Причины накопления и способы уменьшения избыточного количества нитратов в культурных растениях



Данная статья посвящена избыточному накоплению нитратов в биомассе культурных растений. Были проанализированы причины достижения чрезмерно высокого уровня этих веществ в биомассе и механизм их токсического влияния на здоровье человека. Также в данной статье рассмотрены различные возможные способы снижения уровня нитратов в растениях, идущих в пищу, для минимизации их вреда.

Ключевые слова: нитраты, загрязнение нитратами, сельскохозяйственные культуры, азотное питание, минеральное питание.

This article is devoted to the excessive accumulation of nitrates in the biomass of cultivated plants. The reasons for achieving an excessively high level of these substances in biomass and the mechanism of their toxic effects on human health were analyzed. This article also discusses various possible ways to reduce the level of nitrates in food plants to minimize their harm.

Keywords: nitrates, nitrate pollution, crops, nitrogen nutrition, mineral nutrition.

При культивировании овощных растений весьма актуальна проблема избыточного накопления нитратов. Она связана со способностью растений в процессе онтогенеза аккумулировать в листьях и запасающих органах значительное количество азота. Однако растениям требуется большое количество азота для нормального роста и развития, протекания многих важнейших биохимических процессов, например, таких как биосинтеза белка. Источником азота служат его неорганические и органические формы, локализующиеся главным образом в почвенной среде: молекулярный азот и пары аммиака, нитраты, нитриты, аммоний, аммиак, аминокислоты, амиды, полипептиды, и другие соединения азота. Основными легко усвояемыми формами азота для растений являются ионы аммония (NH₄⁺) и нитрата (NO₃^-) [10].

Включение нитратов в органические соединения в растениях происходит как в корнях, так и в листьях, и зависит от режимов питания растений и условий их произрастания. Поступившие в растение нитраты либо запасаются в вакуолях клеток корня, либо подаются с пасокой в надземную часть. Высокое содержание нитратов в вакуолях клеток безвредно для растительной ткани, но представляет серьезную угрозу здоровью человека при потреблении такой продукции в пищу. Поступающие с пищей нитраты всасываются в пищеварительном тракте человека, попадают в кровь и в ткани, значительное же их количество после поступления выводится из организма через почки. Для человека собственно нитраты (азотнокислые соли) безвредны; небольшая их часть участвует в обменных реакциях, часть преобразуется в полезные соединения [4]. Потенциальная опасность нитратов заключается в том, что при поступлении больших их количеств с пищей, в пищеварительном тракте под воздействием полезной микрофлоры кишечника, они восстанавливаются до нитритов (NO₂^-) — солей азотистой кислоты и последующих нитрозосоединений, обладающих сильной токсической и канцерогенной активностью [2, 5]. Токсическое действие продуктов восстановления нитратов в человеческом организме проявляется главным образом в развитии метгемоглобинемии — связывании гемоглобина крови с нитритами, вследствие чего он становится неспособным переносить кислород из легких к тканям, т. е. блокируется дыхание клеток, что приводит к различным серьезным заболеваниям. Нитраты в повышенной концентрации влияют на активность ферментов, снижают содержание в организме некоторых витаминов, в т. ч. витамина С; могут приводить к снижению работоспособности, отрицательно влияют на общую иммунную систему организма [1, 7].

Министерством здравоохранения России утверждена суточная допустимая доза нитратов — 300–350 мг, или 5 мг на 1 кг массы тела человека, что соответствует рекомендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Таким образом, при поступлении такого количества нитратов, в организме человека не происходит никаких изменений. Предельно допустимое количество нитратов для человека составляет 500 мг в сутки, дальнейшее увеличение которого приводит к выраженному отравлению, а доза в 8–15 мг/кг — к летальному исходу [3].

В нашей стране разработаны и действуют регламенты содержания опасных для здоровья человека веществ (в т. ч. нитратов) в растениеводческой продукции, на основании которых обеспечивается качество и безопасность пищевого сырья. Согласно регламентам, содержание NO₃^--иона в растительных продуктах не должно превышать предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных индивидуально для каждой культуры, с учетом ее биологических, физиологических и морфологических особенностей, сортов, а также условий выращивания. Так, для овощных листовых культур защищенного грунта ПДК содержания нитратов составляет 3000 мг/кг, для корнеплодов редиса — 400–2700 мг/кг, большинства сортов томата защищенного грунта — 300 мг/кг [8].

Накопление нитрат-ионов в биомассе растений может определяться как внешними факторами (условия выращивания), так и внутренними (вид растения, его возраст). К основным внешним факторам относятся климатические параметры в зоне выращивания растений: температура, влажность, освещенность, минеральное питание, частота полива, степень плотности посева и др. Так, неравномерный температурный режим, особенно повышение температуры в сочетании с дефицитом влаги способствуют активному накоплению азотистых веществ [6]. Избыточное количество влаги, приводящее к водному стрессу растений, также повышает скорость образования нитратов. Повышенному накоплению нитратов способствует слабая освещенность, связанная не только с приходом ФАР, но и с густотой стояния растений. Самое непосредственное влияние на интенсивность нитратообразования в растениях оказывают условия корневого питания. К ним в первую очередь относятся количество и способ внесения удобрений, физико-химические и механические свойства корневого субстрата. Хорошо известно, что несбалансированное основными элементами минеральное питание (особенно при избыточном количестве азота) приводит к излишнему накоплению нитратов. Также нарушают нормальный ход азотного обмена недостаток микроэлементов, особенно низкая обеспеченность молибденом.

Внутренние факторы, влияющие на интенсивность аккумуляции нитратов в растениях, характеризуются индивидуальными особенностями растений — их видом, возрастом, сортовой принадлежностью, реакцией на внешние условия, и во многом определяются ферментативными процессами, условиями их протекания и трансформацией нитратов внутри каждого растения. Установлено, что культуры с хорошо развитой системой проводящих тканей больше других накапливают нитрат-ионы: относительно высокая способность к их накоплению принадлежит зеленным культурам (шпинат, салат, пекинская капуста, листья сельдерея и петрушки). Много нитратов накапливают корнеплоды свеклы и редиса. Среднее положение по накоплению нитратного азота занимают белокочанная и цветная капуста, морковь, огурец, корнеплоды репы, брюквы, петрушки, сельдерея, пастернака. Относительно немного нитратов накапливают лук-репка, перец, томат, брюссельская капуста, картофель, горох, фасоль, спаржа.

Растениям присуща селективность накопления нитратов в зависимости от состава органа. Большее их количество распределено в вегетативной части: черешках и стебле. В листьях нитратов меньше, т. к. значительная их часть распадается при участии в биохимических процессах. Меньшее количество нитратов по сравнению с листьями и черешками содержится в корнеплодах и клубнях. Среди запасающих органов меньше нитратов содержат луковицы. Наиболее бедны нитратами плоды. Распределение нитратов внутри одного органа также неравномерно. Большее их количество содержится у основания листовой пластины (капуста и салат). В поверхностной части моркови нитратов на 80 % меньше, чем во внутренней, а в огурцах и редисе, наоборот, поверхностные слои содержат на 70 % нитратов больше, чем внутренние. В сочных плодах семейства Тыквенные нитраты уменьшаются от плодоножки к верхушке. Семенные камеры отличаются более низким содержанием нитратов, чем мякоть и кора.

Сортовые различия по способности накапливать NO₃^- могут колебаться в больших пределах (200–500 %), так что перекрывают действие агротехники и условий микроклимата. Ранние сорта накапливают значительно больше свободных нитратов, чем поздние.

На содержание нитратов в растении существенно влияют его возраст и фаза развития. У молодых растений уровень нитратов в среднем на 50–70 % выше, чем у зрелых. Количество нитратов особенно велико, когда период товарной зрелости наступает раньше физиологического созревания (огурец, кабачок). При уборке на пучок корнеплоды содержат значительно больше нитратов, чем при осенней уборке. Однако, в течение онтогенеза, в фазе ботанической спелости, содержание нитратов в растениях, как правило, снижается, поскольку уменьшается их поступление в растение, и увеличиваются запасы ассимилянтов, вовлекающих азот в метаболизм.

Повышенное содержание нитратов бывает у растений, получающих избыточное количество азота, которое они не в состоянии использовать. При таком высоком уровне нитратного питания, темпы поглощения азота часто превышают скорость его метаболизации, что приводит к нитратному «загрязнению» биомассы растений.

Снизить содержание нитратов в растительных продуктах можно с помощью выбора не склонных к накоплению нитратов видов и сортов растений и создания условий, препятствующих избыточному накоплению NO₃^-. Прежде всего, для каждой культуры необходимо использовать свое оптимальное соотношение основных элементов питания — NPK. Фосфорные и особенно калийные удобрения снижают отрицательное действие азотных. Чтобы снизить темпы поглощения азота корневой системой растений и оптимизировать азотное питание предлагается использовать удобрения пролонгированного действия с локальным их внесением. Большое значение имеет соотношение в почве азота и отдельных микроэлементов, т. к. такие микроэлементы как железо и молибден ускоряют использование растением азотных соединений при синтезе белка. На снижение нитратов в овощных растениях положительно влияет известкование, эффект от которого сохраняется на протяжении нескольких лет [7, 9].

Большая освещенность и, соответственно, лучшая обеспеченность растений ФАР способствуют ассимиляции азота из почвы, что обуславливает снижение содержания нитратов. При этом важно не загущать посевы и не допускать развития избыточной листовой поверхности, иначе при затенении нитраты не будут полностью превращаться в белковые и другие органические соединения. Этого можно избежать путем соблюдения норм высева, а также мульчированием посевной поверхности светоотражающими материалами для увеличения освещенности.

Регулярный полив и высокая влажность способствуют повышению активности фермента нитратредуктазы, что ведет к умеренному и равномерному азотному питанию растений, значительно снижая накопление нитратов. В сельскохозяйственной практике используется прием, позволяющий снизить содержание нитратов в зеленных культурах на 30–40 %, который заключается в снижении температуры воздуха до 5–6° С за 1–1,5 недели до начала уборки.

Также важно соблюдать правильные сроки уборки — для многих овощных растений это фаза ботанической и технической спелости, когда уровень нитратов в них снижается. Недоразвитые и, наоборот, перезревшие овощи содержат избыточное количество нитратов.

Нитраты являются неотъемлемым естественным компонентом пищевых продуктов растительного происхождения. Формирование и получение высокого урожая напрямую зависит от количества поступившего азота, так как азот — основной жизненно необходимый элемент питания растений. Однако для человека большое количество нитратов в растительной биомассе поступающих в пищу овощных растений вредно для здоровья и может даже привести к летальному исходу. Своевременные меры во время выращивания растений может существенно снизить накопление этих веществ и свести к минимуму возможный вред человеческому здоровью.

Литература:

1. Воронина Л. П. Нитраты в овощной продукции. // Картофель и овощи, № 5. 1997, с. 28–29.
2. Донченко Л. В., Надыкта В. Д. Безопасность пищевого сырья и продуктов питания. — М.: Пищевая промышленность, 1999. — 352 с.
3. Качество и безопасность пищевых продуктов. Статья 15. Требования к обеспечению качества и безопасности пищевых продуктов. Под ред. Подобед М. А. — М.: «Книга сервис», 2003. — 64 с.
4. Литвинова Т. Как определить качество продуктов, которые нам продают. Справочник. — М.: ООО «Издательство АСТ», 2003. — 337с.
5. Малиновская Ю. И., Здешнева Г. Ф. Определение нитратов в растительных продуктах // Актуальные вопросы биологии, химии и экологии: наука и образование. Сборник научных трудов биолого-химического факультета. Т.3. — М. 2003, с. 170–173.
6. Новиков Н. Н. Физиолого-биохимические основы формирования качества урожая сельскохозяйственных культур. Учеб. пособие. — М.: Изд-во МСХА, 1994. 57 с.
7. Рыбальский Н. Г. и др. Экология и безопасность. (Справочник). Т.1. Безопасность человека. Ч.2./ Под ред. Рыбальского Н. Г. — М.: ЭКИП. Ауто, 1995. — 440 с.
8. Соколов О. А., Бубнова Т. В. Атлас распределения нитратов в растениях. Пущино. 1989.
9. Тараканов Г. И., Мухин В. Д. «Овощеводство». Издание 2-е. М., «Колос С», 2003. С. — 471.
10. Третьяков Н. Н., Лосева А. С. и др. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений. Под ред. Третьякова Н. Н., М., «Колос», 2000. С. 640.