Обогащение эссенциальными микроэлементами культурных растений

Серия исследований Л. Н. Меняйло и О. В. Нестеренко (2002-2012) посвящена обогащению минеральными элементами культурных растений. В качестве объекта исследования использовались топинамбур, или подсолнечник клубненосный (Helianthus tuberosus L.), и петрушка (Petroselinum Hill).

Опыты проводили в Емельяновском районе Красноярского края. Растения топинамбура выращивали на делянках площадью 10 м² с густотой посадки 60x40 см. Семена петрушки из расчета по 2,5 г высеивали на делянках площадью 5 м², рядами, располагая их друг от друга на расстоянии 20 см. В процессе эксперимента было заложено по десять участков (далее варианты) с посадками топинамбура и петрушки. Весной перед посадкой растений в почву опытных участков вариантов (с 1-го по 9-й) в опыте с топинамбуром и в опыте с петрушкой обрабатывали водными растворами разной концентрации солей микроэлементов кобальта, йода и селена (0,01 %; 0,1 % и 1,0 %). Участки 10-й с топинамбуром и 10-й с петрушкой (контрольные) поливали дистиллированной водой (табл. 12).

Были изучены особенности кумулятивной активности исследуемых растений в отношении ионов кобальта, йода и селена, а также их взаимовлияния. Для этого осенью определяли содержание в клубнях топинамбура и петрушки ионов кобальта, йода и селена во всех вариантах опыта. Результаты исследования кумулятивной активности клубней топинамбура представлены в табл. 12.

Таблица 12

Накопление микроэлементов в клубнях топинамбура, мг/кг

Найдено, что обработка растений водными растворами хлористого кобальта 0,01%, 0,1% и 1,0%-ной концентрации повышала уровень кобальта в клубнях исследуемых растений в 2,7, 4,6 и 6,07 раза соответственно относительно контроля. Максимальный эффект достигнут при обработке опытного участка 1,0%-ным раствором хлористого кобальта. Минимальный эффект - при обработке опытного участка 0,01%-ным раствором хлористого кобальта.

Выявлено, что кобальт служит антагонистом в процессах аккумуляции по отношению к йоду. Причем 1,0%-ная концентрация раствора хлористого кобальта проявила больший антагонистический эффект, уменьшив количество йода в 2,33 раза по сравнению с контролем.

По отношению к ионам селена действие кобальта было синергическим. Обработка растений 0,01 %, 0,1 % и 1,0%-ными растворами хлористого кобальта статистически достоверно увеличила содержание селена в 1,15, 1,3 и 1,7 раза соответственно относительно контроля.

Обработка топинамбура растворами иодита калия также положительно повлияла на уровень йода в растениях. Наиболее высокое статистически достоверное содержание этого биоэлемента отмечено в варианте с 1%-ным раствором. Наименьшее содержание этого биоэлемента отмечено в варианте с 0,01%-ным раствором. По сравнению с контролем концентрации йода увеличились: в четвертом варианте - в 2,00; в пятом - в 3,36; в шестом - в 8,31 раза. Известно, что применение йодистых микроудобрений способствует существенному повышению йода в выращиваемой продукции.

Результаты изучения влияния растворов йодистого калия на содержание кобальта в клубнях растений показали, что статистически достоверно наблюдалось уменьшение элемента. Причем 1,0%-ная концентрация проявила больший ингибирующий эффект.

Все концентрации йодистого калия проявили синергический эффект в процессах аккумуляции селена. Зарегистрировано статистически достоверное максимальное влияние 1%-ного раствора, минимальное - 0,01%-ного. По сравнению с контролем количество селена в опыте с 1,0%-ной концентрацией йодистого калия увеличилось в 5,15 раза, с 0,1%-ной - в 3,5 раза и с 0,01%-ной - в 2,6 раза.

Накоплен обширный, но не обобщенный материал по абсорбированию селена различными сельскохозяйственными и лекарственными растениями [534; 535; 541]. Селен хорошо усваивается растениями. Так, даже при низком содержании элемента в почве уровень его накопления в растительном организме в десятки и сотни раз превосходит его содержание в почве [537; 539]. Однако диапазон и уровень безвредных концентраций для растений селена характеризуется по одним литературным источникам величинами 0,1-5,0 мг/кг [536], по другим, он необходим в дозах от 0,05- ОДО мг/кг и токсичен при 2,0-5,0 мг/кг [544].

Все концентрации используемых растворов селената натрия оказали положительный эффект на накопление исследуемых биоэлементов. Статистически достоверно максимальный эффект достигнут при обработке опытных участков 1,0%-ным раствором. Минимальный эффект достигнут при обработке опытных участков 0,01%-ными растворами селената натрия.

Обработка растений селенатом натрия по сравнению с контролем статистически достоверно увеличила в седьмом варианте содержание селена в 1,9, в восьмом - в 5,25, в девятом - в 16,6 раза.

Обработка растений селенатом натрия по сравнению с контролем статистически достоверно повысила содержание кобальта в седьмом варианте в 1,13, в восьмом - в 1,26, в девятом - в 1,46 раза.

Таким образом, обработка топинамбура водными растворами хлористого кобальта, йодистого калия, селената натрия статистически достоверно способствует их непосредственному обогащению кобальтом, йодом и селеном, при этом отмечается прямая зависимость между используемыми концентрациями растворов солей микроэлементов и их накоплением в растениях. Причем способность топинамбура абсорбировать кобальт, йод и селен происходит без ущерба для роста, развития, продуктивности и изучаемого биохимического состава растений топинамбура.

Анализ полученных данных показывает, что средняя концентрация кобальта в растении не превышает максимально допустимый уровень, который для корнеплодов, грубых и сочных кормов составляет 1-2 мг/кг. Средняя концентрация йода и селена также находится в пределах допустимых норм для растений. Количество йода в овощных растениях колеблется, и весьма индивидуально, например, картофель может накапливать до 1,1 мг/кг элемента, а капуста до 10 мг/кг, и эти концентрации не оказывают отрицательного воздействия на рост и химический состав растений. Считается, что для растений безвредно содержание селена до 2 мг/кг. Что касается человека, то суточная доза поступления кобальта должна составлять 0,1-0,2 мг/кг, йода - 0,1-0,3 мг/кг, селена - 0,02-0,1 мг/кг. Отсюда, учитывая полученные результаты, потребление обогащенного микроэлементами топинамбура как самостоятельного продукта безопасно для жизнедеятельности человека.

Взаимодействие микроэлементов в процессе поглощения их из почвы дифференцированное. Выявлено, что кобальт является синергистом по отношению к селену и антагонистом по отношению к йоду. Иод - синер- гист по отношению к селену и антагонист по отношению к кобальту. Селен является синергистом по отношению к кобальту и йоду.

Природа генетической специфики минерального питания включает в себя многие функционально-структурные особенности растений, характер физиологических и биохимических процессов, сказывающихся на поглощении, концентрации и содержании определенных элементов в тех или иных тканях и органах.

Вопрос о физиологических причинах синергического или антагонистического взаимодействия ионов в процессах поглощения до настоящего времени не решен. Известно, что поглощение одного иона зависит от присутствия других ионов. Ионы с одинаковым зарядом обычно конкурируют между собой, однако в некоторых случаях наблюдается противоположная закономерность. Поступление солей через мембрану клеток мезодермы происходит с помощью переносчиков как пассивно по градиенту электрохимического потенциала, так и активно, с использованием метаболической энергии. Конкуренция между ионами может возникать за возможность вступить в реакцию с переносчиком.

Результаты исследования кумулятивной активности корнеплодов петрушки к эссенциальным микроэлементам представлены в табл. 13.

Таблица 13

Накопление микроэлементов в корнеплодах петрушки, мг/кг

Найдено, что обработка растений водными растворами хлористого кобальта 0,01 %, 0,1 % и 1,0%-ной концентрации повышала уровень кобальта в корнеплодах исследуемых растений в 1,82, 17,82 и 165,29 раза соответственно относительно контроля. Максимальный эффект достигнут при обработке опытного участка 1,0%-ным раствором хлористого кобальта. Минимальный эффект достигнут при обработке опытного участка 0,01%-ным раствором хлористого кобальта. Вероятно, что энергичное поглощение кобальта обусловлено особенностями строения атома элемента, его ионов (недостроенная внешняя электронная оболочка, небольшой объем атома и ионов, высокая поверхностная плотность заряда).

Выявлено, что кобальт является антагонистом в процессах аккумуляции по отношению к йоду. Причем 1,0%-ная концентрация раствора хлористого кобальта проявила больший антагонистический эффект, уменьшив количество йода в 0,71 раза по сравнению с контролем.

По отношению к ионам селена действие кобальта было синергическим. Обработка растений 0,01%, 0,1% и 1,0%-ными растворами хлористого кобальта статистически достоверно увеличила содержание селена в 1,23, 1,76 и 2,77 раза соответственно относительно контроля.

Сопоставляя относительное содержание йода в исследуемых растениях, выращенных под влиянием разных концентраций йодистого калия, наиболее высокое статистически достоверное содержание этого биоэлемента отмечено в варианте при обработке участка 1%-ным раствором. Наименьшее содержание этого биоэлемента отмечено в варианте при обработке участка 0,01%-ным раствором. По сравнению с контролем концентрации йода увеличились: в четвертом варианте - в 1,49; в пятом - в 1,85; в шестом - в 2,88 раза. Рядом исследователей было обнаружено, что путем внекорневой подкормки йодом можно повысить содержание этого элемента в растениях в 2-20 раз.

Результаты изучения влияния растворов йодистого калия на содержание кобальта в клубнеплодах растений показали, что статистически достоверно наблюдалось уменьшение элемента. Причем 1,0%-ная концентрация проявила больший ингибирующий эффект.

Все концентрации йодистого калия также проявили синергический эффект в процессах аккумуляции селена. Зарегистрировано статистически достоверное максимальное влияние 1%-ного раствора, минимальное - 0,01%-ного. По сравнению с контролем количество селена в опыте с0,01%-ной концентрацией йодистого калия увеличилось в 3,15 раза, с 0,1%-ной - в 7,0 0 раза и с 1,0%-ной - в 8,62 раза.

Все концентрации используемых растворов селената натрия оказали положительный эффект на накопление исследуемых биоэлементов, что подтверждает данные о способности растений увеличивать количество исследуемого элемента под воздействием солей селена [538; 542; 543].

Скорее всего, высокую способность растений этих семейств накапливать селен можно объяснить именно значительными концентрациями белков и свободных аминокислот, так как известно свойство данного МЭ замещать серу в составе аминокислот и образовывать селенопептиды.

Статистически достоверно максимальный эффект достигнут при обработке опытных участков 1,0%-ным раствором, минимальный - при обработке опытных участков 0,01%-ными растворами селената натрия. Скорее всего, высокую способность петрушки накапливать селен можно объяснить значительными концентрациями белков и свободных аминокислот, так как известно свойство данного микроэлемента замещать серу в составе аминокислот и образовывать селенопептиды.

Обработка растений селенатом натрия по сравнению с контролем статистически достоверно увеличила в седьмом варианте содержание селена в 3,23, в восьмом - в 10,62, в девятом - в 45,46 раза. Обработка растений селенатом натрия по сравнению с контролем статистически достоверно увеличила содержание кобальта в седьмом варианте в 1,24, в восьмом - в 2,0, а в девятом - в 3,12 раза. Обработка растений селенатом натрия по сравнению с контролем в статистически достоверно увеличила содержание йода в седьмом варианте 1,2, в восьмом - в 1,18, в девятом - в 1,92 раза.

Таким образом, обработка петрушки хлористым кобальтом, йодистым калием и селенатом натрия статистически достоверно способствует обогащению корнеплодов кобальтом, йодом и селеном, при этом отмечается прямая зависимость между используемыми концентрациями растворов солей микроэлементов и их накоплением в растениях.

Выявлено, что кобальт в корнеплодах петрушки является синергистом по отношению к селену и антагонистом по отношению к йоду. Иод выступает синергистом по отношению к селену и антагонистом по отношению к кобальту. Селен является синергистом по отношению к кобальту и йоду.

Таким образом, предложен простой и весьма эффективный способ обогащения растительной биомассы эсенциальными микроэлементами.