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

Full Text

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.

About the authors

V. P. Shabayev

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

Author for correspondence.
Email: vpsh@rambler.ru

доктор биологических наук

Russian Federation, 2, Institutskaya St., Pushchino, Moscow Region, 142290

V. E. Ostroumov

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

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

References

Supplementary files