Введение к работе
Актуальность темы. В ряду экологических факторов, влияющих на состояние и здоровье человека, существенное действие оказывают микроэлементы, среди которых наименее изученным является селен. Вместе с тем за последние 20-30 лет появилось много данных в России и за рубежом (Ермаков, Ковальский, 1974; Ермаков, 2004; Перепелкина, 2009; Егоров с соавт., 2009; Шацких, 2009; Salman et al., 2009), свидетельствующих о необходимости селена для нормальной жизнедеятельности организма человека и животных. Показано, что прогрессирующий дефицит данного элемента в растительных кормах и пище человека во многих странах мира и отдельных регионах Российской Федерации является одной из причин нескольких десятков тяжелых заболеваний, включая сердечно-сосудистые, инфаркт миокарда, инсульт онкологические, диабет, тяжелые поражения печени и расстройства половой системы, иммунодефицит, болезнь Кашина-Бека и т.д. (Авцын с соавт., 1991; Решетник, 2000; Тутельян с соав.,2002; Neve,1996; Beck, Levander, 1998; Koehrle el.at.,2000; Schrauser, 2003).
Вместе с тем отмечается, что селен поддерживает нормальное состояние не только антиоксидантной, но и детоксицирующей и иммунной систем организма (Никитина с соавт., 1995; Блинохватов, 2000; Hill, Burk, 1997; Combs et al., 2001). К настоящему моменту известно, что он входит в структуру активного центра глутантионпероксидазы - одного из ключевых антиоксидантных ферментов, который предотвращает накопление в тканях свободных радикалов, инициирующих перекисное окисление липидов, белков, нуклеиновых кислот и других соединений (Племенков, 2007; Foster, Sumar, 1997; Flone et al, 2000, Arthur, 2000, Salman, 2009).
Коррекции дефицита селена в пище человека и рационах животных препятствует малая изученность содержания и пространственного распределения его в природных компонентах территорий, в первую очередь в почвах, а также недостаточность данных о накоплении элемента в растениях конкретных почвенно - климатических зон.
В литературе имеются материалы по адсорбированию селена различными растениями (Ермаков, Ковальский, 1974; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Дудецкий с соав., 1992; Торшин с соавт., 1996; Голубкина, 1999; Кузнецов, 2004), но сведения об общих и частных функциях этого микроэлемента в сельскохозяйственных культурах малочисленны и противоречивы (Ягодин с соавт., 1992; Аникина с соавт., 2002; Никитина, 2002; Серегина, 2008; Terry el.al., 2000; Cartes el.al.,2005).
Недостаточность данных о действии селенсодержащих солей на формирование продуктивности зерновых и кормовых культур, на устойчивость растений в условиях нагрузок, вызванных биотическими и абиотическими факторами - засухой, кислотностью и засолением почв,
средствами химизации и защиты растений, вызывает необходимость всестороннего изучения этих вопросов.
Цель работы состояла в экологическом обосновании ростостимулирующей и антиоксидантной роли селена в растениях и разработке рациональных приемов использования селенсодержащих соединений для улучшения процессов формирования продуктивности зерновых и кормовых культур, коррекции селенодефицита в продуктах питания и кормах для животных в оптимальных и стрессовых условиях правобережной лесостепи Среднего Поволжья.
В задачи исследований входило:
дать агроэкологическую оценку содержания селена в черноземных почвах на изучаемой территории и изменения количества микроэлемента при различной интенсивности антропогенного воздействия;
оценить аккумуляцию селена дикорастущими и культурными растениями, динамику накопления ими микроэлемента на разных стадиях развития;
выявить оптимальный диапазон ростостимулирующих концентраций селена для обработки семян, посевов и зону токсического действия микроэлемента на растения;
выяснить особенности действия селеносодержащих соединений на ранних этапах органогенеза зерновых культур и козлятника;
оценить экологическую роль селена в формировании продукционного процесса в оптимальных условиях и при адаптации сельскохозяйственных культур к различным стрессам;
выявить причины антистрессового эффекта соединений селена на растения;
показать возможность и эффективность коррекции дефицита селена в растениях при использовании различных доз, форм селенсодержащих соединений и способов их применения.
Научная новизна. В условиях правобережной лесостепи Среднего Поволжья впервые проведены комплексные агроэкологические исследования по изучению роли селена в биохимической системе «почва - растение». Определено содержание его в основных подтипах чернозема и накопление в растительных ассоциациях, выявлены особенности распределения микроэлемента в органах растений.
Дано теоретическое обоснование особенностей роста, развития зерновых культур и козлятника под влиянием селенсодержащих соединений и условий их применения.
Показано, что ростостимулирующий эффект селеновых соединений вызван их способностью стимулировать клеточное деление, снижать негативные последствия стрессовых факторов, повышать интенсивность фотосинтеза. Выявлена сортовая специфика действия селена на продукционный процесс зерновых культур и козлятника.
Выяснено влияние селена на физиологические процессы в ходе органогенеза яровой пшеницы при оптимальной и кислой реакции среды.
Раскрыты закономерности формирования продуктивности культуры при повышенной кислотности черноземных почв. Выявлена сортовая специфика изменения величины рН питательного раствора корневыми экссудатами при обработке семян селеном.
Установлено положительное влияние низких доз селена при обработке семян и посевов яровой пшеницы, ячменя и козлятника, которые увеличивают адаптивные возможности и продуктивный потенциал этих культур.
Проведен анализ действия разных соединений селена и способов их использования на продуктивность изучаемых культур.
Определено, что одним из возможных механизмов адаптогенного и протекторного действия селена является его способность оказывать влияние на ферменты антиоксидантной системы (супероксиддисмутазу, глутатионредуктазу, аскорбатпероксидазу, пероксидазу, каталазу и др.) и некоторые низкомолекулярные антиоксиданты (каротиноидиды и аскорбиновую кислоту), а также на протеиназную активность и свободный пролин.
Практическое значение работы. Выявленные зависимости содержания селена в черноземах от подтиповых особенностей, содержания гумуса, реакции почвенной среды, характера использования почв позволяют косвенно судить о селеновом статусе растений.
Установленные параметры накопления селена в местных видах дикорастущих растений, адаптированных к климатическим и почвенным условиям региона, открывают перспективы интродукции нетрадиционных и редких растений.
Использование соединений селена для увеличения сопротивляемости стресс-чувствительных сельскохозяйственных растений к стрессовым внешним воздействиям создает возможность получения растительной продукции с оптимальным содержанием этого микроэлемента при интенсивных технологиях земледелия.
Экспериментально обоснована экологическая роль селена в регулировании адаптивного потенциала и повышении устойчивости растений к неблагоприятному воздействию окружающей среды (патент на открытие № 2181240 от 20.04.2002 «Способ оценки солеустойчивости растений»).
Доказана целесообразность использования микроколичеств селената натрия для предпосевной обработки семян и посевов козлятника, ячменя и яровой пшеницы (патент на открытие № 2183394 от 20.06.2002 «Способ стимуляции всхожести семян»). Показано, что применение микроэлемента необходимо не только для повышения обеспечения селеном растений, животных и человека, но и с целью выживаемости сельскохозяйственных культур в вегетационный период, а также для увеличения их урожайности, особенно в условиях действия неблагоприятных экологических факторов. На черноземах с повышенной кислотностью экспериментально определено антиоксидантное действие селена, что позволяет рекомендовать
использование его в стресс-протекторной концентрации 10-4% для обработки семян.
Определенное положительное влияние селена на адаптацию ярового ячменя к стрессу, вызываемому действием пестицидов, дает основание для использования его солей в баковой смеси с гербицидами.
Материалы исследований вошли в региональные рекомендации по производству зерновых культур, две монографии и учебное пособие «Основы общей экологии».
Результаты исследований по применению селеновых солей используются в учебном процессе кафедры химии ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам «Биохимия растений», «Химия окружающей среды».
Основные положения работы, выносимые на защиту:
специфика накопления селена растениями на черноземных почвах в зависимости от их видовых и сортовых особенностей, фаз роста и развития, антропогенного фактора и погодных условий;
реализация коррекции селенодефицита использованием низких концентраций селена для обогащения зерновых культур и козлятника путем обработки семян, посевов и внесения в почву;
роль селена в интенсификации как адаптогенного и протекторного фактора ростовых процессов на начальном этапе органогенеза сельскохозяйственных культур при разных экологических условиях выращивания;
оценка ростостимулирующей и защитной функций селена в оптимальных условиях и при адаптации растений к стрессам различного происхождения; влияние селеновых солей на физиолого-биохимические процессы и формирование продукционного процесса сельскохозяйственных культур;
теоретическое обоснование и практическая реализация применения селена для снижения действия негативных факторов на формирование урожайности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Международных, Всероссийских и Региональных научно-практических конференциях (Москва, 2001, 2003, 2004, 2005, 2008, 2009 гг; Орел, 2001; Ульяновск, 2002; Минск, 2004; Владикавказ, 2004; Саратов, 2004; Пенза-Нейбранденбург, 2004, 2005; Санкт-Петербург, 2006; Пенза, 2000, 2004, 2005, 2006, 2008, 2009 гг.), на IV-V Международных симпозиумах (Москва-Пущино, 2001, 2003); на съездах Общества физиологов растений России (Москва, 1999; Пенза, 2003).
Предлагаемые приемы использования селената натрия прошли производственную проверку в хозяйствах Пензенской области: ЗАО «АПК Нечаевский», ООО «Петровский хлеб», «Пензенская зерновая компания».
Под руководством автора выполнены и защищены две кандидатские диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ - 15, две монографии и одно учебное пособие. Получено 2 патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 368 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов и предложений. Экспериментальный материал приведен в 54 таблицах, 35 рисунках и 48 приложениях; обзор литературы представлен в соответствующих главах. Список используемой литературы состоит из 379 наименований, в том числе 160 зарубежных авторов.
