БИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

БИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ

ПЕЧАТНАЯ ВЕРСИЯ

ЭЛЕКТРОННАЯ ВЕРСИЯ

КАРТА САЙТА

НА ГЛАВНУЮ

Сельскохозяйственная биология, 2010, № 1, с. 104-109.

УДК 632.938.1:58.02:[546.62+631.415.1+631.461.74]

СОДЕРЖАНИЕ ПОДВИЖНОГО АЛЮМИНИЯ И КИСЛОТНОСТЬ ПОЧВЫ НА ФОНЕ БАКТЕРИЗАЦИИ АЛЮМОТОЛЕРАНТНЫМИ ШТАММАМИ КАК ПРИЕМА ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ

Л.В. ПОНОМАРЕВА, В.Ф. ДРИЧКО, Н.П. ЦВЕТКОВА, Д.В. КУДРЯВЦЕВ

Из образцов кислых и техногенно загрязненных почв выделили алюмотолерантные микробные штаммы и определили их влияние на изменение содержания почвенного подвижного алюминия и pH дерново-подзолистой суглинистой низкогумусной почвы в вегетационных опытах. Показано, что бактеризация посевных семян этими культурами и дальнейшее выращивание ячменя сорта Криничный на кислой почве с высоким содержанием подвижного алюминия позволяет повысить устойчивость растений к нему. Сухая биомасса таких инокулированных растений ячменя составляла 103-120 % от контроля в зависимости от используемой микробной культуры.

Ключевые слова: алюмотолерантные микроорганизмы, бактеризация, инокуляция растений, алюминий почвы, ячмень, устойчивость.

 

Микроорганизмы — важнейший компонент агрофитоценоза, обеспечивающий его продуктивность. Однако в кислых почвах дерново-подзолистой зоны на фоне повышенного содержания подвижного алюминия, который ингибирует развитие корневой системы и усиливает воздействие других стрессов, агрономически полезная микрофлора малочисленна. Все это приводит к снижению продуктивности почвы и урожая сельскохозяйственной продукции.

В то же время известно, что в кислых почвах содержатся штаммы алюмотолерантных микроорганизмов, которые выделяют в корневую зону продукты метаболизма, способные образовывать комплексы и малорастворимые соединения с алюминием (1-3). Таким способом обеспечивается защита растений от негативного воздействия алюминия. Поэтому усиление микробиологической активности кислых почв (например, бактеризацией посевных семян алюмотолерантными микроорганизмами) — исключительно важный прием повышения урожаев (4-8).

Целью работы было установление устойчивости выделенных из почвы штаммов микроорганизмов к подвижному алюминию, а также оценка их влияния на содержание подвижного алюминия в почве при разных значениях рН и устойчивость растений.

Методика. Изучаемые культуры выделяли из образцов почв, отобранных на территориях нефтебаз (ГХ-4, Ш-18, ККТ-3), Царскосельского завода, выпускающего металлоизделия (ЛС-1), опытных полей Ленинградского НИИ сельского хозяйства (МР-1, МР-2). Для выявления микроорганизмов использовали следующие питательные среды: глюкозо-аспараги-новую, модифицированную по методу Г.С. Муромцева, Т.Н. Ефремовой (модифицированная среда Тейлора и Маршалла), Лиске и Чапека-Докса. Толерантность выделенных культур к ионам алюминия оценивали при жидкофазном культивировании микроорганизмов (200 об/мин) на средах с разной концентрацией алюминия. В состав питательных сред добавляли раствор сернокислого алюминия Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O (ГОСТ 3758-75) из расчета 0; 15; 30; 60; 90; 120 и 180 мг Al³⁺/л. Опыт проводили в качалочных колбах объемом 750 мл (объем рабочего раствора — 100 мл). О степени алюмотолерантности судили по величине биомассы, образовавшейся за 3 сут, которую определяли нефелометрически (по оптической плотности А540) (ФЭК-56 М, Россия, кювета с длиной оптического пути 3 мм). Повторность опыта 3-кратная.

Для оценки эффективности использования алюмотолерантных микробных культур при выращивании сельскохозяйственных растений использовали кислую дерново-подзолистую среднесуглинистую почву (Ленинградская обл.) с содержанием гумуса до 2 % и подвижного алюминия 74,1 мг/кг почвы. Гидролитическая кислотность почвы равнялась 3,87 мг-экв/100 г, рНKCl — 4,1. Опыты проводили в летний период в теплице с естественным световым и температурным режимом. Для закладки вегетационных опытов использовали сосуды объемом 5 л, в которые помещали 4,5 кг почвы и высаживали по 14 растений. Выращиваемая культура — ячмень сорта Криничный. В качестве удобрения использовали азофоску (1:1:1, ТУ 113-03-495-85) с содержанием NPK по 16 %, которую вносили в почву в дозе 100, 200 и 400 мг/кг, или 0,25; 0,50 и 1,00 от полной расчетной. Время вегетации — 2 мес, полив и прополка — 2 раза в неделю. Каждый вариант опыта проводили в 4 повторностях.

Результаты. Масса всех микробных культур при концентрации алюминия С(Al) 15 мг/л превышала контроль и уменьшалась с увеличением количества поллютанта. Поскольку микроорганизмы в контроле не испытывали влияния алюминия, последующее определение их массы проводили без использования контроля.

1. Зависимость биомассы штаммов микроорганизмов (по оптической плотности А540), выделенных из разных образцов почвы, от концентрации алюминия (мг/л) в питательной среде
Штамм	0	15	30	60	90	120	180
Ш-18	0,199	0,670	0,650	0,212	0,153	0,140	0,115
ККТ-3	0,335	0,655	0,640	0,300	0,293	0,273	0,270
ГХ-4	0,238	0,281	0,249	0,151	0,146	0,132	0,109
МР-1	0,650	1,550	1,470	1,300	0,740	0,158	0,128
МР-2	0,340	1,390	1,200	1,160	0,430	0,078	0,073
ЛС-1	0,774	0,902	0,847	0,814	0,768	0,753	0,672

Изменение микробной биомассы в присутствии Al³⁺, исключая контроль, описывалось сигмоидной функцией, позволяющей оценить устойчивость штаммов к алюминию:

где М₀ — начальная биомасса микроорганизмов (оптическая плотность
А₅₄₀) при концентрации алюминия 15 мг/л; М₁— конечная биомасса; С₀(Al) — концентрация алюминия, при которой масса микроорганизмов равна полусумме (М₀ + М₁)/2 и соответствует точке перегиба кривых; δС(Al) — постоянная величина, характеризующая угол наклона кривой изменения массы микроорганизмов.

Рис. 1. Зависимость биомассы микроорганизмов (в единицах оптической плотности, А540) от концентрации алюминия в культуральной среде: 1-6 — соответственно алюмотолерантные штаммы ЛС-1, ГХ-4, ККТ-3, Ш-18, МР-1 и МР-2.

Кривые на рисунке 1 построены по нормированным значениям таблицы 1 по отношению к М₁₅ (масса микроорганизмов при концентрации элемента в культуральной жидкости 15 мг/л), поэтому в таблице 2 все значения М₀ равны 100 %.

Из уравнения [1] и полученных данных (см. рис. 1) вытекает ряд признаков устойчивости микроорганизмов к алюминию. Во-первых, чем больше величина конечной биомассы М₁, тем выше устой-чивость. По уменьшению М₁ штаммы ранжировались следующим образом: ЛС-1 > ГХ-4 = ККТ-3 > Ш-18 > МР-1 = МР-2. Во-вторых, чем больше С₀(Al) (точка перегиба), тем выше устойчивость микроорганизмов к алюминию. По уменьшению С₀(Al) ранжирование было следующим: ЛС-1 = МР-1 = МР-2 > ГХ-4 = ККТ-3 = Ш-18. В-третьих, чем больше δС(Al), то есть чем меньше наклон кривых, тем выше устойчивость микроорганизмов к алюминию. По уменьшению dС(Al) штаммы располагались в ряд: ЛС-1 > МР-1 = МР-2 = ГХ-4 > ККТ-3 = Ш-18. В-четвертых, на устойчивость штамма к алюминию указывает также длина «плеча» — горизонтального участка на кривой при малых концентрациях алюминия в растворе (рис. 2). Длину плеча С_0,1(Al) найдем, например, допустив уменьшение массы микроорганизмов на 10 % от начальной М0. Подставив М = 0,9М₀ в уравнение [1], получим:

3. Содержание подвижного алюминия в почве С(Al) (мг/кг) и ее кислотность (рН) при внесении азофоски на фоне бактеризации разными штаммами микроорганизмов
Показатель	Доза минерального удобрения, мг/кг почвы
	0	100	200	400
К о н т р о л ь
С(Al)	84,67	102,60	105,19	106,81
рН	4,25	4,15	4,11	4,05
Ш т а м м   Ш-18
С(Al)	86,18	94,50	112,64	109,73
рН	4,19	4,13	4,07	4,05
Ш т а м м   ГХ-4
С(Al)	83,35	105,22	106,41	106,52
рН	4,19	4,10	4,06	4,05
Ш т а м м   ККТ-3
С(Al)	88,55	101,54	103,38	105,98
рН	4,20	4,10	3,95	3,95
Ш т а м м   МР-1
С(Al)	85,29	87,90	98,56	102,56
рН	4,13	4,07	4,05	4,02
Ш т а м м   МР-2
С(Al)	83,29	98,67	108,88	104,04
рН	4,10	4,05	4,00	3,97
Ш т а м м  ЛС-1
С(Al)	84,87	92,24	102,98	104,46
рН	4,11	4,07	4,05	4,02

Чем больше длина «плеча»
С_0,1(Al) (см. табл. 2), тем устойчивее микроорганизмы к алюминию. По уменьшению С_0,1(Al) выделенные штаммы располагались в ряд: ЛС-1 > МР-1 = МР-2 >

> ККТ-3 = Ш1-8 > ГХ-4.

Штамм ЛС-1 был выделен из почвы с высоким содержанием Al,  поэтому по всем критериям оказался наиболее толерантным к возрастанию его концентраций в культуральной среде. Отметим, что второй и третий критерии сходны по смыслу, поэтому порядок расположения штаммов в рядах был одинаковым. В то же время приведенные критерии, по-видимому, отражают различные механизмы взаимодействия микроорганизмов с ионами алюминия: C_0,1(Al) — при малых концентрациях Al (до 35 мг/л), С₀(Al) и dС(Al) — при средних (от 35 до 100 мг/л) и М₁— при высоких (больше 100 мг/л). Наличие плеча указывает на существование механизма активного восстановления клеток, однако средние концентрации алюминия начинают его подавлять, при высоких — он заметно ингибирован, но полностью указанный процесс не прекращается, следовательно, у микроорганизмов имеются специальные механизмы восстановления ДНК, поврежденной ионами алюминия.

	Рис. 2. Зависимость содержания подвижного алюминия в почве от ее кислотности при инокуляции растений ячменя сорта Криничный алюмотолерантными микроорганизмами: А —  контроль, Б, В, Г, Д, Е и Ж — соответственно инокуляция штаммами Ш-18, ККТ-3, ГХ-4, МР-1, МР-2 и ЛС-1.

Кроме ЛС-1, устойчивыми при малых и средних концентрациях оказались штаммы МР-1 и МР-2, при больших — ГХ-4 и ККТ-3.

При оценке влияния исследованных штаммов на содержание подвижного алюминия в почве при разных рН обнаружили, что внесение азофоски в кислую почву, содержащую изначально 74,1 мг Al³⁺/кг, приводило к незначительному подкислению почвенного раствора — на 3-6 % по сравнению с контролем и к более существенному повышению содержания подвижного алюминия — до 19-28 % (табл. 3).

Полученные результаты (см. табл. 3) позволяют рассмотреть зависимость концентрации подвижного алюминия в почвенном растворе от кислотности почвы, созданной внесением азофоски. Поскольку малое число точек не позволяет подобрать наиболее подходящую функцию и провести точную оценку параметров, для анализа мы использовали функцию, аналогичную по форме [1]:

где С₁(Al) — исходное (контрольный вариант) содержание подвижного алюминия, мг/кг; С₂(Al) — конечное содержание подвижного алюминия, мг/кг; рН₀ — величина рН, при которой содержание подвижного алюминия равно полусумме исходного и конечного содержания [С₁(Al) + С₂(Al)]/2 и является точкой перегиба кривых (см. рис. 2); δ рН — постоянная, характеризующая угол наклона кривой изменения содержания алюминия (чем меньше dрН, тем быстрее достигается конечная концентрация алюминия).

4. Параметры уравнения [3], описывающего зависимость изменения содержания подвижного алюминия в почвенном растворе от кислотности почвы на фоне бактеризации разными штаммами микроорганизмов
Параметр	Контроль	Ш-18	ККТ3	ГХ-4	МР-1	МР-2	ЛС-1
С1(Al), мг/кг	108	111	104	106	103	106	104
С2(Al), мг/кг	53	86	69	77	85	77	85
рН0	4,30	4,12	4,20	4,18	4,06	4,05	4,05
δ рН	0,050	0,002	0,020	0,008	0,006	0,003	0,002
рН0,1	4,23	4,12	4,19	4,18	4,06	4,05	4,05
С2(Al)/С1(Al)	0,49	0,77	0,66	0,73	0,83	0,73	0,82
Абсолютно сухая масса, г/сосуд (к контролю, %)	0,65 (100)	0,67 (103)	0,78 (120)	0,72 (111)	0,73 (112)	0,74 (114)	0,75 (115)

Отношение С₂(Al)/С₁(Al) (табл. 4) показывает, на сколько уменьшается содержание подвижного алюминия в почве под действием бактерий. Наибольшее изменение ожидается в контрольном варианте при уменьшении кислотности почвы, однако оно будет достигнуто при большем значении рН (показатель рН0 максимален) и значительно медленнее (показатель dрН максимален) по сравнению с другими вариантами. Наши результаты (см. табл. 3) показывают, что в контроле величина отношения С₂(Al)/С₁(Al) = 0,49 должна достигаться лишь при приближении значения рН к 4,5. Внесение микроорганизмов заметно уменьшало длину плеча (рН0,1) и увеличивало угол наклона (dрН). Самое короткое плечо отмечали при бактеризации штаммами МР-1, МР-2 и ЛС-1. Содержание подвижного алюминия начинало снижаться при меньших значениях рН, чем в контроле, что должно приводить к увеличению массы растений. Действительно, снижение количества подвижного алюминия в почвенном растворе на 15-30 % увеличивало массу сухого вещества на 3-20 % по сравнению с контролем (см. табл. 4).

Таким образом, из образцов кислых и техногенно загрязненных почв выделены алюмотолерантные микробные изоляты. Бактеризация посевных семян ячменя этими культурами существенно повысила устойчивость растений при выращивании на кислых низкогумусных алюмосодержащих почвах. Сухая биомасса инокулированных растений составляла 103-120 % от контроля в зависимости от используемой культуры.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. П у х а л ь с к а я  Н.В. Проблемные вопросы алюминиевой токсичности. Агрохимия, 2005, 8: 70-82.
2. А м о с о в а  Н.В.,  С ы н з ы н ы с  Б.И.,  У л ь я н е н к о  Л.Н. и др. Об устойчивости различных сортов ячменя к действию ионов алюминия и фитопатогенной инфекции. С.-х. биол., 2006, 5: 26-28.
3. А м о с о в а  Н.В.,  Н и к о л а е в а  О.Н.,  С ы н з ы н ы с  Б.И. Механизмы толерантности у культурных растений. С.-х. биол., 2007, 1: 36-42.
4. С и д о р е н к о  О.,  С т о р о ж е н к о  В.,  К у х а р е н к о в а  О. Применение бактериальных препаратов при выращивании картофеля. Микробиол. журн., 1996, 6: 36-38.
5. П о н о м а р е в а  Л.В.,  О с и п о в  А.И.,  З о л ь н и к о в а  Н.В. и др. Химико-биологическая мелиорация почв. Тр. Межд. науч.-произв. конф. «Почва—удобрение—плодородие». Минск, 1999: 128-129.
6. П о н о м а р е в а  Л.В.,  К у д р я в ц е в  Д.В.,  Т о р г о в а н о в а  В.А. и др. Влияние микробных культур и химических мелиорантов на пшеницу в условиях кислой почвы. Бюл. ВИУА «Агрохимия на рубеже веков». М., 2000, 3: 18-19.
7. П о н о м а р е в а  Л.В.,  О с и п о в  А.И.,  К у д р я в ц е в  Д.В. Влияние биомелиорантов на растения в условиях кислой почвы. Мат. Межд. науч. конф. «Биотехнология на рубеже двух тысячелетий». Саранск, 2001: 132-133.
8. П о н о м а р е в а  Л.В.,  О с и п о в  А.И.,  К у д р я в ц е в  Д.В. и др. Использование микробных препаратов на кислых почвах с повышенным содержанием подвижного алюминия. Агрохим. вест., 2004, 4: 22-24.

 

CONTENT OF MOBILE ALUMINIUM AND SOIL ACIDITY ON THE BACKGROUND OF CULTIVATION OF ALUMINUM-TOLERANT BACTERIA FOR THE PURPOSE OF RISING OF PLANT’S RESISTANCE

L.V. Ponomareva, V.F. Drichko, N.P. Tsvetkova, D.V. Kudryavtsev

From the samples of acid and man-caused polluted soils the authors isolated the alumi-numtolerant bacterial strains and determined their influence on the content of soil mobile aluminum and pH of sodpodzol loam low-humus soil in vegetative experiments. It was shown, that bacterial contamination of sowing seeds by such bacterial strains and further growing of the barley of the Krinichnyi variety on acid soil with high content of mobile aluminum permit to increase the plant resistant to it. The dry biomass of the such inoculated barley plants was of 103-120 % from control in connection with used bacterial culture.

Key words: alumotolerant microorganisms, bacterisation, inoculation of plants, aluminum of soil, barley, sustainability.

ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт Россельхозакадемии, 195220 г. Санкт-Петербург, Гражданский просп., 14, e-mail: office@agrophys.ru

Поступила в редакцию 29 мая 2007 года

 

Оформление электронного оттиска

От эксперимента — к практике Всероссийский НИИ селекции и семеноводсва овощных культур Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства Всероссийский НИИ cельскохозяйственной биотехнологии РАСХН Биотехнический научно-экспериментальный комплекс "ГосНИИсинтезбелок"