Влияние кремниевых соединений на свойства почвы и растений

«ГлавАгроном» продолжает цикл статей о важности кремниевых удобрений в системе «почва-растение». В рамках Национальной научно-практической конференции с международным участием «Кремний и жизнь. Кремнистые породы в сельском хозяйстве» доктор биологических наук Института фундаментальных проблем биологии РАН Владимир Матыченков рассказал о влиянии кремниевых соединений на свойства почвы, на рост и развитие растений.

Монокремниевая кислота относится к категории активных кислот, может взаимодействовать со множеством элементов и, прежде всего, с металлами и металлоидами. Отсюда и возникают ее разнообразные свойства. Внесение кремния и кремниевых удобрений влияет на:

• pH почвы;
• устойчивость органического вещества;
• содержание и подвижность фосфора, алюминия, железа.

В последнее время особое внимание уделяется тяжелым металлам.

При внесении активных форм кремния повышается содержание доступного для растений фосфора. Учеными было выдвинуто несколько гипотез.

Согласно гипотезе Аскинази, монокремниевая кислота может вытеснять фосфат анионы из фосфатов кальция, железа или алюминия.

По второй гипотезе установлено, что монокремниевая кислота может инициировать конкурирующую реакцию с катионами кальция, магния, железа и тем самым опосредованно влиять на растворимость фосфатов.

Взяв за основу химические реакции, ученые провели термодинамические расчеты, которые показали, что если в систему кальция, алюминия, железа, магния и фосфата добавить монокремниевую кислоту, то растворимость фосфатов (в части содержания фосфора) резко увеличивается.

Чтобы доказать этот факт, ученые провели исследования в основе которых была карбонатная (с высоким содержанием кальция и калия) почва. Выбор карбонатной почвы был обусловлен тем, что именно калий и кальций фиксируют фосфор и делают его недоступным для растений. Ученые произвели инкубацию с монокремниевой кислотой, с фосфорным удобрением, и со смесью фосфорного удобрения (двойного суперфосфата) с кремниевой кислотой.

После месячной инкубации был определен фракционный состав фосфора в почве.

В 1, 2, 3, 4 фракции, т.е. это фракции, которые обеспечивают фосфорное питание растений, имелось увеличение содержания фосфора в этих фракциях. Во фракции 5, а также в категориях неизвлекаемого фосфора, содержание фосфора резко снизилось.
Таким образом, ученые подтвердили предположение. Помимо термодинамических исследований и инкубационных исследований, были проведены полевые испытания, в ходе которых было доказано, что при внесении кремниевых удобрений резко повышалось фосфорное питание растений.

Есть масса данных, которые подтверждают, что:

• кремний снижает токсичность алюминия для растений, животных, человека;
• алюминиевая токсикация является основным фактором снижения урожайности на кислых почвах;
• кислые почвы — это результат десиликации почвообразующих пород.

Использование фосфорных удобрений и пестицидов привело к загрязнению огромных территорий сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами, то есть фактически все почвы Западной Европы, США, Латинской Америки, Китая и Индии загрязнены в той или иной степени тяжелыми металлами, которые оказывают негативное воздействие на жизнь и здоровье людей. В связи с этим возникла необходимость разработки технологии управления тяжелыми металлами в почве.

Если брать за основу разработки теоретические знания, эффектность кремниевой кислоты на подвижность тяжелых металлов в почве двоякая. С одной стороны, монокремниевая кислота может увеличить подвижность тяжелых металлов, с другой — снизить.

В первом случае увеличение подвижности тяжелых металлов происходит в связи с образованием водорастворимых комплексов между монокремниевой кислотой и тяжелыми металлами. А снижение растворимости идет в результате образования малорастворимых силикатов тяжелых металлов.

Для того чтобы разобраться, какая реакция идет в одном направлении, а какая в другом, ученые провели эксперимент на песчаных почвах, где вносились разные дозы монокремниевой кислоты. Какие выводы удалось получить?

Растворимость или подвижность тяжелых металлов резко возрастала при изначальном внесении небольших доз монокремниевой кислоты. Однако при дальнейшем внесении монокремниевой кислоты в почву происходило резкое снижение подвижности тяжелых металлов.

В результате были сделаны выводы, что за счет разной дозы монокремниевой кислоты можно управлять подвижностью тяжелых металлов в почве.

К примеру, если необходимо повысить растворимость тяжелых металлов (а это очень часто нужно при проведении фиторемедиации), следует добиться минимальной концентрации монокремниевой кислоты в почве. Если перед производителем стоит задача — предотвратить загрязнение сельхозпродуктов тяжелыми металлами, то упор следует делать на добавление в почву высококонцентрированных доз монокремниевой кислоты.

В связи с этим возникла необходимость провести градацию почв по дефициту и доступному для растений кремния. Ученые сделали такую градацию на основе водорастворимого и кислоторастворимого кремния, после чего выделили четыре уровня.

При внесении кремниевых удобрений растения развиваются намного лучше. Этот факт был подтвержден многочисленными исследованиями. В связи с этим возник вопрос, какая же основная функция кремния в растениях?

То, что азот очень нужен для биомассы растений, калий  для роста растений, фосфор — для энергии, известная всем информация. А вот для чего нужен кремний — знают и понимают немногие.

Если растения растут в идеальных условиях, которые зачастую создаются для проведения опытов, то по понятным причинам внесение кремниевых удобрений не увеличивает урожайность растений. Однако в реальной жизни говорить о каких-то идеальных условиях для роста и развития растений не приходится. Всегда есть какие-либо стрессовые, негативно влияющие факторы, поэтому вносить кремниевые удобрения и нужно.

У растений, не получающих достаточного количества кремния, не происходит образование эпидермального слоя, способного предотвращать грибные заболевания.

Кремний активизирует рост корней за счет образования корневого чехлика с возможностью образовывать хорошо развитую корневую массу.

Наличие монокремниевой кислоты в почве влияет на содержание пигментов в листьях растениях.

Климатические изменения последних лет продемонстрировали усиление засух в различных регионах, включая Россию. А применение кремниевых удобрений позволяет повысить засухоустойчивость растений.

За счет какого механизма улучшения кремниевого питания позволяет растениям сопротивляться нехватке влаги?

При поглощении растениями кремния, большая его часть из монокремневой кислоты переходит в поликремниевую кислоту, а поликремниевые кислоты  это гели, способные удерживать атомы воды. Ученые определили, что один атом кремния приблизительно может удержать до 100-140 атомов воды.

В результате этого применение кремниевых удобрений позволяет снизить до 50% расходов на орошение культуры, не влияя на биомассу растений.

Опыты на горохе показали, что при внесении кремниевых удобрений, растения могут сопротивляться солевой токсичности. На основании разработанного учеными Института фундаментальных проблем биологии РАН метода было показано, что кремний влияет на транспорт натрия в апопласте.

Именно кремний препятствует транспорту натрия по апопласту, то есть идет упрочнение мембран именно в апопластах проводящей системы.

Еще более интересные данные были получены в ходе проведения вегетационного эксперимента с рисом и различным уровнем кадмиевых загрязнений. После выращивания в нормальных условиях растения помещались на одну неделю в раствор с различным содержанием кадмия и кремния, после чего определялась динамика содержания кадмия в апопласте и симпласте растений.

В ходе опыта удалось выяснить, что растения имеют свой механизм, препятствующий движению тяжелых металлов от корней к листьям. Однако этот механизм не достаточно сильный, чтобы противостоять чрезмерно высоким концентрациям тяжелых металлов. Только присутствие монокремниевой кислоты позволяет усилить этот защитный механизм. В симпласте за счет улучшения кремниевого питания транспорт кадмия от корней к листу резко уменьшается. 

Первый эксперимент, проведенный учеными с цветной капустой и тлей, показал, что при внесении кремния в качестве биостимулятора (именно не в почву, а на лист), отмечалось резкое снижение количества тли на растениях.

При опрыскивании растений монокремниевой кислотой уровень болезни ​​​​​​​снижался в 2,9 раз, а уровень атак насекомых-вредителей уменьшался вдвое.

Может ли это влиять на антиоксидантную систему? Поскольку любой стресс связан с окислительно-восстановительным балансом растительной клетки.

Для определения этого критерия ученые провели еще один эксперимент на пшенице путем установления для ее роста низкотемпературного режима. Внесение монокремниевой кислоты увеличивает биомассу, содержание пигментов в листьях растений, однако одновременно с этим происходит снижение тиобарбитуровой кислоты в клетках листьев растений, таким образом, растения, обработанные монокремниевой кислотой, испытывают меньше стресса. Но уже при низких температурах эффективность монокремниевой кислоты снижается —  растения испытывают стресс.

Ученые изучали концентрацию — различность оксидантов. Выяснилось, что для аскорбатпероксидазы монокремниевая кислота увеличивает содержание этого фермента именно в условиях без мороза. При низких температурах уже эффективность аскорбатпероксидазы снижается.

Установлено, что монокремниевая кислота в большей степени влияет на другие антиоксиданты. Их концентрация резко была увеличена в условиях низких температур и в условиях обработки растений монокремниевой кислотой, то есть таким образом растения имеют множество механизмов, которые обусловлены активными формами кремния.

Ученые применили схему универсального вспомогательного механизма защиты растений с использованием подвижных соединений кремния.

Известно, что когда стресс действует на растительную клетку, то сигнал идет в клеточное ядро, которое инициирует синтез стресс-ферментов при помощи рибосомы и транспортных РНК. Но одновременно с этим ядро дает команду на дополнительный транспорт кремниевых кислот, в частности поликремниевых кислот в клетку, которая подвержена стрессу. А поликремниевые кислоты имеют возможность специфического синтеза любых органических веществ на ее поверхности. В результате этого синтеза без расхода энергии могут образовываться те же самые стресс-ферменты. Таким образом, растения сохраняют энергию, а если внести биостимуляторы до стресса, начинают производить стресс ферменты еще до момента возникновения этого самого стресса.

Активные формы кремния очень важны, когда рассматривается этот цикл в системе «почва-растение». Именно этот цикл обеспечивает основное массовое движение кремниевых соединений.

Ученые подсчитали, что живые организмы планеты содержит около 3 млрд. т кремния. Основной цикл формирования кремния происходит за счет наземных растений, эффективно вовлекающих кремний в биологический круговорот. Ежегодное вовлечение кремния составляет от 300 до 600 млн т, а ежегодный вынос кремния с урожаем составляет 210-270 млн. т. Причём этот ежегодный вынос намного выше, чем у азота, фосфора и калия.

Все исследования позволили ученым сделать следующие выводы:

• Кремний и его соединения играют важную роль в формировании почвенного плодородия влияя, как на химические, так и на физические свойства почв.
• Внесение других питательных элементов, таких как: азот, фосфор, калий, приводит к снижению почвенного плодородия, в то время как кремний наоборот — способствует повышению плодородия и улучшению микробиологического состава почвы.
• Разработана классификация почв по уровню дефицита активных форм кремния, которая может быть использована при применении кремниевых удобрений и почвенных мелиорантов.
• Выявлено, что основной функцией кремния в жизни растений является обеспечение максимальной эффективности природной иммунной системы, которая создается сразу несколькими механизмами.
• Биохимическая активность кремния в системе почва-микроорганизмы-растение превышает биохимическую активность основных питательных элементов (азота, фосфора, калия).
• Оценки объемов и интенсивности кремниевого цикла в природных и антропогенных системах позволяют сделать вывод, что во многих случаях нехватка доступного для растений кремния является лимитирующим фактором продуктивности экосистемы и ее экологической устойчивости.