CC BY
67
УДК 581.1:58.07.071
БАКТЕРИАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ ПРИ ТЕХНОГЕНЕЗЕ
М.Г. Соколова1, Г.А. Белоголова2, Г.П. Акимова1, В.В. Верхотуров3
1Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132, [email protected] 2Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а.
3Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Изучено использование бактериальной биотехнологии - ризосферных бактерий Azotobacter и Bacillus, входящих в состав биопрепаратов азотобактерина, фосфобактерина и кремнебактерина, на рост растений на загрязненных почвах и распределение тяжелых металлов (ТМ) в системе «почва-растение». Показано положительное влияние биопрепаратов на морфогенез растений и мобилизацию тяжелых металлов при разной техногенной нагрузке. Содержание и коэффициент биологического накопления мышьяка и ТМ был выше в корнях растений, выросших на техногенно-загрязненной почве, чем в надземной части. По расчетам коэффициентов биологического накопления бактеризация почвы ризосферными бактериями Azotobacter и Bacillus, входящими в состав биопрепаратов азотобактерина, фосфобактерина и кремнебактерина снижала подвижность элементов на загрязненном участке. Последнее, вероятно, обусловлено тем, что ризобактерии трансформируют или связывают ТМ в нерастворимые недоступные или менее токсичные для растений комплексы. Бактеризация почвы ризосферными бактериями снижала подвижность ТМ особенно на загрязненном участке. Табл. 2. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: ризосферные бактерии Azotobacter; Bacillus; тяжелые металлы; рост культурных растений на техногенно-загрязненных почвах.
BACTERIAL TECHNOLOGIES IN PLANT PHYSIOLOGY UNDER TECHNOGENIC IMPACT
M.G. Sokolova1, G.A. Belogolova2, G.P. Akimova1, V.V. Verkhoturov3
Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS, 132, Lermontov St., 664033, Irkutsk, Russia, [email protected] 2A.P. Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS, 1a, Favorsky St., 664033, Irkutsk, Russia 3Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., 664074, Irkutsk, Russia.
The study was focused on the application of bacterial biotechnology - rhizospheric bacteria Azotobacter and Bacillus as components of Nitrogen-bacterin, Phospho-bacterin and Silicon-bacterin bioprepratations - in respect of their impact on plant growth on polluted soils and heavy metals (HM) distribution in "soil-plant" system. Positive influence of the biopreparations on plant morphogenesis and heavy metals mobilization under various technogenic loads was demonstrated. The contents and coefficient of biological accumulation of arsenic and HM were higher in roots of the plants which grew on the technogenic polluted soil than in elevated part. The calculations of biological accumulation coefficients showed the bacterization of the soil with the rizosphere bacteria of Azotobacter and Bacillus which are a part of biological products of an azotobacterin, a fosfobacterin and a kremnebacterin, reduced mobility of elements on the polluted site. The last is probably caused by the fact that rizobacteria transform or connect HM in insoluble complexes, inaccessible or less toxic for plants. Soil bacterization with rhizospheric bacteria reduced HM mobility particularly in the polluted area.
2 tables. 12 sources.
Key words: rhizospheric bacteria Azotobacter; Bacillus; heavy metals; growth of cultural plants on technogenically polluted soils.
ВВЕДЕНИЕ
Среди большого числа загрязняющих веществ тяжелые металлы (ТМ) по опасности действия на живые организмы и объему выбросов прочно заняли одно из первых мест. По некоторым оценкам, антропогенное поступление ТМ в биосферу превысило их поступление из природных источников [11]. В результате этого нарушается сбалансированность естественных биохимических циклов. Вовлечение ТМ техногенного происхождения в биологический круговорот веществ ухудшает условия существования живых организмов, так как их повышенные концентрации оказывают негативное действие на функциональные системы организма.
В последние десятилетия основными объектами биогеохимических исследований стали территории промышленных городов и прилегающих к ним земель, особенно если на них выращиваются, а затем используются в пищу сельскохозяйственные растения. Важнейшими задачами изучения экологической ситуации промышленных центров стали: выявление источников загрязнения, прогнозирование последствий, разработка рекомендаций и применение различных технологий, в том числе биобезопасных, способствующих снижению уровня действия ТМ [8].
В связи с обостряющейся техногенной си-
туацией все чаще обсуждается значимость и важная роль ризосферных бактерий, стимулирующих рост растений PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria) [1] и их перспективность в развитии экологически чистого растениеводства. В настоящее время активно разрабатываются препараты на основе симбиоти-ческих микроорганизмов для поддержания естественного плодородия почвы, уменьшения антропогенной нагрузки на среду и повышение качества сельхоз продукции [3,10].
Ростстимулирующие ризобактерии PGPR играют важную роль в адаптации растения к внешним воздействиям [9]. Многие симбио-трофные микроорганизмы обладают высокой устойчивостью к ТМ, участвуют в процессах их трансформации в ризосфере и аккумуляции растениями [1], а инокуляция полезными ризо-сферными бактериями может повышать устойчивость растений к биотическим и абиотическим стрессам [7,11].
Целью данного исследования стало изучение влияния бактериальной биотехнологии (биопрепаратов на основе ризосферных бактерий Azotobacter и Bacillus) на рост растений и аккумуляцию в них тяжелых металлов, в зависимости от уровня техногенного загрязнения почв.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследуемые штаммы биопрепаратов -это жидкие концентраты чистых культур почвенных бактерий 3-х видов. Они являются экологически чистыми, безопасными стимуляторами роста растений [4]. Разработаны в Томском госуниверситете и предложены для апробации на базе Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН [4].
Азотобактерин (Azotobacter chroococcum) -новый препарат на основе азотфиксаторов. Фосфобактерин (Bacillus megaterium var. Phosphaticum) - препарат на основе живых почвенных кислотообразующих бактерий, который способен высвобождать фосфат и стимулировать корнеобразование у растений. Крем-небактерин (Bacillus mucilaginosus) - препарат на основе силикатных бактерий, которые поставляют кремний и другие макро- и микроэлементы из природных силикатов в ризосферу растений.
Вегетационные эксперименты проводили в условиях фитотрона СИФИБР СО РАН (центр коллективного пользования «Фитотрон»). Почвы для выращивания растений овса (Avena sativa L.), были взяты из техногенной зоны г. Свирска Иркутской области на различном удалении от основного источника загрязнения -бывшего Ангарского металлургического завода (АМЗ) по производству мышьяка.
Почва была отобрана на фоновом участке 1, расположенном в 15 км от г. Свирска, участке 2 - в 100 м, участке 3 - в 10 м от источника загрязнения. Бактеризацию почвы проводили по 5 мл каждого препарата на 10 л (0,5 мл/л). Титр бактерий в рабочем растворе КОЕ 106 кл/мл. Коэффициенты биологического накопления (Кб) элементов в растениях рассчитывали по формуле: С растения / С вал почвы - как отношение содержания элемента в растении к его концентрации в почве. Анализ почв и растений производился в аккредитованной лаборатории Института геохимии им А.П. Виноградова СО РАН. Для определения массовой доли As, Pb, Cd в пробах почв использовали метод атомной абсорбции - Perkin-Elmer (США). Ошибка определения не превышала 5-20%. Определения химического состава проб растений выполнялись методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой ИСП-МС. Использован чувствительный ИСП-МС прибор с магнитным сектором ELEMENT 2 (Finnigan MAT, Германия). Ошибка определения не превышала 5-10%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исследована динамика роста растений на почвах с разным уровнем загрязнения и влия-
ния на ростовые процессы обработки ризосферными бактериями. Рост растений существенно тормозился при возрастании уровня загрязнения почвы. Бактеризация ускоряла процесс роста и развития до 30% на загрязненных почвах (табл.1).
Основными загрязнителями исследуемых почв были мышьяк, свинец и кадмий, а также ряд других тяжелых металлов, значительно превышающих ПДК [2]. Высокие концентрации As и ТМ отрицательно сказывались на росте, развитии и физиологических процессах растений, растущих на загрязненных почвах.
Содержание As, Pb, Cd в растениях с загрязненного участка существенно превышало их уровень по сравнению с растениями условно фонового участка, в случае Аs и Pb иногда в сотни раз и более. На загрязненном участке накопление ТМ в корнях было существенно выше, чем в надземной части растений. При бактеризации наблюдали тенденцию снижения составлял Сd, его подвижность была выше на чистой почве. Ризобактерии снижали биодоступность исследуемых ТМ на техногенной почве, особенно Pb, и только Кб As в корнях возрастал, в отличие от надземной части растений овса.
Микроорганизмы могут способствовать связыванию элементов-токсикантов, образуя слабо подвижные органические соединения с тяжелыми металлами [2,5] или металл-органические комплексы в виде хелатов и внутри-комплексных соединений, тем самым уменьшая или увеличивая подвижность элементов, что определяется свойствами и концентрацией металлов [6].
На сильно загрязненных почвах с высокими содержаниями токсикантов, вероятно, активно происходили процессы их связывания и стабилизации главным образом в корнях и ризосфере растений, чему способствовали ризобакте-рии.
Таким образом, показано отличие в воздействии ризосферных бактерий на рост растений и мобилизацию тяжелых металлов при разной техногенной нагрузке. Содержание и коэффициент биологического накопления мышьяка и уровня ТМ в растениях на техногенно-загрязненных почвах. На фоновом участке обработка ризобактериями приводила к некоторому повышению содержания элементов в пределах ПДК.
Расчеты показателей коэффициентов биологического накопления показали, что Кб на загрязненной почве от 2 до 16 раз больше, чем на фоновом участке в контрольном варианте без бактеризации (табл. 2). Исключение ТМ был выше в корнях растений, выросших на техно-
Таблица 1
Высота (см) растений овса на почвах разной загрязненности при бактеризации
Время от Расстояние от источника загрязнения
посева, фон, 15 км 100м 10 м
сутки Контроль Опыт Контроль Опыт Контроль Опыт
10 8,5 ± 0,9 10,5 ± 1,0 6,5 ± 0,6 6,5 ± 0,6 5,5 ± 0,5 6,5 ± 0,6
25 22,5 ± 2,2 22,6 ± 2,0 13,0 ± 1,1 17,3 ± 1,6 12,0 ± 1,2 16,0 ± 1,6
35 28,5 ± 2,9 27,5 ± 2,6 16,5 ± 1,5 20,0 ± 2,0 16,0 ± 1,6 18,0 ± 1,9
Примечание. Контроль - растения, выращенные без бактеризации. Опыт - растения, выращенные при инокуляции почвы бактериальными препаратами.
Таблица 2
Распределение коэффициентов биологического накопления (Кб) растений овса,
_выращенных на фоновой и техногенной почвах_
Орган растения Вариант Фоновый участок, 15 км от отвалов АМЗ Техногенный участок, 10 м от отвалов АМЗ
As Pb Cd Ni Co As Pb Cd Ni Co
Надземная часть Контроль Опыт 0,003 0,022 0,0013 0,0028 0,521 0,767 0,018 0,022 0,0005 0,001 0,0061 0,0056 0,0006 0,0008 0,167 0,187 0,042 0,028 0,003 0,003
Корень Контроль Опыт 0,003 0,023 0,0020 0,0028 0,600 0,767 0,007 0,008 0,002 0,003 0,0039 0,0116 0,0320 0,0039 0,282 0,181 0,034 0,013 0,039 0,012
Примечание. Контроль - растения, выращенные без бактеризации. Опыт - растения, выращенные при инокуляции почвы ризобактериями.
техногенно-загрязненной почве, чем в надземной части. Подвижность элементов в системе «почва-растение» была существенно выше на загрязненной почве по сравнению с фоновым участком. По расчетам коэффициентов биологического накопления бактеризация почвы ри-зосферными бактериями Azotobacter и Bacillus, входящими в состав биопрепаратов азотобактерина, фосфобактерина и кремнебактерина снижала подвижность элементов на загрязненном участке. Последнее, вероятно, обусловлено тем, что ризобактерии трансформируют или
связывают ТМ в нерастворимые недоступные или менее токсичные для растений комплексы.
Таким образом, ассоциативные бактерии оказывают положительное влияние на рост растений на техногенно-загрязненных ТМ почвах, снижают их подвижность, тем самым защищают растения от избытка токсикантов в стрессовых условиях техногенного загрязнения. Бактеризация почвы может иметь существенное практическое значение при использовании бактериальных биотехнологий в агропроизвод-стве на загрязненных почвах.
Исследования выполнены при финансировании базовых проектов НИР VI.56.12 и VШ.69.1.6, финансовой поддержки грантов Российского фонда фундаментальных исследований № 12-05-00257, № 15-05-03919.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Белимов А.А., Тихонович И.А. Микробиологические аспекты устойчивости и аккумуляции тяжелых металлов у растений (обзор) // Сельскохозяйственная биология. 2011. № 3. С. 10-15.
2. Белоголова Г. А., Соколова М. Г., Гор-деева О Н. Миграция и биодоступность тяжелых металлов, мышьяка и фосфора под влиянием ризосферных бактерий в техногенных экосистемах» // Агрохимия, 2013. № 6. С. 83-92.
3. Борисов А.Ю., Штарк О.Ю, Жуков В.А., Тихонович И.А. Взаимодействие бобовых с полезными почвенными микроорганизмами: от генов растений к сортам // С-х биология. 2011. № 3. С. 41-47.
4. Вайшля О.Б., Ведерникова А.А., Бонда-
ренко А.П. Микробиологические аспекты гипер-генеза. Томск: ТМЛ-Пресс, 2007. 288 с.
5. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
6. Переломов Л.В., Переломова И.В., Пинский Д.Л. Молекулярные механизмы взаимодействия между микроэлементами и микроорганизмами в биокосных системах (биосорбция и биоаккумуляция) // Агрохимия. 2013. № 3. С. 80-94.
7. Соколова М.Г., Акимова Г.П. Адаптоген-ное влияние препаратов, содержащих ризо-сферные бактерии, на рост проростков гороха в условиях гипотермии // Вестник Харьковского нац. аграрн. ун-та. 2009. Т. 3 (18). С. 55-63.
8. Убугунов В.Л., Кашин В.К. Тяжелые металлы в садово-огородных почвах и растениях. Улан-Удэ: Изд-во БурНЦ СО РАН, 2004. 128 с.
9. Шапошников и др., Взаимодействие ри-зосферных бактерий с растениями: механизмы образования и факторы эффективности ассоциативных симбиозов // С-х биология. 2011. № 3. С. 16-22.
10. Celik I., Ortas I, Kilic S. Effect of compost, mycorrhiza, manure and fertilizer on some
physical properties of a Chromoxerert soil // Soil Tillage Research. 2004. V. 78(1). P. 59-67.
11. Dimkpa C., Weinand T., Asch F. Plant-rhizobacteria Interactions Alleviate Abiotic Stress Conditions // Plant Cell Environ. 2009. V. 32 (12). P.1682-1694.
12. Nriagy J.O. A global assessment of natural Sources of atmospheric trace metals // Nature. 1989. V. 338, № 6210. P. 47-49.
REFERENCES
1. Belimov A.A., Tikhonovich I.A. Mikrobiologicheskie aspekty ustoichivosti i akkumulyatsii tyazhelykh metallov u rastenii (obzor) [Microbiological aspects of stability and accumulation of heavy metals at plants (review)]. Sel'skokhozyaistvennaya biologiya - Agricultural biology, 2011, no. 3, pp. 10-15.
2. Belogolova G.A., Sokolova M.G., Gordeeva O.N. Migratsiya i biodostupnost' tyazhelykh metallov, mysh'yaka i fosfora pod vliyaniem rizosfernykh bakterii v tekhnogennykh ekosistemakh [Migration and bioavailability of heavy metals, arsenic and phosphorus under influence rhizosphere bacteria in thechnogenic ecosistems]. Agrokhimiya - Agrochemistry, 2013, no. 6, pp. 83-92.
3. Borisov A.Yu., Shtark O.Yu, Zhukov V.A., Tikhonovich I.A. Vzaimodeistvie bobovykh s poleznymi pochvennymi mikroorganizmami: ot genov rastenii k sortam [Interaction leguminous with useful soil microorganisms: from genes of plants to grades]. Sel'skokhozyaistvennaya biologiya - Agricultural biology, 2011, no. 3, pp. 41-47.
4. Vaishlya O.B., Vedernikova A.A., Bondarenko A.P. Mikrobiologicheskie aspekty gipergeneza [Microbiological aspects of hyper genesis]. Tomsk, TML-Press Publ., 2007, 288 p.
5. Kabata-Pendias A., Pendias X. Mikroele-menty v pochvakh i rasteniyakh [Microelements in soils and plants]. Moscow, Mir Publ., 1989, 439 p.
6. Perelomov L.V., Perelomova I.V., Pinskii D.L. Molekulyarnye mekhanizmy vzaimodeistviya mezhdu mikroelementami i mikroorganizmami v biokosnykh sistemakh (biosorbtsiya i bioakkumulyatsiya) [Molecular mechanisms of interaction between microelements and microorganisms in bioinert systems (biosorbtion and bioaccu-
mulation)]. Agrokhimiya - Agrochemistry, 2013, no. 3, pp. 80-94.
7. Sokolova M.G., Akimova G.P. Adaptogennoe vliyanie preparatov, soder-zhashchikh rizosfernye bakterii, na rost prorostkov gorokha v usloviyakh gipotermii [Adaptogen influence of the preparations containing rhizosphere bacteria, on growth of sprouts of peas in conditions hypothermia]. Vestnik Khar'kovskogo natsional-nogo agrarnogo universiteta - The Bulletin of Kharkov National Agrarian University, 2009, vol. 3 (18), pp. 55-63.
8. Ubugunov V.L., Kashin V.K. Tyazhelye metally v sadovo-ogorodnykh pochvakh i rasteniyakh Ulan-Ude [Heavy metals in garden and kitchen garden soils and plants of Ulan-Ude]. Ulan-Ude, BurSC SB RAS Publ., 2004, 128 p.
9. Shaposhnikov A.I., Belimov A.A., Krav-chenko L.V., Vivanko D.M. Vzaimodeistvie rizosfernykh bakterii s rasteniyami: mekhanizmy obrazovaniya i faktory effektivnosti assotsiativnykh simbiozov [Interaction rhizosphere bacteria with plants: mechanisms of formation(education) and factors of efficiency of associative symbioses]. Sel'skokhozyaistvennaya biologiya - Agricultural biology, 2011, no. 3, pp. 16-22.
10. Celik I., Ortas I, Kilic S. Effect of compost, mycorrhiza, manure and fertilizer on some physical properties of a Chromoxerert soil. Soil Tillage Research, 2004, vol. 78 (1), pp. 59-67.
11. Dimkpa C., Weinand T., Asch F. Plant-rhizobacteria Interactions Alleviate Abiotic Stress Conditions. Plant Cell Environ., 2009, vol. 32 (12), pp.1682-1694.
12. Nriagy J.O. A global assessment of natural Sources of atmospheric trace metals. Nature, 1989, vol. 338, no. 6210, pp.47-49.
Поступила в редакцию 10 апреля 2015 г. После переработки 15 мая 2015 г.
