Минеральное питание растений
Создание новых видов и форм удобрений и селекция растений (в том числе трансгенных, которых, например, в США насчитывается более 2000 видов, а в Южной Корее более 1000) обеспечивают единый блок мероприятий в сельском хозяйстве. Однако мы не можем утверждать, что эти два направления находятся ныне в тесной взаимосвязи. Селекционер, генетик сознательно считают, что созданный им сорт должен реагировать на удобрения повышением урожая или быть устойчивым против пестицидов. При этом оцениваются дозы удобрений или препаратов и ряд эффектов их последействия на почву, микрофлору и будущие культуры.
Современный научный подход к изучению биосферы должен иметь комплексный характер и строиться по следующим принципам, как:
1. изучение роли и функции почвенного покрова в биосфере (грунт как основной компонент биосферы и объект хозяйственной деятельности человека, проблемы охраны и повышения ее плодородия)
2. поиск принципиально новых подходов к защите почвенного плодородия, а также предотвращения разрушения в результате различных агробиологических мероприятий;
3. разработка теоретических основ фотосинтеза, почвоведения, агрохимии, метаболических потоков, их связывают;
4. создание модельных биотехнологических систем растительно-агрохимических-почвенного ассоциатов;
5. изучение почвенно-экологических и физиолого-агрохимических основ управления биопродуктивностью агроценозов;
6. агрохимическое исследование ионных потоков и циклов в агроценозах.
Указанные проблемы можно решать только с помощью сотрудничества различных специалистов-биофизиков, биохимиков, агрохимиков, химиков, почвоведов, геологов, математиков, кибернетиков, специалистов по системному анализу. Такие подходы позволят оптимизировать процесс автотрофии, преобразования CO2 на свете (фотосинтез). На основе достижений в изучении фотосинтеза развиваются научные концепции фотобиотехнологии и инженерного фотосинтеза.
Сейчас разработаны и изготовлены автоматизированные комплексы для программного управления непрерывным культивированием фототрофных микроорганизмов, которые дают возможность получать биомассу клеток с заданными параметрами и оптимизировать синтез практически важных соединений. Выявлены активные фототрофные фиксаторы CO2 и N2, а также продуценты Н2, изучены свойства ферментов и переносчиков электронов, участвующих в азотфиксации и метаболизма водорода. Разработаны научные основы биотехнологических систем биоконверсии солнечной энергии на основе использования фототрофов с целью получения H2, NН4 +, ферментов и физиологически активных соединений (убихинон, регуляторы роста) и др..
Не менее актуальной является оптимизация производительности сельскохозяйственных культур в полевых условиях. Открыто и исследовано явление интенсивной фиксации углекислоты листьями растений, произрастающих на солонцах, за счет функционирования тканей, фиксирующие CO2 за С4-типом в день и за САМ (КАМ)-типами ночью. Такой принцип круглосуточной фиксации CO2 основывается на кооперации фотоавтотрофной тканей. Это явление интенсивно развивается в период наибольшего дополнительного перепада температур на солонцовых почвах. Большое внимание уделяют конструированию фотопенетратного ценоза, состоящий из растений, все ярусы листьев которых освещаются солнцем.
Итак, циклы углерода при фотосинтезе так, как и циклы азота, является основой продукционного процесса. Благодаря использованию в исследованиях методов изотопной индикации и газовой хроматографии расширенные и углубленные знания об основных процессы круговорота азота.
Современное растениеводство может сейчас развиваться только на основе новых достижений биотехнологии — науки об использовании биологических процессов в индустриальном производстве хозяйственно полезных продуктов. На основе общей биотехнологии формируется основной аспект этой науки, своеобразная почвенная биотехнология. Это актуально для большей части сельскохозяйственных угодий, где происходит интенсивная деградация почв. Она проявляется из-за эрозии, вторичное засоление в орошаемом земледелии, повышение кислотности, потери гумуса и агрономически ценной структуры, переуплотнению почв тяжелыми сельскохозяйственными машинами и транспортом, техногенное загрязнение тяжелыми металлами, углеводородами и пестицидами. Вышесказанное вызывает негативные изменения биосферных экологических функций почвенного покрова, что может иметь глобальные последствия. В связи с этим чрезвычайно важно изучить роль микроорганизмов, прежде почвенных бактерий, в регуляции круговорота азота. Известны основные свойства бактерий как биотехнологических объектов. Как азотфиксаторы они участвуют в образовании биогаза и фтороводорода.
Микроорганизмы — не единственный фактор почвенного плодородия. Сейчас невозможно определить, какой из компонентов почвы всего связан с деятельностью биоты. На первый взгляд, это, безусловно, гумус как комплекс органических полимеров почвы. Однако известно, что растение, которое развивается на грунтовом субстрате, использует ряд компонентов его минерального ингредиента. Глинистые и суглинистые почвы содержат много минералов — полевой шпат, слюда, кварц, каолин, монтмориллонит, различные калийсодержащими минералы, известь, фосфориты, водные оксиды, соединения железа, алюминия, марганца и др.. У них есть также вещества, необходимые для растения — кальций, калий, фосфор, железо и т.д.. Найциннищи коллоидные частицы, поскольку питательные вещества, которые в них содержатся, легче растворяются в воде. В песчаных и супесчаных почвах, наоборот, большое количество кварца, не может обеспечить питание растений. В последние годы получила широкое распространение концепция использования почвенных минералов и глинистых частиц как матриц для синтеза органического вещества.
Постоянный контроль за состоянием почвы и растений, биосинтетические и деструкционных процессов, которые в них происходят, является основой биологического мониторинга — теоретической и практической основы контроля за состоянием биологического компонента окружающей среды. Он состоит из таких подпрограмм: генетической, клеточной, физиологической, популяционной и биоценологичнои (экологический мониторинг). Биомониторинг имеет два направления: диагностический и прогнозувальний. Последний предусматривает биотестирования и экотоксикология. Биологический мониторинг — наблюдение, оценка и прогноз состояния биотической составляющей биосферы.
Всем известная идея Д.М. Прянишникова о том, что аммиак — это альфа и омега в обмене азотистых веществ в растении. С него начинается синтез и заканчивается распад. Свет для синтеза аспарагина не требуется, но синтез белков без него не происходит. Итак, азот и углерод почвы является в биосфере теми биофильнимы элементами, без которых не может развиваться все живое. В биосфере существует малоизученная система взаимодействия циклов. Сочетание циклов кислорода, углерода, серы и азота — это и кооперативная основа, поддерживает стабильность биосферы. Человек создает агроценозы, формирующихся в результате сельскохозяйственной деятельности. В отличие от природы, которая пытается увеличить в биогеоценозах валовую продукцию (урожай биологический, общая масса органического вещества), стратегия человека направлена ??на рост чистой продукции — количества семян, плодов, клубней и др.. Для каждой культуры определяют хозяйственный коэффициент:
Кгосп. = Угосп. / Убиол. ,
где Угосп. — Урожай хозяйственный; Убиол. — Урожай биологический.
Уже со времен Либиха, Тьеера и Гельригеля применения удобрений сочеталось с рядом агротехнических приемов и концепцией плодосмены (севообороты). Начиная с 30-40-х годов. это мероприятие сочетался с внесением пестицидов. Параллельно формировалась концепция применения синтетических ингибиторов и стимуляторов: в 30-е годы — стимуляторы, 50-е — дефолианты и десиканты, 60-е — ретарданты, в 70-е — этилен-продуценты. Некоторые исследователи считают, что, когда при химизации сельского хозяйства были допущены ошибки, следует от нее отказаться. Это противоречит здравому смыслу. Не подлежит сомнению, что человек как разумное существо должно вести экологически выверенный образ жизни, исследовать потенциал биосферы, ее скрытые ресурсы, оптимизировать известные физиолого-биохимические процессы рецепции, трансформации и аккумуляции солнечной энергии.