Нитраты в растениях и пути снижения их содержания

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Нитраты в растениях и пути снижения их содержания

Киргинцева А.Н. 1Савенко Е.С. 1
1МКОУ «Новоцелинная СШ» Кочковского района Новосибирской области
Макалева Н.Н. 1
1Муниципальное казённое образовательное учреждение Новоцелинная средняя общеобразовательная школа
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Несколько лет назад пресса пестрела сообщениями о вреде нитратов содержащихся в овощах. Они, попадая в организм в чистом виде (а не в виде белка), в процессе пищеварения могут преобразовываться в нитриты — соли азотистой кислоты, опасные для здоровья.

Со временем страсти поутихли. Большинство справедливо рассудило, что лучше есть овощи с нитратами, чем жить вообще без овощей. Правильность такого вывода подтвердили и ученые, не забыв дать простейшие рекомендации по предварительной обработке овощей. Мы ознакомились с этими рекомендациями. Их насчитывается около десяти. В основном все они базируются на механическом способе удаления нитратов: чистка, удаление отдельных частей корнеплодов, погружение растений в воду, в растворы соды и поваренной соли, варка. Следовать этим советам стоит, потому что они позволяют снизить содержание нитратов даже на 90%. Но надо учитывать и то, что наряду с нитратами из овощей уходят и необходимые для организма витамины, микро- и макроэлементы, без которых не может существовать нормально организм. Значение нашей работы заключается в том, что мы попытались избавить овощи от нитратов, основываясь на их химических свойствах и механизме превращения в растительном организме.

Цель работы: найти эффективный способ удаления нитратов из овощей, позволяющий сохранять их полезные свойства.

Задачи:

изучить свойства нитратов и механизм их превращения в растениях;

выделить факторы, оказывающие влияние на изменение нитратов;

провести эксперименты по устранению нитратов из столовой свеклы;

заложить полевой опыт и попытаться снизить содержание нитратов в корнеплодах свеклы столовой в процессе ее выращивания;

разработать рекомендации по снижению нитратов в овощах, как для потребителей, так и для производителей сельскохозяйственной продукции.

Предмет исследования столовая свекла.

Наша гипотеза: проблему устранения нитратов в овощах можно успешно решать, используя знания об их свойствах и механизме превращения в растениях.

Методы работы:

изучение и анализ литературы и Интернет-ресурсов;

лабораторный и полевой эксперименты;

наблюдение;

анализ экспериментальных данных.

Нитраты — соли азотной кислоты — овощи и фрукты поглощают их из почвы. Они являются одним из элементов питания растений, превращающих эти азотные соединения в белки. Собственно, это и есть одна из уникальных особенностей растений. Их содержание в овощах и зелени зависит более чем от 20 самых разных факторов. Вырастить даже на своем огороде абсолютно безнитратный урожай практически невозможно. Но максимально снизить в нем уровень нитратного азота можно и нужно, зная их свойства.

Все нитраты растворяются в воде. Они при нагревании разлагаются. Нитраты щелочных металлов превращаются в нитриты, соли тяжелых металлов - в оксиды. Нитрат аммония разлагается до оксида азота (I) и воды.

NН4NО3 = N2О + 2Н2O.

Нитрат-ион NO3 ¯проявляет окислительные свойства. Они зависят от концентрации нитратов (азотной кислоты), реакции среды и активности восстановителя.

Нитрат аммония в ОВР может проявлять свойства, как слабого окислителя, так и слабого восстановителя

Соли аммония обладают восстановительными свойствами.

2NaNO3+ (NH4)2SO4= Na2SO4+ 4H2O + 2N2O

Восстановителями являются аминокислоты, содержащие две аминогруппы (аспарагин, глутамин), а также некоторые углеводы, карбоновые кислоты и растительные масла.

Мы в качестве восстановителей использовали лимонную кислоту, нерафинированное подсолнечное масло и соли аммония.

Превращение нитратов в растениях.

В растении происходит восстановление нитратов до аммиака, в восстановлении нитратов принимают участие ферменты и углеводы. Аммиак, образующийся в процессе восстановления, реагирует с некоторыми органическими кислотами (пировиноградной, щавелевоуксусной и др.).

В результате такого взаимодействия образуются три аминокислоты: глутаминовая, аспарагиновая и аланин

Восстановление нитратного азота в аммонийный в клетках растений осуществляется в два этапа. На первом этапе под действием фермента нитратредуктазы происходит превращение нитратов в нитриты, а затем нитриты с участием фермента нитритредуктазы восстанавливаются с образованием аммонийной формы азота, которая используется для синтеза аминокислот и амидов.

Нитратредуктаза – типичный индуцибельный фермент. Его активность резко возрастает при поступлении в растения нитратов вследствие того, что происходит индукция синтеза фермента. Когда же концентрация нитратов в клетках растений уменьшается, синтез ферментного белка прекращается и нитратредуктазная активность снова понижается до исходного уровня. Кроме нитратов, индукторами синтеза нитратредуктазы могут быть цитокинин и органические нитросоединения, то есть, возможна индукция синтеза этого фермента под воздействием химических регуляторов. В то же время катионы аммония подавляют в растениях синтез нитратредуктазы. В опытах показано, что индукция синтеза нитратредуктазы в присутствии нитратов происходит на свету, а в темноте усиливается деградация этого фермента.

Активность фермента нитратредуктазы в значительной степени определяется присутствием в физиологической среде окислителей и восстановителей. В восстановительных условиях большая часть активного фермента, находящегося в окисленной форме, переводится в неактивное (восстановленное) состояние, в результате нитратредуктазная активность в тканях растений понижается. Такое явление, например, наблюдается при переносе растений в темноту. При освещении растений очень быстро осуществляется фотореактивация фермента, то есть перевод его из восстановленной в окисленную форму, вследствие чего процесс восстановления нитратов снова активируется.

При благоприятных условиях обитания данного вида количество нитратов незначительно и стабильно, так как уже в корне происходит восстановление этих ионов до аммиака под действием нитратредуктазы.

В условиях же чрезмерного азотного питания, недостатка фосфора и калия, микроэлементов, особенно молибдена, или при повышенной кислотности почв, в условиях недостаточного освещения, большого количества осадков содержание нитратов в растительном материале резко возрастает. При этом они не только накапливаются в корне, но и поступают с восходящим током в надземные части растений. Установлено, что при благоприятных условиях освещения в листе может происходить фотохимическое восстановление нитратов.

Методика исследования

Чтобы выяснить содержание нитратов, можно провести экспресс-диагностику. Суть методики такова. Делают косой срез (чтобы иметь максимальную поверхность) листа, черешка или стебля растения, помещают его на стеклянную пластинку или в фарфоровую чашечку, наносят на срез одну каплю реактива и отмечают скорость появления окраски среза, ее интенсивность и цвет. Еще удобнее нанести на предметное стекло 1 каплю 0,05М раствора NaNO3 (для сравнения) и на расстоянии 2 см выдавить стеклянной палочкой по капле сока из различных частей растения (из стебелька, листка или черешка). Ко всем каплям добавить по 1 капле реактива. Сравнивая окраску сока растений с данными предлагаемой таблицы, (Приложение 1) легко сделать вывод о потребности растений в азотных удобрениях.

Данная таблица составлена на основе многочисленных агрохимических анализов и вполне достоверна. Она позволяет в полуколичественной форме довольно объективно оценить потребность растений (а соответственно, и почвы) в соединениях азота, мы использовали ее для определения содержания нитратов в растениях:

В качестве реактива мы использовали раствор, полученный внесением 0,1г дифениламина в 10мл концентрированной серной кислоты (p = 1,830 – 1,835г/см3). Хранили его в темноте.

В сильнокислой среде нитрат-ионы окисляют дифениламин в краситель интенсивно-синего цвета (голохиноид). Данная реакция весьма чувствительна, предел обнаружения нитрат-ионов составляет 0,5мкг в капле раствора. Этой реакцией обнаруживают не только нитрат-ионы, но и нитрит-ионы.

Дифениламин окисляется азотной кислотой вначале в бесцветный
N,N-дифенилбензидин, затем в «дифенилбензидин фиолетовый»:

Существенный недостаток данного реактива заключается в том, что он изготовлен на основе концентрированной серной кислоты. К сожалению, и другие реактивы на нитрат-ионы, применяемые в современном химическом анализе, тоже связаны с использованием концентрированной серной кислоты (реакция с сульфатом железа(II) или с металлической медью). К тому же эти реакции менее чувствительны и не так надежны, требуют нагревания, что повышает их опасность. Следовательно, самый доступный, надежный и чувствительный реактив на нитрат-ионы – раствор дифениламина.

Чтобы этот раствор не представлял опасности (особенно в полевых условиях), нужно правильно его хранить и использовать. Применяемые в анализе стеклянные пузырьки, закрытые резиновыми пробками со вставленными пипетками, в полевых условиях могут разбиться или открыться при переноске. Намного безопаснее помещать раствор дифениламина в маленькие пластиковые емкости из-под лекарств (например, из-под глазных капель), закрытые крышками с пластмассовыми пипетками, которые сверху завинчиваются пластиковым защитным колпачком.

Практическая часть

Реактивы и оборудование

Растворы 9% уксусной кислоты; 9% лимонной кислоты; 2% сульфата аммония; 2% хлорида аммония; 2% нитрата аммония, 0,5% молибдата аммония;

Дифениламин, концентрированная серная кислота, нерафинированное подсолнечное масло, чашки Петри, культурные и дикорастущие растения, корнеплоды столовой свеклы.

Опыт 1. Определение нитратов в культурных и дикорастущих растениях.

Для проведения экспресс-диагностики мы взяли комнатные растения, растущие в нашей школе. Свои наблюдения мы сравнили с таблицей определения содержания нитратов в растениях и обеспеченности их доступным азотом (Приложение 1) и занесли в нижеизложенную таблицу:

Содержание нитратов в комнатных растениях Таблица 1.

Название растения

Наличие нитратов

1. Диффенбахия

2. Молочай

3. Кардамон

4. Хлорофитум

5. Бегония

6. Толстянка

7. Зигокактус

8. Настурция

9. Золотой ус

10. Алаказия

11. Щучий хвост

12. Алоэ

13. Акантокалициум

14. Алоэ пестролистный

Нет нитратов.

Есть, незначительно.

Есть, незначительно.

Избыток нитратов.

Избыток нитратов.

Нет нитратов.

Избыток нитратов.

Избыток нитратов.

Избыток нитратов.

Избыток нитратов.

Есть, незначительно.

Нет нитратов.

Вывод. Содержание нитратов в комнатных растениях различно, хотя условия их произрастания одинаковые: свет, вода, почва, температурный режим. Следовательно, существует группа растений, являющихся накопителями нитратов, независимо от условий их произрастания.

Весной в конце мая и летом в середине июля провели диагностику дикорастущих растений. Боярышник, клен, вьюнок полевой, спорыш, одуванчик лекарственный содержали много нитратов в весенний период, а летом мы их не обнаружили. В чистотеле избыток нитратов присутствовал в течение всего периода. (Фото 1,2)

Анализируя овощи, мы пришли к аналогичному заключению. В салате, щавеле, многолетних луках количество нитратов изменялось даже в течение суток. Их было много в утренние часы, в полдень снижалось и достигало минимума к вечеру. Мы такие культуры назвали «жертвами неблагоприятных условий», влияющих на активность нитроредуктазы. Есть и накопители нитратов от природы: свекла, редис, дайкон. В них независимо от времени года и от условий выращивания, всегда их много.

Вывод. Содержание нитратов в растениях непостоянно и зависит от условий их произрастания: длины светового дня, температуры, влажности и др. Количество нитратов определяется и биологическими особенностями культур. Для устранения нитратов в группе «метеочувствительных» достаточно изменить условия, например, увеличить освещенность.

А как поступить с растениями, биологически предрасположенными к их накоплению, например, в столовой свекле?

Опыт 1. Обнаружение нитратов в корнеплодах столовой свеклы.

На поперечный срез корнеплода нанесли по диагонали несколько капель раствора дифениламина в концентрированной серной кислоте. Наблюдали появление темно-синей окраски, которая долго не исчезала. (Приложение 2)

Вывод: в корнеплоде избыток нитратов. (Фото 3.)

Опыт 2. Тепловая обработка корнеплодов.

Корнеплоды свеклы сварили. Подействовали раствором дифениламина. Окраска синяя, появляется сразу и сохраняется несколько минут.

Корнеплоды запекали при температуре 200°С. Подействовали раствором дифениламина. Окраски нет. (Фото 4.)

Вывод: при варке содержание нитратов в корнеплодах снижается незначительно, а при запекании они исчезают практически полностью, так как происходит их разложение

Опыт 3. Консервация

Поперечные срезы корнеплодов толщиной 0,5 – 0,7 см погружали на сутки в 9% растворы уксусной и лимонной кислоты, в нерафинированное подсолнечное масло.

Перед определением нитрат-ионов удалили с поверхности корнеплода растительное масло. Таблица 2.

Изменение окраски дифениламина в корнеплодах после консервирования

Среда

Окраска дифениламина

Вывод

9% уксусная кислота

Окраска синяя, появляется сразу и сохраняется несколько минут

Нитратов много (5 б)

9% лимонная кислота

Появляются следы светло-голубой окраски, которые тут же исчезают

Нитратов очень мало (1б)

Растительное масло

Окраски нет. Наблюдается постепенное порозовение, а затем почернение ткани из-за ее обугливания концентрированной серной кислотой

Нитратов нет (0б)

Вывод:

Анион СН3СОО индифферентен по окислительно-восстановительным свойствам, поэтому не оказывает никакого влияния на нитрат-ионы. Незначительное снижение уровня нитратов происходит в результате их диффузии в водный раствор уксусной кислоты.

Лимо́нная кислота́ (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая кислота HOOC-CH2-C(OH)COOH-CH2-COOH) , играет важную роль в системе биохимических реакций клеточного дыхания множества организмов. Она легко окисляется до щавелевой кислоты. В нашем случае окислителями явились нитрат-ионы, что повлияло на их содержание в корнеплодах.

Нерафинированное подсолнечное масло содержит полиненасыщенные жирные кислоты, которые берут на себя роль восстановителей нитратного азота. Содержится в нем и мощный антиоксидант витамин Е. (Фото 5,6,7,)

Опыт 4. Обработка корнеплодов растворами солей аммония.

Приготовили 2% растворы хлорида аммония, сульфата аммония, нитрата аммония, 0,5% раствор молибдата аммония. Раствор молибдата аммония сделали слабым, так как его задача заключалась в активизации работы нитроредуктазы. Она содержит молибденовый кофермент, где катионы молибдена присоединены к белковой части фермента. Катионы молибдена, обратимо изменяя степень окисления, способны акцептировать электроны.

Корнеплоды свеклы погрузили в них на сутки. Сделали срезы в верхней, средней и нижней части корнеплодов. Подействовали на них раствором дифениламина. Результаты испытаний в таблице 3:

Изменение окраски дифениламина после обработки корнеплодов солями аммония Таблица 3

Среда

Окраска дифениламина

Выводы

2% раствор хлорида аммония

В кожуре Окраска синяя, появляется сразу и сохраняется несколько минут.

В остальной части корнеплода окраски нет

Высокое содержание нитратов в наружном слое.

Отсутствие нитратов в основной части

2% раствор сульфата аммония

В корковом слое окраска синяя, появляется сразу и сохраняется несколько минут.

В остальной части корнеплода окраски нет

Высокое содержание нитратов в наружном слое.

Отсутствие нитратов в основной части

2% раствор нитрата аммония

Появляются следы светло-голубой окраски, которые тут же исчезают.

Нитратов очень мало

0,5% раствор молибдата

Окраска иссиня-черная, появляется сразу и сохраняется

Избыток нитратов

Выводы: Поглощение корнеплодом растворов солей хлорида и сульфата аммония способствует восстановлению нитрат-иона в самом корнеплоде, но они остаются в корковом слое, потому что мы корнеплоды не промывали перед проведением испытаний. Корнеплод, обработанный нитратом аммония, перед испытанием на нитраты промыли в воде. Следы нитратов в корнеплоде остались, так как нитрат аммония проявляет слабые как окислительные, так и восстановительные свойства. Молибдат аммония не повлиял в нашем случае на активность нитратредуктазы. Активизировать деятельность фермента нам таким путем не удалось.

. (Фото 8,9,10,11)

Полевой опыт: влияние солей аммония на содержание нитратов в корнеплодах свеклы столовой

Цель: подтвердить или опровергнуть результаты лабораторных анализов

Место проведения опытнической работы.

Школьный учебно-опытный участок.

Площадь опытного участка - 50 кв. м

Опытный участок находится на учебно-опытном участке школы

Специфические особенности опытного участка.

Опытной участок расположен с северо-западной стороны здания школы, на открытом месте. С двух сторон граничит с улицами села. Рельеф равнинный. Почва дерново-подзолистая, слабокислая. Минеральные удобрения не вносились ни разу за30 лет его существования. Органические удобрения последние 10 лет так же не применялись.

Схема опыта.

Контроль, без удобрения.

Сульфат аммония.

Расположение делянок

Повторность двукратная. Расположение делянок одноярусное.

Длина делянок – 10 метров

Ширина делянок 1 метр.

Делянки на участке четко разграничены дорожками.

Внесение сульфата аммония.

Приготовили 2% раствор сульфата аммония. За день до уборки урожая провели некорневую подкормку свеклы на опытных делянках.

Убирали свеклу в середине сентября ручным способом.

Провели лабораторные исследования корнеплодов по ранее примененной методике

Результаты испытаний

В корнеплодах, не обработанных сульфатом аммония, окраска синяя, появляется сразу и сохраняется несколько минут. Высокое содержание нитратов. (Приложение Фото 12).

В корнеплодах, обработаны сульфатом аммония, появляются следы светло-голубой окраски, которые тут же исчезают. Нитратов очень мало . (Приложение Фото 13).

Уменьшение нитратов в корнеплодах мы связываем с активизацией синтеза глутамина и аспарагина, являющейся следствием внесения сульфата аммония. Эти аминокислоты, как и сам ион аммония, способствовали восстановлению нитратного азота в нитритный и далее в аммиак.

Заключение.

Проведя анализ на содержание нитратов в разных группах растений в различные периоды их вегетации, мы условно поделили их на две группы: «метеозависимые» накопители и постоянные. Урожай группы «метеозависимых» лучше собирать вечером, так как индукция синтеза нитратредуктазы в присутствии нитратов происходит на свету, а в темноте усиливается деградация этого фермента. В нижней части корнеплодов, где расположены корешки, содержание нитратов всегда выше. Чем в верхней и средней частях. В листовых культурах большая часть нитратов находится в черешках, меньше их в жилках листа, а минимальное количество – в листовых пластинках.

Можно пользоваться некоторыми советами, имеющимися в литературе и Интернет-ресурсах, хотя они имеют ряд недостатков.

Наши способы избавления от нитратов основываются на знании механизма их превращения в растительном организме и на учете сильной восстановительной способности иона аммония. В роли восстановителей могут выступать многоосновные кислоты. Самой безопасной и доступной является лимонная кислота. Устранять нитрат-ионы можно нерафинированным подсолнечным маслом, являющимся полиненасыщенным жиром и содержащим в своем составе антиоксидант витамин Е. Советуем употреблять овощи с растительным маслом, а не с майонезом. При консервации вместо уксусной кислоты лучше использовать лимонную.

Удалить нитраты из корнеплодов можно солями аммония, содержащими азот в степени окисления -3. Для этого совсем не обязательно погружать корнеплоды в растворы солей. Достаточно обработать им растения перед их уборкой. Лучше использовать сульфат аммония, так как он свободно продается как минеральное удобрение.

Литература и Интернет-ресурсы

Габриелян С., Лысова Г.Г., Химия 11 класс, 2004г.

Гайлите М., Гайлитис М., Ещё раз о нитратах. Наука и мы, 1990г., №6, с.2.

Глунцев Н.М., Дмитриева Л.В., Макарова С.О., Как снизить содержание нитратов в продукции. Картофель и овощи, 1990г., №1, с.24-28.

Михалева М.В., Дмитриева Л.В., Макарова С.О., Экспресс-диагностика потребности растений в соединениях азота, Химия в школе, 2004г., №9

Рычков А.Л., Нитратная кухня. Химия и жизнь. 1989г., №7.

Соколов О.А. Нитраты под строгий контроль. Наука и жизнь. 1988г.,№3.

Чапкявиченс Э.С., Как уменьшить содержание нитратов и нитритов в овощах, Здоровье, 1988г., №3

http://dlyapohudeniya.ru/kak_vibrat_produkty/kak_ubrat_nitraty_iz_ovoshey_i_fruktov/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%B0

https://studopedia.ru/4_152010_okislitelno-vosstanovitelnie-svoystva.html

https://studopedia.ru/1_121325_vosstanovlenie-nitratnogo-azota-v-rasteniyah.html

https://studfiles.net/preview/1858310/page:3/

Приложение 1

Таблица 1

Балл

Окраска среза растения или его сока

Условная потребность растения в азотном удобрении

6

5

4

3

2

1

0

Окраска иссиня-черная, появляется сразу и сохраняется довольно долго.

Окраска синяя, появляется сразу и сохраняется несколько минут.

Окраска синяя, появляется не сразу.

Окраска светло-синяя, постепенно (через 2-3минуты) исчезает.

Окраска светло-синяя, но лишь у проводящих пучков быстро исчезает.

Появляются следы светло-голубой окраски, которые тут же исчезают.

Окраски нет. Наблюдается постепенное порозовение, а затем почернение ткани из-за ее обугливания концентрированной серной кислотой.

Потребности нет. Возможен избыток нитратов в почве

потребности нет.

Потребность малая

Потребность средняя

Потребность выше средней

Потребность большая

Потребность острая

Приложение 2

Фото 1.

Чистотел – накопитель нитратов

Фото 2

Результаты испытаний после обработки лимонной кислотой и нерафинированным подсолнечным маслом

Фото3.

Корнеплод свеклы до обработки

Фото 4. Корнеплод после варки

Фото 5

Консервирование в 9%-ной уксусной кислоте

Фото 6

Консервирование в 9%-ной лимонной кислоте

Фото 7

Обработка подсолнечным маслом

Фото 8

Обработка хлоридом аммония

Фото 9.Обработка сульфатом аммония

Фото 10.

Обработка нитратом аммония.

Фото 11

Обработка молибдатом аммония

Фото 12

Контроль

Фото 13 Некорневая подкормка сульфатом аммония

Просмотров работы: 30