810

5.МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ

Всостав растений входят почти все известные элементы, однако многие из них не относятся к необходимым и незаменимым. Химический элемент считается незаменимым, если: 1) его отсутствие исключает нормальный жизненный цикл растения; 2) недостаток элемента вызывает специфические нарушения жизнедеятельности растений, предотвращаемые или устраняемые внесением этого элемента; 3) элементы непосредственно участвуют в процессе превращения веществ и энергии.

К необходимым для высших зеленых растений элементам (кроме органогенов – углерода, водорода, кислорода и азота) относятся макроэлементы (фосфор, сера, калий, кальций, магний и железо) и микроэлементы (марганец, медь, цинк, бор, молибден и кобальт).

Макро- и микроэлементы растения поглощают с помощью корневых систем из почвенного раствора в виде соответствующих ионов. Макроэлементы входят в состав важных молекул и компонентов клетки. Микроэлементы либо входят в состав ферментов, либо обеспечивают необходимые условия для протекания биохимических реакций в клетке.

Недостаток любого из 13 элементов минерального питания вызывает отклонение в росте и развитии в виде различных специфических симптомов типа изменения окраски, хрупкости листьев, деформации, некроза, повреждения коры, плодов, развития корней и т.п. По симптомам, специфичным при недостатке каждого элемента, можно установить его дефицит у растений.

Действительные потребности растений в необходимых минеральных элементах можно установить только при выращивании их на искусственных питательных средах (водных или песчаных культурах). Для этого используют дистиллированную воду или химически чистый кварцевый пе-

151

сок, соли, химически стойкие сосуды и посуду для приготовления и хранения растворов. Такие опыты проводят в специальных сооружениях – вегетационных домиках, теплицах или оранжереях. Сооружения, в которых регулируются все факторы роста и развития растений, называются лабораториями или станциями искусственного климата, а наиболее оборудованные из них – фитотронами.

Для выращивания растений в водных и песчаных культурах используют смеси солей, содержащие все необходимые макро- и микроэлементы, называемые питательными смесями. Каждая питательная смесь должна содержать не только все необходимые для растения элементы в нужных количествах и соотношениях, но и быть оптимальной по концентрации водородных ионов.

Для большинства растений оптимальный рН раствора находится между 5,5 и 7,8. Начальный рН раствора зависит от химической и гидролитической кислотности или щелочности солей и от их буферной способности, а изменение его в процессе питания растений – от физиологической кислотности или щѐлочности солей. Неравномерно поглощая катионы и анионы солей, растения вызывают сдвиг рН в кислую или щелочную сторону. Так, например, сернокислый аммоний (NH4)2SO4 является солью физиологически кислой, так как катион NH4+ поглощается сильнее, чем анион SO4-, и в среде накапливается избыточное число водородных ионов, ставших на место катиона NH4+.

Нитраты представляют собой физиологически щелочные соли, так как анион NO3- поглощается интенсивнее, чем катион Na+ или K+ (NaNO3 и KNO3). В этом случае накапливается избыток гидроксильных ионов, и раствор подщелачивается. Явления физиологической кислотности и щелочности солей следует учитывать при применении удобрений.

Нормальные питательные растворы – физиологически уравновешенные (сбалансированные). На растворах, содер-

152

жащих только одну питательную соль, например NaCl или KCl, растение не сможет долго существовать и сравнительно быстро погибает. Стоит только к раствору прибавить соль какого-нибудь двухвалентного металла, например, кальция, ядовитое действие первой соли значительно ослабнет. Смесь нескольких солей уже не обладает ядовитым действием. Это явление получило название «антагонизм ионов». Он особенно присущ катионам; кальций играет роль основного антагониста всех других катионов, в том числе и ионов водорода. При достаточной концентрации кальция растения меньше страдают от кислотности питательного раствора.

Природные пресные воды (речная, озерная, прудовая, колодезная) физиологически уравновешены, как и раствор нормальных почв. Дистиллированная вода содержит только ионы H+ и непригодна для длительного использования растениями.

Работа 55. Микрохимический анализ золы растений

Вводные пояснения. Основным приемом элементарного анализа растений является сжигание. При сжигании углерод, азот, водород и кислород улетучиваются в виде СО2, воды и молекулярного азота. Это органогены, так как все органические вещества состоят преимущественно из этих 4- х элементов. Однако после сжигания растительного материала всегда остается некоторый нелетучий остаток, называемый золой, который содержит элементы, называемые зольными. Содержание зольных элементов в разных растениях и в разных частях одного и того же растения неодинаково и зависит от состава почвы, физиологических особенностей и возраста растения. На количество золы влияет также соотношение между живыми и мертвыми клетками: мертвые клетки состоят из одних клеточных стенок, в которых находится небольшое количество Са и Si, тогда как в цитоплазме и органоидах живых клеток содержится много зольных эле-

153

ментов как в составе органических веществ (сера – в белках, фосфор – в нуклеиновых кислотах и фосфолипидах, магний

–в хлорофилле и т. п.), так и в форме минеральных ионов.

Кнаиболее распространенным в растениях зольным элементам относятся: Р, К, Са, Mg, Mn, Fe, Cu, Zn, Al, Si и др.

Для изучения химического состава золы можно использовать микрохимический метод, для которого требуется небольшое количество материала.

Цель работы. Провести обнаружение зольных элементов Ca, Mg, P и Fe в золе растений микрохимическим методом.

Материалы и оборудование: зола, полученная при

сжигании листьев, или табачный пепел; 10%-ный раствор соляной кислоты; 1%-ная H2SO4; 10%-ный раствор NH3; 1%- ный раствор Na2HPO4; 1%-ный раствор молибдата аммония в 1%-ной HNO3; 1%-ный раствор желтой кровяной соли в капельнице; дистиллированная вода в стакане; пробирки (2 шт.); воронка маленькая; бумажный фильтр; стеклянные палочки с заостренным кончиком (2 шт.); предметные стекла (3 шт.) микроскоп; кусочки фильтровальной бумаги.

Ход работы. Насыпать в пробирку небольшое количество золы и залить ее примерно 4-х-кратным объемом 10%- ного раствора соляной кислоты. Полученный раствор отфильтровать в чистую пробирку через небольшой фильтр.

Провести на предметных стеклах реакции на Са, Мg, и Р. Для этого тупым концом стеклянной палочки нанести на предметное стекло небольшую каплю вытяжки и на расстоянии 4 – 5мм от неѐ – каплю соответствующего раствора

Затем заостренным концом палочки соединить капли дугообразным каналом. В месте соединения произойдѐт реакция, причем по краям канала будет наблюдаться быстрая кристаллизация продуктов реакции. Образующиеся кристаллы рассматривают под микроскопом.

154

Стеклянные палочки после нанесения каждого реактива необходимо ополоснуть водой и вытереть фильтровальной бумагой.

Реактивом на ион Са+ служит 1%-ная H2SO4. При этом хлорид кальция, содержащийся в вытяжке, реагирует с серной кислотой по уравнению:

CaCl2 + H2SO4 → CaSO4 + 2HCl

Образующийся

яся в виде прямоугольников, крышечек, звезд или крыльев (рис.28 «б»), в результате следующей реакции:

MgCl2 + Na2HPO4 + NH3→ NH3MgPO4 + 2NaCI

Рис. 29. Кристаллы фосфорномолибденокислого аммония

155

Для обнаружения фосфора соединить каплю вытяжки с 1%-ным раствором молибдата аммония в азотной кислоте.

Получается зеленовато-жѐлтый осадок фосфорномолибденовокислого аммония (рис. 29).

H3PO4 + 12(NH4)2MoO4 + 21HNO3 → (NН4)3PO4∙12MoO3 + 21NH4NO3 + 12H2O

Железо можно обнаружить с помощью раствора жѐлтой кровяной соли. В результате реакции образуется берлинская лазурь:

4FeCl3 + 3K4[Fe(CN)6] → Fe4[Fe(CN)6]3 + 12KCl

Реакцию на железо рекомендуется проводить в пробирке: к остатку зольной вытяжки добавляют по каплям раствор жѐлтой кровяной соли до появления синей окраски.

Результаты работы оформляют в виде рисунков кристаллов гипса, фосфорноаммиачномагнезиальной соли и фосфорномолибденовокислого аммония. Уравнения реакции записывают в тетрадь.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие химические элементы называются органогенами? Почему?

2.Назовите химические элементы, составляющие золу растений?

3.Перечислите химические элементы, являющиеся абсолютно необходимыми для жизни растений?

4.Почему одни химические элементы называют макроэлементами, другие – микроэлементами?

5.Как можно обнаружить в золе микрохимическим методом нали-

чие ионов Ca2+, Mg+, P+ и Fe3+?

Работа 56. Выращивание растений в водной культуре на полной питательной смеси и с исключением элементов*

Вводные пояснения. Значение отдельных химических элементов в жизни растений можно установить с помощью метода водных культур, разработанного в 50-х годах 19 века. Этот метод позволяет наиболее строго регулировать состав, концентрацию, реакцию (рН) и др. свойства питатель-

__________________________

* Работа рассчитана на 2 занятия.

156

ного раствора. В водных культурах можно легко наблюдать за ростом корневых систем растений, их органов и в целом за растением.

Метод водных культур состоит в том, что вместо почвы растения выращиваются на искусственной питательной среде, в состав которой входит вода, в которой растворены соединения определенных элементов.

Исследованиями Кнопа, разработавшего методику выращивания растений в водных культурах, было установлено, что успешное развитие растений возможно при наличии в питательном растворе следующих семи элементов – К, Са, Mg, Fe, P, S и N. Азот не является зольным элементом, так как при сжигании он улетучивается, но он должен быть введен в состав питательного раствора потому, что растения получают его не из воздуха, а из почвы.

Группируя эти элементы в виде кислотных и основных окислов, Кноп составил чрезвычайно простой раствор, который затем был назван его именем и получил широкое распространение.

Исключая тот или иной элемент минерального питания из питательного раствора, можно получить точное представление о внешних признаках дефицита этих элементов. На этом основании можно сделать вывод: все эти элементы должны поступать в растения из почвы, и они необходимы для питания растений.

Цель работы. Ознакомиться с методом выращивания растений в водной культуре, произвести расчет потребности необходимых солей для опыта с исключением того или иного элемента и поставить опыт.

Материалы и оборудование: стеклянные литровые банки; крышки к ним (деревянные, пластмассовые или капроновые); бумага для обертывания банок (белая и черная); проростки кукурузы или др. растений; весы; мерные колбы на 100 мл; бутылки пол-литровые для концентрированных

157

растворов; клей; пипетки на 5 и 10 мл; линейки или полоски миллиметровой бумаги; индикаторная бумага; соли:

Ca(NO3)2; KH2PO4; MgSO4۰7H2O; KCl; FeCl3; CaCl2۰6H2O; NaH2PO4∙H2O; NaNO3; NaCl.

Ход работы. Монтировка сосудов. Для постановки опыта с водными культурами применяют стеклянные банки (чаще всего литровые). Для закрепления растений используют парафинированные корковые, пластмассовые или деревянные крышки, которыми закрывают горло банки. В крышках делают отверстия для растений и для стеклянной трубки, необходимой для продувания воздуха через раствор.

Банки оборачивают бумагой: с внутренней стороны – черной, для затенения корневой системы, а с наружной – белой, для отражения тепловых лучей. При доступе света в банках с питательным раствором развиваются водоросли. На банке должна быть этикетка с указанием названия опыта и фамилии студента.

Приготовление питательных растворов. Нормальное развитие высших растений возможно лишь при наличии в питательном растворе всех макро- и микроэлементов. Однако в питательных смесях Кнопа, Гельригеля, Д.Н. Прянишникова и др. микроэлементы не включены, так как для роста растений достаточно их в примесях, содержащихся в используемых солях. Для водных культур чаще применяется питательная смесь Кнопа:

Полная питательная смесь Кнопа (на литр воды):

Чтобы изучить необходимость того или иного элемента в жизни определѐнного растения, его исключают из пита-

158

тельной смеси при неизменном количестве остальных элементов.

Питательная смесь с исключением азота

Исключая азот, уравниваем смесь по содержанию кальция, так как Ca(NO3)2 заменяем другой солью, не содержащей азот, но содержащей кальций, необходимый в эквивалентном количестве, например CaCl2. Расчет ведется исходя из молекулярной массы:

1. Узнаѐм, сколько граммов Са содержится в 1 граммолекуле Ca(NO3)2 . Находим еѐ молекулярную массу; затем по пропорции определяем содержание в ней кальция:

в 164,1г Ca(NO3)2 содержится 40,1г Са, а в 1г Ca(NO3)2 содержится x г Са.

2. Узнаем, сколько граммов CaCl2х6Н2О необходимо взять, чтобы внести в смесь 0,24 г кальция.

40,1г Са содержится в 219г CaCl2х6Н2О, а 0,24 г Са содержится в x г CaCl2х6Н2О

Следовательно, вместо 1г Ca(NO3)2 берѐтся для смеси 1,31г CaCl2. Питательная смесь с исключением азота будет следующей (на литр воды):

CaCl2х6Н2О – 1,31г ,

Питательная смесь с исключением калия

Исключая калий, вместо KH2PO4 берѐм соль NaH2PO4۰

H2O, вместо KCl – NaCl.

159

Вычисляем, сколько нужно взять NaH2PO4۰H2O, чтобы количество фосфора было такое же, как в 0,25г KH2PO4. Расчет ведем следующим образом:

1. количество Р в 0,25 KH2PO4 вычисляем по пропор-

ции

136,2г – 31,04г

0,25г – x г

2. NaH2PO4 – Р

138,0г – 31,04г

Затем находим количество NaCl, которое может заменить 0,125г KCl:

1. KCl – Cl

74,6г – 35,46г

0,125г – x г

х 35,46 0,125 0,06г CI 74,6

2. NaCl – Cl

53,5г – 35,46г x г – 0,06г

Таким образом, получается следующий состав питательной смеси без калия (на литр воды):

160