X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Культивирование солероса европейского в Крыму
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В самых засушливых регионах мира набирает значительную популярность культивирование галофитов как альтернативы традиционным культурам. В настоящее время не менее 20 стран мира изучают проблему галофитов с целью оптимизации агроландшафтов, повышения биологической продуктивности земель и увеличения производства кормов, лекарственного и масличного сырья, энергоресурсов. Мировой опыт показывает, что галофиты представляют собой важнейшее биологическое средство утилизации соленых вод при одновременном получении кормов [6; 7]. Галофиты, насчитывающие в мировой флоре более 2000 видов, способны нормально функционировать и продуцировать в условиях засоленной среды. Галофиты имеют потенциал в кулинарном, масличном, фармацевтическом, животноводческом и медицинском использовании [1; 4; 6]. Культивирование галофитов становиться актуальным в связи с возможностью влияния на освоение, уход и повышение урожайности земель. Культивирование – это разведение, выращивание растений, злаков, растительных клеток, тканей, микроорганизмов, животных или органов в искусственных условиях. Такими вопросами занимаются ученые: Блинова К.Ф., Котов С.Ф., Шамсутдинов З.Ш., Шамсутдинов Н.З. и другие.
Цели данной работы:
изучение литературы, связанной с исследованием культивирования галофитов на засоленных почвах;
культивирование солероса европейского;
сравнительный анализ засоленности почв;
выращивание пшеницы на засоленной почве.
Анализ жизнедеятельности галофитов приобретает все большую значимость в связи с глобальным увеличением территорий засоленных земель в Крыму в зонах орошаемого земледелия. Избыток в почве легко растворимых солей (преимущественно ионов Na+ и Cl–) отрицательно сказывается на сельскохозяйственных культурах, снижая урожай и ухудшая его качество.
Научная новизна работы: культивирования галофитов на засоленных почвах.
Теоретическая значимость работы: описать культивирование солероса европейского.
Практическая значимость работы: сравнительный анализ засоленности почв; культивирование солероса европейского; проращивание пшеницы с гумусом солероса европейского.
Задачи работы:
изучить литературу;
определить засоленность почвы;
уменьшить засоленность почвы биологическим методом;
сравнить полученные результаты;
подготовить гумус;
провести эксперимент с проращиванием пшеницы.
Гипотеза: при пресном поливе без естественной солевой подпитки почка будет опресняться; гумус солероса европейского является удобрением и качественно положительно влияет на рост пшеницы.
Методы исследования: анализ литературы, сравнение, выпаривание, интенсивности выпадения осадка, проращивание пшеницы.
Одним из важнейших вопросов фитоценологии до сих пор остается вопрос взаимоотношений растений друг с другом при совместном произрастании. Необходимость исследования этой проблемы в сообществах галофитов диктуется не только потребностями теории, но и практическим интересом рационального использования естественных и искусственных фитоценозов [4; 5].
I. Теоретическая часть.
1. Галофиты
Наша планета в настоящее время переживает кризис истощения запасов пресной воды и засоление почвы и грунтовых вод. Ожидается, что этот дефицит воды увеличится в будущем из-за постоянного прироста населения. Уже почти треть пахотных земель (380 млн. га) подвержена засолению [1; 7]. Поэтому важно, развивать новые культуры, которые имеют большую переносимость соли. Одним из вариантов является повышение солеустойчивости обычных сельскохозяйственных культур с помощью традиционных селекционных программ или путем развития генетически адаптированных растений. Однако результаты первоначальной работы над такими методами не были успешны. Другим вариантом является окультуривание галофитов для промышленного растениеводства [3; 4].
Галофит - это "естественно эволюционировавшее солеустойчивое растение, которое адаптировалось к произрастанию в засоленных средах". В некоторых случаях галофиты напрямую необходимо воздействия солености, чтобы выжить [4; 6].
Галофиты также имеют обширное коммерческое применение и потенциал. Используются в качестве сырья для овощной или кормовой базы, являются источником масел с высокой пищевой ценностью, также галофиты используются в качестве предшественника биотоплива, и могут быть использованы как вторичные метаболиты в фармацевтической продукции и производстве пищевых добавок[3].
2. Salicornia europaeaL (Солерос европейский).
Одним из таких галофитов, который имеет огромный потенциал в Крыму, является Salicornia europaea L. (Солерос европейский) [4].
Солерос европейский (Salicornia europaea L). Семейство Маревые.
Народные названия: ялгу, солянка, сальник травянистый, солонешная трава, солонец, солец-трава, мокрединник, бирюгон.
С олерос европейский — Однолетнее зеленое, голое, травянистое растение.
Стебель – нередко краснеющий, почти всегда прямостоячий, с членистыми, супротивными, голыми ветвями, членистый.
Чашечки –цилиндрические, под узлом немного утолщенные.
Листья – отсутствуют, вместо них в узлах находятся короткие, супротивные влагалища.
Соцветия – в виде плотных, сочных, цилиндрических колосков, шириной 2–2,5 мм и длиной 1–6 см, располагаются на концах ветвей и стеблей на коротких ножках.
Цветки – сидят большей частью по 3, погружены в ткань стебля, чаще обоеполые, боковые цветки расположены ниже среднего, образуя как бы треугольник, верхний цветок часто более крупный.
Цветет Salicornia в сентябре – августе. Обычно имеет от одного до трех цветков на цветоносах. Цветки появляются на шипиках. Хотя Salicornia может успешно расти на сильно засоленных средах, ее прорастание ингибируется высокой соленостью и, как правило, прорастанием семян Европейских прибрежных галофитов начинается ранней весной, когда соленость снижается, и повышается содержание влаги в почве [2].
Salicornia произрастает на всех уровнях почв (от низких до высоких): на песчаных солончаках, в переходной зоне от солончаков к песчаным дюнам, на дюнах-слаксах, затопленных приливом, в каналах и лотках, на илистых отмелях, на песчаных отмелях, в открытых засоленных районах. Salicornia в приливных местообитаниях произрастает на ряде морских отложений: илы и мелких глины, ракушечный песок [4].
3. Промышленное культивирование
Salicornia europaea L. (Солерос европейский) имеет высокое содержание соды (карбоната натрия), и при сжигании этого растения натрий выделяется легче, чем обычная соль. В Средние века и ранее, сжигая саликорнию, люди обнаружили, что ее пепел смешивается с песком и превращается в стекло. Когда потребовалось улучшение качества стекла, золу выщелачивали известковой водой, чтобы сделать раствор каустической соды, которую выпаривали и добавляли в кремнезем. Также галофиты смешивались с животными жирами при изготовлении мыла [6].
Исторически солерос европейский используют во множестве культур мира в пищевых и кулинарных целях. Она служит в качестве продукта питания в холодных прибрежных регионах Северной Европы, обеспечивая высокий уровень витамина С весной, когда ограничено количество богатых питательными веществами овощей после зимнего периода[4].
Также солерос европейский богат жирными кислотами. В ее составе было обнаружено пять основных компонентов: линолевая кислота (75,62%), олеиновая кислота (13.04%), пальмитиновая кислота (7.02%), линоленовая кислота (2.63%) и стеариновая кислота (2.37%). Исследования подтвердили, что урожайность семян и биомассы солероса европейского превышает урожайность пресноводных масличных культур, таких как соя и подсолнечник. Семена солероса европейского содержали 26-33% масла и 31% белка. Это еще одно преимущество использования семян солероса европейского как источника масел [4; 6].
Возможно использование солероса европейского, в том числе и в животноводстве, в качестве корма для скота. Исследования, проведенные учеными в Аризоне, показали, что животные, питавшиеся солеросами, набрали столько же веса, сколько и те, которых кормили сеном. При этом качество их мяса не пострадало. Также исследования, проведенные в Кувейте, доказали, что у ягнят повышается темп роста при кормлении их традиционной пищей с 12,5% добавкой солероса европейского [4; 5].
Галофиты выработали несколько адаптивных реакций к жизни в экстремальных солевых условиях условия, включая синтез нескольких биоактивных молекул (первичных и вторичных метаболитов).Ряд исследований, проведенных на галофитах, отмечает, что многие из этих видов имеют высокое содержание полиненасыщенных жирных кислот, каротиноидов, витаминов, стеролов, эфирных масел (терпенов), полисахаридов, гликозидов и фенольных соединений. Эти смеси имеют определенные лекарственные свойства, в том числе: антиоксидантные, антимикробные, противовоспалительные, и противоопухолевые. Они применяются в лечении различных заболеваний: рак, хроническое воспаление, атеросклероз и сердечно-сосудистые заболевания [3; 6].
Данные открытия повышают спрос в медицинской сфере на выращивание галофитов, благодаря их высокой биологической активности. В одном из исследований было доказано, что изолированные полисахариды Salicornia способны даже активировать макрофаги (тип лейкоцитов, которые поглощают и переваривают клеточный мусор, чужеродные вещества, микробов и раковые клетки, и играют значительную роль в механизме защиты хозяина)[2; 4].
Таким образом, солерос европейский имеет высокий потенциал для коммерческого выращивания в различных сферах в Крыму. Однако ее производство пока еще находится на теоретической стадии, что обусловлено новизной методики для данного региона.
4. Конкурентные взаимоотношения в сообществе галофитов
Растительный покров равнинного Крыма в настоящее время характеризуется высокой степенью антропогенной трансформации. Являющееся частью данного района Крымское Присивашье отличается относительным разнообразием растительного покрова: растительность представлена водно-болотными, луговыми, галофитными, степными и псаммофитными сообществами. Однако нерегулируемая хозяйственная деятельность комплекса не только угрожает флористическому и ценотическому разнообразию Крымского Присивашья, но и очень часто ведет к увеличению площадей засоленных земель в регионе [4; 6]. Восстановление и эффективное сохранение растительного покрова в прибрежной акватории Черного и Азовского морей возможно только после проведения комплексного научно-экологического мониторинга. Неуклонный рост площадей засоленных земель на территории Крыма порождает необходимость разработки мероприятий по их рекультивации с использованием растений-галофитов в качестве фитомелиорантов [7]. Устойчивость галофитов к различной степени засоленности грунта проявляется не только на структурно-функциональном уровне, но и затрагивает физиологические процессы организма, определяя границы распространения вида и возможность существования его в фитоценозе [3; 5; 6].
Конкуренция составляет основу системной организации и существования любого растительного сообщества. Интенсивность конкурентных взаимодействий коррелирует с плотностью ценопопуляции. Наблюдение за реакцией растений на загущение, а также эксперименты с различными режимами водоснабжения позволили сформулировать концепцию конкурентных взаимодействий в растительном сообществе. Несмотря на то, что изучению конкурентных взаимодействий в растительном сообществе посвящено достаточно много работ, до сих пор остаются актуальными многие вопросы, касающиеся анализа сущности механизма влияния растений друг на друга при совместном произрастании.
При этом мы полагаем, что солерос европейский может способствовать уменьшению засоленности почвы, а его гумус будет удобрением для ростений.
II. Практическая часть.
Для проведения экспериментальной части мы ездили в Сакский район на озеро Сасык-Сиваш за образцами солероса европейского, мы выкопали в горшочек взрослое растение в сентябре месяце в конце периода цветения, а также взяли просто образцы почвы, на которой растет данное растение.
Первый этап. Определение засоленности почвы сразу после посещения озера.
Засоленность почвы характеризуется повышенным содержанием легкорастворимых минеральных солей, что неблагоприятно сказывается на физических и химических свойствах почвы и создает неблагоприятные условия для развития и роста многих растений. Сильнозасоленные почвы обычно непригодны для выращивания сельскохозяйственных культур. У растений, произрастающих на засоленных почвах, задерживается набухание семян, цветение, рост, снижается урожайность. При больших концентрациях солей наступает гибель растений. Наиболее вредное влияние оказывают хлориды, карбонаты, сульфаты натрия и калия.
Все легкорастворимые соли считают токсичными для растений. К оценке засоления почв используют два подхода. Степень засоления почв оценивают либо по общему содержанию легкорастворимых солей в почве, либо по концентрации солей в почвенных растворах или фильтратах из насыщенных водой почвенных паст. Уровни этих показателей используют в качестве диагностических. Так, к засоленным относят почвы, у которых концентрация легкорастворимых солей в почвенных растворах превышает 5-7 г/л или почв, содержащих 0,05- 0,15 % легкорастворимых солей в зависимости от их состава.
В России определение легкорастворимых солей и оценку засоления почв проводят методом водной вытяжки. Метод основан на извлечении легкорастворимых солей 5-ти кратным по отношению к массе почвы объемом свежеприготовленной дистиллированной воды (ГОСТ 26423-85). Воду добавляют к навеске почвы, суспензию взбалтывают и фильтруют. Фильтрат и называют водной вытяжкой. Водные вытяжки анализируют сразу же после их получения. Так как со временем в них может измениться рН, концентрация карбонатных ионов, в связи с поглощением вытяжками СО2 из атмосферного воздуха.
Если почва засолена легкорастворимыми солями, то получают быстро фильтрующиеся системы и прозрачные вытяжки, так как в присутствии солей почвенные коллоиды коагулируют. Если солей мало, и особенно в тех случаях, когда вытяжка имеет щелочную реакцию, фильтрование идет медленно, фильтрат опалесцирует или бывает мутным, вследствие пептизации коллоидов.
Подготовка образцов к химическому анализу
Для проведения физико-химического анализа мы провели отбор 2 проб почв с территории, где растет солерос европейский: 1) первый горшочек с растением; 2) второй горшочек без растения.
Почва для эксперимента высушивалась в естественных условиях до воздушно-сухого состояния, а затем измельчалась.
Приготовление водной вытяжки почвы
Для извлечения легкорастворимых солей из почвы воду добавляют к навеске, суспензию взбалтывают и фильтруют, фильтрат и называют водной вытяжкой.
Необходимое оборудование:
сухая колба вместимостью 500 мл для взбалтывания суспензии;
сухая коническая колба вместимостью 500 мл для фильтрата;
сухая воронка диаметром 15-17 см;
один химический стакан.
фильтры
Реактивы: Вода без СО2, полученная 30 минутным кипячением воды.
Навеску почвы массой 50,0 г помещали в сухую колбу вместимостью 500 мл приливали к ней 5-ти кратное количество дистиллированной воды (250 мл), лишенной СО2, при кипячении. Колбу закрывали и взбалтывали в течение 3 минут.
В воронку вкладывали фильтр диаметром 9-11 см, затем складчатый фильтр, диаметром, соответствующим размеру воронки, на 0,5-1 см ниже ее края. Воронку с фильтром помещали в колбу для фильтрата.
Полученную после взбалтывания суспензию выливали на фильтр. Первые порции фильтрата (10 мл) собирали в химический стакан, а затем выбрасывали. Прозрачный фильтрат собирали в коническую колбу емкостью 500 мл.
Определение засолённости почвы по солевому остатку.
Оборудование: лупа, пипетка-капельница, стекло предметное, фильтр бумажный, спиртовка, штатив с кольцом.
Материалы: водные вытяжки из образцов почвы.
Рис. 2. Испарение пробы над пламенем горелки.
Рис. 1. Нанесение пробы.
Выполнение определения засоленности почвы:
1. 1 каплю почвенной водной вытяжки №1 (с цветком) нанесли на предметное стекло с помощью пипетки-капельницы.
2.Нагрели предметное стекло до испарения влаги.
3.Рассмотрели сухой солевой остаток на стекле невооружѐнным глазом и в лупу.
4. Эксперимент повторили на вытяжке №2 (почва без цветка).
На основе сопоставления вида солевых остатков можно сделать вывод, что в почве №2 количество растворимых солей значительно выше (солевой осадок незначительный, отсутствуют кристаллы при рассмотрении в лупу), чем в пробе №1 (белого цвета солевой осадок, наличие кристаллов при рассмотрении в лупу).
Качественные испытания засоленности почв
Проба на ион хлора (CI-): Чтобы определить наличие хлорид -иона мы к 5мл каждого раствора добавили раствор нитрата серебра. По интенсивности выпадения осадка определяли содержание хлорид -иона в растворе. В пробирке № 1 (с растение) наблюдалось помутнение раствора (опалесценция), в пробирке №2 (без растения) выпал большой хлопьевидный осадок высокой плотности.
На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что в почве, в которой выращивалось растение, хлорид-ионы содержатся в малом количестве. По плотности образовавшихся осадков можно сделать вывод, что хлорид –ионы в большем количестве присутствует в почве без растения.
В сентябре месяце из выполненных расчетов ассистентом кафедры Юлией Владимировной по определению хлорида – ионов аргентометрическим методом по Мору делаем вывод об одинаковой засоленности почвы и благоприятных условиях роста для солероса европейского.
Второй этап. Определение засоленности почвы через два месяца (60 дней) после посещения озера. Оба горшочка с растением и без растения находились на балконе и осуществлялся пресный полив через каждых 2-3 дня.
Образцы почвы были снова отнесены в лабораторию и повторно проводился эксперимент. После чего, выполненные расчеты ассистентом кафедры по определению хлорида – ионов аргентометрическим методом по Мору можно сделать вывод, что хлорид–ионов в почве пробы №2 (почва без растения) в 2,8 раза больше по сравнению с пробой №1 (почва с растением).
Таким образом, можем сказать, что при условии пресного полива без естественной соляной подпитки засоленность почвы уменьшилась в три раза за два месяца.
Третий этап. Подготовка гумуса из солероса европейского с целью проверки выращивания пшеницы в почве, если спахать землю с остатками растения солероса европейского.
Гумус – органическая составляющая почвы, в которой содержится много питательных веществ. Садоводы используют его в качестве удобрения и без труда изготавливают самостоятельно. Мы также нарезали мелко растение и перемешали его с землей в пропорции 1/20. При пресном поливе через 2 -3 дня и, перемешивая раз в неделю, на протяжении 25 дней готовили почву (по рекомендациям аграриев).
Четвертый этап. Выращивание пшеницы в подготовленной почве. Мы брали шесть емкостей: №1 и 2 – чернозем; № 3 и 4 – с опресненная почвой без солероса европейского; № 5 и 6 – с опресненная почва с солеросом европейским. Одним из важнейших вопросов фитоценологии до сих пор остается вопрос взаимоотношений растений друг с другом при совместном произрастании – этот вопрос требует дальнейшего исследования. Необходимость исследования этой проблемы в сообществах галофитов диктуется не только потребностями теории, но и практическим интересом рационального использования естественных и искусственных фитоценозов [4; 5]. В рамках нашего исследования проращивали пленницу на протяжении 20 дней без совместного прорастания солероса европейского. Полученные результаты представлены в таблице1.
Таблица 1.
Результаты проращивания пшеницы
|
№ образца |
Чернозем |
Земля без солероса европейского |
Земля с солеросом европейским |
|
1 и 2 |
30 и 32 см Взошли все 20 зерен |
||
|
3 и 4 |
23 и 24 см Взошли 15 и 17 зерен |
||
|
5 и 6 |
12 и 10 см Взошли 8 и 10 зерен |
Таким образом, мы можем сделать вывод, что солерос европейский является эффективным средством биотической мелиорации засоленных земель, а не удобрением для почвы.
II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Проиллюстрируем фотографиями практическую часть работы:
Выезд на Розовое озеро с. Пребрежное Сакский район Республика Крым.
Высадка саликорнии в горшочек.
С
олерос европейский растет у нас на балконе.
Пробы земли с горшочков с растением и без растения, где бы мог расти солерос европейский у озера.
Пробы земли с растением и без растения занесли на анализ с целью сравнительного среза: 1) сентябрь – сразу с озера в лабораторию; 2) ноябрь – через два месяца после пресного полив, когда растение росло на балконе, а почву в горшочке просто поливали на балконе.
На кафедре химии в Медицинской академии имени С. И. Георгиевского нам помогает провести анализ почвы и посчитать результаты анализа ассистент кафедры химии Юлия Владимировна.
Мы взвешивали почву.
Разводим почву в дистиллированной воде.
Фильтруем раствор.
Выпариваем жидкость над огнем и получаем диаметры солевого пятна.
Измеряем линейкой диаметр полученного круга.
Сентябрь: диаметр ≈ 12 мм; 2) ноябрь: образец с растением:
круг не просматривается с одной стороны, а с другой стороны есть оболочка;
образец без растения – круг стал менее видимым, а его диаметр ≈ 10мм.
Проверяем наличие солей в растворах добавляя серебряный раствор.
Наличие образованного творожного белого осадка в пробирке в содой почвы без цветка является подтверждением количественного преобладания солей в растворе.
Подготовка гумуса с солеросом европейским.
Выращивание пшеницы. В каждый горшочек мы клали по 20 зернышек, маркировали и поставили на кухне, где всегда тепло.
Замерование полученых результатов через 20 дней.
Выводы:
Исследованию засоленных почв почвоведы уделяют большое внимание, так как они широко распространены, а решение любых вопросов их генезиса и мелиорации основывается на сведениях о засолении. К засоленным относятся почвы, содержащие легкорастворимые соли, в количествах, отрицательно влияющих на развитие растений – негалофитов.
Засоление почв оценивают и диагностируют, анализируя почвенные растворы, фильтраты из насыщенных водой почвенных паст и водные вытяжки. Анализ почвенных растворов и фильтратов из насыщенных водой почвенных паст позволяет получить представление о концентрации солей в жидких фазах реальных почв.
Проведенное исследование позволяет сделать вывод о необходимости и целесообразности культивирования галофитов в условиях засоленных почв Крыма, а также продолжении исследования галофитов с целью спасения почв северной части Крыма.
Галофитное растениеводство для нашего региона может стать эффективным средством биотической мелиорации засоленных земель.
Генетические ресурсы галофитов представляют интерес как источник кормовых, масличных, лекарственных, декоративных растений, в качестве энергоносителей и биомелиорантов.
Список литературы:
1. Акжигитова Н. И. Галофитная растительность Средней Азии и её индикационные свойства. Ташкент, 1982. –190 с.
2. Солончаковые растения // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). – СПб., 1890 – 1907.
3. Солончаковые растения // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969–1978.
4. Блинова К. Ф. и др.Ботанико-фармакогностический словарь: Справ. пособие / Под ред. К. Ф. Блиновой, Г. П. Яковлева. — М.: Высш. шк., 1990. – С. 42.
5. Шамсутдинов З. Ш., Савченко И. В., Шамсутдинов Н. З.Галофиты России, их экологическая оценка и использование. — М.: ООО Эдель-М, 2001. –399 с.
6. BuhmannA. K., Waller U., WeckerB., Papenbrock J. Optimizationof culturingconditionsandselectionofspeciesfortheuseofhalophy tesasbio filter fornu trient-rich saline water. Agricultural Water Management, 149, – 2015. – P.102-114.
7. Erica Ann Schmitz. Impacts of industrial water composition on Salicornia in a hydroponic system. Department of Biological and Agricultural Engineering College of Engineering, Kansas State University: Manhattan, Kansas. – 2018, – P. 3-54