Теория проникновения гуминового вещества внутрь растения

Гуминовые кислоты (от лат. humus - земля, почва), высокомолекулярные аморфные темноокрашенные органические вещества, строение которых окончательно не установлено. Гуминовые кислоты содержатся в торфах (до 50%), в землистых бурых углях (до 60%); в плотных бурых и переходных углях содержа8*/ массы в зависимости от степени выветривания. В почвах максимальное количество гуминовых кислот содержится в чернозёме (до 10%). Гуминовые кислоты образуются при бактериальном разложении отмерших растительных остатков, а также при длительном воздействии кислорода атмосферы или пластовых вод на органические вещества.

Строение гуминовых кислот определяется наличием слабоконденсированных и замещенных ароматических ядер, связанных между собой участками неароматического характера. В состав молекул входят карбоксильные и карбонильные группы, спиртовые и фенольные гидроксилы, иногда метоксильные группы. При действии щелочей на гуминовые кислоты образуются тёмные растворы, из которых при действии кислот и растворов солей металлов высшей валентности гуминовые кислоты осаждаются в виде набухших гелей. Гуминовые кислоты способны к реакциям ионного обмена, образуют растворимые и нерастворимые гуматы. Гуминовые кислоты являются мощным геохимическим агентом, способствующим разложению горных пород и минералов, концентрации, рассеянию и переотложению элементов в земной коре. Гуминовые кислоты - основная часть органического вещества почвы (гумуса), которое обусловливает её плодородие.
Рассматривая роль гуминовых веществ в биосфере, исходят из того, что эти соединения являются не случайным продуктом постмортальных превращений биомассы, а необходимым звеном в эволюции биосферы, важнейшим фактором устойчивости жизненных процессов. Из ряда функций, выполняемых гуминовыми веществами – аккумулятивной, транспортной, регуляторной, протекторной, мы рассмотрим физиологическую, т.е. способность гуминовых веществ вызывать определенные реакции при их взаимодействии с живыми организмами.

Существующие гипотезы, объясняющие природу биологического действия гуминовых веществ, объединяет предположение о том, что гуминовые вещества могут выступать в качестве непосредственных участников метаболических путей живой клетки. Анализ литературы позволяет выявить серьезное противоречие между двумя группами фактов. Многочисленные работы указывают, с одной стороны, на существование положительных биологических эффектов при взаимодействии гуминовых веществ с живыми организмами, однако, с другой стороны, анализ данных о химическом строении гуминовых веществ, их воздействии на ферменты, показывает, что гуминовые вещества обладают свойствами, которые делают их крайне неудобным «соседом» для живой клетки. Причем это именно те свойства, с которыми связывают положительное биологическое действие гуминовых веществ:

•  наличие в молекулах гуминовых веществ активных центров, способных к эффективному связыванию ионов металлов. Которое приводит, в случае попадания этих молекул в цитоплазму, к атаке активных центров металло-ферментов и их ингибированию;

•  наличие в молекулах гуминовых веществ участков, несущих неспаренные электроны, которое может явиться причиной реакций, приводящих к модификации компонентов клетки из-за ковалентной прививки к ним молекул гуминовых веществ;

•  амфифильные свойства молекул гуминовых веществ, которые делают возможным межмолекулярные взаимодействия гуминовых веществ с компонентами клетки в результате образования водородных, кулоновских и гидрофобных связей. Легко предположить, что межмолекулярные взаимодействия клеточных компонентов с такой молекулой-«гостем», должны привести к нарушению клеточного метаболизма.

Поступление молекул гуминовых веществ в клетку представляется маловероятным, поскольку предполагает прохождение ими таких барьеров, как клеточная стенка и плазматическая мембрана.

Эффективный диаметр пор в клеточной стенке корней растений варьирует в пределах от 3.5 до 5.2 нм, что очень сильно замедляет диффузию в них макромолекул, масса которых значительно превышает 15-20 КД a (Альбертс и др., 1987). Если исходить из известных размеров молекул гуминовых и фульвокислот, то можно сделать вывод, что при длине молекул 5.3-6.4 нм для фульвокислот и 9.4-10.7 нм для гуминовых кислот перенос этих соединений в клеточных стенках будет сильно затруднен. Переносу будут мешать:

•  фиксация крупных молекул гуминовых веществ на поверхностях каналов в клеточной стенке, уменьшающая эффективный диаметр пор;

•  отрицательный заряд, существующий в клеточной стенке и вызывающий ионную эксклюзию отрицательно заряженных молекул ГВ;

•  эффективное связывание с компонентами клеточной стенки за счет многочисленных водородных и гидрофобных взаимодействий.

Перенос гуминовых веществ через клеточную мембрану фактически невозможен, так как пассивный транспорт через поры в мембране затруднен даже для гидратированных ионов К + диаметром 0.34 нм, а облегченная диффузия и активный транспорт являются субстат-специфическими процессами.

ПРЕДЛАГАЕМ ТЕОРИЮ ПРОНИКНОВЕНИЯ ГУМИНОВОГО ВЕЩЕСТВА ЧЕРЕЗ КОРНИ И ВЕГЕТАТИВНУЮ МАССУ РАСТЕНИЯ

Если говорить о механизме переноса молекул гуминовых веществ внутрь клетки, то можно предложить путь поступления гуминовых веществ в клетки, основываясь на теории переноса и внутриклеточного переваривания крупных молекул и частиц, предложенной Кристианом де Дювом (1964). Но этот путь переноса исключает, что принципиально важно, непосредственный контакт молекул гуминового вещества с компонентами клетки. Захват клетками крупных молекул гуминовых веществ осуществляется в результате эндоцитоза, дальнейшее их переваривание происходит в пищеварительных вакуолях, образующихся после слияния эндоцитарных пузырьков с лизосомами. Все основные классы биополимеров, входящих в «периферическую часть» молекул гуминовых веществили нековалентно захваченные ими (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды) разлагаются ферментами, содержащимися в лизосомах. Образующиеся в результате ферментативного гидролиза аминокислоты, сахара, нуклеотиды диффундируют в цитоплазму и включаются в метаболические процессы. Непереваренные остатки гуминовых веществ (в основном, «ядерная часть») выводятся из клетки в ходе экзоцитоза. Данное предположение мы попытаемся дополнить на основании знаний химии, биохимии растений, физиологии и других науках в области растениеводства и почвоведения.

Через корневую систему молекулы гуминовых веществ, проникают следующим образом: молекула гуминового вещества, попадая в почвенный раствор, а затем и в почвенно-поглощающий комплекс (ППК), начинает «делится» на составляющие. Химические элементы и соединения, связанные с ядром гуминового вещества, начинают разрывать свои химические связи и образовывают легкодоступные формы химических соединений для растения (органические кислоты, азотсодержащие вещества, слабые кислоты, основания, полисахариды и др.). Разорвав химические связи, ядро гуминового вещества становится меньше по размеру и молекулярной массе. Попадая в клетку ядро гуминового вещества начинает разрывать все слабые химические связи. Оно как магнит начинает притягивать к себе остатки кислот, щелочей, органических соединений (белков на начальной стадии формирования) так же металлов и как не странно воды.

Те химические вещества, которые образовались при делении гуминового вещества на входе в клетку корня, приобретают функцию биофильтра для растения. Этот биофильтр «защищает» растение от попадания в него токсинов различного происхождения. Будь то тяжелые металлы, радионуклеиды, а так же химические соединения, которые могут пагубно повлиять на развитие клетки – дома гуминового ядра. Эти «солдаты» по команде ядра доставляют в растение питательные вещества, макро- и микроэлементы в нужном количестве. Это своего рода «руки», которым дает команду «мозг» для выполнения того или иного задания. НПО «Биотехнология», проведя ряд исследований и практических опытов, пришла к выводу, что только именно та норма внесения по препарату, которую рекомендует она, будет благотворно влиять на растение. Исходя из этого, можно сделать вывод, что гуминовое вещество является сильнейшим катализатором для процессов обмена веществ между ППК почвы и растением. Излишнее количество гуминовых соединений, будет угнетать растение. Так как гуминовое вещество является аккумулятором всех питательных веществ, находящихся в почве. Оно будет химически связывать элементы питания, и не будет отдавать их из-за образования в этом случае сильных кулоновских связей. При оптимальном внесении препарата биогумус «Донской», будет достигнут наивысший результат. Гуминовые соединения обладают некоторыми специфическими особенностями. Но именно гуминовые соединения, выделенные из питательного субстрата, при помощи червей обладают такими свойствами. Такие свойства присущи только биогумусу, полученному при прохождении через желудок червя. Но не полученной в результате химической вытяжки кислотами и щелочами. Специфические особенности заключаются в химической способности ядра гуминовых веществ растворять и преобразовывать нерастворимые и недоступные формы питательных веществ, в особенности фосфора и калия. Они как «отбойный молоток» бьют в такие соединения и вопреки всем законам химии не растворяют, а «разбивают» сложные химические соединения фосфора и калия. Существует закон минимума и максимума. Смысл законов в следующем: не возможно существование одного химического элемента без другого. Отсутствие азота и его соединений ведет к торможению процессов роста растения, торможению функций образования белков и углеводов, следствие – низкая морозостойкость растений из-за низкой концентрации клеточного сока, отставание в росте, снижение урожайности и т.д. Дефицит фосфора – причина малого количества генеративных органов, их недоразвитость или что хуже всего, их отсутствие. Нарушение питания соединениями фосфора влечет за собой резкий упадок урожайности культур. Дефицит калия влечет за собой нарушение функций засухоустойчивости, морозостойкости, а так же влияет на устойчивость растений к весенним заморозкам.

Каждый элемент в отдельности рассматривать нельзя. Все три элемента являются основополагающими при образовании молекул белков. Это в будущем повлияет на формирование наследственности и структуру молекулы ДНК. С обменными процессами между клетками корневой системы растения и ППК почвы мы более менее разобрались. Теперь обсудим теорию проникновения молекулы гуминового соединения через листовую поверхность растения.

Основа теории проникновения гуминовых соединений через листовую поверхность заключается в уникальной способности растений к фотосинтезу. Растения превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах, из которых важнее всего шестиуглеродный сахар – глюкоза. Это процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. У наземных растений все неорганические соединения за исключением СО 2 поступают через корни. СО 2 растения получают из атмосферного воздуха, в котором его концентрация составляет 0,03%. Углекислый газ поступает в листья, а кислород выделяется из них через небольшие отверстия в эпидермисе, которые называются устьицами. Открывание и закрывание устьиц регулируют особые клетки – их называют замыкающими – тоже зеленые и способные осуществлять фотосинтез. Когда на замыкающие клетки падает свет, в них начинается фотосинтез. Накопление его продуктов, вынуждает эти клетки растягиваться. При этом устьичное отверстие открывается шире и СО 2 проникает к нижележащим слоям листа, клетки которых теперь могут продолжать фотосинтез. Устьица регулируют и испарение воды, так называемую транспирацию, поскольку большая часть водяных паров проходит именно через эти отверстия.

Основываясь на вышеизложенном, углекислый газ и вода образуют слабоконцентрированную угольную кислоту. Гуминовое вещество, попадая на поверхность листа, под действием слабоконцентрированной угольной кислоты начинает слабое химическое «дробление» на составные части. При этом образовываются молекулы химических соединений по размерам меньше чем гуминовое вещество. Маленький размер и маленькая молекулярная масса позволяют этим химическим элементам проникать внутрь клетки и вступать в различные химические реакции. Ядро гуминового вещества, отдавшее все свои химические составляющие, под действием пока необъяснимых сил, проникает внутрь клетки. Дальнейшая её функция будет зависеть от присоединенных ею химических веществ, полученных в процессе фотосинтеза.

Так или иначе, молекула гуминового вещества является стимулятором, катализатором и буферным химическим веществом в жизни растения.

Общепринятая классификация гуминовых веществ основана на различии в растворимости в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации, гуминовые вещества подразделяют на три составляющие: Гумин – неизвлекаемый остаток, нерастворимый во всём диапазоне pH ; гуминовые кислоты – фракция, растворимая при pH > 2; фульвокислоты – фракция, растворимая во всём диапазоне pH . Гуминовые вещества являются продуктом стохаотического синтеза, что обуславливает нестехиометричность их состава и нерегулярную гетерогенную структуру. Каждая молекула гуминового вещества индивидуальна, возможно, лишь гипотетически представить фрагмент, дающий возможность составить некоторое мнение о строении молекулы.

Препарат Научно – Производственного объединения «Биотехнология», является ростостимулирующим регулятором физиологических процессов в растении, сам не служит источником питания. Его основная функция заключается в повышении коэффициента использования сельскохозяйственными культурами элементов, как из почвы, так и из всевозможных минеральных удобрений. Препарат служит трансформирующим звеном между питательными веществами и растением. Химическими формулами этот процесс описать не представляется возможным, так как химическая формула, вещества содержащего гуминовое ядро, не имеют постоянного химического строения. Данное свойство гуминового соединения объясняет такое понятие как таутомерия. ТАУТОМЕРИЯ , изомерия, при которой происходит быстрое обратимое самопроизвольное взаимопревращение структурных изомеров-таутомеров. При установившемся равновесии вещество содержит одновременно молекулы таутомеров в определенном соотношении. Процесс такого взаимопревращения таутомеров называется - таутомеризацией. Она протекает с обязательным разрывом одних химических связей и образованием других связей между атомами одной молекулы (внутримолекулярная таутомерия ) или агрегата молекул (межмолекулярная таутомерия ). Кроме того, гуминовые вещества являются источником поступления в почву макро- и микроэлементов, необходимых для роста и развития растений. Надо отметить, что в сельскохозяйственной практике в настоящее время одновременно с замачиванием семян применяются ещё корневые и внекорневые подкормки, что в комплексе увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур.

Гуминовое вещество состоит из поли-бета-гидроксимаслянной кислоты (ПГБ). Эмпирическая формула ПГБ: (-С 4 Н 6 О 2 - ) n n ? 60. Молекулярная масса ПГБ составляет 58-62 ? 10 3 Дальтон, плотность 1,25 г/см 3 . Количество ПГБ, накапливаемое в бактериальных клетках, может достигать 90 % биомассы. Первой бактерией, у которой в 1927 году была выделена и химически идентифицирована данная кислота, явилась Bacillus megaterium . Кроме этого вида бактерий ПГБ содержится также в: Pseudomonas , Rhizobium, Azotobacter, Ralstonia , Rhodococcus , Klebsiella . Полигидроксимасляная кислота – естественный биополимер, имеющий формулу:

Гуминовые кислоты – вещества очень сложного строения, практически не растворимы в воде за исключением небольшой их части называемой фульвокислотами. Вследствии плохой растворимости в воде биологическая активность природных гуминовых кислот очень мала. Именно по этому для обеспечения плодородия содержание гумуса в почве должно быть достаточно большим. Однако обработка гуминовых кислот щелочами переводит их в водорастворимые соли гумата натрия и калия. Воздействие гуматов на все стадии роста и развития растений многогранно.

Установлено множество факторов воздействия гумата, каждый из которых независимо от других приводит к определённому результату. Рассмотрение этих факторов начнем с простой системы ГУМАТ – ВОДА . В интервале концентрации гумата 0,005-0,009 % (а именно эта концентрация рекомендована НПО «Биотехнология») отмечается расширение сигнала кислорода молекулы воды с 52,7Гц до 103Гц., что свидетельствует о структурировании воды, а это говорит, в свою очередь, о придании гуматами воде структуры, характерной для «талой воды». А «талая вода» обладает целебным воздействием на живые организмы и растения. Кстати, как известно, вода в тканях человека также имеет структуру «талой».

Система ГУМАТ – РАСТЕНИЕ характеризуется двумя независимыми явлениями, имеющими чрезвычайно важное значение для роста и развития растений. Первое явление – это рост энергетики клетки и связанная с ним интенсификация обменных процессов. Природа позаботилась о строении гуминовой кислоты, таким образом, что сопряжённые электроны способны к захвату кванта солнечной энергии с переходом на более высокие энергетические уровни, её накоплению и отдаче клетке в нужный момент.

Это приводит к тому, что:

•  ускоряется развитие корневой системы;

•  повышается устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды (засуха, заморозки и т.д.);

•  способствует усвоению азота без образования нитратов;

•  ускоряется синтез хлорофилла, сахаров, витаминов, аминокислот и т.д.

Второе явление – это увеличение проницаемости клеточной мембраны. Это облегчает попадание питательных веществ внутрь клетки и ускоряет процесс дыхания растений. Необходимо отметить, что это явление весьма избирательно – например, проницаемость ионов калия увеличивается на два порядка, а ионов натрия на один. Это подтверждается устойчивостью растений ярового ячменя к засушливым условиям весны 2007 года. Яровой ячмень был обработан в фазу кущения в норме 5 л/га. Растение имеют более здоровый и зелёный вид. И к тому же почва, в посевах ярового ячменя, после месяца вегетации не потрескалась и очень влажная, хотя весной 2007 года посевы испытывали недостаток влаги. Посев проводился с 14.03.2007г. по 25.03.2007г. (Данные КФХ «Грибенникова»)

Особенно большое многообразие явлений наблюдается в системе ГУМАТ-ПОЧВА. Гуминовые кислоты – это природные комплексообразователи. Все полезные микроэлементы, являясь металлами с переменной валентностью, образуют хелатные формы комплексы с гуматами, что является решающим фактором для питания растений. Что касается таких тяжёлых металлов, как свинец, ртуть, хром, кадмий, попадания которых в плоды, а затем в организм человека и животных приводит к серьёзным заболеваниям, то с ними гуматы образуют нерастворимые соединения и создают тем самым преграду для их проникновения в клетку.. Не менее важное значение имеет способность гумата связывать в комплексы ионы железа и алюминия, избыточное количество которых в почве губительно сказывается на питании растений фосфором. При этом железо образует комплексы с гуматами, обеспечивающие транспортировку его в растения, а алюминий связывается в нерастворимое соединение, таким образом, его вредное влияние на фосфаты нейтрализуется. Гумат нейтрализует негативное влияние остаточных количеств пестицидов, обеспечивая тем самым и урожайность, и экологическую чистоту продукции. Для стран с холодным и умеренным климатом существенное значение имеет способность гумата окрашивать почву в тёмный цвет. Формируя окраску, гуматы изменяют тепловой режим почвы. Например, холодные глинистые почвы становятся теплее.

Выше уже отмечалась важная роль взаимодействия гуматов с металлами, приводящего к образованию комплексов или нерастворимых солей. Оказалось, что этот процесс важен не только для растений, но и для структурирования почв. Гумат, реагируея с кальцием, магнием, алюминием и железом, всегда присутствующими в почве образует органоминеральные мостики, связывающие механические частицы почв в некую структуру, способную противостоять эрозии, удерживать влагу и воздух, создавать благоприятную среду для жизнедеятельности микроорганизмов.

Надо иметь в виду, что молекулы гуматов, вошедшие описанным выше образом в почвенную структуру, содержат большое количество функциональных групп, способных к ионообменным реакциям. Поэтому в их присутствии резко возрастает обменная ёмкость почв.

Гуматы в почве – это кладовая, где хранится запас питательных веществ, выдаваемых растению по мере его потребности в них.

Так в 2005-2006 годах был заложен опыт по применению препарата биогумус «Донской» жидкий. Данные приведены в таблице №1.

Таблица №1

Цель эксперимента – определить влияние применения биогумуса «Донской» на урожайность зерновых культур. Описываемый эксперимент проводился на поле общей площадью 40 гектар на яровом ячмене. Поле, по данным прошлых лет, имело урожайность по ячменю 14-15 ц/га. Предшественник – подсолнечник.

Характер почвы – чернозем обыкновенный малогумусный тяжелосуглинистый. Расположение поля – относительно ровное, вытянуто с севера на юг.

Характер погодных условий в целом благоприятный. Осадки были, и практически вовремя.

Сорт испытуемого ячменя – «Зерноградский 813», третья репродукция. Норма высева 230 кг/га.

Из данных таблицы можно сделать вывод, что применение препаратов на основе содержания гуминовых соединений наиболее эффективно в комплексе с минеральными удобрениями. Но такое комплексное применение двух на первый взгляд несочетаемых по происхождению веществ даёт очень хороший эффект. Повышение нормы внесения биогумуса не дало ожидаемого результата. Вывод – только оптимальное количество внесенного препарата обеспечивает наиболее максимальный урожай.

Проведенные после уборки анализы семян с каждого участка на посевные качества указывают на такую же закономерность.

Биофизическое действие гуминовых веществ на живые организмы обусловлено тем, что молекулы гуминовых веществ и высокомолекулярные остатки их внутриклеточного переваривания локализуются в клеточных стенках или в слое, непосредственно примыкающем к цитоплазматической мембране. Таким образом, на поверхности живой клетки возникает подобие активного ажурного фильтра, способного выполнять следующие функции:

•  перехватывать ионы тяжелых металлов, связывая их в устойчивые комплексы хелатного типа;

•  перехватывать молекулы ксенобиотиков;

•  связывать свободные радикалы, образующиеся в плазматической мембране, в результате перекисного окисления липидов.

Способность гуминовых кислот связывать разнообразные токсиканты хорошо известна. Однако в многочисленных исследованиях защитное действие гуминовых кислот описывается реакциями, протекающими только в растворе или на границах раздела фаз. Мы полагаем, что в реальных почвенных условиях клеточные стенки микроорганизмов и корней высших растений постоянно пропитаны гуминовыми веществами, и именно эти фильтры являются важным барьером на пути поступления токсикантов внутрь живой клетки.

Общим результатом описанных взаимодействий гуминовых веществ с живыми клетками является высвобождение энергии, которая вместо того, чтобы расходоваться на компенсацию неблагоприятных воздействий внешней среды, может быть затрачена клеткой на рост и размножение, что в конечном итоге приводит к усилению конкурентоспособности данного организма, как на уровне популяции, так и при межпопуляционных отношениях. Вероятно, самым интересным в затронутой проблеме биологического действия гуминовых веществ, является исследование возможности передачи гуминовых веществ или продуктов их трансформации по трофическим цепям или от родителей потомству, и закрепления приобретенных под действием гуминовых веществ признаков в ДНК, т.е. речь, в конечном итоге идет об эволюционной необходимости гуминовых веществ в биосфере.

Данное предположение имеет под собой почву. Опыт, проведённый в Ростовской области Октябрьский сельский район в КФХ «Грибенникова С.А.» в 2005-2006 годах, показал что, озимая пшеница, посеянная 10.09.05 г. по яровому ячменю, имела более развитую корневую систему. Кроме этого вегетативная масса была меньше чем у полей посеянных в более ранние сроки и имела всего 3-5 листьев, но корневая система начала отрастать раньше и более интенсивней. На 15.03.06 г. у пшеницы, посеянной в более ранние сроки и имеющей полную фазу кущения, рост корневой системы не наблюдался. Напротив, у полей, посеянных в период с 10.09.05 г. по 15.09.05 г., кущение находилось в начальной фазе, но корневая система имела от 2 до 5 молодых корней.

Посев озимой пшеницы сорт Северодонская 12 2 репродукции на полях с более поздним сроком сева проводился с предпосевной обработкой семян биогумусом «Донской» НПО «Биотехнология». Кроме этого почва после уборки ярового ячменя обрабатывалась наземным штанговым опрыскивателем биогумусом «Донской» в норме 5л/га с немедленным заделыванием в почву при помощи дискового орудия типа БДМ на глубину не более 5- 6 см .

В заключении хочется отметить, что перечисленные факторы не являются результатом только теоретических предпосылок, а все без исключения подтверждены экспериментально в полевых опытах КФХ «Грибенникова». Во всех случаях наблюдался определённый суммарный эффект, выраженный в прямом увеличении урожая, повышении качества сельхоз продукции и её экологической чистоты.

Александр Жуков главный агроном КФХ”Грибенников С.А.”

ООО НПП "Биотехнология"

Оглавление