Влияние концентрации NaCl на рост растений водяного кресс-салата (Nasturtium officinaler.Br.) применительно к биолого-технической системе жизнеобеспечения человека

Введение. В замкнутых искусственных экосистемах (ЗЭС) актуальна проблема включения хлористого натрия, содержащегося в экзометаболитах человека, во внутрисистемный массообмен. Согласно исследованиям, выполненным в ИБФ СО РАН, наиболее подходящими кандидатами для включения в растительное звено биологотехнологической системы жизнеобеспечения человека (БТСЖО), с целью вовлечения хлористого натрия во внутрисистемный массообмен, являются растения водяного кресс–салата и солероса европейского [1]. Если растение-галофит солерос европейский хорошо изучен при культивировании в БТСЖО при высоких уровнях засоления питательных растворов [2], то солеустойчивость гликофита водяного кресс-салата мало изучена применительно к условиям БТСЖО.

Цель исследования . Изучить пределы солеустойчи-вости растений Nasturtium officinale R.Br. применительно к условиям БТСЖО.

Объекты и методы исследования. Растения водяного кресс–салата ( Nasturtium officinale ) выращивали в вегетационной камере в сосудах из нержавеющей стали, с посевной площадью 0,032 м². Растения водяного кресс-салата культивировали методом водной культуры в 2,5литровых сосудах. Плотность посадки соответствовала 3 растениям на сосуд. Температуру воздуха в камере поддерживали на уровне 24±1°C при естественной концентрации СО 2 . Источником освещения являлись металлогалогенные лампы ДМ3-3000. Интенсивность ФАР соответствовала 690 мкмоль×м^-2×с^-1. Фотопериод составлял 24 ч. Относительная влажность воздуха – 60–70 %. Минеральный состав питательного раствора представлен ниже [1].

Минеральный состав питательного раствора для культивирования водяного кресс-салата, мг×л-1

Для выявления пределов солеустойчивости растений водяного кресс-салата использовали следующие варианты засоления: 0,7; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2 и 2,3 г×л-1. В контрольном варианте растения водяного кресс–салата выращивали при концентрации NaCl в модельном растворе, равной 0,02 г×л-1.

Объем исходного раствора составлял 2 л. Питательный раствор заменяли свежеприготовленным раствором 1 раз в 7 суток. В сосуды с растениями ежедневно добавляли отстоянную водопроводную воду в течение 7 суток по мере эвапотранспирации растворов. Питательные растворы постоянно обогащали кислородом. Уборку растений водяного кресс-салата проводили через 19 суток после переноса растений на модельный раствор.

Состояние растений оценивали по сухой надземной биомассе и по содержанию K и Na в надземных органах растений.

Содержание K, Na определяли методом пламенной фотометрии на приборе Flapho-4 [3]. На рисунках представлены данные в виде средних значений и стандартной ошибки. Достоверность различий между средними определяли по критерию Стьюдента при уровне значимости p < 0,05 [4].

Результаты исследования и их обсуждение. В результате выращивания водяного кресс-салата на модельных растворах, имитирующих растворы с добавлением минерализованных экзометаболитов человека, сухая съедобная биомасса растений была максимальной в варианте без засоления (риc. 1).

Полученные результаты согласуется с результатами наших предыдущих исследований [1] и подтверждают, что максимальную съедобную биомассу водяной кресс–салат накапливает в отсутствии хлорида натрия в питательном растворе, так как данный вид зеленного растения является гликофитом. Внесение 0,7 г×л-1 NaCl в питательный раствор снижает сухую надземную биомассу растений водяного кресса в 1,6 раза. Увеличение концентрации NaCl от 0,7 до 1,4 г×л-1 привело к снижению сухой съедобной биомассы растений в 1,7 раза, что может быть связано как с повреждением корневой системы [5], так и со снижением интенсивности фотосинтеза [6]. Дальнейшее увеличение концентрации хлорида натрия до 2,1 г×л-1 не оказывало значимого влияния на накопление сухой съедобной биомассы. Повышение концентрации NaCl в питательных растворах от 2,1 до 2,2–2,3 г×л-1 привело к резкому снижению сухой надземной биомассы растений в

3,8 раза. Учитывая высокие ошибки среднего арифметического при расчете биомассы, начиная с варианта с засолением 2,0 г×л-1 NaCl (рис. 1), можно предположить, что растения уже находились в состоянии стресса, и различия в индивидуальной устойчивости сказались на биомассе растений [7].

Рис. 1. Сухая надземная биомасса растений Nasturtium officinale при выращивании на модельных растворах, имитирующих раствор с добавлением минерализованных экзометаболитов человека

Показано, что с увеличением концентрации хлорида натрия в растворе от 0,02 до 1,4 г×л-1 относительное содержание Na в съедобной биомассе растений повысилось в 8 раз (рис. 2). Увеличение концентрации NaCl в растворе от 1,4 до 1,6 г×л-1 не оказало значимого влияния на относительное содержание натрия в надземной биомассе растений. При концентрации 1,8 г×л-1 NaCl наблюдали увеличение содержания натрия в съедобной биомассе в 1,4 раза по сравнению с вариантом 1,4 г×л-1 NaCl. Дальнейшее повышение концентрации NaCl не оказало значимого влияния на накопление натрия в съедобной биомассе растений водяного кресс-салата. Следует отметить, что при концентрациях NaCl от 0,02 г×л-1 до 1,6 г×л-1 соотношение K/Na в надземных органах растений снизи- лось от 21 до 1,6 соответственно. При засолении 1,8 г×л-1 NaCl и выше относительное содержание калия и натрия в надземной биомассе растений достоверно не отличалось и было равно 1 (рис. 2). Известно, что поддержание высокого цитозольного соотношения K/Na (особенно в надземных органах) является важным параметром в соле-устойчивости растений гликофитов [8]. В работе Kaddour с соавторами [9] было показано, что растения N. officinale способны поддерживать высокое соотношение K/Na (0,7) до засоления 100 mM (5,8 г×л-1) NaCl. Наши результаты согласуются с результатами данных исследователей [9] и показывают, что исследуемые уровни засоления не оказывают влияния на поглощение калия растениями.

Рис. 2. Относительное содержание Na и К в надземной биомассе растений Nasturtium officinale при выращивании на модельных растворах, имитирующих раствор с добавлением минерализованных экзометаболитов человека

На основании данных по сухой надземной биомассе растений и по относительному содержанию натрия в надземной биомассе было рассчитано общее содержание натрия в надземной биомассе растений на площади 1 м2 (рис. 3).

Рис. 3. Содержание Na в надземной биомассе растений Nasturtium officinale (г×м-2) при выращивании на модельном растворе, имитирующем раствор с добавлением минерализованных экзометаболитов человека, с разными уровнями засоления

Показано, что содержание натрия в надземной биомассе растений при концентрациях NaCl от 0,7 до 1,8 г×л-1 достоверно не отличалось. Вынос натрия с 1 м2 растениями водяного кресс-салата при концентрации NaCl 2,1 г×л-1 был в 1,5 раза выше, чем при 1,8 г×л-1 NaCl, и достоверно не отличался от варианта 2,0 г×л-1 NaCl. Поскольку сухая надземная биомасса растений резко снижалась при повышении концентрации NaCl от 2,1 до 2,2 г×л-1, а относительное содержание натрия в надземной массе растений данных вариантов достоверно не отличалось, то и вынос натрия с 1 м2 значительно снижался в вариантах 2,2 и 2,3 г×л-1 NaCl. Следует отметить, что при концентрации NaCl 2,0 г×л-1 и далее, по мере повышения концентрации NaCl, происходила гибель отдельных растений, в связи с чем данный уровень засоления является критическим для выращивания водяного кресс-салата в искусственных условиях применительно к БТСЖО.

Выводы

• 1.    Растения Nasturtium officinale можно выращивать в условиях применительно к БТСЖО с целью вовлечения NaCl во внутрисистемный массообмен.

• 2.    При уровне засоления 2,0 г×л^-1 NaCl и выше происходит гибель растений Nasturtium officinale , в связи с чем при таких концентрациях нецелесообразно выращивать данный вид растений применительно к условиям БТСЖО.

• 3.    Максимальным уровнем засоления для выращивания растений Nasturtium officinale в искусственных условиях применительно к БТСЖО, не вызывающим гибель растений, является 1,8 г×л^-1 NaCl.