Проблема нитратов в полевом растениеводстве и овощеводстве

Проблема нитратов в полевом растениеводстве и овощеводстве

Российский Государственный Аграрный Университет - МСХА

имени К.А.Тимирязева. Агрономический факультет

Кафедра Физиологии растений

РЕФЕРАТ

Проблема нитратов в полевом растениеводстве и овощеводстве

Выполнила студентка 203 группы

Агрономического факультета

Еремина Юлия

Москва 2012

Содержание

Введение

. Токсичность нитратов в питании человека и животных

. Механизм трансформации нитратов в тканях растений

. Нитратредуктаза как ключевой фермент в восстановлении нитратов

. Причины накопления нитратов в растениеводческой продукции

. Пути снижения накопления нитратов в органах растений

Вывод

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время в результате увеличения антропогенной нагрузки на экосистемы одной из важнейших проблем стала проблема нитратов. Нитратный азот - один из источников азотного питания растений; но повышенный уровень нитратного азота в различных природных компонентах не только снижает их биологическую ценность, но и оказывает через них негативные последствия на организм человека и животных.

Нитраты - часть всех наземных и водных экосистем, т.к. процесс нитрификации, ведущий к образованию окисленной неорганической формы азота, имеет глобальный характер: в почве и природных водах находятся нитрифицирующие бактерии Nitrobacter и Nitrosomonas. В то же время с ростом интенсификации производства вообще и азотных удобрений в частности, поступление неорганических соединений азота в природные воды, растения, а следовательно, и в организм человека все возрастает.

Нитраты неравномерно распределены по органам и тканям растений, поэтому, зная специфику их накопления и распределения в растении в стадии товарной зрелости, можно оценить степень их использования в питании человека и животных.

1. Токсичность нитратов в питании человека и животных

Нитраты - это соли азотной кислоты, которые накапливаются в продуктах и воде при избыточном содержании в почве азотных удобрений. Нитраты, попадая в человеческий организм с растительной пищей, восстанавливаются до нитритов, которые приводят к образованию метгемоглобина и нарушению транспортной функции крови, а также угнетению нервной системы и процессов тканевого дыхания. Исследователями США, Германии, Чехословакии, России установлено, что нитраты и нитриты вызывают у человека метгемоглобинемию, рак желудка, отрицательно влияют на нервную и сердечнососудистую системы, на развитие эмбрионов. Хроническое отравление нитратами опасно тем, что восстанавливающиеся из них нитриты соединяются с аминами и амидами любых доброкачественных белковых продуктов и образуют канцерогенные нитрозамины и нитрозамиды, обладающие мутагенной активностью. Нитрозамины токсичны и канцерогенны в присутствии дополнительных ферментных систем, которые всегда имеются в организме человека и животных, а нитрозамиды проявляют эти свойства даже без дополнительной метаболизации и поражают кроветворную, лимфоидную, пищеварительную системы. Нитрозамины на ранних стадиях отравления подавляют иммунитет.

Метгемоглобинемия - это кислородное голодание (гипоксия), вызванное переходом гемоглобина крови в метгемоглобин (при связывании с нитритами), неспособный переносить кислород. При содержании метгемоглобина в крови около 15% появляется вялость, сонливость, при содержании более 50% наступает смерть, похожая на смерть от удушья. Заболевание характеризуется одышкой, тахикардией, цианозом, в тяжелых случаях - потерей сознания, судорогами, смертью.

Восстанавливают нитраты в нитриты различные микроорганизмы, заселяющие преимущественно кишечник. Степень восстановления нитратов зависит от количества нитратов в продуктах и условий жизнедеятельности микроорганизмов. Для развития кишечной микрофлоры благоприятна слабощелочная и нейтральная среда.

Наиболее чувствительны к нитратам люди с пониженной кислотностью желудка: дети до года и больные гастритом и диспепсией. У таких людей микрофлора толстого кишечника может проникать в желудок, и тогда резко увеличивается процент восстановления нитратов по сравнению со здоровыми людьми.

К избытку нитратов в воде и пище наиболее чувствительны дети, особенно первого года жизни.

Противонитратные механизмы у ребенка формируются только к одному году.

Концентрация метгемоглобина в крови регулируется метгемоглобинредуктазой, восстанавливающая метгемоглобин в гемоглобин. Она начинает вырабатываться у человека только с трехмесячного возраста, поэтому дети до года, и особенно до трех месяцев, перед нитратами беззащитны.

Предельно допустимые концентрации нитратов в продуктах растениеводства

Для взрослого человека смертельная доза нитратов составляет от 8 до 14 г, острые отравления наступают при приеме от 1 до 4 г нитратов. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) установила допустимую суточную дозу 3,7 мг нитратов и 0,2 мг нитритов на 1 кг массы тела. Допустимая суточная доза нитратов для взрослого человека составляет 325 мг в сутки. В питьевой воде допускается содержания нитратов до 45 мг/л.

С водой взрослый может потребить около 68 мг нитратов. Следовательно, на пищевые продукты остаётся 257 мг нитратов. Исследования показали, что в пищевых продуктах токсическое действие нитратов проявляется слабее, чем их действие в питьевой воде.

При повышении дозы нитратов гораздо выше официально установленных пределов возникает нитратное отравление человеческого организма. Через 4-6 часов уже могут появиться признаки, указывающие на отравление нитратами:

. Тошнота, рвота, боли в животе;

. Посинение кожных покровов и видимых слизистых оболочек;

. Понос, часто с кровью;

. Увеличение печени, желтизна белков глаз;

. Сопровождается это всё общей слабостью, головокружением, болями в затылочной области.

Аналогичному токсическому действию нитратов подвержены и животные. При кормлении коров силосом, в килограмме которого содержался 21 г нитратов, в 1 л молока нитратов было около 800 мг. Даже при отсутствии нитратов в воде и пище суточное потребление такого молока людьми не должно превышать 1 стакана.

. Механизм трансформации нитратов в тканях растений

Растения способны усваивать из почвы нитраты, аммиак, аминокислоты и другие соединения азота, но основным источником азота для растений в основном являются нитраты. Почти в течение всего вегетационного периода в почвах преобладают процессы нитрификации: аммиак, образовавшийся в результате распада органических веществ или внесенный с удобрениями, превращается в нитраты. Необходимо отметить, что свободный аммиак ядовит для растений и поэтому обычно при питании аммонийными солями растения не накапливают свободный аммиак в тканях, а сразу же используют его на синтез аминокислот, белков или амидов, или же окисляют до нитратов, чтобы предотвратить отравление. Нитраты же могут накапливаться в растениях для дальнейшего использования в процессах ассимиляции. Так как исходное вещество для синтеза органических соединений - это аммиак, в растительных тканях нитраты восстанавливаются до нитритов и затем до аммиака:

HNO₃ + 8H⁺ + 8e^- NH₃ + 3H₂O

Процесс идет ступенчато через ряд промежуточных продуктов и катализируется несколькими ферментами. Сначала с помощью нитратредуктазы нитраты восстанавливаются до нитритов, схематически это можно представить так (реакция протекает в цитозоле):

Образующиеся нитриты являются очень активными и потенциально токсичными ионами, поэтому они сразу транспортируются из цитозоля в лейкопласты, где с помощью нитритредуктазы восстанавливаются до гипонитритов H₂N₂O₂, далее - с помощью гипонитритредуктазы до гидроксимамина NH₂OH, и под действием гидроксиламинредуктазы образуется аммиак. Таким образом, схема восстановления нитратов представляется в следующем виде:

Ферменты нитратвосстанавливающей системы - индуцированные ферменты, т.е. они интенсивно образуются в растении после поступления большого количества нитратов или продуктов их восстановления.

Конечный продукт восстановления, как было выяснено Д.Н.Прянишниковым, является глютаминовая кислота и её амид-глютамин, который является также запасной, обезвреживающей аммиак формой. За счет процессов аминирования и дезаминирования возможен синтез различных органических кислот и аминокислот.

Восстановление нитратов и нитритов до аммиака представляет собой универсальный процесс: он происходит и в высших зеленых растениях, способных к фотосинтезу, и в выросших в темноте и потому лишенных хлорофилла так называемых этиолированных растениях, а также у грибов и бактерий.

. Нитратредуктаза как ключевой фермент в восстановлении нитратов.

Нитратредуктаза представляет собой гем- и молибденсодержащий флавопротеид, состоящий из двух полипептидных цепей (субъединиц), локализована в цитозоле. Фермент имеет центры связывания с НАД·Н₂ (НР некоторых растений биспецифичны и связываются и с НАДФ·Н₂) и нитратом. Для восстановления нитратов до нитритов требуется 2 протона и 2 электрона, которые доставляются восстановленными формами НАД·Н₂ и передаются на ФАД. Он восстанавливается, а НАД переходит в окисленное состояние. Затем электроны через геминовое железо передаются на молибден и далее на нитрат.

НР регулируется на различных уровнях: транскрипционном, трансляционном и пост-трансляционном. Первый уровень - это экспрессия соответствующих генов, что позволяет регулировать уровень нитрат- редуктазного белка в клетке. На пост-трансляционном уровне регуляция осуществляется за счет количества функционально активного белка НР и уровня активности НР, а также за счет доступности субстрата. Пост-трансляционная регуляция нитратредуктазы позволяет очень быстро изменять активность фермента в клетке с помощью обратимой инактивации, происходящей за счет блокировки потока е^- от гема на Мо-содержащий комплекс с помощью фосфорилирования Са²⁺-зависимой протеинкиназой и связывания НР с 14-3-3 белком. Регуляция на уровне транскрипции и обратимая инактивация фермента совместно позволяют растениям точно настраивать интенсивность ассимиляции нитрата в соответствии с конкретным состоянием.

Активность нитратредуктазы зависит от внешней концентрации ионов NO₃^ˉ : при выращивании растений на средах без нитратов её активность была низкой, но через некоторое время после внесения в питательную среду нитратов активность НР резко возрастала, наблюдалось новообразование, индукция синтеза фермента. Но НР-система не обладает безграничной способностью к восстановлению возрастающего потока нитратов: повышением доз азотных удобрений активность НР растет до определенного предела. На активность фермента также влияет свет: при освещении синим светом активность повышается; при низкой же освещенности - снижается, снижается они и при недостатке железа и молибдена.

Нитратредуктаза расположена на входе редукции нитратов и является лимитирующим ферментом включения нитратного азота в метаболизм растения, она во многом определяет скорость всего процесса восстановления. В свою очередь усвоение нитратов оказывает влияние на рост и продуктивность растений. Кроме того, нитратредуктаза может участвовать в образовании оксида азота (NO), являющегося компонентом сигнальной системы для связи между отдельными клетками и растениями.

По соотношению органического и минерального азота, поступающих с пасокой (ксилемным током) из корней растения можно разделить на три группы: 1. Высокоактивная НР локализована в корнях, где происходит восстановление нитратов и образование органических и азотсодержащих веществ, оттуда в надземную часть азот поступает в основном в органической форме; 2. НР в корнях низкоактивная, с ксилемным током транспортируются в основном нитраты, а их восстановление идет в листьях; 3. НР в корнях и листьях обладает одинаковой активностью, в составе пасоки обнаруживаются и нитраты, и органические соединения азота.

Локализация высокой нитратредуктазной активности в различных органах растения

. Причины накопления нитратов в растениеводческой продукции

Существует несколько путей образования и накопления нитратов с растениях:

ü    В результате чрезмерного потребления азота растением, когда поступление их преобладает над ассимиляцией

ü  При несбалансированном с другими макро- и микроэлементами азотном питании

ü  При снижении активности фермента нитратредуктазы

ü  При прорастании семян вследствие гидролиза белков и накопления аммония, который при окислении переходит в нитратную форму

Поступая в клетку, нитраты перераспределяются на два фонда: цитоплазматический (активный) и вакуолярный (запасной) и участвуют в обменных процессах с неодинаковой скоростью. Соотношение фондов сильно варьирует и изменяется в зависимости от многих факторов, в т.ч. от условий минерального питания и видовых особенностей растения: при азотном голодании синтез аминокислот проходит за счет запасных нитратов.

Пределы содержания нитратов в товарной части урожая сельскохозяйственных растений

Среди причин накопления нитратов в растении можно выделить следующие: видовая и сортовая специфика накопления нитратов; условия минерального питания; почвенно-экологические факторы. Часто они воздействуют комплексно, что усложняет прогнозирование содержания нитратов в продукции.

Видовая и сортовая специфика. Различные семейства высших растений аккумулируют различное количество нитратов. Например, больше всего накапливают редька белая, свекла столовая, салат, шпинат, редис; томаты, перец сладкий, баклажаны, чеснок, горошек отличаются низким содержанием нитратов. Одна из причин видовой специфики накопления нитратов - несоответствие размеров поглощения нитратов из почвы и ассимиляции, зависит от активности нитратредуктазы в разных органах. Накопление нитратов носит наследственно закрепленный характер. Другая причина видовых и сортовых различий - физиологическая спелость растения к моменту уборки: товарная зрелость зачастую наступает раньше физиологического созревания. С возрастом количество нитратов в растении снижается, т.к. в обмен включаются запасные резервы из-за снижения количества минерального азота в почве.

Видовые различия растений по накоплению нитратов часто обусловлены локализацией нитратов в отдельных органах растений. Уровень нитратов в черешках превышает в 1,5 - 4 раза их количество в листовой пластинке. Проводящие пучки содержат повышенное количество нитратов. Нитратов практически нет в зерне злаковых и много их в вегетативных органах (лист, стебель) и в сочных плодах овощных и бахчевых культур

Рассмотрим распределение нитратов в различных органах, частях и в целом растении.

Ø Арбуз. В мякоти плодов арбуза нитраты распределены равномерно, наибольшее их количество содержится в кожуре

Ø  Горох овощной. Наибольшее количество нитратов содержится в молодых плодах гороха. По стеблю их содержание растет снизу вверх. Листья содержат нитратов немного.

Ø  Гречиха. Наибольшим содержанием отличаются стебли растения, меньшим - листья, соцветия занимают промежуточное положение. Количество нитратов в стебле растет снизу вверх.

Ø  Дыня. Максимум нитратов - в семенной камере плодов.

Ø  Кабачок. Содержание нитратов в плодах уменьшается от плодоножки к верхушке, в семенных камерах их меньше, чем в мякоти или коре.

Ø  Капуста белокочанная. Больше всего - в верхушке стебля. Верхние листья кочана содержат в 2 раза больше нитратов, чем внутренние; внутренние и внешние литься содержат нитратов в 4,5 раза больше, чем средние. В жилке листа их в 2-3 раза больше, чем в пластинке. Количество нитратов убывает от основание к верхушке листа.

Ø  Картофель. В клубнях низкий уровень нитратов обнаружен в мякоти, в кожуре и сердцевине их содержится больше.

Ø  Кукуруза. Количество нитратов в стебле убывает от основания к верхушке. Нижние литься содержат их больше, чем верхние. Обертки початков содержат мало нитратов.

Ø  Морковь. В верхушке и кончике корнеплода нитратов много, в сердцевине их больше, чем в коре.

Ø  Овес. В стебле количество нитратов снижается к его верхушке, в нижних листьях больше, чем в верхних; метелке присутствуют в следовых количествах.

Ø  Пшеница озимая. Также, как и у овса. Наименьшим количеством нитратов отличается колос.

Ø  Свекла столовая. Высокое содержание нитратов - у верхушки корнеплода и в кончике корня, меньшее - в средней части корнеплода.

Ø  Ячмень. Листья содержат нитратов больше, чем стебли; ещё меньше их в корнях. В колосьях нитратов минимальное количество.

Итак, неравномерное распределение нитратов в растении объясняется низкой активностью нитратредуктазы в зонах их накопления, разной специализацией тканей, выполняющих транспортную или синтетическую функции, непропорциональным поступлением нитратов в запасной и активный фонды, скоростью их передвижения в сосудисто-проводящих системах к месту их восстановления и т.д.

Условия минерального питания. Растения накапливают нитраты при большом количестве минерального азота в почве или при несбалансированном питании основными элементами, когда нарушается нормальных ход ассимиляции нитратов. Например, фосфор косвенно способствует накоплению нитратов, т.к. влияет на активность нитратредуктазы. Но в одних случаях применение фосфорных удобрений приводило к снижению уровня нитратов, в других - к накоплению их. Калий участвует в процессах углеводного обмена и косвенно влияет на синтез белков. При совместном внесении азота и калия в растении растет содержание органического азота, а минерального (нитратов) - снижается; такая закономерность была обнаружена на пойменной почве с капустой, морковью и столовой свеклой. В то же время в других случаях применение калийных удобрений повышало содержание нитратов в растении. Одна из причин неоднозначного влияния фосфора и калия на накопление нитратов в растении - широкий спектр их доз, соотношений, а также различие запасов подвижных форм этих элементов в почве. Приведу два примера влияния несбалансированного питания:

. С естественного луга взяли образцы травы и проанализировали ее на содержание нитратов. Оказалось, что в образцах их находится больше предельно допустимых количеств. Но удобрения там никто не вносил. Однако питание растений оказалось несбалансированным и это привело к избытку нитратов.

. В опыте с черной смородиной изучали различные дозы минеральных удобрений - от отсутствия («нулевой контроль») до очень высоких в различных соотношениях. Но нитраты выше допустимых количеств были обнаружены контрольном варианте - без удобрений. А на делянках с высокими дозами удобрений, но в правильных соотношениях, получили самый большой урожай ягод без нитратов.

Почвенно-экологические факторы. Наибольшее влияние на содержание нитратов в растении оказывают влажность, свет, температура воздуха и почвы, а действуя в комплексе, перечисленные факторы усиливают или ослабляют друг друга. Интенсивное увлажнение почвы усиливает поглощение нитратов, а в сочетании с пониженными температурами приводит к избыточному их накоплению. Но с другой стороны, высокий уровень содержания нитратов в растении в засуху можно снизить поливами овощных культур: они стимулируют рост и частично вымывают нитраты из верхних горизонтов почв. Большему накоплению нитратов способствует также выращивание растений в затемненных условиях и при пасмурной погоде, когда затухает процесс фотосинтеза, являющийся донором электронов для восстановления нитратов наряду с дыханием. Увеличение же интенсивности света, достаточно низкие температуры и умеренное азотное питание приводят к снижению содержания нитратов в растении. При воздействии высоких температур увеличивается количество нитратов, т.к. снижается активность НР из-за снижения интенсивности фотосинтеза.

нитратредуктаза растение токсичность

5. Пути снижения накопления нитратов в органах растений

Пути регуляции содержания нитратов в растениях включают комплекс агрохимических, технологических, селекционно-генетических и санитарно-гигиенических мероприятий.

Выбор сорта. Сейчас известны сорта многих культур, содержащих минимальные количества нитратов. Зная особенности каждого сорта, можно существенно влиять на качество получаемого урожая.