Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Сумина А.В. 1, 2 Полонский В.И. 2 Бортников С.В. 1

---

1 ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет имени Н.Ф. Катанова»

2 ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет»

Целью настоящего исследования является анализ зависимости скорости начального поглощения воды зерном овса ярового, ячменя ярового и пшеницы яровой мягкой при его выдерживании в водных суспензиях различных форм бентонита. В работе использовали водные суспезии бентопорошка: исходную (карьерную) глину (0,5 г на 100 мл воды), активированную карбонатом натрия глину в той же концентрации, активированную глину с добавлением глицина. В контроле применяли дистиллированную воду. Эксперименты выполняли с зерном ячменя ярового (сорт Биом), овса ярового (сорт Тубинский) и пшеницы яровой мягкой (сорт Алтайская 70). Ежеминутно измеряли динамику поглощения воды сухим зерном (навеска 50 г) в течение первых 5 мин от начала его замачивания. Во всех вариантах с суспензией бентонита по сравнению с контролем установлены более высокие темпы поглощения воды зерном в первую минуту его замачивания. Опыт превышал контроль в 2,2 (ячмень), 2,4 (овес) и 4,3 раза (пшеница). После замачивания в течение 5 мин средние различия между опытными вариантами, с одной стороны, и контролем, с другой, составили 11 (пшеница яровая мягкая), 40 (ячмень яровой) и 62 % (овес яровой). Предложен вероятный механизм зарегистрированного эффекта. При замачивании зерна в суспензии глины возможно отложение твердых частиц внутри капилляров, сопровождающееся сужением последних. Вследствие эффекта уменьшения радиуса капилляров интенсивность поглощения воды зерном из суспензии глины может увеличиться. Добавление ионов натрия и аминокислоты глицина (так называемое активирование бентонитовой глины) способствует некоторому дальнейшему повышению темпов поглощения воды, по-видимому, из-за увеличения адгезии и смачиваемости капилляров в веществе зерна. Исследование выполнено за счет гранта Министерства образования и науки Республики Хакасия (Соглашение № 104 от 10.10.2023).

Статья в формате PDF

492 KB

бентонит

поглощение воды

зерно

овес

пшеница

ячмень

1. Mi J., Gregorich G.E., Xu S., McLaughlin N.B., Ma B., Liu J. Effect of bentonite amendment on soil hydraulic parameters and millet crop performance in a semi-arid region // Field Crops Research. 2017. Vol. 212. P. 107–114.

2. Казакова А.С., Майборода А.С. Микрофенологические фазы прорастания семян ячменя: монография. Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2018. 183 с.

3. Кошеляев В.В., Карпова Г.А., Кошеляева И.П. Научное обоснование формирования продуктивности ярового ячменя под влиянием приемов технологии возделывания в лесостепи Среднего Поволжья. Пенза: РИО ПГСХА, 2013. 218 с.

4. Новохатин В.В. Научное обоснование первичного и элитного семеноводства зерновых культур // Достижения науки и техники АПК. Секция: Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство. 2018. Т. 32, № 9. С. 40–47.

5. Овчаров К.Е. Физиология формирования и прорастания семян. М.: Колос, 1976. 256 с.

6. Chao Wang, Shuxia Wu, Tankari Moussa, Ximei Zhang, Li Li, Daozhi Gong, Weiping Hao, Yanqing Zhang, Xurong Mei, Yufei Wang, Fulai Liu, Yaosheng Wang. Stomatal aperture rather than nitrogen nutrition determined water use efficiency of tomato plants under nitrogen fertigation // Agricultural water management. 2018. Vol. 209. P. 94–101.

7. Глотова И.А., Галочкина Н.А. Влияние источников селена на биохимические процессы при набухании и прорастании зерна пшеницы // Химия растительного сырья. 2017. № 4. С. 211–216.

8. Tahir S., Marschner P. Clay amendment to sandy soil-effect of clay concentration and ped size on nutrient dynamics after residue addition // Journal of soils and sediments. 2016. Vol. 16. P. 2072–2080.

9. Полонский В.И., Сумина А.В. Начальное поглощение воды зерном ячменя связано с показателем его пленчатости // Вестник Красноярского государственно

Изменение климатических показателей, особенно в плане выпадения осадков, оказывает заметное влияние на количество и качество урожая большинства выращиваемых культур, особенно в полузасушливых и аридных регионах, где нехватка воды является существенным ограничивающим фактором в сельскохозяйственном производстве. Ценность продукции растениеводства определяется не только общим количеством воды и эффективностью ее использования, но также зависит от характера распределения осадков в течение вегетационного периода [1].

Зрелое зерно обычно содержит от 86 до 90 % сухого материала, главным образом состоящего из углеводов (таких как крахмал, клетчатка, декстрины и сахара), белков, различных витаминов, жиров и минералов. Эти минералы при сжигании образуют зольный остаток. Чтобы процесс прорастания зерна был возможен, содержание воды в нем должно быть минимум 50 %. Прорастание зерна становится практически невозможным, если влажность почвы составляет менее 30 % от ее полной водоудерживающей способности [2].

При этом семена, которые уже высохли, быстро впитывают влагу и увеличиваются в размере. Если деление и рост клеток зародыша еще не начались, семена можно высушить снова, и они не потеряют свою способность к прорастанию. Это значит, что процесс поглощения воды обратим [3]. Семена зерновых культур начинают поглощать воду, как только вступают в контакт с ней [4]. Химический состав семян разных культур и их биологические характеристики определяют различное требование к количеству необходимой для прорастания поглощенной воды. Эта величина, например, у ячменя равна 48,2 % от сухой массы [5]. Скорость впитывания воды зависит от характеристик семян, таких как размер и масса, анатомическое строение, способ поступления воды в семя, проницаемость семенной оболочки и химический состав. Также на скорость влияют поверхность семени, вступающая в контакт с водой, и температура. Генетические факторы также оказывают значительное влияние на процесс поступления воды в семена [2].

Выявлена и последовательность проникновения воды в семена. После набухания кожуры начинается процесс набухания семядолей и гипокотиля, в результате чего их поверхность также заметно возрастает. В этот период происходит биохимическая подготовка роста, которая затем проявляется в интенсивном удлинении корешка, пронизывающего растянутую кожуру со скоростью около 0,1 мм/ч [3].

Как известно, с эффективным поглощением и использованием воды растительным организмом связана активность его метаболических процессов и, как следствие, продуктивность и устойчивость к действию неблагоприятных экологических факторов. На уровне целого растения указанные изменения сопровождаются, как правило, стимуляцией роста корневой системы [6]. Главный фактор, обеспечивающий полноценные условия для прорастания семян, – это необходимое количество в них воды [2]. Принято считать, что прорастание предопределяется активацией метаболизма, происходящей перед наклевыванием семени [7].

Уже при влажности от 20 до 25 % в осевых органах запускается первичный обмен веществ. В диапазоне значений влажности от 40 до 55 %, по-видимому, начинает синтезироваться белок на запасенной матричной РНК с использованием всех компонентов системы синтеза белка, которые были накоплены при созревании, а также синтезируется матричная РНК семян, обеспечивая выполнение всей генетической программы прорастания. В этом диапазоне влажности также активизируется процесс дыхания, который объясняется завершением процесса образования митохондрий и началом мобилизации крахмала и запасенного белка в семенах. К концу этапа активации обмена веществ в клетках осевых органов подготавливается энергетическое обеспечение для последующих событий и начинается гидролиз запасных веществ. Поступление воды в осевые органы происходит до достижения влажности 55–60 % за счет «физического» набухания. Таким образом, активация метаболизма в семенах при наличии влаги в почве происходит всегда [2].

Первый этап прорастания семян представляет собой процесс активации метаболизма, который длится от начала контакта семени с водой до завершения «физического» набухания. Последний обеспечивается за счет механизма капиллярного поглощения влаги, функционирующего вследствие наличия низкого матричного потенциала сухого семени. Установлено, что семена, поглотившие воду в большем количестве в первые четыре часа, оказались более продуктивными [2]. Поэтому агроприемы, способствующие большему относительному поглощению воды семенами, могут быть эффективными в плане повышения продуктивности культурных растений.

Бентонит – это филлосиликатная глина, состоящая преимущественно из монтмориллонита, экологичный природный материал, обладающий отличными адсорбционными свойствами, и поэтому его можно использовать в качестве естественного и нетоксичного удобрения для почвы. Исследования показали, что применение бентонита повышает влагоудерживающую способность почвы и эффективность использования воды в сельскохозяйственных культурах [8]. Результатов изучения влияния бентонита на темпы поглощения воды семенами при их замачивании нам не удалось встретить в доступной литературе.

Цель исследования состоит в анализе зависимости скорости начального поглощения воды семенами при выдерживании их в водных суспензиях различных форм бентонита.

Материалы и методы исследования

В качестве экспериментальных вариантов были взяты водные суспезии бентопорошка (табл. 1): активированной карбонатом натрия глины (0,5 г на 100 мл воды), активированной глины с добавлением глицина, исходной (карьерной) глины в той же концентрации. В контроле использовалась дистиллированная вода.

В экспериментах использовали зерно ячменя (сорт Биом), овса (сорт Тубинский) и пшеницы (сорт Алтайская 70), выращенное на территории Бейского района Республики Хакасия в 2022 г.

Таблица 1

Описание модельных систем

В работе были проведены измерения динамики относительного поглощения водных растворов модельных систем зерном указанных выше сельскохозяйственных культур. Суть подхода состояла в анализе динамики поглощения воды зерном в течение первых 5 минут от начала его замачивания. Для этого навеску сухих зерен каждого образца по 50 г (точность измерения 0,1 г) помещали в сосуд с соответствующим раствором (t = 18–20 °С). Затем с интервалом 1 мин извлекали из сосуда зерно, промокали его фильтровальной бумагой и взвешивали. После чего по формуле рассчитывали относительное поглощение жидкости зерном за каждую минуту экспозиции:

ОПВ = [(Мкон – Мнач) / Мнач] x 100 %,

где Мкон – масса зерна после процедуры намачивания за каждую минуту; Мнач – исходная масса сухого зерна [9].

Результаты исследования и их обсуждение

Полученные данные представлены на рис. 1–3 и в табл. 2. Результаты говорят, что во всех вариантах с суспензией бентонита по сравнению с контролем существуют более высокие темпы поглощения воды зерном в первую минуту его замачивания. Исходя из табл. 2, по рассматриваемому показателю опытные варианты отличались от контроля в 2,2 раза (яровой ячмень), 2,4 (яровой овес) и 4,3 раза (яровая мягкая пшеница). Подчеркнем, что полученный эффект мало зависел от вида растений. Далее в рассматриваемом физическом процессе с течением времени наблюдаемый разрыв между опытными вариантами, с одной стороны, и контролем, с другой, продолжал увеличиваться. Особенно это заметно у пленчатых зерновых культур – яровых овса и ячменя.

После замачивания в течение 5 мин средние различия между опытными вариантами, с одной стороны, и контролем, с другой, составили 11 % (пшеница яровая мягкая), 40 % (ячмень яровой) и 62 % (овес яровой). Среди вариантов с применением бентонитовой суспензии различия в регистрируемом поглощении воды зерном были относительно слабые.

Каковы возможные механизмы наблюдаемого в работе эффекта? Семя в состоянии покоя представляет собой систему капилляров, пронизывающих сухое органическое вещество, и в первые минуты оно поглощает воду только за счет капиллярных сил, по градиенту так называемого матричного потенциала. Хорошо известно, что капиллярное давление математически выражается прямой зависимостью от поверхностного натяжения жидкости и обратной зависимостью от радиуса капилляра и плотности используемой жидкости.

Рис. 1. Поглощение зерном овса ярового воды и растворов на основе бентонита

Рис. 2. Поглощение зерном яровой мягкой пшеницы воды и растворов на основе бентонита

Рис. 3. Поглощение зерном ячменя ярового воды и растворов на основе бентонита

Таблица 2

Поглощение модельных растворов зерном различных культур

С одной стороны, весьма вероятно, что поверхностное натяжение используемых водных суспензий глины будет ниже по сравнению с чистой водой, а плотность таковых будет превышать плотность дистиллированной воды. И первое, и второе должно сопровождаться снижением темпов поглощения воды зерном в опытных вариантах. Но в экспериментах отмечается противоположный эффект. Следовательно, ни поверхностное натяжение, ни плотность используемых суспензий глины не имеют отношения к регистрируемому экспериментальному факту.

С другой стороны, при замачивании зерна в суспензии глины возможно отложение частиц глины внутри капилляров, сопровождающееся их сужением. Вследствие эффекта уменьшения радиуса капилляров интенсивность поглощения воды зерном из суспензии глины может увеличиться. Добавление ионов натрия и аминокислоты глицина (так называемое активирование бентонитовой глины) способствует некоторому дальнейшему повышению темпов поглощения воды, по-видимому, вследствие увеличения адгезии и смачиваемости капилляров.

Таким образом, в результате проведенных исследований были получены новые знания, касающиеся вопроса прайминга зерна в части изучения механизма начального поглощения воды и растворов на ее основе. Было установлено, что добавление ионов натрия и аминокислоты глицина (так называемое активирование бентонитовой глины) способствует повышению темпов поглощения зерном водных растворов в исследуемом временном интервале, по сравнению с дистиллированной водой, что может быть связано с увеличением адгезии и смачиваемости капилляров. Анализ современной научной литературы подчеркивает большой потенциал фундаментальных и прикладных исследований по изучению механизмов праймирования зерна как варианта, улучшающего его качественные и количественные характеристики, а также повышающего устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Библиографическая ссылка