WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 |

«БОЛЬШОЙ ПРАКТИКУМ ПО БИОЭКОЛОГИИ Учебное пособие Часть 1 Йошкар-Ола 2006 ББК Е 081.я7 УДК 574.24 Б 799 Рецензенты: С.И. Новоселов, д-р с./х. наук, профессор МарГУ; Р.Р. Иванова, канд. биол. ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

БОЛЬШОЙ ПРАКТИКУМ

ПО БИОЭКОЛОГИИ

Учебное пособие

Часть 1

Йошкар-Ола

2006

ББК Е 081.я7

УДК 574.24

Б 799

Рецензенты: С.И. Новоселов, д-р с./х. наук, профессор МарГУ;

Р.Р. Иванова, канд. биол. наук, доцент МарГТУ Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом МарГУ Воскресенская О.Л.

Б 799 Большой практикум по биоэкологии. Ч. 1: учеб. пособие / Мар.

гос. ун-т; О.Л. Воскресенская, Е.А. Алябышева, М.Г. Половникова. – Йошкар-Ола, 2006. – 107 с.

ISBN 5-94808-239- Учебное пособие охватывает экспериментальные методы исследований, касающиеся различных уровней биологического мониторинга. В I часть «Большого практикума по биоэкологии» вошли методы, позволяющие проводить исследования на клеточном, организменном и ценотическом уровнях организации живого (на примере растений). Под влиянием факторов окружающей среды показаны варьирование химического состава растений, накопление и перераспределение макроэлементов и тяжелых металлов, изменение активности антиоксидантных ферментов и содержания витаминов.

Предназначено для студентов, аспирантов, преподавателей вузов, специалистов, занимающихся вопросами экологии и охраны окружающей среды.

ББК Е 081.я УДК 574. © Воскресенская О.Л., Алябышева Е.А., Половникова М.Г., © ГОУ ВПО «Марийский государственный ISBN 5-94808-239- университет»,

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………...

РАЗДЕЛ I. МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ И

СТРУКТУРА АДАПТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА У РАСТЕНИЙ...

ГЛАВА 1. Физиологические подходы при изучении адаптаций растений к избытку тяжелых металлов…………………………..… ГЛАВА 2. Изменение активности антиоксидантных ферментов растений в условиях урбанизированной среды……………….…… ГЛАВА 3. Распределение минеральных элементов в системе «растение-экотоп»……………………………………..……………..

РАЗДЕЛ II. ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К СТРЕССОВЫМ





ВОЗДЕЙСТВИЯМ……………………………………………………... ГЛАВА 4. Особенности биологического круговорота макроэлементов……………………………………………………… 4.1. Подготовка образца для анализа…………………………….. 4.2. Методы озоления растений…………………………………... 4.2.1. Метод мокрого озоления………………………………… 4.2.2. Метод сухого озоления…………………………………... 4.3. Определение количества золы……………………………….. 4.4. Определение содержания общего азота…………………….. 4.4.1. Определение содержания общего азота с помощью реактива Несслера………………………………………………. 4.4.2. Определение азота хлораминным методом…………….. 4.5. Определение фосфора по «синему»

фосфорномолибденовому комплексу……………………………. 4.6. Определение калия методом пламенной фотометрии……... 4.7. Определение хлоридов колориметрическим методом……... ГЛАВА 5. Методы определения содержания металлов в растениях при различных условиях произрастания……………... 5.1.Определение железа с о-фенантролином……………………. 5.2. Определение меди с диэтилдитиокарбаматом……………… 5.3. Определение цинка с дитозаном…………………………….. 5.4. Определение никеля с диметилглиоксимом………………... ГЛАВА 6. Формирование у растений биохимических адаптаций в условиях техногенеза……………………………………………… 6.1. Методы определения стрессовых белков…………………… 6.1.1. Определение белка с раствором Фолина (метод Лоури) 6.1.2. Определение свободного пролина………………………. 6.2. Методы определения активности ферментов………………. 6.2.1. Определение активности пероксидазы (I.II.I.7)………... 6.2.2. Определение активности полифенолоксидазы (I.I0.3.1). 6.2.3. Определение активности каталазы (I.II.I.6)…………….. 6.2.3.1. Определение активности каталазы 6.2.3.2. Газометрический метод определения активности 6.2.4. Определение активности аскорбатоксидазы (I.I0.3.3)…. 6.2.5. Определение активности АТФ-азы……………………... 6.3.1. Определение аскорбиновой кислоты…………………… 6.3.4. Определение содержания каротинов…………………….

ВВЕДЕНИЕ

Проблема загрязнения окружающей среды неслучайно стала одной из злободневных проблем современности. В связи с интенсивным развитием промышленности и транспорта в атмосферу, гидросферу и почву поступает все большее количество вредных веществ. Одним из возможных путей подхода к рассматриваемой проблеме с позиций современной экологии является выявление антропогенного загрязнения объектов окружающей природной среды с помощью методических приемов, основанных на оценке состояния, как отдельных особей, подвергшихся воздействию ксенобиотиков, так и сообщества в целом.

Комплексную оценку качества природной среды можно дать только при сочетании физико-химических методов исследований с биологическими. В настоящее время наиболее перспективными объектами исследования являются растительные организмы, чутко реагирующие даже на ранние симптомы нарушения состояния окружающей природной среды.

Выносливость растений к стрессовым нагрузкам является сложным физиологическим свойством, которое формируется на разных уровнях структурной организации растительного организма, начиная с молекулярного и вплоть до популяционного и биоценотического.

Существующие физиологические, биохимические и биофизические методы оценки устойчивости растений не в полной мере отражают механизмы эколого-физиологических адаптаций растений к техногенным нарушениям экотопа, особенно в условиях городской среды.





Предлагаемое издание начинает серию учебных пособий «Большой практикум по биоэкологии» для студентов специальности 013500 – «Биоэкология». Это первая часть такого издания. В отличие от существующих руководств по данной дисциплине, в учебном пособии предпринята попытка анализа полученных данных с описанием адаптационных механизмов, возникающих на различных уровнях организации живого, что позволит использовать каждый выпуск в качестве справочного пособия более широкому кругу специалистов.

Программа большого практикума согласуется с программами основных дисциплин, проводимых для студентов специальности 013500 – «Биоэкология». В книге учитываются как требования действующих государственных стандартов в области содержания общебиологического образования, так и современных проблем экологии.

Для обеспечения восприятия и усвоения материала пособия авторы выделяют два раздела. Первый раздел «Механизмы устойчивости и структура адаптационного процесса у растений» состоит из трех глав:

«Физиологические подходы при изучении адаптаций растений к избытку тяжелых металлов» (автор: Воскресенская О.Л.), «Изменение активности антиоксидантных ферментов растений в условиях урбанизированной среды» (автор: Половникова М.Г.), «Распределение минеральных элементов в системе «растение-экотоп» (автор: Алябышева Е.А.).

Первые две главы включают обобщение результатов собственных исследований авторов, посвященных изучению адаптации растений к избытку тяжелых металлов и техногенному загрязнению природной и урбанизированной среды на клеточном и организменном уровнях. В третьей главе дано построение полиграмм распределения минеральных элементов у растений в зависимости от этапа онтогенеза, приведен расчет коэффициентов накопления и перераспределения минеральных элементов, показана продуктивность ценопопуляций растений.

Во втором разделе пособия «Эколого-физиологические методы оценки устойчивости растений к стрессовым воздействиям» приводятся методики исследований, апробированные в Марийском государственном университете: определение содержания N, P, K, Cl, тяжелых металлов (Zn, Cu, Fe, Ni), исследование активности антиоксидантных ферментов (каталазы, пероксидазы, полифенолоксидазы и др.), АТФ-азы и изменение содержания витаминов.

В «Большом практикуме по биоэкологии» приводятся лабораторные работы, предусматривающие возможность использования растений, произрастающих как в природных условиях, так и выращенных в лабораторных условиях. Практические работы рассчитаны на четырехшестичасовые занятия.

В ряде глав пособия приводятся современные экологические термины, в приложениях представлены примеры приготовления растворов различных концентраций; вспомогательные материалы, включающие сведения о плотности растворов, буферных растворах, свойствах индикаторов и др.

Авторы считают, что освоение изложенных в пособии методов исследований, необходимо для получения навыков экспериментальной работы студентами в учебном процессе. Кроме того, представленные в «Большом практикуме по биоэкологии» подходы могут быть с успехом использованы в научных исследованиях преподавателями, при подготовке курсовых и дипломных работ студентами и диссертационных работ аспирантами экологических, биологических и природоохранных специальностей.

РАЗДЕЛ I

МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ И СТРУКТУРА

АДАП ТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА У РА СТЕНИЙ

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ ПРИ ИЗУЧЕНИИ

АДАПТАЦИЙ РАСТЕНИЙ К ИЗБЫТКУ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Среди токсических веществ, загрязняющих окружающую среду, тяжелые металлы занимают особое место, поскольку в отличие от других неустойчивых и быстро трансформирующихся загрязнителей, соединения тяжелых металлов довольно устойчивы и сохраняют свое токсическое действие в течение длительного времени.

Различные виды растений отличаются по способности к накоплению тяжелых металлов. Растения, аккумулирующие элемент, даже в условиях его относительного дефицита в почве, называют аккумуляторами. Виды, накапливающие элемент прямо пропорционально его уровню в среде называются индикаторами. Их удобно использовать в биомониторинге. Наконец, растения, в которых уровень элемента длительное время остается на низком уровне даже при его избытке в среде называются отражателями (Чиркова, 2002).

Любой тяжелый металл, накапливаясь в растениях в большом количестве, может конкурировать с физиологически важными металлами, в том числе с железом, за места в активных центрах каталитических систем, инактивируя их и нарушая тем самым важнейшие функции растительного организма, в том числе фотосинтез и дыхание (Чернавина, 1970).

Выяснение механизма повреждающего действия избыточных концентраций тяжелых металлов на растения может проявиться в нарушении поступления и распределения других минеральных элементов, ингибировании фотосинтеза, нарушением транспорта ассимилятов, изменением водного и гормонального статуса, торможением роста и др.

(Кузнецов, Дмитриева, 2005).

Изучение влияния избытка тяжелых металлов на физиологические процессы растений описано в ряде наших работ (Чернавина, Воскресенская, 1984; Воскресенская, Чернавина, Аксенова, 1986; Воскресенская, 1987, 1989; Аксенова, Воскресенская, 1987, 1990; Воскресенская, Аксенова, Гужова, 1991; Половникова, Воскресенская, 2004; Буданова, 2006 и др.).

В данной работе объектом исследования служили растения овса (Avena sativa L.) сорт Сельма, выращенные методом водных культур на 1/5 смеси Кнопа с добавлением микроэлементов по Хогланду. Схема опытов включала 2 варианта: 1 вариант (контроль) – норма цинка (0, мг/л) и железа (5 мг/л); 2 вариант – избыток цинка (60 мг/л) и норма железа (5 мг/л). Семена овса проращивали в кювете, затем высаживали на сутки на дистиллированную воду в стеклянные 3-х литровые сосуды; на следующий день растения переносили на питательные растворы с рН=5,4. Через 3-4 дня растворы заменяли на свежие. Растения анализировали через 7-6 суток после высаживания их на питательную смесь.

О мембранной проницаемости клеток судили по скорости выхода электролитов из тканей, которую оценивали кондуктометрическим методом (Гужова и др., 1985). Содержание ионов калия в среде инкубации корней определяли на пламенном фотометре. Измерение интенсивности сверхслабого свечения проводили на квантометрической установке с фотоэлектроумножителем ФЭУ-79 (Тарусов и др., 1972). Содержание цинка, меди и железа определяли спектрофотометрическим методом (Чернавина и др., 1978).

Как показали результаты работы (табл. 1), использованная доза цинка была токсичной для растений овса, о чем свидетельствовали внешние симптомы повреждения: растения отставали в росте, листья имели более светлую окраску, были свернуты в трубочку, а корни значительно укорочены, утолщены, с желтоватым оттенком. При этом значительно задерживался рост, как всего растения, так и особенно корней.

Следовательно, рост корня более чувствителен к избытку тяжелых металлов, чем рост побега. На 40% уменьшалась и сухая масса растений.

Влияние избытка цинка на рост и сухую массу растений овса Содержание в среде Zn, мг·л-1 целое растение корень целое растение корень 0,06 (контроль) 17,1±1, (избыток цинка) Одной из причин угнетающего действия высоких доз цинка в среде произрастания на растения овса могло быть избыточное поступление его в растения. Действительно, как показали результаты нашей работы, содержание цинка в листьях опытных растений превышало его содержание по сравнению с контрольными растениями в 4 раза, а в корнях – в 5 раза (табл. 2).

Известно (Чиркова, 2002), что те или иные части растения реагируют на увеличение концентрации элемента в окружающей среде по-разному.

Если поступление элемента прямо пропорционально его содержанию в окружающей среде, то такой тип накопления называется безбарьерным. Он в большей степени определяется концентрацией элемента, чем свойствами растений, и характерен для клеток корней. В листьях в основном отмечается барьерный тип поступления тяжелых металлов.

Влияние избытка цинка на его содержание в растениях овса Содержание в среде Zn, мг·л- Накопление избыточных количеств цинка в тканях растений овса могло вызвать нарушение структурно-функциональных свойств плазмалеммы. Косвенным свидетельством этого явилось изменение скорости выхода внутриклеточных электролитов. Мы изучили динамику вымываемости ионов из тканей овса в процессе их роста на растворах с избытком цинка и обнаружили двухфазный характер этого процесса (рис. 1).

Так, в течение первых 4-х суток экспозиции растений на средах с избытком цинка скорость выхода электролитов из тканей корней овса практически не изменялась. Во вторую фазу развития цинкового токсикоза (5-7 сутки роста на растворах), по-видимому, произошло нарушение барьерной функции мембран.

Сразу же после пересаживания растений на свежие растворы наблюдалось некоторое снижение скорости выхода ионов, которое затем сменилось постепенным ее нарастанием, и к 7-м суткам роста мембранная проницаемость возросла более чем на 20% по сравнению с контролем.

Рис. 1. Динамика вымываемости электролитов из корней овса Известно, что основным ионом, вымываемым из тканей и обуславливающим электропроводность растворов, в которых инкубируются эти ткани, является ион калия (Горина, I988). Наши опыты также свидетельствуют об этом (рис. 2).

Рис. 2. Динамика вымываемости ионов калия из корней овса Определения, проведенные с растениями, росшими 7 суток на среде с избытком цинка, показали, что увеличение проницаемости плазмалеммы корней, наблюдаемое в это время, коррелируют с вымываемостью ионов калия. Корни растений обладают определенными механизмами защиты растений от токсического действия тяжелых металлов, которые обеспечивают сохранение постоянства внутренней среды (Алексеева-Попова, 1983). Однако, при большом избытке металла в окружающей среде защитные авторегуляторные механизмы корневой системы «срываются», избыточные ионы поступают в корень и надземную часть растений (Ковда и др., 1980). Полученные нами данные подтверждают эти наблюдения и свидетельствуют о сохранении мембранами клеток функции барьера проницаемости в первую фазу развития цинкового токсикоза и нарушении этой функции во вторую фазу. По-видимому, нарушения мембранной проницаемости могут быть обусловлены, либо нарушением работы ионтранспортных систем, либо деструктивными повреждениями мембран.

Одной из неспецифических реакций живого организма на повреждения мембран является ускорение свободнорадикальных процессов (Tomson, 1987). Изучение уровня биохемилюминесценции корней овса, выросших в нормальных условиях и при избытке цинка, показало, что интенсивность свечения корней опытных растений была значительно выше таковой контрольных растений (табл. 3).

Влияние избытка цинка на интенсивность сверхслабого свечения Содержание в среде Zn, мг·л-1 Уровень свечения % от контроля Следовательно, избыток цинка в среде выращивания вызывает повреждение структуры и нарушение функции клеточной мембраны.

Известно, что избыток цинка в среде выращивания растений тормозит процессы поглощения и передвижения железа в надземные органы (Fоу et. al., 1978). Нами также обнаружено снижение содержания железа в органах растений овса, выращенных при избытке цинка, по сравнению с контрольными растениями (табл. 4).

Влияние избытка цинка на содержание железа в растениях овса, (контроль) (избыток) При этом в листьях содержание железа уменьшалось значительнее, чем в корнях. Эти наблюдения также позволяют считать, что избыток цинка тормозит не только процессы поглощения, но и передвижения железа в надземные органы растений.

Следовательно, можно предположить, что одной из причин токсического действия цинка на растения овса могло быть не только уменьшение поглощения, но и передвижения железа. Однако при этом растения не страдают от недостатка этого элемента. Границей дефицита железа является 40–50 мкг·г-1 сухой массы растений (Clark, 1983). В наших опытах растения, выросшие при избытке цинка, содержали значительно больше железа. Очевидно, в этих условиях роста нарушаются процессы использования железа внутри тканей растения, происходит инактивания его каталитических свойств. Чтобы проверить это предположение, нами в дальнейшем изучалось влияние избытка цинка на некоторые аспекты функционирования электротранспортной цепи дыхания.

Изучение этого вопроса представляло интерес также и потому, что наблюдавшееся торможение роста, а также нарушение процессов поглощения и выделения ионов могли быть обусловлены нарушением процессов генерации и запасания энергии.

Энергетический подход позволяет выявить последствия стрессового воздействия среды до наступления необратимых изменений в организме. Каждый физиологический процесс требует определенных затрат энергии, поэтому любое изменение физиологического состояния немедленно сказывается на энергетическом обмене. На реализацию одного и того же физиологического процесса в неблагоприятных условиях роста растительному организму требуется больше энергии, чем в оптимальных, из-за необходимости компенсации неблагоприятных воздействий среды.

До наступления необратимых изменений в организме неблагоприятное воздействие окружающей среды может быть скомпенсировано специфическими физиологическими реакциями, такими как инактивация или разложение проникающих веществ, изменение метаболических путей в клетке и др.

Нами были изучены особенности дыхательного метаболизма, а именно динамика цианид–резистентного дыхания в процессе нарастания цинкового токсикоза. Трехдневные проростки овса высаживали на paстворы и измеряли величину неподавляемого цианидом дыхания в течение 7 дней роста растений на питательных растворах (рис. 3). В корнях 3-х дневных проростков овса обнаружилась высокая скорость нечувствительного к цианиду дыхания, составляющая около 70% от начальной скорости.

неподавляемое KCN дыхание, % Рис. 3. Динамика изменения уровня цианид-резистентного дыхания в По мере роста растений доля неподавляемого цианидом дыхания уменьшалась, и у 10-дневных корней она составила уже около 25%. У растений овса, росших при избытке цинка, чувствительность дыхания к цианиду в течение первых трех суток роста была одинакова с контрольными. Однако уже на четвертые сутки пребывания растений на избыточных дозах цинка скорость нечувствительного к цианиду дыхания возросла почти на 20% и практически сохранилась на этом уровне до конца наблюдений. Следовательно, в корнях овса по мере нарастания цинкового токсикоза процент неподавляемого цианидом дыхания увеличивался.

Анализ материала по влиянию избытка цинка на ионный обмен и дыхательный метаболизм растений овса, полученного при выполнении данной работы, можно представить в виде следующей схемы (рис.4).

Цинк в избыточных количествах поступал в растения и накапливался в них. При этом наблюдалось значительное подавление роста и накопления сухой массы растений. Дисбаланс ионов и большие ионные силы вызывали изменения свойств мембранных систем клетки, в первую очередь плазмалеммы, осуществляющую непосредственный контакт с избыточными концентрациями цинка. Наблюдалось повреждение структуры клеточной мембраны, нарушалась ее барьерная функция – увеличивался выход ионов из тканей.

Являясь антагонистом железа, ион цинка вызывал снижение содержания железа в органах цинк-токсичных растений, а также нарушение процессов использования железа внутри тканей растения, что подтверждается подавлением активности железосодержащих ферментов.

Под влиянием токсической дозы цинка наблюдалось снижение потока электронов по основному цитохромному пути, и активировался альтернативный цианид-резистентный путь дыхания. Доля этого пути увеличивалась по мере нарастания цинкового токсикоза. Возможно, что активирование цианид-резистентного дыхания являлось одной из неспецифических ответных реакций растений на неблагоприятные условия выращивания.

Рис. 4. Токсическое действие цинка на структурно-функциональные свойства мембран (Воскресенская, 1989) В митохондриях растений овса, росших при избытке цинка, снижалась сопряженность процессов окисления и фосфорилирования (уменьшался ДК, АДФ/О и содержание макроэргического фосфора), что может свидетельствовать о некотором повреждении целостности мембран этих органоидов.

Подтверждением этого служит изменение осмотических свойств митохондрий. Они сильнее набухали в растворе трис-НCl и слабее сокращались под влиянием ATФ. Следовательно, одним из механизмов повреждающего действия избыточных доз цинка на растения овса является снижение энергетической эффективности тканей и наблюдаемое при этом подавление процессов роста и накопления биомассы (Воскресенская, 1989).

Полученные данные вносят определенный вклад в расшифровку механизма токсического действия тяжелых металлов на растения и разработку теории устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды.

Выяснение механизмов токсического действия тяжелых металлов на растения способствует разработке методов повышения устойчивости растений к неблагоприятному действию высоких концентраций металлов.

ИЗМЕНЕНИЕ АКТИВНОСТИ АНТИОКСИДАНТНЫХ

ФЕРМЕНТОВ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ

УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЫ

Окислительно-восстановительные процессы играют большую роль в устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды. При изменении условий существования растений изменяются активность и направленность действия ферментов, содержание аскорбиновой кислоты и некоторых других элементов окислительновосстановительной системы.

Значительная роль в стрессовых ответных реакциях на воздействия неблагоприятных факторов среды принадлежит свободнорадикальным реакциям, связанные с участием кислородных радикалов (Чиркова, 1997). Образование активных форм кислорода (АФК), в частности супероксида и пероксида водорода, на клеточной поверхности («окислительный взрыв») является одним из ранних клеточных ответов на стрессовое воздействие (Мерзляк, 1989, 1999). Эти радикалы и продукты их превращения представляют серьезную угрозу, так как могут подавлять активность ферментов, разрушать нуклеиновые кислоты, вызывать деградацию биополимеров, изменять проницаемость мембран. Клетки защищаются от АФК с помощью антиоксидантов.

К антиоксидантным ферментам относятся супероксидисмутаза, каталаза и пероксидаза. Их синтез индуцируется в ответ на повышение уровня свободных радикалов. Важная роль принадлежит также аскорбатспецефической пероксидазе, функционирующей в одном цикле с дигидроаскорбатредуктазой и глутатионредуктазой (Кузнецов, Дмитриева, 2005).

Основные функции в регуляторной деятельности клетки выполняют пероксидаза и каталаза, обеспечивающие нормальный ход окислительных процессов при различного рода неблагоприятных воздействиях (Петрова, Милеустина, 1976; Николаевский, 1979, 1998). Эти ферменты наряду с цитохромоксидазой способны осуществлять функции активаторов кислорода на заключительном этапе дыхания. Наличие нескольких ферментов, выполняющих одну и ту же каталитическую функцию, – весьма ценное свойство, расширяющее адаптационные возможности организма, что особенно важно для жизнедеятельности растений – организмов, не имеющих стабильной внутренней среды.

По литературным данным, пероксидаза связана с целым рядом метаболических превращений, происходящих в клетке (Титов, 1975;

Илькун, 1978; Ситникова, 1990, Bolwell, Wojtaszek, 1997). Возможно, этим фактом объясняется существование большого числа различных молекулярных форм этого фермента. Последнее, по-видимому, обеспечивает тончайшую самонастройку метаболизма в ходе онтогенеза и имеет особую важность для растения в обеспечении быстрой приспособленности к постоянно меняющимся условиям внешней среды.

Как и в случае пероксидазы, имеются основания рассматривать каталазу в качестве одной из терминальных оксидаз растительной клетки, ответственной за разложение перекисей, регулирующих смену фаз аэробных и анаэробных процессов и участвующих в окислении перекисей в пероксисомах при фотодыхании (Артамонов, 1986; Кузнецов, Дмитриева, 2005).

По данным В.С. Николаевского (1979), одно из проявлений защитных реакций тканей в условиях промышленного загрязнения атмосферы – усиление аэробного дыхания и возрастание активности терминальных оксидаз. Изменение качества и активности окислительновосстановительных ферментов может служить определнным показателем реакции растительного организма к неблагоприятным факторам среды и для оценки приспособления растений к условиям существования.

Нами проанализированы изменения активности пероксидазы и каталазы у газонных трав: ежа сборная (Dactylis glomerata L.), клевер белый (Trifolium repens L.), клевер луговой (Trifolium pratense L.), мятлик луговой (Poa pratensis L.), овсяница луговая (Festuca pratensis Huds.), тимофеевка луговая (Phleum pratense L.), произрастающие в различных по степени загрязнения атмосферного воздуха местообитаниях, и возможности использования данных ферментов в качестве неспецифического индикатора загазованности среды. Эти виды довольно чтко различаются по степени газоустойчивости и широко используются для озеленения городов и промышленных районов. Для изучения влияния загрязнения атмосферного воздуха на активность ферментов в работе использовались средневозрастные генеративные растения (g2).

Выбор районов исследования основывался на данных: 1) химического анализа проб атмосферного воздуха, проведенных на базе Сетевой лаборатории и мониторинга окружающей среды по Республике Марий Эл; 2) «Государственного доклада о состоянии окружающей природной среды в Республике Марий Эл» (2004, 2005).

В связи с этим, были выделены 3 зоны и 5 районов исследования: экологически чистая зона (контроль) – Сосновая роща; слабозагрязненная зона – парк им. Победы и микрорайон «Дубки»; среднезагрязненная зона – районы ЗАО НП «Завод Искож» и ЗАО «ЙошкарОлинский мясокомбинат». Районов с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха в г.Йошкар-Оле не обнаружено.

Фермент пероксидаза довольно чувствителен к действию газов.

Отмечена прямая зависимость между активностью фермента и концентрацией газов (Николаевский, 1979, 1998). При этом наблюдалась чткая зависимость активности пероксидазы от устойчивости растений.

В ходе наших исследований было отмечено, что наибольшая пероксидазная активность была характерна для растений клевера белого и клевера лугового как в листьях, так и в корнях (рис. 5).

Рис. 5. Изменение пероксидазной активности газонных трав в условиях городской среды, Д670г-1·с-1:

1 – Сосновая роща (экологически чистый район); 2 – парк Победы; 3 – микрорайон «Дубки» (районы с низким уровнем загрязнения); 4 – завод ЗАО НП «Завод Искож»; 5 – ЗАО «Йошкар-Олинский мясокомбинат» (районы со средним уровнем загрязнения) Максимальные значения данного показателя наблюдались в загрязненных районах г. Йошкар-Олы (ЗАО НП «Завод Искож», ЗАО «Йошкар-Олинский мясокомбинат») и составили 4–5 для клевера белого и 4–9 Д670г-1·с-1 для клевера лугового.

В. С. Николаевским (1979, 1998) была отмечена прямая зависимость между активностью фермента и концентрацией газов, при этом наблюдалась четкая зависимость активности пероксидазы от устойчивости растений.

У ежи сборной и тимофеевки луговой по мере усиления загрязнения среды наблюдалась такая же тенденция, что и для предыдущих видов.

Однако их пероксидазная активность была гораздо ниже, чем у клеверов, и она в среднем в контрольной зоне составила 0,6–0,9 Д670г-1·с-1 для обоих видов. В загрязненных районах этот параметр увеличивался и составил 4 единицы измерения как у тимофеевки луговой, так и у ежи сборной.

Самые низкие показатели пероксидазной активности были характерны для устойчивых видов (мятлик луговой и овсяница луговая).

Несмотря на то, что активность этого фермента также возрастала по мере усиления загрязнения окружающей среды, однако, даже в загрязннных районах города она была низкой и находилась в пределах 2 Д670гс. По-видимому, у исследуемых видов при воздействии смеси газов с повышением концентрации идет постепенное нарастание физиологобиохимических нарушений, а возрастание активности терминальной оксидазы – защитная реакция на токсиканты, которая обеспечивает сопротивляемость организма и способствует обезвреживанию вредных соединений.

Что касается другого изучаемого фермента – каталазы, то было установлено, что данный фермент в неблагоприятных условиях произрастания снижал свою активность (рис. 6). Изменение активности фермента связано с биологическими особенностями растений и является до некоторой степени показателем реакции растительного организма на комплекс экологических воздействий.Наибольшие значения этого фермента в листьях отмечались у тимофеевки луговой (12,4 мл О2·г-1·мин-1) и клевера лугового (11,8) в экологически чистой зоне. Однако по мере усиления загрязнения окружающей среды активность каталазы этих видов падала. Низкая ферментативная активность во всех местообитаниях была характерна для овсяницы луговой и ежи сборной.

Однако активность каталазы в корнях была несколько ниже по сравнению с листьями у всех исследуемых видов. Более высокая активность этого фермента наблюдалась в корнях у клевера белого (4,5) и ежи сборной (4,6) в контрольной зоне (Сосновая роща), далее в районах с низким и средним уровнями загрязнения этот показатель снизился до 2 единиц измерения. У остальных видов значения активности этого фермента колебались в пределах 2–3 мл О2·г-1·мин-1 во всех местообитаниях.

Рис. 6. Изменение активности каталазы газонных трав в условиях городской среды, мл О2·г-1·мин-1.

Известно, что молекулы кислых газов обладают свойствами свободных радикалов, которые в клетках растений вызывают резкое усиление цепных свободнорадикальных окислительных процессов и образование органических перекисей. Поэтому активация пероксидазы и каталазы может говорить о наличии активных восстановительных процессов, предотвращающих окисление клеточного субстрата.

Таким образом, в ходе работы было показано, что у растений в районах с различным уровнем загрязнения атмосферного воздуха обнаружены достоверные изменения активности железосодержащих ферментов: увеличение активности пероксидазы и некоторое снижение активности каталазы. При этом устойчивые виды растений по сравнению с неустойчивыми характеризовались более низкими значениями данных показателей. Поэтому мониторинг за изменением активности пероксидазы и каталазы в качестве чувствительной реакции растений на действие газов может иметь значение для контроля качества окружающей среды и использоваться для оценки газоустойчивости растений.

Работа выполнена при поддержке Гранта РФФИ № 04-04-49152 «Экологические механизмы адаптации растений к среде обитания и устойчивость популяций».

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В СИСТЕМЕ «РАСТЕНИЕ–ЭКОТОП»

В настоящее время значительное внимание уделяется изучению вариабельности химического состава растений с целью уточнения существующих представлений о закономерностях биогенной миграции элементов, организации мониторинга, прогнозирования конкретных экологических ситуаций и оценки допустимых антропогенных нагрузок (Двораковский, 1983; Ильин, 1997; Алябышева, Воскресенская, 1998;

Жуйкова, 1997а; 1997б; Осипова, 2000).

Методика построения полиграмм распределения минеральных элементов у растений в зависимости от этапа онтогенеза На примере мезофитов (Лархер, 1978; Ильин, 1981; 1997) и некоторых гидро- и гигрофитов (Титова, Лубянов, 1970; Boyd, 1969; Горышина, 1979; Лукина, Смирнова, 1988; Алябышева, 2001) установлено, что их концентрирующая способность по отношению к химическим элементам зависит от вида растения, его физиологических особенностей, возраста и этапа развития.

Для наглядного изображения изменения химического состава особей, находящихся в разных онтогенетических состояниях, помимо линейных и столбчатых диаграмм можно использовать графические модели – полиграммы с использованием бальных шкал (Алябышева, 2001).

Рассмотрим применение данных полиграмм для анализа распределения химических элементов у особей частухи подорожниковой (Alisma plantago-aquatica L.) в зависимости от этапа онтогенеза. Для оценки распределения химических элементов у гигрофитов на разных этапах онтогенеза была разработана 10-бальная шкала: максимальные концентрации элементов получили максимальный балл (10), а минимальные – низший балл (1). Интервал изменения концентрации каждого элемента разбивался на 10 классов: 1 кл. – 1 балл; 2 кл. – 2; 3 кл. – 3; 4 кл. – 4; 5 кл. – 5; 6 кл. – 6; 7 кл. – 7; 8 кл. – 8; 9 кл.

– 9; 10 кл. – 10 баллов. С учетом 10-бальной шкалы были построены полиграммы, демонстрирующие диапазоны изменения химического состава растительных тканей вегетативных и подземных органов особей A. plantagoaquatica в зависимости от их онтогенетического состояния (рис. 8).

Оценка процессов передвижения минеральных элементов Различная аккумуляция минеральных элементов в надземных и подземным органах растений может служить показателем их разной абсорбционной емкости (Дикиева, Петрова, 1983). Сравнительный анализ содержания фосфора у Nymphaea odorata позволил D.N. Riemer и S.J.

Toth (1968) составить следующий числовой ряд по уменьшению концентрации элемента: цветки цветоносы листья побеги. В надземных органах ряски малой (Lemna minor L.), тростника обыкновенного (Phragmites australis Trin.) и кубышки желтой (Nuphar luteum (L.) Smith.) накапливалось азота больше, чем в побегах и корнях (Петрова, 1983; Лукина, 1988). По данным U.M. Cowgill (1974), в листьях Decodon verticillatus количество железа составляло от 0,14 до 0,59 % сухой массы, а в побегах и цветках растений содержание элемента уменьшалось до 0,12-0,34 % сухой массы (Riemer, Toth, 1968; Воробьев, Афанасьева, 1973; Петрова, 1983).

А.Л. Коваленский (1969) предложил использовать для характеристики процессов передвижения минеральных элементов количественный показатель – коэффициент передвижения (Кп), равный отношению содержания элементов в листьях к таковому в корнях:

На примере A. plantago-aquatica и стрелолиста обыкновенного (Sagittaria sagittifolia L.) были рассчитаны коэффициенты передвижения фосфора, азота, серы, железа и калия и проанализированы изменения показателя в онтогенезе гигрофитов (Алябышева, Воскресенская, 2005).

У ювенильных и имматурных особей исследуемых видов в связи с активизацией синтетических процессов в листьях увеличивалось содержание фосфора и калия. У виргинильных растений в надземных органах интенсивнее накапливался азот, необходимый для увеличения их биомассы.

С переходом особей исследуемых видов в средневозрастное генеративное состояние в листьях вновь увеличивалось содержание фосфора и серы, однако в дальнейшем (старое генеративное состояние) концентрация элементов несколько снижалась (рис. 7).

Д.А. Сабанин (1971) предложил, в зависимости от степени аккумуляции в различных органах растений, подразделять химические элементы на две группы: базипетальные элементы, содержание которых уменьшается от листьев к корням; акропетальные элементы, содержание которых уменьшается от корней к листьям. Согласно данной классификации для исследуемых растений: калий, сера, фосфор и азот являются базипетальными элементами, содержание которых уменьшается от листьев к корням; железо является акропетальным элементом, так как, максимальное содержание металла отмечено в корнях, а минимальное – в листьях.

Рис. 7. Изменение коэффициентов передвижения элементов в онтогенезе гигрофитов: А - Alisma plantago-aquatica; Б - Sagittaria sagittifolia Таким образом, показатели распределения минеральных элементов в надземных и подземных органах отражают направленность метаболических процессов, протекающих у растений на разных этапах онтогенеза.

Рис. 8. Изменение химического состава особей Alisma plantago-aquatica в онтогенезе (в баллах): по осям координат: 1 - биомасса, 2 - содержание серы, 3 - содержание фосфора, 4 - содержание азота, 5 - содержание калия, 6 - содержание железа, 7 - проницаемость клеточных мембран.

Влияние экотопа на минеральный состав растений В работах многих исследователей (Sheffer, Stach, 1989; Воскресенская, Гужова, Аксенова, 1991; Никоноров, Жулидин, 1991; Второва, Скулкин, 1992; Второва, Маркет, 1995) показано, что между химическим составом растений, с одной стороны, и средой обитания, с другой, существует несомненная связь. Н.В. Тимофеев-Ресовский (1957) считал, что необходимо детально изучать «… отдельные элементарные биоценозы в их тесной связи со всеми костными компонентами занимаемой ими территории, количественные отношения распределения соответствующих элементов по различным их компонентам и конкретные механизмы геохимической деятельности отдельных видов …». Одно из звеньев минерального круговорота в наземных и водных экосистемах – поглощение минеральных элементов растениями. Размеры аккумуляции питательных веществ в растительных органах и освобождения их как у живой, так и разлагающейся ткани характеризуют динамику циклов и подвижности отдельных элементов в биотопах (Carpenter, Adams, 1977).

Абсорбция питательных веществ растениями существенно увеличивает количество питательных веществ в фитоценозах.

Для характеристики процессов накопления химических элементов растениями Н.В. Тимофеев-Ресовский (1957) предложил использовать – коэффициент накопления (Кн), равный отношению содержания элемента в корнях к таковому в почвах, отражающий корневой поступление элемента из почвы:

В настоящее время рассчитаны коэффициенты накопления некоторых тяжелых металлов у одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Wigg.s.l.) (Жуйкова, 1997), микроэлементов у пихты сибирской (Abies sibirica Lebed.) и ели обыкновенной (Picea abies (L.) Karst.) (Осипова, 2000).

На примере частухи подорожниковой и стрелолиста обыкновенного рассмотрим влияние экологических факторов на распределение минеральных элементов в растительных тканях, почвах и воде экотопов, расположенных в окрестностях озер на территории Национального парка «Марий Чодра». По уровню содержания биогенных элементов в воде и почве в окрестностях озер, исследуемые водоемы располагались следующим образом: оз. Кожла-Сола оз. Яльчик оз. Глухое оз. Мушан-Ер.

Для A. plantago-aquatica и S. sagittifolia были рассчитаны коэффициенты накопления фосфора, азота, серы и железа. Так, у частухи подорожниковой коэффициент накопления изменялся в следующих пределах: по азоту – от 0,7 до 2,7; по фосфору – от 2,0 до 6,2; по железу – от 0,1 до 1,3; а у стрелолиста обыкновенного: по азоту – от 2,3 до 6,5; по фосфору – от 2,4 до 6,4; по железу – от 0,0 до 3,7 (рис. 9).

В.Ю. Осипова (2000) предложила дифференцировать химические элементы по величинам коэффициента биологического поглощения: 1 группа (100-10) – энергичного накопления; 2 группа (10-1) – сильного накопления; 3 группа (1-0,01) – слабого накопления и среднего захвата; 4 группа (0,1слабого захвата; 5 группа (0,01-0,001) - очень слабого захвата. Согласно данной классификации, фосфор, азот и сера (Алябышева, 2001) были отнесены к группе элементов сильного накопления, а железо - к группе элементов слабого накопления и среднего захвата.

Рис. 9. Изменение коэффициентов накопления: А – Alisma plantago-aquatica; Б – Sagittaria sagittifolia По данным Т.К. Горышиной (1979), К.А. Кокина (1961) и А.И.

Мережко (1991), гигрофиты поглощают питательные вещества не только из почвы, но и воды, вследствие высокой проницаемости кутикулы и эпидермиса. Поэтому имеет смысл использовать коэффициент накопления, равный отношению содержания элемента в листьях к таковому в воде, отражающий степень поглощения веществ листьями из воды:

Н.В. Тимофеевым-Ресовским и др. (1957, 1959) описаны особенности накопления пресноводными организмами химических элементов из водных растворов, в том числе и высшими водными растениями.

На примере A. plantago-aquatica и S. sagittifolia было отмечено, что содержание минеральных элементов в растительных тканях в меньшей степени зависит от их концентрации в воде.

Изучение продуктивности ценопопуляций растений Как утверждал В.И. Вернадский (1977), между косными природными телами биосферы и живыми существами, ее населяющими, идет непрерывный материальный и энергетический обмен. Этот обмен в ходе времени пронизывает всю биосферу. Геологические процессы и совместная деятельность живых организмов в экосистемах обеспечивают биогенные круговороты, благодаря которым в состав живых клеток включаются минеральные элементы и химические соединения, происходят процессы метаболизма и выводятся в окружающую среду органические вещества. В дальнейшем в результате деструкции минеральные элементы высвобождаются и вновь включаются в биогеохимические циклы (Шилов, 2000). «Биоценозам принадлежит ведущая роль в протекании биохимических круговоротов в любом участке биосферы, так как они являются мощными биохимическими фильтрами… и при этом частные круговороты отдельных элементов обусловлены видовыми популяциями» (Тимофеев-Ресовский и др., 1957).

Размеры аккумуляции элементов в растительных тканях и освобождение их из живой и разлагающейся фитомассы характеризует динамику биогенных циклов и подвижность отдельных элементов в биотопах (Дикиева, Петрова, 1983; Carpenter, Adams, 1977). Биогеохимический круговорот азота сложен и охватывает все области биосферы. Растения и животные после своей гибели возвращают азот в почву, откуда он поступает в состав новых поколений растений и животных. Круговорот фосфора – типичный осадочный биогехимический цикл, легко нарушающийся при различного рода воздействиях. Фосфор в отличие от других биогенных элементов в процессе миграции не образует газовой фазы. После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде он, в конечном счете, выводится в донные осадки.

Для оценки роли ценопопуляций растений в биогенных круговоротах необходимо рассчитать их продуктивность. Под термином «продуктивность» большинство исследователей понимают способность растительных организмов и их ценопопуляций создавать и накапливать органическое вещество (Работнов, 1992). Ю. Одум (1986) под термином «продуктивность» подразумевал скорость продуцирования органического вещества.

Для обозначения вещества, созданного только живыми частями употребляют термин «биомасса» (Горшинский и др., 1973). В качестве основного показателя продуктивности растительного покрова используется величина фитомассы, характеризующая общее количество органического вещества в пределах сообщества, накопленное растительными организмами на единицу площади к единице времени.

Также используется и другой показатель – продукция, определяемая как ежегодно создаваемое растительное органическое вещество на единицу площади в пределах одной ценопопуляции (Родин и др., 1968).

Биомассу луговых, прибрежно-водных фитоценозов определяют преимущественно методом учетных площадок (модификацией метода площадок является метод трансект). В пределах исследуемого фитоценоза необходимо заложить не менее десяти площадок, размером 1 м2.

Растения срезают вровень с поверхностью почвы и разбирают по видам, высушивают до воздушно – сухого состояния (при температуре 105С в сушильном шкафу). Полученные результаты рассчитывают на единицу площади - г/м2, кг/м2, ц/га (Гришина, Самойлова, 1971).

Анализ корневой системы растений имеет большое значение при определении биомассы, поскольку у многих растений (р. Typha, р.

Scirpus, р. Nymphaea, р. Nuphar и др.) подземные органы могут превышать наземные по биомассе в несколько раз. Так, отношение подземных частей к надземным составляет у рогоза узколистного (Typha angustifolia L.) 2,5:1, тростника обыкновенного – 1:1, камыша озерного (Scirpus lacustris L.) – 9:1. В сформированных сообществах подземные органы (корни, корневища) составляют 50-100 % биомассы растений (Садчиков, Кудряшов, 2005).

Д.Ф. Вестлэйком (1968) были предложены три метода определения фитомассы подземных органов: 1) извлечение растения - растение выкапывается и анализируется корневая система (применяется он в тех случаях, когда можно выделить корневища одного растения); 2) метод мелких монолитов - цилиндр диаметром несколько сантиметров загоняется в почву, содержимое цилиндра вытряхивается, живой материал разбирается, и его масса рассчитывается на определенную площадь (такая техника отбора образцов пригодна для изучения роста растений с густым переплетением корней); 3) метод крупных монолитов - выбирается наиболее удобная площадка (на пример, 0,25 м2), в пределах которой выкапываются до необходимой глубины все растения вместе с подземными органами (этот метод дает меньшую ошибку, чем метод мелких монолитов).

Для получения сопоставимых результатов биомассу растений можно перевести в единицы органического вещества или углерода (в Международной системе единиц 1 кал = 4,19 Дж; 1 Дж = 0,24 кал).

Один грамм сухого вещества соответствует примерно 0,4 г углерода.

Калорийность водных растений, вычисленная по углероду, составляет 4,3-4,8 ккал/г углерода.

Однако следует учитывать, что калорийность водных растений может изменяться в зависимости от видовой принадлежности и фенологической фазы развития; калорийность отдельных частей растений также различается. Так, значения энергетического эквивалента составляют у горца земноводного (Polygonum amphibium L.) 4,2 ккал/г, у элодеи канадской (Elodea canadensis Michx.) - 3,3-4,0 ккал/г. У кубышки желтой, калорийность плавающих листьев составляет 3,8 ккал/г, черешков - 3,3, а плодов - 4,1 ккал/г (Кокин, 1982; Садчиков, Кудряшов, 2005).

С учетом онтогенетической структуры популяций вида можно рассчитать динамику содержания химических элементов в биомассе каждой онтогенетической группы. На примере A. plantago-aquatica рассмотрим пример расчета содержания азота и фосфора в биомассе ценопопуляций, произрастающих в различных условиях эвтрофирования водоемов (Алябышева, Воскресенская, 2005).

Во-первых, необходимо предварительно определить количественное содержание азота и фосфора в растительном материале особей разных онтогенетических групп (табл. 5).

Содержание химических элементов в растительных тканях гигрофитов (на примере средневозрастных генеративных особей) Оценив демографические показатели (биомасса, плотность) онтогенетических групп особей можно определить биоаккумулятивные способности ценопопуляций вида в целом (табл. 6).

Полученные данные можно графически представить в виде диаграмм, предварительно рассчитав в долях от биомассы онтогенетической группы или ценопопуляции содержание азота и фосфора (рис.

10).

Таким образом, изучение особенностей аккумуляции химических элементов на разных этапах онтогенеза гигрофитов, процессов передвижения по растению и накопления корнями и листьями особей, дает возможность описать частные круговороты элементов на организменном уровне. Ценопопуляции гигрофитов вносят реальный вклад в биогенные круговороты прибрежно-водных экосистем.

Динамика содержания азота и фосфора в биомассе ценопопуляций Alisma plantago-aquatica Местооби- Онтоге- Плотность, Биомасса, г Азот, Фосфор, Рис. 10. Доля содержания азота и фосфора в фитомассе ценопопуляций:

А – Sagittaria sagittifolia; Б - Alisma plantago-aquatica

РАЗДЕЛ II

ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ

К СТРЕССОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА

МАКРОЭЛЕМЕНТОВ

Под биологическим круговоротом понимают поступление элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, биохимический синтез с образованием новых сложных соединений, и возвращение элементов в почву, воду и атмосферу с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав биогеоценоза.

Биологический круговорот элементов - одно из важнейших звеньев большого, геологического круговорота элементов. Без точного изучения биологического круговорота во всех связях невозможно осуществление рационального использования природных ресурсов (лесные массивы, пастбищные и сенокосные угодья, реки, озера и другие участки земной поверхности, продуцирующие живое вещество).

Изучением особенностей биологического круговорота занимались такие выдающимися ученые, как В.И. Вернадский, В.Р. Вильяме, Б.Б. Полынов, Д.Н. Прянишников, В.Н. Сукачев, Л.Е. Родин, Н.И. Базилевич и др.

Однако до сих пор комплексные исследования круговорота элементов, которые охватывали хотя бы главнейшие группы организмов, населяющих биогеоценоз суши, не проводились. В настоящее время имеются материалы, касающиеся динамики органического вещества и биологического круговорота азота и зольных элементов, осуществляемого растительным покровом, слагаемым лишь высшими растениями (Родин, Базилевич, 1965;

Ремезев, Базилевич, 1967).

В то время как биологический круговорот азота и зольных элементов следует рассматривать как сложный, полициклический процесс, состоящий из циклов различной продолжительности и глубины воздействия на среду.

В настоящее время выделяют сезонные, годовые, многолетние и вековые циклы биологического круговорота.

Годовые циклы определяются размером потребления элементов, которые фитоценоз в течение года извлекает из экотопа, аккумулирует и возвращает с опадом и отмирающими растениями (особями).

В годовом цикле можно различать отдельные сезонные циклы круговорота, под которыми следует понимать круговорот, осуществляющийся на протяжении отдельных периодов (сезонов) года, например, биологический круговорот элементов, вовлекаемых и возвращаемых в течение одной из фенологических стадий развития сообщества.

Различают также многолетние циклы круговорота, характеризующие отдельные возрастные периоды развития сообщества, или циклы жизни одного поколения доминантных видов.

Вековые циклы биологического круговорота определяются временем, в течение которого осуществляется смена растительных формаций (Родин, Базилевич, 1965).

Для характеристики биологического круговорота макро- и микроэлементов используют следующие показатели: емкость, интенсивность и скорость биологического круговорота. Емкость биологического круговорота выражается количеством азота и зольных элементов, находящихся в составе фитомассы (кг/га). Интенсивность биологического круговорота определяется количеством элементов в годичном приросте фитомассы и позволяет оценить вещественно-энергетический потенциал фитоценозов (кг/га в год). Скорость биологического круговорота веществ определяется временем, в течение которого химический элемент поглощается организмом, проходит, все этапы трансформации и возвращается в экотоп. Эта величина определяется отношениями общего количества минеральных элементов в фитомассе к общему количеству элементов, находящихся в опаде и приросте (Андриянова, 2001).

Л.Е. Родиным, Н.И. Базилевичем (1965) разработана классификация типов круговорота зольных элементов и азота на основании следующих количественных признаков: количество биомассы, годичного прироста, годичного опада, истинного прироста и подстилки (аккумулированное мертвое органическое вещество), количество и состав химических элементов в биомассе, годичном приросте, опаде, истинном приросте и подстилке и др. (табл. 7).

В настоящее время установлено, что хозяйственная деятельность человека влияет на химический состав экотопа, зачастую нарушая круговорот зольных элементов и азота (Двораковский, 1983; Ильин, 1997; Жуйкова, 1997а; 1997б; Осипова, 2000; Афанасьев и др., 2001).

Классификация типов круговорота зольных элементов и азота Азотный низкозольные, средне- и мало продуктивные, Ельники бореальный венных лесов, среднезольные, средне продуктивные, заторможенные; N Ca (Si, Mg).

Кальциево-азотные, полукустарничковых пу- ПолукустарАзотный стынь, среднезольные, очень мало продуктивные, ничковые Кальциево-азотные, субтропических листвен- Субтропиченых лесов, среднезольные, высокопродуктивные, Кальцевый субтропический мало- и мало продуктивные, весьма интенсивные; Ca Si (Al, Fe).

Кремниевый Азотно-кремниевые, эфимеро-полукустар- ЭфемерноКремниевый пу- никовых пустынь, среднезольные, средне полукустарстынный продуктивные, весьма интенсивные; Si N ничковые зольные, средне продуктивные, весьма интенсивные; Si Na (Fe, Al).

Кремниевый тропический Азотно-кремниевые, влажных тропических Влажные Хлоридный Изучение вариабельности химического состава растений необходимо для уточнения существующих представлений о закономерностях биогенной миграции элементов, организации мониторинга, прогнозирования конкретных экологических ситуаций и оценки допустимых антропогенных нагрузок (Алябышева, Воскресенская, 1998; Воскресенская и др., 2004; Сарбаева, Воскресенская, 2005 и др.).

Минеральные вещества входят в состав фотосинтетического аппарата, дыхательной цепи, центров синтеза белка, ферментов и других систем организма. Неорганические питательные вещества, необходимые для нормального развития растений подразделяются на макро- и микроэлементы. К группе макроэлементов принадлежат азот, фосфор, калий, сера, кальций, магний, натрий, железо и другие, их содержание в растении довольно велико – от 0,1 до нескольких процентов от сухой массы растения. Микроэлементы – это бор, цинк, марганец, медь, молибден, ванадий, кобальт и другие, их содержание в растении составляет тысячные и десятитысячные доли процента от сухой массы.

Анализ растительных тканей на содержание в них различных элементов включает несколько стадий: сбор образца, их подготовку, фиксацию, приготовление растворов, лабораторный анализ, а так же расчеты и интерпретацию полученных данных.

Собранные образцы растительного материала высушивают в термостате при температуре 105°С в течение 15-20 мин. Затем досушивают при более низкой температуре 60-80°С в течение 1-1,5 ч. При этой температуре потери на дыхание наименьшие. При высушивании из растений выделяется вода и остается сухое вещество. Соотношение сухого вещества и воды у различных растений и в разных органах одного и того же растения неодинаково. Так, в зеленой надземной массе многих сельскохозяйственных культур содержится 80-85% воды и 15-20% сухого вещества. В семенах количество воды уменьшается до 10-15%, а содержание сухого вещества повышается до 90%.

Содержание воды устанавливают весовым методом, заключающемся в выдержке проб образца в сушильном шкафу до постоянной массы с последующим отнесением убыли в навеске к высушенному остатку по формуле: W a b 100% где a – исходная навеска, г;

b – высушенная проба, г.

Существуют два способа озоления растительного материала:

мокрый и сухой. Мокрое озоление осуществляется путем кипячения хорошо измельченного вещества с коцентрированными кислотами: серной, азотной, хлорной, смесью азотной с серной, азотной с добавлением перекиси водорода и т.д. Мокрое озоление считается более надежным при определении таких элементов, как сера, фосфор, калий и натрий, которые при сухом озолении могут частично улетучиваться.

Однако опыт показывает, что при медленном и осторожном озолении растительного материала в муфеле и нагревании золы при температуре не свыше 400-450°С существенных потерь фосфора, калия и натрия не происходит (более других теряются сера и хлор).

При определении азота, фосфора, калия в одной навеске наибольшее распространение получил метод мокрого озоления по Гинсбургу и Щегловой. Принцип метода заключается в том, что органические вещества подвергаются гидролизу и окислению смесью концентрированной серной и хлорной кислот. При этом хлорная кислота при нагревании (до 112°С) является сильным окислителем: HClО HCl + 2О2. Серная кислота отнимает воду от органических веществ, которые обугливаются и чернеют без нагревания. При нагревании до 340° С серная кислота в присутствии органических веществ распадается на сернистый газ, воду и кислород: 2H2SO4 SO2 + Н2О +О2. Азотсодержащие органические вещества при нагревании серной и хлорной кислотами подвергаются гидролизу, а находящийся в них азот восстанавливается до аммиака по следующей схеме: белки аминокислоты амиды NH3.

Реактивы и оборудование: концентрированная H2SO4; концентрированная HCl; электрические плитки (3-4 шт); термостойкие колбы для сжигания (15 шт.); поплавки (15 шт).

1. Берут навеску растительного материала 0,2 г и переносят ее в коническую термостойкую колбу на 100 мл. Приливают в колбу 5,5 мл свежеприготовленной смеси кислот: 5,1 мл концентрированной серной (H2SO4) и 0,4 мл соляной (HCl).

2. Закрывают колбу маленькой воронкой или стеклянным поплавком и круговыми движениями добиваются равномерного смачивания растительной пробы кислотами и дают постоять колбе 20-30 мин для обугливания (почернения) растительного материала.

3. После обугливания смесь ставят кипятить на электрическую плитку до появления белых паров и образования однородной темнобурой массы и далее кипятят, часто помешивая до полного обесцвечивания содержимого. Во время озоления необходимо регулировать нагревание колбы, оно не должно быть очень сильным, но в то же время должно обеспечить непрерывное кипение жидкости.

4. Через 1 ч, если обесцвечивание не произойдет, колбу охлаждают и добавляют 2 капли хлорной кислоты и снова продолжают кипячение до полного обесцвечивания содержимого колбы. После обесцвечивания содержимого колбы при помощи промывалки переносят в мерную колбу на 100 мл, доводят дистиллированной водой до метки, закрывают пробкой и тщательно перемешивают.

Метод сухого озоления можно применять для анализа содержания в растениях почти всех макро- и микроэлементов.

По сравнению с мокрым, сухое озоление имеет ряд преимуществ:

позволяет сразу озолить большое количество растительного материала; не требует постоянного наблюдения, что необходимо при мокром озолении; исключается возможность загрязнения за счет реактивов, применяемых при мокром озолении; дает возможность определить общее количество зольных элементов. Однако применение мокрого озоления недопустимо при сильном загрязнении озоляемого материала минеральными примесями, так как за счет разложения этих примесей крепкими кислотами получатся неправильные данные о содержании зольных элементов. При полном зольном анализе навеску растительного материала для сухого озоления следует брать с таким расчетом, чтобы получить 1-1,2 г золы.

Количество золы меняется в зависимости от почвенных, агротехнических и климатических условий развития растений, их жизненной формы (например, травянистые растения содержат больше золы, чем кустарники, а кустарники больше, чем древесные растения), в пределах одного и того же растения (например, более богаты золой листья, затем - побеги и менее всего - корни) и т.д. При озолении листьев, а также травянистых растений (выход золы в среднем составляет 5-7%) можно брать навески 25-30 г. Наибольшие навески приходится брать при озолении побегов и корней древесных растений, у которых выход золы обычно не превышает 2%, а иногда бывает и меньше 1%.

Для сухого озоления нет необходимости сильно измельчать материал: чем мельче материал, тем плотнее он ложится, тем меньше доступ воздуха и тем медленнее идет озоление. Кроме того, мелкие частицы могут легко распыляться выделяющимися при озолении газами. Навески растительного материала лучше всего помещать в большие фарфоровые чашки (d = 12 см) и ставить их в холодный или слабо нагретый муфель, температуру которого постепенно повышают до 400-4500С.

В первый период озоления происходит сухая перегонка вещества, и внутренняя поверхность чашки покрывается темно-бурым налетом. Если с самого начала вести озоление при высокой температуре, то вследствие бурного выделения продуктов перегонки могут произойти механические потери навески. Кроме того, часть фосфора, входящего в образовавшиеся при озолении фосфорнокислые соли, может в присутствии угля и при высокой температуре восстановиться до свободного фосфора и улетучиться. При медленном и постепенном повышении температуры темный налет на чашке исчезает и зола светлеет. Нагревание золы при температуре свыше 500°С не рекомендуется, так как, помимо частичной потери фосфора, калия и натрия, в этих условиях могут образоваться трудно растворимые соединения.

Если зола содержит большие количества кремнекислых или фосфорнокислых солей (например, зола соломы и семян злаков), то эти соли могут обволакивать еще не сгоревшие частицы и тем самым препятствовать их полному озолению. В этом случае чашку охлаждают, осторожно приливают в нее небольшое количество дистиллированной воды или разбавленной перекиси водорода (при этом соли растворяются, а углистые частицы всплывают), содержимое чашки высушивают и чашку снова ставят в муфель (Воскресенская, Грошева, 1994).

Реактивы и оборудование: стандартный биологический материал (СБМТ спирт этиловый; муфельная печь; тигли (12 шт.); тиглевые щипцы; кофемолка;

аналитические весы; эксикатор.

1. Перед озолением навеску растительного образца или стандартного биологического материала (СБМТ -01) измельчают в кофемолке и взвешивают в тиглях на аналитических весах (навеска 0,2 г).

2. Тигли помещают в муфельную печь при температуре 200°С на 1 ч (за это время растительная навеска превращается в однородную черную массу). Для полного озоления тигли выдерживают при температуре 500°С (температура красного каления) в течение 4-5 ч. Если для анализа применяют сырой растительный материал, то его обугливают с помощью этилового спирта, который поджигают, добавляя небольшими порциями непосредственно в тигель до тех пор, пока его содержимое не превратится в черную массу.

При сжигании растительных тканей всегда остается несгораемая часть, называемая золой. В зависимости от состава зола может быть белого, серого, буроватого, зеленоватого, а в присутствии больших количеств марганца даже темно-бурого цвета. Красно-бурая окраска указывает на наличие значительного количества окислов железа. Черноватая зола говорит о наличии несгоревших частиц угля (неполное озоление) (Родин, Ремезев, Базилевич, 1967).

Химический состав золы очень сложный и весьма разнообразный, что зависит от особенностей самого растения и от состава почвы, на которой растет исследуемое растение. В золе можно обнаружить почти все элементы таблицы Д.И. Менделеева, но количественное соотношение между отдельными элементами в золе неодинаково.

В результате сухого озоления получается так называемая «сырая» зола: помимо зольных элементов, она обычно содержит минеральные примеси и углекислоту, так как при разрушении органического вещества кальций, магний, калий и натрий частично образуют карбонаты (Родин, Ремезев, Базилевич, 1967).

Реактивы и оборудование: аналитические весы.

1. Окончив прокаливание в муфеле, и охладив тигель, определяют вес золы, взвешивая тигель с содержимым на аналитических весах.

2. Выход «сырой» золы (А1) в процентах на растительный материал, высушенный при 1050С, вычисляют по формуле:

где а – вес «сырой» золы;

В – навеска воздушно-сухого растительного материала;

С – % гигроскопической влаги, следовательно, коэффициент пересчета на растительное вещество, высушенное при 1050С (2-я сотня в числителе – для пересчета на процентное содержание).

3. Чтобы вычислить количество «чистой золы», определяют в «сырой» золе минеральные примеси (нерастворимого в 5%-ной HCl и 5%ном KOH остатка).

где m – % минеральный примесей;

n – % углекислоты в пересчете на «сырую» золу.

4. Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу 8.

5. Полученную золу растворяют в 2 мл концентрированной соляной кислотой (HCl) и количественно переносят с небольшим объемом воды в мерную колбу на 25 мл. Полученную вытяжку используют для определения различных макро- и микроэлементов.

Примечание: в качестве стандарта для проверки методов сухого и мокрого озоления, а так же методов определения фосфора, калия, азота используют стандартный биологический материал (СБМТ - 01). Стандартный образец предназначен для контроля правильности результатов анализа материалов растительного происхождения на аттестованные компоненты. Аттестованная характеристика – содержания компонента, % (в расчете на материал, высушенный при 105°С) (табл. 9) (Шафринский и др., 1978; Шафринский и др., 1982).

Содержание минеральных элементов в стандартном образце 4.4.1. Определение содержания общего азота с помощью реактива Несслера Метод основан на измерении интенсивности окрашивания анализируемого раствора фотоколориметрическим методом. Окрашивание раствора возникает в результате взаимодействия солей аммония с реактивом Несслера (щелочной раствор йодистой ртутно-калиевой соли). Получается йодистый меркул-аммоний, дающий желтую окраску раствору, интенсивность которой зависит от концентрации в растворе аммиака.

Присутствие в растворе ионов Mg2+, Са2+ и др. мешают определению аммония вследствие образования осадка с реактивом Несслера и вызывают помутнение раствора. Вредное действие примесей устраняется прибавлением к испытуемому раствору сегнетовой соли (калийнатрий виннокислый), которая связывает мешающие ионы в недиссоциирующие соединения, что и устраняет их взаимодействие с реактивом Несслера. Последующее определение аммония проводят на ФЭКе с синим светофильтром при длине волны =420 нм.

Реактивы и оборудование: молибдат аммония (перекристализованный); калий-натрий виннокислый (сегнетовая соль); реактив Несслера; NаОН; лакмусовая бумажка; колбы на 50 мл (25 шт.); ФЭК.

1. Построение калибровочной кривой:

а) для построения калибровочного графика готовят рабочие образцовые растворы хлористого аммония. Для этого берут навеску 0,382 г перекристаллизованой соли NH4Cl и растворяют в 1 л дистиллированной воды.

Получают исходный раствор (раствор А) с содержанием 0,1 мг NH3 в 1 мл.

Проверяют правильность взятия навески, для чего проводят следующий расчет:

молекулярная масса NH4Cl равна 53,3 г, а молекулярная масса NH3 - 17 г.

Составляют пропорцию:

б) из полученного раствора путем 10-ти кратного разбавления (10 мл до 100 мл) готовят раствор с содержанием 0,01 мг NH3 в 1 мл (раствор Б);

в) готовят шкалу образцовых растворов в колбах на 50 мл со следующими концентрациями NH3 (мг): 0,01; 0,02; 0,04; 0,06 и т.д. (по схеме), для этого берут 1, 2, 4, 6 и т.д. мл раствора Б;

г) затем в мерные колбы на 50 мл приливают до 20-40 мл дистиллированной воды, перемешивают, добавляют 2 мл 20%-го раствора сегнетовой соли, 2 мл реактива Несслера, доводят содержимое колбы до метки дистиллированной водой и перемешивают.

Образцовые растворы фотометрируют на ФЭКе с синим светофильтром ( =410 нм);

д) устанавливают «0» прибора по раствору, характеризующему чистоту реактива. Для этого в мерную колбу на 50 мл берут 40 мл дистиллированной воды, затем добавляют 2 мл сегнетовой соли и 2 мл реактива Несслера, доводят водой до метки и перемешивают (табл. 10);

е) на миллиметровой бумаге строят калибровочный график.

№ колб Количество NH4Cl, мл Концентрация NH3, мг/мл Показания 2. Одновременно со шкалой образцовых растворов фотоколориметрируют испытуемые растворы. Берут 2-4 мл опытного раствора (после сжигания), добавляют дистиллированной воды до половины колбы.

3. Нейтрализуют по лакмусовой бумаге 10%-ным раствором NаОН (до посинения). Затем приливают 2 мл 20%-го раствора сегнетовой соли, а затем 2 мл реактива Несслера и доводят дистиллированной водой до метки, каждый раз перемешивая содержимое колбы. Необходимо соблюдать порядок добавления растворов, чтобы не произошло помутнения. В результате реакции раствор окрашивается в желтый цвет (низкое содержание азота) или оранжевый (высокое содержание азота).

4. Определяют оптическую плотность опытных растворов и по графику рассчитывают концентрацию NH3 в мг/50 мл.

5. Вычисляют процент содержания азота в растительном матеА 100 К Н 2О где А – концентрация азота в мг на 50 мл, найден по графику и соответствует оптической плотности испытанного раствора или показания прибора, переведенные на ctg ;

1000 – для пересчета навески в мг;

К н2 о – поправка на влажность растительного материала;

100 – для пересчета в %;

Н – масса навеска растительного материала (г) в пересчете на 2 мл испытанного раствора.

Пример: 0,2 г сухой навески озоляют и переносят в колбу на 25 мл (сухое озоление). Непосредственно для определения азота берут 2 мл опытного раствора:

0,2 г 25 мл 2 мл, т.е. Е= 12,5, или для определения азота взята 1/12,5 часть навески. Составляют пропорцию:

т.е. в формулу вместо Н ставят 0,016.

6. Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу 11.

Определение содержания общего азота в растительном материале П р и г о т о в л е н и е р е а к т и в а Н е с с л е р а : 1) раствор № 1: 20 г йодистого калия растворяют в 50 мл воды. К раствору добавляют 32 г двуйодистой ртути и кипятят до растворения. Объем полученного раствора доводят до 200 мл. В осадок выпадает излишек HgJ2 (красный осадок). Раствор методом декантации переливают в чистую посуду;

2) раствор № 2: к 100 мл раствора NаОН (1:7) дистиллированной воды в цилиндре до 300 мл. При сливании растворов № 1 и № 2 получают реактив Несслера, который перед употреблением должен отстояться хотя бы сутки.

4.4.2. Определение азота хлораминным методом Часто при проведении полевых исследований используют титрометрический метод определения общего азота.

Реактивы и оборудование: 2н раствор NаОН; 0,12н раствор фосфатного буфер; 0,12н раствор хлорамина; 20%-ный раствор йодистого калия; 8%-ный раствор щавелевой кислоты; 0,02н раствор тиосульфата натрия; бюретка для титрования;

колбы на 50 мл (5 шт.); стаканы для титрования (15 шт.).

1. В колбу для титрования берут 10-20 мл опытных растворов, полученных в результате мокрого озоления. Прибавляют одну каплю 0,1%-го раствора метилоранжа и нейтрализуют 2н раствором NаОН до перехода окраски индикатора. Затем прибавляют 10 мл 0,12н фосфатного буферного раствора с рН=6,7, содержащего бромистый калий, перемешивают и по стенке колбы приливают 5 мл 0,12н раствора хлорамина. Колбу накрывают часовым стеклом, раствор перемешивают круговым движением и оставляют на 25 мин. После этого добавляют 2 мл 20%го раствора йодистого калия и 10 мл 8%-го раствора щавелевой кислоты.

2. Выделившийся йод титруют 0,02н раствором тиосульфата натрия в присутствии индикатора крахмала (заварить), прибавля емого в конце титрования. При этом следует иметь в виду, что 1 мл 0,02н раствора тиосульфата натрия соответствует 0,09338 мг азота.

Все реактивы должны быть проверены на содержание азота. Для этого ставят контрольный опыт со всеми реактивами, применяемыми в данном методе. Проводя те же операции, что и при определении азота, только без исследуемого вещества. На каждую серию определений ставят два контрольных опыта.

3. Содержание азота вычисляют по следующей формуле:

где Х – содержание азота в расчете на сухое вещество;

К – нормальность раствора тиосульфата натрия;

А – объем раствора, в котором растворена навеска после сжигания (100 мл);

V – объем исследуемого раствора, взятый для окисления азота хлорамином (10 мл);

а – объем 0,02н раствора тиосульфата натрия, затраченный на титрование исследуемого раствора, мл;

в – объем 0,02н раствора тиосульфата натрия, затраченный на титрование контрольного раствора, мл;

Н – сухая навеска, г;

0,04669 – нормальный титр азота, умноженный на 100 для пересчета в %.

Примечание: разность (а - в) не должна превышать 22 мл.

4. Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу 12.

Варианты № Навеска, Объем 0,02н раствора тио- Содержание азота опыта колб взятая сульфата натрия, затраченнодля сжи- го на титрование Приготовление реактивов:

раствор хлорамина (0,12н): взвешивают 15 г хлорамин Т или 16 г хлорамина Б, растворяют в дистиллированной воде и доводят водой до 1 л, тщательно перемешивают и фильтруют через вату в темную склянку с притертой пробкой;

раствор молибдена натрия (10%): взвешивают 10 г соли, растворяют в мл дистиллированной воды, прибавляют 0,5 мл 2н раствора едкого натрия, нагревают до кипения и кипятят 15 мин, затем охлаждают, доводят водой до 100 мл и сохраняют в хорошо закрытой склянке с притертой пробкой;

раствор тиосульфата натрия (0,02н): этот раствор готовят из титрованного 0,1н раствора разбавлением в 5 раз водой;

раствор щавелевой кислоты (8%): взвешивают 80 г Н2С2О4·2Н2О, растворяют в горячей дистиллированной воде, разбавляют до 1 л и перемешивают;

раствор едкого натра (2н): взвешивают на технических весах 80 г NаОН, растворяют в 1 л дистиллированной воде, нагревают до кипения и кипятят 30 мин, затем охлаждают, доводят объем водой до 1л, перемешивают и сохраняют в хорошо закрытой склянке;

фосфатный буферный раствор с бромистым калием (рН=6,7): взвешивают 52,6 г высушенной при 105°С соли КН2РО4 и 100 г KBr, растворяют обе соли вместе в воде, прибавляют 80 мл 2н раствора едкого натра, разбавляют до 1 л водой, перемешивают и сохраняют в хорошо закрытой склянке.

В растениях фосфор содержится, главным образом, в виде сложных органических веществ. При осторожном озолении растений находящаяся в них фосфорная кислота остается в виде солей различных металлов. В данном методе о содержании неорганического фосфора в растворе судят по интенсивности синей окраски восстановленного фосфорномолибденового комплекса. Последний образуется в кислой среде (рН=4) из фосфорной и молибденовой кислот в присутствии аскорбиновой кислоты. Оптическая плотность окрашенных растворов пропорциональна концентрации ионов фосфора.

Реактивы и оборудование: молибдат аммония; сурьмянокислый калий;

серная кислота; аскорбиновая кислота; перекристализованный КН2РО4; колбы на мл (2 шт.) и на 50 мл (25 шт.); ФЭК.

1. Для определения фосфора используют растительную навеску, сожженную методом сухого или мокрого озоления. Для этого 5 мл раствора переносят в мерную колбу на 50 мл и доводят до метки реактивом С, т.е.

приливают его 45 мл.

2. Колба стоит 30 мин, а затем ее колориметрируют на ФЭК с красным светофильтром при длине волны =670 нм (цвет раствора синий). Раствор для сравнения (нулевой раствор) готовят следующим образом: 5 мл воды 45 мл приготовленного реактива С в колбе на 50 мл.

3. Построение калибровочной кривой (табл. 13):

а) берут навеску 0,1917 г перекристализованного монофосфата калия (КН2РО4) и растворяют в мерной колбе на 1 л в 0,2н растворе соляной кислоты (17 мл концентрированной НCl доводят водой до 1 л, при условии, что исходная соляная кислота имела следующие характеристики: плотность 1,19, концентрацию – 36%). Полученный раствор содержит 0,1 мг фосфора в форме Р2О5 в 1 мл.

Проверяют правильность взятия навески, для чего проводят расчет: молекулярная масса КН2РО4 равна 129 г, а двух молекул соли соответственно 258 г; молекулярная масса оксида фосфора (Р2О5) равна 142 г, составляется пропорция:

Значит, в 1 литре полученного раствора содержится 0,1 г Р2О5, а в 1 мл – 0,1 мг фосфора в форме Р 2О5.

Этот раствор называют исходным или маточным и обозначают буквой «М». Из данного раствора путем многократного разбавления готовят шкалу образцовых растворов. При описанном методе определения фосфора удобнее всего использовать два приема разбавления:

а) берут 10 мл исходного раствора М и доводят водой до мл, этот раствор обозначают буквой «Б», в 1 мл раствора Б будет содержаться 0,01 мг фосфора. Затем готовят шкалу образцовых растворов в колбах на 50 мл со следующими концентрациями Р 2О5 (мг): 0,01; 0,02;

0,03; 0,04; 0,05. Для этого нужно взять следующие количества образцового раствора (мл): 1, 2, 3, 4, 5. В каждую колбу добавляют необходимое количество воды, доводя объем до 5 мл, например, 1 мл (образцового раствора) + 4 мл (воды) + 45 мл (реактива С).

б) для приготовления образцового раствора с более высокой концентрацией фосфора берут 20 мл исходного (маточного) раствора М и доводят водой до 100 мл.

Данный раствор будет содержать 0,02 мг Р2О5/мл, обозначают этот раствор как Б1. Готовят серию образцовых растворов в колбах на мл со следующим содержанием фосфора (мг): 0,06; 0,08; 01. Для этого берут 3, 4 и 5 мл вновь приготовленного раствора Б 1. В 1-ю и 2-ю колбы добавляют необходимое количество воды, соответственно 2 и 1 мл и доводят объем до 5 мл. Подготовив шкалу образцовых растворов, в каждую колбу объемом 50 мл добавляют 45 мл реактива С, колбы оставляют на 30 мин, а затем колориметрируют на ФЭКе с красным светофильтром. Калибровочную кривую строят на миллиметровой бумаге (рис. 11).

На оси абсцисс откладывают показания прибора в единицах оптической плотности. На оси ординат показывают содержание фосфора с указанием объема исследуемых проб. Одним из приемов проверки точности построения калибровочного графика и облегчения результатов расчета является нахождение котангенс, который равен:

При расчете результатов анализа показания прибора, полученные при исследовании опытных образцов, умножают на котангенс.

4. Вычисляют процент содержание фосфора в растительном маА 100 К Н 2О где А – количество мг/50 мл Р2О5, найденное по графику, и соответствует оптической плотности раствора или показания прибора, переведенные на ctg ;

КН2О – поправка на влажность растительного материала (рассчитывается в отдельном опыте);

100 – для пересчета в %;



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«Фактический адрес: 127055, г. Москва, ул. Новослободская, дом 62, корпус 19 Тел/факс: (495) 221-21-95, (499) 973-93-88, 972-16-16 E-mail: zakaz@aliansbook.ru Прайс-лист на 18.11.08 Цена Код Заказ Стр Название Автор Изд-во Гуманитарные науки Педагогика 502781 Педагогика физической культуры: Учебник. Гриф УМО П Прохорова М.В., Сидоров Альянс временно нет А.А., Синюхин Б. Иностранные языки Альянс временно Серебренникова Н.И. нет 517140 Английский язык для химиков П Круглякова И.Е. Альянс Михельсон...»

«Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова Научно-образовательный центр по нанотехнологиям Химический факультет Кафедра химической технологии и новых материалов А.Ю. Алентьев, М.Ю. Яблокова СВЯЗУЮЩИЕ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Учебное пособие для студентов по специальности Композиционные наноматериалы МОСКВА 2010 Редакционный совет: проф. В.В. Авдеев проф. А.Ю. Алентьев проф. Б.И. Лазоряк доц. О.Н. Шорникова Методическое руководство предназначено для слушателей...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова И.А. Самофалова СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ КЛАССИФИКАЦИИ ПОЧВ Учебное пособие Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по агрономическому образованию в качестве учебного пособия для подготовки магистров, обучающихся по направлению...»

«Н.Л. ГЛИНКА ОБЩАЯ ХИМИЯ Учебное пособие Издание стереотипное КНОРУС • МОСКВА • 2014 УДК 54(075.8) ББК 24.1я73 Г54 Глинка Н.Л. Г54 Общая химия : учебное пособие / Н.Л. Глинка. — Изд. стер. — М. : КНОРУС, 2014. — 752 с. ISBN 978-5-406-03623-5 Учебное пособие предназначено для студентов нехимических специальностей высших учебных заведений. Оно может служить пособием для лиц, самостоятельно изучающих основы химии, для учащихся химических средних...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДРАЦИИ Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВРСИТЕТ Биолого-химический факультет Кафедра органической, биологической химии и методики преподавания химии Учебное пособие по органической химии Алифатические и ароматические углеводороды Составитель д.х.н., профессор кафедры органической, биологической химии и методики преподавания химии...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЛ ГАММЕТТ УФИМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АВИАЦИОННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА В.П. МАЛИНСКАЯ Р.М. АХМЕТХАНОВ КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ Учебное пособие Уфа РИЦ БашГУ 2013 УДК 544.77(075.32) Издание осуществлено при финансовой поддержке РФФИ (проект 12-01моб-г), при поддержке гранта правительства РФ по договору №11.G34.31.0042 и за счет внебюджетных средств БашГУ. Издание подготовлено в рамках...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ КАФЕДРА СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЙ И ТОВАРОВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЙ Рабочая программа, темы контрольных работ и методические указания по их выполнению для студентов I курса заочной формы обучения ИЗДАТЕЛЬСТВО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ Рекомендовано...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина Р.З. Сафиева Нефтяные дисперсные системы: состав и свойства (часть 1) Допущено Учебно-методическим отделом по высшему нефтегазовому образованию в качестве учебного пособия для студентов по направлению подготовки бакалавра 553600 НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО и направлению подготовки дипломированного специалиста 650700 НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО. Москва 2004 2 ББК УДК 665.6 Р.З. Сафиева. Химия...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет естественных наук В. А. РЕЗНИКОВ ХИМИЯ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Учебное пособие для студентов специальности “Химия” и “Биология” Новосибирск 2006 ББК Г23я73-1 УДК 547 Р344 Резников В. А. Химия азотсодержащих органических соединений: Учеб. пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2006. 130 с. Учебное пособие содержит материал по химии основных классов азотсодержащих органических соединений,...»

«Министерство образования Российской Федерации Казанский государственный технологический университет Я.Д.Самуилов Е.Н.Черезова РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Учебное пособие 2003 Министерство образования Российской Федерации Казанский государственный технологический университет Я.Д.Самуилов Е.Н.Черезова РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Учебное пособие Казань 2003 УДК 547.541 Реакционная способность органических соединений: Учеб.пособие/ Я.Д. Самуилов, Е.Н....»

«ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ А.А Каверина, М.Г. Снастина МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО НЕКОТОРЫМ АСПЕКТАМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ (на основе анализа типичных затруднений выпускников при выполнении заданий ЕГЭ) Москва, 2013 1 Единый государственный экзамен по химии начиная с 2009 г. проходит в штатном режиме как экзамен по выбору выпускников. По его итогам выявляется уровень освоения каждым экзаменуемым образовательных программ по химии, соответствующих Федеральному...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЦЕНТР КАФЕДРА ХИМИИ С. Г. Барам, М. А. Ильин ХИМИЯ В ЛЕТНЕЙ ШКОЛЕ Новосибирск 2009 1 УДК 54.6.7 ББК 24.1 Барам С. Г., Ильин М. А. Б 24 Химия в Летней школе / Учеб. пособие. Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2009. 48 с. Учебное пособие состоит из четырех разделов общей химии: Основные понятия химии. Газовые законы. Расчеты по уравнениям химических реакций, Строение атома и структура...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Рабочая программа дисциплины (модуля) Органическая и физколлоидная химия Направление подготовки 111801 Ветеринария Квалификация (степень) выпускника – специалист Форма обучения очная Орел 2012 год Оглавление Введение 1. Цели и задачи дисциплины 2. Место дисциплины в структуре ООП 3. Требования к результатам...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Немилов С.В. ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ СТЕКЛА Учебное пособие Санкт- Петербург 2009 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Немилов С.В. ОПТИЧЕСКОЕ...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования СанктПетербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ПРИКЛАДНОЙ ЭКОЛОГИИ П. В. Мусихин НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ Учебное пособие Утверждено учебно-методическим советом Сыктывкарского лесного института в качестве учебного...»

«Донецкий национальный медицинский университет им. М.Горького. Кафедра медицинской химии. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к практическим занятиям по биоорганической химии (для студентов первого курса медицинского факультета). Донецк - 2011 Методические указания подготовили: -зав. кафедрой доцент Рождественский Е.Ю. -доценты: Сидун М.С., Селезнева Е. В. -ст. преподаватель Павленко В.И. -ассистенты кафедры: Бусурина З.А., Сидоренко Л.М., Игнатьева В.В., Бойцова В.Е. -2Вступление. Целью развития...»

«Н.Л. ГЛИНКА ОБЩАЯ ХИМИЯ УДК 54(075.8) ББК 24.1я73 Г54 Глинка Н.Л. Общая химия : учебное пособие / Н.Л. Глинка. — М. : Г54 КНОРУС, 2011. — 752 с. ISBN 978 5 406 01437 0 Учебное пособие предназначено для студентов нехимических специальностей высших учебных заведений. Оно может служить пособием для лиц, самостоятельно изучающих основы химии, для учащихся химических средних профессиональных образовательных учреждений и старших классов средних школ. УДК 54(075.8) ББК 24.1я73 Глинка Николай...»

«1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра технологий пищевых производств Корчунов В. В., Бражная И. Э. ХИМИЯ ПИЩИ Учебное пособие Допущено Ученым советом университета в качестве учебного пособия для студентов всех форм обучения по дисциплинам Химия пищи и Пищевая химия для специальностей 260302.65 Технология рыбы и рыбных продуктов,...»

«Е. Е. Минченков А. А. Журин ХИМИЯ Методические рекомендации к учебнику для 8 класса общеобразовательных учреждений Пособие для учителя Методические рекомендации соответствуют учебнику, рекомендованному Министерством образования и науки Российской Федерации Смоленск Ассоциация XXI век 2010 Предисловие Данное пособие предназначено для учителей, преподающих химию по программе для основной школы Е. Е. Минченкова, А. А. Журина и Т. В. Смирновой. Практически упомянутая программа реализована в...»

«ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ХИМИИ История органической химии История физической химии 34 Министерство образования Российской Федерации Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова Кафедра общей и биоорганической химии ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ХИМИИ История органической химии История физической химии Методические указания Ярославль 2002 1 ББК Г.в.я 73 И 90 Cоставитель С.Г. Сибриков История и методология химии: Метод. указания / Сост. С.Г. Сибриков; Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2002. 32 с....»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.