Роль подвижных соединений кремния в растениях и системе почва-растение
На правах рукописи
МАТЫЧЕНКОВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ РОЛЬ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КРЕМНИЯ В РАСТЕНИЯХ И СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ 03.00.12 – физиология и биохимия растений 03.00.27 – почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Пущино 2008
Работа выполнена в Институте фундаментальных проблем биологии Российской академии наук Научные консультанты:
доктор биологических наук Биль Карл Яковлевич доктор биологических наук, профессор Ерохин Юрий Евдокимович
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Музафаров Евгений Назибович доктор биологических наук Приходько Валентина Евгеньевна доктор биологических наук, профессор Пахменко Екатерина Петровна
Ведущая организация:
Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А.Тимирязева
Защита состоится «24» декабря 2008 г. в час на заседании диссертационного совета Д 002.066.01 при Институте фундаментальных проблем биологии РАН по адресу: 142290, г. Пущино Московской области, ул. Институтская, 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института фундаментальных проблем биологии РАН.
Автореферат разослан «_»_2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Назарова Г.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Понимание процессов, происходящих в живых организмах, их сообществах и биосфере в целом, необходимо для эффективного управления природными ресурсами и предотвращения экологических катастроф. Особую значимость при этом имеют элементы, выполняющие важные функции в фотосинтезирующих организмах и почвенно-растительных ассоциациях. Кремний является вторым по распространенности (после кислорода) элементом земной коры, но тем не менее он один из наименее изученных макроэлементов в растениях и системе почва-растение. Содержание кремния в разных растениях колеблется в пределах 0,3–10% от сухой массы, а круговорот данного макроэлемента организмами в биосфере по объему массопереноса уступает только углероду, кислороду и водороду. Невзирая на то, что кремний поглощается растениями и почвенными микроорганизмами в количествах, часто превышающих величину поглощения азота, фосфора, калия и кальция, количество исследований, посвященных его роли в почвено растительных ассоциациях, крайне низко;
сведения об участии кремния в физико-химических и биологических процессах фототрофных организмов относятся. главным образом, к диатомовым водорослям. К настоящему времени становится очевидным несоответствие между значимостью кремния в природе и объемом имеющихся о его функциях знаний. Многие теоретические и практические вопросы, касающиеся полифункциональной роли кремния в растениях и почвах, остаются практически не изученными.
Цель и задачи исследования. Основной целью исследований явилось определение форм соединений кремния в природе и их функций в растениях и системе почва-растение. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
• Разработать высокоинформативные и простые в исполнении методы определения растворимых форм кремния в растениях, грунтах, почвах и природных водах.
• Выявить базовые закономерности образования, миграции, трансформации и взаимодействия основных форм растворимых соединений кремния в растениях и системе почва-растение.
• Изучить растворимые формы кремния и их локализацию в растениях.
• Выяснить основные механизмы стрессоустойчивости растений, обусловленные подвижными соединениями кремния.
• Определить влияние растворимых форм кремния на соединения фосфора и тяжелых металлов.
• Систематизировать природные закономерности биогеохимического круговорота основных растворимых форм кремния в растительных ассоциациях различных климатических зон и выявить роль антропогенного фактора в перераспределении и трансформации растворимых форм кремния в системе почва-растение.
Основные положения, выносимые на защиту • Растения поглощают кремниевые соединения через корневую систему и листовые пластины, накапливая его преимущественно в виде водорастворимых моно- и поликремниевых кислот. Основной функцией кремния в растениях является обеспечение защиты организма от биогенных и абиогенных стрессов.
• Растения способны к перераспределению кремния внутри организма и обладают механизмом, обеспечивающим его целенаправленное концентрирование в органах и/или тканях, подверженных стрессу.
• Основной поток кремния в наземных системах осуществляется через поглощение растениями монокремниевой кислоты с последующей ее трансформацией в поликремниевые кислоты и аморфный кремнезем.
• Этот поток формирует циклы кремния в системе почва-растение двух типов: аккумулятивный и элювиальный.
• Основными подвижными соединениями кремния в системе почва растение являются монокремниевая кислота и высокомолекулярные поликремниевые кислоты. Их содержание в почве зависит от многих факторов, среди которых определяющим для монокремниевой кислоты в верхнем почвенном горизонте служит баланс кремния в растительной ассоциации, а для поликремниевых кислот – состав и состояние твердых фаз почвы.
• Изменение содержания монокремниевой кислоты в почве влияет на активность почвенной биоты, устойчивость и направленность эволюции растительных ассоциаций.
Научная новизна работы. В диссертации впервые приведены экспериментальные данные, свидетельствующие о наличии механизма активного поглощения и направленного перераспределения кремния внутри растения, что обеспечивает его высокие концентрации в органах и тканях, подверженных стрессу любой природы. Выдвинута и на примере растений частично подтверждена гипотеза о наличии у живых систем универсального вспомогательного механизма стресс-защиты с участием матрицы поликремниевых кислот. Определены параметры, характеризующие кремниевый цикл в различных экосистемах. В зависимости от величины биогенного накопления кремния в почве, его физического, химического и биологического выноса из почвы предложено выделять аккумулятивный и элювиальный циклы кремния. Вычислены базовые параметры биогеохимических циклов кремния в различных экосистемах планеты.
Сформулирована гипотеза о формировании равновесия между моно- и поликремниевыми кислотами в водных системах посредством образования нестойких олигомеров кремниевой кислоты. Определены и обобщены основные механизмы взаимодействия кремниевых соединений с фосфором и металлами в системе почва-растение. Разработаны эффективные и простые в применении методы анализа подвижных форм кремния в растениях, грунтах, почвах и природных водах. Предложенные методические приемы позволяют получать принципиально новую информацию о содержании растворимых форм кремниевых соединений в природных образцах.
Практическая значимость. На основе полученных данных о роли подвижных соединений кремния в системе почва-растение был разработан комплекс технологий, позволяющих: 1) создавать новые высокоэффективные кремний-содержащие препараты для повышения устойчивости сельскохозяйственных растений к воздействию стрессов биогенной и абиогенной природы;
2) более эффективно использовать известные кремниевые удобрения и кремний-содержащие почвенные мелиоранты. Полученные данные были успешно использованы нами при разработке технологий снижения токсичности промышленных отходов и сельскохозяйственных препаратов с высоким содержанием тяжелых металлов. Экспериментально показано, что при помощи активных форм кремния можно контролировать подвижность тяжелых металлов и фосфора в грунтах, почвах, промышленных и сельскохозяйственных отходах.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на следующих российских и международных конференциях и симпозиумах в качестве устных и стендовых докладов: 8-ой и 10-ой конференциях молодых ученых МГУ (Москва, 1988;
1989), 8-ом Всесоюзном конгрессе почвоведов (Новосибирск, 1989), 9-ом Международном симпозиуме по биогеохимии окружающей среды (Москва, 1989), YII Всесоюзной конференции по химии, технологии производства и практического применения кремнийорганических соединений (Тбилиси, 1990), Международном симпозиуме «Корообразование почвенного покрова» (США, Афины, 1990), XIII конгрессе INQVA (Китай, Пекин, 1991), Международном симпозиуме по биогеохимии окружающей среды (Испания, Саламанка, 1993), Международной конференции «Устойчивое развитие: точка зрения неиндустриальных стран» (Коста-Рика, Сан Хосе, 1994), XVI Всемирном почвенном конгрессе (Мексика, Акапулько, 1994), Всемирном симпозиуме «Загрязнение больших городов» (Италия, Венеция/Падова, 1995), Международном симпозиуме «Почвы тропических лесов» (Индонезия, 1995), 5-ом симпозиуме Международного общества по исследованию корней растений (США, Клемсон, 1996), 4-ой Международной конференции «Регуляторы роста и развития растeний» (Москва, 1997), Международной конференции «Проблемы антропогенного почвоведения» (Москва, 1997), 31-ой Средне-атлантической конференции по индустриальным и опасным отходам (США, Атлантик-сити, 1999), ежегодных совещаниях Американской ассоциации агрохимиков и Американской ассоциации почвоведов (США, Солт-Лейк-Сити, 1999;
США, Миннеаполис, 2000), ежегодных совещаниях общества садоводов Флориды (США, Гейнцвилл, 1999;
США, Форт Пирс, 2002), Международной конференции «Кремний в сельском хозяйстве» (США, Форт Лаудердейл, 1999), ежегодном совещании Американской ассоциации агрохимиков и Американской ассоциации почвоведов (США, Миннеаполис, 2000), ежегодном совещании Ассоциации агрохимиков и почвоведов Флориды, (США, Сант Люси, 2000), 7-ой международной конференции «Болотные системы и контроль за загрязнением воды» (США, Лейк Буэна Виста, 2000), ежегодных совещаниях Американского общества производителей сахарного тростника (США, Санкт Петербург, 2000;
США, Батон Руж, 2001;
2002), Международном симпозиуме «Функции почвы в системе геосфера-биосфера» (Москва, 2001), 2-ой конференции «Si в сельском хозяйстве» (Япония, Тсуруока, 2002), V-ом и VI Международных симпозиумах «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Россия, Пущино, 2003;
2005), Международных конференциях «Вода Ближнего Востока 2003» (Бахрейн, 2003) и «Вода Ближнего Востока 2004» (Бахрейн, 2004), 13-ой Международной конференции по охране почв (Австралия, Брисбан, 2004), Международной конференции по управлению расходом поливной воды (Иордания, Мертвое море, 2004), конференции «Устойчивое использование земли» (США, Лейк Буена Виста, 2004), 5-ой Международной конференции «Интродукция нетрадиционных и редких растений» (Ростов-на-Дону, 2004), Международной конференции «Агро окружающая среда 2004», (Италия, Удине, 2004), 8-ом и 9-ом Речных симпозиумах (Австралия, Брисбан, 2005;
2006), 2-ой Международной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 2007), Международной конференции по химической технологии (Москва, 2007), 2-ой национальной конференции «Проблемы истории, методологии и философии почвоведения» (Пущино, 2007), 4-ой Всероссийской научной конференции «Гуминовые вещества в биосфере» (Москва, 2007).
Отдельные материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных семинарах: 10 – в России, 5 – в Австралии, 14 – в США, 5 – в Чили, 3 – в Объединенных Арабских Эмиратах, 3 – в Испании, 2 – в Иордании, 1 – в Великобритании, 1 – в Эквадоре, 1 – в Канаде, 1 – в Италии, 2 – в Норвегии, 1 – в Доминиканской республике;
в том числе в таких организациях, как Смитсонивский институт (США, 2000 и 2001), Ротамстедский сельскохозяйственный центр (Великобритания, 1998), Международная организация по продуктам питания и сельскому хозяйству при Организации Объединенных Наций (Италия, 1998), Международный центр по биозасолению (Объединенные Арабские Эмираты, 2005). В августе 2004 г. автор был организатором Международной конференции «Кремний в продуктах питания, сельском хозяйстве и окружающей среде» в г. Пущино, Россия.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано в российских и международных изданиях 105 работ, 1 препринт;
получено 2 патента.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на страницах (без списка цитируемой литературы), иллюстрирована 55 рисунками, 99 таблицами, 3 фотографиями и включает приложение. В список цитируемой литературы включено 466 работ (из них 251 на иностранных языках).
Диссертация состоит из обзора литературы, материалов и методов, полученных результатов, заключения и выводов.
Содержание работы. Основное содержание диссертационной работы изложено в 8 главах и общем заключении. В литературном введении в краткой форме дана характеристика кремниевых соединений и история развития исследований в области влияния кремния на растения. В главе «Материалы и методы исследований» стандартные методики описаны кратко со ссылками на соответствующую литературу;
подробно разбираются только разработанные автором методические приемы и их преимущества по сравнению с существующими. В разделе «Результаты исследований» последовательно рассматриваются взаимосвязь кремния с тяжелыми металлами, локализация кремния в растениях, его взаимоотношение с фосфором, баланс кремния в наземных системах, цикл кремния в системе почва-растение, подробно описаны характеристики почв с аккумулятивным и элювиальным типами кремниевого цикла. Далее представлены схемы круговорота кремния в агросистемах и биосфере;
в конце раздела описано практическое применение кремниевых соединений. В общем заключении подводится итог результатов работы, отмечается значимость многофункциональности подвижных соединений кремния в растениях и системе почва-растение, акцентируется внимание на необходимости снабжения сельскохозяйственных угодий кремниевыми удобрениями, отмечается важная роль кремния в устойчивости растительных сообществ, скорости и направленности эволюционного процесса в целом.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР В настоящей главе отмечается, что кремний является самым распространенным после кислорода элементом земной коры. Его кларковое содержание по А.П. Виноградову (1935) равно 29.5;
87% всей литосферы Земли составляют кварц и силикаты. Благодаря тесному химическому сродству кремния и кислорода, в биосфере кремний встречается только в виде кислородных соединений. Концентрация кремния в земной коре повышается с уменьшением глубины слоя, максимальное содержание кремния наблюдается в почвах и составляет от 35 до 48% для песчаных почв и от 15 до 45% для глинистых почв. Кроме твердых соединений кремния, представленных различными минералами, во всех природных водах, включая почвенные, присутствуют растворимые формы кремния (Ковда, 1985;
Lindsay, 1979). В природных водах постоянно находятся такие соединения, как моно- и поликремниевые кислоты, кремний-органические соединения, которые обладают высокой химической и биологической активностью (Варшалл и др., 1980;
Назаров, 1976). Монокремниевая кислота является слабой кислотой, проявляющей буферные свойства при рН7 (Iler, 1979). Монокремниевая кислота реагирует с металлами и неметаллами (Iler, 1979;
Lindsay, 1979). При высоких концентрациях она способна образовывать комплексы с органическими и неорганическими соединениями (Iler, 1979). По-видимому, похожими свойствами обладают и олигомеры кремниевой кислоты. Сам класс этих соединений был выделен сравнительно недавно (Knight et al., 1986, 1987;
Dent-Glasser and Lachowsky, 1980). Олигомеры кремниевой кислоты нестабильны при значениях рН от 7 и ниже, но более стабильны в щелочной среде. Поликремниевые кислоты представляют собой цепочки силоксановой связи -Si-O-Si- с различным количеством гидроксигрупп. Молекулы поликремниевых кислот могут быть линейными, разветвленными или шарообразными (Iler, 1979). Они образуются путем конденсации монокремниевой кислоты. Механизм этого процесса изучен недостаточно (Dietzel, 2002). Высокомолекулярные поликремниевые кислоты химически инертны, так как возникающие на поверхности молекулы заряды, обусловливающие химическую активность соединения, могут быть компенсированы за счет изгиба самой молекулы. Высокомолекулярные поликремниевые кислоты в основном влияют на физико-химические свойства почв (Ma and Takahashi, 2002). Важно отметить, что свежеобразованная высокомолекулярная поликремниевая кислота (кремниевый гель) обладает уникальной способностью сохранять информацию о любом другом соединении или молекуле, находящимся в растворе (Высоцкий и др., 1967), благодаря чему может образовываться специфическая силикатная матрица, которая обладает каталитическими свойствами и способствует направленному низкотемпературному синтезу того вещества, которое присутствовало при формировании геля поликремниевой кислоты (Banerjee, 2001). Наименее изученными формами растворимого кремния являются кремний-органические соединения (Варшалл и др., 1972, 1980), а также комплексы с органическими и неорганическими лигандами (Dietzel, 2002). В настоящее время существует методика, позволяющая только фиксировать их присутствие (Воронков и др., 1981). Несомненно, что данный класс соединений играет важную роль в природе.
В литературном обзоре также приводится информация об истории развития исследований влияния кремння на растения. Отмечается, что изучение активных форм кремния в растениях было начато еще в конце XVIII века несколькими естествоиспытателями: А. Гумбольдтом, Л. Вокленом и Х. Дэви в Германии, Франции и Англии (Davy, 1799, 1813). В 1813 г. сэр Хэмфри Дэви, выдающийся ученый-химик и натуралист, на основании собственных исследований и результатов работ А. Гумбольдта пришел к выводу, что кремний, концентрируясь в эпидермальных тканях, создает механическую защиту растений от насекомых-вредителей. В 1840 г. вышел в свет основной труд по агрохимии немецкого химика Юстиуса Либиха, где впервые были определены четыре базовых элемента питания растений: азот, фосфор, калий и кремний. Полевые испытания кремниевых удобрений были начаты на Ротамстедской станции в 1856 г. и продолжаются до сих пор. Изучение влияния кремниевых соединений на растения было продолжено во второй половине XIX века такими учеными, как J.B. Law, A.D. Hall, C.G.T. Morison (Англия), I. Pierre, V. Jodin (Франция), C. Kreuzhage, E. Wilf, A. Grob (Германия). Выдающийся русский химик Д.И. Менделеев (1870) подчеркивал важность применения кремниевых удобрений и впервые указал на возможность использования аморфного кремнезема в качестве кремниевого удобрения.
Первый патент на кремниевое удобрение был выдан в 1888 г. в США. Большой вклад в изучение роли кремния как элемента, способствующего повышению стрессоустойчивости растений, внес И. Онодера, который показал важность данного элемента в обеспечении защиты риса от грибковых заболеваний. В начале 20 века его работы способствовали организации многолетних исследований влияния кремния на защитные свойств риса в Японии.
О важной биогеохимической роли кремния в биосфере неоднократно писал академик В.И. Вернадский (1921, 1926, 1938), утверждавший, что без кремния невозможно существование живых организмов на нашей планете. Его работы послужили основой для начала изучения биогеохимии кремния в водных системах и использования кремниевых удобрений в агрохимии (Аскинази, 1937;
Виноградов, 1935). Однако в середине прошлого века развитие химии и химических средств защиты растений привели к снижению интереса к кремнию как биофильному элементу. Основые исследования в области изучения роли кремния в растениях свелись к определению его валового содержания. Значительное число работ было посвящено изучению новообразований кремния в растениях – фитолитов (Добровольский и др.,1988;
Гольева, 2001, 2004;
Neumann, 2003;
Sangster, 1968). Было предложено условное разделение растений на кремниефилы (общее содержание Si1%) и некремниефилы (Si1%) (Epstein, 1999;
Ma, Takahashi, 2002). Предполагали, что кремний пассивно поглощается растениями в форме монокремниевой кислоты и затем откладывается в виде различных фитолитов и аккумулируется в эпидермальных клетках (Epstein, 1999;
Ma, Takahashi 2002). В СССР основные теоретические исследования функций кремния в растениях во второй половине прошлого века проводили такие ученые, как М.Г. Воронков, Е.П.
Алешин и Н.Е. Алешин. Большую роль в изучении биогеохимической роли кремния в системе почва-растение сыграли советские ученые: В.А. Ковда, Н.И.
Базилевич, В.А. Рочев, Г.А. Барсукова. В Японии наибольшее внимание уделяли практическим аспектам защиты риса от грибковых заболеваний с использованием кремниевых удобрений (E. Takahashi, S. Yoshida, A. Okuda). В западной Европе и Америке в основном вели исследования теоретического плана по влиянию кремния на поведение других элементов в растениях и системах растение-почва (J. Birchal, E. Carlisle, L. Jones, N. Savant, G. Snyder, A.
Wallace).
В последнее время интерес к кремнию вновь значительно возрос.
Начиная с 1999 г., раз в 3 года проводится Международная конференция «Si in Аgriculture», где особое внимание уделяется изучению роли и функций кремния в растениях. Во многом возросший интерес к кремнию связан с возможностью его использования в качестве экологически чистой альтернативы пестицидам, а также для повышения природной устойчивости растений к абиогенным стрессам. Так, в недавнее время у растений была установлена возможность синтеза специального белка, обеспечивающего активный транспорт растворимых кремниевых соединений (Ma et al., 2006, 2007);
резко выросло количество работ, посвященных изучению механизмов повышения стрессоустойчивости растений активными формами кремния (Колесников и Гинс, 2001;
Belanger, 2006;
Exley et al., 2003). Работы таких исследователей, как Н.И. Базилевич (1993), А. Alexander (1997), D. Anderson (1991), F. Bartoli (1983), I. Basile-Doelsch (2005), Y. Lucas (2006), F. Wattean и G. Villemin (2001), R.
Wollast и F. McKenzie (1983) свидетельствуют о важности изучения подвижных (активных) форм кремния в системе почва-растение.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Основным объектом наших исследований были кремниевые кислоты (мономеры, олигомеры, низкомолекулярные и высокомолекулярные поликремниевые кислоты), поскольку именно они обеспечивают основные химические, физиологические, миграционные и трансформационные процессы с участием кремния в растениях и системе почва-растение. В лабораторных, тепличных и полевых экспериментах были использованы следующие хозяйственно важные культуры: кукуруза (Zea mays L.), ячмень (Hordeum vulgare L.), пшеница (Triticum aestivum L.), рис (Oriza sativa L.), сахарный тростник (Saccharum officinarum L.), сорго (Sorghum vulgare L.), апельсины сорта Темпл (C. reticulata x C. sininsis) и сорта Валенсия (Citrus sinensis (L.), грейпфруты (Citrus paradise L.), томаты (Lycopersicum esculentum L.), огурцы (Cucumis sativus L.), цветная капуста (Brassica oleracea L.), и травы: Distichlis spicata, Bahiagrass (Paspalum notatum Fluegge). Изучение подвижных форм кремния проводили в системах почва-растение юга Московской области, центральной и южной Флориды, штата Мэриленд. Подвижные формы кремния изучали как в естественных, так и в сельскохозяйственных экосистемах. Были проведены также модельные исследования взаимодействия моно- и поликремниевых кислот между собой, а также с соединениями фосфора и тяжелых металлов. Анализ кремния во всех растворах и вытяжках выполняли по модифицированному нами методу Маллена и Райли (по Iler, 1979). Метод основан на реакции молибденово-кислого аммония (аниона молибденовой кислоты) с монокремниевой кислотой с образованием желтого кремний молибденового комплекса:
..
7Si(OH)4 + 12H6Mo7O24 4H2O + 126H2 = 7H8Si(Mo2O7)6 28H2O с последующим его восстановлением в комплекс синего цвета (для повышения чувствительности метода). Время взаимодействия монокремниевой кислоты с молибденово-кислым аммонием составляет 3 мин. Для устранения возможного негативного влияния фосфора образующийся фосфор-молибденовый комплекс разрушают действием смеси концентрированной серной кислоты и щавелево кислого натрия. Концентрацию кремния определяют колориметрически при длине волны 660 нм. Предложенная нами модификация заключается в замене нестабильного нафтола сульфатом железа для восстановления кремний молибденового комплекса. Нами также предложено использование различного временного интервала для образования желтого молибденового комплекса, что позволяет определить монокремниевую кислоту (молибденово-кислый аммоний реагирует только с монокремниевой кислотой), олигомеры кремниевой кислоты и низкомолекулярные поликремниевые кислоты. Для определения олигомеров кремниевой кислоты время взаимодействия с молибденово-кислым аммонием увеличивали до 10 мин. Этого времени достаточно для деполимеризации олигомеров до моноформы. Концентрацию олигомеров вычисляли по разнице результатов при 10- и 3-минутной экспозициях. При определении низкомолекулярных поликремниевых кислот использовали 30-минутный интервал образования желтого кремний-молибденового комплекса. За это время низкомолекулярные кислоты успевают разложиться до мономерной формы. Концентрацию низкомолекулярных кремниевых кислот вычисляли по разнице результатов при 30- и 3-минутной экспозиции. Монокремниевую кислоту в основном определяли совместно с олигомерами кремниевой кислоты, так как эти соединения обладают сходными физико-химическими свойствами, и под термином монокремниевая кислота подразумевали смесь этих соединений, за исключением тех экспериментов, где ставилась задача их раздельного выявления. Для определения высокомолекулярных поликремниевых кислот в растворах был разработан метод, основанный на разрушении полимеров кремниевой кислоты с помощью ультразвука или под воздействием щелочи.
Одной из основных причин недостаточной изученности роли и функций кремния в растениях и системе почва-растение было отсутствие метода определения его растворимых форм (монокремниевой и поликремниевых кислот) в тканях растений. Нами разработано два взаимодополняющих методических подхода. Первый подход позволяет оценивать содержание монокремниевой и поликремниевых кислот в растительных тканях путем анализа супернатанта суспензии, полученной в результате разрушения свежих растительных образцов с добавлением дистиллированной воды и последующим центрифугированием гомогената;
второй – основан на анализе суточной динамики выноса соединений кремния (моно- и поликремниевых кислот) из растительных тканей, помещенных в водный раствор. При изучении биогеохимического цикла кремния в системе почва-растение существовала методическая проблема, связанная с экстракцией подвижных соединений кремния из почв. Она заключалась в том, что при высушивании образца обе основные формы подвижного кремния (монокремниевая и поликремниевые кислоты) дегидрируют с образованием пленки аморфного кремнезема на поверхности почвенных или минеральных частиц (Iler, 1979;
Ковда, 1985;
Назаров, 1976). При последующей экстракции, независимо от применяемого растворителя, аморфный кремнезем растворяется с образованием только монокремниевой кислоты в количестве, пропорциональном суммарному содержанию моно- и поликремниевых кислот, присутствовавших в исходном свежем образце (Nonaka & Takahashi, 1986a, 1986b). Поэтому анализы, основанные на экстракции кремния из сухих образцов, не дают реальной картины содержания моно- и поликремниевых кислот в образце. Нами разработана методика определения монокремниевой кислоты и поликремниевых кислот в грунтах и почвах нa основе использования водной вытяжки из свежих образцов с влажностью от 10 до 50% при соотношении грунт:раствор 1:6. В случае использования сухих образцов экстракция осуществляется после 3-4-недельной инкубации с дистиллированной водой при влажности 15-25%. В полученных экстрактах содержание монокремниевой кислоты и поликремниевых кислот определяли модифицированным методом Маллена и Райли. Методика апробирована на разных образцах почв в сравнении с другими методами и дает лучшие результаты. В работе были также использованы стандартные химические, физические, микробиологические, биологические методы исследования почв, грунтов, растворов и растений с применением ионометрии (определение рН, аммонийного и нитратного азота), колориметрии (определение фосфора), атомной адсорбции (определение калия, тяжелых металлов, натрия).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РАСТВОРИМЫЕ ФОРМЫ КРЕМНИЯ В научной литературе до сих пор отсутствует четкое представление о формах кремния, которые активно участвуют в биогеохимических процессах.
Поэтому авторы в основном пишут об общем или растворимом кремнии, определяя его с помощью атомно-адсорбционного метода или с использованием метки 29Si (Alexander, 1997;
Bartoli, 1983;
Lucas, 2006). Однако такой подход недостаточно информативен, поскольку в природных растворах кремний присутствует в составе соединений, обладающих различными свойствами и, следовательно, выполняющих разные функции.
На основе анализа литературы и собственных данных нами установлены основные формы кремния, присутствующие в тканях растений, природных водах, грунтах, почвах и участвующие в биогеохимическом круговороте. Это монокремниевая кислота, олигомеры кремниевой кислоты, низкомолекулярные поликремниевые кислоты, высокомолекулярные поликремниевые кислоты, кремний-органические соединения, комплексные соединения кремниевой кислоты с органическими и неорганическими лигандами. Данные соединения можно объединить под термином активные кремниевые соединения. Наиболее важными растворимыми формами кремния в растениях и системе почва растение являются монокремниевая и поликремниевые кислоты. Эти неорганические соединения всегда присутствуют в природных водных растворах. Причем между ними существует тесная взаимосвязь. Поэтому для изучения растворимых форм кремния в более сложных системах важно было определить закономерности взаимовлияния моно- и поликремниевых кислот в водных растворах в интервале рН от 4 до 9. В диссертации приводятся лабораторные исследования, проведенные с использованием истинных растворов, содержащих только растворимые формы кремния (моно- и поликремниевые кислоты), а также в системах раствор-твердое вещество и раствор-микроорганизмы. Первоначально в растворах были заданы различные концентрации моно- и поликремниевых кислот, которые получены с использованием аморфного диоксида кремния (табл. 1). Затем в течение 3-х недель в растворах устанавливалось равновесие между различными формами кремниевой кислоты при разных значениях рН.
Таблица 1. Динамика содержания соединений кремния в растворе в течение 3-х недель, рН = 7 (n = 7) Раствор 1 Раствор 2 Раствор Мономеры Полимеры Мономеры Полимеры Мономеры Полимеры Si, мг/л Исходный 120 ± 0,4 20 ± 0,6 85 ± 0,4 55 ± 0,6 20 ± 0,4 65 ± 0, раствор Раствор 100 ± 0,4 40 ± 0,6 101 ± 0,4 39 ± 0,6 85 ± 0,4 через три недели Полученные в диссертации результаты свидетельствовали, что в истинных растворах поликремниевые кислоты стабильны только при концентрации монокремниевой кислоты свыше 100 мг/л Si (табл. 1). При значениях рН=4–6 поликремниевые кислоты становились стабильными при концентрации монокремниевой кислоты около 80-85 мг/л Si. В то же время в щелочных растворах (рН=8–9) поликремниевые кислоты были стабильны при концентрации монокремниевой кислоты 110–120 мг/л Si. При введении в систему твердых частиц поликремниевые кислоты становились стабильными при низких значениях концентрации монокремниевой кислоты. Полученные результаты показали, что при повышении дисперсности и уровня гидратированности вводимых в систему твердых частиц концентрация поликремниевых кислот в равновесном растворе повышается. Следовательно, соотношение и концентрации моно- и поликремниевой кислот в системе вода твердая фаза зависят от ряда параметров: рН среды, состава и степени гидратированности твердых частиц, соотношения твердых частиц и природы раствора. Доля поликремниевых кислот возрастает при увеличении дисперсности твердых частиц. При более низких значениях рН стабильность поликремниевых кислот возрастает. В работе приводятся данные, что, например, введенные в систему микроорганизмы Pseudomonas aerginosa также способствуют образованию и стабилизации поликремниевых кислот при более низких концентрациях монокремниевой кислоты. При изучении динамики изменения концентраций растворимых форм кремния в системах с добавлением твердых частиц или микроорганизмов было установлено, что в течение первой недели в системе идет образование олигомеров кремниевой кислоты.
Концентрация этих соединений в растворе постоянно менялась, подчиняясь закону затухающих колебаний, что указывает на стремление системы к стабилизации и промежуточный характер олигомеров кремниевой кислоты по отношению к моно- и высокомолекулярным поликремниевым кислотам. В процессе выполнения работы было сделано предположение, что поликремниевые кислоты могут образовываться в диффузном слое раствора на границе раздела твердой и жидкой фаз, где концентрация монокремниевой кислоты в силу межмолекулярного взаимодействия существенно превышает ее среднюю концентрацию. Процесс формирования и распада поликремниевых кислот в такой системе стремится к равновесию. При нарушении равновесия системы (соотношения раствор-твердое вещество, химического состава, рН и т.
д.) происходит образование промежуточных неустойчивых форм кремния – олигомеров кремниевой кислоты. Именно посредством формирования этих нестабильных соединений система стремится к установлению нового равновесия между мономерами и полимерами кремниевой кислоты.
Предполагалось, что эти процессы могут происходить также в растительных клетках. Содержание растворимых форм кремния определяли в водных растворах, полученных после 1 часа и 24 часов взбалтывания 2-3 сантиметровых сегментов листьев Distichlis spicata. Из растворов были отобраны аликвоты, в которые добавляли раствор молибденово-кислого аммония. Затем с интервалом в 0, 5, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 20, 30, 40, 50 и 60 минут приливали раствор щавелевой кислоты с сульфатом железа для восстановления желтого кремний-молибденового комплекса и прекращения реакции между кремниевой кислотой и молибденово-кислым аммонием. Другую часть исходных растворов оставляли на 2 суток в холодильнике при температуре 4 оС и затем определяли содержание монокремниевой кислоты при тех же интервалах времени взаимодействия с молибденово-кислым аммонием. Срок в 48 часов недостаточен для деполимеризации высокомолекулярных поликремниевых кислот, но достаточен для распада олигомеров кремниевой кислоты и низкомолекулярных поликремниевых кислот (Iler, 1979;
Dietzel, 2001, 2002). Значения рН всех растворов колебались от 7 до 7,5. В течение первого часа из листьев в раствор выходят монокремниевая кислота и олигомеры кремниевой кислоты. При 24-х часовом взаимодействии листовых сегментов выходят и низкомолекулярные поликремниевые кислоты. Важно отметить, что высокомолекулярные поликремниевые кислоты фиксировали в растворе как после 1 часа взбалтывания (0,92 ± 0,4 Si мг/л), так и после 24 часов взаимодействия с водой (1,05 ± 0,5 Si мг/л). Таким образом, за первый час в раствор переходило около 90% высокомолекулярных поликремниевых кислот, около 50% монокремниевой кислоты и олигомеров кремниевой кислоты, но фактически в растворе не обнаруживали низкомолекулярные поликремниевые кислоты.
КРЕМНИЙ И ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ Известно, что монокремниевая кислота может образовывать с тяжелыми металлами труднорастворимые силикаты (Lindsay, 1979):
2Zn2+ + SiO44- = Zn2SiO4 lоg Ko = -32, 2Mn2+ + SiO44- = MnSiO4 lоg Ko = -21, Mn + SiO44- + 2H+ = MnSiO4 + H2O 2+ lоg Ko = -35, 2Pb2+ + H4SiO4 = PbSiO4+ 4H+ lоg Ko = -18, В то же время монокремниевая кислота способна образовывать с тяжелыми металлами водорастворимые комплексы, что приводит к смещению равновесия в растворе в сторону повышения их концентрации (Bocharnikova et. al., 1995;
Schindler et. al., 1976). В диссертации приводятся результаты исследований, проведенных с Pb, Cr, Cd, Ni, Cu, Hg и Zn, которые показали, что направленность взаимодействия монокремниевой кислоты с тяжелыми металлами зависит от ее начальной и конечной концентраций в системе. При незначительном повышении концентрации монокремниевой кислоты в растворе идет образование растворимых комплексов с металлами и повышение общего содержания растворимых форм металлов. Наши модельные эксперименты свидетельствуют, что подвижность тяжелых металлов при внесении малых количеств активного кремния может повышаться от нескольких до процентов. При значительном повышении концентрации монокремниевой кислоты в почве или растворе происходит образование труднорастворимых силикатов металлов, что резко снижает подвижность металлов. В работе также отмечается, что существует критическая концентрация монокремниевой кислоты, при которой происходит скачкообразное изменение характера взаимодействия монокремниевой кислоты с металлами. Величина этой критической концентрации зависит от многих факторов: состава раствора, минерального состава грунта или почвы, рН, окислительно-восстановительного потенциала и др. При изучении влияния растворимых форм кремния на поведение тяжелых металлов в растениях и системе почва-растение в диссертации показано, что в зависимости от вида металла основной зоной его взаимодействия с активными формами кремния могут являться твердые фазы почвы, жидкая фаза почвы, корни или стебли растений. К примеру, для свинца основной зоной взаимодействия является почвенный раствор, для меди и никеля – корни растений, для хрома и кадмия – наземные части растений. Полученные данные свидетельствуют о возможности управления поведением тяжелых металлов в почве и системе почва-растение посредством изменения концентрации монокремниевой кислоты.
КРЕМНИЙ И РАСТЕНИЯ Обычно в растениях определяют общее содержание кремния в усредненном растительном образце. Однако, как показали наши измерения, кремний внутри растения может распределяться крайне неравномерно. Один из примеров приведен в таблице 2, из которой видно, что наибольшее его количество у двух видов высших растений находится в эпидермальных тканях листьев и корней. Наши исследования позволили установить, что растения могут поглощать низкомолекулярные кремниевые кислоты и их анионы не только через корневую систему, но и через поверхность листьев, если опрыскивать их кремний-содержащими водными растворами (табл. 3). Важно отметить, что поглощение кремния листьями составляет около 30–40%, тогда как через корневую систему – не превышает 1–5%.
Одним из важнейших вопросов считается вопрос о существовании в растениях механизма активного поглощения кремния и его перераспределения внутри организма. Основным постулатом оппонентов данного положения является аргумент, что монокремниевая кислота пассивно поступает в растения вместе с водой, а затем так же пассивно распределяется по различным органам вместе с токами межклеточного сока. В диссертации приведены доказательства наличия активного поглощения и перераспределения кремния в растениях, которое было получено при использовании не кремниефильного апельсина (Citrus reticulata x C. sininsis, сорта Темпл). Листья этого растения могут заражаться грибком Sooty Mold, который поверхностно блокирует устьица листовой пластины, препятствуя дыханию и испарению влаги. Если исходить из положения, что активного поглощения и транспорта кремния не существует, то в листьях, зараженных Sooty Mold, общее содержание кремния должно быть меньше, чем в незараженных. Однако результаты показали, что общее содержание кремния в инфецированных грибком листьях значительно выше, чем в здоровых (табл. 4). Это может просходить только при условии активного поглощения кремния листьями. Исследования изменения содержания кремния в тканях растений, подверженных воздействию соли, также показали наличие у растения механизма быстрого его перераспределения.
Таблица 2. Содержание кремния в тканях Hordeum vulgare и Distichlis spicata (n = 8) Содержание Si, Орган растения % от сухой массы Hordeum Distichlis vulgare spicata Листовая пластина Кончики листьев 1,44 ± 0,15 1,82 ± 0, Средняя часть 1,38 ± 0,12 1,53 ± 0, Основание листа 0,95 ± 0,15 1,73 ± 0, Старые листья (у грунта) - 0,66 ± 0, Стебель Верхушка ствола - 1,95 ± 0, Межузелковая часть, молодая 0,48 ± 0,14 0,37 ± 0, Межузелковая часть, старая - 0,26 ± 0, Узелки молодые 0,46 ± 0,13 1,16 ± 0, Узелки старые - 0,35 ± 0, 1,21 ± 0,15 1,50 ± 0, Наземная часть растения (средняя) Корни Тонкие корешки 0,49 ± 0,11 1,72 ± 0, Эпидермальная ткань корня - 1,79 ± 0, Узелки (без эпидермиса) - 0,46 ± 0, Межузелковая часть (без эпидермиса) - 0,36 ± 0, 0,49 ± 0,11 0,68 ± 0, Подземная часть растения (средняя) 1,04 ± 0,12 1,34 ± 0, Среднее для всего растения Таблица 3. Содержание кремния в различных органах Hordeum vulgare и Brassica oleracea, % от сухой массы (n = 5) Орган Контроль Поглощенный Поглощенный растения Si через корни Si через листья Ячмень (Hordeum vulgare) Лист 1,32 ± 0,02 1,52 ± 0,02 1,58 ± 0, Стебель 0,92 ± 0,02 1,03 ± 0,02 1,05 ± 0, Корень 1,54 ± 0,02 1,93 ± 0,02 1,84 ± 0, Цветная капуста (Brassica oleracea) Лист 0,32 ± 0,02 0,37 ± 0,02 0,38 ± 0, Стебель 0,45 ± 0,02 0,49 ± 0,02 0,51 ± 0, Корень 0,82 ± 0,02 0,93 ± 0,02 0,89 ± 0, В частности, зеленую часть взрослых растений ячменя (Hordeum vulgare) и Distichlis spicata (стебель с листьями) срезали и помещали в растворы NaCl с концентрацией Na от 0 до 32 г/л. В свежесрезанных и после 20-часового пребывания в растворах тканях растений определяли общее содержание кремния (табл. 5). Полученные результаты показали, что кремний перетекает из листьев в стебель, который в условиях засоления подвержен сильному солевому стрессу. В диссертации делается вывод, что поглощение и перераспределение кремния у растений происходит активно и быстро. Это заключение нашло подтверждение в работе японского исследователя Ма (2006), который экспериментально показал существование специальных белков, ответственных за транспорт кремния в растительных тканях риса (Oriza sativa).
Таблица 4. Содержание кремния в листьях апельсиновых деревьев (C. reticulata x C. sininsis), % от сухой массы (n = 15) Тип почвы Здоровые листья Листья, поврежденные инфекцией Sooty Mold Карбонатная почва 0,31 ± 0,01 0,34 ± 0, Песчаная нейтральная почва 0,33 ± 0,01 0,35 ± 0, Песчаная кислая почва 1 0,31 ± 0,01 0,36 ± 0, Песчаная кислая почва 2 0,35 ± 0,01 0,46 ± 0, Таблица 5. Изменение общего содержания кремния в Hordeum vulgare и Distichlis spicata под воздействием солевого стресса (n = 5) Hordeum vulgare Distichlis spicata Орган и часть Содержание Na в растворе, г/л растения 0 10 32 0 10 Si, % от сухой массы Листовая пластина Верхушка листа 1,44 1,43 1,35 1,99 1,82 1, Средняя часть листа 1,38 1,24 1,2 1,98 1,43 1, Основание листа 0,95 0,84 0,82 2,13 1,87 1, Стебель Междоузлье 0,48 0,72 0,86 0,46 1,47 1, Узелки 0,46 0,84 1,06 1,13 2,45 2, НСР05 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0, Применение модифицированных нами методов определения активных форм кремния в растительных образцах свидетельствуют, что содержание монокремниевой кислоты в органах растений различается в зависимости от вида растения и колеблется от 6 до 38% от общего содержания Si (табл. 6).
Наибольшая концентрация монокремниевой кислоты зафиксирована в корнях ячменя (Hordeum vulgare), а наименьшая – в листьях цветной капусты (Brassica oleracea). Содержание кремния в форме монокремниевой кислоты колеблется от 50 до 380 мг/кг сырой массы, что соответствует его концентрации в пределах 52–700 мг/л внутриклеточной или внеклеточной жидкости. Содержание поликремниевых кислот в растительных тканях всегда превышает содержание монокремниевой кислоты (табл. 6). Минимальная концентрация полимеров Si (90–110 мг/кг) была выявлена в листьях цветной капусты (B. oleracea), а максимальная (1000 мг/кг) – в листьях ячменя (H. vulgare). Доля кремния в форме поликремниевых кислот от общего количества кремния в растениях составляла от 10 до 70%.
Таблица 6. Содержание монокремниевой и поликремниевых кислот в различных органах ячменя (Hordeum vulgare), Distichlis spicata и цветной капусты (Brassica oleracea) (n = 5) Монокремниевая Поликремниевые Общее Часть растения кислота кислоты содержание Si Si, % от Si, % от мг/кг мг/кг общего мг/кг общего сухой сырой содержа- сырой массы содержа- массы массы ния Si ния Si Hordeum vulgare Лист 100-150 7-10 800-1000 60-70 9000- Узелки стебля 300-380 28-38 320-400 30-40 6200- Межузелковое 160-190 15-20 500-570 40-60 6600- пространство стебля Корень 340-380 6-9 650-750 15-25 9900- Distichlis spicata Лист 290-330 12-16 800-920 10-15 10900 Узелки стебля 140-170 18-25 630-710 15-20 7700- Межузелковое 100-140 22-28 500-600 18-26 6000- пространство стебля Brassica oleracea Лист 50-70 25-30 90-110 40-55 1100- Стебель 110-130 25-30 180-220 40-50 2900- В диссертации на примере листьев и стебля солеустойчивого Distichlis spicata показана локализация моно- и поликремниевых кислот внутри клеток (в симпласте) и за их пределами (в апопласте). В данных опытах (см. табл. 7) растения выращивали на песчаном грунте с добавлением и без добавления аморфного кремнезема (Аэросил А-30), который служил источником монокремниевой кислоты. Минимальное содержание монокремниевой кислоты выявлено в апопласте стебля и составило 19 мг Si/кг сырой массы Distichlis spicata, выращенного без добавления аморфного кремнезема. Максимальная концентрация монокремниевой кислоты (223 мг Si/кг) была определена в симпласте листьев растений, получивших дополнительное кремниевое питание.
Содержание поликремниевых кислот изменялось в пределах от 58 мг Si/кг сырой массы в апопласте стеблей растений в вариантах без внесения аморфного диоксида кремния до 487 мг Si/кг сырой массы в симпласте листьев Distichlis spicata в вариантах с внесением кремния (табл. 7). При оптимизации кремниевого питания содержание монокремниевой и поликремниевых кислот в симпласте и апопласте листьев и стебля Distichlis spicata увеличилось, кроме содержания поликремниевых кислот в апопласте листьев (табл. 7). Для монокремниевой кислоты при оптимизации кремниевого питания было характерно повышение абсолютного содержания в симпласте и относительного количества – в апопласте. Содержание поликремниевых кислот в апопласте листьев при оптимизации кремниевого питания, как указывалось выше, не увеличивалось, а даже слегка снижалось, тогда как в апопласте стеблей повышалось на 81% (табл. 7). Полученные данные позволяют оценить транспорт и накопление растворимых кремниевых соединений в растительных тканях. В работе также приводятся данные, свидетельствующие, что выход растворимых форм кремния из апопласта тканей Distichlis spicata в раствор происходит в течение первых 3-х часов. Предложенные методы позволили получить принципиально новую информацию о содержании активных форм кремния в растениях. Наши результаты указывают на необходимость пересмотреть устоявшиеся взгляды на роль кремния исключительно как структурного элемента клеточных стенок или инертного балласта. Высокое содержание кремниевых кислот в различных органах и компонентах тканей также указывает на возможность активного поглощения кремния растениями, а результаты таблиц 6 и 7 позволяют предположить, что его транспорт в растениях осуществляется преимущественно в форме поликремниевых кислот.
Таблица 7. Содержание моно- и поликремниевой кислот в апопласте и симпласте наземных органов Distichlis spicata (n = 5) Монокремниевая кислота Поликремниевые кислоты Часть Апопласт Симпласт Апопласт Симпласт растения Si, мг/кг сырой массы* без внесения аморфного кремнезема Лист 34 165 326 Стебель 19 117 58 с внесением аморфного кремнезема Лист 73 (114) 223 (35) 303 (-7) 487 (32) Стебель 53 (178) 197 (68) 105 (81) 395 (23) НСР05 5 15 15 *Примечание: в скобках указано увеличение содержания Si в % от контроля В диссертации акцентируется внимание на высокой химической и биохимической активности растворимых соединений кремния. Отмечается, что матрицы геля кремниевых кислот могут играть роль катализатора для целого ряда реакций, которые необходимы при органическом синтезе: реакций циклизации, перестановки функциональных групп, восстановления, окисления, конденсации, гидратации, дегидратации, формулирования, защиты функциональных групп и др. (Banerjee et al., 2001). Собственные исследования действия различных стрессоров биогенной и абиогенной природы показали, что любое их проявление приводит к статистически значимому увеличению содержания кремния в тканях растений. Обнаружено наличие прямой корреляции между интенсивностью стресса (при условии, что растение выживает) и содержанием общего кремния в растении (табл. 8). В работе сделано предположение, что кремниевые кислоты играют важную роль в дополнительном синтезе органических соединений в растительной клетке. Это положение доказывают следующие факты: 1) наличие высокой концентрации поликремниевых кислот в растительных клетках, 2) активное перераспределение кремния внутри растения и накопление в тканях, подверженных стрессу, 3) увеличение содержания антиоксидантов и стресс ферментов при оптимизации кремниевого питания растений (Liang et al., 2003;
Matichenkov and Biel, 2006) и 4) каталитические свойства гелей кремниевой кислоты. Такой синтез важен для обеспечения дополнительной универсальной защиты растений от биогенных и абиогенных стрессов.
Таблица 8. Влияние соединений кремния на всхожесть семян ячменя (Hordeum vulgare), подверженных солевой токсикации (n = 150) Содержание Na+ в растворе, % Вариант 0 0,3 0,6 1, Контроль 100 75 28 Аморфный диоксид кремния 100 90 41 Монокремниевая кислота, 50 мг Si/л 100 81 37 Монокремниевая кислота, 200 мг Si/л 100 88 38 НСР05 5 6 6 Одной из важных функций активных форм кремния является стимуляция развития корневой системы (Кудинова, 1975;
Adatia, Besford, 1986). Наши исследования на злаковых, цитрусовых, овощных культурах и кормовых травах показали, что при улучшении кремниевого питания растений увеличивается количество вторичных и третичных корешков на 20–100% и более. В диссертации предполагается, что поскольку окристаллизованный диоксид кремния является одной из составляющих коронарных клеток корневого чехлика, дефицит кремниевого питания служит одним из лимитирующих факторов развития корневой системы растений. При этом отмечается, что всхожесть семян как при нормальных условиях, так и при действии какого-либо стресса повышается от присутствия в растворе или почве высоких концентраций монокремниевой кислоты (табл. 8). Исследования, представленные в диссертации, также свидетельствуют, что оптимизация кремниевого питания положительно действует на ряд физиолого биохимических показателей растительной клетки. Проведенный цитофотометрический анализ зерен ячменя (Hordeum vulgare), полученных в результате полевого эксперимента с различными дозами внесения аморфного кремнезема, позволил изучить изменение содержания альдегидных группировок дезоксипентозы ДНК в интерфазных ядрах клеток зоны деления корешка. По полученным данным были построены гистограммы с выделением трех периодов: G1 – пресинтетический, S – синтетический и G2 – постсинтетический.
Результаты показали, что при оптимизации кремниевого питания уменьшается G1–период и соответственно увеличивается S–период, то есть происходит увеличение жизнеспособности растений (табл. 9). Величина периода G характеризовалась обратной зависимостью от содержания активных форм кремния (актуальной и потенциальной форм) в почве. Коэффициент корреляции составил R = -0,96 при р = 0,05. Активные формы кремния также ускоряли рост цитрусовых и созревание плодов;
способствовали увеличению в них содержания сахара (Бочарникова и Матыченков, 2007). Дополнительно нами установлено, что оптимизация кремниевого питания приводит к повышению устойчивости молекул хлорофилла (Matichenkov et al., 2004;
Иванов и др. 2005).
Таблица 9. Статистические данные цитофотометрического анализа жизнеспособности растений Hordeum vulgare (n = 300) Количество клеток, % от общего количества 50 100 300 500 700 Период Контроль кг/га кг/га кг/га кг/га кг/га кг/га SiO2 SiO2 SiO2 SiO2 SiO2 SiO G1 20,0 17,3 21,8 23,6 25,8 26,8 15, S 54,5 53,8 52,3 61,1 51,0 55,5 54, G2 25,5 28,9 25,9 15,3 23,2 17,7 29, Известно, что оптимальное снабжение растений кремниевым питанием приводит к повышению их засухоустойчивости (Ahmad et al., 1992). Однако механизмы данного феномена изучены недостаточно. Наши исследования в этом направлении свидетельствуют о высокой эффективности активного кремния. В частности, в условиях полевых и вегетационных опытов с ячменем (Hordeum vulgare), сорго (Sorghum vulgare), кукурузой (Zea mays) и кормовыми травами обнаружено, что внесением жидких или твердых веществ, содержащих доступный для растений кремний, можно снизить расход поливной воды на 30 40% без негативных последствий для качества и количества урожая. Для объяснения этого феномена (наряду с известными фактами: увеличением корневой массы, снижением уровня транспирации и повышением водоудерживающей способности почвы) в диссертации выдвинута гипотеза, что кремний, благодаря формированию поликремниевых кислот и их гелей, обладает способностью накапливать и сохранять воду внутри растения.
Лабораторные эксперименты подтвердили это положение: как видно из таблицы 10, один атом кремния может удерживать до 119 молекул воды. Нами было подсчитано, что с учетом использования кремния на формирование «скелета» растения и защитного слоя в эпидермисе около 20–30% поглощенного кремния может быть израсходовано на создание и поддержку внутреннего резерва воды в растении. Например, среднеширотная культура ячмень (Hordeum vulgare), содержащая в среднем 1,2–1,4% кремния на сухую массу, при нормальном кремниевом питании может накапливать от 5 до 35 г воды на 100 г сырой массы растения. В диссертации также приведены результаты исследований, направленных на повышение устойчивости растений риса (Oriza sativa), сахарного тростника (Saccharum officinarum) и цитрусовых (C. reticulata x C.
sininsis) к низким температурам под действием кремниевого питания, и дано их теоретическое объяснение.
Таблица 10. Содержание воды в гелях кремниевой кислоты в лабораторном эксперименте (n = 10) № Si H2O Количество молекул H2O геля на один атом Si % в геле 1 1,28 97,9 2 1,60 97,7 3 2,40 97,1 4 3,20 96,6 5 4,80 95,3 В литературе имеются сведения о возможности повышения устойчивости растений с помощью соединений кремния не только к вышеперечисленным стрессам, но и к другим неблагоприятным факторам: болезням, насекомым вредителям, магниевой токсикации, ультрафиолетовому облучению, ветру, дефициту кислорода и др. (Savant et al., 1997;
Epstein, 1999;
Korndorfer еt al., 2001;
Ma, Takahachi, 2002). При этом доминирующая гипотеза объясняет влияние кремния аккумуляцией кремниевой кислоты и образованием кремне целлюлозной мембраны, что приводит к утолщению эпидермального слоя растений (Youshida, 1965, 1975;
Waterkeyn et al., 1982). Однако механическое упрочнение растительных тканей может лишь частично объяснить действие кремния на растения в условиях стресса. Мы полагаем, что, кроме механической, в растениях существует также биохимическая защита, обусловленная подвижными кремниевыми соединениями. Наше предположение (Biel, Matichenkov and Fomina, 2008) базируется на основе соподчинения двух составляющих: a) ответной реакции генетического аппарата растений на стресс, приводящей к началу синтеза необходимых соединений (ферменты антиоксидантной защиты, стресс-белки и др.) и б) дополнительном неферментативном синтезе этих же веществ на матрицах поликремниевых кислот, присутствующих в растительных тканях. При этом образование клише кремниевой матрицы определяется белками или их фрагментами, синтезированными генетическим аппаратом. Работа кремниевой составляющей позволяет обеспечить дополнительный синтез стресс-белков или их фрагментов без прямого участия генетического аппарата, что объясняет известный феномен кремния как защитного агента. В результате участия вспомогательной матрицы растение может экономить энергию, тем самым обеспечивая повышенную стрессоустойчивость. Это предположение частично подтверждается нашими результатами, свидетельствующими, что содержание растворимых форм кремния (моно- и поликремниевых кислот) возрастает в тканях живых организмов, подверженных стрессу (табл. 4 и 5). Таким образом, основной функцией кремния в растении может быть увеличение устойчивости организма к неблагоприятным условиям, выражающееся в утолщении эпидермальных тканей (механическая защита), ускорении роста и развития корневой системы (физиологическая защита), связывании токсичных соединений (химическая защита) и увеличении биохимической устойчивости к стрессам (биохимическая защита). Разнообразие растений, демонстрирующих положительный отклик на внесение соединений кремния, доказывает, что все эти механизмы характерны как для кремниефилов, так и для некремниефилов.
КРЕМНИЙ И ФОСФОР При изучении взаимодействия монокремниевой кислоты с фосфором в диссертации была принята как основная гипотеза о реакции замещения фосфат аниона на силикат-анион в фосфатах кальция, алюминия и железа. В процессе экспериментальной проверки были, прежде всего, проведены термодинамические расчеты, которые показали, что данная реакция протекает при любых значениях рН. Однако наибольшее влияние на растворимость фосфатов кремниевая кислота должна оказывать в щелочной среде (рис. 1). В лабораторных опытах было установлено, что в водной системе из фосфатов кальция, алюминия или железа в присутствии монокремниевой кислоты образуются соответствующие силикаты и концентрация фосфора в растворе возрастает при постоянных значениях рН.
Рисунок 1. Расчетная концентрация фосфат-аниона при растворении CaHPO4 в воде в присутствии 6 монокремниевой кислоты с образованием CaSiO3 и Ca2SiO Вегетационные и полевые испытания показали, что lgCPO4, моль/л повышение концентрации монокремниевой кислоты в почве коррелирует с увеличением 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 содержания водорастворимого -2 фосфора в почве. Коэффициенты корреляции для различных почв составили от 0,67 до 0,81. Было - установлено наличие прямой зависимости между концентрацией - монокремниевой кислоты в почве и содержанием фосфора в растениях.
- Результаты фракционного анализа pH фосфора при внесении в почву монокремниевой кислоты Cpo4 Cpo4+CaSiO показали, что идет трансформация Cpo4+Ca2SiO труднорастворимых фосфатов в более подвижные формы (табл. 11). Таким образом, реакция замещения фосфат-аниона силикат-анионом из труднорастворимых фосфатов кальция, железа и алюминия действительно происходит в почве при повышении концентрации монокремниевой кислоты. Упрощенно эта реакция может протекать согласно следующим уравнениям:
CaHPO4 + Si(OH)4 = CaSiO3 + H2O + H3PO 2Al(H2PO4)3 + 2Si(OH)4 + 5H+ = Al2Si2O5 + 5H3PO4 + 5H2O 2FePO4 + Si(OH)4 + 2H+ = Fe2SiO4 + 2H3PO Таблица 11. Изменение фракционного состава фосфора в некоторых почвах под влиянием монокремниевой кислоты (n = 7) Фракции фосфора Вариант (по методике Ротамстедской станции) 1 2 3 4 Р, мг/кг Почва карбонатно-железистая естественная Контроль 16,8 63,1 74,9 852,0 194, Si, 200 мг/л 24,5 83,7 89,5 847,5 156, Почва карбонатно-железистая сельскохозяйственная Контроль 31,6 97,5 99,6 922,9 258, Si, 200 мг/л 46,6 122,5 139,6 956,7 144, Карбонатная почва Контроль 30,2 32,3 32,9 795,6 220, Si, 200 мг/л 23,6 38,5 26,1 836,2 186, НСР05 1,5 1,5 1,3 2,7 2, БАЛАНС КРЕМНИЯ В НАЗЕМНЫХ СИСТЕМАХ В данной главе с помощью разработанной нами методики определения растворимых и потенциально-растворимых форм кремния в почве и данных по содержанию общего кремния в растительных ассоциациях был изучен баланс кремния в системе почва-растение. С этой целью выбрали две почвы: серую лесную (на юге Московской области) и бурую лесную (в штате Мэриленд, США), сформированные под влиянием различных растительных сообществ.
Данные о содержании определяемых форм кремния в серой лесной почве представлены в таблице 12, а в таблице 13 – баланс кремния для изученных растительных экосистем южного Подмосковья. Полученные результаты показывают, что для одного и того же типа почвы количество монокремниевой кислоты в верхнем горизонте может варьировать от 6,5 до 17,7 мг Si/кг почвы.
При этом содержание монокремниевой кислоты в нижних горизонтах было фактически одинаковым для всех систем (табл. 12).
Использование полученных результатов о содержании кремния в растениях и литературных данных о биомассе растительных сообществ серых лесных почв позволили рассчитать баланс (табл. 14) кремния (Базилевич и др., 1970;
Базилевич, 1990). Коэффициент корреляции между содержанием монокремниевой кислоты в почве и балансом кремния в системе почва-растение составил в верхнем горизонте R = 0,98 при p = 0,001, sd = 0,759. Аналогичные коэффициенты для поликремниевых кислот и кислоторастворимого кремния составили, соответственно, R = -0,75 и R = 0,10. Сходные результаты получены при исследовании бурых лесных почв северо-восточного побережья США (штат Мэриленд) под различными растительными ассоциациями (смешанный лес, старый смешанный лес, молодой и старый еловые леса, косимый луг, пашня).
Таблица 12. Кремниевое состояние серой лесной почвы под различными растительными ассоциациями (n = 6) Монокрем- Поликрем- Кислото Глубина, pHвод Влаж- ниевая ниевые растворимый см ность, кислота кислоты Si % Si, мг/кг Некосимый луг 0-10 6,24 20,8 17,7 15,8 20-30 6,05 14,5 10,2 30,3 50-60 6,01 13,2 13,1 7,5 Косимый луг 0-10 5,87 19,4 8,6 18,9 20-30 5,66 14,6 10,8 26,2 50-60 6,01 13,2 12,1 7,8 Пашня (ячменное поле) 0-10 6,28 13,0 6,5 25,0 20-30 6,14 13,0 6,5 25,0 50-60 6,06 17,6 13,9 12,7 Березово-осиновый лес 0-10 6,22 13,4 16,2 4,1 20-30 5,12 12,3 11,5 18,6 50-60 5,47 12,9 15,3 1,8 Еловый лес 0-10 4,76 25,6 9,9 8,1 20-30 5,87 13,7 14,4 1,8 50-60 6,16 10,8 15,6 9,6 НСР05 0,2 0,2 0,2 0,3 В главе делается вывод, что содержание растворимых форм кремния и, в первую очередь, монокремниевой кислоты зависит от многих факторов, центральное место среди которых принадлежит растительному сообществу.
Именно растительный покров определяет величину и интенсивность круговорота кремния в системе почва-растение, т.е. растительное сообщество является определяющим фактором, контролирующим содержание монокремниевой кислоты в верхнем почвенном горизонте. Изучение кремниевого состояния серых лесных почв проводили параллельно с геоботаническими наблюдениями (Ермолаев и Ширшова, 1994). Оценка эволюции растительных сообществ и результаты исследования кремниевого состояния почв, а также анализ литературных данных позволили заключить, что изменения концентрации монокремниевой кислоты в верхнем горизонте почв влияют на направленность эволюции растительных сообществ. При повышенном содержании монокремниевой кислоты и положительном балансе кремния идет постепенное увеличение доли кремниефильных растений и, прежде всего, злаковых. При отрицательном балансе кремния в системе (например, выкашивании травостоя) происходит вытеснение злаковых разнотравьем. Следовательно, в системе почва-растение идет взаимозависимый процесс, когда растительные сообщества, с одной стороны, контролируют содержание монокремниевой кислоты, а с другой – содержание монокремниевой кислоты в почве определяет направленность эволюции растительного сообщества.
Таблица 13. Баланс кремния в биоценозах серой лесной почвы (n = 6) Ежегодный Ежегодный возврат Ежегодный Ежегодный Экосистема прирост расти- вынос Si возврат Баланс биомассы, тельных из почвы, Si в почву, Si т/га остатков в кг/га кг/га почву, % Некосимый луг 5,21 100 78,09 78,09 Косимый луг 5,98 5 61,14 3,07 -58, Пашня 6,10 5 81,50 4,07 -77, Березово осиновый лес (зеленая масса) 2,5 100 27,75 27,75 -16, Древесина 4,72 0 16, сумма 44, Еловый лес (зеленая масса) 2,3 46 40,25 40,35* -47,40* Древесина 4,99 0 47, сумма -87,65* 87, *Примечание: опад оставался на поверхности почвы.
ЦИКЛ КРЕМНИЯ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ Наши исследования показали, что цикл кремния в наземных системах можно разделить на несколько уровней. Первый уровень включает перенос кремния в форме монокремниевой кислоты из почвы в растения и/или почвенные микроорганизмы и обратно преимущественно в форме аморфного диоксида кремния, что слагает базовый баланс кремния в системе почва растение. Второй уровень включает вертикальные и горизонтальные потоки кремния в форме моно- и поликремниевых кислот, а также в виде твердых частиц (лессиваж, поверхностный сток), обусловленные рельефом (микро-, мезо- и макро-рельеф), составом почвы и климатом. Эти миграционные потоки объединяют, как правило, несколько ценозов. Общий наземный цикл кремния определяет миграцию элемента от одного региона в другой с водными или пылевыми массами. Данный перенос является составной частью планетарного биогеохимического круговорота кремния Земли.
Общая схема биогеохимического цикла кремния в системе почва растение представлена на рисунке 2, из которого видно, что основной поток кремния осуществляется посредством поглощения монокремниевой кислоты растениями и микроорганизмами почвы. Часть поглощенной монокремниевой кислоты сразу полимеризуется и/или осаждается с образованием аморфного кремнезема – биолитов. Поглощенная монокремниевая кислота также взаимодействует с органическими соединениями и участвует в биохимических реакциях и процессах. При отмирании части или всего организма кремниевые соединения дегидрируют, переходят в твердые формы и возвращаются в почву.
Биолиты, кремний-органические соединения, поступив в почву, становятся источником образования монокремниевой кислоты. Это основной круговорот кремния в системе почва-растение и почва-микроорганизмы;
ключевым соединением в нем является монокремниевая кислота. Анализ полученных данных о кремниевом состоянии почв позволил выделить два типа круговорота кремния – аккумулятивный и элювиальный.
Рисунок 2. Биогеохимический цикл кремния в системе почва-растение-микроорганизмы Условные обозначения физико-химических процессов: О – осаждение;
П – полимеризация;
Дп – деполимеризация;
Дг – дегидратация;
С – солеобразование;
З –замещение неорганических анионов;
Ос – образование кремний-органических соединений;
Он – образование комплексов с неорганическими соединениями;
Ок – образование комплексов с органическими соединениями;
Рк – разрушение комплексов;
М – минерализация кремний органических соединений.
ПОЧВЫ С АККУМУЛЯТИВНЫМ ТИПОМ КРЕМНИЕВОГО ЦИКЛА В диссертации отмечается, что максимальное накопление биогенного кремнезема в верхних почвенных горизонтах, а следовательно, и запасов активного кремния характерно для экосистем с аккумулятивным типом кремниевого цикла. С глубиной почвы, как правило, количество активных форм кремния снижается. Основной отличительной чертой почв с аккумулятивным кремниевым циклом является периодичность биологического круговорота, связанная с сезонными колебаниями температуры и/или влажности. Это приводит к накоплению органического вещества в верхнем горизонте почв и к аккумуляции фитолитов. Наиболее активно процесс протекает под луговыми и травянистыми биоценозами с преобладанием злаковых. Каштановые, серые лесные, серые почвы бореального климатического пояса также имеют, как правило, аккумулятивный тип кремниевого цикла. Классическим примером таких почв являются черноземы, характеризующиеся высоким (до 42 мг Si/кг почвы) содержанием монокремниевой кислоты в верхнем горизонте. Обычно содержание монокремниевой кислоты в почвах с аккумулятивным кремниевым циклом находится в интервале 15–50 мг Si/кг почвы и выше.
ПОЧВЫ С ЭЛЮВИАЛЬНЫМ ТИПОМ КРЕМНИЕВОГО ЦИКЛА В данной главе рассматривается элювиальный тип биогеохимического цикла кремния, который характерен для почв экосистем влажных тропиков и субтропиков на сильно выветренных материнских породах, а также для почв с ярко выраженным процессом лессиважа. Эти экосистемы обычно испытывают острый дефицит доступного для растений кремния. Содержание монокремниевой кислоты в них колеблется от 4 до 15 мг Si/кг почвы. Подзолы тропиков и бореального климатического пояса, аллитные почвы, красные ферритные почвы являются типичными примерами почв с элювиальным типом кремниевого цикла. Из верхних горизонтов таких почв идет активный вынос доступного растениям кремния. Эти почвы характеризуются низким уровнем плодородия. Возможна аккумуляция растворимых форм кремния на некоторой глубине, например, в тропическом подзоле. На серых лесных почвах, которые обычно характеризуются аккумулятивным типом кремниевого цикла, под хвойными лесами также может сформироваться элювиальный тип (табл. 12). В главе делается заключение, что одному и тому же типу почв могут быть свойственны разные типы кремниевого цикла.
ЦИКЛ КРЕМНИЯ В АГРОСИСТЕМАХ В главе обращается внимание, что использование почв в растениеводстве обычно приводит к нарушению баланса питательных элементов, поскольку значительная их часть ежегодно отчуждается вместе с урожаем. Кремний, как и другие питательные элементы, безвозвратно выносится из сельскохозяйственных почв. Впервые теоретическое обоснование необходимости применения кремниевых удобрений для восстановления элементного баланса было дано Ю. Либихом (1840). На основе данных по содержанию кремния в различных культурах (Базилевич и др.,1975;
Реймерс, 1990;
Savant et al., 1997), а также справочной информации об урожайности в диссертации приводятся расчеты, что около 210–224 млн. тонн доступного для растений кремния ежегодно выносится вместе с урожаем. В результате вовлечение почв с аккумулятивным типом кремниевого цикла в сельское хозяйство приводит к быстрому снижению концентрации монокремниевой кислоты в верхнем горизонте (табл. 12). Это связано с тем, что растения способны поглощать кремний только в форме монокремниевой кислоты.
Нарастающий дефицит данного макроэлемента вызывает ряд негативных последствий, так как кремний является не только питательным, но и конституционным почвенным элементом. Дефицит кремниевых кислот и уменьшение содержания аморфного кремнезема приводят к разрушению органо-минерального комплекса, ускоряют деградацию почвенного органического вещества, ухудшают минералогический состав (Матыченков, 1990;
Ma and Takahashi, 2002). В конечном итоге, может происходить смена аккумулятивного круговорота кремния на элювиальный. Поэтому для восстановления баланса кремния и обеспечения нормального питания растений, а также для предотвращения деградации почвенного плодородия необходимо внесение активных форм кремния в почву. Растения, произрастающие на почвах с элювиальным типом кремниевого цикла, постоянно испытывают дефицит кремниевого питания. При вовлечении этих почв в сельское хозяйство кремниевый фактор может стать лимитирующим для эффективного земледелия.
Иногда в пахотных почвах с исходно элювиальным типом кремниевого цикла можно наблюдать некоторое повышение концентрации кремниевых кислот в верхнем горизонте. Это объясняется тем, что частично растительные остатки, содержащие фитолиты, например, корни растений остаются в почве. Поэтому даже на критически бедных доступным кремнием почвах может происходить некоторое накопление кремния при выращивании определенных видов растений. Однако содержание доступного растениям кремния и его запасы будут оставаться на низком уровне, негативно сказываясь на величине сельскохозяйственной продукции и степени деградированности почв.
Следовательно, для устойчивого и высокоэффективного сельского хозяйства на почвах с обоими типами биогеохимического цикла кремния внесение кремнивых удобрений является необходимым. Особенно важно использование активных форм кремния на деградированных почвах, торфяниках, кислых аллитных почвах, латеритных почвах. Однако существует несколько типов почв, для которых применение активных форм кремния может быть нецелесообразно. В первую очередь, это молодые почвы, сформированные на вулканических породах, а также на других, относительно хорошо растворимых кремний-содержащих минералах – трепелах, мергелях, цеолитах. Затопляемые аллювиальные почвы также обеспечены активными формами кремния благодаря его ежегодному поступлению в виде ила.
ОБЩАЯ СХЕМА КРЕМНИЕВОГО ЦИКЛА В БИОСФЕРЕ На основе литературных данных в диссертации представлена общая схема миграции, содержания и ежегодного притока растворимых форм кремния в компонентах биосферы (рис. 3). В данной главе отмечается, что наземные системы являются основным источником растворимых кремниевых соединений в биосфере. Образование этих соединений происходит в результате выветривания кремний-содержащих пород. Растения и почвенные микроорганизмы усиливают растворение минералов, стремясь обеспечить себя кремниевым питанием. В результате количество подвижного кремния в биосфере постоянно увеличивается, сохраняя при этом принцип равновесия (рис. 3). В океанах избыток активного кремния осаждается на дне, где происходит накопление осадочных пород, в то время как в наземных системах активные формы кремния накапливаются при аккумулятивном типе кремниевого цикла в виде аморфного кремнезема, который обеспечивает высокий уровень почвенного плодородия.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ Важнейшим заключением при исследовании роли и функций кремния в растениях является вывод о возможности повышения природной устойчивости растений к биогенным (грибковые заболевания, атаки насекомых-вредителей) и абиогенным (низкие температуры, засуха, солевая и алюминиевая токсикация, загрязнение тяжелыми металлами, углеводородами) стрессам.
Рисунок 3. Содержание и ежегодное увеличение растворимых форм кремния в компонентах биосферы Условные обозначения: Т – твердые, Р – растворимые и Ж – живые формы движения кремниевых соединений Это позволяет применять активные формы кремния в качестве экологически чистой альтернативы пестицидам.Новые технологии с использованием кремний-содержащих соединений являются также незаменимыми для решения такой глобальной проблемы, как нехватка пресной воды. Наши результаты свидетельствуют, что применение активных соединений кремния позволяет повысить засухоустойчивость растений и снизить расходы поливных вод на 30– 40%. В условиях нарастающего дефицита пресной воды предложенная нами технология дает возможность не только сберечь такой важнейший природный ресурс, как пресная вода, но и решить многие социальные и экономические проблемы засушливых регионов. Важным аспектом исследований было повышение эффективности использования традиционных минеральных удобрений. По нашим данным, при применении фосфорных удобрений совместно с активными формами кремния можно снизить их дозы на 40–60% без уменьшения урожайности сельскохозяйственных культур. При этом угроза загрязнения природных вод фосфатами или примесями, содержащимися в минеральных удобрениях, резко снижается. Приведенные в диссертации результаты также показали возможность использования активных форм кремния для проведения детоксикации промышленных и сельскохозяйственных отходов, почв и вод, имеющих высокое содержание подвижных форм тяжелых металлов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе совокупности собственных и литературных данных в общем заключении диссертации дается критический анализ существующих представлений о роли кремния в живой природе и предлагается пересмотреть взгляды на роль данного элемента в растениях и системе почва-растение. В работе развивается научное направление о функциональной роли кремния как макроэлемента, способствующего увеличению устойчивости растительного организма к биогенным и абиогенным неблагоприятным факторам с использованием механического, физиологического, химического и биохимического уровней защиты.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Впервые выявлены основные трансформационные и миграционные потоки растворимых кремниевых соединений в системе почва-растение и определены базовые функции кремния в метаболизме (физиологии) растений.
2. В тканях растений и почвах выявлены монокремниевая кислота, олигомеры кремниевой кислоты, низкомолекулярные поликремниевые кислоты и высокомолекулярные поликремниевые кислоты. Доказано, что любая система вода:твердая фаза обладает определенным равновесием между мономерами и полимерами кремниевой кислоты, которое устанавливается путем образования промежуточных и нестабильных низкомолекулярных поликремниевых кислот.
3. Растения способны активно поглощать монокремниевую кислоту через корневую систему и листовые пластины, а также обладают механизмом быстрого перераспределения кремния в зоны, подверженные стрессу.
Транспорт кремния внутри растений осуществляется преимущественно в форме поликремниевых кислот. Концентрации растворимых соединений кремния в растительных тканях колеблются в широких пределах, от 30 до 500 мг Si/л клеточного сока для монокремниевой кислоты и от 80 до мг Si/л клеточного сока для поликремниевых кислот.
4. Оптимизация кремниевого питания способствует повышению устойчивости растений к биогенным и абиогенным стрессам.
Экспериментально доказано, что при оптимальном кремниевом питании повышаются: всхожесть растений и устойчивость ДНК получаемых семян, устойчивость растений к солевой токсичности, нехватке воды, низким температурам, присутствию тяжелых металлов и других загрязняющих веществ.
5. Выявлены механические, физиологические, химические и биохимические механизмы воздействия кремниeвых соединений, способствующие повышению устойчивости растений к внешним и внутренним неблагоприятным условиям.
6. Повышенная засухоустойчивость растений, обеспеченных оптимальным кремниевым питанием, связана со способностью поликремниевых кислот удерживать молекулы воды внутри организма с последующим их высвобождением в условиях почвенной и воздушной засухи.
7. Монокремниевая кислота способна связывать ионы металлов в подвижные комплексы и труднорастворимые силикаты, направленность и скорость образования которых определяются узким диапазоном концентраций монокремниевой кислоты в среде.
8. Основной поток вещества в биогеохимическом цикле кремния наземных экосистем осуществляется посредством миграции и трансформации монокремниевой и поликремниевых кислот в системе почва-растение.
Содержание подвижных форм кремния в системе почва-растение зависит от ряда факторов, среди которых определяющими для монокремниевой кислоты является баланс кремния в растительной ассоциации, а для поликремниевых кислот – минералогический состав почвы, плотность и физико-химические характеристики твердой фазы грунтов и почв.
9. Активные соединения кремния влияют на подвижность фосфора в почве и его доступность растениям: aнион кремниевой кислоты может замещать фосфат-анион в труднорастворимых фосфатах кальция, алюминия и железа, повышая доступность фосфора для растений и микроорганизмов на 30–50%.
10. Выявлено два типа кремниевого цикла в системах почва-растение:
аккумулятивный и элювиальный. Аккумулятивный цикл характеризуется превышением биогенного накопления кремния над его механическим, химическим и биологическим выносом из почвы. Элювиальный цикл отличает отрицательный баланс кремния в верхнем почвенном горизонте.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Аммосова Я.М., Матыченков В.В. Кремний и подвижные фосфаты почвы // Химизация сельского хозяйства. 1990. № 1. С. 47-50.
2. Аветян Н.А., Аммосова Я.М. Балабко П.Н., Матыченков В.В. Кремний в системе почва-растение // Агрохимия. 1990. № 10. С. 103-109.
3. Аммосова Я.М., Дьяков В.М. Матыченков В.В., Чернышев Е.А.
Использование соединений кремния в сельском хозяйстве. М.: Изд-во Мин.
Хим. Пром., 1990. 32 с.