Значение йода в растении

 

Йод играет важную роль в жизнедеятельности растений, при нормальном протекании их физиологических процессов. Он принимает участие в синтезе отдельных аминокислот и белков (входит в их состав), является естественным антисептиком, участвует в дыхании, фотосинтезе и азотном обмене.

Недостаток йода у растений может привести к снижению их сопротивляемости различным заболеваниям. Причиной дефицита йода может послужить недостаточное содержание этого элемента в почве (особенно это касается торфяных и подзолистых грунтов, легких супесей, а также субстратов с дефицитом органики).

Неблагоприятны для йода излишне кислые почвы — в них йод моментально уходит в нижние слои, становясь недоступным для растений. Больше всего природного йода в черноземных плодородных почвах, в низинах и особенно в прибрежных районах.

Растения способны поглощать практически все макро- и микро элементы.  Насчитывается около 30 микроэлементов, которые необходимы для нормального жизненного цикла, в свою очередь, влияющих на синтез витаминов, ферментов. Главными являются: бром, ванадий, железо, йод, кобальт, кремний, марганец, медь, молибден, селен, фтор, хром и цинк. Процесс поступления микроэлементов в растения происходит непосредственно через почву, осадки, талые воды, химические средства защиты, минеральные удобрения.

 Йод, наравне с такими элементами, как Al, Na, Cl, F, V, Li, Se и др. относят к элементам, которые принято называть условно необходимыми, так как их «необходимость» экспериментально окончательно не установлена [56].  Но, тем не менее, растения положительно отзываются на их внесение.

Согласно данным М.Я. Школьника, исключение йода из питательной среды приводит к нарушению физиологических процессов у растений [57].

В работах В.К. Кашин [23] йод оказывает значительное влияние на окислительно-восстановительных процессы в растениях путем изменения активности ферментов, перестройки ферментных систем в онтогенезе, изменения скорости дыхательного газообмена и энергетического баланса растений.

Основными источниками поступления йода в растения – почва (корневой путь) и атмосфера (осаждение йода на надземные органы). Растения обладают способностью адсорбировать йод из атмосферы через кутикулы, так и путем адгезии частиц из ворсистой поверхности листьев. Атмосферный йод является важным источником поступления данного элемента в растения. Отмечают, что влаголюбивые растения, такие как мхи, осоковые и лишайники характеризуются повышенной активностью накопления и содержанием йода.

 В начальные периоды вегетации практически весь йод в растения поступает из почвы, а в конце вегетации доля йода, имеющая почвенное происхождение, на дерново-подзолистой почве снижается до 35%, а на дерново-карбонатной – до 10%. Соответственно снабжение растений из атмосферы составляет 65 и 90% [23].

В.В. Ковальский отмечал что, пороговые концентрации йода в растениях составляют до 0,07 – недостаток, 0,08–1,2 – норма, 0,8–2,0 мг/кг – избыток [25]. Среднее содержание йода в надземных частях растений, может варьироваться в узком интервале от 0,3 до 0,42 мг/кг сухого вещества. Невысокие концентрации йода характеризуются, тем, что он является типичным барьерным элементом и накапливается растениями до определенного предела [26]. Наблюдалось это как у зерновых, так и овощных культур, произраставших на почвах с содержанием микроэлемента на уровне фонового и, обработанными растворами йодистых соединений увеличивающихся концентраций (Кашин В.К., 1987). По градации А.Л. Ковалевского йод относится к первой группе элементов, которые являются барьерными при кларковых содержаниях в почве [25].

Из имеющихся литературных данных можно выделить показатели, влияющие на поступление галогена в растения. Это географические и экологические факторы, тип и свойства почвы, биологические особенности растений, использование удобрений, известкование [26].

Зависимость пониженного содержания йода в растениях наблюдается по мере удаления от океанических и морских акваторий, атмосфера которых насыщена этим микроэлементом. Концентрация йода в растениях, произрастающих в континентальных районах, ниже, чем в приморских, примерно в 2-13 раз [23].

Антропогенный фактор, так же влияет на поступление галогена в растения и  проявляется следующим образом: интенсивность его поступления в растения зависит от степени удаленности от техногенных источников загрязнения: чем они дальше, тем менее загрязнена окружающая растительности. Источником загрязнения внешней среды (в том числе и почв) радиоактивными изотопами йода является предприятия ядерно-энергетического цикла.

Тип и свойства почвы оказывают значительное влияние на поступление йода в растения. Интенсивность его поглощения более заметна в тяжелых по гранулометрическому составу и соответственно более обогащенных этим элементом почвах. Накопление йода в растениях также зависит от концентрации его подвижных форм в почве [26]. Установлено, что от рН среды зависит величина поверхностного заряда на клеточных мембранах корневых волосков, являющегося важным фактором проницаемости мембран. В кислой среде отрицательный заряд на мембранах снижается за счет подавления диссоциации кислотных групп фосфолипидов, вследствие чего стимулируется прохождение йода [35]. В щелочной среде проходят противоположные процессы.

По данным В.К.Кашина, при прочих равных условиях бобовые и разнотравье концентрируют йода больше, чем злаки и осоки [23], причина – биохимическое различие в метаболизме ассимилятов. Лесному высокотравью свойственны более высокие концентрации йода, что связано с его более высокой подвижностью в почвах с кислой средой [30].

Основная концентрация йода происходит в подземных органах – корнях и корневищах. По мнению Т.В. Русиной, существует четко выраженная дискриминация йода на пути его транспорта из корневых систем в надземную вегетативную часть и далее в репродуктивные органы, проявляющаяся в многократном снижении коэффициента его накопления (Кн) в фитомассе в каждом последующем звене. В репродуктивных органах Кн в среднем на 2 порядка ниже, чем в вегетативных [37].

В надземной части растений наиболее высоким содержанием йода характеризуются листья. Опираясь на данные опытов В.К. Кашина, можно расположить органы и части растений по содержанию йода в следующий убывающий ряд: листья > стебли > семена [23].

Так же замечено, что к увеличению концентраций йода в растениях оказывает существенное влияние применение удобрений. По данным опытов Г.А. Конарбаевой с картофелем различная интенсивность использования минеральных удобрений в агроценозе отражается на поступлении галогена в растения, при этом концентрация этого элемента в вегетативной части (листья, стебли) была заметно выше, чем в запасающих органах (клубни) [26].

Установлено, что органические формы элемента растениями не усваиваются. Данный галоген становится доступным растительности только после разложения органических веществ бактериями. Йод в растении улучшает углеводный обмен, способствует повышению содержания аскорбиновой кислоты (витамина С), а в водных культурах стимулирует образование свободных аминокислот.

Как отмечает В.К. Кашин, на метаболизм растений йод действует многофункционально:

- микроэлемент оказывает влияние на азотный, углеводный, энергетический и водный обмены, на ферментативную активность и окислительно-восстановительные процессы, биосинтез пигментов и фотосинтетическую деятельность, ростовые и продукционные процессы растений;

- влияние йода на процессы метаболизма (такие как водный обмен, повышение содержания связанной воды, стабилизации белкового обмена), способствует формированию повышенной устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды (прежде всего, к засухе);

- оптимальные дозы йода, вносимые в почву или вводимые в семена перед посевом, проявляют «секундерный» тип стимуляции физиологических процессов: физиологическая активность у опытных растений повышается на поздних этапах развития и сдерживается на ранних;

- физиологическое действие йода в растениях осуществляется путем непосредственного участия в азотном обмене (путем включения в состав аминокислот и белков), а также неспецифическим влиянием постоянно присутствующих в клетках ионов йода, которые благодаря большим возможностям валентных превращений, влияют на активность ферментов и связанные с их деятельностью гидролитические и биосинтетические реакции метаболизма и на состояние воды в тканях [23].

Стимулирующее действие йода на растения отмечается при содержании 0,1 мг/кг в питательном растворе. Токсический эффект наблюдался при концентрации йода 0,5–1,0 мг/кг. Количественное содержание йода в некоторых растениях может значительно изменяться, но порядок его содержания зависит от вида растения. Установлена сезонная изменчивость содержания йода. Летом содержание йода в растениях  наиболее низкое [21].

В начальный период вегетации отмечается повышенное содержание йода в растениях по сравнению с ее серединой и концом. Так, при исследовании разнотравно-злаковой ассоциации на луговых почвах Дагестана, максимум содержания йода в надземной массе и корнях приходился на июнь [10]. Накопление в стеблях и листьях растений достигает максимума в весенний период, оно связано с влиянием восходящих потоков влаги, способствующих сезонной концентрации элемента в вегетативных органах [10].

С 30-х годов XX века стали появляться сообщения о необходимости йода для роста и развития растений. Исследования П.А. Власюка показали, что предпосевная обработка семян различных культур растворами йодида калия может заметно обогащать пищевые продукты. Так же было отмечено, что йодсодержащие удобрения, необходимо вносить непосредственно перед посевом ввиду летучести йода [6].

Взаимосвязь йода с другими химическими элементами влияет на его содержание и действие в растительном организме. В растениях отчетливо прослеживается антагонизм йода и хлора. Содержание хлора под действием йода снижается, это имеет практическое значение в плане получения солеустойчивых форм растений, поскольку солеустойчивость растений повышается под влиянием йода. Йод является синергистом по отношению к селену и антагонистом по отношению к кобальту [32].

Роль йода в почве

 

Йод в почве играет значимую роль и содержание его в почве обуславливается результатом действия сложных динамических процессов, которые включают в себя в том числе и фиксацию из атмосферы. Взаимосвязь йода с органическими и неорганическими компонентами почвы усиливает фиксацию, снижает скорость улетучивания и снижает его биологическую доступность. Комплексообразование йода с органическими веществами, оксидами металлов и глинами вызывает сильную фиксацию йода в почве и изменяет концентрацию водорастворимого йода, доступного для растений. Содержание растворимого йода в почве обычно составляет <10% от общего количества йода, зафиксированного в почве.

Растения способны поглощать из почв подвижные формы йода, размеры которых оценивают по экстрагируемому водой йоду. В дерново-подзолистых почвах доступность йода растениям относительно высока. В гумусированных черноземах водорастворимый йод составляет около 1% от валового. Близкие значения доступного йода характерны и для торфяных почв. В приморских почвах также мало легкоусвояемых форм этого микроэлемента, однако дополнительным источником йода для растений в этих районах является атмосферный йод.

Йодонакопление в тканях растений тесно зависит от наличия его подвижных форм в почве. Подвижность йода в почве определяется: общим содержанием элемента, рН среды, содержанием и состоянием органического вещества и т. д. Легкие почвы гумидных районов обычно обеднены йодом, а сильногумусовые и оглеенные почвы богаты им. На распределение йода в почвах большое влияние оказывают близость моря и районов современного оледенения.

Гранулометрический состав почв по разному влияет на процесс аккумуляции в них йода. Тяжелый глинистый состав почв, насыщенный илистыми частицами, благодаря процессам сорбции способствует накоплению йода. Например, в солонцах юга Западной Сибири, максимальная концентрация йода (10 - 18,7 мг/кг) отмечена в солонцовом горизонте целого ряда разрезов, в которой содержание илистой фракции было равно примерно 39-45% [26].

Реакция почвенной среды оказывает влияние на поведение галогена. Кислая среда способствует потерям микроэлемента из-за процессов окисления, приводящим к образованию свободного йода.. Влияние реакции среды на поведение галогена связано, прежде всего, с его способностью легко окисляться и восстанавливаться. В удержании йода в почве немаловажное значение имеют окислительно-восстановительный потенциал и содержание оксидов железа и марганца. 

Роль водного режима очень неоднозначна. Промывной и периодически промывной типы водного режима усиливают миграцию йода, так как большинство его солей хорошо растворимы. Исходя из этого можно сделать вывод, что в условиях переувлажнения йод не сорбируется.

Очень важна роль живого вещества в аккумуляции йода. Почвенные микроорганизмы используют йод в процессе своей жизнедеятельности и концентрируют его в соединениях, которые сами создают. Известны, например, созданные бактериями железные конкреции, содержащие много йода. После их отмирания йод вновь возвращается в почву [26].

Помимо определения валового содержания йода в почвах, необходим анализ и его водорастворимой формы, так как накопление йода растениями определяется содержанием его подвижных, и прежде всего, водорастворимых форм. Значение этой формы йода, доступной для растений, огромно, так как поступление его из йодно-гумусовых комплексов ограничено. Содержание водорастворимой формы йода в почвах принято интерпретировать, основываясь на критериях Ю.Г. Покатилова: 0,011-0,03 мг/кг – низкое, 0,03 - 0,05 – пониженное, 0,05- 0,10 мг/кг – оптимальное [36].

    Что касается интразональных почв, то здесь распределение подвижной формы йода приобретает иной характер. Содержание йода несколько возрастает. При этом, чем выше засоление почвы, тем больше концентрация подвижного галогена. Наибольшие концентрации йода присущи лугово-перегнойным солончаковым почвам, затем следуют солончаки, за ними солонцы и солоди [26].

Исследования по содержанию йода в почвах, природных водах и растительности проводились во многих регионах России.

Таким образом, для каждой почвенной зоны требуется своя градация по содержанию йода. Почвы определяют йодный статус региона, так как поступление йода в растения, а затем в организмы человека и животных, обуславливается запасами, содержащимися в почвообразующей породе и другими эдафическими факторами.