Биологическая миграция тяжелых металлов в системе почва-растения при использовании микробиологических удобрений и регуляторов роста рас

      Наиболее  доступными для растений соединениями меди в почве являются ее водорастворимые соли: CuCl₂, Cu(NO₃)₂, CuSO₄, соли Cu и органичесих кислот - уксусной, молочной, муравьиной - тоже хорошо растворимы в воде (но щавелевокислая медь растворяется в воде очень слабо). Содержание этих солей в почвах ничтожно. В большой мере доступен растениям обменный ион Cu²⁺ , поглощенный на поверхности минеральных почвенных коллоидов; доступность Cu поглощенного органическими коллоидами, сравнительно низка.

      Труднорастворимы  в воде гидраты окиси Сu(ОН)₂ и закиси - СuОН, а также карбонаты, фосфаты и сульфиды окисной и закисной меди.

      Из  органических соединений меди в почвах встречаются комплексные соединения, которые медь образует с некоторыми органическими веществами, а также содержащие медь ферменты расти тельных остатков. Медь внутрикомплексных соединений (хелатов) мало доступна растениям (Возбуцкая А.Е.,1968).

      Факторами, увеличивающими подвижность почвенной  меди, является: увеличение концентрации водорастворимых ионов (подкисление), внесение физиологических кислых азотных и калийных удобрений, минерализация органического вещества микроорганизмами, процессы аммонификации и нитрификации.

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

      Важную  роль в фиксации меди играют микроорганизмы почвы.

      Различные типы почв содержат неодинаковые количества меди; в черноземах и красноземах медь составляет около 0,004 - 0,006%. В подзолистых и серых лесных почвах - 0,001% и меньше. Очень мало меди содержится в торфянисто-болотных почвах; если содержание ее падает ниже 0,001%, у растений, произрастающих в этой местности, наступает явление медной недостаточности (Войнар А.И.,1960).

      Большинство почв в достаточной степени обеспечено подвижной медью. Наименьшее количество подвижной меди содержаться в дерново-подзолистых, а также во многих торфяных почвах (особенно в почвах кислых верховых болот) (Возбуцкая А.Е.,1968).

     Кадмий в почвах содержится в небольшом количестве. Содержание его в подзолистых почвах может составлять от сотых долей до 1 мг/кг, в черноземах - до 15-30, а в красноземах - до 60 мг/кг (Волошин Е.И., 2003). 

      На  содержания Cd  в почвах оказывают  влияние многие факторы почвообразования, среди которых химический состав материнских пород играет основную роль. Кадмий легко сорбируется в пахотном горизонте почв, особенно при высоком содержании гумуса и тяжелом гранулометрическом составе (Волошин Е.И., 2003). Максимальная адсорбция кадмия свойственна нейтральным и щелочным почвам с высоким содержанием гумуса и высокой емкостью поглощения (Кабата-Пендиас А., 1989). В кислой среде подвижность Cd увеличивается (Волошин Е.И., 2003).

     Кадмий, подобно цинку, аккумулируется гумусовой  толще почв. Характер его распределения  в почвенном профиле и ландшафте, видимо, имеет много общего с другими металлами, в частности с характером распределения свинца. Однако кадмий закрепляется в почвенном профиле менее прочно, чем свинец (Кабата-Пендиас А., 1989).

      Свинец. Более устойчивы и распространены в природе соединения Pb(II). Сравнительно легко растворимы только небольшое число соединений свинца, в частности, соли свинца: ацетат Pb(CH₃COO)₂, хлорид PbCl₂,  бромид PbBr₂, нитрат Pb(NO₃)₂. Большая часть соединений свинца отличается невысокой или очень низкой растворимостью (Алексеев Ю.В.,1967). Наибольшее влияние на состояние свинца в почвах могут оказать анионы, присутствующие в почвах в сравнительно больших количествах; к ним относятся CO₃^2-, OH^-, S^2-, PO₄^3-, SO₄^2-. Попадающий в почву Pb, сравнительно легко образует гидроксид в  условиях нейтральной или щелочной реакции. Если почва содержит растворимые фосфаты, то Pb(OH)₂ переходит постепенно в Pb₃(PO₄)₂ или другие труднорастворимые фосфаты, например, плюмбогуммит PbAl₃H(OH)₆(PO₄)₂. Эти соединения определяют преимущественно уровень концентрации Pb в почвенных растворах. (Орлов Д.С., 2005)

      Основные  факторы, снижающие поступление  ТМ из почвы в растения, следующие.

1. Известкование кислых почв. С понижением pH возрастает мобильность ТМ и их ингибирующая роль на рост растений. Известь увеличивает прочность связи их в почвах за счет образования труднорастворимых соединений.
2. Внесение фосфорных удобрений, снижающих поступление ТМ в растения. Эффективно совместное применение фосфорных удобрений и извести, особенно на кислых почвах.
3. Внесение органических удобрений в целях повышения содержания гумуса в почве. Органическое вещество обладает высокой способностью удерживать ТМ. Поэтому концентрация их в растениях выше на почвах с низким содержанием органического вещества. Кроме этого, органические коллоиды почвы могут образовывать с ТМ стабильные комплексы типа хелатов (Минеев В.Г., 2004).

4. Использование удобрений и регуляторов роста в земледелии

      4.1. Ризосферная микрофлора и ее роль в жизни растений.

      Растения  - весьма существенный фактор накопления микробов в почве. Как показывают исследования последних лет, растения выделяют в почву через корневую систему различные вещества - органические и неорганические. Установлено, что растения за весь период своего роста выделяют корнями органических веществ до 5% от сухого веса всей своей массы. Также корни выделяют минеральные соединения кальция, калия, фосфора и др. элементов (Красильников Н.А., 1945).

      Корневые  выделения, отмершие клетки корней и  корневые волоски  - хороший источник питания для многих микробов. Следовательно, сама корневая система живых растений создает благоприятные условия для развития  и накопления микроорганизмов (Доросинский Л.М., 1965).

      Кроме этого, корни растений создают вокруг себя в почве более благоприятные условия существования и деятельности микробов. Корни усредняют реакцию почвы: если почва кислая, то в зоне корней она менее кисла или становиться нейтральной, и наоборот - щелочные почвы у корней менее щелочные.  Влажность в зоне корней растений сохраняется, примерно, на 2-3% выше, чем в почве вне зоны корней (Красильников Н.А., 1945).

      В зоне корней улучшается также физические свойства почвы. Она более оструктуренная, зернистая, а, следовательно, и более  доступная для воздуха, что имеет  существенное значение для микробов (Доросинский Л.М., 1965).

      Наблюдениями  Красильникова, Н.А. (1945) установлено, что  вокруг корней в почве имеется  ростовые вещества, благоприятно действующие  на жизнедеятельность бактерий. Например, в прикорневой почве разрушение клетчатки и другие процессы протекают быстрее. Чем в почве, взятой вне зоны корней. Все это указывает на то, что в зоне корней создаются особые условия существования, резко отличающиеся от условий обычной почвы. Эта зона называется ризосферой.

      В ризосфере, как показывают современные исследования, число микробов в десятки и сотни, а иногда и тысячи раз больше, чем вне зоны корней (Разумовская З.Г., 1930). Микробы покрывают корневую систему почти сплошным слоем. Этот слой называется биологически деятельным слоем почвы, ибо в нем протекают особенно интенсивно микробиологические процессы (Красильников Н.А., 1945).

      Микроорганизмы  образуют и выделяют в почву различные  ростовые вещества (гетероауксин, витамины и т.д.). Эти стимуляторы роста  усиливают ферментативные и другие физиологические процессы в растениях, способствуют более энергичному обмену веществ в них, в результате чего улучшается и корневое питание растений (Доросинский Л.М., 1965).

      Однако  значение микроорганизмов в питании  растений этим не ограничивается. Они перерабатывают вещества, угнетающие или тормозящие развитие растений (Доросинский Л.М., 1965).

      У разных растений и в разных почвах этот слой различной толщины. Обычно он не превышает 2-3 мм, а чаще 1-1,5 мм от поверхности корней. Чем ближе  к поверхности корней, тем больше микробов в почве. Наибольшее их количество находится на самой поверхности корней (Разумовская З.Г., 1930).

      Количество  микроорганизмов в ризосфере  меняется с возрастом растений. Наибольшее их количество приходится на первый период роста растений, т.е. на период максимального выделения корнями органических веществ. Начиная, примерно, с фазы цветения по мере созревания и старения растения количество микроорганизмов заметно падает (Разумовская З.Г., 1930).

      По  своим свойствам и характеру жизнедеятельности бактерии весьма разнообразны, основные из них: азотфиксаторы (клубеньковые бактерии), бактерии-активаторы, бактерии-антагонисты.

      Клубеньковые  бактерии. Открыты Ворониным в 1866 г., а изучены, после того как голландский ученый выделил их в чистые культуры. Эти бактерии обладают способностью проникать в корни бобовых растений (горох, клевер, люцерна, фасоль, соя и др.), поселяться в них и вызывать на поверхности особые наросты - желвачки или клубеньки (Доросинский Л.М., 1965).

      Эти бактерии, поселяются на корнях, улавливают азот из воздуха и доставляют его растению-хозяину. Они могут жить и развиваться свободно в почве, но фиксировать азот без растений не могут.

      Клубеньковые  бактерии образуют клубеньки только на корнях бобовых растений.

      Бактерии-активаторы азот не фиксируют, но влияют на растения продуктами своей жизнедеятельности, ускоряя их рост и развитие. По наблюдению ученых отмечено, что некоторые тропические растения развиваются нормально только в том случае, когда на листьях образуются особые узелки, наполненные бактериями. Эти растения без бактерий остаются карликами, не зацветают и не дают плодов. Если такие карликовые растения заразить соответствующими бактериями, то они выправляются, зацветают и дают плоды (Доросинский Л.М., 1965).

      Наиболее  часто встречаются активаторы среди  свободно живущих грибов и бактерий. Они обнаруживаются в разных почвах в большем  или меньшем количестве. По наблюдениям Н.А. Красильникова (1945) свободно живущие бактерии-активаторы особенно обильно развиваются в прикорневой зоне некоторых растений.

      Бактерии - активаторы действуют на растения, ускоряя рост корней и надземных  частей. Микробы - активаторы, свободно живущие, и симбионты действуют  на растения особыми веществами, которые  они образуют и выделяют наружу. Эти вещества следует рассматривать как стимуляторы или активаторы роста, иначе фитогормоны. Кроме ауксинов на растения положительно действуют другие вещества роста - пантотеновая  кислота, некоторые аминокислоты, аланин, тиазол, витамины. У бактерий были найдены все эти вещества, ускоряющие рост растений (Красильников Н.А., 1945).

      Бактерии-антагонисты  обитают в почве, они имеют большое значение в природе, в почвенных процессах и, особенно в борьбе с болезнетворными микробами (Доросинский Л.М., 1965). Бактерии-антагонисты  хорошо развиваются на корнях растений, достигают больших количеств и защищают растения от фитопатогенных грибков.  
 
 

      4.2. Микробиологические удобрения

     Биохимические исследования показывают, что растения синтезируют собственные защитные вещества в ответ на неблагоприятные условия окружающей среды. Но скорость их наработки и количество могут быть недостаточными. Поэтому выделение таких веществ из природного сырья и обработка ими растений могут служить для повышения устойчивости и повышения урожайности сельскохозяйственных культур[http://strateg.novo-sibirsk.ru/2004/invest/innovat/002.htm].

     Первым  был создан высокоэффективный биопрепарат  СИЛК, модификация которого в настоящее время носит название Новосил. Синтез препарата был первоначально осуществлен в Институте органической химии СО РАН по предложению Института цитологии и генетики СО РАН. В дальнейшем модификация препарата, получение нового названия и товарного знака, разработка и патентование способов обработки  и доз применения препарата  на разных сельскохозяйственных культурах были осуществлены Институтом цитологии и генетики СО РАН. В настоящее время Новосил  как средство стимуляции роста и защиты растений внесен в Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации [http://strateg.novo-sibirsk.ru/2004/invest/innovat/002.htm].

     Новосил - водная эмульсия суммы тритерпеновых кислот из хвои пихты сибирской. Препарат содержит биологически активные вещества, стимулирующие рост растений и приспосабливаемость их к неблагоприятным условиям окружающей среды [http://strateg.novo-sibirsk.ru/2004/invest/innovat/002.htm].