АГРОХИМИЯ, 2013, № 6, с. 69-77
УДК 58.07.071:632.122:631.811.2
ВЛИЯНИЕ РИЗОСФЕРНЫХ БАКТЕРИЙ НА МИГРАЦИЮ И БИОДОСТУПНОСТЬ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ, МЫШЬЯКА И ФОСФОРА В ТЕХНОГЕННО-ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ*
© 2013 г. Г.А. Белоголова1, М.Г. Соколова2, О.Н. Гордеева1
1Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН 664033 Иркутск, ул. Фаворского, 1а, а/я 304, Россия E-mail: gabel@igc.irk.ru 2Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 132, а/я 317, Россия E-mail: sokolovamg@sifibr.irk.ru
Поступила в редакцию 04.07.2012 г.
Рассмотрены особенности миграции Pb, Cd, As и P в системе "почва-растение" под влиянием биопрепаратов азотобактерина, фосфобактерина и кремнебактерина, разработанных на основе живых почвенных ризосферных бактерий Azotobacter и Bacillus. Проведенные исследования позволили установить закономерности влияния ризосферных бактерий на мобилизацию и иммобилизацию тяжелых металлов и мышьяка в системе почва-растение в условиях техногенеза и выделить основные факторы, влияющие на их миграцию. Установлена способность изученной группы ризо-сферных бактерий к биосорбции тяжелых металлов и мышьяка из загрязненных почв, что может иметь большое практическое значение при использовании новых биотехнологий в растениеводстве и для фиторемедиации почв.
Ключевые слова: миграция, биодоступность, тяжелые металлы, мышьяк, фосфор, ризосферные бактерии, техногенно-загрязненные экосистемы.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в растениеводстве применяют биопрепараты, разработанные на основе ризосферных бактерий группы PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria), для стимуляции роста растений и защиты от фитопатогенов. Это направление ориентировано на сокращение применения минеральных удобрений и отказ от опасных для здоровья человека пестицидов [1, 2]. Биопрепараты, изготовленные на основе ризо-сферных бактерий, оказывают стимулирующее воздействие на многие виды сельскохозяйственных культур и повышают их устойчивость к различным негативным факторам среды. Ризосферные бактерии, толерантные к тяжелым металлам, можно использовать и для биоремедиации загрязненных почв. Некоторые исследователи считают, что ризосферные бактерии способны переводить тяжелые металлы в нерастворимые в воде формы в виде металлорганических комплексов, которые адсорбируются на поверхности корней и ограни-
* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 12-05-00-257-а.
чивают подвижность и аккумуляцию их в растениях [3]. При этом биофильные элементы питания поступают в растения [4]. В многочисленных исследованиях установлен стимулирующий эффект действия азотфиксирующих микроорганизмов на рост и развитие растений [5]. Некоторые авторы считают, что инокуляция семян азотобактером способствует снижению накопления в растениях ионов тяжелых металлов и радионуклидов [5, 6]. В то же время существуют данные о том, что инокуляция растений ризосферными бактериями может увеличивать риск аккумуляции тяжелых металлов в растениях, выращиваемых на загрязненных почвах [7-10]. В этом плане проблема мало изучена.
Этот вопрос является актуальным в связи с тем, что антропогенное воздействие на окружающую среду в настоящее время привело к существенному загрязнению почвы тяжелыми металлами, особенно вблизи промышленных объектов [11-14]. Высокая опасность тяжелых металлов и мышьяка для экосистем и здоровья человека неоднократно отмечена во многих работах [15, 16].
Цель работы - изучение особенностей поведения Аз Сё, РЬ и элемента питания растений фосфора в
системе почва-растение на техногенно-загрязнен-ных почвах при внесении живых почвенных бактерий в составе биопрепаратов азотобактерина, фосфобактерина и кремнебактерина.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования являлись почвы и выращенные на них растения (овес, горох, салат, редис), для которых изучены закономерности распределения As, тяжелых металлов Cd, Pb и биофильного элемента питания фосфора в зависимости от влияния на них ризосферных бактерий Azotobacter и Bacillus, входящих в состав биопрепаратов азотобактерина, фосфобактерина и кремнебактерина.
Исследованные азотобактерин, фосфобакте-рин, кремнебактерин - это жидкие концентраты чистых культур почвенных бактерий 3-х видов. Биопрепараты являются экологически чистыми, нетоксичными, безопасными для человека и животных стимуляторами роста растений [17, 18]. Биопрепараты разработаны в Томском госуниверситете и предложены для апробации в агроклиматических условиях Южного Прибайкалья на базе Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН [4, 19].
Азотобактерин - новый штамм бактерий, разработанный на основе азотфиксаторов Azotobacter chroococcum (штамм Az d10, № ВКМ В-2272 Д), преимуществом которого является способность к продуцированию фитогормонов и устойчивость к дельтаметрину. Азотобактерин поставляет аммонийную форму азота в ризосферу растений. Штамм селекционирован по свойству к продуцированию ИУК и цитокининов, антибиотических веществ и возможности выдерживать такие концентрации дельтаметрина, которые используют в практике сельскохозяйственных работ.
Фосфобактерин - препарат на основе живых почвенных кислотообразующих бактерий Bacillus megaterium var. phosphaticum (штамм Pl-04, № ВКМ В-2357 Д), который способен высвобождать фосфат из нерастворимой фракции в доступную для растений форму и стимулировать корнеобразование у растений.
Кремнебактерин - препарат на основе силикатных бактерий Bacillus mucilaginosus (№ ВКМ В-1574). Бактерии, содержащиеся в этом препарате, выделяют фермент силиказу и поставляют кремний и другие макро- и микроэлементы из природных силикатов в ризосферу растений.
Опыт проводили на почвах, отобранных из техногенной зоны г. Свирск, расположенного на берегу р. Ангара (Южное Прибайкалье). Почвы были взяты на различном удалении от основного
источника загрязнения - бывшего Ангарского металлургического завода (АМЗ) по производству мышьяка, расположенного в черте города.
По результатам эколого-геохимических исследований, проведенных ранее в этом городе, были выявлены участки интенсивного загрязнения мышьяком и тяжелыми металлами различных природных объектов (почвы, растений, животных и биосубстратов человека) в концентрациях, значительно превышающих санитарные нормы [20, 21]. Мышьяковое загрязнение почв было распространено не только на территории бывшего АМЗ, но и в большей части города. В центральной части этой аномалии загрязнение грунтов и почв мышьяком, свинцом и другими тяжелыми металлами во много раз превышало ПДК.
Почвы исследованного района - преимущественно серые лесные с локальными участками чернозема и дерново-карбонатных почв. Почвенные образцы для опыта были отобраны во всех случаях из гумусового горизонта А. На участке 1 (условно фоновом), расположенном в 15 км от г. Свирск, и на участке 2 (садово-огородные участки в 500 м от источника загрязнения) почвы отобраны из горизонта Апах. На максимально загрязненных участках 3 и 4 (100 и 10 м от АМЗ соответственно) гумусовый горизонт сформирован на техноземах. На условно фоновом участке 1 почва была окультуренной. Почвенные образцы отбирали из пахотного горизонта Апах (0-20 см) с показателями: С - 4.2%, рН^О 7.0. На участке 2 и 3 дерново-карбонатные почвы были представлены преимущественно легким суглинком, его гранулометрический состав не определяли. На участке 2 отобрана окультуренная почва из горизонта Апах с показателями: Сорг - 4.3%, рН^О 7.5. На участке 3 почва отобрана из горизонта А легкого суглинистого состава с незначительной примесью техногенного материала в виде тонкодисперсных огарков от производства мышьякового концентрата: Сорг - 3.6%, рН^О 7.8. На участке 4 почвенная проба представляла собой преимущественно технозем с более крупными частицами огарков 1-3 мм и с небольшим количеством гумуса и суглинка: Сорг - 4.4%, рН^О 4.6.
Каждая проба почв была разделена на исходную (контроль) и обработанную биопрепаратами (опыт), на которых выращивали растения в одинаковых условиях. Рабочий раствор с тремя бактериальными препаратами по 5 мл концентрата на 10 л (0.5 мл/л) воды вносили в почву поливом во время посадки и далее через 5 сут в количестве 1 л/м2. Титр бактерий в рабочем растворе был равен 106 кл./мл.
Растения (овес, горох, салат, редис) выращивали в условиях фитотрона. Сосуды вмещали 8 кг
почвы, в них выращивали по 20 растений каждого вида. Три биологических повторности каждого вида растений объединялись в одну аналитическую пробу. Количественный анализ проводили на основе нескольких замеров (2-3 аналитических повторности). Ошибка анализа указана в тексте. Контроль правильности результатов анализа проводили по стандартным образцам состава (лист березы ЛБ-1, ГСО 8923-2007, элодея канадская ЭК-1, ГСО 8921-2007, травосмесь Тр-1, ГСО 8922-2007).
Растения не достигли зрелого состояния, т. к. на максимально загрязненных техногенных почвах после 35 сут роста они начали засыхать. Для анализа использовали растения, высушенные до воздушно-сухого состояния. Из почв, на которых выросли растения, проведена экстракция тяжелых металлов, мышьяка и фосфора с помощью этилендиаминтетраацетата натрия (ЭДТА).
Для определения массовой доли As, Pb, Cd в пробах почв и в вытяжках ЭДТА использовали метод атомной абсорбции. Измерения проводили на атомно-абсорбционных спектрометрах модели 403 и 503 фирмы Perkin-Elmer (США). Ошибка определения не превышала 5-20%. Определение химического состава проб растений выполняли методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой ИСП-МС. Использован чувствительный ИСП-МС прибор с магнитным сектором ELEMENT 2 (Finnigan MAT, Germany), обладающий двойной фокусировкой и возможностью регистрации сигнала в различных разрешениях. Ошибка определения не превышала 5-10%.
Определение фосфора выполнено методом спектрофотометрии. Предел обнаружения и относительное стандартное отклонение составили 0.002 мг/кг, ошибка определения 1-10%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Способность представленных биопрепаратов воздействовать на миграцию тяжелых металлов и некоторых биофильных элементов в системе почва-растение
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.