Размещено на http://www.allbest.ru/

Научно-исследовательская работа

Выращивание растений в гидрогеле

автор: Микелсон Анна

Руководитель: Шалимова Е. Г.

Москва 2011-2012

Содержание

Введение

Морфология и физиология корневой системы растений

Строение корневой системы

Механизм корневого давления

Роль воды в жизни растений

Экологические группы растений по отношению к влаге и их адаптации к водному режиму

Что необходимо для роста и развития растений

вода

Кислотно-щелочной баланс

Значение основных элементов питания растений

Определение недостатка компонентов в растворе по внешнему виду растений

Химический состав гидрогеля

Набухание гидрогеля

Выращивание перца

Выращивание семян в гидрогеле

Выращивание хлорофитума в разном количестве земли и геля.

Пересадка молочая в гидрогель

Выращивание спатифиллума

Выращивание редиса

Выращивание салата

Опыт с розой

Выращивание гиацинта

Выращивание лука

Заключение

Список литературы

Введение

растение корневой гель влага

Проблема выращивания растений в гидрогеле появилась не так давно. В нашей стране работы по созданию сильно набухающих полимерных гидрогелей были начаты в начале восьмидесятых годов XX века в Институте химической физики АН СССР под руководством профессора К. С. Казанского.

Гидрогель - это водопоглощающий полимер в виде порошка или гранул, обладает уникальной способностью поглощать и удерживать при набухании до 2-х л дистиллированной воды на 10 г гидрогеля или около 0,11 л питательного раствора на 1 г препарата. Наиболее распространены гидрогели на основе полиакриламида. Когда гидрогель находится в сухом состоянии, полимерные цепочки находятся в "свернутом" состоянии, при добавлении воды они расходятся и вода проникает внутрь. Происходит набухание гранул с образованием гидрогеля. Степень набухания гидрогеля зависит от природы макромолекул, главным образом от их сродства к воде, степени сшивания, доли ионогенных групп, а также от внешних условий (температуры, давления, рН и ионной силы раствора).

Гидрогели созданы на основе экологически безвредных полимеров, содержит необходимые для роста растений макро и микроэлементов и имеет оптимальную для развития кислотность. Гидрогель не токсичен, сохраняет свои свойства при высоких и низких температурах в почве в течение пяти лет. В конце концов, гидрогель распадается на углекислый газ, воду и азот. Гидрогель впитывает в себя воду, не давая ей уйти в грунт, а затем медленно отдает влагу растениям в соответствии с их потребностями. И в саду, и в огороде гидрогель позволяет экономно расходовать воду и удобрения. Добавив в землю гидрогель, вы создаете доступный для корней запас воды и удобрений. При этом Вы сократите частоту и объем полива, а удобрения больше не будут обжигать корни растениям и загрязнять грунтовые воды.

Применение гидрогеля пока не столь велико в настоящий момент, ведь гидрогель появился в продаже не так давно. Пока ещё не все знакомы с этой полезной новинкой, которая помогает ухаживать за различными видами растений. Гидрогель можно использовать в различных целях. Во-первых, как дополнительный полив для растения. А также гидрогель не только позволяет обеспечивать растение водой, но также способен впитывать излишки воды при чрезмерном поливе, создавая оптимальный режим водоснабжения растений и позволяя тем самым исключить такую проблему, как «перелив».

Ещё одно преимущество гидрогеля - в нём можно перевозить растения с меньшей травматичностью для них и большим удобством для людей. Гранулы геля прилипнут к корням растений и предохранят их от высыхания на несколько дней. Также преимуществом гидрогеля является его нейтральность - а потому его могут использовать люди с аллергической реакцией на землю. Ещё можно сказать, что растения в гидрогеле выглядят более эстетично, чем в земле.

Использование гидрогеля имеет большое количество преимуществ, но, к сожалению, гидрогель, как и все инновации, содержит и отрицательные стороны. Например, следует помнить, что гидрогель не может полностью заменить растению естественной питательной почвы, хотя он и обладает отличными характеристиками в качестве заменителя субстрата, так как гранулы гидрогеля не пропускают воздух к корневой системе растения. Ещё одним недостатком является ограниченный срок выращивания растений в чистом гидрогеле, т.е. без использования удобрений. Гидрогель нейтрален, в этом его преимущество и недостаток: он не содержит никаких нужных растению веществ, кроме воды. Поэтому растения не могут долго и полноценно существовать только в гидрогеле. Декоративный гидрогель на солнечном свету может «зацвести» через 6 месяцев после создания композиции в стеклянном горшке, требуется его промывка или замена.

Таким образом, нельзя сказать, что во всех случаях можно заменить почву гидрогелем. Но в то же время гидрогель можно использовать частично, т.е. для каких-то определённых целей. Например, добавлять к комнатным растениям в почву для дополнительного источника воды. Но и, конечно же, не добавлять к растениям, которые не привыкли к влаге (кактусы).

Поэтому главной целью моей научно-исследовательской работы - определить наиболее продуктивное использование гидрогеля и выяснить взаимодействие гидрогеля с корневой системой.

Исходя из поставленных целей, главными задачами является:

1)Определить взаимодействие корневой системы и гидрогеля

2) Определить такую концентрацию, при которой растение получает наибольшую пользу. А также тот момент жизни растений, в который лучше использовать для них гидрогель (семя, молодое растение или взрослое растение)

3) Определить такие растения, для которых гидрогель - лучшее условие для их существования.

Морфология и физиология корневой системы

Строение корневой системы

Корневая система - совокупность корней одного растения. При преобладающем росте главного корня - стержневая корневая система(у двудольных растений), при сильном развитии придаточных корней - мочковатая(у однодольных растений).

Чтобы понять, как происходит процесс поглощения воды из гидрогеля, следует разобраться с устройством корневой системы растения и механизмом поглощения.

Корневая система составляет довольно большую часть растения. Общая поверхность корневой системы превышает площадь надземной части приблизительно в 100 раз. Корень заканчивается корневым чехликом, который защищает корень от внешних воздействий. Клетки корневого чехлика постоянно слущиваются и образуются новые. Далее идет зона деления, которая состоит из образовательной ткани или меристематической, клетки там постоянно делятся и практически не растут. За время жизни в меристеме корня каждая клетка делится 6-7 раз. Количество клеток увеличивается вдоль оси корня, в результате чего образуются продольные ряды клеток. Уже в меристеме ткани корня дифференцируются: формируется перицикл, прослеживается эндодерма, начинается образование элементов флоэмы. Далее - зона растяжения. Здесь заканчивается дифференцировка флоэмы и формируются элементы протоксилемы - клетки, содержащие цитоплазму с органоидами.

После зоны растяжения следует зона всасывания или зона корневых волосков. Именно в этой зоне происходит поглощение воды и питательных веществ. Основная функция корневых волосков заключается в увеличении всасывающей поверхности корня. Выше зоны корневых волосков скорость всасывания воды снижается из-за опробковения клеток. Если начинается вторичный рост корня, то поглощение воды обычно снижается ещё сильнее. Однако и через эти участки корня вода частично транспортируется. От поверхности корня через клетки коры, эндодерму и перицикл вода должна пройти до сосудов ксилемы. Через клетки коры возможны 2 пути транспорта: через цитоплазму и по клеточным стенкам. Более быстрый транспорт осуществляется по клеточным стенкам, однако, на уровне эндодермы этот вид транспорта становится невозможным из-за непроницаемости поясков Каспари. Следовательно, вода может преодолеть эндодерму только, пройдя через мембрану и цитоплазму клеток. Но проницаемость поясков Каспари возможна в растущих зонах корня.

Второй рисунок - продольный разрез: 1-корневой чехлик; 2- меристема; 3-зона растяжения; 4- зона корневых волосков

Механизм корневого давления

В сосуды ксилемы вода поступает, как и на первых этапах поглощения, благодаря осмотическому механизму. Осмотически активными веществами в сосудах и их клеточных стенках служат минеральные вещества и метаболиты, выделяемые активными ионами насосами. Накопление этих осмотически активных веществ в сосудах создаёт сосущую силу, способствующую осмотическому транспорту воды в ксилему.

Сосущая сила сосудов может оказаться выше, чем у окружающих их живых клеток, не только из-за повышающейся концентрации ксилемного сока, но также из-за отсутствия противодавления со стороны клеточных стенок, которые не эластичны.

Таким образом, в результате активной работы ионных насосов в корне и осмотическому поступлению воды в сосуды ксилемы в сосудах развивается гидростатическое давление(корневое давление). Оно обеспечивает поступление ксилемного раствора по сосудам ксилемы из корня в наземные части.

Вывод: разбухший гидрогель обладает большим количеством воды, что приводит к врастанию корневой системы(в особенности корневых волосков) в гранулы гидрогеля.

Роль воды в жизни растений

Вода является необходимым условием существования всех живых организмов на Земле. Значение воды в процессах жизнедеятельности определяется тем, что она является основной средой в клетке, где осуществляются процессы метаболизма, служит важнейшим исходным, промежуточным или конечным продуктом биохимических реакций. Особая роль воды для наземных организмов (особенно растений) заключается в необходимости постоянного пополнения ее, из-за потерь при испарении. Без воды растение увядает, так как уменьшение количества жидкости в тканях ведет к уменьшению внутриклеточного напряжения, и части растения начинают дрябнуть, скукоживаться, сохнуть и отмирать. Поэтому обеспечить растения достаточным количеством воды - первейшая задача. Поэтому вся эволюция наземных организмов шла в направлении приспособления к активному добыванию и экономному использованию влаги.

Второе значение воды заключается в транспортировке питательных веществ, растворенных в ней, ведь растения не в состоянии усваивать их в сухом виде.

Увлажненность местообитания и, как следствие, водообеспечение наземных организмов зависят, прежде всего, от количества атмосферных осадков, их распределения по временам года, наличия водоемов, уровня грунтовых вод, запасов почвенной влаги и тд. Влажность оказывает влияние на распространение растений и животных, как в пределах ограниченной территории, так и в широком географическом масштабе, определяя их зональность.

При изучении экологической роли воды учитывается не только количество выпадающих осадков, но и соотношение их величины и испаряемости. Области, в которых испарение превышает годовую величину суммы осадков, называются аридными (сухими, засушливыми). В аридных областях растения испытывают недостаток влаги в течение большей части вегетационного периода. В гумидпых (влажных) областях растения обеспечены водой в достаточной мере.

Экологические группы растений по отношению к влаге и их адаптации к водному режиму

Чтобы понять, для каких растений больше всего подходит гидрогель, нужно определить группы различных растений.

Высшие наземные растения, ведущие прикрепленный образ жизни, в большей степени, чем животные, зависят от обеспеченности субстрата и воздуха влагой. По приуроченности к местообитаниям с разными условиями увлажнения и по выработке соответствующих приспособлений среди наземных растений различают три основные экологические группы: гигрофиты, мезофиты и ксерофиты. Условия водоснабжения существенно влияют на их внешний облик и внутреннюю структуру.

Гигрофиты - растения избыточно увлажненных местообитаний с высокой влажностью воздуха и почвы. Для них характерно отсутствие приспособлений, ограничивающих расход воды, и неспособность переносить даже незначительную ее потерю. Наиболее типичные гигрофиты- травянистые растения и эпифиты влажных тропических лесов и нижних ярусов сырых лесов в разных климатических зонах (чистотел большой, недотрога обыкновенная, кислица обыкновенная и др.), прибрежные виды (калужница болотная, плакун-трава, рогоз, камыш, тростник), растения сырых и влажных лугов, болот (белокрыльник болотный, сабельник болотный, вахта трехлистная, осоки), некоторые культурные растения.[3]

Характерные структурные черты гигрофитов - тонкие листовые пластинки с небольшим числом широко открытых устьиц, рыхлое сложение тканей листа с крупными межклетниками, слабое развитие водопроводящей системы (ксилемы), тонкие слаборазветвленные корни, часто без корневых волосков. К физиологическим адаптациям гигрофитов следует отнести низкое осмотическое давление клеточного сока, незначительную водоудерживающую способность. Избыточная влага затрудняет аэрацию, а следовательно, дыхание и всасывающую деятельность корней, поэтому удаление излишков влаги представляет собой борьбу растений за доступ воздуха.

Ксерофиты - растения сухих местообитаний, способные переносить продолжительную засуху, оставаясь физиологически активными. Это растения пустынь, сухих степей, саванн, сухих субтропиков, песчаных дюн и сухих, сильно нагреваемых склонов. Структурные и физиологические особенности ксерофитов нацелены на преодоление постоянного или временного недостатка влаги в почве или воздухе. Решение данной проблемы осуществляется тремя способами:

1) эффективным добыванием (всасыванием) воды

2) экономным ее расходованием

3) способностью переносить большие потери воды

Интенсивное добывание воды из почвы достигается ксерофитами благодаря хорошо развитой корневой системе. По общей массе корневые системы ксерофитов примерно в 10 раз, а иногда и в 300 - 400 раз превышают надземные части. Длина корней может достигать 10 - 15 м, что позволяет растениям использовать влагу глубоких почвенных горизонтов, а в отдельных случаях и грунтовых вод. Встречаются и поверхностные, хорошо развитые корневые системы, приспособленные к поглощению скудных атмосферных осадков, орошающих лишь верхние горизонты почвы.

Экономное расходование влаги ксерофитами обеспечивается тем, что листья у них мелкие, узкие, жесткие, с толстой кутикулой, с многослойным толстостенным эпидермисом, с большим количеством механических тканей, поэтому даже при большой потере воды листья не теряют упругости и тургора. Клетки листа мелкие, плотно упакованы, благодаря чему сильно сокращается внутренняя испаряющая поверхность. Кроме того, у ксерофитов повышенное осмотическое давление клеточного сока, благодаря чему они могут всасывать воду даже при больших водоотнимающих силах почвы.

К физиологическим адаптациям относится и высокая водоудерживающая способность клеток и тканей, обусловленная большой вязкостью и эластичностью цитоплазмы, значительной долей связанной воды в общем водном запасе. Это позволяет ксерофитам переносить глубокое обезвоживание тканей (до 75% всего водного запаса) без потери жизнеспособности. Кроме того, одной из биохимических основ засухоустойчивости растений является сохранение активности ферментов при глубоком обезвоживании.

Ксерофиты с наиболее ярко выраженными ксероморфными чертами строения листьев, перечисленными выше, имеют своеобразный внешний облик, за что получили название склерофиты.

К группе ксерофитов относятся и суккуленты - растения с сочными мясистыми листьями или стеблями, содержащими сильно развитую водоносную ткань. Различают листовые суккуленты (агавы, алоэ, молодило, очитки) и стеблевые, у которых листья редуцированы, а надземные части представлены мясистыми стеблями (кактусы, некоторые молочаи и др.). Фотосинтез у стеблевых суккулентов осуществляется периферическим слоем паренхимы стебля, содержащим хлорофилл. Засушливые длительные периоды преодолеваются ими путем накопления воды в водоносных тканях, связывания ее коллоидами клеток, экономного расходования, которое обеспечивается защитой эпидермиса растений восковым налетом, погруженными в ткань листа или стебля немногочисленными днем закрытыми устьицами.

Корневая система поверхностная, мало развитая, рассчитана на поглощение воды из верхних слоев почвы, увлажненных редко выпадающими дождями. В засуху корни могут отмирать, но после дождей быстро (за 2--4 дня) отрастают новые. Суккуленты приурочены главным образом к засушливым зонам Центральной Америки, Южной Африки, Средиземноморья.

Мезофиты - занимают промежуточное положение между гигрофитами и ксерофитами. Они распространены в умеренно влажных зонах с умеренно теплым режимом и достаточно хорошей обеспеченностью минеральным питанием. К мезофитам относятся растения лугов, травянистого покрова лесов, лиственные деревья и кустарники из областей умеренно влажного климата, а также большинство культурных растений и сорняки. Для мезофитов характерна высокая экологическая пластичность, позволяющая им адаптироваться к меняющимся условиям внешней среды.[3]

Специфичные пути регуляции водообмена позволили растениям занять самые различные по экологическим условиям участки суши. Многообразие способов приспособления лежит, таким образом, в основе распространения растений на Земле, где дефицит влаги является одной из главных проблем экологической адаптации.

Вывод: гидрогель будет оказывать наилучшее влияние на гигрофитов, в меньшей степени на мезофитов и губительно для ксерофитов.

Что необходимо для роста и развития растений

Вода

Главную роль в жизнедеятельности растений играет вода, о которой немало говорилось ранее. Но не рассматривалось качество воды. Установим наилучшее качество воды.