Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Нанотехнологии в сельском хозяйстве 13
1.1. Использование наноудобрений в сельском хозяйстве 13
1.2. Влияние наноудобрений на саженцы плодовых культур 18
1.2.1. Всхожесть семян и первые стадии роста плодовых саженцев в условиях засоления 18
1.2.1.1. Содержание влаги в семенах 18
1.2.1.2. Процент прорастания 20
1.2.1.3. Скорость прорастания 21
1.2.1.4. Длина и диаметр стебля 22
1.2.1.5. Cреднее число и длина вторичных и основных корней 24
1.2.1.6. Индекс силы проростков 25
1.2.2. Влияние наноудобрения на вегетативные признаки и химический состав саженцев плодовых культур в условиях засоления 27
1.2.2.1. Увеличение диаметра стебля и высоты растения 27
1.2.2.2. Количество листьев и листовая поверхность растений 28
1.2.2.3. Сухая масса листьев 31
1.2.2.4. Содержание в листьях хлорофилла a, b и каротиноидов 34
1.2.2.5. Содержание пролина 37
1.2.2.6. Общий объем углеводов 39
1.2.2.7. Содержание химических элементов в листьях растений и в субстрате 41
Глава 2. Объекты и методы исследования .47
2.1. Объект исследования 47
2.2. Методы синтеза наноудобрения 48
2.3. Условия выращивания растений .52
2.4. Математическая обработка полученных данных 61
Глава 3. Результаты и обсуждение .62
3.1. Влияние наноудобрения на прорастание семян и ранние стадии развития горького миндаля в условиях засоления 62
3.1.1. Содержание влаги в семенах 62
3.1.2. Процент прорастания 64
3.1.3. Скорость прорастания 65
3.1.4. Длина и диаметр стебля 67
3.1.5. Cреднее число и длина вторичных и основных корней растений 69
3.1.6. Индекс силы проростков 72
3.2. Влияние наноудобрения на вегетативные признаки и содержание некоторых химических элементов в растениях горького миндаля в условиях засоления .74
3.2.1. Скорость увеличения диаметра стебля и высоты растения .74
3.2.2. Количество листьев на растение .76
3.2.3. Сухая масса листьев и листовая поверхность растений 79
3.2.4. Содержание хлорофилла a, b и каротиноидов 81
3.2.5. Содержание пролина .83
3.2.6. Общий объем углеводов 85
3.2.7. Содержание химических элементов в листьях растений 87
3.2.7.1. Содержание азота в листьях растений .87
3.2.7.2. Содержание фосфора в листьях растений .89
3.2.7.3. Содержание калия, кальция и магния в листьях растений .91
3.2.7.4. Содержание натрия в листьях растений 94
3.2.8. Содержание химических элементов в почвенном субстрате .96
3.2.8.1. Содержание азота, фосфора, калия и кальция в почвенном субстрате. 96
3.2.8.2. Содержание натрия в почвенном субстрате 100
Выводы 103
Практические рекомендации 104
Список литературы 106
- Использование наноудобрений в сельском хозяйстве
- Содержание химических элементов в листьях растений и в субстрате
- Сухая масса листьев и листовая поверхность растений
- Содержание натрия в почвенном субстрате
Использование наноудобрений в сельском хозяйстве
В настоящее время нанотехнология является одной из ведущих отраслей 21 века, за которой следует переворот во всем мире. Следуя научным источникам необходимо отметить, что использование наноматериалов оказывает положительное воздействие на современное сельское хозяйство, минимизирует риски в сельскохозяйственном производстве, связанные со здоровьем человека и сохранностью окружающей среды в условиях изменяющегося климата, а также повышает продовольственную и пищевую безопасность, производительность сельского хозяйства (Meena et al., 2015). Сельскохозяйственная нанотехнология как наука исследует эффективность применения минеральных удобрений, снижая экологические риски и уровень загрязнения почвы, связанные с применением химических удобрений (Bakhtiari et al., 2015). Продуктивность сельскохозяйственных культур может быть существенно повышена путем разработки подходящих ростостимулирующих препаратов, таких какими являются и наноудобрения (Shankramma et al., 2016). Наиболее значимое применение нанотехнологий для повышения сельскохозяйственной продуктивности заключается в использовании наноудобрений, которые позволяют контролировать регулярность питания растений, чего часто невозможно достичь при использовании обычных удобрений. Наноудобрения могут проявлять большую эффективность снижая загрязнение почв и другие экологические риски, которые могут возникать при использовании обычных минеральных удобрений (Naderi et al., 2011). Применение наноудобрений может быть в меньших дозах, чем у обычных минеральных удобрений при одном и том же эффекте (Subramanian et al., 2015). В тоже время, использование наноудобрений в меньших концентрациях ведет к экономии электроэнергии на их производство и, соответственно, к сохранности окружающей среды (Sastry et al., 2010). Небольшие размеры и форма частиц наноудобрений позволяют получать действующий химический состав (действующее вещество), в отличимой от исходного форме, и это придало нанотехнологии ее значимость и новые возможности применении этой области (Brunner et al., 2006). Это может быть связано с тем, что вещества в наноформах могут изменить физико-химические свойства по сравнению с сыпучими материалами обычных размеров. Они имеют большую площадь поверхности, чем у сыпучих форм. Следовательно, их растворимость и поверхностная активность также выше (Singh Raykar, 2008). Следовательно, растения могут быстрее и более полно потреблять наноудобрения при недостатке питательных веществ (Rmheld Marschner, 1991). На производстве различные способы получения наноматериалов могут влиять на их технологические характеристики. Например, добавление наночастиц в растворы изменяет их химические, физиологические и кондуктивные свойства по сравнению с исходными растворами, например, на повышение теплопроводности. Что может означать большую доступность для поглощения растениями и более высокую активность в растительной ткани (Grattan, Grieve, 1998). Было показано, что наночастицы, токсичные для растений в высоких концентрациях, положительно влияют на физиологические показатели растений даже в низких концентрациях (Khodakovskaya, Lahiani, 2014). Наноматериалы с размерами частиц менее 100 нм влияют на важные процессы в развитии растения, которые включают всхожесть и энергию прорастания семян, начало развитие корня, рост и процессы фотосинтеза в вегетативный период развития до стадии цветения. Полагают, что применение минеральных удобрений может изменять процессы роста растений, которые происходят из-за избыточного накопления солей в почве (Maksimovic Ilin, 2012). Использование наноудобрений может быть рассмотрено как эффективный прием для достижения сбалансированности в системе земледелия, поскольку повышает эффективность потребления питательных элементов растениями и снижает присутствие токсинов в почве, связанных с повышенным внесением минеральных удобрений, снижая необходимое количество их внесения (Nadi et al., 2013). Они имеют большую площадь поверхности и меньший размер чем у всасывающей поверхности корня и листьев растений. За счет эффективности действия наноудобрений улучшается поглощение и поступление питательных веществ. Уменьшение размера частиц приводит к увеличению удельной поверхности и количества вещества на единицу площади удобрения. Этим обеспечивается большее соприкосновение, что приводит к улучшению проникновения и поглощения питательных веществ растениями (Liscano et al., 2000).
Было установлено, что наноматериалы способны воздействовать на растения на разных этапах онтогенеза (Liu et al., 2016). В целом, успешное прорастания семян зависит от мобилизации поступления продуктов, полученных за счет действия фермента амилазы для поддержания жизнеспособности проростков до тех пор, пока растение не сможет синтезировать вещества самостоятельно. В связи с этим было отмечено, что наночастицы оксида титана в малой концентрации усиливают прорастание семян и рост у проростков вместе с увеличением активности действия ферментов амилазы и протеазы (Laware, Raskar, 2014). Таким образом наночастицы улучшают прорастание семян, повышают скорость роста растения, активность антиоксидантных ферментов, относительное содержание воды и общую урожайность в условиях засоления (Qados, Moftah, 2015). В присутствии оксида титана увеличивалось содержание хлорофилла и относительное содержание воды, скорость фотосинтеза, изменялись параметры роста и снижалось перекисное окисление липидов в растениях сои (Singh, Lee, 2016). Кроме того, наночастицы влияли на всхожесть и выход из состояния покоя семян Agropyron elongatum L. (Azimi et al., 2014). При создании азотных наноудобрений, во избежание потерь азота карбамид наносят с помощью выщелачивания, выпаривания и денитрификации (Blouin Rindt. 1967).
Выпуск удобрений, покрытых карбамидом, является зеленой технологией, которая не только уменьшает потери азота за счет выщелачивания или выпаривания, но и также уменьшает кинетику высвобождения азота. Это также позволяет снабжать питательными веществами органы растений, в которых обмен веществ походит более интенсивно (Azeem et al., 2014). В наши дни актуальной задачей является объединить наноудобрения в наносистемы, которые позволят высвобождать и азот и фосфор вместе с процессом поглощения этих веществ растениями. Нежелательные потери питательных веществ растениями в различных средах можно предотвратить прямым поступлением веществ в с/х культуры и предотвращением их взаимодействия с почвой, воздухом, водой и микроорганизмами (DeRosa et al., 2010). В исследованиях других авторов показано, что высвобождение азота гидролизом мочевины можно проводить путем введения энзимов уразы в нанопористый кремнезем (Hossain et al., 2008). Физическое внедрение гранул карбамида в соответствующий материал с целью его покрытия является одним из способов создания азотных наноудобрений (Azeem et al., 2014). Отмечается также, что в качестве материала для покрытий неэффективно использовать кристаллическую серу из-за ее аморфной природы (Sastry et al., 2010). В оптимальной концентрации нановещества (NP) могут регулировать антиоксидантный механизм защиты, также способны восстанавливать активные формы кислорода (ROS) на уровне, необходимом для возникновения стрессовых сигналов, приводящих к активности ферментов в антиоксидантной системе, таких как супероксидисмутаза (СОД), каталаза и пероксидаза (POX). В более высокой концентрации отмечается токсическое действие NMs, в то время как NMs в более низких концентрациях могут оказывать положительное влияние или действовать нейтрально на клеточные процессы в растениях. Был сделан вывод, что NMs в более низких концентрациях поддерживает нормальное функционирование антиоксидантной системы, что позволяет регулировать синтез ROS на одном и том же уровне (Syu et al., 2014). Многие засоленные почвы характеризуются высоким содержанием обменного натрия, что приводит к образованию щелочных солей, таких как карбонат или бикарбонат натрия, которые сильно повышают рН почвенного раствора (Gupta et al., 1989). Следовательно, поступление всех питательных веществ, необходимых для роста растений может быть обеспечено за счет использования наноудобрении при варьировании рН.
Принципиально новым в нанотехнологии является разработанный комплексный подход к процессу получения высококачественного посевного материала. Он состоит в том, что биологически активные и фитосанитарные компоненты, предназначенные для повышения адаптации семян и растений к реальным негативным условиям окружающей среды, конструируются в виде полифункциональных (нано) чипов, а их встраивание в (нано) поры кожуры семян осуществляется с помощью нанотехнологии.
В результате анализа эффективности нанотехнологии предпосевной подготовки семян выявлены следующие основные преимущества:
1- пролонгация покоя семян – возможность хранения посевного материала без потерь качества длительное время.
2- активация процессов выхода семян из состояния покоя в меняющихся условиях окружающей среды за счет дифференцированного использования разнообразных по составу и структуре (нано)чипов в предпосевной обработке семян.
3- увеличение всхожести семян.
Содержание химических элементов в листьях растений и в субстрате
Влияние содержания азота. Существует общее мнение, что питание растений это один из наиболее важных факторов, влияющих на рост деревьев, урожайность и качество плодов (Kassem, M, 2002). При изучении влияния засоления на горький миндаль (Amygdalus communis) (Shibli et al., 2003) обнаружилось, что содержание азота может уменьшаться с увеличением уровня содержания солей в среде. При орошении корневищ сливы раствором, содержащим NaCl и CaCI2 (гидромодуль 1: 1) отмечали снижение количества азота в листьях с увеличением концентрации этого раствора (Shahin, 1989). Изучалось влияние обработки раствором солей (в концентрации 2000 и 4000 ppm) на три подвоя пекана. Установлено, что повышение концентрации солей в растворе снижало содержание азота в листьях (El-Sayed, Youssef, 1996). Также исследовали влияние концентрации раствора 1500 ppm одной из следующих Na содержащих солей: NaC1, Na2CO3 или Na2SO4 при орошении растений горького миндаля и абрикоса (El-Azab et al., 1998). Было показано, что содержание азота в листьях и корнях не зависит от влияния концентраций солей Na. Также показано, что не прослеживалась динамика при накоплении азота в листьях трех подвоев яблони с увеличением концентраций растворов солей (0, 500, 1000, 2000 и 3000 ppm NaC1, CaCl2 1:1 Вт:Вт) (Taha et al., 1989).
Однако, при внесении 40-70% азота, 80-90% фосфора и 50-70% калия часть обычных минеральных удобрений оставалась в почве и не могла поглощаться растениями, вызывая экономические затраты, потери ресурсов и загрязнения окружающей среды (Ombdi, Saigusa, 2000). В другом эксперименте наблюдалось увеличение содержания азота и железа в листьях при внекорневой обработке наночастицами магнетита растений груши по сравнению с контрольными вариантами (Eldin, 2015). Применение азотных удобрений приводило к увеличению содержания нитратного азота (No3-N) в общем количестве минерального азота в почвенном профиле (Szulc, 2013).
Влияние содержания фосфора. Фосфор является одним из важных питательных веществ, необходимых для всех метаболических процессов: передачи энергии, трансдукцию сигналов, ферментативный катализ, биосинтез макромолекул, а также накопление фотосинтетические пигментов и изменчивости биохимического состава. В большинстве случаев избыток солей почвенного раствора приводит к снижению концентрации фосфора в тканях растений. Однако, результаты исследований показали, что с увеличением уровня почвенного засоления не снижается потребление и накопление фосфора в органах растений (Kaya et al., 2001). Реакция растений на внесение фосфорных удобрений зависит от степени засоления почвы. Применение фосфорных удобрений на засоленных почвах способствует повышению урожайности овощей за счет использования фосфора и снижения поглощения растениями вредных веществ, таких как хлор Cl-(Chabra et al., 1976). Поэтому, применение фосфорных удобрений необходимо на засоленных почвах. При различном уровне засоления накопление Р до 90 кг/га способствовало более интенсивному накоплению P, K+, Ca2+ и Mg2+ в листьях, в то время как в листьях проростков Phaseolus vulgaris наблюдалось снижение ионов Na+ (Bargaz et al., 2016). Меньшие размеры и большая площадь поверхности наночастиц обеспечивают доступность токсичных металлов для связывания, и тем самым снижают поступление вредных веществ в растения (Worms et al., 2012). Современным вариантом предпосевной обработки семян является применение нано–удобрений. Нано–удобрение представляет собой высококонцентрированное жидкое органоминеральное удобрение. Молекулярные структуры в наносостоянии лучше усваиваются клетками растений, что существенно повышает все биометрические показатели (Спиридонов и др., 2013). Неразвившаяся корневая система не способна разлагать труднорастворимые формы фосфатов почвы в вещества доступные для потребления. Поэтому, некоторое время молодые растения могут испытывать недостаток фосфора. Это также отрицательно влияет на их последующее развитие и продуктивность. При обработке семян и вегетирующих растений наноудобрениями растения были отзывчивы к их внесению в почву, коэффициент поглощения был максимален. На фоне использования минеральных удобрений в вариантах с комплексной обработкой семян и растений органоминеральной наносуспензией были отмечены максимальные показатели содержания фосфора (на 46,6% выше фонового контроля и на 14,3% выше обработок макросуспензиями) (Яппаров и др., 2017).
Отношение к содержанию калия. Засоление почвы значительно снижало концентрацию К+ в листьях фасоли обыкновенной. Концентрация ионов К+ была снижена на 4,3 и 10,3% при степени засоления в 4,68 и 8,83 dsm-1, по сравнению с контролем 1,56 dsm-1 (Bargaz et al., 2016). Изучали влияние обработки различной концентрацией раствора (0, 500, 1000, 2000 и 3000 ppm NaC1, CaCl2 в гидромодуле 1:1) на трех подвоях яблони (Taha et al., 1989). Отмечено, что содержание калия в листьях уменьшается при увеличении концентрации солей раствора. При обработке подвоев сливы раствором солей NaC1, CaCl2 (1:1 Вт/Вт) в концентрациях от 1000 до 4000 нм, содержание калия в листьях и корнях снижалось при увеличении концентрации, особенно при высокой концентрации раствора. Например, содержание калия в листьях гуавы снижалось за счет увеличения концентрации раствора для обработки растений (Salem et al., 1991). Также изучалось влияние концентраций растворов солей (в варианте контроля, 2000 и 4000 ppm) на три подвоя пекана (El-Sayed, Youssef, 1996). Повышение концентрации солей снижало содержание K в листьях. В связи с этим исследовали также влияние 1500 ppm раствора одной из следующих солей Na: NaC1, Na2CO3 или Na2SO4 на горький миндаль, абрикос (El-Azab et al., 1998). Содержание K в листьях и корнях растений уменьшалось при поливе раствором NaC1. При изучении влияния засоления на растения горького миндаля (Amygdalus communis) было обнаружено, что содержание калия снижалось с увеличением степени засоленности среды (Shibli et al., 2003). В другом эксперименте изучалось влияние различной концентрации солей (0, 40, 80 и 120 мм) при поливе раствором NaC1 трех сортов растений граната. Содержание калия в тканях растений увеличивалось при увеличении концентраций этих растворов (Naeini et al., 2005). В исследованиях на проростках абрикоса обнаружилось, что с увеличением концентраций раствора солей (контроль, 750, 1000, 1250 и 1500 ppm NaC1+ CaCl2 1:1 по массе) динамика накопления калия не наблюдалась (Attalla et al., 1989). Применение наночастиц железа и силиката калия на черенках винограда также снижало содержание натрия и увеличивало содержание калия в условиях засоления (Mozafari, Ghaderi, 2018).
В отношении содержания Ca и Na. Засоление может также влиять на рост растений, так как высокая концентрация солей в почвенном растворе препятствует сбалансированному поглощению необходимых питательных веществ (Tester, Davenport, 2003). Это также сильно влияет на количество веществ, поступающих в растение. Поэтому правильный подбор системы внесения удобрений, включающий эффективность применения, подбор материалов, сроков внесения и методики их применения являются важными элементами для получения высоких урожаев и высококачественных сортов плодовых культур (Fageria, 2005). Кальций может снижать засоленность почвы, стимулировать рост и продуктивность различных сортов винограда (Aly, El-Mogy, 2003). При поступлении большого количества ионов Cl- и Na+ в листья (Fathi, Catlin, 1994) в менее устойчивые подвои персика prunus "Lovell" peach были установлены четкие симптомы, вызванные стрессом, и нарушения в развитии растений. В своих исследованиях (El Gazzar et al., 1979) на молодом винограде, апельсинах, гуавах и оливках использовали при поливе раствор разного качества (контроль и 10, 20 и 40% водно-солевые растворы). Установлено, что существует прямая зависимость между проводимостью оросительного раствора и концентрацией натрия и хлора как в листьев, так и в корнях растений. При этом при различной обработке существенных различий в содержании азота в листьях и корнях растений не наблюдалось.
Сухая масса листьев и листовая поверхность растений
Из таблиц 14 и 15 следует, что при замачивании и обработки семян горького миндаля засоленными растворами при возрастании концентрации солей уменьшаются как площадь листьев, так и сухая масса листьев растения.
Уменьшение показателей было пропорционально уровню содержания солей в растворе. Кроме того, обработка раствора с концентрацией солей 5 dSm-1 в период прорастания и далее в период вегетативного роста давала самый высокий прирост как по показателям площади листьев, так и сухой массы листьев с растения.
У показателей площадь листьев и сухая масса листьев с растения (табл.14 и 15) наблюдалась положительная динамика при внесении наноудобрений по сравнению с традиционными минеральными удобрениями; показатели увеличивались по мере увеличения доз удобрений.
Обработка проростков горького миндаля с помощью удобрений мочевины и сульфата аммония в сочетании с увеличением концентрации водного раствора солей (от 1 и 3dsm-1 в период прорастания до 5dsm-1 после активного роста) показала линейное уменьшение показателей площади листьев и сухой массы листьев с одного растения. Напротив, внесение 50% и 100% наноудобрения увеличивало сухую массу листьев/растений и площадь листьев проростков, при этом существенных различий между ними при наибольшей концентрации соли 5dsm-1 не наблюдалось. В связи с этим механизм повреждения растений при воздействии специфически токсичных ионов может состоять в повреждении регуляторной системы растений. Полагают, что накопление ионов C1 - или Na+ в листьях растений влияет на устьиц, вызывая потери воды и травмы листьев (Bernstein et al., 1972).
Содержание натрия в почвенном субстрате
Результаты в таблице 31 показали, что проростки, выращенные в контроле и при низких концентрациях солей, имели низкую устойчивость к стрессу и поглощали большое количество натрия из почвенного субстрата в растительные ткани, что, в свою очередь, предотвращало поглощение других доступных питательных веществ, что приводило к их выщелачиванию и испарению. Такие результаты наблюдались в других исследованиях (Grattan, 1998), в которых сообщалось, что засоление снижает способность растений поглощать питательные элементы и увеличивает внутриклеточную концентрацию ионов, что приводит к нарушению в росте и развитие растений. Кроме того, было показано, что повышение концентрации Na+ блокирует белки канала, используемые для поглощения K+, и таким образом уменьшают поглощение K+. Ингибирующее действие Na+ на транспорт K+ через каналы в мембранах, вероятно, более значимо на стадии поглощения K+ из почвенного раствора, чем на стадии транспорта K+ в ксилему (Qi Spalding, 2004). С другой стороны, проростки, выращенные под высоким солевым стрессом, получали адаптацию к стрессу и могли адаптироваться к поглощению ионов Na+.
Кроме того, из таблицы 31 следует, что при увеличении дозы удобрения до максимальной значительно увеличивается накопление ионов Na+ в почвенном субстрате при использовании всех видах удобрений. Высокое накопление ионов было получено при обработке наноудобрениями. А самые низкие показатели содержания Na+ были отмечены в контрольной обработке и при низких концентрациях мочевины и сульфата аммония.
Применение наноудобрения в сочетании с максимальной концентрацией раствора солей 5dsm-1 в период прорастания и после проращивания значительно снизило коэффициент поглощения натрия (SAR). Положительное влияние наноудобрения на снижение SAR наблюдали за счет содержания Ca+ в нано-форме, что способствовало предотвращению поглощения ионов натрия в избытке и улучшало поглощение калия (Lahaye, 1971). Таким образом, при применении наноудобрений значительно улучшается отрицательное воздействие стресса в условиях засоления на рост проростков горького миндаля за счет большего накопления ионов Na+ в почвенном субстрате по сравнению с внесением сульфата аммония и мочевины, соответственно.