Содежание макро- и микроэлементов в растениях

Министерство  образования Республики Беларусь

Учреждение  образования

«Международный  государственный экологический  университет

имени А. Д. Сахарова»

Реферат на тему: «Содержание макро- и микроэлементов в растениях»

студентки 407-2 гр.

Грабко В.М.

Минск, 2010

Оглавление

Введение

Важнейшую роль в эффективности питания растений играют макро-, мезо- и микроэлементы  – азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера, бор, молибден, медь, цинк, железо, марганец.

Все растения не могут нормально развиваться без этих элементов, так как они входят в состав важнейших ферментов, витаминов, гормонов и других физиологически активных соединений, играющих большую роль в жизни растений. Макроэлементы регулируют рост вегетативной массы и определяют величину и качество урожая, активизируют рост корневой системы, усиливают образование сахаров и их передвижение их по тканям растений; мезо- и микроэлементы участвуют в процессах синтеза белков, углеводов, жиров, витаминов. Под их влиянием мезо увеличивается содержание хлорофилла в листьях, усиливается ассимилирующая деятельность всего растения, улучшается процесс фотосинтеза. Исключительно важную роль играют микроэлементы в процессах оплодотворения. Они положительно влияют на развитие семян и их посевные качества. Под их воздействием растения становятся более устойчивыми к неблагоприятным условиям, засухе, поражению болезнями, вредителями и др.

Тяжелые металлы(Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к  микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже).

В настоящее  время при помощи специальных, особо  чувствительных методов удалось  определить в составе организмов свыше 60 таких химических элементов. Однако можно утверждать, что названное число не является пределом и в состав организмов в самом деле входят все известные химические элементы и их изотопы, (как стабильные, так и радиоактивные).

Химические  элементы, которые, входя в состав организмов растений, животных и человека, принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической ролью, получили название биогенных элементов. К числу биоэлементов относятся: азот, водород, железо, йод, калий, кальций, кислород, кобальт, кремний, магний, марганец, медь, молибден, натрий, сера, стронций, углерод, фосфор, фтор, хлор, цинк.

Указанный перечень будет, несомненно, увеличиваться по мере роста наших знаний. Например, биогенное значение кобальта и молибдена  определилось недавно. Некоторые элементы биогенны только по отношению к определенным классам, родам, а иногда и видам организмов. Например, бор необходим для растений, но пока не может считаться биогенным по отношению к животным и человеку.

Влияние основных тяжелых  металлов на растения

Действие металлов на растительный организм зависит от природы элемента, содержания его в окружающей среде, характера почвы, формы химического соединения, срока от момента загрязнения. Формирование химического состава растительного организма определяется биохимическими особенностями различных видов организмов, их возрастом и биохимическими закономерностями связи между элементами в организме. Содержание одних и тех же химических элементов в различных частях растений может изменяться в широких пределах.

Растения слабо  усваивают многие тяжелые металлы - например, свинец - даже при их высоком содержании в почве из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений. Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загрязненной этим элементом.

Было обнаружено, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют некоторые  вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, стоило внести подобное вещество в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, как концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг.

Доступность для  растений тяжелых металлов, связанных  с частицами почвы, повышают и  находящиеся в мембранах корневых клеток ферменты редуктазы. Так, установлено, что у гороха, испытывающего недостаток железа или меди, в присутствии таких ферментов повышается способность восстанавливать ионы этих элементов. Корни некоторых растений (например, фасоли и других двудольных) могут при недостатке железа повышать кислотность почвы, в результате чего его соединения переходят в растворимое состояние (доказано, что поступление тяжелых металлов из почвы в растения возрастает параллельно с увлечением кислотности почвы; это происходит потому, что их соединения лучше растворяются в кислой среде). В повышении биологической доступности тяжелых металлов немалую роль может играть и корневая микрофлора.

Почвенные микроорганизмы могут переводить нерастворимые 

При увеличении содержания металлов в почве, снижается  её общая биологическая активность, и это резко отражается на росте и развитии растений, причём разные растения реагируют на избыток металлов по-разному. Исследования показали, что металлы распределяются по органам растений неравномерно. Однако в одной и той же части растения концентрация химических элементов существенно изменялась в зависимости от фазы его развития и возраста. В наибольшей степени металлы накапливались в листьях. Это обусловлено многими причинами, одна из которых - локальное накопление металлов в результате перехода их в малоподвижную форму. Например, в случае медной интоксикации окраска некоторых листьев у исследуемых растений изменялась до красной и буро-коричневой, что свидетельствовало о разрушении хлорофилла.

Кобальт

В биосфере кобальт  преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения - концентраторы кобальта, образуются кобальтовые месторождения. Будучи слабым водным мигрантом, он легко переходит в осадки, адсорбируясь гидроокисями марганца, глинами и другими высокодисперсными минералами.

Содержание  кобальта в почвах определяет количество этого элемента в составе растений данной местности, а от этого зависит поступление кобальта в организм травоядных животных.

Постоянно присутствуя  в тканях растений, кобальт участвует  в обменных процессах. Способность  к накоплению этого элемента у бобовых выше, чем у злаковых и овощных растений. В связи с высокой способностью к концентрации кобальта морские водоросли по его содержанию мало отличаются от наземных растений, хотя в морской воде его значительно меньше, чем в почвах. Кобальт участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда других семейств. В микродозах кобальт является необходимым элементом для нормальной жизнедеятельности многих растений и животных. Вместе с тем повышенные концентрации соединений кобальта являются токсичными.

Кобальт применяют  в сельском хозяйстве как микроудобрения – удобрения, содержащие микроэлементы (В, Cu, Mn, Zn, Со и др.), т. е. вещества, потребляемые растениями в небольших количествах.

Молибден

Больше всего  молибдена находится в болотистых почвах и в почвах тундр. Богатство  почв органическими веществами обусловливает  низкий окислительный потенциал  среды.

Наиболее растворимы в воде и доступны для растений соединения Мо6 в нейтральной и слабощелочной среде. На кислых почвах молибден мало доступен растениям, поэтому в таких условиях сказывается положительно внесение молибденовых удобрений. Влияние молибдена зависит от многих факторов: на кислых почвах эффект молибдена зависит от содержания подвижного алюминия (чем больше алюминия, тем выше эффект молибдена). Между молибденом и марганцем наблюдается обратная зависимость—избыток марганца вызывает недостаток молибдена, и, наоборот, присутствие молибдена улучшает состояние растений (льна), болеющих на кислых почвах от избытка марганца.

Молибден особенно важен для бобовых растений; он концентрируется в клубеньках бобовых, способствует их образованию и росту  и стимулирует фиксацию клубеньковыми бактериями атмосферного азота.

В условиях недостатка молибдена в растениях накапливаются нитраты, одновременно уменьшаются азотистая растворимая фракция и уровень азотистой белковой фракции.

Молибден оказывает  положительное влияние не только на бобовые растения, но и на цветную капусту, томаты, сахарную свеклу, лен и др. Растениями-индикаторами недостатка молибдена могут быть томаты, кочанная капуста, шпинат, салат, лимоны.

Молибден необходим  не только для процесса синтеза белков в растениях, но и для синтеза витамина С и каротина, синтеза и передвижения углеводов, использования фосфора.

Болезни молибденовой недостаточности:

- болезнь нитевидности  цветной капусты. Выражается в  уменьшении листовой пластинки.  Поражает растения на кислых  почвах: известкование может предотвратить появление болезни. Описана преимущественно в Австралии и Новой Зеландии.

- желтая пятнистость  цитрусовых (рис.1). Выражается в появлении  желтых пятен на листьях, быстро  опадающих. При этом значительно  уменьшается количество плодов. Заболевание наблюдается во Флориде (США).

Никель

Растения в  районе никелевых месторождений  могут накоплять в себе значительные количества никеля. При этом наблюдаются  явления эндемического заболевания  растений, например уродливые формы  астр, что может быть биологическим и видовым индикатором в поисках никелевых месторождений. При усвоении никеля растениями происходит взаимодействие с содержащимися в почве железом, кобальтом, хромом, магнием, медью, цинком, марганцем; при этом ионы марганца и магния не ингибируют, а ионы кобальта, меди, железа и цинка — ингибируют абсорбцию никеля на 25—42%. Существуют указания на то, что растения, произрастающие на серпентиновых почвах, не проявляют признаков токсического повреждающего воздействия никеля, в случаях, если соотношение медь: никель равно или более 1, или соотношение железо: никель равно или более 5.

Типичные симптомы повреждающего токсического действия никеля: хлороз, появление желтого  окрашивания с последующим некрозом, остановка роста корней и появления  молодых побегов или ростков, деформация частей растения, необычная пятнистость, в некоторых случаях — гибель всего растения.

Марганец

Кислая реакция  почвы (при рН ниже 6,0) благоприятствует усвоению растениями Мn2+ ; слабощелочная  реакция (рН выше 7,5) стимулирует образование гидрата Мn(ОН)2, трудно усваиваемого растениями.

Подвижность марганца в пахотном слое также определяется буферностью почв по отношению к  кислотам, что зависит от суммы  обменных оснований (преимущественно  Са и Mg) в них. При высокой буферности почв подвижность Мn2+ уменьшается. При низкой буферной емкости почв подвижность марганца выше. Марганец мобилизует фосфорную кислоту почвы. Целый ряд почвенных микроорганизмов, участвующих в усвоении растениями атмосферного азота, усиливают свою активность под влиянием марганца.

Марганец служит катализатором процессов дыхания  растений, принимает участие в  процессе фотосинтеза. Исходя из высокого окислительно-восстановителыюго потенциала марганца можно думать, что марганец играет такую же роль для растительных клеток, как железо — для животных.

Марганец входит в состав либо является активатором  ряда ферментативных систем; регулирует отношение Fe2+↔Fe3+, тем самым влияя  на окислительно-восстановительные  процессы, совершающиеся с помощью  железа.

Марганец усиливает гидролитические процессы, в результате чего нарастает количество аминокислот, способствует продвижению ассимилятов, образующихся в процессе фотосинтеза от листьев к корням и другим органам.

При недостатке марганца в почвах (низком содержании либо неблагоприятных условиях для усвоения его растениями) возникают заболевания растений, характеризующиеся в общем появлением на листьях растений хлоротичных пятен, которые в дальнейшем переходят в очаги некроза (отмирания). Обычно при этом заболевании происходит задержка роста растений и их гибель. У различных видов растений заболевание марганцевой недостаточностью имеет свои специфические проявления и получило соответственные названия.

- cерая пятнистость  злаков наблюдается у овса, ячменя, пшеницы, ржи, кукурузы. Характеризуется появлением на листьях узкой поперечной линии увядания. Листья загибаются по линии увядания и свешиваются вниз.

- болезнь сахарного  тростника – на молодых листьях  появляются длинные беловатые  полосы хлоротичных участков, в  дальнейшем краснеющие; на этих местах наступает разрыв листьев.

- пятнистая  желтуха сахарной свеклы, а также  кормовой, столовой свеклы и шпината.  В пространствах между жилками  листьев появляются желтые хлоротичные  участки; края листьев заворачиваются  кверху.

- болотная пятнистость семян гороха. Поражаются как листья (легкий хлороз), так и, главным образом, семена гороха. На семенах появляются коричневые или черные пятна; на внутренней поверхности семядолей образуются полости. Рядом с больными могут находиться и здоровые семена.

- болезни плодовых растений  проявляются в хлорозе листьев  (у главной жилки), преимущественно  старых (недостаточность железа  проявляется главным образом  на молодых листьях). Отмирают  ветви, светлеют плоды. Сильнее  всего поражается груша; вишня  и яблоня — меньше.

- пятнистость листьев  тунга. Заболевание встречается  преимущественно в США. При  низком содержании обменного  марганца в почвах, на листьях  между жилками появляются хлоротичные  участки, разрастающиеся в пятна.

Встречается также серая  пятнистость клубники и другие заболевания.

Явление недостаточности  марганца у растений в виде приведенных  выше специфических заболеваний  наблюдается при значительном дефиците марганца в почвах, однако и при  относительном недостатке подвижного марганца могут наблюдаться «стертые» формы недостаточности, проявляющиеся в задержке роста, уменьшении урожайности и т. п.

Избыток марганца, так же как и его недостаток, неблагоприятно сказывается на растениях.

Медь

В почвах встречаются несколько  форм меди, в различной степени усваиваемой растениями:

Подвижность меди и поступление  ее в растения уменьшаются при  известковании почв, связывании меди в виде органических соединений и  закреплении почвенным гумусом. Часть меди почв прочно связана с  почвенными перегнойными кислотами — гуминовой, креновой, апокреновой; в этой форме она становится неподвижной и неусвояемой для растений.

Медь необходима для жизнедеятельности  растительных организмов. Почти вся  медь листьев сосредоточена в  хлоропластах и тесно связана  с процессами фотосинтеза; она участвует в синтезе таких сложных органических соединений, как антоциан, железопорфирины и хлорофилл; медь стабилизирует хлорофилл, предохраняет его от разрушения.

Медь способствует синтезу  в растениях железосодержащих ферментов, в частности пероксидазы.

Установлено положительное  влияние меди на синтез белков в  растениях и благодаря этому  — на водоудерживающую способность  растительных тканей. Напротив, при  недостатке меди гидрофильность коллоидов  тканей уменьшается.

Очевидно, вследствие этого  медь в виде удобрений имеет значение для придания растениям засухо- и морозоустойчивости, а также, возможно, устойчивости к бактерийным заболеваниям.

Болезни недостаточности  меди у растений:

- экзантема, или суховершинность  плодовых деревьев. Пораженные побеги теряют листья и высыхают. Крона деревьев приобретает кустовидную форму. Плоды мелкие с бурыми пятнами и бородавками. Листья имеют сначала ярко-зеленый цвет, а в дальнейшем появляется пятнистость и хлороз.

- «болезнь обработки»  травянистых растений проявляется  в подсыхании кончиков листьев,  задержке в формировании репродуктивных  органов, пустозернистости колоса. При этом заболевании растения  кустятся и, не переходя к  стеблеванию, погибают.

Цинк

Цинк является компонентом ряда ферментных систем. Он необходим для образования дыхательных ферментов—цитохромов А и Б, цитохромоксидазы (активность которой резко падает при недостаточности цинка), входит в состав ферментов алкогольдегидразы и глицилглициндипептидазы. Цинк связан с превращением содержащих сульфгидрильную группу соединений, функция которых состоит в регулировании уровня окислительно-восстановительного потенциала в клетках.

Под влиянием цинка  происходит увеличение содержания витамина С, каротина, углеводов и белков в ряде видов растений, цинк усиливает рост корневой системы и положительно сказывается на морозоустойчивости, а также жаро-, засухо- и солеустойчивости растений. Соединения цинка имеют большое значение для процессов плодоношения.

Болезни недостаточности цинка распространены преимущественно среди плодовых деревьев; могут заболевать также хвойные растения и кукуруза. Главнейшие из этих болезней недостаточности следующие:

- мелколистность, или розеточная болезнь, листопадных  деревьев. Поражает яблони, груши, сливу, персики, абрикос, миндаль, виноград , вишню. На заболевшем растении весной образуются укороченные побеги с розеткой мелких скрученных листьев.

- пятнистость  листьев цитрусовых, «крапчатость».  Между жилками листьев появляются  желтые участки, поэтому листья приобретают пятнистый вид. Зеленая окраска сохраняется лишь у основания листьев, остальная часть становится белой. Листья и корневая система перестают расти, и растения погибают.

- бронзовость  листьев тунговых. Листья приобретают  бронзовую окраску, отдельные участки отмирают. Появляющиеся взамен погибающих новые листья деформированы. Больные деревья мало устойчивы против морозов.

- розеточная  болезнь сосны. Хвоя на концах  побегов приобретает бронзовую  окраску.

- побеление  верхушки кукурузы. Между жилками листа появляются светло-желтые полосы, развиваются некротические пятна и отверстия. Новонарастающие листья имеют бледно-желтый цвет.

 Основное влияние элементов минерального питания на процессы, определяющие урожай и его качество

 Макроэлементы

(их вынос  с урожаем исчисляется в килограммах  на тонну продукции)

 Азот - элемент  образования органического вещества. Регулирует рост вегетативной  массы. Определяет уровень урожайности. 

Фосфор - элемент  энергетического обеспечения (АТФ, АДФ). Активизирует рост корневой системы и закладки генеративных органов. Ускоряет развитие всех процессов. Повышает зимостойкость.

Калий - элемент  молодости клеток. Сохраняет и  удерживает воду. Усиливает образование  сахаров и их передвижение по тканям. Повышает устойчивость к болезням, засухе и заморозкам.

Мезоэлементы

(их вынос  с урожаем исчисляется в килограммах  на тонну продукции)

 Магний - повышает интенсивность фотосинтеза  и образование хлорофилла. Влияет  на окислительно-восстановительные  процессы. Активирует ферменты и ферментативные процессы.

Кальций -  стимулирует рост растения и развитие корневой системы. Усиливает обмен  веществ, активирует ферменты. Укрепляет  клеточные стенки. Повышает вязкость протоплазмы.

Сера - Участвует  в азотном и белковом обменных процессах, входит в состав аминокислот, витаминов и растительных масел. Влияет на окислительно-восстановительные процессы.

 Микроэлементы

(их вынос  с урожаем исчисляется в граммах  на тонну продукции)

Железо - Регулирует фотосинтез, дыхание, белковый обмен  и биосинтез ростовых веществ – ауксинов.

Медь - Регулирует дыхание, фотосинтез, углеводный и белковый обмен. Повышает засухо -, морозо -, и  жароустойчивость

Марганец - Регулирует фотосинтез, дыхание, углеводный и белковый обмен. Входит в состав и активирует ферменты.

Цинк - Регулирует белковый, липоидный, углеводный, фосфорный  обмен и биосинтез витаминов  и ростовых веществ - ауксинов.

Бор -  Регулирует опыление и оплодотворение, углеводный и белковый обмен. Повышает устойчивость к болезням.

Молибден - Регулирует азотный, углеводный и фосфорный обмен, синтез хлорофилла и витаминов, стимулирует фиксацию азота воздуха.

Факторы, снижающие  подвижность и усвоение элементов  минерального питания растениями

Железо - Высокая  влажность или переувлажнение почвы, обилие Р и недостаток К в почве, низкая или высокая температура, избыток растворимых солей тяжелых металлов в кислых почвах, плохая аэрация, высокое содержание органического вещества.

Марганец - Сухая  погода, низкая температура почвы, низкая интенсивность освещения, высокое содержание ионов Р, Fe, Cu, Zn, в почве, высокое содержание органического вещества.

Цинк - Высокие  дозы фосфорных и азотных удобрений, обильное известкование, низкая температура, уплотненная почва, низкое содержание органического вещества.

Медь - Высокая концентрация ионов Р, N и Zn в почве, избыток растворимых соединений тяжелых металлов в почве, жаркая погода, высокое содержание органического вещества.

Бор - Засуха, избыточная влажность, интенсивное  освещение, изобилие азотных и калийных удобрений.

Молибден - Высокое  содержание ионов Mn, Fe и Cu, и сульфат-ионов  в почве, высокие дозы нитратного азота, высокое содержание органического  вещества.

  
Роль микроэлементов в организме человека. Растения-концентраты микроэлементов.

По физиологической  значимости концентрируемые растениями микроэлементы могут быть необходимыми, менее необходимыми и даже вредными для организма.

Участие цинка в обеспечении иммунитета, процессах роста, нормальной функции половых желез осуществляется через 24 цинкзависимых энзима, участвующих во всех основных процессах обмена веществ: катализируют биосинтез и метаболизм нуклеиновых кислот, белка, энергообразование, обеспечивают действие витаминов А и фолиевой кислоты. Роль цинка в обмене веществ в организме так велика, что при его дисбалансе, развиваются карликовость, бесплодие, половой инфантилизм, различные формы анемии, дерматиты, патология ногтей и волос, происходит усиление роста опухолей. Одним из показателей нехватки цинка в организме человека является появление белых пятен на ногтевой поверхности.

Среди растений - сверхконцентратов цинка избирательно накапливают его алоэ древовидное, береза повислая, дурман индейский, лавровишня лекарственная, лапчатка прямостоячая, сушеница топяная и якорцы стелющиеся. К растениям - концентратам цинка относятся фиалка полевая, череда и чистотел. Большинство этих растений издавна применяются как прекрасные лекарственные средства при лечении кожных заболеваний различной этиологии и как ранозаживляющие средства. При их использовании происходит суммирование действий физиологически активных веществ и цинка, что в конечном итоге ведет к повышению фармакологической активности этих растений.

К растениям - накопителям железа относятся бессмертник итальянский, яйцегуб опьяняющий, лобелия вздутая, марена красильная грузинская, рапонтикум софлоровидный, синюха голубая и сушеница топяная. Железо является основным компонентом гемоглобина крови и гемосодержащих ферментов, каталазы, пероксидазы и цитохромоксидазы - главных катализаторов всех окислительно-восстановительных процессов.

Медь наравне с железом участвует во всех окислительно-восстановительных процессах, она входит в состав церрулоплазмина человека и животных, является кофактором ферментов цитохромоксидазы, полифенол-  ди-, амино- и аскорбиноксидазы. При любом воспалении возрастает потребность в меди. Применение меди целесообразно при лечении артритов любого генеза. Сверхконцентратами меди являются вздутоплодник сибирский, лапчатка прямостоячая, лобелия вздутая, марена красильная грузинская, сушеница топяная, чайный куст китайский.

Некоторые растения способны накапливать одновременно несколько элементов. Так, лапчатка прямостоячая является сверхнакопителем  меди и цинка, а лобелия вздутая  и марена красильная грузинская - меди и железа. Рекордсменом среди лекарственных растений-накопителей является сушеница топяная, которая накапливает в сверхдозах одновременно цинк, медь и железо, которые усиливают действие друг друга: медь необходима для усвоения железа и усиливает действие цинка. Поэтому лечение анемий является более эффективным при сочетании приемов железа и меди. Одновременное концентрирование цинка, меди и железа в лекарственных растениях повышает их фармакологическую активность.

К сверхнакопителям марганца относятся багульник болотный, лапчатка прямостоячая, чайный куст китайский, черника обыкновенная и все разновидности эвкалипта. Способна накапливать марганец вахта трехлистная. Марганец, который входит в состав многих ферментов, участвует в углеводном, белковом и фосфорном обменах. Марганец необходим для нормальной функции половых желез, опорно-двигательного аппарата и нервной системы. Усвояемость марганца с возрастом снижается, хотя потребность в нем сохраняется прежняя. Это создает благоприятный фон для развития злокачественных новообразований и сердечно-сосудистых заболеваний. Поэтому для их профилактики и лечения рекомендуются растения, синтезирующие сердечные гликозиды, для которых характерно накопление высоких доз марганца. Наилучшим источником марганца для лиц всех возрастных категорий является чайный куст китайский.

Сверхнакопителями молибдена являются багульник болотный, барвинок малый, горец птичий, жостер слабительный, крапива двудомная и мята перечная. Молибден препятствует развитию кариеса зубов, задерживая фтор.

Кобальт сверхконцентрируют кубышка желтая, сушеница топяная, черемуха Маака, черемуха обыкновенная и шиповник собачий. Роль кобальта в организме многообразна: он участвует в обмене жирных кислот и фолиевой кислоты, в углеводном обмене, но главная роль его состоит в синтезе витамина В12,  в процессе кроветворения. Витамин В12 - единственный элемент, который может откладываться в организме впрок на 7 лет вперед. Лучшим источником кобальта для коррекции его дисбаланса в организме является шиповник.