|
Primanje mineralnih elemenata i njihove funkcije |
|
Biljke primaju različite mineralne elemente iz zemljišta na kojem žive. Poznata je činjenica da prinos gajenih biljaka može da se poveća dodavanjem biljnog pepela i drugih vrsta organskog i veštačkog đubriva.
U zemljištu i atmnosferi nalazi se veliki broj hemijskih elemenata. Da li biljke usvajaju sve te elemente i da li su im svi ti elementi potrebni?
Hemijski sastav biljke je moguće odrediti hemijskom analizom suve materije biljke. Da bi se utvrdilo koje hemijske elemente biljke usvajaju i šta sve ulazi u sastav biljnog tkiva, za početak je potrebno odstraniti svu vodu iz biljke. To se postiže sušenjem na 105 stepeni celzijusovih. Na taj način dobijamo suvu materiju koju kasnije možemo dalje da analiziramo.
Od ukupne suve supstance 45% čini ugljenik, 45% kiseonik, 6% vodonik, 1,5% azot dok ostatak (2,5%) čine mineralni elementi.
Da li ste znali da biljka može da sadrži gotovo sve elemente iz zemljišta na kome živi. Međutim nisu svi elementi iz spoljašnje sredine neophodni biljci, čak neki mogu biti i štetni.
Stvarne potrebe biljke za svakim pojedinačnim elementom mogu da se utvrde primenom metoda vodenih kultura. Metod vodenih kultura sastoji se u gajenju biljaka u vodenim rastvorima određenog sastava i koncentracije pojedinih elemenata. Jedan od poznatih mineralnih rastvora je Knopov rastvor koji sadrži: kalcijum-nitrat (Ca(NO3)2), kalijum-nitat (KNO3),monokalijum fosfat (KH2PO4), magnezijum sulfat (MgSO4) i gvoždje hlorid (FeCl3).
Eksperiment se postavlja tako što kontrolna varijanta sadrži sve mineralne elemente i naziva se kompletan rastvor. U drugim varijantama se iz kompletnog rastvora izostavlja po jedan mineralni element. Eksperimentalne biljke se gaje u staklenim sudovima , pod optimalnim uslovima temperature i svetlosti i obezbeđuje se areacija rastvora kako bi korenov sistem mogao da raste u prisustvu kiseonika. Na ovaj način je moguće odrediti kako nedostatak svakog pojedinog elementa utiče na rast i razviće biljke.
Elementi bez kojih biljka ne može da se razvija do kraja svog životnog ciklusa nazivaju se esencijalni odnosno neophodni elementi. Do sada je poznato 17 neophodnih elemenata. To su ugljenik: (C), kiseonik (O),vodonik (H), azot (N), sumpor (S), fosfor (P), kalijum (K), kalcijum (Ca), magnezijum (Mg), gvožđe (Fe), mangan (Mn), cink (Zn), bakar (Cu), bor (b), hlor (Cl),molibden (Mo) i nikal (Ni).
Raspored esencijalnih elemenata u periodnim sistemu elemenata
Po količini koja je potrebna biljkama esencijalni elementi se dele na:
Mikoelementi tj. mikrometabolički elementi čine od 0,00001% do 0,001% težine suve supstance. To su gvožđe, mangan, bakar, cink, bor, molibden i hlor.
- makrometaboličke odnosno makro elemente
- mikrometaboličke odnosno mikro elemente
Mikoelementi tj. mikrometabolički elementi čine od 0,00001% do 0,001% težine suve supstance. To su gvožđe, mangan, bakar, cink, bor, molibden i hlor.
Esencijalni elementi koji ulaze u sastav organskih jedinjenja su ugljenik, vodonik i kiseonik. Biljka uzima ugljenik iz vazduha tačnije ugljen-dioksida , dok vodonik i kiseonik uzima iz vode. Azot, sumpor i fosfor takođe ulaze u sastav organskih jedinjenja kao što su naprimer: nukleinske kiseline, proteini, neki vitamini itd. Mikrometabolički elementi učestvuju u metabolizmu kao sastavni delovi enzima ili kao njihovi aktivatori, odnosno kao prenosioci elektrona u oksido-redukcionim procesima.
Za razumevanja dela lekcija o tome kako biljka prima mineralne soli i jone, podesti se lekcije o tome kako biljka apsorbuje vodu. https://biologija-gimnazija.weebly.com/promet-vode-kroz-biljku.html
Pored toga što ima ulogu da pričvršćuje biljke za podlogu, korenov sistem biljaka apsorbuju mineralne soli iz zemljišta, u kojem se nalaze rastvorene u vodi. Ovo usvajanje se odvija u obliku anjona (NO3-, H2PO4-,SO4 2-) i katojna (NH4+, K+, Ca2+, Mg 2+, Fe 2+). Unošenje jona u ćeliju iz zemljišnog rastvora se odvija tako što se prvo sve pore u ćelijskim zidovima ispune jonima. Sa obzirom da je ćelijska membrana odnosno plazmolema selektivno propustljva tj. neke supstance propušta u manjoj meri , a neke u većoj ona je slabo propustljva za naelektrisane čestice. To znači da one ne mogu da uđu u ćeliju pasivnim transporom.
Zbog toga joni u ćeliju ne ulaze putem difuzije već se prenose u ćeliju putem sistema koji sačinjavaju proteini membrane . Ovi prenosioci imaju sposobnost da vežu jon na jednoj strani membrane i da ga zatim prenesu na drugu stranu membrane kroz specijalni otvor i onda otpuste u citoplazmu. Za ovakvu aktivnost potrebno je ulaganje energije koja se dobija razlaganjem ATP-a u ADP uz izdvajanje neorganskog fosfata. Kako se prenos jona obalja uz utrošak energije možemo zaključiti da se joni premeštaju putem aktivnog transporta. Kod aktivnog transporta prenos jona ne zavisi od razlike u koncentraciji već isključivo od raspoložive energije tj. količine ATP-a. Pojedine jone kao što su joni kalijuma i kalcijuma kao i joni ostalih esencijalnih elemenata prenose posebni prenosioci. Rad prenosioca jona omogućava da se izvesni elementi nakupljaju u ćeliji u znatnoj većoj koncentraciji nego u spoljašnjoj sredini , dok se drugi elementi uzimaju u znatno manjoj meri.
Joni koji uđu u ćelije korena prenose se do traheja i traheida . Ovi ksilemski elementi su ispunjeni vodom koju sila transpiracije izvlači iz korena u nadzemne delove biljke , a samim tim i sve u njoj rastvorene supstance, pa i jone . Tako se stablo, listovi, listovi i cvetovi i plodovi snabdevaju mineralnim elementima koji su im neophodni za život.
Azot spada u grupu makroelemenata. U prirodi je najzastupljeniji u vazduhu (78%) kao inertan gas N2. Neorganski azot (NO3-) u obliku nitrata biljke mogu neposredno da koriste. Međutim nitratni oblik azota mora u biljci da se redukuje , a taj proces se naziva biološka redukcija nitrata. Kada se redukcija NO3 odvija u listovima , elektroni se obezneđuju fotolizom vode u svetloj fazi fotosinteze, pa se na taj način kod biljaka javlja još jedan oblik autotrofije.
Nedostatak azota izaziva kod biljaka razne poremećaje. Simptomi oskudice azota ne javljaju se odmah sa smanjenjem količine azotnih jedinjenja. Biljke prvo reaguju sa usporenim rastom što se ogleda u manjoj površini listova i zaostajanjem rasta cele biljke. Tek pri većem nedostatku azota dolazi do pojave karakterističnih simptoma deficijencije. Kao što je rečeno , biljke su malog rasta jer je smanjena sinteza najvažnijih organskih jedinjenja. Listovi, cvetovi i plodovi su sitniji. Lišće gubi zelenu boju. Ta pojava se naziva hloroza. U stablu, lisnim peteljkama i nervima javljaju se drugi pigmenti kao što je antocijanin umesto hlorofila. Zbog toga ovi delovi imaju crvenkastu boju.
Sjajnu infografiku o kruženju azota u prirodi možete pogledati na adresi:http://elementarium.cpn.rs/teme/kruzenje-azota-u-prirodi/
Azot u prirodi neprestano kruži tj. prelazi iz neorganskog u organski oblik. Navedena pojava se naziva ciklus kruženja azota u prirodi. Taj ciklus podrazumeva čitav niz hemijskih transformacija koje omogućavaju prelazak azota iz jednog oblika u drugi. Neorganske forme azota iz zemljišta uzimaju biljke , koje kao autotrofni organizmi u svom telu izgrađuju sva ostala azotna organska jedinjenja, a naročito amino kiseline. Kako životinje nisu autotrofni organizmi one sa biljnom hranom uzimaju neke esencijalne amino-kiseline. Kada biljke i životinje odumiru azot koji je ugrađen u organska jedinjenja u njihovom telu vraća se u zemljiše radom određenih mikroorganizama. Mikroorganizmi degradiraju biljne i životinjske ostatke u procesu amonifikacije. Tom prilikom se oslobađa amonijum jon (NH4-). Amonijak i amonijumove soli u zemljištu radom bakterije Nitrosomonas oksiduju se do nitrita , a Nitrobacter dalje prevodi nitrite u nitrate. Pored biljaka nitrate mogu koristiti i bakterije koje redukuju nitrite u elementarni azot. Ove bakterije se nazivaju denitrifikatori, a proces se naziva denitrifikacija. Najpoznatiji denitrifikator je bakterija Micrococcus denitrificans. U procesu kruženja azota takođe učestvuju azotofiksatori koji fiksiraju elementarni azot.
Sposobnost da vezuju tj. da fiksiraju elementarni azot iz atmnosfere imaju samo neki prokariotski organizmi. To su bakterije i neke cijanobakterije. Ovi prokarioti mogu da se svrstaju i 2 velike grupe: slobodne azotofiksatore i simbiotske azotofiksatore. Slobodni azotofiksatori se dele na aerobne koji žive u prisustvu kiseonika kao što je Azotobacter i anaerobne koji žive u sredinama bez kiseonika kao što je Clostridium. Najpoznatije cijanobakterije azotofiksatori koje žive slobodno su Anabaena i Nostoc. Simbiotski način fikascije azota se obavlja samo kada mikroorganizmi koji žive u zemljištu kao slobodni aerobni organizmi stupe u simbiozu sa domaćinom. To su bakterije roda Rhizobium, dok su njihovi domaćini biljke iz porodice Fabaceae (Leguminoseae) tj mahunarke.
Kako do simbioze?
Uzdužni presek korenove kvržice
Kada bakterije u zemljištu dođu u dodir sa korenskom dlakom, dolazi do oštećenja ćelijsog zida dlake. Na oštećenim mestima bakterije ulaze u pore i zatim obrazuju sluzavu infekcionu nit preko koje ulaze u parenhimske ćelije korena. Kada uđu u parenhim bakterije izazivaju učestale deobe ovih ćelija, pa se na taj način stvaraju kvržasta zadebljanja koja mogu biti različitih oblika. Bakterije koje žive u kvržicama nazivaju se bakteroidi. Na poprečnom preseku, ćelije kvržica su crvene boje koja potiče od hemoglobina. Uloga hemoglobina je da veže kiseonik kako bi se obezbedili aerobni uslovi neophodni za normalno funkcionisanje enzima nitrogenaze koji redukuje azot. U bakteroidima se redukuje N2 U NH4 radom nitogenaze. NH4 se dalje ugrađuje u glutaminsku kiselinu,glutamin i asparagin koji se dalje transportuju kroz biljku.
Kako bi se povećali prinosi u zemljoradnji se koristi postupak plodored. Naime posle skidanja žetve sa zemljišta iz kojeg su biljke iscrpile velike količine azota seju se kulture koje žive u simbiozi sa bakterijama kao što su lucerka,detelina,soja i sl. Pri simbiozi Rhizobiuma sa bobom dobija se čak 600 kg azota po hektaru. Slobodni azotofiksatori u toku jedne godine vežu do 40kg azota. Smatra se da se azotofiksacijom na zemlji godišnje unese 10^8 tona azota.
Sumpor je element koji se u biljkama nalazi u redukovanom obliku SH-grupa nekih amino-kiselina. Iz zemljišta se usvaja u obliku sulfatnog jona SO4 2-, koji se zatim redukuje u hloroplastima. Energija koja je neophodna za redukciju sumpora potiče od atp-a. Redukovani sumpor se ugrađuje u neke amino-kiseline (cistin,cistein, metionin) i na taj način ulazi u sastav proteina. Pored toga ulazi u sastav vitamina i drugih jedinjenja. Zbog toga možemo reći da je redukcija sumpora još jedan vid autotrofije biljaka. U prirodi veoma retko dolazi do deficita sumpora , ali u eksperimentalnim uslovima deficit sumpora izaziva karakteristične simptome. U takvim slučajevima biljke su zakržljalog rasta a listovi gube hlorofil. Hloroza se prvo javlja u mlađim listovima . U industrijskim rejonima supor se često javlja u visokim koncentracijama u obliku sumpor dioksida i tada deluje štetno na biljke, dok je na močvarnim predelima u obliku H2S veoma štetan za biljke.
Fosfor je sastavni deo fosfolipida, fosfolirovanih šećera, nukleotida,ATP-a,NADP-a i drugih jedinjenja koja su važna za građu i metabolizam biljke. Biljka ga uzima u oksidovanom obliku PO4 (3-) ,HPO4 (2-) i H2PO4 (-) i kao takav se ugrađuje u organska jedinjenja. U nedostatku fosfora dolazi do različitih promena kod biljaka. Obično slabo rastu, ali ne dolazi do hloroze, čak su listovi tamno zeleni. Krajnji simptom nedostatka je nekroza na raznim delovima.
Magnezijum je sastavni deo molekula hlorofila . Otuda je njegov značaj za funkcionisanje biljke očigledan. Kada nema magnezijuma inhibira se sinteza hlorofila pa su listovi hlorotični. Hloroza se javlja najpre u starijim listovima i često ima tipičan izgled. Zbog gubitka hlorofila u listovima se javljaju hlorotične pege u kojima se obrazuju antocijani pa su otuda pege crvene boje.
Kalijum se javlja u biljkama kao slobodan jon koji je lako pokretljiv i ima veliku ulogu u održavanju osmotske koncentracije u ćeliji. Ima važnu ulogu u transpiraciji tačnije u otvaranju i zatvaranju stoma, kao i u pokretima koje biljke izvode, a baziraju se na promeni turgora. Nedostatak kalijuma izaziva promene na listovima. Listovi su povijeni po ivici, a po ovodu se javljaju žute i mrke zone, koje kasnije postaju nekrotične.Usled pokretljivosti jona kalijuma najpre stradaju stariji listovi.
Kalcijum ima značajnu funkciju u održavanju strukture membrana, hromozoma, viskoziteta citoplazme. Kod biljaka koje rastu uz nedostatak ovog elementa naročito stradaju korenovi. Bočni korenovi i korenske dlačice se ne razvijaju , a koren je mrke boje i sluzav. Listovi su mali i uvijeni sa izraženom hlorozom.
