АГРОХИМИЯ, 2014, № 2, с. 73-80
УДК 631.461.74:581.143:632.122.1:
ВЛИЯНИЕ РИЗОСФЕРНЫХ БАКТЕРИЙ НА РОСТ РАСТЕНИЙ И НАКОПЛЕНИЕ ИМИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ТЕХНОГЕННО ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВАХ*
© 2014 г. М.Г. Соколова1, Г.А. Белоголова2, О.Н. Гордеева2, Г.П. Акимова1
Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 132, а/я 317, Россия
E-mail: SokolovaMG@sifibr.irk.ru 2Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН 664033 Иркутск, ул. Фаворского, 1 а, Россия E-mail: gabel@igc.irk.ru
Поступила в редакцию 20.09.2013 г.
Изучено влияние ризосферных бактерий Azotobacter и Bacillus, входящих в состав биопрепаратов азотобактерин, фосфобактерин и кремнебактерин на распределение тяжелых металлов (ТМ) Pb, Cd, Co, Ni и As в агрокультурах (салате, редисе), а также на их рост и развитие в зависимости от произрастания на почвах разного уровня загрязнения. Показано отличие в воздействии ризосферных бактерий на морфогенез растений и аккумуляцию ТМ в растениях при разной техногенной нагрузке. Коэффициент биологического накопления ТМ в растениях снижался при бактеризации на сильно загрязненной почве, что может иметь существенное практическое значение при использовании биопрепаратов на основе бактерий в сельскохозяйственном производстве на техногенно загрязненных почвах.
Ключевые слова: ризосферные бактерии Azotobacter и Bacillus, техногенно загрязненные почвы, накопление тяжелых металлов растениями.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что растительно-микробные и почвенные экосистемы тесно взаимосвязаны между собой [1, 2], в том числе через обмен элементами. Некоторые химические элементы играют важную роль в процессах обмена веществ растений, к ним относятся в основном биофильные элементы. Микроэлементы также необходимы для живых организмов, но биохимические функции многих из них не выяснены [3]. Несмотря на то, что растения избирательно извлекают химические элементы из почвы, они сильно зависят от концентрации последних в окружающей среде. В этой связи особую актуальность имеет изучение влияния почвенных бактерий на аккумуляцию химических элементов растениями и воздействие на их физиологическое состояние. Это в первую очередь касается тяжелых металлов (ТМ), среди которых РЬ, И§, Сё являются наиболее опасными элементами-токсикантами. Повышенной токсичностью для живых организмов
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, грант № 12-05-00-257-а.
обладает Ni. По токсичности к этой же группе относится и мышьяк. Среди тяжелых металлов Zn, Cu, Co обладают биофильными свойствами, и в небольшом количестве они необходимы для жизнедеятельности растений [4, 5].
Величина содержания элементов в почве имеет определенное значение для их экологической классификации [6]. При низком содержании в почве, например Cu и Zn, возникает необходимость применения медного и цинкового удобрений (в этом случае Cu и Zn - микроэлементы). При техногенном загрязнении этими элементами пахотных земель Cu и Zn выступают как токсиканты, в этом случае они вредны для растениеводства и опасны при использовании растений как пищевых продуктов.
Ранее было показано, что штаммы бактерий, входящие в состав биопрепаратов (азотобактерина - Azotobacter chroococcum, фосфобактерина -Bacillus megaterium, кремнебактерина - Bacillus mucilaginosus), способны мобилизовать кремний и фосфор из фосфоритной руды [7]. Была доказана эффективность использования этих штаммов как компонентов системы биологического земле-
делия, повышающего микробиологическую активность почвы и урожайность растений [8-10].
В современном мире происходит значительное загрязнение почвы ТМ особенно вблизи промышленных центров, что является одним из наиболее опасных видов деградации почв. Поступающие в почву ТМ способны передаваться по геохимическим и пищевым цепям в другие среды и могут накапливаться в поверхностных и почвенно-грун-товых водах, растениях и попадать в животных и человека [11, 12]. В мировой практике становится все более актуальной экологизация агропроиз-водства [13, 14], и обсуждается значимая роль ризосферных бактерий в этом процессе [15-17].
Опыт применения биобезопасных технологий, к которым относятся технологии использования бактериальных биопрепаратов, свидетельствует об их перспективности в развитии экологически чистого растениеводства [18, 19]. Однако исследований, связанных с изучением взаимодействия в растительно-микробных системах при техноге-незе, недостаточно [17, 20, 21].
Цель работы - изучение особенностей влияния ризосферных бактерий биопрепаратов на рост и развитие овощных культур (салата, редиса), выращенных на почвах с различной степенью загрязненности, и накопления в этих растениях тяжелых металлов (Pb, Cd, Co, Ni) и As.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования являлись салат и редис, выращенные на загрязненных почвах. Изучены динамика роста растений на почвах разного уровня загрязнения и закономерности распределения в растениях ТМ (Pb, Cd, Co, Ni) и As в зависимости от влияния ризосферных бактерий Azotobacter и Bacillus, входящих в состав биопрепаратов азотобактерин, фосфобактерин и кремнебактерин.
Исследованные биопрепараты азотобактерин, фосфобактерин, кремнебактерин - это жидкие концентраты чистых культур почвенных бактерий 3-х видов. Они являются экологически чистыми, нетоксичными, безопасными для человека и животных стимуляторами роста растений [7, 22]. Биопрепараты разработаны в Томском государственном университете и предложены для апробации в агроклиматических условиях Иркутской обл. на базе Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН [22].
Азотобактерин - новый штамм бактерий, разработанный на основе азотфиксатора 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 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 в доступную для растений форму и стимулировать корне-образование.
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.
Вегетационные эксперименты проводили в условиях фитотрона СИФИБР СО РАН (центр коллективного пользования "Фитотрон") на почвах, отобранных из техногенной зоны г. Свирск Иркутской обл. 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 в концентрациях, значительно превышающих санитарные нормы [23, 24] . Мышьяковое загрязнение почв было распространено не только на территории бывшего Ангарского завода по производству мышьяка, но и на большую часть города. В центральной части этой аномалии загрязнение грунтов и почв мышьяком и тяжелыми металлами во много раз превышает ПДК.
Почвы для модельного эксперимента отобраны из гумусового горизонта. На условно фоновом участке 1, расположенном в 15 км от г. Свирск, и на участке 2 (садово-огородные почвы в 500 м от источника загрязнения) почвы отобраны из пахотного горизонта Апах. На максимально загрязненных участках 3 и 4 (100 и 10 м от АМЗ соответственно) гумусовый горизонт сформирован на токсифабрикатах по классификации почв 2004 г. [25].
На условно фоновом участке развиты черноземы и серые-лесные почвы. Почва отобрана из пахотного горизонта (0-20 см), Сорг - 4.2%, рНН О 7.0. На участках 2 и 3 дерново-карбонатные почвы представлены преимущественно легким суглинком. На участке 2 отобраны окультуренные почвы из пахотного горизонта Апах с показателями: Сорг - 4.3%, рНН2О 7.5. На участке 3 почва отобрана из гумусового горизонта легкого суглинистого состава с незначительной примесью техногенного материала в виде тонкодисперсных огарков от производства мышьякового концентрата с показателями: Сорг - 3.6%, рНН О - 7.8. На участке 4 почвенная проба представляла собой преимущественно токсифабрикат с более крупными частицами 1-3 мм огарков и с некоторым количеством гумуса и суглинка и с показателями: СорГ.- 4.4%, рНн2О 4.6.
Растения выращивали в сосудах, которые вмещали 8 кг почвы, по 20 растений каждого вида. Три биологических повторности каждого вида растений объединяли в одну аналитическую пробу. Количественный анализ проводили на основе нескольких замеров (2-3 аналитических повторности). Контроль достоверности результатов анализа проводили по стандартным образцам состава (лист березы ЛБ-1, ГСО 8923-2007, эла-дея канадская ЭК-1, ГСО 8921-2007, травосмесь Тр-1, ГСО 8922-2007).
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 каждого концентрата на 10 л воды (0.5 мл/л) 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 не достигли зрелого состояния, т. к. на максимально загрязненных техногенных почвах после 35 сут роста они начали высыхать и гибнуть. Для анализа использовали растения, высушенные до воздушно-сухого состояния.
Анализ почв и растений производили в аккредитованной лаборатории Института геохимии им А.П. Виноградова СО РАН. Для определения массовой доли Аб, РЬ, Сё, N1, Сё в пробах почв использовали метод атомной абсорбции. Измерения проводили на атомно-абсорбционных спект
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.