Mineral nutrition of plants in applying growth-promoting rhizospherebacteriain copper-contaminated soil

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Impact of growth-promoting rhizobacteria of genus Pseudomonas application on mineral nutrition of spring wheat in growing on artificially Cu-contaminated in elevated concentration agrogray soil were studied in pot experiment. Plants were grown up to shooting stage with copper nitrate contamination at a rate of 300 mg Cu/kg of soil against background of PK fertilization. Content of Cu and other elements in shoots and roots after combustion in mixture of HNO3: HClO4 (2:1) was determined by inductively coupled plasma emission-optical spectrometry, potassium by flame photometry. N content was determined by indophenol technique after combustion of plant material in dilute sulfuric acid with catalyst. Bacteria application increased plant resistance to elevated copper concentration and increased plant weight, thereby reducing phytotoxicity of heavy metal. Positive effect of bacteria was due to improvement in mineral nutrition of plants – increase in uptake of biophilic elements N, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn and Zn from contaminated soil. At the same time, bacteria as a whole did not affect content of almost all elements in plant shoots and increased uptake of elements by plants due to the promotion of their growth, probably as a result of production of physiologically active compounds by bacteria. Growth promotion of heavy metal-contaminated plants and elevated it uptake by plants in application of bacteria occurred without changes in soil medium reaction. Improving mineral nutrition of plants, along with increasing barrier ability of root system to increase of heavy metal uptake by roots in application of all bacteria, are main mechanisms for growth promoting contaminated plants.

Толық мәтін

Продолжающаяся индустриализация, интенсивное ведение сельского хозяйства и другая антропогенная деятельность приводят к загрязнению окружающей среды, включая почвы, тяжелыми металлами (ТМ). Поэтому ремедиация почв, загрязненных медью (Cu), приобретает особо важное значение. В повышенных концентрациях Cu вызывает физиологические и биохимические нарушения в растениях и замедляет их рост [1]. Для ремедиации загрязненных ТМ почв и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур исследуют стимулирующие рост растений ризосферные бактерии (plant growth-promoting rhizobacteria – PGPR) [2]. Они преобразуют металлы в растворимые и биодоступные формы под действием сидерофоров, органических кислот, других соединений и окислительно-восстановительных процессов [3, 4]. PGPR обладают свойствами, стимулирующими рост растений, включая солюбилизацию фосфора, фиксацию азота, синтез фитогормонов и другие процессы, которые улучшают рост и увеличивают биомассу растений, в свою очередь, способствуя фиторемедиации [3]. Использование стимулирующих рост растений бактерий, устойчивых к ТМ, значительно улучшает этот процесс [5].

Представители бактерий рода Pseudomonas привлекают особое внимание при ремедиации загрязненных ТМ почв благодаря широкой распространенности и присущему им ряду полезных для растений свойств [6]. Известно, что Pseudomonas обладают устойчивостью к ТМ и характеризуются высоким биоремедиационным потенциалом, в том числе в ассоциациях с различными видами растений [7]. Установлено значительное улучшение ростовых параметров подсолнечника и рапса и увеличение потребления Cu после использования соответственно ростстимулирующих ризосферных бактерий P. lurida штамм EOO26 [8] и P. thivervalensis [9] на загрязненной ТМ почве. Стимулирующее рост растений поглощение основных питательных элементов (Fe, P, K), опосредованное бактериями Pseudomonas, направлено на противодействие стрессам вследствие увеличения подвижности в почве и биодоступности макро- и микроэлементов [10]. Избыточное содержание ТМ, оказывая негативное влияние на основные физиолого-биохимические процессы в растениях, может приводить к нарушению поступления в них биофильных элементов [10]. Загрязненные ТМ почвы обычно бедны питательными элементами в доступной форме, эту проблему можно решить путем внесения полезных микроорганизмов [11].

Цель исследований – изучение влияния внесения ростстимулирующих ризосферных бактерий рода Pseudomonas на минеральное питание растений яровой пшеницы при выращивании на искусственно загрязненной медью в повышенной концентрации агросерой почве для разработки технологий биологической ремедиации.

Методика. Работу выполняли при искусственном загрязнении Cu(NO3)2·3H20 среднесуглинистой агросерой почвы, слой 0…20 см, и выращивании яровой пшеницы (T. aestivum L.) сорта Злата (ФИЦ «Немчиновка») до фазы трубкования в течение 27 дней в вегетационном опыте. Азотнокислую медь вносили в почву из расчета 300 мг Cu/кг, что более чем в 2 раза превышает ориентировочно допустимую концентрацию (ОДК) для аналогичных почв [12]. Использование меди в этой концентрации приводило к ингибированию роста растений в предшествующем рекогносцировочном вегетационном эксперименте.

Растения во всех вариантах выращивали на фоне внесения PK-удобрений в виде однозамещенного фосфорнокислого калия и сернокислого калия по 106 мг РК/сосуд. Изучали влияние внесения ростстимулирующих бактерий P. fluorescens 20, P. fluorescens 21 и P. putida 23 [13] (из расчета 108 клеток на растение) на массу растений, содержание и накопление биофильных элементов N, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn и Zn в вегетативных органах и корневой системе. Согласно схеме эксперимента, в контрольном варианте Cu и бактерии не использовали, во втором – вносили Cu без бактерий, в остальных трех вариантах – на фоне загрязнения почвы Cu проводили инокуляцию семян каждой бактерией. В контроле вместо Cu(NO3)2·3H2О применяли азот в виде NH4NO3, в дозе 106 мг/сосуд, которая была внесена в вариантах c загрязнением ТМ для выравнивания дозы азота. Повторность опыта – 4-кратная.

Содержание зольных элементов (кроме калия) определяли методом эмиссионно-оптической спектроскопии индуктивно-связанной плазмы на спектрометре ICP-OES 5110 (Agilent, США), калия – на пламенном фотометре BWBXP (BWB, Великобритания), азота – феноловым методом. Статистическую обработку данных проводили методом дисперсионного анализа.

Результаты и обсуждение. Загрязнение почвы Cu без внесения бактерий приводило к существенным изменениям содержания большинства питательных элементов в вегетативной массе относительно контрольного варианта (табл. 1). Это свидетельствует о влиянии повышенной концентрации Cu на метаболические процессы в растениях и нарушении механизмов поглощения ими элементов. При этом значимо уменьшилось содержание N, P и Zn и, напротив, увеличилось K и Ca. В корнях загрязненных растений без инокуляции семян бактериями эти закономерности сохранялись, кроме уменьшения под влиянием бактерий в корнях содержания К, в отличие от вегетативной массы. При загрязнении почвы, вне зависимости от применения бактерий, уменьшилось содержание фосфора в вегетативной массе и корнях. Проявление антагонизма меди и фосфора в растениях, вероятно, связано со свойством избыточных концентраций Cu ингибировать активность фермента фосфатазы, определяющего доступность фосфора растениям [14].

 

Табл. 1. Содержание биофильных элементов в вегетативной массе и корнях пшеницы в зависимости от загрязнения почвы медью и инокуляции семян бактериями

Вариант

N

P

K

Ca

Mg

Fe

Mn

Zn

%

мг/кг

вегетативная масса

Без Cu и внесения бактерий (контроль)

4,21

0,51

3,76

0,92

0,27

113

54

33

Cu без внесения бактерий

3,90

0,40

4,49

1,23

0,26

106

57

26

Cu + P. fluorescens 20

3,99

0,40

4,94

1,19

0,27

112

57

25

Cu + P. fluorescens 21

4,21

0,42

4,99

1,24

0,28

110

58

28

Cu + P. putida 23

4,01

0,38

4,83

1,18

0,27

105

54

25

HCP05

0,30

0,08

0,30

0,25

0,02

5

5

4

корни

Без Cu и внесения бактерий (контроль)

2,74

0,46

1,74

1,10

0,51

0,58

187

89

Cu без внесения бактерий

2,20

0,35

1,19

1,56

0,55

0,50

176

70

Cu + P. fluorescens 20

2,14

0,36

1,33

1,63

0,62

0,60

201

75

Cu + P. fluorescens 21

2,30

0,39

1,51

1,37

0,58

0,55

195

72

Cu + P. putida 23

2,25

0,38

1,35

1,47

0,50

0,57

189

77

HCP05

0,40

0,07

0,13

0,19

0,03

0,10

25

13

 

Использование всех бактерий при загрязнении почвы Cu не оказывало достоверного влияния на содержание в вегетативных органах практически всех изученных элементов. В вегетативной массе и корнях отмечено только увеличение содержания K. Кроме того, в корнях наблюдали тенденцию к росту концентрации Fe и остальных микроэлементов.

При загрязнении почвы Cu без использования бактерий, в сравнении с контролем, существенно уменьшалось усвоение или вынос практически всех исследованных элементов из почвы вегетативной массой и корнями (табл. 2). Усвоение Ca растениями, в отличие от других элементов, в условиях Cu-стресса без применения бактерий не изменилось. Для K величина этого показателя также не была подвергнута значимым изменениям в вегетативной массе, исключение составило его более чем двукратное уменьшение в корнях. Применение бактерий в загрязненных условиях значительно увеличивало усвоение всех питательных элементов как вегетативной массой, так и корнями растений. В корнях накапливалось на порядок больше Fe, чем в надземной биомассе, что, вероятно, обусловлено биологическими особенностями яровой пшеницы.

 

Табл. 2. Поглощение биофильных элементов вегетативной массой и корнями пшеницы в зависимости от загрязнения почвы медью и инокуляции семян бактериями

Вариант

N

P

K

Ca

Mg

Fe

Mn

Zn

мг/сосуд

мкг/сосуд

вегетативная масса

Без Cu и внесения бактерий (контроль)

112

14

100

24

715

300

143

88

Cu без внесения бактерий

78

8

90

25

522

213

115

52

Cu + P. fluorescens 20

93

9

115

28

626

260

132

58

Cu + P. fluorescens 21

96

10

114

28

638

251

132

64

Cu + P. putida 23

94

9

113

28

629

245

126

58

HCP05

12

1

20

3

89

30

10

6

корни

Без Cu и внесения бактерий (контроль)

17

3

11

7

311

3580

114

54

Cu без внесения бактерий

9

1

5

6

226

2050

72

29

Cu + P. fluorescens 20

11

2

7

8

310

3000

101

38

Cu + P. fluorescens 21

11

2

7

7

284

2695

96

35

Cu + P. putida 23

12

2

7

8

255

2907

96

39

HCP05

2

1

1

1

25

512

17

7

 

Известно о значительном ингибировании роста яровой пшеницы в фазе выхода в трубку при загрязнении почвы Cu, что проявлялось в уменьшении на 24 % массы вегетативных органов, а корней в еще большей степени – на 33 %. Применение бактерий уменьшало токсическое действие ТМ на растения, увеличивая их вегетативную массу на 13…16 %, еще больше увеличивалась масса корней (на 20…24 %) [15].

При загрязнении почвы Cu в вариантах с внесением бактерий после удаления растений в фазе трубкования не установлено значимых изменений реакции почвенной среды (табл. 3), которая, как известно, оказывает значительное влияние на подвижность в почве и биодоступность химических элементов, по сравнению с контролем. Загрязнение почвы Cu без бактериальных инокуляций также не оказывало значимого влияния на величину этого показателя.

 

Табл. 3. Реакция почвенной среды в фазе трубкования пшеницы в зависимости от загрязнения почвы медью и инокуляции семян бактериями

Вариант

pHKCl почвенной суспензии

Без Cu и внесения бактерий (контроль)

6,17

Cu без внесения бактерий

6,19

Cu + P. fluorescens 20

6,17

Cu + P. fluorescens 21

6,14

Cu + P. putida 23

6,20

исходная почва

6,14

HCP05

0,40

 

Уменьшение токсического действия Cu и рост биомассы инокулированных бактериями растений связаны с увеличением поглощения питательных элементов из загрязненной почвы, то есть с улучшением их минерального питания. Это происходило без существенных изменений содержания практически всех элементов в вегетативной массе и корнях вследствие увеличения массы растений. В корнях содержалось и накапливалось примерно на порядок больше Fe, чем в вегетативной массе, что, вероятно, обусловлено биологическими особенностями яровой пшеницы.

Положительное действие бактерий, с одной стороны, обусловлено улучшением минерального питания растений при инокуляции, с другой – усилением барьерной способности корневой системы по отношению к поглощению ТМ [15]. То есть увеличение усвоения питательных элементов растительной биомассой из загрязненной почвы при внесении всех бактерий происходило не посредством повышения содержания элементов в вегетативной массе и корнях, а вследствие стимуляции роста растений.

Бактерии также не оказывали влияния на содержание меди в вегетативной массе [15]. Напротив, их использование способствовало увеличению концентрации и в особенности поглощению меди корнями на 32…39 %, тем самым усиливая барьерную способность корневой системы по отношению к элементу, не влияя на величину этого показателя в вегетативных органах. Об этом также свидетельствует рост доли элемента в корнях в загрязненных условиях до 85…87 %, по сравнению с 23 % в контрольном варианте [15].

Известно, что при стимуляциии роста растений вследствие биологического разведения, как правило, происходит уменьшение концентраций элементов-загрязнителей в растительной биомассе [16]. В наших исследованиях, в противоположность этому, при внесении всех бактерий на фоне загрязнения почвы Cu, несмотря на повышение массы растений, не установлено существенных изменений по содержанию изученных элементов в вегетативных органах и корнях. Уменьшение негативного влияния ТМ на растения и увеличение растительной биомассы под влиянием бактерий рода Pseudomonas без изменения концентрации большинства элементов в вегетативних органах и корнях обусловлено стимуляцией ростовых процессов вследствие продуцирования бактериями физиологически активных веществ – фитогормонов и других соединений [3].

Увеличение поглощения питательных элементов вегетативной массой растений под влиянием бактерий в наших исследованиях без существенных изменений реакции почвенной среды, вероятно, обусловлено повышением подвижности в почве и биодоступности элементов вследствие продуцирования бактериями органических экзометаболитов – сидерофоров, свойственных флуоресцирующим видам Pseudomonas, и другой их метаболитической активности [17].

Выводы. Внесение ростстимулирующих ризосферных бактерий P. fluorescens 20, P. fluorescens 21 и P. putida 23 в искусственно загрязненную медью в форме нитрата агросерую почву в повышенном количестве значительно ослабляло токсическое действие ТМ и стимулировало рост растений в фазе трубкования. Положительный эффект был обусловлен улучшением минерального питания растений – повышенным поглощением вегетативной массой и корнями биофильных элементов N, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn из загрязненной почвы наряду с усилением барьерной способности корней вследствие увеличения накопления в них меди. Накопление питательных элементов в растительной биомассе при применении бактерий возросло в основном вследствие стимуляции роста и повышения массы растений, без существенных изменений содержания в вегетативной массе практически всех изученных элементов. Стимуляция роста растений при использовании бактерий происходила без изменений реакции почвенной среды.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа финансировалась за счет средств бюджета в рамках государственных заданий Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН 121041500050-3 (60 % затрат), 121040500038-3 (40 % затрат).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность доктору сельскохозяйственных наук Н. В. Давыдовой (ФИЦ «Немчиновка») за предоставление высококачественных семян для проведения опыта.

×

Авторлар туралы

V. Shabayev

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: vpsh@rambler.ru

доктор биологических наук

Ресей, 2, Institutskaya St., Pushchino, Moscow Region, 142290

V. Ostroumov

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: vpsh@rambler.ru
Ресей, 2, Institutskaya St., Pushchino, Moscow Region, 142290

Әдебиет тізімі

  1. Copper toxicity in plants: Nutritional, physiological and biochemical aspects / F. J. R. Cruz, R. L. da Cruz Ferreira, S. S. Conceicao, et al. // Advances in Plant Mechanisms. Ed. J. N. Kimatu. 2022. 370 p. URL: http://www.doi: 10.5772/105212/intechopen (дата обращения: 17.04.2023). doi: 10.5772/105212/intechopen.
  2. Recent progress on emerging technologies for trace elements-contaminated soil remediation. Review / T. El. Rasafi, A. Haouas, A. Tallou, et al. // Chemosphere. 2023. Vol. 341. 140121. URL: ubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37690564 (дата обращения: 17.04.2023). doi: 10.1016/j.chemosphere.2023.140121.
  3. Phytoremediation of heavy metals assisted by plant growth promoting (PGP) bacteria: A review / A. Ullah, S. Heng, M. F. H. Munis, et al. // Environmental and Experimental Botany. 2015. Vol. 117. P. 28–40. doi: 10.1016/j.envexpbot.2015.05.001.
  4. Mishra J., Singh R., Arora N. K. Alleviation of heavy metal stress in plants and remediation of soil by rhizosphere microorganisms. Mini review article. Sec. Microbial Symbioses // Frontiers in Microbiology. 2017. Vol. 8. URL: www.pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28932218 (дата обращения: 17.04.2023). doi: 10.3389/fmicb.2017.01706.
  5. Phytoremediation technologies and their mechanism for removal of heavy metal from contaminated soil: An approach for a sustainable environment. Review article / J. K. Sharma, N. Kumar, N. P. Singh, et al. // Frontiers in Plant Science. 2023. Vol. 14. P. 1–13. URL: https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2023.1076876/full (дата обращения: 17.04.2023). doi: 10.3389/fpls.2023.1076876.
  6. Dorjey S., Dolkar D., Sharma R. Plant growth promoting rhizobacteria Pseudomonas // International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences. 2017. Vol. 7. P. 1335–1344. doi: 10.20546/ijcmas.2017.607.160.
  7. Recent developments in microbe-plant-based bioremediation for tackling heavy metal-polluted soils: Review Article / L. Saha, J. Tiwari, K. Bauddh, et al. // Frontiers in Microbiology. 2021. 12. 723. URL: www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2021.731723/full (дата обращения: 17.04.2023). doi: 10.3389/fmicb.2021.731723.
  8. Bioaugmentation with copper tolerant endophytePseudomonas lurida strain EOO26 for improved plant growth and copper phytoremediation by Helianthus annuus / A. Kumar, Tripti, O. Voropaeva, et al. // Chemosphere. 2021. Vol. 266. 128983. URL: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0045653520331805 (дата обращения: 17.04.2023). doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.128983.
  9. Effects of plant growth-promoting bacteria (PGPB) inoculation on the growth, antioxidant activity, Сu uptake, and bacterial community structure of rape (Brassica napus L.) grown in Cu-contaminated agricultural soil / X. M. Ren, S. J. Guo, W. Tian, et al. // Frontiers in Microbiology. 2019. Vol. 10. P. 1–12. URL: https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2019.01455/full (дата обращения: 17.04.2023). doi: 10.3389/fmicb.2019.01455.
  10. Pattnaik S., Mohapatra B., Gupta A. Plant growth-promoting microbe mediated uptake of essential nutrients (Fe, P, K) for crop stress management: microbe–soil–plant continuum. Review article // Frontiers in Agronomy. 2021. Vol. 3. P. 1–20. URL: https://www.frontiersin.org/journals/agronomy/articles/10.3389/fagro.2021.689972/full (дата обращения: 17.04.2023). doi: 10.3389/fagro.2021.689972.
  11. Tak H. I., Ahmad F., Babalola O. O. Advances in the application of plant growth- promoting rhizobacteria in phytoremediation of heavy metals. Review // Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. 2013. Vol. 223. P. 33–52. doi: 10.1007/978-1-4614-5577-6-2.
  12. ГН 2.1.7.2042-06. Гигиенические нормативы. Ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2006. 11 с.
  13. Шабаев В. П. Микробиологическая азотфиксация и рост растений при внесении ризосферных микроорганизмов и минеральных удобрений // Почвенные процессы и пространственно-временная организация почв. М.: Наука, 2006. С. 195–211.
  14. Kabata-Pendias A. Trace elements in soils and plants. CRS Press. 2010. 548 p. doi: 10.1201/b10158.
  15. Шабаев В. П., Волокитин М. П., Остроумов В. Е. Фракционный состав соединений меди в загрязненной металлом почве и его накопление в растениях при внесении ростстимулирующих ризосферных бактерий // Российская сельскохозяйственная наука. 2024. № 3. С. 62–65. doi: 10.31857/S2500262724030121.
  16. Алексеев Ю. В. Качество растениеводческой продукции. Л.: Колос. 1978. 256 с.
  17. Сидорова Т. М., Аллахвердян В. В, Асатурова А. М. Роль бактерий рода Pseudomonas и их метаболитов в биоконтроле фитопатогенных микроорганизмов // Агрохимия. 2023. № 5. C. 83–93. doi: 10.31857/S0002188123050071.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML

© Russian Academy of Sciences, 2025