CC BY
14
УДК 631.416.8 Канд. биол. наук М.А. ЕФРЕМОВА
(СПбГАУ, marina_efremova@mail.ru) Соискатель A.C. ВЯЛЬШИНА (СПбГАУ, moroshka90i@yandex.ru] Соискатель Е.М. НАУМОВ (АО «ГосНИИхиманалит»)
ДИНАМИКА НАКОПЛЕНИЯ МЫШЬЯКА И СВИНЦА ПШЕНИЦЕЙ ЯРОВОЙ ИЗ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МИЗОРИНА
Микробиопрепарат, свинец, мышьяк, удельная скорость роста, пшеница яровая
В научной литературе большое внимание уделяется вопросу влияния ризосферных микроорганизмов на процессы роста растений и накопление ими химических элементов из почвы [1], возросло число микробиопрепаратов, применяемых при выращивании сельскохозяйственных растений с целью повышения урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. Интерес к данной группе препаратов обусловлен широким спектром их действия на растения, возможностью направленно регулировать определенные этапы их роста и развития, способностью повышать стрессоустойчивость растений (устойчивость к недостатку влаги, высоким и низким температурам и т. д.).
Благодаря инокуляции семян выращиваемых растений микробиопрепаратами в систему почва-растение попадает большое количество микроорганизмов. Так, при внесении 1 г препарата Мизорин 2-5 млрд. ассоциативных бактерий Arthrobacter mysorens заселяют прикорневую зону растений (ризосферу) и поверхность корней [2]. Таким образом, применяемые в сельскохозяйственной практике микроорганизмы становятся частью активной микробной биомассы почвы.
Влияние микроорганизмов на подвижность химических элементов в системе почва-растение неоднозначно, в то же время они сами являются объектами химического воздействия в почве. Многими авторами показано, что тяжелые металлы неблагоприятно влияют на биохимическую активность микроорганизмов, на рост их популяции и её морфологический состав, приводя к уменьшению их биомассы и разнообразия [3, 4]. Колонизирующие корень или прикорневую зону почвы бактерии изменяют подвижность токсичных химических элементов, выделяя в окружающую среду специфические метаболиты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции с участием токсикантов. Результатом этих процессов может быть как увеличение доступности токсичных химических элементов для растений, так и снижение подвижности элементов в системе почва-растение при формировании труднорастворимых комплексных органических соединений. Кроме того, бактерии успешно абсорбируют некоторые токсичные элементы, снижая их доступность для растений.
Целью наших исследований было изучить влияние микробиопрепарата Мизорин на динамику накопления токсичных химических элементов, свинца и мышьяка яровой пшеницей из загрязненной дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы. В задачи исследований входило сравнение динамики роста пшеницы на почвах, загрязненных мышьяком и свинцом, а также сравнение динамики выноса свинца и мышьяка пшеницей.
Для достижения поставленной цели были проведены два вегетационных опыта. Яровую пшеницу выращивали в сосудах Кирсанова, вмещающих 5,5 кг почвы. В первом опыте почва была загрязнена свинцом, во втором - мышьяком при использовании растворов солей РЬ(Ж)з)2 и Na2HAs03. Концентрация токсичных элементов находилась на уровне 1 ОДК: 64 мг Pb/кг и 5 мг As/кг почвы. При закладке опытов в почву всех сосудов была внесена нитроаммофоска (NPK по 0,1 г д.в./кг почвы). Схемы обоих опытов состояли из двух вариантов (табл. 1). Опыты проведены в трехкратной повторности.
Таблица 1. Схема вегетационных опытов
№ варианта 1-й опыт 2-й опыт
1 ЫРК + РЬ №К + Аэ
2 №К + РЬ + Мизорин ЫРК + Аэ + Мизорин
Агрохимическая характеристика почвы представлена в табл. 2. Показатели кислотности почвы, суммы поглощенных оснований, содержания подвижных соединений фосфора и калия в почве были определены по методикам ГОСТ, содержание органического вещества в почве - по методу Тюрина. Почва характеризуется средним для пахотных дерново-подзолистых почв содержанием гумуса, слабокислой реакцией среды, высокой концентрацией подвижного фосфора, повышенным содержанием подвижного калия, потребность в известковании очень слабая.
Таблица 2. Агрохимическая характеристика дерново-подзолистой почвы
С,% рН(кс1) Нг 8 V Подвижные соединения, мг/кг Валовое содержание, мг/кг
ммоль/100 г почвы % к2о РЬ Аб
2,94 5,2 1,75 12,2 88,7 202 158 25,3 1,5
Уровень валового содержания РЬ и Аз в почве опытов входит в диапазон колебаний содержания микроэлементов в дерново-подзолистых почвах таежной зоны [5]. Мышьяк и свинец часто являются сопутствующими элементами в природном ландшафте, т.к. основная часть мышьяка находится в земной коре в рассеянном состоянии, присутствует как примесь, особенно в сульфидных рудных и нерудных образованиях железа, меди, ртути, свинца [6]. Поведение этих микроэлементов в системе почва-растение рассматривалось нами в разных экспериментах, что может быть вполне оправданным для почв техногенных ландшафтов, где повышенные концентрации Ав и РЬ возникают по разным причинам.
В опытах выращивалась яровая пшеница одного и того же сорта - Ленинградская-6. При посеве семена пшеницы были инокулированы водным раствором Мизорина. Концентрация препарата в растворе соответствовала рекомендациям специалистов НИИ микробиологии (Санкт-Петербург). Семена были размещены на глубине 1,0-1,5 см от поверхности почвы. В каждый сосуд было высеяно по 30 растений, после прорастания оставлено по 19 растений (опыт с РЬ) и по 25 растений (опыт с Ав).
Пшеница была убрана в разное время. Интервал между отбором растительных проб составил 5-10 суток. Всего было сделано 9 временных отборов проб пшеницы - на 10, 15, 20, 25, 30, 35, 45, 55, 65 сутки её роста.
После уборки растений была определена их надземная масса, концентрация РЬ и Аз в растениях и их вынос растениями пшеницы.
В экспериментах были определены удельная скорость роста пшеницы, удельная скорость выноса химических элементов растениями из почвы. Величины этих параметров были рассчитаны согласно методике, предложенной В.Ф. Дричко [7, 8], которая основывается на аппроксимации изменения массы растений в течение вегетации и динамики выноса химических элементов растениями Б-образной кривой Сакса и соответствующей ей логистической функцией:
мт = - , (1)
1+
где Мтах - максимально возможная масса растений, г/сосуд; Мо - некоторая начальная масса растений, г/сосуд; ¡л - константа удельной скорости роста растений, сут-1, t - время, прошедшее от момента прорастания семян, сут.
Величина р служит для вычисления нарастания массы растений: чем она выше, тем больше скорость роста растений. Эта величина может служить для сравнения скоростей роста растений различных сортов и видов, для характеристики качества биоценоза и уровня плодородия почвы, т.к. зависит от скорости клеточного деления тканей растения, связанного с ней биохимическими и биофизическими механизмами.
Числовые значения параметров логистической функции (1) были рассчитаны с помощью программы ORIGIN 9.0 методом обработки опытных данных с использованием
сигмоидальной логистической функции S-logistic:
-У = (2)
Сопоставление сигмоидальной логистической функции, полученной при компьютерной обработке данных (2), и теоретической функции (1) дает возможность найти параметры Ммах, М0, и.
При сопоставлении уравнений (1) и (2) получаем: а = Ммах, к = х = t,
Ь = (й«-1).
Соответствие используемой функции реальным данным подтверждается в программе ORIGIN 9.0 коэффициентом детерминации (г"), величина которого явилась основой для выбора оптимальных значений параметров логистической функции, применяемой для описания результатов эксперимента.
Константа удельной скорости роста растений позволяет вычислить период (Т) удвоения их массы:
Т = °'693/ц. (3)
Содержание мышьяка и свинца в пшенице было определено на атомно-абсорбционном спектрометре с электротермической атомизацией. Подготовка растительных образцов к измерению осуществлялась методом мокрого озоления в смеси азотной и хлорной кислот.
Мизорин не оказал эффективного воздействия на накопление наземной биомассы пшеницы, произрастающей на загрязненной почве. В опытах не получена существенная прибавка массы растений в вариантах с применением этого микробиопрепарата по сравнению с контролем (табл. 3).
ТаблицаЗ. Динамика биомассы пшеницы, (г/сосуд)
Возраст растений, сут. Фенофаза Варианты
NPK NPK+Мизорин
As
10 Всходы 0,92±0,23 0,96±0,20
15 Кущение 2,52±0,31 2,41±0,19
21 4,64±0,13 3,85±1,15
25 7.17±1.40 6.57±1.20
30 Выход в трубку 10.62±1.51 9.90±1.90
35 13,14±1,17 13,47±0,96
45 17,00±0,68 14,06±1,31
56 Колошение 16,07±4,79 17,86±1,Ю
65 Молочная спелость 23.66±1.43 23,22±4,97
Pb
10 Всходы 0,60±0,14 0,64±0,14
15 1.28±0.33 1.41±0.39
20 Кущение 3,04±0,85 3,12±0,87
25 4,69±1,17 5.25±1.37
30 6.96±1.60 9.14±2.01
35 Выход в трубку 8,79±2,55 11,34±3,06
45 18,29±4,76 17,24±4,82
55 Колошение 21.58±4.10 21,78±3,92
65 Молочная спелость 26,25±3,87 25,03±5,05
В нашем эксперименте динамика массы растений пшеницы хорошо описывалась Б-образной кривой и соответствующей ей логистической функцией (рис. 1). Параметры этой функции представлены в табл. 4.
Удельная скорость роста пшеницы сорта Ленинградская-6 на почве, загрязненной Аз и РЬ, на экспоненциальной стадии роста (фазы всходов, кущения и начало фазы выхода в трубку) не зависела от вида токсиканта в почве. Также на неё не оказало влияние применение микробиопрепарата Мизорин. Это утверждение вытекает из того факта, что константа удельной скорости роста пшеницы // не имела достоверных различий по вариантам двух опытов. Период удвоения массы растений варьировал в пределах 6,42-7,97 суток без существенных отклонений по вариантам.
Возраст растений, сутки Рис. 1. Динамика массы растений пшеницы
Максимально возможная масса растений пшеницы в рамках условий описываемого вегетационного опыта оказалась достоверно выше при загрязнении почвы свинцом, чем мышьяком. Превышение составило в среднем 1,6 раза. Это указывает на значительно большую степень токсичности мышьяка для пшеницы, чем свинца при загрязнении почвы химическими элементами на уровне, соответствующем одной ориентировочно-допустимой концентрации.
Таблица 4. Параметры нарастания биомассы пшеницы
Вариант м0. ц. т. Ммах,
г/25 растений сутки"1 сутки г/25 растений г
Контроль (Аэ) 0,744 0,105±0,022 6,60 21,40±2,21 0,95
Мизорин (Аэ) 0,981 0,087±0,022 7,97 23,22±2,96 0,96
Контроль(РЬ) 0,447 0,108±0,011 6,42 36,20±1,88 0,99
Мизорин (РЬ) 0,615 0,106±0,009 6,54 33,94±1,37 0,97
Согласно литературным данным содержание Аз в растениях на незагрязненных почвах изменяется в широких пределах: от 0,03 до 4,2 мг/кг сухой массы [9]. Токсичное действие Аз на растения наблюдается при содержании в тканях элемента более 5 мг/кг сухой массы. Основной симптом интоксикации растений - снижение урожаев в связи с тем, что Аз является ингибритом обмена веществ. В нашем эксперименте растения пшеницы содержали мышьяк в значительно меньших количествах, чем указанный критический уровень (табл. 5). Под действием Мизорина наблюдалось снижение концентрации элемента в пшенице.
Естественные уровни содержания свинца в растениях из незагрязненных и безрудных областей довольно постоянны и лежат в пределах 0,1 - 10,0 мг/кг сухой массы [9]. В нашем эксперименте при свежем загрязнении почвы свинцом концентрация
элемента в растениях контрольного варианта находилась в указанных пределах, но проведение инокуляции семян пшеницы Мизорином привело к значительному росту содержания РЬ в биомассе пшеницы. Среднее содержание элемента в растениях контрольного варианта в 3,8 раза ниже, чем в варианте с Мизорином.
Таблица5. Накопление As и РЬ пшеницей из дерново-подзолистой почвы
Возраст Концентрация, мг/кг сухой массы Вынос, мкг/25 растений
растений. As РЬ As РЬ
сутки
Контроль Мизорин Контроль Мизорин Контроль Мизорин Контроль Мизорин
10 - 0,268 - 0,23 - 0,26 - 0,19
15 0,533 0,258 0,26 0,75 1,34 0,62 0,438 1,39
20 0,843 0,314 0,74 2,35 3,91 1,21 2,96 9,65
25 1.002 0,499 1,12 6.56 7,18 3,28 6,912 45,32
30 0,708 0,396 - 6,42 7,52 3,92 - 77,21
35 0,619 0,483 - 10,9 8,13 6.51 - 162,6
45 0,543 0,434 - 6.51 9,23 6,10 - 147,7
55 0,254 0,435 6,9 22 — 7,77 195,9 630,5
65 0,374 0,310 - 21,1 8,85 7.21 — 694,9
Соотношение концентраций As и РЬ в пшенице во времени увеличивалось. Если в проростках концентрации этих элементов имели несущественные отличия, то на 65-е сутки роста пшеницы концентрация As в растениях контрольного варианта была ниже соответствующего показателя по РЬ в 10,4 раза, а в варианте с применением Мизорина - в 70 раз.
Вынос As и РЬ пшеницей рассчитан как произведение массы растений в сосуде и концентрации этих элементов в растениях (табл. 5). Экспериментально показано, что динамика выноса химических элементов растениями так же как и изменение их массы во времени хорошо описывается логистической функцией:
(4)
где Атах - максимальный вынос химического элемента растениями; А0 - начальный вынос химического элемента в момент прорастания зерна; е - константа удельной скорости выноса химического элемента растениями; t - время.
Математическая обработка данных в программе ORIGIN 9.0 позволила найти вышеуказанные параметры и установить различия в динамике накопления токсичных элементов растениями из почвы (табл. 6).
Таблица 6. Параметры динамики выноса As и РЬ пшеницей из почвы
Варианты А,;„ мкг/25 растений сутки"1 д мкг/25 растений г
Контроль (As) 0,025 0,284±0,053 8,70±0,31 0,98
Мизорин (As) 0,040 0,190±0,041 7,22±0,38 0,97
Контроль(РЬ) 0,045 0,203±0,043 208,8±18,3 0,99
Мизорин (РЬ) 0,288 0,159±0,057 789,9±136,5 0,95
Параметр Амах показывает существенные различия в выносе Аэ и РЬ пшеницей: максимальный вынос РЬ в 24-109 раз превышает значение аналогичного параметра по Ав. Эти различия отражают генетические особенности пшеницы.
Применение Мизорина не оказало практического влияния на вынос мышьяка растениями: параметры Амах и 8 несущественно различаются по вариантам. В опыте со свинцом использование микробиопрепарата показало себя как фактор, значительно увеличивающий максимальный вынос тяжелого металла биомассой взрослых растений
пшеницы, различия между значениями параметра Амах в двух вариантах составили 3,8 раза при загрязнении почвы тяжелым металлом на уровне 1 ОДК (рис. 2). Таким образом, Мизорин можно рекомендовать для использования в агротехнологиях, предназначенных для фиторемедиации почвы, загрязненной свинцом.
Возраст растенийf cytki
Рис. 2. Динамика выноса As и РЬ пшеницей (вынос элементов рассчитан на 25 растений)
По-видимому, стимулирование накопления свинца пшеницей из почвы под действием микробиоты препарата Мизорин началось с самого раннего этапа её роста и развития, с прорастания, о чём свидетельствует высокое значение показателя А о, который в 6,4 раза выше, чем в контрольном варианте. Можно предположить, что ассоциативные бактерии Arthrobcicter mysorens создают благоприятные физико-химические условия в ризосфере, при которых подвижность РЬ в системе почва-растение увеличивается. Одним из таких условий может быть подкисление почвенной среды вблизи корневой системы. На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы. Накопление биомассы пшеницы яровой и вынос растениями пшеницы химических элементов (As, РЬ) из дерново-подзолистой почвы хорошо описываются логистической функцией.
Максимально возможная масса пшеницы яровой достоверно выше при загрязнении почвы свинцом, чем мышьяком. Это указывает на значительно большую степень токсичности мышьяка для пшеницы, чем свинца при загрязнении дерново-подзолистой почвы химическими элементами на уровне ОДК.
Применение микробиопрепарата Мизорин увеличивает максимально возможный вынос РЬ пшеницей из дерново-подзолистой почвы в 3,8 раза по сравнению с контролем, что может быть использовано при фиторемедиации почвы.
Ассоциативные бактерии Arthrobcicter mysorens увеличивают подвижность РЬ в системе почва-растение и не оказывают влияния на подвижность As.
Литература
1. Белоголова Г.А., Соколова М.Г., О.Н. Гордеева Влияние ризосферных бактерий на миграцию и биодоступность тяжелых металлов, мышьяка и фосфора в техногенно-загрязненных экосистемах // Агрохимия. - 2013. - № 6. - С. 69-77
2. Тихонович И.А., Кожемяков А.П., Чеботарь В.К. и др. Биопрепараты в сельском хозяйстве - М.: Россельхозакадемия, 2005. - 153 с.
3. Roane Т.М., Kellog S.T. Characterization of bacterial communities in heavy metal-contaminated soils // Can. J. Microbiol. -1996. -V. 42. - P. 593
4. Шпангеева И. Фиторемедиация зерновыми культурами загрязненных микроэлементами почв: роль удобрений и бактерий в биодоступности // Микроэлементы в окружающей среде: биогеохимия, биотехнология и биоремедиация / Под ред. М.Н.В. Прасада, К.С. Саджвана, Р. Найду. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - С. 621-654.
5. Богатырев Л.Г., Ладонин Д.В., Семенюк О.В. Микроэлементный состав некоторых почв и почвообразующих пород южной тайги Русской равнины // Почвоведение. - 2003. - № 5. - С. 568-576.
6. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР.- М.: Высшая школа, 1988.-328 с.
7. Дричко В.Ф., Ефремова М.А., Поникарова Т.М. Поступление b4Cs из торфяной почвы в тимофеевку луговую в онтогенезе // Радиационная биология. Радиоэкология. - 1994. - Т. 34. -Вып. 4-5.-С. 723-728
8. Дричко В.Ф., Изосимова A.A. Методика определения удельных скоростей роста растений и выноса ими химических элементов из почвы. - СПб: АФИ, 2011. - 24 с.
9. Химия тяжелых металлов, мышьяка и молибдена в почвах / Под ред. Н.Г. Зырина, Л.К. Садовниковой - М.: Изд-во МГУ, 1985. - 208 с.
УДК 636.082.233
Канд. с.-х. наук М.Г. ПОЛУХИНА (Орловский ГАУ, redhvosti@yandex.ru) Канд с.-х. наук II.Ж. КОЖАМУРАДОВ (РГАУ -МСХА имени К. А. Тимирязева) Доктор с.-х. наук И.И. ПОПОВ (СПбГАУ)
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПЛЕМЕННОГО МОЛОЧНОГО СКОТОВОДСТВА
ОРЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Племенное животноводство призвано обеспечить процесс воспроизводства племенных животных в целях улучшения продуктивных качеств сельскохозяйственных животных и разведения высокопродуктивных сельскохозяйственных животных, сохранения генофонда малочисленных и исчезающих пород сельскохозяйственных животных, полезных для селекционных целей [1].
Разведение высокопродуктивного молочного скота является залогом успеха любого сельскохозяйственного предприятия в независимости от его размеров, формы собственности или наличия племенного статуса. В этой связи особую значимость в развитии молочной отрасли региона приобретает племенная работа, позволяющая обеспечивать сельскохозяйственные предприятия генетическим материалом с учетом региональных особенностей разведения.
Основными направлениями развития инновационных процессов в молочном скотоводстве Орловской области являются: повышение генетического потенциала животных на основе выведения породных групп путем совершенствования и использования современных методов племенной работы на различных уровнях, внедрение новых методов организации племенной работы в сельскохозяйственных организациях, направленных на увеличение высокопродуктивного поголовья животных, отвечающих требованиям специализации производства и зональным природно-экономическим условиям региона.
В базу племенных ресурсов Орловской области, на начало 2016 года, входят 14 племенных организаций по разведению крупного рогатого скота, в том числе: 3 племенных завода - по разведению черно-пестрой породы крупного рогатого скота: ФГУП "Стрелецкое" Орловского района; ЗАО "Славянское" Верховского района;
- по разведению симментальской породы: ОАО "Племенной завод "Сергиевский" Ливенского района).
13 племенных репродукторов:
- по разведению голштинской породы: ООО "Юпитер" Болховского района; ООО "Картофельная Нива Орловщины";
- по разведению черно-пестрой породы: СПК им. Мичурина Верховского района; ЗАО "Орловское" Ливенского района; ООО "Речица" Ливенского района; ОАО "А/ф
