Комплексные минеральные удобрения от ведущих зарубежных производителей.

Диета для растений: современный взгляд

Авторы:

Евдокимова Татьяна Владимировна, генеральный директор ООО «АгриТэк»

Тел/факс: (495) 347-97-52; (499) 722-79-63/64

e-mail: agritech09@mail.ru

Куликова Наталья Александровна, доктор биологических наук, старший научный сотрудник, факультет почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова

Тел.: +7(495)9394456

e-mail: knat@darvodgeo.ru

Филиппова Ольга Игоревна, инженер-лаборант, факультет почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова

Тел.: +7(495)9394456

e-mail: phiolga@mail.ru

Резюме

Дан краткий обзор существующих представлений по поглощению основных элементов минерального питания растениями и приведены примеры удобрений, используемых для обеспечения растениями различными макро-, мезо- и микроэлементами при корневом и внекорневом питании. На примере ассимиляции растениями азота показана важность использования комплексных удобрений, обеспечивающих трансформацию азота из нитратов в аминокислоты и белки. Сделан вывод о перспективности внедрения в практику комплексных удобрений не только с точки зрения повышения продуктивности, то также для получения продукции, отвечающей современным требованиям здорового питания и обогащенной биологически активными компонентами, включая необходимые для человека микроэлементы в биоусвояемой форме.

Ключевые слова: питание растений, ассимиляция элементов минерального питания, функциональная пища, комплексные удобрения

Diet for plants: contemporary approach

Evdokimova T.V., Kulikova N.A., Philippova O.I.

Abstract

Contemporary conception of the essential mineral nutrients uptake by crops has been reviewed and some examples of the up-to-date fertilizers meant for root and foliar nutrition to supply essential macro- meso- and microelements to crops have been given. Importance of complex fertilizers has been demonstrated on the example of nitrogen assimilation as they provide with nitrate transformation to aminoacids and proteins in plants. Advanced introduction of complex fertilizers into practice has been concluded due to they facilitate both high crop productivity, quality of products meeting well recent requirements to wholesome food, and enrichment with biologically active compounds including essential microelements as well.

Keywords: plant nutrition, mineral nutrients assimilation, functional food, complex fertilizers

Список сокращений

АТФ (аденозинтрифосфат) – нуклеотид, играющий исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов.

НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) – присутствующие во всех живых клетках коферменты дегидрогеназ, катализирующих важнейшие окислительно-восстановительные реакции.

СОД (супероксиддисмутаза) – фермент, играющий ключевую роль в антиоксидантной защите организма.

АФК (активные формы кислорода) – супероксиданион радикал, синглетный кислород и перекись водорода, повреждают белки и ДНК и вызывают перекисное окисление липидов.

Неотъемлемой характеристикой всех растений является автотрофность – способность синтезировать органические вещества из углекислого газа и воды, используя энергию Солнца, а также способность извлекать и метаболизировать минеральные элементы почвенной или водной среды. Поэтому растения служат для человека и животных источником не только углеводов, но и минеральных элементов, поступающих в составе органических молекул, а также в виде ионов в сбалансированных концентрациях.

Наука о минеральном питании растений зародилась более века назад, когда в 1840 г. в свет вышла книга Либиха «Химия в приложении к земледелию и физиологии». Тогда решались две основные проблемы: какие элементы минерального питания необходимы для растений и каким образом эти элементы попадают в растительный организм. К настоящему времени установлено, что хотя в растениях можно обнаруживать почти все элементы таблицы Менделеева, необходимыми являются 7 элементов: N, P, S, K, Ca, Mg и Fe. Потом была установлена потребность растений еще в 5 элементах – Cu, Mn, Mo, Zn и B. На основе количественной потребности и содержания в растении минеральные элементы были разделены на макроэлементы (N, P, K), мезоэлементы (S, Ca, Mg и Fe), которые часто объединяют с макроэлементами, и микроэлементы (Cu, Mn, Mo, Zn, B), а также добавлена группа так называемых «полезных» элементов, куда были отнесены Na, Cl, Si, Co. Основные элементы питания растений и их роль в растительных организмах перечислены в табл. 1.

В природе источником практически всех элементов (кроме углерода и азота и серы, частично поступающих из воздуха), необходимых для жизнедеятельности наземных растений, является почва [1]. Из почвы вода и растворенные в ней минеральные элементы поглощаются высокоспециализированным органом – корневой системой растений. Поступление элементов минерального питания чаще всего происходит в ионной форме; исключение составляет бор, который, вероятно, поступает в форме недиссоциированной борной кислоты (табл. 2). Именно поэтому удобрения, предназначенные для почвенного внесения, должны характеризоваться хорошей растворимостью в воде, что делает их доступными для поглощения растениями.

Непосредственно с почвенным раствором соприкасается покрывающая корень снаружи экзодерма – основной барьер на пути поглощения ионов корнем; далее ионы должны преодолеть зону первичной коры, затем эндодерму и попасть в центральный цилиндр, где располагаются сосуды ксилемы, по которым происходит дальнейший транспорт ионов. Поступление воды из почвы в центральный цилиндр происходит, как правило, пассивно, что связано с ее транспирацией растениями. В отличие от воды, поглощение ионов только на первом этапе (поступление в экзодерму) объясняется механизмами диффузии и адсорбции, когда ионы движутся вместе с водой. При дальнейшем перемещении ионов в зону центрального цилиндра в растениях задействуются различные активные механизмы транспорта, сопряженные с затратами энергии и использованием специфических интегральных мембранных белков, таких как АТФазы, переносчики и каналы.

Несмотря на то, что в природе растения получают необходимые питательные элементы преимущественно из почвы, в практике сельского хозяйства в настоящее время широко распространено внесение удобрений с помощью внекорневых подкормок, что связано со способностью растений поглощать питательные элементы и через листья (табл. 2). Основная проблема внекорневых подкормок – небольшая подвижность ряда элементов в растении, что приводит к незначительному отклику или его отсутствию у растений. Наименее подвижными элементами считаются B, Ca, S и Fe, которые практически не перемещаются из места поглощения листом. К элементам, обладающим средней подвижностью, относятся Zn, Cu, Mn, Mo и Mg, а к элементам, способным быстро перемещаться, K, P, Cl и N.

В целом можно сказать, что поставленные ранее перед наукой задачи о минеральном питании растений решены: достоверно известно какие именно элементы минерального питания необходимы для нормального роста и развития растений и как эти элементы попадают в растительный организм. Существующие минеральные удобрения обладают достаточно высокой эффективностью и при правильном использовании способны полностью удовлетворить все потребности растений.

Поэтому на первый план вышла третья важная проблема минерального питания растений – установление механизмов ассимиляции поглощенных элементов питания. Это связано с тем, что в настоящее время во всех развитых странах мира активно внедряется понятие функциональной пищи, т.е. пищи, которая выполняет не только энергетическую функцию, снабжая человеческий организм энергией и доставляя пластический материал для строения тела, но и способствует профилактике заболеваний, повышению работоспособности и продлению жизни людей, создавая при этом условия для адекватной адаптации их к окружающей среде. Такие продукты питания содержат биологически активные компоненты и оказывают существенное влияние на одну или несколько функций организма или его отдельных органов и систем (отсюда и название – функциональные продукты питания). К биологически активным компонентам относится целый ряд веществ, таких как витамины, пищевые волокна, антиоксиданты, полиненасыщенные жирные кислоты, биологически значимые элементы (B, Fe, Mg, Zn, Se и др.) и др. [4]. Принимая во внимание, что значительная часть биологически активных компонентов поступает в наш организм с растительной пищей, очевидно, что понимание процессов ассимиляции элементов минерального питания в растениях открывает путь к разработке новых сбалансированных высокоэффективных минеральных удобрений, позволяющих получать высокие урожаи продукции, отвечающей современным требованиям здорового питания.

Важнейшим питательным элементов всех растений является азот, и именно азотные удобрения играют решающую роль в повышении урожая всех сельскохозяйственных культур. Поэтому рассмотрим особенности ассимиляции минеральных элементов на его примере. Источниками азота для растений могут служить соли азотной (нитраты) и азотистой кислот (нитриты), аммонийные формы азота и некоторые органические соединения, такие как мочевина, содержащая азот в амидной форме, и аминокислоты. Вне зависимости от формы поступления азота, в растениях он вовлекается в процессы биосинтеза только в восстановленной форме – в виде ионов аммония (рис. 1). Поэтому поступающий в виде нитратов или нитритов азот первоначально восстанавливается в растениях до аммонийной формы за счет окисления углеводов, а амидный азот аммонифицируется до углекислого аммония (при почвенном внесении этот процесс происходит в еще почве). Таким образом, азот в аммонийной форме является наиболее легко ассимилируемым (т.е. вовлекаемым в метаболизм) источником азота. Установлено, что для включения аммонийного азота в состав аминокислот обычно достаточно всего 10-20 мин [2].

В почве основным источником минерального азота для растений считается нитрат, хотя для его усвоения необходимо высокое содержание углеводов и большие запасы энергии. Усвоение нитрата – сложно организованная система последовательных биохимических и физиологических процессов, включающая поступление аниона в корень, его восстановление и накопление в корнях, радиальный транспорт, загрузку ксилемы, транслокацию в надземные органы, восстановление и накопление нитрата в листьях. Азот нитратов, восстановленный в корнях, в виде аминокислот, амидов или уреидов поступает в побеги. Частично нитраты могут перемещаться в невосстановленном виде в листья растений и ассимилироваться там по мере необходимости, однако обратное перемещение нитратов – из листьев в корни – практически не происходит [3]. Ассимиляция высшими растениями второго по значимости источника азота – аммония – происходит через синтез аминокислот; наиболее значимыми среди которых являются реакции биосинтеза глутамата и глутамина.

В настоящее время известны практически все основные механизмы ассимиляции азота в растения (рис. 1) и отвечающие за эти процессы ферменты, среди которых важнейшими являются нитратредуктаза, глутаминсинтетаза и глутаматдегидрогеназа [8]. Нитратредуктаза катализирует восстановление NO3 до NO2 – первый этап включения нитратного азота в растительный метаболизм. Глутаминсинтетаза отвечает за включение NH4+, образующегося при восстановлении NO2, в глутамат. Результатом этого процесса является синтез глутамина – аминокислоты, содержащейся у человека преимущественно в мышечной ткани и играющей важную роль в белковом обмене. Существуют данные, что при нарушении синтеза этой аминокислоты у человека (например, при кахексии), возможно использование глутамина в качестве терапевтического средства [7]. Основными источниками глутамина среди растений считаются такие культуры как капуста, свёкла, бобы, шпинат и петрушка. Глутаматдегидрогеназа, в свою очередь, катализирует дезаминирование глутаминовой кислоты, превращение глутаминовой кислоты в α-кетоглутаровую.

Проведенные исследования позволили установить, что ассимиляция азота растениями напрямую зависит не только от доступности самого азота, но также и от доступности ряда макро- и микроэлементов, так как они прямо или косвенно оказывают влияние на активность ферментов, участвующих в метаболизме азота. Было показано, что активность нитратредуктазы в растениях снижается при недостатке Mo, Zn [6], а также P, K, Ca, Mg, S, Fe [5]. Снижение скорости восстановления нитратного азота, катализируемого нитратредуктазой, может приводить, в свою очередь к накоплению нитратов в свободном состоянии в растениях и снижению содержания аминокислот и белков, т.е. к ухудшению качества получаемой продукции.

Активность глутаминсинтетазы снижалась при дефиците P, K, Ca, Mg, S, Fe [5] и Cu [6]. Недостаток Ca, Mg, Fe и Mo приводил к уменьшению ферментативной активности глутаматдегидрогеназы [5, 6]. Недостаточная активность этих ферментов также может негативно сказываться на качестве продукции вследствие нарушения белкового обмена в растениях, т.к. растения не синтезируют полезные аминокислоты и белки, а, наоборот, могут накапливать в своих тканях поглощаемые из удобрений нитраты, о вреде которых для здоровья человека хорошо известно.

Опираясь как на многолетнюю агрохимическую практику, так и на современные научные исследования, можно сделать вывод о необходимости внесения наряду с азотом других элементов минерального питания растений, прежде всего, микроэлементов. Это позволит получать высокие урожаи продукции, обогащенной биологически активными компонентами, включая необходимые для человека микроэлементы в биоусвояемой форме. Особую актуальность использование комплексных удобрений приобретает выращивании растений на искусственных грунтах и гидропонике, так как, в отличие от почвы, именно в этих условиях наблюдается наиболее выраженный недостаток микроэлементов. С этой точки зрения большой интерес представляют комплексные удобрения, содержащие наряду с макроэлементами также мезо- и микроэлементы. Примерами сбалансированных комплексных удобрений являются Фертикеа Комби (14%N + 5% P + 21% K + 1,8% S + 1,4% Mg), Фертикеа Гидро (6,4% N + 5% P, 26% K + 4% S, 2,7% Mg) и удобрения серии Кристалон (содержание N, P, K, Mg и S варьируется в зависимости от назначения + 0,025% B + 0,01% Cu + 0,04% Mn + 0,07% Fe + 0,004% Mo + 0,025% Zn), в состав которых входит не только азот, но также остальные макро-, мезо- и микроэлементы в легкодоступной для растений форме. Говоря о комплексных удобрениях, нельзя отдельно не упомянуть о Пи-Джи-Микс, предназначенном для создания полноценных питательных грунтов на основе торфа. Полный набор микроэлементов, а также присутствие азота как в нитратной, так и в аммонийной форме, позволяет с помощью данного удобрения обеспечивать растения всеми необходимыми питательными веществами вплоть до 12 недель. Полным набором минеральных элементов, необходимых для развития растений, характеризуется Яра Мила Кропкеа (10% N + 10% P + 20% K + 2,5% Mg + 11% S + 0,15% B + 0,1% Cu + 0,1% Fe + 0,7% Mn + 0,1% Zn + 1,0% Ca + 0,0006% Se) – удобрение универсального назначения, которое показало высокую эффективность при внесении не только в торфяные смеси для рассады, но также и в почву как в качестве основного удобрения, так и в качестве подкормки.

Таким образом, важной задачей современной агрохимии является разработка и внедрение в практику комплексных удобрений, применение которых будет способствовать получению продукции, содержащей в достаточном количестве биологически активные компоненты (витамины, белки, аминокислоты, биологически значимые элементы). Можно ожидать, что в скором времени все большее внимание будут привлекать удобрения, направленные на обогащение растительной продукции микроэлементами, играющими важную физиологическую роль в метаболизме не только растений, но также животных и человека.

Библиографический список

1. Кузнецов, В.В., Дмитриева Г.А. / В.В.Кузнецов, Г.А. Дмитриева // Физиология растений – М.: Высшая школа – 2006 – 742с.

2. Минеев, В.Г. Агрохимия / В.Г. Минеев // М.: Изд-во МГУ – 1990 – 486с.

3. Физиология растений //. И.П. Ермакова (ред.) – М.: Издательский центр «Академия», 2007 – 640с.

4. Шендеров, Б.А. Современное состояние и перспективы развития концепции «Функциональное питание» / Б.А. Шендеров // Пищевая промышленность – 2003 – №5 – с. 8-10.

5. Harper, J.E. Nitrogen assimilation and protein synthesis in wheat seedlings as affected by mineral nutrition. I. Macronutrients' / J.E. Harper, G.M. Paulsen // Plant Physiology – 1969, №44 – P. 69-74.

6. Harper, J.E. Nitrogen assimilation and protein synthesis in wheat seedlings as affected by mineral nutrition. II. Micronutrients’ / J.E. Harper, G.M. Paulsen // Plant Physiology – 1969 – №44 – P. 636-640.

7. Noe, J.E. L-glutamine use in the treatment and prevention of mucositis and cachexia: a naturopathic perspective / J.E. Noe // Integrative Cancer Therapies – 2009 – V.8 – № 4 – Р. 409-415.

8. Oaks, A. Re-evaluation of nitrogen assimilation in roots / A. Oaks // Bioscience – 1992 – V. 42 – P. 103-111.


Таблица 1. Основные элементы минерального питания растения и их роль в растениях

Элемент

Роль в растении

Макроэлементы

N

Входит в состав белков, нуклеиновых кислот, хлорофилла

P

Входит в состав нуклеиновых кислот, фосфатидов, белков, фосфолипидов, АТФ, коэнзимов НАД и НАДФ. Необходим для клеточного деления, стимулирует рост корней, способствует цветению и плодоношению

K

Основной катион цитоплазмы (поддержание тургора, мембранный транспорт, стабильность мембран и белков и др.). Является активатором энзимов фотосинтеза, белкового и углеводного обмена; повышает эффективность использования энергии света в условиях холода и недостаточной освещенности, повышает сопротивляемость болезням.

Мезоэлементы

S

Входит в состав аминокислот цистеина и метионина. Участвует в процессах метаболизма витаминов, биотина, тиамина и коэнзима А; стабилизирует структуру белков.

Ca

Входит в состав клеточной стенки и клеточной мембраны. Необходим для нормального митоза, участвует в поддержании стабильности мембранных структур и хромосом; является активатором энзимов фосфолипазы, аргинин киназы, аденозин трифосфатов; детоксицирует избыточные органические кислоты в растении.

Mg

Неотъемлемая составляющая хлорофилла. Активатор энзимов углеводного метаболизма, синтеза нуклеиновых кислот и др.; способствует поглощению и перемещению фосфора; способствует транслокации сахаров.

Fe

Входит в состав различных энзимов и компонентов цепей переноса электронов. Участвует в синтезе хлорофилла, метаболизме нуклеиновых кислот.

Микроэлементы

Cu

Входит в состав пластоцианина, цитохром оксидазы, СОД. Участвует в детоксикации АФК.

Mn

Входит в состав пируват карбоксилазы. Участвует в дыхании растений, является активатором энзимов, участвующих в метаболизме азота и синтезе хлорофилла; контролирует окислительно-восстановительный потенциал клетки.

Mo

Входит в состав ферментов нитрат редуктазы и нитрогеназы. Участвует в утилизации и фиксации азота; необходим для клубеньковых бактерий Rhizobia для фиксации азота.

Zn

Входит в состав ферментов цитохромоксидазы, фенолазы, лактазы и др. Способствует синтезу витамина А в растениях.

B

Увеличивает проницаемость мембран и способствует транспорту углеводов; необходим для клеточного деления; способствует поглощению и утилизации кальция; необходим для синтеза белка; регулирует соотношение калия и кальция.


Таблица 2. Поступление основных минеральных элементов в растения при корневом и листовом питании

Элемент

Поступление через корни

Поступление через листья

В каком виде поступает

Примеры удобрений

В каком виде поступает

Примеры удобрений

Макроэлементы

N

NO3, NO2, NH4+, амиды, амино-кислоты

Тропикоут, Нитрабор, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

NO3, NH4+, мочевина, NO, NO2

Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

P

H2PO4, HPO42–

Монокалийфосфат, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

H3PO4 (?)

Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

K

K+

Сульфат калия, нитрат калия, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

K+

Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Мезоэлементы

S

SO4

Сульфат калия, нитрат магния, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

SO4, SO2

Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Ca

Ca2+

Кальциевая селитра

Ca2+

Кальциевая селитра

Mg

Mg2+

Нитрат магния, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Mg2+

MgSO4, Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Fe

Fe2+, Fe3+

Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Fe3+, Fe2+

Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби, Рексолин железа

Микроэлементы

Cu

Cu2+

Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Cu2+

CuSO4 + Ca(OH)2, CuO, Кристалоны,Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Mn

Mn2+

Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Mn2+

MnSO4, Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Mo

MoO42–

Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

MoO42–

Na2MoO42, Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Zn

Zn2+

Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

Zn2+

ZnSO4, ZnS, ZnO, ZnCO3, Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

B

H3BO3

Нитрабор, Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби

H3BO3

H3BO3, Na2B4O7·10H2O, Кристалоны, Фертикеа Гидро, Фертикеа Комби


586261.png

Рисунок 1. Общая схема поступления и усвоения азота растениями. НР – нитратредуктаза; ГС – глутаматсинтетаза; ГДГ – глутаматдегидрогеназа.