Контрольная работа: Выращивание растений в водной культуре на полной питательной смеси и с исключением элементов питания (вариант без азота)

В последующие года учение о минеральном питании растений развивалось стремительно. Важную роль в этой области сыграли: Н. Т. Соссюр (почва снабжает растение азотом и минеральными элементами), Ж. Б. Буссенго (растения можно выращивать в песке с добавлением в него минеральных солей), Ю. Либих («закон минимума», «закон возврата»). Все они постепенно опровергали «гумусовую теорию», а окончательно это сделали И. Кноп и Ю. Сакс. В своих опытах они показали, что вполне возможно вырастить нормальное растение на воде до полного созревания при его обеспечении лишь смесью элементов: азотом, фосфором, серой, калием, кальцием, магнием и железом. Эти опыты окончательно утвердили теорию минерального питания и создали основу для вегетационного метода , в том числе водных и песчаных культур. Питательный раствор, разработанный Кнопом, будет использоваться и в нашем опыте.

1.1 Выращивание растений на водной культуре в ППС и с исключением элементов питания

Растения способны поглощать из окружающей среды в больших или меньших количествах все элементы периодической системы. Между тем для нормального жизненного цикла растительного организма необходима лишь определенная группа основных питательных элементов, функции которых в растении не могут быть заменены другими химическими элементами. В эту группу входят следующие 19 элементов:

Углерод, С	Кальций, Ca	Бор, B
Водород, Н	Магний, Mg	Хлор, Cl
Азот, N	Железо, Fe	(Натрий), Na
Кислород, O	Марганец, Mn	(Кремний), Si
Фосфор, P	Медь, Cu	(Кобальт), Ko
Сера, S	Цинк, Zn
Калий, K	Молибден, Mo

Среди этих основных питательных элементов лишь 16 являются собственно минеральными, так как С, Н и О поступают в растения преимущественно СО2, О2 и Н2О. Натрий, кремний и кобальт приведены в скобках, поскольку их необходимость для всех высших растений пока не установлена. Натрий поглощается в относительно высоких количествах некоторыми видами семейства Chenopodiaceae(маревых), в частности свеклой, а также видами, адаптированными к условиям засоления и в этом случае является необходимым. То же справедливо и для кремния, который часто встречается в соломине злаковых, для риса он является необходимым элементом.

Первые четыре элемента – С, Н, О, N – называют органогенами. Углерод в среднем составляет 45% сухой массы тканей, кислород – 42, водород – 6,5 и азот – 1,5, а все вместе 95%. Оставшиеся 5% приходятся на зольные вещества: P, S, K, Ca, Mg, Fe, Al, Si, Naи др. О минеральном составе растений обычно судят по анализу золы, остающейся после сжигания органического вещества растений. Содержание минеральных элементов (или их окислов) в растении выражают, как правило, в процентах по отношению к массе сухого вещества или в процентах к массе золы. Перечисленные выше вещества золы, относят к макроэлементам.

Элементы, которые присутствуют в тканях в концентрациях 0,001% и ниже от сухой массы тканей, называют микроэлементами. Некоторые из них играют важную роль в обмене веществ (Mn, Cu, Zn, Co, Mo, B, Cl).

Содержание того или другого элемента в тканях растений не постоянно и может сильно изменяться под влиянием факторов внешней среды. Например, Al, Ni, Fи другие могут накапливаться в растениях до токсического уровня. Среди высших растений встречаются виды, резко различающиеся по содержанию в тканях этих элементов, как Na, о чем уже говорилось, и Ca, в связи с чем выделяют группы растений натриефилов, и кальциефилов (большинство бобовых, в том числе фасоль, бобы и клевер), кальциефобов (люпин, белоус, щавелек и др.). Эти видовые особенности обусловлены характером почв в местах происхождения и обитания видов, определенно генетически закрепленной ролью, которую указанные элементы играют в обмене веществ растений.

Наиболее богаты минеральными элементами листья, у которых зола может составлять от 2 до 15% от массы сухого вещества. Минимальное содержание золы (0,4 – 1%) обнаружено в стволах древесных.

1.2 Выращивание растений на водной культуре в ППС и с исключением элементов питания

Как уже упоминалось выше, вполне возможно вырастить нормальное растение на воде до полного созревания при его обеспечении лишь смесью элементов: азотом, фосфором, серой, калием, кальцием, магнием и железом. И это очевидно, ведь все эти незаменимые элементы нужны для построения организма растения. Данные элементы являются основными и в будущем играют определяющую роль в жизненном цикле растения. Если хоть один из этих элементов исключить из питания, то растение будет неполноценным, будут появляться видимые дефекты и отклонения от нормы.

Каждый из этих элементов участвует в том или ином процессе, каждый из них входит в состав молекул и структур растения. Например, азот входит в состав белков, нуклеиновых кислот, ферментов, порфиринов, коэнзимов. Если его не будет в питании растения, то оно будет плохо расти, так как азот является строительным материалом в составе белков.

Рассмотрим фосфор. Он тоже очень важный элемент, так как входит в состав белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов, фосфорных эфиров сахаров, нуклеотидов, принимающих участие в энергетическом обмене, витаминов и многих других соединений. При его недостатке у растения снижается скорость поглощения кислорода, изменяется активность ферментов, участвующих в дыхательном метаболизме, тормозится синтез белков и свободных нуклеотидов.

Сера является основным источником питания у растений. Этот элемент входит в состав серосодержащих белков, в такие важнейшие аминокислоты как цистеин и метионин. Одна из основных функций серы в белках и полипептидах – участие SH-групп в образовании ковалентных, водородных, меркаптидных связей, поддерживающих трехмерную структуру белка. Другая важнейшая функция серы в растительном организме – это поддержание определенного уровня окислительно-восстановительного потенциала клетки. Недостаток этого элемента снижает скорость фотосинтеза и роста растения, тормозит синтез серосодержащих аминокислот и белков, в острых случаях нарушается формирование хлоропластов и возможен их распад.

Содержание в тканях растений калия составляет 0,5 – 1,2% в расчете на сухую массу. Сосредоточен в основном в молодых, растущих тканях, характеризующихся высоким уровнем обмена веществ: меристемах, камбии, молодых листьях, побегах, почках. В клетках присутствует в основном в ионной форме и не входит в состав органических соединений. Калий служит основным противоионом для нейтрализации отрицательных зарядов неорганических и органических анионов. Именно присутствие калия в значительной степени определяет коллоидно-химичекие свойства цитоплазмы, что существенно влияет на все процессы в клетке. Калий способствует поддержанию состояния гидратации коллоидов цитоплазмы, регулируя ее водоудерживающую способность. Увеличение гидратации белков и водоудерживающая способности цитоплазмы повышает устойчивость растений к засухе и морозам. Недостаток калия снижает продуктивность фотосинтеза, прежде всего за счет уменьшения скорости оттока ассимилятов из листьев.

Большое значение в жизни растений имеет двухвалентный ион кальция. Он присутствует во всех клеточных структурах и стабилизирует их функции. Особенно важное значение имеет кальций для нормального развития и деятельности корневой системы. При недостатке этого элемента задерживается формирование и рост корней, в том числе корневых волосков. Нехватка кальция, прежде всего, отражается на развитии молодых органов, так как не происходит транспорта кальция из старых частей в более молодые. Характерным признаком этого является обесцвечивание конуса нарастания и молодых листочков, а также их скручивание. Наблюдаются и некротические явления — коричневые пятна на молодых листьях. Избыток кальция отрицательно сказывается на поглощении железа, цинка, марганца.

Магний входит в состав хлорофилла. Он активирует многие ферменты. Недостаток магния сопровождается хлорозом листьев — они начинают бледнеть (или розоветь) между жилками от середины к краям, становятся пестрыми, а края листьев скручиваются. Плохо развивается корневая система, растения истощаются.

Железо играет важную роль, участвуя в процессе дыхания растений, а также в синтезе хлорофилла. При недостатке железа у растений развивается хлороз, причем не частичный (как при недостатке кальция или магния), а полный, когда вся поверхность листа постепенно становится бледно-зеленой, почти белой окраски. Сначала хлоротичными становятся молодые листья,

1.3 Метаболизм и физиологические значения азота как одного из самых важных элементов питания

Для растений азот – дефицитный элемент. Если некоторые микроорганизмы способны усваивать атмосферный азот, то растения могут использовать лишь азот минеральный. Растения никогда не выделяют азотистые соединения как продукты отброса и там, где это возможно, азотистые соединения заменены на безазотистые вещества. В почве азот находится в трех формах: NH₄ ⁺ , NO₃ ^- и органический азот. Для растений наиболее доступной формой является NO₃ ^- , менее доступна форма NH₄ ⁺ .

Для того чтобы сделать доступными для питания растений основные запасы азота в гумусе, необходимо разложить органическое вещество почвы. Этот процесс невозможен без участия различных микроорганизмов.

Процесс превращения органического азота почвы в NН₄ ⁺ носит название аммонификации. Он осуществляется гетеротрофными микроорганизмами (питаются готовыми органическими веществами) и схематически может быть представлен следующим образом:

органический азот почв --> RNН2 + СО₂ + побочные продукты,RNН₂ + Н₂ О = NH₃ + RОН, NН₃ + Н₂ О = NH₄ ⁺ + ОH^– .

Биологическое окисление NН₃ или NH₄ ⁺ до NO₃ ^– называется нитрификацией.

Еще в 1870 г. Шлезинг и Мюнц доказали опытным путем биологическую природу нитрификации. Для этого они добавляли к сточным водам хлороформ, в результате чего прекращалось окисление аммиака. Основная заслуга в раскрытии механизма нитрификации и выделении осуществляющих этот процесс микроорганизмов принадлежит выдающемуся российскому микробиологу С.Н.Виноградскому. В 1889 г. он открыл бактерии нитрификации и определил две фазы этого процесса.

Бактерии первой фазы окисляют аммиак до азотистой кислоты:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂ O.

К ним относят бактерии следующих родов: Nitrosomonas, Nitrosocystis , Nitrosolobus, Nitrosospira . Из них наиболее изучен вид Nitrosomonas europaea .

2HNO₂ + О₂ = 2НNO₃ .

Среди бактерий, осуществляющих это превращение, различают три рода: Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus.