Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Роль комплексонов в регуляции питания растений микроэлементами

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "Роль комплексонов в регуляции питания растений микроэлементами"

03

_ .1 ?1.,*И> ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ Ль'ЫбХОЗЯИСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

РГО

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА

На правах рукописи БИТЮЦКИЙ Николай Петрович

УДК 581.13 : 577.17.049

РОЛЬ КОМПЛЕКСОНОВ В РЕГУЛЯЦИИ ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ 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.

Защита диссертации состоится . » 1г

на заседании специализированного совета Д 120.35.02 в Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Адрес: 127550, Москва И-550 Тимирязевская ул., 49. Ученый совет ТСХА.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета — кандидат сельскохозяйственных наук

Л. М. Наумова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Микроэлементы - необходимое условие нормальной жизнедеятельности растений. Поэтому разработка способов оптимизации микроэлементного питания сельскохозяйственных культур является приоритетной задачей растениеводства. Ее решение осложняют процессы, ограничивающие подвижный пул микроэлементов в почвах агроэкосистем. Усилению сорбции почвешю-поглощащим комплексом микроэлементов, препятствующей ¡а включению в фитометаболизм, способствуют различные антропогенные воздействия, в частности, применение химических мелиорантов и некоторых видов удобрений. Перечисленные фактор! детерминируют снижение биологической активности традиционных форм микроудобрений - минеральных солей микроэлементов. Их дефицит, вызывая серьезные нарушения в продукционном процессе растений, уменьшает эффективность многих агротехнических методов повышения плодородия почв. Необходимость в коррекции микроэлементного питания растений наиболее актуальна для регионов распространения карбонатных и требующих известкования' почв, а также защищенного грунта.

Дта оптимизации питания растений микроэлементами применяют синтетические комплексоны. Эти соединения способны образовывать водорастворимые циклические структуры с металлами-микроэлементами и повышать юс биологическую активность. Однако характер действия комплексонов на минеральное питание, продуктивность, химический состав растений в зависимости от состава координационных, со едшедай, условий, способов питания и генотипической специфики культур исследован далеко не достаточно. Относительно слабая изученность этой.проблемы, а такне слояность поведения хелатирущих агентов в системе почва - растение обусловили противоречивость мнений о значимости биорегуляторной функции синтетических лигандов. Необходимость разработки теоретических основ применения комплексонов и комплексонатов микроэлементов в технологиях по возделыванию зфльтурных растений и в ситемо мероприятий по обеспечению устойчивого плодородия почв определяет актуальность настоящей работы.

Цель и задача работы. Основная цель работы - изучение роли комплексонов в регутшщш питания растений микроэлементами я разработка теоретических основ и практических аспектов пряменб-.

ния хелатирувдих агентов в растениеводстве.

Основные задачи:

1)' изучить на примере зерновых, кормовых, овощных и ягодш культур биологическую эффективность технологичеаси перспективных комплексонов и комплексонатов микроэлементо] (Ре.Мп.'М.Си.Со) при различных почвенных условиях и. сш ообах применения;

2)'выявить факторы, обусловливающие биологическую эффекти ность комплексонов,'и ее критерии;

• 3) определить на уровне целого организма вероятные мехшш: мы регуляции комплексонами минерального питания раотан;

4) разработать научные основы рациональных"технологий применения комплексонов и комплексонатов микроэлементов д. повышения продуктивности культурных растений и получена экологически чистой продукции растениеводства.

Научная новизна. Впервые обосновывается концепция диффере) цированности биологической функциональности в фитопродукцион-ном процессе характеристик оинтетических ког.шлексонатов шшр( элементов в зависимости от опособа, условии питания и геноти-пичоской специфики высших растений

На уровне целого организма определены вероятные механизмы регуляции комплексонами минерального питания и продуктивное^ растений. Разработаны теоретические основы параметризации логически значимых свойств хелатов микроэлементов с учетом природа металла и органического лиганда, их концентрации и 'о отношения', способа питания и видовых особенностей растений. ' основании обобщения литературных и собственннх экспериментам ннх данкшс разработана концептуальная схема основных фактора определяющих антихлорозную эффективность соединений железа п; некорневом питании растений.

Теоретически обоснована целесообразность применения в качестве регуляторов продуктивности п химического состава раст ний продуктов окисления гидролизного лигнина азотной кислото. новых хелатирукцих агентов, использование которых позволяет щественно снизить'себестоимость и расширить сырьевую базу.по производству перспектив1шх для растениеводства комплексонов

Развиваемые теоретические принципы положены'в основу новы: способов коррекции дефицита микроэлементов у растений. Спосо'

излечивания карбонатного хлороза растений защищен авторским звндэтельством, опособ регулирования роста растений признан патентным изобретением.

Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы в качестве теоретической основы дая проектнрова-. ния элементов технологий по интенсивному возделыванию сельскохозяйственных культур в почве и в условиях защищенного грунта, а также дош •разработки новых способов коррекции дефицита микроэлементов у растений. Учет установленных закономерностей создает предпосылки для биологически и экономически эффектов--ного применения комплексонов и комплексонатов микроэлементов в растениеводстве. Практическое•внедрение фотохимической диагностики соединений железа,' основанной на выявленной взаимосвязи их фотохимической и биологической активностей, позволит оперативно идентифицировать наиболее оптимальные составы композиций микроэлементов, применяемых в качестве антихлорозных средств при некорневых подкормках растений. Полученные результаты исследований расширяют. представления в области минерального питания растений и могут быть использованы в лекционных курсах. '*

Реализация результатов исследования. С.участием автора подготовлены рекомендации ло.применению микроэлементов на известкованных почвах {утверждены ВЙНО "Сопзсельхозхимия" в Т990 г.). Разработанные в процессе исследований способы коррекции дефицита микроэлементов- у растений апробированы с получением позитивных результатов в производственных условиях при возделывании винограда^Анапский район Краснодарского края) и зеленых культур защищенного грунта (ПО "Лето", г.Санкт-Петербург). Материалы работы используются при чтении учебных курсов "Агрохимия" "Корневое питание растений" на кафедре агрохимии Санкт-Петербургского'университета.

Апробация. Материалы диссертации доложены: на всесоюзной хонфв1Юйцш1гиПочвенно-агрохи1,шческиё и. экологические проблемы формирования высокопродуктивных агроценозов" (Пущино,- 1988), ; всесоюзных семинарах "Разработка и рациональное применение . удобрений" (Ленинград, 1989) и "Использование лигнина и его . производных в сельском хозяйстве" (Ленияград-Цупшин, 1989), конференции "Физйолого-генетическив механизма регуляции азот- '': з.

ного питания растений" (Киев, 1991).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и еыводов; изложена на 310 отра-нкцах, содержит 141 таблицу, 36 рисунков и список литературы, включающий 449 работ,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

ГЛАВА I. ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛА И МЕТОДОВ ИССЛЗДОВАИИЙ

Роль комплексоков в регуляции питания растений микроэлементами каучаш в полевых, вегетациокшйс и лабораторных опытах в IS85-I992 гг. Полевые опыты проводили в регионах распространения дерново-подзолистых почв (Лзшшградская обл.) и карбонатных черноземов (Анапский район Краснодарского края). В Ленин-, градской обл. опыты закладывали в производственных посевах и на опытных полях научных учреждений, в Краснодарском крае - в производственных условиях на виноградниках. Вегетационные опыты осуществляли на базе Биологического ЮШ Ленинградского-Санкт-Петербургского государственного университета с почвенными и водными культура!.®. Почвенные культуры выращивали на раэ-•личных по гранулометрическому составу, дерново-подзолистых почвах, , водные - на модифицированных смесях Кнопа.

Исследовали наиболее типичные комплексоны аминокарбонового и фосфорсодержащего рядов: шинодиукоусную (ИДА.), китрилтриук-оусную (HTA), этилендиашш-Ы ,W-диуксусную (ЭЭДА),'этиленда-амин-и , « , ц'.ы'-тетрауксусную (ЭДТА), диэтилентриамин- N,n,. U , ы",Я*-пентауксус11ую (ДТПА), нитрилтршетиленфосфоновую -. (KTI-), зтиленднамин- Н.М^Ы'.ы'-тетраглетиленфоофоковую (ЭДВД) I-гидроксиэтилидендифосфоковую (ОЭДФ) ¡«слоты. Действие синтетических комплексоков сравнивали с влиянием на растения природных органических соединений: яблочной, винной, лимонной, аскорбиновой кислот. / :

С целью оценки возможности расширения сырьевой базы даш получения физиологически активных.комплексонов и комшхексонатов с низкой себестоимостью изучали продаете окисления,гидролизного лигнина азотной кислотой (ПСГЛ). По., свои.: физико-химическим свойствам, элементному и функциональному составам ПОГЛ близки природным фульвокислотам- и способны образовывать-координационные соединения с металлами (Васкзш и др.» IS80, 1981),

Индикаторные культуры: райграо однолетний многоукосный ИзорскиЙ; овес Боррус, Шшсу; ячмень Белогорский, Зазерский, КриничныЙ, Московсний-121, Надя, Новосибирский, Пиркка, Потра; кукуруза Буковинский-3; горох Рамонский, Спрут; фасоль Ока; подсолнечник Передовик, Харьков, БНШШ; ■ горчица белая; рапс , яровой Ант; огурец Бетта-Альфа, Дальневосточный, Либелла; салат Московский тепличный, fovatione; картофель Гатчинский; брюква кормовая; вико-овсяная смесь; луговые травы; виноград •Рислинг и Шардоне на Кобер 5 ББ. •

Физиологическое действие комплексонов на прорастание семян. изучали с использованием агаризированных- сред и в почвенных условиях; Семена намачивали в течение 22-24 ч при рекомендуемом соотношении массы семян к объему раствора (Минеев и др., 1991).

Фотохимические, исследования проводили о газоразрядными ртутными лампами: низкого давления типа БУВ - ДБ-15 (осветитель УФО-254), сверхвысокого давления - ДРК-120 (осветитель КФ-4М), ДРИ-ЮОО. Для исключения определенного диапазона дайн волн из спектра излучения источника-применяли стеклянные светофильтры. Интенсивность поглощенного света измеряли быстродействующим ферриоксалатшм актинометром, квантовые выхода фотохимических реакций - спектрофотометрическим методом по изменению оптической плотности растворов. Скорость фотохимического восстановления-Fe (П1) до Ре (II) оценивали по изменению оптической плотности комплекса je(II) с о-фенантролином, который вносили в раствор по окончании облучения. Контрастные уровни освещения растений создавали применением полога из марли и темной тка1ш.

Растительные и почвенные образцы, как правило, анализироза-ли общепринятыми методами. Элементный химический состав растений оценивали рентгенофлуоресцентным методом с помощью анализатора-. "ТЕРА" (США), после сухого о золения в оолянокам&й- хл-тяжкв с использованием атомно-абсорбционного спектрофотометра "AAS -Iii", после мокрого сжигания ö крепкой H2S04 общеприняга-ми методами. Повторноеть опытов и определений - 3-15-кратная. Проведены дисперсионный, корреляционный, регрессионный и факторный анализы, полученных данных. Достоверность результатов оценивали с вероятностью 95 %, Расчеты проводили на микро-ЭВМ

"Электроника", и Amstrad " о использованием прикладных программ, разработанных в лабораториях биометрии и геоботаники БиНЙИ СПбГУ.

ГЛАВА 2. КОМПЛЕКСОНЫ В РЕШИЩИ КОРИЕВОГО ШТАШЛ РАСТЕНИИ ШИСРОЗЛиШТШ

В глава анализируются основные факторы, определяющие подвижность микроэлементов в почве, пути адаптации растений к дефициту микроэлементов и физиологические' причины его возникновения. Обосновывается необходимость применения комплекоонов для регуляции микроэлементного питания растений в разнообразных почвенно-экологических условиях. Наиболее актуально - использование комплексонов при оптимизации питания оельскохозяй-. стве}шых культур железом (Островокая и др., 1973; Чурбанов, 1978; MortveAV, 1986; Ягодин и др., 198?; Зайцева, 1989). Аномально низкая растворимость в воде минеральных соединений этого металла, особенно трехвалентной формы, при повышенных . значениях окислительно-восстановительного потенциала и реакции среда, характерных для многих типов карбонатных почв, а также гидропонных условий, существенно лимитирует питание, и продукционный процесо растений ( ^îruisav ol.r 1982). ,

Выполненные, исследования расширяют представления о механизмах усвоения корнями растений комплекоонатов железа. Установлено, что при корневом питании характер и степень проявления антяхлорозного действия Ре-хелатов определяются как их составом, так и напряженностью условий Ре-стресса и генотипэтескими особенностями культур. При нормальной обеспеченности железом обусловленная природой комплекоона специфичность в усвоении, растением этого металла не обнаруживается или незначительна. С обострением Ре-дефицита наблвдается дифференциация биологической активности комплекоонатов железа (рис,1). В слабокислых раотворах с пониженной концентрацией ?е-хелатов максимальная антихлорозная эффективность при их эквимолярном составе характерна для комплексов, образованных ородаедентатными фосфорао-деркащими лигандами. Эта закономерность распространяется на вида растений с различными механизмами адаптации'к условиям Fe-двфицита (стратегия I и II). Нарушения в минеральном питании, обусловленные избытком лиганда над железом, наблюдаются только у растений стратегии II.

ЯЧМЕНЬ (стратегия II)

Ркс.1. Антяхлорозная эффективность комплексонатов железа в зависимости от шс состава, условий Ре-стрбсса и геноитической специфики растений при. корневом питании (Срд^.б'Ю-6 М): Г- Ра-ДТПА, 2- ?б-НГА, 3- 5е-Ш, 4- Ре~0Э®.

В щелочных питательных средах (варианты с бикарбонатом) видовые особенности растений в корневом усвоении различных соединений железа проявляются особенно четко. Наиболее полная мо-таболизация »елеза растениями стратегии Л (ячмень) с фитоои-дерофорным механизмом адаптации к условиям Ре-стресса (Тг>ка-

1984; ^ аЬ, 1908) происходит при зквимолярном соотношении ?е/лиганд из комплексов, образованных среднеден-татными комплексонами (НТА, ЮТ, ОЭДФ), при избытке лиганда над железом - аминокарбоновыми хелантами (НТА, ДТПА). Ответная реакция на бикарбонат растений стратегии I (огурец), адаптирующихся к ?е-дефициту путем интенсификации Ре-редукции на поверхности корня, заключается в резком ингибироваяии рЬстовых процессов, особенно при использовании Ре-комплексов среднеден-тат1шх дигандов (НТА, Н№, 03да>).

Применение КСОд" способствует значительному подщелачивают реакции среды (рН-8) и разрушению хелат'Ов, сопровождающемуся понижением концентрации'во"дораствор1йо1х (¡юр-/ железа в питательном растворе. Интенсивность диссоциации выше при зквимолярном составе комплексов, образованных лцгандами с более низкой ден-татноотью. Для огурца установлена сильная положительная взаимосвязь' ( г* = 0,798) между содержанием хлорофилла в листьях и концентрацией в питательном растворе водорастворимых форм железа. У ячменя тесной корреляции между этими показателями не обнаружено, Видовые различия определяются спецификой функцио-нироашшя механизмов адаптации растений к Ре-стрессу. В отли-чйе от'видов стратегии II для растешй! стратегии I характерно сильное''подавление эффективности усвоения железа при повышенных значениях рН и отсутствии подвижных форм металла в корневой 'зоне ( &отЬе1с1 , 1987). Эта специфичность объясняет 'больший в сравнении с ячменем контраст между•вариантами с НСОд" •и без него при выращивании огурца. Однако интерпретация с помощью критерия водорастворнмости соединешй железа различий' в эффективности его усвоения из низкононцентрированных растворов -хелатов, в частности, в слабокислых.средах затруднена. Следовательно, устойчивость к диссоциации не является универсальным, показателем комплексонатов железа, безусловно.определяющим их биологическую,эффективность при корневом питашш растений.

Первичный этап усвоения растением ?е-хелатов предполагает

их взаимодействие с клетками поверхности корня (ЛдИлсг-е^о!., 1984). Дня выяснения биологической значимости сорбционных свойств Ре-хелатов и уменьшения вероятного влияния побочных эффектов, обусловленных длительным пребыванием комплекоонатов в растворе, разработана оригинальная схема экспериментов, предусматривавшая изучение физиологических последствий краткосрочного (5-10 да.) контакта растений о различными соединениями железа. Прерывание контакта осуществлялось путем перенесения растений на растворы без Ре-комплексонатов. Установлено,что наиболее сильное пора-кение растений хлорозом наблюдается после исключения из состава питательной среды Ре-хёлатов высокоден-татных (ДТПА, Ма2~ЭДТА, ЭДТФ), наименее - среднедентатных фосфорсодержащих (ОЭДФ, НИ) комплексонов. По степени антихлороз-ного последействия среднедентатный шшгокарб о новы й хелат - Ре— НТА 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 кислоты-комплек-сообразователя, -значений ее констант протонирования (рК), так и степени"окисления катиона. Относительно низкими величинами рК характеризуются карбоксильные группы, способные дгссоцииро-вать с образованием отрицательно заретешшх ионов уяе в кислых растворах (Дятлова и др., 1970)., С увеличением числа карбоксильных груш в молекуле иомплексона повышение прочности и отрицательного заряда Ре-хелата сопровождается снижением его сорбционной способности в отношении одноименно заряженных поверхностей. По этой причине при усвоении растениями низкокон-центрированнызс растворов Ре-комцлексов, образованных высокодан-татнымл шинокарбояошми лигандами, происходит незначительное накопление в корнях функционально активного железа и сильное поражение листьев хлорозом. С уменьшением числа карбоксильных групп потенциальная основность органической кислоты снижается, а оорбция корнями и метаболиэация растешем Ре-хелатов усиливается (варианты с Ре-НТА). ,.,

1 2 3 4 5 6

Рио.2. Антихлорозная эффективность комплексокатов железа через 31 день после их исклшения из состава питательной среда. Водная культура ячменя. Продолжительность взаимодействия корней с Ре-хелатами - 5 дней: а- содержание хлорофилла (а+Ь) в листьях, мг/г сырой массы;

б- накопление Ре в корнях, мкг/сосуд; I- Ре-ДТПА, 2- На2-ЭДТА, 3- Ре-НТА, 4- Ре-ЭДТФ, 5- Ре-НТФ, 6- Ре-ОЭда. . ■ "

% к Ре-ДГПА 100 4

80 60 40 20

Подсолнечник > . Кукуруза

Рис.3. Влияние комплексонатов железа на содержание хлорофил. (а+Ь) в листьях при некорневом питании раотений: I- контроль(Н20), .2- Ре-НТА, 3- Ре-ЭДДА, 4- Ре-^а2-ЭДТА, 5- Ре-ДТПА, 6- Ре-ОЭ®,.. . ?- ре-нта, 8- Ре-ДО.

В состав фосфоновой группы входит два протона водорода, поэтому фосфорсодержащие комплекооны имеют большую в сравнении о карбоновыми аналогами потенциальную основность. Однако в сравнении о карбоксильными фосфоновые группы характеризуются более высокими величинами констант протонирования,' что свидетельствует о повышенном даже при щелочной реакции среда сродстве фосфорсодержащих лигандов к протону водорода (Дятлова и др., 1988). В связи с этим в физиологическом интервале значений рН питательных растворов средаедентатные фосфорсодержащие лиганда склонны формировать протониро.ванкые комплексы железа ' о повышенной способностью сорбироваться корневыми системами. О увеличением степени протонированности Ре-комплексоната его прочность уменьшается. Однако для менее агрессивных сред (гидропонные питательные смеси) значения' ^ К Ре-хелатов, образо- ■ ванных ореднедентатными фосфорсодержащими лигандами, являются достаточными, чтобы не лимитировать корневое питание растений.

С позиции оценки степени взаимодействия комплексонатов о корнями интерпретируются и результаты экспериментов о различным соотношением Ре/литанд. Следовательно, устойчивость к диссоциации и способность сорбироваться корневыми системами - основные характеристики.Ре-комплексонатов, оптимизирующие усвоение растениями нелеза из его низкоконцентрированшх■растворов. Сочетание таких свойств трудно достижимо в ряду алифатических карбоновых лигандов. Депротонизация - необходимое условие участия карбоксильных груш.в образовании коорданационшг связей о металлами. Поэтому увеличение числа карбоксильных'групп в молекуле комплеЙЬона ведет не только к повышению дентатности, но и усилению его.кислотных свойств. Альтернативой является использование среднедентатных фосфорсодержащих лигандов, харак-терязущихоя повышенным сродством к протону водорода. С усилением действия агрессивных'в отношении.хелатов экологических факторов требования к дентатности и селективности кошлексонов значительно возрастают."В щелочном интервале значений рН рао-творов и'при повышенных концентрациях металлов, конкурирующих за места связывания в хелатном комплексе, преимуществом обладают .высокодентатчые и "селективные к яелезу лиганда. Наиболее четко эта закономерность проявляется в отношении растений стратегии.!." ' . '" ' . . . . " '

' — М '

Теоретически и экспериментально обосновывается возможность применения в качестве регуляторов корневого питания растений железом продуктов окиоления'гидролизного лигнина азотной кислотой. В условиях гидропоники установлено, что использование железа в виде комплексов о ПОГЛ благотворно сказывается на продукционном процесое различных видов сельскохозяйственных культур. В сравнении с,минеральной солью железа органо-шше-ральдае комплексы ЛОГЛ усиливают поступление в фотосинтезиру-щио оргшш растений биологически, активной формы Fe (II) и увеличивают в них соотношение Pq(II)/Po(III). При этом повышается • содержание хлорофилла в листьях и ускоряется формирование биомассы растений. Биологический эффект от производных гидролизного лигнина сравним с действием стандартных синтетических аминокарбоновых комплексонов. .

'В главе развиваются представления.Н.Ы. Дятловой, H.A. Зайцевой, А.И. Карпухина, И.О. Кауричева, Ю.Л., Маз^еля, Д.К., Ос- . •тровокой, ¡O.A. Потатуевой, В.И. Савича, В,Я. Темкиной, Б.А. Ягодина и других о комплексонах и комплексонатах различных микроэлементов как регуляторах минерального' питания растений. В результате выполненных иооледований показано, что биологическое действие оинтетических комплексонов наиболее^ полно-проявляется в условиях.почвенной ореда, снижающих иетаболизации минеральных солей металлов-микроэлементов. Нарушения в микро-' элементном питании растений обнаруживаются при известковании почв, применении сорбентов (цеолитов), возделывании культур на почвах- о утяжеленным гранулометрическим..составом.,По эффективности устранения дефицита микроэлементов комплексоны и кс.тплек-сонаш превосходят традиционные формы микроудобрений мине-ралыше ооли металлов. . *" . ... • ■■'_'.'" . - ,/ - '•,

■ В различных агроэкологаческих..условиях выявлено, что' при внесении в почвы'хелатирующие агенты оказывает-отимулирущев воздействие на формирование биомассы, нитратредуцирущио про-. цессы, азотный обмен вцелом, ¿ппсроэлементкое питание растений. Применение комплексонов.увеличивает как концентрации, так" к валовой сбор хозяйственно ценных.веществ (белковкй азот," крахмал, биофильные металлы,' сухое .вещество и т.д.). При адекватном подборе форм и концентраций мпкроудобрення на основе . ' комплексонов . способствуют,наиболее;'золно?:у-выражении структу-

■■■■■• ■ ' dZ ■

ри признаков качества а продуктивности различных видоэ зерно-,вых, кормовых и овощных культур. При этом высокая эффективность биологического действия характерна как для применения комплексонов бовместно с простыми минеральными удобрениями, так и в составе сложных модифицированных туков.

Установлено, что. в условиях известкуемых почв биорегу.таборная функция комплексонов заключается в коррекции усвоения растениями металлов в направлении, благоприятотвукщем накоплению марганца, а такке цинка в вегетативных органах. Подвижность этих микроэлементов в'почве в наибольшей степени подвержена ■ .негативному воздействию химических мелиорантов и агротехнических мероприятий. Иггдуцнрованноэ комплексонами превалирование транслокации марганца и дата в ряде случаев сопровождается подавлением накопления в биомассе меда. По-видимому, при дос- • таточзшх количествах аномально высокая координационная способность этого металла (Спицын, IS84) и свойства элемента-антато-пиота препятствует нормальному усвоению других микроэлементов растениями и вызывает отклонения в их продукционном процессе.

, Экспериментально' показало, что оптимизация минерального питания-растент] при внесения номшшксонов в почву достигается пак в рззулътате стабилизации подшшюстп привносимых шгкроэ-лементоз» так,я'мобилизация металлов почвенного фонда. При этой дентатость в основном но обусловливает-специфичность биологического действия комшюкссйюв в почве. .Результативны как ■ Енсокодснтаинз, тол: п' ф'орьетруткрю менее-устойчивые щйшичео-хшз структуры с пегаллаи лпггнда.Слэдорлтельно, в условиях слабокислых йгвзсткокшшк почз орздна- или "дакв относительно няэиодзататсзго' когяиекоонн обооиечтаж достаточную.для растений устойчивость а доотугагоота хааятгх комплексов мгосроалемен-тоз. Сравнительно. слабые компдекоообраэущпэ свойства ¡аргон- • ца (цинка) как ооновшх ятт-трующа: при пэвооткоэшпп! ¿продуктивность раотешЗ мккроэлепентоэ препятствуют, прочного взаско-действшэ SESX кэтгшгоэ ó. ШК и обусломяза»? минилализшда требований к даоорбиррягей способности сеойодйнх форм кемплекоо-нов. Вследствие меяьшйЗ завкешойтп. oír вотазшшх уодбвнй ж доз позитивный характер биологического действия агданокарбоновых комшгэнсонов отличается больизйв сразивши о фрсфоре'одзргощл-ми стабильностью. Преимущества фосфорсодераалда лагандов прей

являются в регуляции китратредуцирующих процессов, белкового обмена растений и пролонгированное™ физиологического действ

Представленные в главе материалы обооновывают целесообраз кость и определяют методологию применения координационных оо динений микроэлементов в качестве регуляторов корневого пята иия растений при их возделывании в условиях известкованных почв и гидропоники.

ГЛАВА 3. КОМШЙЖСОНЫ Б. РЕГУЛЯЦИИ НЕКОРНЕВОГО ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ ЖЕЛЕЗОМ .

Некорневые подкормки, микроэлементами - один из .аффективны экономически оправданных и оперативных способов коррекции де Звдита этих соединений у растений. Незначительный раоход дор гостоящих химических средств, возможность непосредственной, минуя сложные взаимодействия в почвенной среде, доставки не-обходамого элемента питания к органам растений обусловили ни рокое распространение некорневых подкормок в растениеводотве (Аяспок, 1990). Целесообразность применения комплекоонов для оптимизации некорневого питания растений аелеэом, так же как и корневого, определяется низкой водорастворимостью минераль ' ных солей металла.Сильная сорбция этих соединений эшосутику-лярным слоем листа вызывает нарушения в усвоении растением & леза и предполагает необходимость использования его. водораст воримых форм ( УетаМоп., Скат-»1 , 1989). Однако теоретические основы применения хедатов при некорневом питании раот ний практически не разработаны,

В главе излагаются результаты исследований по изучению вл яния состава координационных соединений,.реакции среда,.мета лов-микроэлементов, оптического излучения на процесо усвоени, келеза растениями при некорневом-гшташш. В .экспериментах о различными видами Ре-дефицитных растений установлено, что пр: рода комплексона - один из наиболее, мощных факторов,;¿предел кщих антихлорозные свойства хелатов железа при некорневых по, кормках. Несмотря : на изначальную,водорастворимость всех изу . ченннх Ре-комплексонатов, • лучшая результативность достигаете.

при использовании высокодэнтатных комплексонов аминокарбонов! . го ряда и продуктов окисления 'гидролизного лигнина азотной к лотой (рис.3). Аномально низкая эффективность излечивания

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 мэ-нее устойчивых комплексов (Островская и др., 1973; Дятлова и др., 1988). Из анализа полученных экспериментальных данных следует, что в ряду карболовых лигандов лучшими антихлорозны-ми свойствами характеризуются комплексонатн железа с наиболее высоким значениями Ц К. Вместе с 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 ?е-комп-лексонатов которой сравнима с НТА и ЭДНА. Варьирование проч- • ности комплексонатов путем использования окисных и закисных форм железа, а также введения в состав рабочих растворов сильного восстановителя (аскорбиновой кислоты) достоверно не изменяет антихлорозных свойств препаратов. Следовательно, при некорневом питании растений водорастворямооть и устойчивость к диссоциации не являются самодостаточными признаками биологической эффективности комплексонатов железа. , Этот вывод подтверждают результаты экспериментов по изучению влияния реакции среда рабочих растворов на усвое»ие листьями различных'соединений лелеэа. Биологически оптимальный интервал значений рН растзоров Ре-комплексснатоз, как правило, ограничивается более узкой (кислой) областью в сравнении о допустимой для существования водорастворимых хелатшх комплексов (рис.4); При этом антихлорозная эффективность фосфорсодержащих комплексонатов железа сохраняется на низком уровне при воех изученных значениях рН растворов.

Обсувдаются практически не изученные вероятные механизмы влияния различных композиций микроэлементов на процесс некорневого питания растений железом. Некорневые подкормки смесями микроэлементов осуществляют с целью снижения затрат и комплексной оптимизации минерального питания сельскохозяйственных культур. Показано, что степень излечивания хлороза растений

' ■■■ 'к '

ад

§

И и

1,5

0,9-

0,3

Ре

Ш Гнор05 2

□ I

Ре-ДТПА

П

№

2,0

■1,2

0,4

8

рН 4 рН 5,5 рН 7 рН 4 рН 5,5 рН ?

Feo, 4. Анташсорозкая эффективность'некорневых подкорлок огурца соединениями железа при различных значениях реакций среда: I- содержание хлорофилла (а+&) в листьях, 2- сухая касса надземных органов.

% К фону .

Рис.5. Влияние микроэлементов на фотохимическую активность и антнхлорозную эффективность соединений железа при некорневом питании растений (Ре:М=1:1): ' а- содерасание хлорофилла (а+§) в листьях; <3- скорость фотохимического восстановления Ре (III) до Ре(И);

I- контроль (Н20), 2- РеБО^-йон, 3- фон+На» 4- фон+Еп, 5- фот-Си, 6- фок+Се, 2- Ре-ДТПА(фон), ¿~ Ре .Мя-ДТПА, , 4-Ре,2п.-Дт, Ро,Си.-ДТПА, 6-' Ре,Со-Дт.

определяется составом композиции микроэлементов (рпс.5). При отсутствии комплексонов в составе рабочего раствора антихло-розное действие минеральной соли железа резко элкгшнкруется добавлением кеда. Значительное ингибировалие синтеза хлорофилла в листьях обнаруживается и при использовании неорганического железа в сочета!ШИ о кобальтом. Напротив, опрыскивание растений РеЗ04 совместно о солями марганца и цинка отрицательного воздействия на эффективность подкормки не оказывает;

При обработав растений хелатировашшм железом характер влияния микроэлементов на результативность подкормки существенно изменяется и определяется как природой металла к органического ллгавда, так и соотношением ингредиентов композиции. Б условиях, достаточных для полной координации всех металлов композиции, нарушения в метаболизадют железа наблюдаются при совместном применении Ре-хелатов высокодентатных аминокарбонових лг-гандов с марганцем и медью. В присутствии средкедектатшх ком-плекооиов подавление усвоения листьями железа может происходить при введении в растворы эквшолярдах с Ре количеств меди, кобальта, реже цинка, но не марганца. На фоне слабого антихло-. розного действия Ре-цитрата физиологические эффекты от микро-

■ элементов не обнаруживаются. В отличие от меди марганец не ин-гибирует излечивание хлороза растений при использовании смесей этого микроэлемента с эквимолярньгми Ре-комплексами высокоден-

' татных аминокарботовых комплексопов:.

Сопоставимость аятахлорозкой эффективности о водораствори-мость» 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 формы Ре(II). Специфика кобальта может интерпретироваться его -конкурентными отношениям с 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 меди с хе-. латаш железа эквтгалярного состава. Однако при избытке комп-

■ лексона. показатель водораствортгости биологически* значимым не .является.- Устойчивости хелатов способствует наличие 2-кратного

превышения концентрации органического лиганда над железом, что препятствует диссоциации комплексов и потери их водораствори-мости даже при эквимолярном соотношении Ре с дополнительно вводимым микроэлементом. Кроме того прибавление соли марганца к растворам комплексонатов железа эквимолярного состава, вызывая в некоторых случаях юс незначительное разрушение, тем не менее нэ сникает результативности некорневых подкормок.

Анализ вероятных причин ухудшения,антихлорозных свойств композиций с точки зрения оценки доступности растениям микроэлементов из хелат.ов, а также учета явления РеДк-антагонизма представляется малоперспективным. Как установлено, координация микроэлементов ашнокарбоновыш лигандами, как правило, не препятствует доступности металлов растениям при некорневом питании. Аргументами против значимости Fe/Mw-антагонизма являются факты отсутствия негативных последствий от некорневых подкормок маргагщем в смеси с неорганическим нелезом и эквшаяярныш Ре-хелатиыми комплексами.

Неудовлетворительные результаты интерпретации полученных данных с точки зрения традиционных представлений о биологической значимости устойчивости и водорастворимости комплексонатов железа позволили предположить существенность при некорневом питании растений фотохимической^активности координационных соединений этого металла п определяющих ее факторов. Метаболические процессы растений нуждаются в двухвалентной форме келеза ( Ctorkso«-, Hfcnscirç, 1980). При типичном способе питания растений железом через корень последний является основным органом локализации Ре( 1П)-редуцирующих процессов ( й™*« , Oise*. > 1980; Sijmons , bien^ût , 1984; BUn-Jat-fc , 1988). При нетипичном способе минерального питания через лист появляются предпосылки для возрастания роли;фотохшического восстановления железа (НЕ).

Проведенные с целью выяснения этого вопроса исследования показали, что наиболее высокие квантовые выхода фотохимических реакций характерны для комплексов железа с аминокарбоновнми, а наименее - с фосфорсодержащими лигандами (табл.).

В ряду аминокарбоновых комплексонов величины квантовых выходов фотолиза изменяются обратнопропорционально дентатности лиганда. Скорость фотохимического восстанавления Ре(П1) также.

■ ■ " ' • а , v:v; ■

варьирует в зависимости от природы комплексона и минимальна у фосфорсодержащих хелантов. При этом различия между аминокарбо-

Таблица

Квантовые выхода фотолиза синтетических комплексонатов железа ( С= I• 10 моль/л. Ре:/= 1:1, pH 6, У. обл>=254 им)

Форма Ре HTA ЭДЦА Ка2-ЭДТЛ ДТПА ОЭДФ НТО ЭДТ1>

Ре(Ш) 0,088 Pe(II) 0,П1 0,160 _ 0,057 0,061 0,024 0,030 0,008 0,008 0,005 0,005 . 0,006 0,006

новыми комплексонами проявляются наиболее рельефно с повышением величины рН растворов на более поздних этапах облучения. ' Ингибирование фотовосстановления Pe(III), сопровождающееся разрушением комплексонатов и образованием гидроокислов железа, наблюдается у среднедентатных НТА и ЭДЦА. В растворах о высо-кодентатными лигандами повышенная скорость фоторедукции 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 карбсновые лигапда, стимулируют фотохимическую редукцию Fe(III). По своей фотохимической активности эта соединения значительно превосходят фосфорсодержащие комплексоны. С повышением концентрации комплексонатов окорость фотохимического восотанозления железа, как правило, возрастает, ^явленные закономерности прослеживаются при использовании ламп с широким спектром излучения. По мере исключения коротковолновой области из спектра источника облу- • чения фотохимичеокая активность комплексонатов железа заметно скитается. В ряду карбоновых кислот элиминирование фоторедукции Ре (Ш) в наибольшей степени происходит в растворах о еы-сокодентатныш лигандами, в наименьшей - с природными органическими кислотами. Однако в отличие от фосфорсодержащих комл-лексонов фотовосстановление окисного аелеза в растворах с кар- боновыми лигаадами происходит даже при практически полном исключении УФ-излучения-' из спектра лампы. При этом сохраняется

J9.

описанная выше ваши освязь фотохимияеской активности комллек-сона с его дентатностыо. Для- комплексов двух- и трехвалентного железа характер зависимости скорости их фотохимической деструк-, ции от вида органического лиганда аналогичен.

Показало, что скорость фотохимического восстановления Ре (Ш) в водных растворах комплексонатов зависит от реакции среда. Как правило, величины квантовых выходов процесса фотовосстановления железа максимальны в кислом интервале значений рН растворов при использовании карбоксилсодертагцих лигандов. Фотохимическая активность фосфорсодержащих комплексонатов сохраняется на низком уровне во всем изученном диапазоне рН.

Установлено, что характер воздействия на фотовосстановление Ре(III) микроэлементов дифференцируется в зависимости от их природа и концентрации, вида органического лиганда и соотношения ингредиентов композиции. Наиболее сильное ингибированпо фотохимического восстановления Ре(III) при всех экспозициях прослеживается в вариантах с хелатированной медью (рис.5).. Аналогичная закономерность - на начальных стадиях облучения в.присутствии марганца. При эквимолярном соотношении отих металлов с Ре ско-рооть его фотовосстановления уменьшается по сравнению о контролем на 47-77 %, достигая минимальных значений. Цинк к кобальт характеризуются значительно меньшим участием в фотохимических реакциях, особенно на первичных этапах облучения. При зквпмо-. защит соотношении Ре/лиганд марганец и медь на гаггабзррзг фотовосстановление железа (III),

■ При сопоставлении результатов обнаруживается четкая зависимость антихлорозной эффективности Ре-компяексояаша от их фотохимических свойотв. Очевидно, фотохимическая инертность фосфорсодержащих комплексонов, типичная доя многих производных фоо-фоновой кислоты, препятствует образованию биологически активного железа (II). Различия в характере анишгорозного действия . между фотохимически активными группами высоко- и низкодентатных комплексонов обусловливаются неодинаковым периодом: их -фотораспада. При этом лучшим антихлорозшм действием обладают комплек- . соны, способные к интенсивной, но пролонгированной фотохимической деструкции. Механизм фотолиза карбоксилсодержащих комплек- ' сонатов заключается в элиминировании молекулы С02 и последовательном сокращении хелатного цикла ( Познйк к др., 1972; Аркан-

ков, 1976). В процессе фотолиза образуются промежутдчнне продукты со связью металл-углерод, которые вследствие термической нестабильности распадаются с гемолитическим разрывом связи М-С и образованием ионов металла и радикалов лиганда (Стель-машок, 1982). Следовательно, негативное при некорневых подкор-* мках влияние быстрой фотодеструкции Ре-хелатов детерминировано ускоренной иммобилизацией железа из-за потери водорастворимое-ти его соединений. Этот процесс усугубляется относительно высокими значениями рН рабочих растворов и ограниченным в объеме капли количеством хелатирутацего агента.

Пбд воздействием реакции среды антихлорозная и фотохш,отческая активности комплексонатов' железа изменяются сходным o6jja-зом. Пониженная скорость фотообразования Fe(II) лимитирует ме-таболизацгш железа растением при нейтральной и щелочной реакции среда.

Сопоставимость физиологических и фотохимических эффектов, вызываемых марганцем, цинком, медью и кобальтом, прослеживаот-оя для комплексов высоко-, но не среднедентатннх лигандов. Разноречивость объясняется различиями в фотохимической активности лигандов, В отличие от хелатов с повышенной устойчивостью комплексы железа' со ореднедентатными комплексоиами характеризуются более высокими квантовымй. выходами первичных реакций фотолиза и относительно быстрой фотодеструкцией. Поэтому у таких Ре-комплексонатов ишре диапазон в изменении под влиянием металлов скорости фотохимической деградации до критических для растений значений. Ингибирование металлами фотохимического вос-. становления íe(in) обусловлено известным в фотохимии эффектом тушения злектронно-возбужденных состояний молекул. Предполагают, что механизм тушения, связанный о участием постороннего . тяжелого атома существенной рода для координационных соединений не играет из-за эффективного влияния на спин-орбитальное, ■взаимодействие центрального иона комплекса (Крюков, Кучмий, 1990).,По этой- причине марганец в композиции с эквимолярными комплексами яелеза не оказывает значимого воздействия на его фотовосстановление и антихлорозные свойства.

Экспериментально доказывается необходимость оптимизации условий . освещения при некорневых подкормках растений хелатами железа...Их ускоренная фогодеструкция, равно как и замедленная,

Рис,6. Концептуальная схема основных факторов, определяющих эффективность некорневых подкормок растений соединениями железа.

сопровождается ингибированием метаболизации железа,^ что негативно сказывается на излечивании карбонатного хлороза и продукционном процессе растений.

Фотовосстановление железа при некорневых подкормках, очевидно, происходит как на поверхности 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 фокусирующего действия эпидермалышх клеток ( Роч1эсп. , Уо^уы^ц, 1989;

1989).

Таким 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 питании растений приорнтит-ными признака?® биологически активных соединений железа являются их водорастворшооть и фотохимическая активность. С учетом 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 комплексонов некорневого питания растений железом, направленную на оптимизацию процесса (¡¡отохимичос-кого образования биологически активных двухвалентных соединений этого металла.

ГЛАВА. 4. К01Ж1ЛЕКС0НЫ В РЕГУЛЯЦИИ НЕКОРНЕВОГО ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ МАРГАНЦЕМ, ЦИНКОМ, МВДЫО И КОБАЛЬТОМ

• Мнения о необходимости хелатирования марганца, цинка, меди и кобальта при проведении некорневых подкормок растений противоречивы. Детально этот вопрос изучался в комплексных исследованиях с почвенными и водными культурами в условиях вегетаци- -онных и полевых опытов. Установлено, что положительный эффект . от некорневых подкормок растений растворами микроэлементов достигается лишь, при адекватном подборе состава микроудобрений. Использование марганца, цинка, меди и кобальта в воде водорас-■ творимых комплексонатов, как правило, не обеспечивает систематического получения дополнительного в сравнении о минеральными солями хозяйственно ценного результата. В ряде случаев паблю-.

дается элиминирование синтетическим лигандом эффекта, вызываемого неорганической формой .металла, что свидетельствует о снижении интенсивности его включения в метаболизм растений из органических комплексов. Наиболее четко выраженное ингибированне биологической активности микроэлементов обнаружено у 0ЭД5 - типичного представителя группы фосфорсодержащих комплексонов. Для отдельных систем такое подавление метаболизма микроэлементов может быть обусловлено изначально слабой водорастворимостью хе-латов. Потеря растворимости вероятна и при фотолизе фосфорсодержащих органо-минеральшх комплексов, сопровождающегося образованием неорганических фосфатов. Стимулируя транслокацию отдельных элементов, комплексом способны усиливать антагонизм металлов и корректировать микроэлементный состав органов растений. Однако эти эффекты физиологически малозначимы и в основном не сопровоздаются идентифицируемыми изменениями в продукционном процессе культур.

В сравнении с яселезом соли традиционно используемых в растениеводстве ЗЛ -элементов водорастворимы в более широком диапазоне значений рН растворов, что существенно снижает эффективность действия комплексонов как на стадии сорбции кутикулой металлов ( 9erro.rtci.on. , СКа птг1 , 1989), так и на последующих этапах их метаболизма. Выполненные исследования свидетельствуют о достаточно высокой биологической активности катиошшх форм марганца, цинка, меда и кобальта, что делает нецелесообразным применение . этих микроэлементов в виде комплексбнатов при некорневом питании культурных растений.

ГЛАВА 5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КОМПЛЕКСОНОВ И

КОШЛЕКСОНАТОВ • МИКРОЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ПЕВДОСЕВНОЙ ОБРАБОТКЕ СЕШН ' . •

Фонды запасных метаболитов семян служат единственным источником органических веществ на ранних этапах развития растений. От характера прохождения стадий прорастания зависит степень реализации потенциальных возможностей генотипов. К .-традиционным способам воздействия на прорастание семян огкооится их предпо- . севная обработка микроэлементами (Власюк, 1968, 1969; Ягода, Романова, 1982; Панаспн, Широков, 1984; Чумаченко« Ковалева; 1989). В качестве стабилизаторов подвижности микроэлементов

-л-'','':

при предпосевной обработке семян рекомендуют применять комплек-сонн. С целью проверки этого положения, а также изучения роли синтетических комплексонов в регуляции прорастания семян проведен комплекс исследований на агаризированных средах и в почвенных условиях.

Экспериментально показано, что при намачивают семян кошшек-сонп могут проявлять свойства физиологически активных веществ. Характер и степень выраженности физиологической активности определяются генотишкеской спецификой растений, *1>ор/юй, концентрацией и природой лигацда. Выявлено, что энерлш прорастания семян, рост корней и продуктивность растений, как правило, стимулируют не комплексонаты микроэлементов, а овободше формы комплексонов с функциональными группами, не задействованными на координацию металла. Наибольшая результативность достигается при значениях реакции среды, значительно превышающих константы прогонизации кислот-комплексообразователей. В случае ассоциации комплексона с металлом-микроэлементом позитивный физиологический эффект в основном элиминируется.

Влияние хелатируицих агентов на характер действия при намачивании семян микроэлементов незакономерно. Выявлены как стабилизация, элиминирование, так и некоторое усиление физиологической активности минеральных солей марганца и цинка. Синергизм действия ингредиентов хелатов биологически специфичен и в основном характерен дая среднедентатшх 'лигандов. Обнаружено, что в отличие от.ячменя, овса, рапса и салата процесс прорастания сеглян гороха характеризуется резко отрицательной реакцией на воздействие комплексонов, особенно ОЭДФ, в изученном диапазоне концентраций (1-10-% - 9<1СГ3Ы>. Вызванная фосфорсодержащим ли-гандом на стадии прорастания семян депрессия роста сохраняется на последующих этапах онтогенеза культуры и сопровождается сильным подавлением ее продукционного процесса.

Полученные результаты позволяют-заключить, что в регуляции прорастшшя сеглян биологически значимой является хелатирущая функция комплексона, обусловленная степенью ионизации его функциональных групп. Очевидно, физиологическая активность органических лигандов определяется их участием в рехуляции стабильнос-Т1г клеточных структур семян. При этом взаимодействие по типу хелатирования синтетических йомгагексонов с металлами мембранного

матрикса может способствовать увеличению проницаемости клеток (Власюк, Приходысо, 1973; 1983).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение синтетических комплексонов - один из перспективных путей оптимизации минерального питания культурных растений Образуя прочные водорастворимые циклические структуры с металла?, ш, хелатирущие агёнты повышают их подвижность и биологическую активность. Роль комплексонов как регуляторов микроэлемент' ного питания растений возрастает в агроэкосистемах с интенсивно идутдаи процессами, лимитирующими подвижность металлов, в почве. Однако традиционные представления о водорастворкмооти как о приоритетном свойстве комплексоната, определяющем его биологическое значение в минеральном питании растений, не являются исчерпывавшими. Выполненными исследованиями обосновывается концепция дафференцированности биологической функциональное' ти в фитопродукционном процессе характеристик комплексонатов микроэлементов в зависшости от способа, условий питания и ге-нотипической специфики растений.

Потребность в комплексообразовании возрастает с уменьйением зависящей от природа металла растворимости в воде его минеральных солей. Аномально низкая водорастворимость в физиологическом диапазоне реакции среды характерна для неорганических соединений -железа. Поэтому в агрессивных щелочных средах устойчивость Ре-хелагов к диссоциации - основной параметр, определяющий их антихлорозную эффективность при корневом питании растений. При этом требовательность к обеспеченности питательной • среды подвижными фЬрмами нелеза выше у видов растений стратеги I, адаптирующихся к условиям Ре-стресса путем интенсификации чувствительных к величине рН Ре (III) -редуцирущих процессов, локализованных на поверхности корня. Радикальная коррекция Ре-дефицита в регионах распространения карбонатных почв может достигаться лишь применением высокодентатных и селективных к железу комплексонов.

С понижением напряженности экологических факторов возрастает физиологическая значимость сорбциошшх свойств хелатов ге-леза, обусловливающих их контактность с корневыми системами при Ре-дефиците. Впервые показано, что. наиболее интенсивное

- г 6.

симулирование метаболизации железа растениями в слабокислых растворах обеспечивают средаедентатше комгслексонц с фосфоно-выми функциональными группами, наименее - высокодентатшо оми-нокарбоновыо лигалда. Указанные различия шиерпретируются особенностями ионизации фосфоновых и карбоксильных групп комплек-сонов. Специфика физиологических реакций на присутствие и состав Ре-хелатов отчетливее выражена у растений стратепш II (злаки) с фитосидерофорным мехшшзмом адаптации к Ре-стрессу.

При нетипичном способе питания растений железом через лист определяющую роль играют фотохимические реакции, обусловливающие редукцию хелатирозшшого Fe (III) до Fe (II) и его метаболизации. Поэтому водорастворимоеть и фотохимическая активность -основные признаки биологически активных соединений железа при некорневом питании растений. Показано, что фотохимическая активность Ре-комплексонатов зависит от их концентрации, природа лиганда, состава кошозиции микроэлементов, реакции среды рабочих растворов, условий освещения, Лучим антихлорозным действием при некорневых подкормках характеризуются Ре-комплексы шеокодентатных аминокарбоновых лигандов и производных гидролизного лигнина, способных к интенсивной, но пролонгированной фотохимической дестругарга. Выявлены основное факторы, подавляющие фотообразование Fe(II) и его аитихлорозную эффективность при некорневых подкормках растений : фосфорсодержащие лигаида, металлы-микроэлементы, нейтральная.и щелочная реакция среди, ограниченная интенсивность светового потока.

Не подтверждены представления о целесообразности применения при некорневых подкормках сельскохозяйственных культур марганца, цинка, меда и кобальта в виде комплексонатов. Вследствие относительно высокой подвижности минеральных -солей этих микроэлементов их хелатировакие прп некорневом питании растений, как правило, не обеспечивает систематического получения дополнительного, хозяйственно ценного результата.

На примере различных видов сельскохозяйственных культур установлено, что биорегуляторная функция комплексонов при их внесении в известкованные- почвы заключается в коррекции усвоения растением металлов в направлении усиления накопления марганца, а также цинка В'вегетативных органах. Оптимизация комплексона-ми минерального 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 внсокодентатные, так и формирующие относительно менее устойчивые циклические структуры с металлами лиганда.

Развиваются представления о способности к хелатированию как основной биологически значимой функции комплексона, обусловливающей его регуляторщпэ роль в прорастании семян. Этот процесс и продуктивность растений в основном стимулируют ионизированные фор.ш органических лнгандов с незадействованкнш на координацию микроэлемента функциональными группами при значениях ре-шецзш среда, превышающих их константы протонизацш:.

Таким образом, при научно обоснованном применении комплек-ооны и комшгехсонаты микроэлементов - эффективные регуляторы продукционного процесса и химического состава растений. Концепция дафференцированности биологической Функциональности характеристик комплексонатов предполагает принципиально новую стратегию практического применения координационных соединений микроэлементов в растениеводстве, ориентированную не только на обеспечение мобильности металлов, но и на адекватный учет специфики способа, условий минерального питания и физиологии высших растений.

основные вывода:

1. При адекватном подборе форм и концентраций комплексоны и комплексонаты микроэлементов являются эффективными химическими средствами регуляции продукционного процесса растений. Оптимизируя микроэлементное питание, координационные соединения способны стимулировать формирование биомассы, белковый синтез

и обмен сельскохозяйственных культур. Микроудобрения на основе комплексонов обеспечивают увеличение концентрация в растениеводческой продукции и валового сбора хозяйственно ценных веществ, способствуют наиболее полному и сбалансированному, выражению структуры признаков продуктивности и качества различных видов культурных растений.

2. Действие комплексонов результативнее в условиях агроэкосис-■ тем, лимитирующих метаболизацию растениямй минеральных солей

микроэлементов: при известковании почв, применешш сорбентов (цеолитов), возделывании культур на почвах с утяделешппл гранулометрическим составом. По биологической эффективности устранения дефицита микроэлементов комплехсош и комплексонаты превосходят традиционные формы микроудобрений - минеральные соли металлов.

3. Водорастворимость не является достаточным признаком физиологической активности кошлексонатов микроэлементов. Биологичео-кая функциональность их характеристик в фитопродукционном процессе дифференцирована и определяется составом координационшх соединений, способом, условиями питания я генотитпесной спецификой растений.

4. Устойчивость к диссоциации - основной показатель, лимитирующий антпхлорозную эффективность комплексонатов железа при корневом питании-растений в щелочных средах. В этих условиях требовательность к обеспеченности корневой зоны подвзшшмн формами келеза выше у растений стратегии I. В кнелнх растворах возрастает физиологическая значимость сорбциошшх свойств комплек-сонагов железа, обусловливающих степень юс контакта с корням при Ре-дефиците. Метаболизацию яелеза растениями интонсивнее стимулируют сраднедентатные коглплексоны о фосфоновыки фушецио-налышми группами. Специфика 'физиологических реакций на состав Ре-хелатов в корневой зоне отчет.тивее выражена у растештй стра-тепш II (злаки),

5. Фотохимические реакции восстановления Pc(III) до Pe(II) играют определяющую роль в процессах усвоения листьями хелатннх комплексов келеза,. Водорастворимость и фотохимическая актив-коегь - приоритетные признаки биологически активных соединений железа при некорневом питании растений.

6. Фотохимическая активность Ре-комплексонатов определяется их концентрацией, природой лиганда, составом композиции микроэлементов, реакцией среда, условиями освещения. Лучшим антихлороз-hum действием при некорневых подкормках характеризуются Ре-комплексц высокодентатшх аминокарбоновых лигандов и производных гидролизного лигнина, способных к штенсивной, но пролонгированной фотохимической деструкции. Снпкение скорости фотохимического восстановления Pe(III) и антяхлорозноЯ результативности некорневых.подкормок происходит при использовании

фосфорсодержащих комплексонатов железа, введении в состав 5е-хелатов металлов-микроэлементов, нейтральной и щелочной, реакции среды рабочих растворов. Физиологическая роль оптического излучения проявляется уже на стадии взаимодействия капли раствора Ре-хелата с поверхностью листа. Включение экзогенного железа в синтез хлорофилла лимитируют как ограничение светового потока, таге и чрезмерное воздействие коротковолнового излучения на фотохимические активные ляганда.

7. Катионные форш марганца, цинка, меди и кобальта биологически активны, легко усваиваются листьями, что делает;нецелесообразным применение этих микроэлементов в виде комплексона-тов при некорневом питании растений.

8. Бкорегуляторная функция ког.тплексонов при почвенном питании заключается в коррекции усвоегахя растениями металлов в направлении усиления накопления марганца, реже цинка, в вегетативных органах. Оптимизация комплекоонами минерального питания . растений достигается как в результате стабилизации привносимых микроэлементов, так и мобилизации металлов почвенного фонда. Величина показателя устойчивости хелата, как правило, не детерлинирует специфики биологического действия комплексонов при их внесении в известкованные почвы, что обусловливает ш-нимализацшо требований к десорбируюцей способности органического лиганда. -с

9. Продукты окисления гидролизного лигнина азотной кислотой, '■ проявляющие свойства гумусовых веществ, обладают физиологической активностью, способны образовывать координациоише соединения с металлами, регулировать минеральное питание и интенсифицировать продукционный процеос растений. Применение производных лигнина в растениеводстве позволяет снизить себестои-моегь комплексонов и расширить сырьевую базу По их выработке.

10. Способность к хелатированию - основная физиологически значимая функция комплексонов как.регуляторов прорастания семян. Этот процесс и продуктивность растений в основном стимулируют ионизированные форш органических лигандов о незадействован-нымн на координацию металлов-мтсрозлементов функциональными группами при значениях реакции среда, существенно:превышающих., их константы протонизации.

11. Дифференцированность • биологической функциональности харак-

теристик и свойств синтетических комплексонатов предполагает принципиально новую стратегию применения координационных соединений микроэлементов в растениеводство, ориентированную не только на обеспечение водораотворшосш металлов, но и на адекватный учет специфики способа, условий минерального питания и физиологии высших растений.

СПИСОК

основных работ, опубликованных по теме диссертации

Г. Еитадкий Н.П. О рож синтетических комилексонов в фотохимических окислительно-восмановителышх реакциях железа у кгошя растений.// Теэ.докл. всесоюзн. конф. " Почвенно-огрохимзпескпе и экологические проблеш формирования высокопродуктивных агро-ценозов."- Пущино, 1988.- С. I0-II.

2. Бнткцкий Н.П., Кузнецова H.H., Перов H.H. и др. Пспольэовг-

■ ние производных лигнина в качестве средства для борьбы с хлорозом растений.// Тез. докл. всесоюзн. семинара " Использование лнгннна и его производных в сельском хозяйстве."-Ленинград-Цувпшн, 1989.- С. 84-85.

3. Битюцкий Н.П., Перов H.H., Ильин В.И. и др. " Споооб лечения растений от карбонатного хлороза."- Авторское свидетельство

' J5 I584I65 ( приоритет 20.06.88, зарегистрировано 8.04.90).

4. Бктицкий Н.П. Значение органического лиганда в продупрежде-. нш хлороза растений // Вестник Лешшгр.ун-та,- 1990.- сер. 3,

вып.1.- С. 96-100.

5. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C., Шишкова Л.В. Действие койплек-сонов и комплексонатов на дерново-подзолистой почве // Весттп: сельскохозяйственной науки,- 1990.- .0 4.- С. 130-132.'

G. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C. Биологическая активность комплек-сонатов железа при различных значениях решодш среди // Вестник Ленкнгр. ун-та.- 1991.- Сер.З, вип.З,- С. 97-101. . 7,. Битицхий Н.П., Кащенко A.C., Дятлова Н.М., Царева З.И. 'Фотохимическая активность комплексонатов хелеза и карбонатный хло-. роз растений //.Докл. ВАСХШ1Л,- 1991.- J5 7.- С. 21-25. 8. Битюцкий .11.П., Кащенко A.C., Козэв В.П. Действие синтетических комплексонов и комплексонатов на хшяпеский состав растешь // Агрохимия.- 3991,- й 70.- С. 99-107.

3J

9. Битюцкий II.П., Кащенко A.C., Терехов A.B. Приеш регулиро' вания нитратного обмена в -листовых овощных культурах защищенного грунта // Тез. докл. конф. "Физиолого-генетические механизмы регуляции азотного питания растений."- Киев, 1991,-

С.70-71.

10. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C., Толкачева Г.Г. Действие цеолитов и комплексонов на почвенное питание растений // Вестник С,-Петербургск. ун-та.- 1992.- Сер.З, вьш.1.- С.87-92.

П. Битюцкий II.П., Кузнецова H.H., Перов H.H., Ильин В.И. Производные лигнина и оптимизация питания растений микроэлементами // Агрохимия.- 1992.- № 4.- С.80-84.

12. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C. Действие комплексонатов метал лов-микроэлементов при некорневом питании растений // Агрохимия.- 1992.- ^ 5.- С.102-109.

13. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C. Влияние металлов на эффективность некорневых.подкормок соединениями нолеза при карбонатном хлорозе растений // Докл. Россельхозакадемии.г- 1992.-

К 8.- С.13-17. .

14. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C., Дятлова Н.М. и др. "Способ регулирования роста растений."- Патентное изобретение (решение о выдаче Ф Л 01 ИЗ-91 от 29.06.92, заявка й 4752605/15 (I30I90)). . £

15. Битюцкий Н.П., Кащенко A.C., Светличная Н.В. Синтетически комплексоны и комплексонатн микроэлементов в регуляции прорас тшшя семян // Вестник С.-Петербургского ун-та.- 1992.- Сер.З вып.4.- С. 79-90.