Изучение влияния факторов внешней среды на накопление нитратов в растениях

Введение 1
1. Обзор литературы 4
1.1. Азот. Доступные формы азота для растения 4
1.2. Поступление и превращение соединений азота в растениях 5
1.3. Азотные удобрения 8
1.4. Накопление нитратов в продуктах растениеводства 10
2. Материалы и методы исследования 14
2.1. Выращивание растений на водной культуре 15
2.2. Фотометрический метод количественного определения нитратов в продуктах растениеводства с применением реактива Грисса 17
2.3. Обработка полученных результатов 20
3. Изучение влияния факторов внешней среды на накопление нитратов в растениях 21
3.1. Полученные результаты эксперимента 21
3.1.1. Градуировочный график 21
3.1.2. Результаты исследования Пшеницы мягкой (Triticum aestivum L., 1753) 22
3.1.3. Результаты исследования Огурца посевного (Cucumis sativus L., 1753) 24
3.2. Обсуждение результатов 26
Выводы 30
Литература 32

1.1. Азот. Доступные формы азота для растения
Азот — один из наиболее широко распространенных элементов в природе. Основными его формами на Земле являются связанный азот литосферы и газообразный молекулярный азот (N2) атмосферы, составляющий 75,6% воздуха по массе. Однако молекулярный азот как таковой не усваивается высшими растениями и может переходить в доступную для них форму только благодаря деятельности микрооргонизмов-азотфиксаторов [25].
Запасы связанного азота в литосфере значительны, однако в почве сосредоточена лишь минимальная его часть, и только 0,5 — 2% от общего запаса в почве прямо доступно растениям. Этот азот представлен главным образом в форме и -ионов [26].
Ионы подвижны, плохо фиксируются в почве, легко вымываются почвенными водами в более глубокие слои и в водоемы. Количество азота в почвенном растворе сильно варьирует в зависимости oт скорости поглощения нитратов растениями, интенсивности микробиологических процессов и процессов вымывания [24].
...

1.2. Поступление и превращение соединений азота в растениях
Преобладающей формой минерального азота, поступающей в растения, являются нитраты. Метаболизм нитратов начинается с их восстановления до аммония, которое может осуществляться в корнях и в листьях. Относительная доля участия этих органов в первичной ассимиляции нитратов является видовым признаком. В связи с этим выделяют три основные группы растений [24, 31]:
1. Растения, практически полностью восстанавливающие нитраты в корнях и транспортирующие азот к листьям в органической форме (горох, люпин, черника);
2. Растения, практически не проявляющие нитратредуктазной активности в корнях и ассимилирующие нитраты в листьях (сахарная свекла, хлопчатник);
3. Растения, способные восстанавливать нитраты как в корнях, так и в листьях (злаки, бобовые, то­маты, огурцы и др.);
По современным представлениям, восстановление нитрата происходит в два этапа.
...

1.3. Азотные удобрения
Азотные удобрения — минеральные и органические вещества, применяемые как источник азотного питания растений. Все азотные удобрения можно разделить на три группы: органические (навоз, торф, компост), содержащие, кроме азота, и другие элементы питания растений; зелёные (люпин, сераделла и др.) и минеральные, выпускаемые промышленностью [31].
В свою очередь азотные минеральные удобрения делятся на четыре группы [24]:
1. Нитратные удобрения (селитры) содержат азот в нитратной форме — NaN03, Ca(N03)2. Физиологически щелочные удобрения, эффективные на кислых почвах.
2. Аммонийные и аммиачные удобрения — сульфат аммония (NH4)2S04, жидкий безводный аммиак (содержит 82,2% азота), аммиачная вода (NH4OH — водный 25%-ный раствор аммиака). Эффективны на нейтральных и слабощелочных почвах из-за физиологической кислотности. На кислых почвах одновременно требуется известкование.
3. Аммонийно-нитратные удобрения.
...

1.4. Накопление нитратов в продуктах растениеводства
Размеры потребления азота растениями зависят от биологических особенностей вида и сорта, гидротермического режима, вводно-физических и агрохимических свойств почвы, агротехники [2]. В основных овощных и кормовых культурах в виде нитратов накапливается значительное количество азота, достигающее 38-43 кг/га (до 47 кг/га) [1]. Зачастую факторы, способствующие накоплению нитратов, воздействуют в комплексе.
Ключевым ферментом, определяющим ассимиляцию нитратов, является нитратредуктаза, активность которой в 5-20 раз ниже, чем нитритредуктазы [31]. Поэтому нитриты, образующиеся на первом этапе редукции нитратов, не накапливаются, а быстро восстанавливаются до аммиака. Для растений существует реальная опасность аммиачного отравления, приводящего к хлорозу листьев, подвяданию, угнетению роста и гибели [9].
...

2. Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования были взяты 8 дневные растения Пшеницы мягкой (Triticum aestivum L., 1753) сорта Московская 39 и Огурца посевного (Cucumis sativus L., 1753) сорта Пасамонте, поливаемые, во время выращивания, растворами удобрений Карбамид (мочевина) и Селитра аммиачная.
Выбор этих растений обусловлен тем, что восстановление нитратов у них происходит в корнях и стеблях. А так же, по сравнению в потребности азота данными культурами. По десятибалльной шкале потребность Cucumis sativus L., 1753 – 10 баллов, Triticum aestivum L., 1753 – 5 баллов [22].
Растения выращивались в водной культуре [16] на гидропонике в течении 8 дней – 3 дня заняло проращивание семян в чашке Петри до образование корешка длиной 1,5-2 см, затем растения было перенесено на питательный раствор с одновременным поливом азотными удобрениями в течении 5 дней.
...

2.1. Выращивание растений на водной культуре
На дно чашки Петри выложили фильтровальную бумагу, ровным слоем выложили семена исследуемых культур, залили дистиллированной водой и оставили прорастать до появления корешка 1,5-2 см.
Перед переносом растения на водную культуру был приготовлен питательный раствор Кнопа [16]. В мерный сосуд объемом 1 л налили 700 мл дистиллированной воды. Добавили последовательно, каждый раз, хорошо размешивая, нитрат кальция (Ca(No3)2) 1 г, фосфат калия (KH2PO4) 0,25 г, сульфат магния (MgSO4) 0,25 г, хлорид калия (KCl) 0,125 г, хлорид железа (FeCl3). Долили до метки дистиллированной водой.
После появления корешков нужной длины (через 3 дня), растения перенесли на питательный раствор в установку, которая имела следующий вид (рис.1):

Рис. 1. Проращивание растений на водной культуре:
1) пластиковый стакан (200 мл); 2) пророщенное семя исследуемой культуры; 3) дренаж цветочный; 4) питательный раствор.
...

2.2. Фотометрический метод количественного определения нитратов в продуктах растениеводства с применением реактива Грисса
Сущность метода заключается в экстракции нитратов из растения, восстановлении их до нитритов с помощью цинковой пыли с последующим фотометрированием раствора азотсоединения, образующегося при взаимодействии нитритов с ароматическими аминами.
2.2.1. При подготовке к исследованию были приготовлены следующее реактивы:
1) Реактив Карреза 1: 10,6 г железистосинеродистого калия растворили в воде и довели объем раствора до 100 мл водой.
2) Реактив Карреза 2: 22 г уксуснокислого цинка растворили в смеси воды с 3 мл ледяной уксусной кислоты и довели объем раствора до 100 см3 водой.
3) Насыщенный раствор буры: 5 г тетрабориокислого натрия растворили в 100 мл горячей воды и охладили до комнатной температуры.
...

2.3. Обработка полученных результатов
Содержание нитрит-ионов в исследуемых растворах вычислили с помощью градуировочного графика и метода сравнения по формуле:

– искомая концентрация исследуемого раствора,
– концентрация стандартного раствора,
– оптическая плотность исследуемого раствора,
– оптическая плотность стандартного раствора.
...

3.1.1. Градуировочный график
По полученным данным спектрометрии построили градуировочный график в системе координат: по оси абсцисс — концентрация, по оси ординат — соответствующие значения оптической плотности (рис. 2).

Рис. 2. Градуировочный график зависимости оптической плотности от концентрации нитрит-ионов в растворе.
3.1.2. Результаты исследования Пшеницы мягкой (Triticum aestivum L., 1753)
При сборе опытных растений были выявлены следующие морфологические особенности: во всех исследуемых условиях, кроме темновых, окраска растений была насыщенного зеленого цвета. Стебель растения находился в состоянии тургора и имели здоровый вид. Потемнений на листьях и стеблях отмечено не было. Растения, выращиваемые в темноте, имели признаки этиолированного растения (желтый цвет стебля), но относительно небольшую длину побега, что не характерно для растений, выращенных в темноте. Обычно, они имеют сильно вытянутые в длину побеги [31].
...

3.2. Обсуждение результатов
Анализируя полученные данные по морфологическим признакам можно отметить, что все опытные растения Triticum aestivum L., 1753 и Cucumis sativus L., 1753 при выращивании в разных условиях имели здоровый вид, не было отмечено темных пятен на побегах, что могло бы свидетельствовать об отравлении растения азотными удобрениями [31]. Но тем не менее, реакция этих двух культур на полив удобрениями различна.
Растения Triticum aestivum L., 1753 имели наибольшую длину побега при произрастании в тепличных условиях при поливе раствором мочевины (12,5 см), наименьшую же длину побега отметили в условиях темноты при поливании растения раствором аммиачной селитры. В нормальных условиях и условиях непрерывного освещения показатели длины побегов при поливе мочевиной 12,1 и 12,0 см, при поливе же аммиачной селитрой 11,6 и 11,5 см соответственно, что может указывать на то, что условия освещения в малой степени влияют на длину побега.
...

1. Anjana Umar S., Iqbal M. Nitrate accumulation in plants, factors affecting the process, and human health implications. A review [Текст] / Anjana Umar S., Iqbal M.// Agronomy Journal. - 2006 г.. - стр. 115-120.
2. Barker A.V. Peck N.H., MacDonald G.E. Nitrate Accumulation in Vegetables. I. Spinach Grown in Upland Soils [Текст] / Barker A.V. Peck N.H., MacDonald G.E. // Agronomy Journal . - 1971 г.. - Т. 63. - стр. 126-129.
3. Blanc D. Triboi-Blondel A.M. Influence of nitrate content in the nutrient solution on yield and nitrate content in eggplant (Solanum melongena L.) [Текст] / Blanc D. Triboi-Blondel A.M. // Fifth International Congress on Soilless Culture Wageningen. - 18-24 may 1980 г.. - стр. 143-147.
4. Chadjaa H. Vezina L.-P., Dorais M., Gosselin A. Effects of lighing on the growth, quality and primary nitrogen assimilation of greenhouse lettuce (Lactuca sativa L.) [Текст] / Chadjaa H. Vezina L.-P., Dorais M., Gosselin A. // Acta Hortic. - 2001 г.. - стр. 325-331.
5. L’hirondel J. L’hirondel J.-L. Nitrate and man: toxic, harmless or beneficial? [Текст] / L’hirondel J. L’hirondel J.-L. // CABI, Wallingford, UK. - 168 p..
6. Maynard D.N. Barker F.L., Minotti, Peck N.H. Nitrate accumulation in vegetables [Текст] / Maynard D.N. Barker F.L., Minotti, Peck N.H. // Advances in Agronomy. - 1976 г.. - стр. 71-118.
7. Santamaria P. Nitrate in vegetables: toxicity, content, intake and EC regulation [Текст] / Santamaria P. // J. Sci. Food Agr.. - 2006 г.. - стр. 10-17.
8. Rau´l Ca´rdenas-Navarro Ste´phane Adamowicz, Paul Robin Nitrate accumulation in plants: a role for water [Текст] / Rau´l Ca´rdenas-Navarro Ste´phane Adamowicz, Paul Robin // Journal of Experimental Botany. - 1999 г.. - Т. 50. - стр. 613-624.
9. Stitt M. Muller C., Matt P., Gibon Y., Carillo P., Morcuende R., Scheible W.-R., Krapp A. Steps towards an integrated view of nitrogen metabolism [Текст] / Stitt M. Muller C., Matt P., Gibon Y., Carillo P., Morcuende R., Scheible W.-R., Krapp A. // J. Exp. Bot. - 2002 г.. - стр. 959-970.
10. Wilson J. K. Nitrate in food and its relation to health [Текст] / Wilson J. K. // Agronomy Journal. - 1949 г.. - Т. 41. - стр. 20-22.
11. Агротехнические приемы снижения содержания нитратов в овощной продукции на пойменных почвах Нечерноземной Зоны (временные рекомендации). [Текст] - М. : НПО «Россия», НИИОХ, 1987 г.. - 44 с..
12. Андрющенко В. К. Нитраты в овощах и пути их снижения. [Текст] / Андрющенко В. К. - Кишинев, 1983 г.. - 59 с..
13. Гигиенические критерии состояния окружающей среды. Нитраты, нитриты инитрозосоединения. [Текст] // Совместное издание программы ООН по окружающей среде и Всемирной организации здравоохранения.. - Женева : ВОЗ, 1981 г.. - 246 с.
14. Голов В.И. Тимофеев С.А. Экологические и агрохимические основы производства и применения минеральных удобрений из местного агросырья на почвах дальнего востока [Текст] / Голов В.И. Тимофеев С.А. // Вестник ТГЭУ. - 2006 г.. - стр. 110-124.
15. ГОСТ 29270-95.
16. Дука М., Хомченко Т. и Савка Е., Молдавский гос. ун-т, Каф. билогии растений Физиология растений: практикум для студентов биолого-почвенного факультета [Текст] / ред. Дука М.. - Кишенв : Centrul Editorial al USM, 2003 г.. - стр. 85-90
17. Steinke K. Nitrate accumulation in drought-stressed corn [Текст] / Steinke K. // Michigan State University Journal, Soil and Microbial Sciences. - 2012 г..- стр. 108-115
18. Каталымов, М.В. Справочник по минеральным удобрениям: теория и практика применения [Текст] / ред. Каталымов М.В.. - М. : Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1960 г.. - стр. 8-102
19. Кретович В. Л. Биохимия растений: Учебник для биол. факультетов ун-тов. [Текст] / Кретович В. Л. - М. : Высша. школа, 1980 г.. - стр. 351-396
20. Крохалева С. И. Нитраты в продуктах растениеводства Еврейской автономной области [Текст] / Крохалева С. И. // Исследовано в России. - 2004 г.. - стр. 678-684.
21. Лукин С.В. Четверикова Н.C., Ероховец М.А. Агроэкологическая оценка содержания азота в сельскохозяйственных растениях и почвах белгородской области [Текст] / Лукин С.В. Четверикова Н.C., Ероховец М.А. // Научные ведомости БелГУ. Серия: Естественные науки. - 2011 г.. - Т. 17. - стр. 95-101.
22. Нуритдинов А.И. Бережнова В.В. Проблемы повышения урожайности и качества овоще-бахчевой продукции и картофеля в Узбекистане [Текст] / Нуритдинов А.И. Бережнова В.В. // К вопросу изучения факторов, определяющих содержание нитратного азота в овощных, бахчевых культурах и картофеле в Узбекистане. - Ташкент : ВАСХНИЛ, Среднеаз. отд-ние, 1985 г.. - стр. 151-164.
23. Покровская С. Ф. Пути снижения содержания нитратов в овощах. [Текст] / Покровская С. Ф. - М. : ВНИИТЭИагропром, 1988 г.. - 60 с.
24. Полевой В. В. Физиология растений: Учебник для биол. спец. и вузов. [Текст] / - М. : Высшая школа, 1989 г.. - стр. 220-223, 228-236
25. Прянишников Д. И. Избранные труды. [Текст] / Прянишников Д. И.- М. : Наука, 1976 г.. - стр. 7-115
26. Ракипов Н. Г. Поступление и накопление нитратов в растениях. [Текст] / Ракипов Н. Г. // Сб. Итоги науки и техники. Сер.: Почвоведение и агрохимия.. - М. : ВИНИТИ, 1979 г.. - стр. 84-144.
27. Шабанова Т.И. Пути снижения накопления нитратов в овощах и как следствие в организме человека [Текст] / Шабанова Т.И.// Сибирский торгово-экономический журнал. - 2009 г.. - стр. 165-167.
28. Третьяков Н. Н. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений. [Текст] / Третьяков Н. Н. - М. : Колос, 2000 г.. - стр. 169-172
29. Турчин Ф. В. Азотное питание растений и применение азотных удобрений. Избранные труды. [Текст] / Турчин Ф. В.- М. : Колос, 1972 г.. - стр. 320-330
30. Чаркин Б. А. и Алексеева Г. М. Фотометрические методы анализа: Методические указания. [Текст] / Чаркин Б. А. и Алексеева Г. М. - СПб : СПХФА, 2002 г.. - стр. 17-19.
31. Якушкина Н. И. Физиология растений: Учеб. пособие для студентов. [Текст] / Якушкина Н. И. - М. : «ВЛАДОС», 2004 г.. - стр. 202-250
32. Ярван М. Э. Химия в сельском хозяйстве // Содержание нитратов в продуктах овощеводства. [Текст] / Ярван М. Э.- 1980 г.. - стр. 27-29.