АГРОХИМИЯ, 2014, № 10, с. 77-82
== Экотоксикология ^
УДК 549.252:576.851.13:581.191:633.16
БАРЬЕРНЫЕ ФУНКЦИИ РАСТЕНИЙ ЯЧМЕНЯ, ИНОКУЛИРОВАННЫХ РИЗОСФЕРНЫМИ БАКТЕРИЯМИ Pseudomonas fluorescens 21 В УСЛОВИЯХ СВИНЦОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ*
© 2014 г. В.П. Шабаев
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН 142290 Пущино Московская обл., ул. Институтская, 2, Россия E-mail: VPSH@rambler.ru
Поступила в редакцию 24.06.2014 г.
В вегетационных опытах изучено влияние ризосферных бактерий P. fluorescens 21 на поступление Pb в растения ячменя в фазе трубкования при выращивании на инертных субстратах c применением питательной смеси, содержавшей тяжелый металл (ТМ) в водорастворимой форме. Внесение бактерий снижало поступление Pb в растения вследствие усиления барьерных функций по отношению к ТМ на границах систем питательный раствор-корни, корни-вегетативная масса и за счет ростового разбавления в корнях. В загрязненных условиях установлено снижение концентраций Fe, Zn, Mn, Cu и Co в инокулированных растениях без негативного влияния на их рост. Влияние бактерий на поступление элементов в растения происходило без изменений реакции среды питательного раствора.
Ключевые слова: барьерные функции, ячмень, загрязнение свинцом, инокуляция, ризосферные бактерии вида Pseudomonas fluorescens 21.
ВВЕДЕНИЕ
Почва обладает буферной способностью и уменьшает токсическое действие на растения тяжелых металлов (ТМ), в том числе Pb, переводя их в менее подвижные соединения [1, 2]. Снижение содержания в растениях ТМ в основном связывают с их инактивацией в почве. Таким образом, почва выполняет роль барьера при поступлении ТМ в растения. В вегетационных опытах, проведенных на двух типах почв Западной Сибири, даже при внесении высоких количеств Pb (0.5 и 1 г/кг почвы), в растения пшеницы, включая корни, поступало не более 0.12% внесенного количества металла [3]. В исследованиях, проведенных нами на серой лесной почве юга Московской обл. в условиях вегетационных опытов, после выращивания растений ячменя основная часть свинца (>99%), внесенного в дозе 200 мг/кг почвы в составе водорастворимых соединений, была локализована в почве; в суммарной биомассе растений накапливалось ничтожно малое количество металла - 0.10.2% [4]. Тем не менее, даже при таком сценарии поступления в растения из почвы, токсичные ТМ оказывают негативное влияние на рост и качество растений. При инокуляции ростстимулирующи-ми ризосферными бактериями рода Pseudomonas ранее было обнаружено значительное снижение
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 12-04-01205-а).
концентрации РЬ в вегетативных органах и корневой системе растений и стимуляция их роста вследствие усиления барьерных функций почвы. Барьерные функции ризосферной почвы при внесении данных бактерий усиливались вследствие увеличения включения металла в почве во фракцию, связанную с органическим веществом, и в состав комплексов, извлекаемых ацетатно-аммо-нийным буферным раствором рН 4.8 [4].
Наряду с барьерными функциями почв, физиологические барьерные функции растений играют существенную роль в снижении поступления тяжелых металлов в растения. О наличии таких барьеров свидетельствует следующий характер распределения ТМ в биомассе растений: корень > > вегетативная масса > генеративные органы. В частности, уменьшение фитотоксичности РЬ главным образом связано с его инактивацией и накоплением в корневой системе растений [1, 3]. Ризосферные микроорганизмы оказывают значительное влияние на этот процесс. В нестерильных условиях в результате деятельности микроорганизмов в ризосфере, в том числе вследствие их влияния на корневые экссудаты растений, обнаружено уменьшение накопления РЬ в корнях при внесении металла в повышенных количествах в опыте, проведенном в условиях песчаной культуры [5]. Аналогичная зависимость обнаружена нами в предыдущих исследованиях, проведенных в условиях почвенной культуры, при внесении
ростстимулирующих ризосферных бактерий рода Pseudomonas [4]. В исследованиях, проводимых в условиях почвенной культуры, разграничить роль барьерных функций почвы и растений по отношению к ТМ не представляется возможным. Эту проблему, в частности, вопрос о влиянии ризосферных бактерий на барьерные функции растений можно решить при их выращивании на инертных субстратах с использованием питательных смесей, т.е. в отсутствии почвы.
Цель работы - изучение влияния инокуляции растений ячменя ростстимулирующими ризо-сферными бактериями P. fluorescens 21 на поступление Pb в корневую систему и вегетативные органы растений при их выращивании на инертных субстратах с внесением ТМ в составе жидкой питательной смеси.
МЕТОДИКА ИСССЛЕДОВАНИЯ
Растения ячменя сорта Суздалец выращивали в вегетационных опытах на инертных субстратах с внесением питательной среды, предложенной Д.Н. Прянишниковым [6]. В сосуд диаметром 10 и высотой 11 см в качестве субстратов были помещены стеклянные шарики (диаметром 0.5-2 мм) слоем 7.5 см, сверху над шариками -прокаленный (при 400 °С) кварцевый песок слоем 3 см. Оба наполнителя были последовательно промыты 10%-ным раствором соляной кислоты и дистиллированной водой. Питательная смесь состояла из следующих химически чистых солей (г/л раствора): NH4NO3 - 0.24, CaHPO4 • 2H2O - 0.172, MgSO4 • 7H2O - 0.124, KCl - 0.160, FeCl3 • 6H2O -0.025, CaSO4 • 2H2O - 0.344. Объем питательного раствора в сосуде составлял 250 мл, который в течение вегетационного периода контролировали взвешиванием и поддерживали на заданном уровне, доливая воду. Варианты опытов: 1 - без внесения Pb и без инокуляции бактериями, 2 - внесение Pb без инокуляции бактериями, 3 - внесение Pb и инокуляция бактериями. Свинец вносили в виде Pb(NO3)2 (Merck, Германия) из расчета 1 г Pb/л питательной смеси. Простерилизованные семена при посеве раскладывали на поверхности 1-см слоя песка, помещенного на стеклянных шариках, и обрабатывали в варианте с инокуляцией водной суспензией чистой культуры бактерий P. fluorescens 21 из расчета 108 кл. / растение и покрывали сверху 2-см слоем песка. В вариантах без инокуляции вносили адекватное количество автоклавированной бактериальной суспензии. Повторность опытов трехкратная.
Опыт 1. 6 растений выращивали до фазы труб-кования в течение 27 сут при поливе водопроводной водой. Вследствие того, что количество азота в вариантах с внесением 1 г Pb в виде Pb(NO3)2
превышало рекомендованное в питательной смеси, в варианте без загрязнения Pb и без инокуляции этот компонент был увеличен внесением дополнительного количества NH4NO3 до уровня в загрязненных вариантах. Таким образом, количество внесенного азота было выровнено во всех вариантах опытов. При этом дозы остальных солей в питательной смеси во всех вариантах опытов были пропорционально увеличены в соответствии с этими изменениями для азота.
Опыт 2. 12 растений выращивали до фазы трубкования в течение 43 сут на питательном растворе, содержащем двойные нормы указанных выше солей. Все варианты выравнивали по количеству внесенного азота, добавляя в вариантах с загрязнением Pb(NO3)2 дополнительное количество NH4NO3, таким образом доводя дозу азота до уровня как в варианте без внесения Pb и без инокуляции бактериями. В составе питательной смеси вносили микроэлементы (мг/л питательного раствора): Mn (в виде MnSO4 • 5H2O) - 0.5, B (Na2B4O7) - 0.5, Cu (CuSO4 • 5H2O) - 0.1, Zn (ZnSO4 • 7H2O) - 0.1, Mo (Na2MoO4 • 2H2O) - 0.1, Co (Co(NO3)2 • 6H2O) - 0.1. Растения поливали дистиллированной водой.
После срезания растений листья, стебли и корни высушивали, взвешивали и размалывали на электрической мельнице. Растительный материал озоляли в смеси концентрированных кислот HNO3 : HClO4 (2 : 1, по объему). В растворах определяли содержание Pb, Fe, Zn, Mn, Cu и Co на оптико-эмиссионном спектрометре ISP OES Optima 5900 DV (Perkin Elmer, США). Во втором опыте измеряли реакцию питательного раствора в сосудах непосредственно после срезания растений с помощью рН-метра "pH 211" (HANNA instruments, Германия).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Внесение Pb в составе питательной смеси в опыте 1 сопровождалось значительным увеличением поступления ТМ в растения ячменя в фазе трубкования (табл. 1). Содержание Pb в вегетативной массе загрязненных ТМ растений увеличилось в 9-11 раз. При этом наиболее существенно, в несколько десятков раз, возросла концентрация Pb в корнях. Однако, несмотря на значительное поступление ТМ в растения, не установлено достоверных изменений массы листьев и стеблей. Инокуляция бактериями P. fluorescens 21 на фоне внесения Pb в составе питательного раствора уменьшила, более чем на 20%, содержание металла в листьях и стеблях, практически не оказывая влияния на величину вегетативной массы растений. В загрязненных условиях в корнях ино-кулированных бактериями растений обнаружено
БАРЬЕРНЫЕ ФУНКЦИИ РАСТЕНИЙ ЯЧМЕНЯ... 79
Таблица 1. Содержание РЬ в растениях и масса растений ячменя (опыт 1)
Вариант РЬ в растениях, мг/кг сухой массы Масса растений (сухое вещество), г/сосуд
Листья + стебли Корни Листья + стебли Корни
Без РЬ и инокуляции 6а 41а 0.67 0.60
РЬ без инокуляции 68 2425 0.72 0.63
РЬ + Р. fluorescens 21 53а 1241а 0.75 0.72а
Примечания. 1. Ошибки определения РЬ не превышали 15%. 2. Величины, обозначенные буквой "а", отличаются от величин в вариантах "РЬ без инокуляции" при уровне значимости 5%. То же в табл. 2-4.
Таблица 2. Содержание РЬ в растениях и масса растений ячменя (опыт 2)
Вариант РЬ в растениях, мг/кг сухой массы Масса растений (сухое вещество), г/сосуд рН * смеси*
Листья Стебли Корни Листья Стебли Корни
Без РЬ и инокуляции РЬ без инокуляции РЬ + Р. fluorescens 21 7а 34 17а 36а 97 76а 70а 4644 2257а 0.72а 0.64 0.66 0.14 0.12 0.12 0.29а 0.17 0.20а 6.21а 6.51 6.59
* рН питательной смеси после срезания растений.
двукратное снижение содержания свинца при одновременном увеличении массы корней в сравнении с вариантом без инокуляции. Аналогичные закономерности в накоплении РЬ в растениях получены и в опыте 2 (табл. 2). На фоне увеличения содержания РЬ в стеблях загрязненных растений почти в 3 раза и в л
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.