НОВОСТИ

Иономика, или Основы современного агрохиманализа

ТЕГИ: ионная хроматография ионный гомеостаз удобрения эмиссионная спектроскопия

Виктор Швартау, член-корреспондент НАН Украины, доктор биологических наук

Людмила Михальская, младший научный сотрудник, Институт физиологии растений и генетики Национальной академии наук Украины

Развитие современных систем питания высокоурожайных сортов зерновых и других культур тесно связано с изучением тех механизмов, с помощью которых в системе «почва -растение» взаимодействуют отдельные ионы и их композиции, в том числе многокомпонентные. При внедрении высокоэффективных систем питания очень важно повысить усвоение макро- и микроэлементов. Это решается как созданием сортов с высоким уровнем усвоения макро- и микроэлементов, так и внедрением ряда агротехнических приемов. Среди них: разделение дозы элемента на несколько внесений; локальное внесение удобрений (эффективное, в первую очередь, для сортов пшеницы интенсивного типа и других видов растений с высокими уровнями толерантности к значительным концентрациям ионов, хорошо реагирующим на повышенные дозы удобрений);

  • внесение жидких удобрений в зону корневой системы культурных растений;
  • внекорневая подкормка;
  • интеграция систем питания и защиты посевов.

Важным компонентом при разработке систем питания растений и создании высокоэффективных удобрений является применение сложных физиологически сбалансированных препаративных форм.

Взаимодействие элементов питания является классической проблемой в агрохимии и физиологии растений. Известны множественные эффекты взаимодействия ионов в почве и в растениях. Существует сложная многоуровневая система взглядов на механизмы минерального питания и физиолого-биохимические и агрохимические эффекты действия (взаимодействия) неорганических ионов. Многочисленными работами, от Hoagland D.R. (1928) до Маrshner Н. (1995), сформирована концепция ионного гомеостаза - важного пути исследования механизмов питания растений и научной базы для создания физиологически эффективных удобрений, в том числе и комплексных. Различные подходы к исследованию механизмов питания растений имели целью установить и охарактеризовать действие каждого отдельного элемента (фактора). Интегральный подход мог бы согласовывать многочисленные взаимодействия неорганических/органических катионов/анионов - от антагонизма до синергизма.

Аналитические методы исследования ионного гомеостаза

К современным методикам анализа ионного гомеостаза предъявляются такие требования:

  • определение обширного перечня ионов;
  • низкая стоимость анализа одного образца в широком диапазоне концентраций;
  • чувствительность не менее 10 мкм по отдельному иону.

Пробоподготовка

Для точных анализов важны методы подготовки проб. Из всех известных методов влажного озоления наиболее однородные и воспроизводимые результаты дает метод получения образцов растений и почвы под давлением - благодаря минимальному риску потери элементов и низкой степени загрязнения. Поэтому в Институте физиологии растений и генетики Национальной академии наук Украины введена в эксплуатацию система пробоподготовки Multiwave 3000 фирмы Anton Paar из Австрии. Это современная модульная микроволновая система, позволяющая в течение 20-30 минут проводить разложение, экстракцию и выпаривание, концентрирование, гидролиз, УФ-озоление и сжигание в кислороде.

Методы детектирования ионов

В настоящее время для анализа ионов наиболее широко используются два метода: оптическая эмиссионная атомно-абсорбционная спектроскопия (OEC-AAS) и атомно-абсорбционная спектроскопия с масс-спектрометрией (ICP-MS). Первый метод (OEC-AAS) является более дешевым и менее чувствительным по сравнению со вторым. Метод ICP-MS позволяет достичь максимальных уровней чувствительности при определении элементов и даже изотопов одного элемента. И хотя OEC-AAS является и менее чувствительным методом определения ионов, но используется более широко. Это связано с тем, что OEC-AAS позволяет определять ионный состав сложных концентрированных образцов. В то же время определение ряда важных для растений анионов (прежде всего фосфата, серы и хлора) проводится с низким уровнем чувствительности. Следует отметить существенный недостаток этого метода - отсутствие возможности определения азота. Главным недостатком данного подхода к определению ионов является идентификация именно элементов. Если для калия и других одновалентных катионов, кальция и других двухвалентных катионов данный подход является корректным, то для многих анионов (азот в разных формах, фосфор, сера, бор и другие) метод не позволяет определять присутствия элементов в физиологически активном состоянии. Так, содержание азота в системе «почва -растение» можно регистрировать, только учитывая суммарное присутствие нитрата, аммония, свободных низкомолекулярных аминосоединений и других азотных соединений. Поставленная задача может быть оперативно решена путем ионной хроматографии.

За последнее десятилетие ионная хроматография сделала существенные шаги в повышении чувствительности и селективности колонок и детекторов, математического аппарата и программного обеспечения для идентификации отдельных ионов в многокомпонентных смесях. Современные ионные хроматографы, отвечающие требованиям GLP, имеют высокую селективность и быстро определяют содержание ионов в биологических образцах. Развитие методов роботизации в органической химии позволило создать приборы для проведения классических колориметрических реакций при массовых анализах по определению аммония, нитрата, бората и ряда других. Примером могут служить автоматизированные химические анализаторы компании Skalar Analytical B.V., Нидерланды.

Работы многих исследователей с использованием различных методических подходов (OEC-AAS, AAS-MC, ионной хроматографии и других) способствовали методологическому и концептуальному развитию такого направления в исследованиях ионного гомеостаза как «иономика».

Основными задачами иономики являются:

  • одновременное количественное определение активных/неактивных форм элементного состава живого организма и изменений элементного состава (ионного профиля) под воздействием физиологических факторов и генных модификаций на разных этапах развития;
  • картирование информации - ионов и их взаимодействие с генами, белками, лигандами;
  • разработка путей направленной регуляции;
  • интеграция ионома с другими «ом»-ами.

Модульная микроволновая система

Исследование ионома и путей его регуляции - перспективное направление в решении вопросов взаимодействия неорганических ионов и в создании удобрений и систем питания растений, специализированных для сорта. Применение ионной хроматографии позволяет определять пул (изменения пула) неорганических и органических ионов, физиологически обосновывает компоненты ионома.

В Институте физиологии растений и генетики НАН Украины разработаны методические подходы к использованию микроволновой пробоподготовки, ионной хроматографии и эмиссионной спектроскопии с дальнейшими компьютерными расчетами (программа СЕОСНЕМ-РС у.2.0) для оценки общего содержания отдельных катионов/анионов в пуле ионов, а также величин активности катионов/ анионов в многокомпонентных биологических системах. На основании исследований состава минеральных элементов (методы 1СР-спектрометрии, ионной хроматографии) построены элементные профили и изучена онтогенетическая регуляция иономов разных сортов пшеницы и изменения иономов в процессе адаптации растений к прогрессирующей почвенной засухе. Максимально полно исследован элементный состав растений пшеницы с целью определения возможного влияния на него засухи разной интенсивности. Для этого был использован метод IСР-спектрометрии. Изучены элементные профили высокопродуктивных сортов озимой пшеницы по содержанию таких элементов как N,Р, S, К, Са, Мg, Fе, Си, Мп, Zn, В, Na, Со, Ni, V, Тi Сг, Аl, Ва, Сd РЬ, Sr, Мо, Сl, Аs и др. Установлены стабильные и модифицированные компоненты ионома при действии стресса (засуха) в различных по засухоустойчивости сортах озимой пшеницы. Так, например, содержание калия в тканях проростков озимой пшеницы относительно постоянное. В засухоустойчивых сортах содержание кальция и магния стабильное, у чувствительных к засухе - снижается под действием стрессового фактора. Снижение содержания фосфора под действием засухи может быть связано с низкой засухоустойчивостью сорта к воздействию фактора. Повышение содержания в тканях микроэлементов -компонентов редокс-систем растений, железа и цинка, наблюдается под действием засухи у засухоустойчивых сортов. Изменчивость различных пулов ионов в сортах пшеницы под действием факторов окружающей среды определяет возможность разработки высокоэффективных для сорта систем питания.

Ионный хроматограф

Выводы:

1. В Институте физиологии растений и генетики НАН Украины введено в эксплуатацию новейшее оборудование: комплекс для экспресс-определения элементов питания в почве и растениях - ионный хроматограф IC PRO 881 Metrohm (Швейцария) с системой подготовки ультрачистой воды Ultra Pure Water System (Metrohm); микроволновая пробоподготовка Multiwave 3000, Anton Paar (Австрия); система для определения общего азота методом Кьельдаля, Behr (Германия) и ряд других приборов для проведения современных агрохимических анализов.

Хроматограмма

2. Применение ионной хроматографии и эмиссионной спектроскопии позволяет быстро определять содержание до 40 анионов/катионов в растениях и почве со сравнительно низкой стоимостью анализов.

3. Применение ионной хроматографии позволяет определять содержание ионов в физиологически активных формах: ортофосфата, а не фосфора; сульфата, а не серы.

4. Общее содержание многих элементов (фосфор, сера, кальций, магний и другие) в растениях изменяется под действием факторов окружающей среды, что необходимо учитывать при разработке специфичных для сорта систем питания пшеницы.

5. Результаты использования данных методических подходов послужили формированию концепции ионома как интегрального взгляда на ионный гомеостаз культурного растения. Это дает возможность выяснить зависимость состава и изменений ионного профиля растений под воздействием физиологических факторов и генных модификаций.

ВИДЕО
СОБЫТИЯ