Действие ионизирующего излучение на сельскохозяйственные растения

Первичные реакции в сложном растительном организме начинаются с действия радиации на биологически активные молекулы, входящие в состав многих компонентов ткани. При этом происходит онтогенетически усиления во времени в начале незаметных повреждений некоторых молекул до ярко выявленных биологических последствий на организменном уровне. Радиационное повреждение меристемы приводит к повреждению всего растения , а гибель этих тканей - к гибели всего организма.

В вегетирующих растениях установлена значительная вариабельность изменения обменных процессов , которая зависит от дозы излучения и фазы развития в момент воздействия излучения. Реакция растений на облучение зависит от таких факторов , как генетический потенциал сорта или гибрида и режим воздействия излучения. Постлучевого восстановления или , наоборот , усиление поражения зависят от условий , в которых находится растение после облучения.

Визуально обнаружен эффект подавления ростовых процессов у растений проявляется после однократного облучения обычно в первые 5-7 суток. У злаковых культур может наблюдаться торможение роста главного побега в высоту , а также увеличение вегетативной массы. Так , при остром облучении злаковых культур в фазе развития 2-4 листа общая кустистость может повышаться до 3 раз. Хроническое облучение в некоторых случаях способствует почти 25 -кратному увеличению кущения , что приводит к увеличению вегетативной массы в период уборки почти в 6 раз. При воздействии повреждающих доз излучения в растениях возникают различные морфологические аномалии.

В ряде случаев действие больших доз облучения на растения повышают темпы развития вследствие активизации процессов старения - растения быстрее начинают цвести и созревают . Ускоренное развитие облученных растений связывают с интенсивным притоком питательных веществ к поврежденным облучением мембран и накопления отдельных метаболитов.

В облученных злаковых и бобовых культур часто оказываются хлорофильных мутации , обусловленные нарушением синтеза хлорофилла в листьях , а также изменениями в соотношении отдельных компонентов хлорофилла и даже полным исчезновением пигмента.

Разнообразные и морфологические типы мутаций . У пшеницы , например , встречаются высокорослые , низкорослые , карликовые , полукарликовые формы , а также растения с гилкуватимы стеблями , стелющиеся с вегетативными стеблями , которые появляются из надземных узлов. В некоторых мутантов измененные формы и размер листьев и прилисникив , появляется или , наоборот , исчезает восковой налет. Возникают мутантные формы с измененной продолжительности вегетационного периода .

Острое лучевое поражение прорастающих семян или вегетирующих растений приводит к их отмиранию через несколько часов после облучения.

При воздействии излучения в интервале низких доз темпы роста вегетирующих растений ускоряются . Это явление называется радиостимуляции . Стимулирующий эффект может оказаться в результате того , что образованные продукты радиолиза и пострадиационного распада низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений при малых концентрациях возбуждающе влияют на клетки в результате слабой ( стимулирующей ) интоксикации.

Ростки и вегетирующие растения более чувствительны к действию излучения , чем семена , что приводит и значительно меньшие дозы , которые стимулируют рост и развитие. Стимулирующие дозы молодых растений в фазе активного метаболизма в 10-15 раз меньше , чем для семян , находящегося в покое.

Наиболее подходящим критерием радиочувствительности сельскохозяйственных растений принято считать выживание их до конца вегетационного периода . Этот показатель отражает высокую специфичность реакции популяции на воздействие излучения как фактора стресу.В этом случае учитывается способность тканей к регенерации и репарации радиационных повреждений . Как показатель выживания облученных растений , или растений , которые выращивают из облученного семян , используют летальную дозу облучения , при которой погибает 100 % растений ЛД100 и ЛД70 (гибель растений составляет 70 %). ЛД70 считают критической дозой облучения семян и чаще , чем ЛД100 , применяют для характеристики радиостийкости вида .

В большинстве сельскохозяйственных культур дозы радиации , вызывающих гибель 50-70 % растений , приводят к полной потере производительности. Существуют периоды развития растений , при которых . они наиболее чувствительны к облучению . Так , облучение растений в наиболее радиочувствительных период - кущение - выход в трубку приводит к отмиранию конуса нарастания главного побега .

При облучении вегетирующих растений основных злаковых культур в период их наибольшей чувствительности к действию излучения - в фазе выхода в трубку - потери урожая зерна находятся в прямой зависимости от радиочувствительности культуры . Наиболее чувствительный к излучению рожь , менее чувствительны - пшеница и ячмень , еще более радиорезистентных культурой является овес. К высокостойких против облучения культур принадлежит просо.

Одной из наиболее радиочувствительных сельскохозяйственных культур является горох. Чувствительная к излучению картофель . Высокую радиочувствительность имеют озимый и яровой рапс , подсолнечник.

Под влиянием облучения уменьшается не только количество зерна в урожае , но и заметно меняется его качество - конечно зерно из облученных растений оказывается щуплым . Это обусловлено снижением содержания основной запасной вещества эндосперма - крахмала , на долю которого в полноценном зерне приходится до 80 % массы зерновки . Снижение в зерновке содержания углеводов увеличивает содержание азотсодержащих веществ , в первую очередь , белков. При облучении растений в фазе выхода в трубку - колошения содержание белка в зерне мягкой пшеницы увеличивается на 2-4 % , а в зерне твердых пшениц - на 4-10 % , однако общий выход клейковины и ее качество в щуплый семенах обычно низкие , резко ухудшает хлебопекарные качества муки.

Влияние излучения на вегетирующие растения влияет на посевные качества сформированного из них семена . Оно , как правило , снижает энергию прорастания и лабораторную всхожесть . Максимальное уменьшение сходства у яровой пшеницы отмечается при облучении ее в фазах колошения и цветения.

Производительность облученных сельскохозяйственных культур подлежит существенному воздействию погодных условий , ухудшение которых , как правило , усиливает ингибируючий влияние облучения на ростовые процессы растений , замедляет темпы прохождения фенофаз , удлиняет период вегетации и , таким образом , негативно влияет на конечную производительность культуры . По данным , которые есть в опытах , с острым облучением гаммапроменямы яровой пшеницы , ухудшение погодных условий усиливало радиационной депрессию урожая до 4 раз.

Таким образом можно отметить , что реакция растений на излучений , как и на воздействие других факторов среды , сложная и разнообразная . Она включает процессы , происходящие на молекулярном и клеточном уровнях , которые в целом схожи во всех живых организмов . При переходе к более высоким уровням организации начинают проявляться особенности реакции на облучение , характерные только для растений и которые зависят от особенностей структуры и функций различных тканей и органов растительного организма.

Наличие в жизненном цикле растений такой особой стадии развития , как семена, заключает в себе зачатки нового организма и находится в состоянии своеобразного анабиоза , приводит еще одну особенность реакции растений на облучение , так как семена в связи с анабиотических состоянием своих структур значительно более радиоустойчивые , чем активно метаболируючий организм.

При онтогенетического развития у растений возникают многочисленные специализированные ткани и органы , радиационное поражение которых разное , имеет неодинаковое значение для растительного организма в целом и его хозяйственной производительности частности.

Для снижения концентрации радионуклидов в сельскохозяйственных растениях можно использовать различные приемы , которые делятся на две большие группы :
общепринятые (традиционные ) в агропромышленном производстве меры , направленные на сохранение и увеличение плодородия почвы , рост урожайности , повышения качества растениеводческой продукции и одновременно способствующие уменьшению перехода радиоактивных веществ из почвы в растения ;
специальные приемы (удаление верхнего загрязненного радиоактивными веществами слоя почвы , глубокая вспашка с погребением загрязненного слоя почвы , внесения в почву специальных мелиорантов , связывающих радионуклиды в труднодоступные для растений формы и др.). , которые иногда могут привести к определенному уменьшению урожайности растений и некоторого ухудшения плодородия почвы.

Аналогичным образом - на традиционные и специальные - могут быть классифицированы и приемы по технологической обработке растениеводческой продукции , используемых для снижения содержания в ней радиоактивных веществ.

Химизация земледелия ( в первую очередь внесения удобрений и различных химических мелиорантов , улучшающие физико-химические свойства почвы и повышают ее плодородие ) является одним из важнейших путей ограничения поступления радионуклидов в сельскохозяйственные растения , а затем в продукцию животноводства .

Применение минеральных и органических удобрений , извести , торфа и т.д. наиболее эффективные меры для уменьшения концентрации радионуклидов в урожае . Они составляют основу комплекса средств защиты по профилактике внутреннего , а иногда и внешнего облучения при ликвидации последствий радиационных аварий на загрязненных сельскохозяйственных угодьях.

Уменьшение содержания радионуклидов в урожае при внесении удобрений может быть обусловлено рядом факторов: улучшением условий питания растений и связанными с этим увеличением биомассы и тем самым « разбавлением » радионуклидов ; улучшением концентрации в почве обменных катионов , в первую очередь калия и кальция ; усилением антагонизма между ионами радионуклидов и ионами солей , которые вносят в почву , изменение доступности для корневых систем радионуклидов вследствие перевода их в труднодоступные соединения и обменной фиксации в результате реакции радионуклидов с удобрениями, вносятся.

Эффективным приемом для ограничения перехода радионуклидов в растения является вспашка почвы. В большинстве случаев радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий радионуклиды , выпавшие на поверхность грунтоворослинного покрова , сначала сосредоточиваются в верхнем слое почвы (0-2 см). Вспашка почвы способствует перераспределению радиоактивных веществ в корнеобитаемом слое почвы (как правило , 0-25 см).

Еще одним важным результатом пахоты почв является снижение мощности дозы гаммаизлучения за счет углубления радионуклидов (их распределение в пахотном слое ) . Обычная вспашка почвы на глубину 18-20 см уменьшает мощность дозы гаммаизлучения в несколько раз. При возделывании почвы на глубину 28 см поступления стронция уменьшается по сравнению с контролем (ротационная обработка на глубину 11 см) у люцерны на 40 % , пшеницы - на 25 , а в сахарной свеклы - на 10 %. Глубокое запашки (на 30 см ) снижает накопление стронция в растения с малой корневой системой более чем в три раза по сравнению с контролем , где радионуклид остается на поверхности , но не влияет на поглощение стронция растениями с глубокой корневой системой . Усвоение радионуклидов растениями при вспашке почвы на 30 см уменьшается на 20-30 % по сравнению с мелким обработкой почвы (на 15 см ) , эффективность глубокой вспашки в снижении поступления радионуклидов в растения зависит от их биологических особенностей .

Одним из важных специальных приемов , направленных на уменьшение содержания радиоактивных веществ в почве , является механическое удаление поверхностного слоя почвы , который концентрирует основное количество радионуклидов. Однако этот способ дезактивации почвы очень трудоемкий и дорогостоящий . Снятие слоя 0-5 см с площади 1 га соответствует отчуждению около 500 т грунта , который по сути может рассматриваться как радиоактивные отходы. Видимо , этот прием можно использовать только на очень ограниченной территории , например на огородах .

К механической дезактивации почв может принадлежать и такой прием , как глубокая вспашка почв с заделкой верхнего , наиболее загрязненного слоя почвы на глубину 40-60 см и глубже.

В дополнение к пахоте с перемещением слоя почвы , содержащий радионуклиды , на глубину предлагается отделять новый верхний слой почвы от ниже лежащего с повышенной концентрацией радионуклидов экранным барьером из токсичных химических соединений , препятствующих проникновению корней растения в нижние слои почвы. Проведение этих работ связано с серьезными техническими трудностями и большими экономическими затратами .

Одним из способов, ограничивает аккумуляцию в растениях радионуклидов , является их перевод в трудноусвояемые формы. Для этого можно вносить в почвы различные химические реагенты. Например , для радиоактивного стронция в качестве фиксирующих химических соединений можно использовать большие дозы фосфатов , растворимых силикатов ( калия , натрия ) и т.д. . Можно также промывать грунт , применяя растворы кислот , щелочи , нейтральные соли , комплексоны . Большое значение на орошаемых землях имеет вымывание радионуклидов из почвы .

Важным является вопрос мелиорации лугов и пастбищ , которые радиоактивно загрязнены. Радионуклиды , выпавшие на поверхность лугов , более доступны растениям , чем в пахотных землях , в результате чего содержание радиоактивных веществ в кормах на естественных пастбищах и сенокосах существенно выше , чем в кормовых растениях на пашне .

Первоочередными задачами агромелиоративных мероприятий на загрязненных лугах является разрушение дернистого слоя и перемешивание радионуклидов в корнеобитаемом слое почвы , т.е. перевод естественных пастбищ в искусственные . Для повышения производительности сенокосов и пастбищ применяют обычные агротехнические мероприятия : вспашки , известкование , подкормка минеральными удобрениями , пересев трав. Они дают возможность одновременно значительно уменьшить и радиоактивное загрязнение кормов.

При организации растениеводства для получения продукции с минимальным содержанием радиоактивных веществ можно использовать способность растений накапливать радионуклиды в различных концентрациях.

По содержанию радиоактивного цезия в продовольственной части урожая сельскохозяйственные культуры распределяются так : зерновые , бобовые и зернобобовые - люпин , овес , гречиха, горох , ячмень , пшеница , кукуруза , просо , соя , фасоль , картофель; овощные - капуста , свекла , морковь , огурцы , помидоры ; травы - овсяница , райграс , клевер , тимофеевка . По аккумуляции радиоактивного цезия культуры можно разделить на три группы : зерновые (ячмень , пшеница и овес) - слабонагромаджуючи ; крупяные (просо , чумиза и гречка ) - середньонагромаджуючи ; зернобобовые ( фасоль , горох , бобы ) - сильно накапливающие . Картофель занимает промежуточное место между горохом и бобами.

По содержанию радиоактивного стронция в хозяйственно ценной части урожая овощные культуры размещаются в следующем порядке: свекла , огурцы , морковь , капуста , помидоры , картофель .

Учитывая биологическую способность растений аккумулировать химические элементы и радионуклиды , были высказаны предложения о биологическая очистка почв , подвергшихся радиоактивному загрязнению , с помощью отчуждения растительной массы . Этот прием называют фитомелиорации почв. Проведенные опыты показали , что он по эффективности и рядом других показателей не рационален. Отчуждение выращенной фитомассы не способствует заметному очищению почвы - с урожаем будет вынесено не более 3 % радиоактивного стронция и цезия , содержащегося в почве. Кроме того , если рассматривать фитомелиорация как способ дезактивации почвенного покрова , то неизбежно встает такая проблема , как утилизация загрязненных растений , которые являются , по сути , радиоактивными отходами , требующих захоронения. Кроме того , очистка почвы от радионуклидов с помощью растений будет также очисткой от химических аналогов стронция и цезия - биогенные важных кальция и калия , а также и от многих других биофильних веществ.

Значительно уменьшить количество радионуклидов в продукции растениеводства можно при переработке различных видов растительного сырья. К таким процессам относятся получение растительного масла подсолнечника и сои , крахмала и спирта из картофеля , сахара из сахарной свеклы. Чем меньше содержание химических элементов в конечном продукте , тем меньше будет в нем концентрация радионуклидов. Однако при переработке могут появиться такие продукты , в которых содержание радионуклидов больше, чем в начальных продуктах , например , в жмыхах растительного происхождения. Содержание радионуклидов в растениеводческой продукции может изменяться при консервировании продукции , солении и т.д. .

В условиях радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий в основу ведения агропромышленного производства , в том числе и растениеводства , должен быть положен принцип зонального размещения различных отраслей АПК . Необходимость соблюдения этого принципа связана с тем , что допустимая концентрация радионуклидов в различных видах сельскохозяйственной продукции может изменяться в широких пределах.

В общем виде , в первой зоне ( с наименьшим содержанием радионуклидов ) агропромышленное производство можно вести практически без каких-либо ограничений и без мелиоративных мероприятий , направленных на снижение перехода радионуклидов в сельскохозяйственные растения.