выполненные исследования свидетельствуют о достаточно высокой биологической активности катионных форм марганца,. -цинка, меди и кобальта, что делает нецелесообразным применение . этих микроэлементов в виде комплексо'натов при • некорневом пита-; нии.культурных растений. ; , '- ' .
ГЛАВА 5. ФИЗИОЛОППЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КОМПЛЕКСОНОВ И ' .
К01.ИШКС0НАТ0В ■ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ ■ ПРИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКЕ СЗ.ЯН " ':'•.'/•''..„.•■.■ -Ч '
Фонды запасных метаболитов семян служат единственным источником органических веществ:на ранних этапах развития растений; От характера прохождения стадий прорастания,зависит степень ре-, ализации потенциальных возможностей генотипов.. К;традиционным способам воздействия на прорастание;семян отнооится их предпо- : севная обработка микроэлементами (Власюк; 1968, 1969; Ягодин, г: Романова, 1982; Панаоин,' Широков, 1984; Чумаченко, Ковалева,',.
1989). В качестве стабилизаторов подвижности микроэлементов " - , ^ , .
~ .. > • - * .-Г г 5 4
ГГ.' П( ЗДЯСССЗНОЛ обработке се 'ЯН рекомендуют приг'елять к мплек-ссы. С целью проверкл э.ого голо.:«ния, а таюче изучения роли с"игот;г;егг.ос ксш.-е,чсоноз В рРГ>' 'ЧДЕЛ яро^станл I смян проведен кг-алегс .:со."едовани1. на а. аризирсваннюс средах и з почвен-10« условиях.
Экспериментчгыю гокаэаао, что прл начачизанли се»«яи ко(а!лек-ссьь "згут :.рсчллать сзсйства дизиодогичесжп активных ведес.а. Клр*хтер г стзчип. Ечр«енноата югогн к'сксй -ктнеростл сп-деляге я лнс.-.ш.гас.кой сге^\,/1-ои р~--.еилЛ, юресЛ, .4' кцен-IРчЛи'еН и прлро„зП лягадгд. йлыленэ, что онергшз прорасташи си«л1', ь'-" ю;исг« и гпедукт.гзнооть раотект'Л, ьл< правило, стл-
чгрурт ке ка мле сл аты микрооле^ентов, « оасбодные фоты ю тлексоноз с *угт,д:*счалышт группам/, че задействованными па ксордгнац™ г-е" •-•'.-ч. Ндлботы-л результяглзность достигается пр.- .и^-кле-ях реалии: среда, значительно пррвыпакцлх к лют I.;: протонизают ки^ло.г-т.с жлскссобразовате.геЯ. В случае ас с он -адли кочплексона с гета&тог-микроэле'/ентоп позитивный физиологический э'сект з основном элиминируется.
Вяияние хелатируюцлх агентов на характер действия при намачивании се»*ян микроэлстентов незакономерно. Выявлена как стабилизация, элиминирование, так :г некоторое усиление физиолоксчео-ьой акгив-гостл минеральных солеГ марганца и цинка. Синергизм действия ингредиентов хелатов биологически спе,т. *лчен л в основном характерен дяд среднедентатных лигандов. Обнаружено, что в отличие от ячменя, овса, рапса и салата процесс прорастания семян гороха характеризуется резко отрицательной реакцией на воздействие комплексонов, особенно ОЭДФ, в изученном диапазоне концентраций (1-Ю""3;.! - Э'Ю"3!.!). Вызванная фосфорсодержащим лц-гандом на стадии прорастания семян депрессия роста сохраняется на последующих этапах онтогенеза культуры и сопровождается сил -ним подавлением ее продукционного процесса.
Полученные результаты позволяют заключить, что в регуляции прорасташга семян биологически злачигой является хелатирукь.ая пункция комплегсона, обусловленная степенью ионизации его функциональных групп. Очевидно, флзиологическая активность органических лигандов определяется их участием в регуляции стабильности клеточных структур сепян. Прл этом взагаюдейст'зле по 1.1ПУ челатлревания с итетическтх йопплексонов с металлами неубранного
матрикоа может способствовать увеличегаш проницаемости клеток (Власюк, Приходыео, 1973; 1983).
'. заклшшие * .у
. Применение синтетических комплексонов - один из перспективных путей оптимизации минерального питания культурных растений. ' Образуя прочные водорастворимые циклические структуры о металлами, хелатирующие агенты повышают их подвижность и биологическую активность. Роль комплексонов как регуляторов микроэлемент-'" ного питания растений возрастает в агроэкосистемах о интенсивно идущими процессами, лимитирующими подвижность металлов в почве. Однако традиционные представления о водорастворимооти ;' -;. как о приоритетном свойстве комплексоната,' определяющем его биологическое значение в минеральном питании растений, не являются исчерпывающими. Вцполне|щк:.ш исследованиями обосновывает- ¡л. ся концепция дифференцированности биологической функциональное- \ \ • га в фптопродукционном процессе характеристик комплексонатов ; микроэлементов в зависимости от способа, условий питания и ге-. нотипической специфики растений. - "У
Потребность в комплексообразовании возрастает с уменьшением -зависящей от природа металла растворимости в воде его минераль- . ных солей; Аномально низкая водорастворимость вфнзиологичес-ком диапазоне реакции среды характерна для неорганических сое- " динений-железа. Поэтому в агрессивных щелочных средах устойчивость Ре-х'елатов к даосоциадшг - основной параметр,' определи- • ' пций их антихлорозную эффективность при корневом питании расте-шй. При этом требовательность ^обеспеченности питательной среды подвижными формами железа выше, у видов растений стратегии ' I, адаптирующихся к условиям Ре-стресса путем интенсификации чувствительных к величине рН Ре(ДГ)-редуцируюа[их процессов, ■ V локализованных на поверхности корня. Радикальная коррекция Ре- -дефицита в регионах распространения карбонатных почв может дос-. . тигаться лишь применением высокодеятатных и селективных к железу комплексонов. - \.У *•• ' У'У-: .У'Л'
С понижением налряженностизколопгческих факторов возрастает физиологическая значимость сорбциошасх свойств хелатов железа, обусловливающих их ксштактность. о корневыми" си<зтемаш; при Ре-дефиците. Впервые показано, что: наиболее интенсивное -
стиг»уллроват*е метабатазации челеза растения;.« в слабокислых растворах обеспечивают средкедентатные комплексош с ^слоновыми функциональными группами, наименее - высокодентатныо ами-нокарбоновые .тагшту. Указашше различия .ттерпретируются особенностями ионизации фосфоновых и карбоксдлыых групп коглплек-сонов. Слсциф:пса фгзиологических реакций на присутствие а состав Ре-хелатов отчетливее выражена у растений стратегии II (злаки) с фитосидерофорным механизмом адаптации п Ре-стрезс/.
При нетипичном способе питания расаптй **елезом через лист определяицую роль играют фотохгспяеские реакции, обусловливающие редукцию хелатлрозаююго Ре(Ш) до Pe(II) и его метаболи-зацыо. Поэтому водорастворипость и фотохимическая активность -основше признаки бкологичес:си активных соединений г.елеза при некорневом питании растений. Показано, что фотохимическая активность Ре-коиплексонатов зависит от их кошентрации, пр tpojti лиганда, состава композиции .микроэлементов, реакции среды рабочих растворов, условий освещения. Лучшм антихлорозным действием ири некорневых подкормках характеризуются Ре-комплексы высокодентатных аминокарбоновых лзггандов я производных гидролизного лигнина, способных к интенсивной, но пролонгированной фотохимической деструкции. Выявлены основные фактори, подавляющие фотообразование Рз(П) и его антихлорозную эффективность при некорневых подкормках растеюй : фосфорсодержащие лиганда, металш-микроэлементы, нейтральная и щелочная ,еакция среды, ограниченная интенсивность светового потока.
Не подтвервдены представления о целесообразности применения при некорневых подкормках сельскохозяйственных культур марганца, цинка, меди и кобальта в виде комплексонатов. Вследствие относительно выоокой подвижности минеральных солей этих микроэлементов их хелатирование при некорневом питании растений, как правило, не обеспечивает систематического получения дополнительного хозяйственно ценного результата.
На примере различных видов сельскохозяйственных культур установлено, что Спорегуляторная функция кошиексонов при их внесении в известкованные почвы заключается в коррекции уовоення растением металлов в направлении усиления накопления марганца, а также цинка в вегетативных органах. Оптимизация кочплексона-ми нинерального питания растений может достигаться как в ре-
зультате стабилизации подвижности привносимых-микроэлементов, так и мобилизации металлов.почвенного фонда. Величина показателя устойчивости■хелата, как правило, не обусловливает специфичности биологического -действия комплексонов при внесении в " почву. Результативны как высокодентатные, так и форпшрутацие '. относительно менее устойчивые циклические' структуры. с металлами. лиганда. ' ' " ' . " Л ' •"' - Развиваются представления о способности к хелатированию'как основной биологически значимой функции комплексона, обусловливающей его регуляторную роль в'Прорастании семян. Этот процесс и продуктивность растений.в основном стимулируют ионизированные фор.ш органических лнгандов о незадействованными на коорди нацию микроэлемента функциональными группами при значениях ре-акща!* среды, превышающих их-константы протонизации. '* * Таким образом,.при научно обоснованном применении комшгек-соны й комплекс.онаты. микроэлементов - эффективные регуляторы продукционного процесса и химического состава растений. Концепция дифференцированности биологической функциональности: характеристик'комплексонатов предполагает принципиально новую стратегию практического применения .координационных соединений, макроэлементов в растениеводстве, ориентированную не,только на обеспечение мобильности металлов, ко и на'адекватный учет, специфики способа, условийМинерального'питания и физиологии высших растений. ' ' . ■.-' -',',' -. ' . . ' ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ: ' ,
1. При адекватном подборе форм .и концентраций компяексоны и комплексонаты микроэлементов являются эффективныгли: химически- ' т средствами регуляции продукционного процесса растений. Шти мизируя микроэлементяое питание, координационные'- соединения ■способны стимулировать формирование-биомассы, белковый синтез и обмен сельскохозяйственных культур. Шкроудобренйя_на;основе комплексонов обеспечивают увеличение концентрации в растение- ■ водческой-продукции и валового сбора хозяйственно, ценных ве-< ' цеств, способствуют наиболее полному и:сбалансированному.выра-кешго структуры признаков продуктивности и качества различных видов культурных растений. - \ { ;
2. Действие комплексонов результативнее в условиях агроэкосис--тем, лимитирующих глетаболизацпю растениямй минеральных.солей
' ./ . ;; г '". 28:
•тар">оіе-,«нтов: пр'ї ї»зБест:созан:от почв, припенегепі сорбеьгов (цсслгтоп), зоздольвгивш :отьтуо на почвах с утндетешшм гра-r^/г' •ет;-»псск1Г' состави'. По биологкчосксі1 о.Д*;ктланости уст-f r-.л де :шзп'а г-.п>.роэле ієнтов когп^чс ссош к комплексонати і.-ро-їссчсллт тр-.цз-і-гошше Лоргти • іикроудобрений - минеральные солі гзталлов.
3. Зсдорастзоримость не является достаточным признаком фкзиоло-ггчгско? актлзностг r&'tnru.coHaTOJ "ткроадеиентсз. Б.'ологгчес-'ая '¡уігкцпсгальность лх тпрактє^ чстгк в 'гтопродутст'онном процессе дифференцирована и определяется составом .шордт'ощ'онных сое,т*печ:ій, способе", /еЛоізидап: гп'та^ія и генот.гг/ іесчор схе-ц^фікой растений.
4. Устойчивость w дигсот-аїс*" - основно? показатель, л;гттгру-щ;гП антихлорогчую офїсчтгвнсоть когпілегсонатоа желрза пр і кор нево" питании растеня? а пслочгах ср°ддх. З otvcc условиях требовательность К 06ЄСПЄЧЄ!Ш0СТИ корневой ЗОНЫ nOJUfll'rJtt-.7M topt'a-!К железа вы je у растений стратегии І. З іссльх растворах возрастает физиологическая чкачпмость сорбцкончнх свойств кочплск сопатов железа, обусловливающих степень их контакта с коритам при Ре-дефиците. Четаболизацию яелеза растргиями интенсивнее стимулируют среднедентатше комплексоны с •хэсфоновыми Функцио-нальнычи группами. Специфика физиологически реакций на состав Ре-хелатов в корневой зоне отчетливее вират^на у растеш'Я стра тєгии II (злаки).
5. Фотохимические реакции восстановления Ре(ІІІ) до Ре(ІІ) играют определяющую роль в процессах усвоения листья?5Ї хелатних комплексов железа. Водорастворпмость и фотохимическая активность - приоритетные признаки биологически активных соединений железа при некорневом питании растений.
6. Фотохимическая активность Ре-комплексонатов определяется их концентрацией, природой лиганда, составом композиции микроэлементов, реакцией среды, условиями освещения. Лучшим антихлороз нын дейсАэпеч при некорневых подкорках характеризуются Ре-комплексы высокодентатных алшокарбоновых лигандов и производных гидролизного лигнгча, способных к интенсивной, но пролонгированной фото-мсгической деструкции. Снкпенке скорости фотохимического восстановления Pe (III) и антихлорозноЧ результа-тпвкоотл некорневых подкормок происходит при исподьзованічі
Z9
фосфорсодержащих комплексонатов желе за,'введении в состав Fe-хелатов металлов-микроэлементов, нейтральной и щелочной;реакции среда рабочих растворов. Физиологическая роль оптического/ излучения проявляется уже на стадии взаимодействия капли, раствора Ре-хелата с поверхностью листа. Включение экзогенного Ч , железа в синтез хлорофилла лимитируют как ограничение оветово-го потока, raie и чре змерное во здействие, коротковолнового излучения на фотохимические активше лигащк. . ' ■
7. Катионные форш марганца, цинка,; меди и кобальта биологи- '. чески активны, легко усваиваются листьями, что делает неделе- \ сообразным применение этих шпероэлементов в виде комплексона-. гов при некорневом питании растений: -Y. ' \ :; ■
8. Биорегуляторная функцт комплекоонов при'почвенном питании; заключается в коррекции усвоения растениями металлов в направлении усиления накопления марганца, реже цинка, в веготатив- • ных органах. Оптимизация когшлексонаки лшнерального питания:.'-растений достигается.как'в результате: стабилизации•привноси- ; шх микроэлементов, ,так и мобилизацпи;металлов почвенного фонда. Величина показателя устойчивости хелата, ; как' правило ,1, не детерминирует специфики биологического действия комплекоонов при:их внесении в известкованные почвы-что; обусловливает ми-нимализацию требований к десорбирующей способности органического лиганда. •' . ; 'Ч, " "
9. Продукты окисления гидролизного лигнина азотной кислотой, -проявляющие свойства гумусовых веществ, обладают физиологической активностью, способны образовывать координационные-соединения о металлами; регулировать минеральное питание и интенсифицировать продукционный процесс растений. Применение пройз—■> водных лигнина в* растениеводстве. позволяет "снизить себестои- -мость комплекоонов и расширить сырьевую базу по их выработке ¡ Ю. Способность к хелатированию - основная физиологически значимая функция комплекоонов как.регуляторов прорастания семян.. Этот процесс.и продуктивность растений в ооновном стимулируют ионизированные форлы органических : лигандово'незадействован- */ ными на'координацию металлов-микроэлементов фзгнкциональными группами при значениях реакции среды, существенно:превышающих, их константы протонизации... ■ ■ .• : -, ■ ;: П. Днфференцированность биологической функциональности харак-
.еі'.'стпк и своЛств си ігетических ко'лплексонатов предполагает г.р 'кушиальло новую стратегія) прчиененич координационных соеди-пениЛ микроэлементов в растснгево^отв ори",ітироланн/ю не толь-\о на обеспеченна водораотворкгэсги 't галлов, но и на адекватный учеа специфіки способа, уо. озлй тшерального питания и физиологии шсших растений.
СПИСОК
основных работ, опубликованных по тепе диссертации
Г. Еитшкий Н.П. О роли сштеті'чесі-lec ku іПЛЄКСОНОВ В ОТОЧИМИ-чесч.г.с окислительно-зосоїачовительїшх реакциях железа у висших растений.// Тез.докл. зсесоюзн. конф. " Почвенно-ыгрохигяпескле и экологические проблемы формирования високопродуктивних .сгро-ценозов."- Пущшо, 1988.- С. 10-11.
2. Біткцкий Н.П., Кузнецова H.K., Перов H.H. и др. ¡'спользовг-шш производных лнггана в качестве средства для борьбы с х. Р >-зом растений.// Тез. докл. всесоюзн. се>«/нара " Пспользова. и ї лигнина и его производных в сельском хозяйстве."-Ленинград-Пушкин, 1989.- С. 84-85.
3. Битюцкий Н.П., Перов H.H., Ильин В.И. я др. " Способ лечеши растений от карбонатного хлороза."- Авторсчоо свидетельство
.'5 І584І65 ( приоритет U).0G.88, зарегистрировано 8.04.50).
4. Битвдккй Н.П. Значение органического лиганда в пг дупрежде-чии хлороза растений // Вестзшк Ленингр.ун-та,- 1990,- сер. 3, шп.1.- С. 96-100.
5. Битищшй Н.П., Каценко A.C., Шишкова Л.В. Действие компчеь-сонов и коїшлсксонатов на дерново-подзолистой почве // Вестниг сельскохозяйственной науки.- 1990.- Г» 4,- С. 130-132.
6. Биткішій Н.П., Кащеько A.C. Биологическая активность компл..д-сонатов железа при различшис значениях реакции среда // Весг-)ЬЖ Лешздгр. ун-та,- І99Т,- Сср.З, шп.З.- С. 97-IQI.
7. Бптнцкий Н.П., Кащенко A.C., Дятлова Н.М., Царева З.И. vcto-чіппіческая активность ко*илексонатов железа и карбонаїшл хлороз растений // Докл. ВАСХГСІЛ,- 1991.- А 7.- С. 21-25.
Ь. Битщкизі Н.П., Кащенко A.C., Коззв З.П. Действие скит т.гчес-1ЛХ комшгексонов и котлексонатов на хи. сггессий состав растений // Агрохш.ыя.- IS9I.- J« т0.~ С. 99-107.
3J
9. Битюцкий II.П., Кащенко A.C., Терехов A.B. Приемы регулирования нитратного обмена в -листовых овощных культурах защищен- • ного грунта // Тез. докл. конф. "Физиолого-генетические механизмы рехуляции азотного питания растений."- Киев, 1991,-
С.70-71. • ■ . \; . _ „
10. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C., Толкачева Г.Г. Действие цеог литов и комплексонов на почвенное питание растений // Вестник С,-Петербурга?. ун-та.- 1992.-Сер.3, вып.1.- С.87-92.
П. Битюцкий Н.П., Кузнецова H.H., Перов H.H.,' Илыш В.И. " Производные лигнина и оптимизация питания растений микроэлементами // Агрохимия.- 1992.- JS 4.- С.80-84. . ' ."
12. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C. Действие комплексонатов металлов-микроэлементов при некорневом питании растений // Агрохимия.- 1992.- JS 5.- С.102-109.
13. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C. Влияние металлов на эффектов- ' ность некорневых.подкормок соединениями железа при карбонатном хлорозе растений // Докл. Россельхозакадемий.- 1992.-•
R 8.- С. 13-17. . ^ ' ■ .
14. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C., Дятлова Н.М. и др. "Способ регулирования роота растений."- Патентное изобретение (решение о выдаче Ф JS 01 ИЗ-91 от 29.06.92, заявка JS- 4752605/15 (I30I90)). . • 4 .-
15. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C., Светличная Н.В. Синтетические комплексоны и кошлексонаты микроэлементов в регуляции прорастания семян // Вестник С.-Петербургского ун-та.- 1992.- Сер.З,
. вып.4.- С. 79-90. . .: • ... ' : .: .
Объем 1? П 7
Заказ 138
Тираж 100
Типография Московской с х академии им К А Тимирязева 127560 Москва И 55Л Тимирязевская ул, 44
- Битюцкий, Николай Петрович
- доктора биологических наук
- Москва, 1993
- ВАК 06.01.04
- Роль комплексонов в регуляции питания растений микроэлементами
- Эффективность применения микроэлементов и их комплексонатов на посевах льна-долгунца в условиях Северо-Запада Российской Федерации
- Эффективность способов применения медь-, молибденсодержащих хелатных микроудобрений (ЖУСС) при возделывании яровой пшеницы
- Влияние ультрадисперсных порошков металлов (УДПМ) - новых микроудобрений на урожайность и качество зеленой массы рапса
- Формирование урожайности овса Аргамак при разных формах и способах применения микроудобрений в Среднем Предуралье